【计算机网络】物理层

计算机网络不看后悔系列blog(二）物理层/超详细！！✧ (≖ ‿ ≖)✧

物理层的基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流而不是指具体的传输媒体（如光纤，无线）和具体的介质没有关系

物理层主要任务描述

确定与传输媒体的接口的一些特性

机械特性：例如接口形状，大小，引线数目
电气特性：例如规定电压范围（-5V到+5V）
功能特性：例如规定-5V表示0，+5V表示1
过程特性：也称为规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

数据通信的基础知识

典型的数据通信模型

但是对于通过交换机进行连接的PC机之间没有调制和解调步骤，直接通过数字比特流进行传输

信道

信道一般表示向一个方向传输信息的媒体。所以通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。(三种通信方式在上一篇博文中)

理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
（其中W是理想低通信道的带宽，单位为HZ，Baud是波特，是码元传输速率的单位）

基带信号与代通信号

基带信号(基本频率信号)：来自信源的信号，例如计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如说我们说话的声波。
带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围迁移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

因此在传输距离较近时，采用基带传输方式(衰减不大，信号内容不会变化)。传输距离较远时，采用带通传输方式。

基本调制方法

从基带信号到带通信号：

调幅（AM）
调频（FM）
调相（PM）

常用的编码方式

单极性不归零编码：只使用一个电压值，高电平表示1，低电平表示0.
双极性不归零编码：用幅值相等的正负电平表示二进制数1和0.
单极性归零编码：发送码1时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回零电平。
双极性归零编码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。
曼彻斯特编码：单极性编码的缺点是没有办法区分此时是没有信号，还是有信号，还是信号是0（因为一直传输0的时候的电平一直不变）。而这种编码方式是bit中间有信号，低-高跳转表示0，高-低跳转表示1，一个时钟周期只可以表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。它能携带时钟信号，而且能区分此时是没有信号还是信号为0（bit中间有信号低-高跳变为0，有高-低跳变为1）。
差分曼彻斯特编码：抗干扰能力比曼彻斯特编码更强。bit与bit之间有信号跳变，表示下一个bit为0，bit与bit之间没有信号跳变，表示下一个bit为1。

信道极限容量

信道极限容量取决于失真的大小，当失真过大时，接收信号无法还原发送信号。

奈氏准则

在理想条件下(无噪声/干扰/失真)，为了避免码间串扰，码元的传输速率是有上限的。如果信道的频带越宽(信号高频分量越多)，则用更高的速率传输码元也不会出现码间串扰。

信噪比与香农公式

信道的极限信息传输速率C(带宽受限且有Gauss白噪声干扰时的信道极限且无差错时的信息传输速率)可表示为：

C = W log2(1 + S / N) b/s

其中：

W是信道的带宽(Hz)；
S是信道内所传信号的平均功率；
N是信道内的Gauss噪声的功率。

可以发现：

减少速度和增大功率能提高准确度。

信道的带宽或信道中的信噪比(S/N)越大，则信息的极限传输速率C就越高。

只要信息传输速率小于信道的极限传输速率C，就一定能实现某种无差错传输。

若带宽W或信噪比(S/N)没有上限，则极限传输速率C也没有上限(现实不可能)。

实际上，信道能达到的最高传输速率要比C低不少。

奈氏准则与香农公式的应用范围

在这里面源点向发送器的输入数据是二进制的数据流（基带信号），发送器向传输系统发送的信号虚拟信号（带通信号）

物理层下的传输介质

导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

双绞线：

屏蔽/非屏蔽双绞线(STP/UTP)（屏蔽双绞线传输的距离更远，抗干扰能力更强）

同轴电缆：50欧姆同轴电缆(基带同轴电缆)用于数字传输，多用于基带传输；
75欧姆同轴电缆(宽带同轴电缆)——用于模拟传输，多用于带通传输；

网线：1.直通线：双绞线夹线顺序两端一致(1白橙2橙3白绿4蓝5白蓝6绿7白棕8棕，口诀“橙白橙/绿白蓝/蓝白绿/棕白棕”)，这是100M的标准(568B)，也称正线/标准线/直通线。当用于10M和100M时，下图只用了1，3，2，6线。对于1000M的网络，8根线都会用上。直通线应用最广，这种类型的以太网电缆用来实现以下连接：主机到交换机/集线器，路由器到交换机/集线器。

