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第二章 物理层
2.1 物理层的概念
（1）物理层解决问题：如何在连接各种计算机的传输媒体（媒介，光纤、铜线等）上传输数据比特流（0101010），而不是只具体的传输媒体。
（2）物理层的主要任务： 确定传输媒体的接口的一些特性：
① 机械特性：例接口形状、大小、引线数目
② 电气特性：例规定电压范围（-5V到+5V）
③ 功能特性：例规定-5V表示0，+5V表示1
④ 过程特性：也称规程特新，规定建立连接时，各个相关部件的工作步骤
2.2 数据通信的基础知识（广义：计算机、电话等）
通信的目的是传送消息
术语：
数据（data）：运送消息的实体
信号（signal）：数据的电气或电磁的表现
模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的。正弦波、余弦波，变化是连续的。
数字信号：代表消息的参数的取值是离散的。010110101001010，有电、没电，跳跃性的、离散的
码元（code）：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元
在数字通信中，常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号成为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量
有关信道的几个基本概念：
信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以在咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接受信息的信道；
单向信道（单工通信）：只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互；电视台
双向交替信道（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接受）。对讲机
双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接受信息。手机电话
计算机通信绝大部分是半双工或全双工，没有单工通信的。
基带（base band）信号和带通（band pass）信号：
基带信号（base band）：即基本频带信号，来自信源的信号，像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，比如我们说话的声波就是基带信号。
带通信号（band pass）：把基带信号经过载波调试后，把信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道汇总传输（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，计算机网络都采用基带传输方式，由于在近距离范围内基带信号衰减不大，从而信号内容不会发生变化，因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。
基带信号-->带通信号调制方法：
① 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化；
有振幅为1，无振幅为0；
② 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化；
从始至终都有振幅，震动频率大为1，震动频率小为0；
③ 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化
从始至终都有振幅，电波的波相不同：正弦为1，余弦为0.
数字信号常用编码方法：
单极性不归零码：
只是用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0；
双极性不归零码：
用正电平和负电平分别表示二级制数据的1和0，正负幅值相等
单极性归零码：
（RZ）；是以高电平和零电平分别表示二进制1和0，而且在发送码1时，高电平在整个码元期间T只持续一段时间t，其余时间返回零电平；
双极性归零码：
正负零三个电平，信号本身携带同步信息；
曼彻斯***：
bit中间有信号，低-->高跳变为0；
bit中间有信号，高-->低跳变为1.
采用曼彻斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须经过两次采样才能得到一个bit，但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输。
差分曼彻斯***：
bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0，
bit中间有信号跳变，bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为1，
差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码。
信道极限容量：
数字通信时，有干扰：
有失真，但可以识别：
失真大，无法识别
奈氏准则：
1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推导出著名的奈氏准则，他给出了，在假定的理想条件下(在没有干扰的情况下)，为了避免码间干扰，码元的传输速度的上限值。
在任何信道中，码元的传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判断（识别）成为不可能。
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
光纤之所以比铜线网速快，不是因为其传输速度快，而是因为其可以用更高的速率来发送码元；若为铜线，发送的速率过快，则可能无法识别。
香农编码：
信噪比：S/N
香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
信道的极限信息传输速率C可以表达为：
C = W Log2(1+S/N) b/s
C 信道的极限传输速率
W :信道的带宽（以HZ为单位）。
S :信道内所传信号的平均功率；
N :为信道内部的高斯噪声功率
当 N 越大的时候，C 就越小。
香农公式表明：
① 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速录就越高；
② 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
③ 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
④ 实际信道上能够到达的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
