【计算机网络复习之路】物理层 （多图详解）

专栏： 计算机网络复习之路
本章复习内容： ₍ᐢ..ᐢ₎♡
Ø 物理层的基本概念
Ø 数据通信的基础知识
Ø 物理层下面的传输媒体
Ø 信道复用技术（难点）
Ø 数字传输系统
Ø 宽带接入技术

好了，有了上一章：计网之概述 复习后的扎实基础，我们接着复习物理层的相关知识

复习开始~

1 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能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。

物理层的作用是：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，有助于数据链路层。

物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

• 机械特性：指明接口的形状和尺寸、连接线数目和排列、固定装置等。

e.g : 全球通用的水晶头 。

• 电气特性：指明在接口的各条连接线上出现的电压的范围。

e.g : 如5V ~ 10V的电压范围 。

• 功能特性：指明某条连接线上出现的某电压的意义。

e.g : 如高低电平含义，高电平代表1，低电平代表0 。

• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。（比如在发送数据比特流之前是否要进行时钟同步）

e.g : 不同功能的的事件顺序描述，如信号1100代表同步等 。

2 数据通信的基础知识

数据通信的常用术语：

通信的目的：传送消息(message)。话音、文字、图像、视频等都是消息。

数据：运送消息的实体，比如11001001001100111101011011001110……

2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可分为三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和 目的系统（或接收端、接收方）。

解释：

源点：源点设备产生要传输的数据。

发送器：通常源点产生的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。而典型的发送器就是调制器。

接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信号。而典型的接收器就是解调器。

终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，并将信息输出。

2.2 信道的几个基本概念

信道表示某一个方向上的信息通道（或某一个方向传送信息的媒体）。一条通信线路往往包含两条信道（发送信道和接收信道）。

信息交互的方式：

• 单向通信（单工通信）：只有一个方向的通信而没有反方向的交互。一条线路，一个信道

• 双向交替通信（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（当然也就不能同时接收）。一条线路，两个信道

• 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。两条线路，两个信道（传输效率最高）

⚠️ ⚠️ ⚠️
1、 信道和通信线路并不是同一个概念。
2、 收音机的无线电广播是单工通信，对讲机工作时使用半双工通信，电话、计算机通信都 是全双工通信。
3、 半双工通信是指通信双方只使用一条通信线路，数据可以沿两个方向传送（所以是两个信道）但同一时刻只能有一个方向的通信。若要改变传输方向，需由开关进行切换。半双工方式要求收发两端都有发送装置和接收装置。由于这种方式要频繁切换方向，故效率低，但可以节约传输线路。

从源点发出的信号（像计算机输出的代表各种文件或图像文件的数据信号）常称为基带信号（即基本频带信号）。基带信号往往包含较多的低频成分和直流成分，必须进行调制（modulation）才能在许多信道中传输。

调制分为两大类。

• 一类是基带调制，即仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。这种过程又称为编码(coding)，变换后的信号仍是基带信号。

• 另一类是带通调制，即使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

2.3 数字信号常用的编码方式

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。

曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。

差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

从信号频率中可以看出：
§ 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
从 自同步能力中可以看出：
§ 不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（即没有自同步能力）。
§ 归零制、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

2.4 基本的带通调制方式

§ 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。

§ 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。

§ 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

一般为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如：正交振幅调制 QAM 。

2.5 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。

码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

码间串扰：具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变的不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。

为了避免码间串扰，1924年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

奈氏准则：在带宽为W (Hz) 的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W Baud(码元/秒)。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

⚠️ ⚠️ ⚠️
1、这里的单位是 码元/秒 ，即Baud(波特)。因为波特（Baud）和 比特（bit）是两个不同的概念。
2 、 可通过编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量，但这样做会增加码元的种数， 在实际有噪声干扰的信道中，大大增加了解码的难度。

信噪比 ：

• 实际的信道都是有噪声的，但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，则噪声的影响就相对较小。

• 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N。若以分贝(dB)为单位，则信噪比(dB)= 10 log10(S/N)(dB) 。例如当S/N =1000 时，信噪比为30dB 。

香农公式 ：

在带宽受限且有高斯噪声干扰的信道中，信道的极限信息传输速率C = W·log2(1+S/N)(bit/s)