2.交叉线：一般不同设备连接用直通线，同类设备用交叉线。也用于集线器到交换机，路由器到主机连接。注意，现在网卡能够自动协商，所以交叉线和直通线已经无所谓了，连错了也没关系

光纤：

1.单模光纤只能传输一种电磁波，直径小，用于有线电视网络，传播特性好，带宽可达10GHz，可以在一根光纤中传输60套PAL-D电视节目。

2.多模光纤——能传输多种电磁波，直径大，多模光纤可以通过入射角来区分。
微波需要建立发射塔，因为微波是直线传播，若不建立发射塔则很可能接受不到信号

短波通信靠大气中的电离层反射，质量比较差

非导向传输媒体

非导向传输媒体指自由空间，其中的电磁波传输称为无线传输。无线传输的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差；
微波在空间主要是直线传播(延迟大)——地面微波接力通信；微信通信。电信领域使用的电磁波的频谱如下：

物理层设备

集线器工作特点是在网络中只起到信号放大和重发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力。最大传输距离是100m；集线器是一个大的冲突域(意思是某个时间点只能是2台设备进行通信)。现在大都被转换器替代掉了，如果是多台计算机则集线器会把收到的信号放大传递给所有的计算机，并且只允许一个线道通信，被动接受的两台计算机就不能进行通信了（半双工通信），并且带宽确定，连的机器越多分得的带宽越少，并且不安全。

信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念复用技术对比图：

频分复用FDN

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终站用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽频率：

时分复用TDN

时分复用是使用相同的带宽频率但是所分配子信道不通（可以理解为在一个相同的信道中大家的时间利用点不同）时分复用可能会造成线路资源的浪费，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般不高。因为时分复用里的某个线路可能没有数据

统计时分复用STDM

就是在时分复用得基础上在时分复用帧上增加标记

波分复用WDM

简单的说就是光的频分复用

码分复用CDMA

各用户使用不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。码分复用中比如联通公司所发出的都是同一个频率的信号，采用的就是码分复用来区分，码片正交后得到0表示没有信号，1或-1则可以接收到。任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1，任何一个码片向量和该码片反码向量的规格化内积都是-1，缺点是表示一个bit需要更多的数据。

数字传输系统

广域网的数据传输：脉码调制(PCM)技术。欧洲是E1标准(30路)，北美是T1(24路，时分复用)。

带宽接入技术

ADSL非对称数字用户链路

使用电话线。用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造(xDSL)，把0-4kHz留给传统电话使用，把原来没有利用的高频谱段留给用户上网使用。ADSL上属于那一部分的频率范围可以分割成若干个频率来进行频分复用

接入网组成图：

其中：

数字用户线接入复用器DSLAM(DSL Access Multiplexer)
接入端单元(Access Termination Unit)
ATU-C(C表示端局Central Office)
ATU-R(R代表远端Remote)
电话分离器PS(POTS Splitter)

DMT技术

采用频分复用，把40kHz以上一直到1.1MHz的高频谱划分为徐队子信道，其中25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道(因为下载的情景多于上传)。每个子信道占据4kHz的带宽，并使用不同的载波进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传输数据。

光纤同轴混合网HFC

HFC网是在目前覆盖范围很广的有线电视网CATV基础上开发的一种居民宽带接入网。除了可以传送CATV外，还可以提供电话/数据/和其它宽带交互型业务。现有CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。HFC需要对CATV网进行改造：其中每个用户要安装一个用户接口盒：

FTT技术

光纤到家技术(Fiber to the home):光纤一直铺设到用户家庭(155MB/s)。
光纤到大楼技术(Fiber to the building):光纤进入大楼后就转为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边技术(Fiber to the curb):从路边到各用户可以使用星形结构的双绞线作为传输媒体(155MB/s)。

参考：
https://blog.csdn.net/iwanderu/article/details/103802457
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