波特与bit的区别：
波特：在调制解调器中常用到这个概念；
bit：指信息量；
如果一个码元还有3个信息量，则 1波特=3bit/s
2.3 物理层下面的传输媒体
导向传输媒体：电磁波沿着固体媒体传播
双绞线
屏蔽双绞线STP
无屏蔽双绞线UTP
8根，
10M，100M：1236用，其余废
1000M：全用
直通线：568B
橙白橙，绿白蓝，蓝白绿，绿白棕
用于：
主机到交换机或集线器
路由器到交换机或集线器
交叉线：568B<-->568A
568B：橙白橙，绿白蓝，蓝白绿，棕白棕
1236
568A：绿白绿，橙白蓝，蓝白橙，棕白棕
6321
用于：
交换机到交换机
集线器到集线器
主机到主机
集线器到交换机
路由器直连到主机
总结：同类设备之间用交叉线；
不同类别设备之间用直通线
同轴电缆
50Ω同轴电缆：用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆
75Ω同轴电缆：用于模拟传输，即宽带同轴电缆
光缆
多模光纤：可以传输多个电磁波，纤芯直径较粗；
单模光纤：只能传输一种电磁波，纤芯直径较细。
非导向传输媒体：即自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输，
无线传输使用的频段很广；
短波：靠电离层的反射，但短波信道的通信质量通常较差；
微波：在空间直线传播；延迟比较大
地面微波接力通信；
卫星通信
物理层设备：
集线器：hub
工作特点：在网络中只能起到信号放大和重放的作用，其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（同一冲突域的其他设备可以收到某计算机发送的信号）。
最大传输距离：100M
集线器是一个大的冲突域
2.4 信道复用技术：复用<-->分用
复用（multiplexing）是通信技术的基本概念。
实现技术方法：
频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）：
用户在分配到一定的频带之后，在通信过程中始终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不用的带宽资源（这里打带宽指频率带宽，而不是数据的发送速率）
时分复用TDM（Time Division Multiplexing）：
将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。
每一个用户所占用的时隙是周期性的出现（其周期就是TDM帧的长度对应的时间）。
TDM信号也成为等时（isochronous）信号；
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
使用时分复用技术可能会造成线路资源的浪费。使用时分复用系统传送计算机数据时，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是不高的。
统计时分复用STDM（Statistic TDM）
交换机VLAN即用此技术。
波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）：即光的频分复用；
2.5 数字传输系统：广域网之间的数据传输
脉码调制体质（PCM）：
最初是为了在电话局之间的中继线上，传送多路电话。
PCM国际标准：
北美24路PCM（T1），速率 1.544Mb/s ；
时分复用：24*（8000*8）+ 8kbps 控制信号消耗
欧洲30路PCM（E1），速率 2.048Mb/s。
时分复用：（30*8+2*8）*8000=2.048Mb/s
我国采用欧洲的E1标准。
当需要更高的速率是，可以使用复用的方法。
2.6 宽带接入技术
xDSL：用数字技术对现有的模拟电话用户进行改造；
标准模拟电话信号的频带被限制在300-3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率任然超过1MHz（1MHz=1000KHz=1000 000Hz）。
xDLS 技术把0~4kHz的低端频谱，留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
ADSL特点：
上行和下行带宽做成不对称的。
ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术
DMT技术：
DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多子信道，其中25个子信道用于上行信道（上传），而249个子信道用于下行信道（下载）。
每个子信道占据4kHz带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调试。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的传输数据。
光纤同轴混合网HFC（Hybrid Filber Coax）：
HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。
HFC网除可传送CATV之外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，他采用模拟技术的频分复用技术对电视节目进行单向传输，而HFC网则需要对CATV网进行改造。
HFC主要特点：
1）HFC网的主干线路采用光纤：
HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改为光纤，并使用模拟光纤技术。
在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。
模拟光纤从头端连接到光纤节点（fiber node），即光分配节点ODN（Optical Distribution Node）。在光纤节点光信号被转换为电信号。在光纤节点一下就是同轴电缆。
2）HFC网采用节点体系结构。
光纤节点到头端距离：<25km
光纤节点到用户：2-3km
3）HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能。
4）每个用户要安装一个用户接口盒。
5）能够利用已有的具有相当覆盖面的有线电视网。
FTTx技术：光纤到x，x代表不同的意思。
FTTH（Fiber To The Home）：光纤到家，光纤一直铺设到用户家庭.155Mb/s
FTTB(Fiber To The Building)：光纤到大楼，光纤进入大楼后就转换为电信号。然后用电缆或者双绞线分配到各用户.
FTTC(Fiber To The Curb)：光纤到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体（155Mb/s）。
计算机网络 第二章 物理层
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