• W为信道的带宽，单位是 Hz；

• S为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。

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信道的极限信息传输速率就越高。

• 注意单位是bit/s , 不是码元/秒。

奈氏准则和香农公式的意义 ：

奈氏准则：适用于理想低通信道；激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量；
香农公式：适用于真实信道；告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的上限。

随堂练习：若某低通信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于其在信噪比为30 dB条件下的极限数据传输速率，则信号状态数至少是多少个 ？

解：设低通信道的带宽为W(Hz)，由奈氏准则可知，码元传输速率的上限是2W(码元/s)。假设一码元携带的信息量为n(bit)，则极限数据传输速率为2nW(bit/s)。

由30=10log10(S/N)可得S/N=1000，由香农公式可知极限信息传输速率为W·log21001(bit/s)。令2nW ≥ W·log21001，可得2n ≥ log21001，并注意到n为整数，于是n的最小值为5，信号状态数为=32 。

3 物理层下面的传输媒体

传输媒体可分为两大类：

• 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。

1、双绞线

2、同轴电缆

3、光缆

• 非导引型传输媒体：指自由空间。在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

4 信道复用技术

复用(multiplexing)是指多个用户使用一个共享信道进行通信。

频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)

概念：将整个带宽分为多份。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源。（这里的带宽是频率带宽不是数据的发送速率）

通过频分复用共享信道也叫作频分多址FDMA(FrequencyDivision MultipleAccess)。

时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)

概念：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个用户在每一个TDM 帧中占用固定序号的时隙。（这里的帧和数据链路层的帧是完全不同的概念）

每一个用户所占用的时隙周期性地出现，其周期就是TDM 帧的长度。所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

通过时分复用共享信道也叫作时分多址TDMA(TimeDivision Multiple Access)。

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从下面图解不难看出时分复用可能会造成线路资源的浪费。

原因：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。

为了能提高线路资源的利用率，就对时分复用进行了改进。

统计时分复用STDM(StatisticTDM)

• STDM帧并不是固定分配时隙的，而是按需动态的分配时隙，因此统计时分复用可以提高线路的利用率

• 每一个STDM帧中的时隙数小于用户数。

• 当一个帧的数据放满了，就发送出去。

• 一个用户所占用的时隙并不是周期性的出现。

波分复用WDM(WavelengthDivision Multiplexing)

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个载波信号。

码分复用 CDM(CodeDivision Multiplexing)

通过码分复用共享信道也叫作码分多址CDMA (CodeDivision Multiple Access)。

优势：各个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此之间不会造成干扰,因此广泛使用在移动通信中，特别是在无线局域网中。

工作原理：

在CDMA 中，每一个比特时间被划分为m 个短的间隔，每一个间隔称为一个码片(chip)。通常m的值是64或128，但为了讲述方便，下文取m=8。

使用CDMA 的每一个站被指派一个唯一的m bit 码片序列：

• 若发送比特1，则发送自己的m bit 码片序列；

• 若发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S站的 8 bit 码片序列是 00011011。

• 发送比特 1时，就发送序列 00011011；

• 发送比特 0 时，就发送序列11100100。

⚠️ ⚠️ ⚠️
一般为了运算的方便，将码片中的0写为-1，将1写为+1.
则S站的码片序列向量为：(–1–1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)。

既然是为了运算方便，那这些码片序列有什么联系吗？

CDMA系统的一个重要特点就是：每个站的码片序列各不相同，并且两两正交。

公式说明：

令向量S 表示站S 的码片向量，令T 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S 和 T的规格化内积(inner product)为0：

光看公式是不行的，要手动计算一下才行。

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例如：向量S 为(–1–1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T为(–1–1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。

把数据带入公式中，S*T=[1+1-1-1+1-1+1-1] /8 = 0 , 所有S和T正交。

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通过正交关系这一个重要的特性，我们还能推出其他重要关系：

1、任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积值都是1。

2、一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值都是-1。

3、如果一个“码片向量S”和 另一个“码片向量T”是正交，那么就会有如下重要的性质：

• S 和 T 正交

• S 和 “T 的反码”正交

• “S 的反码”和 T正交

• “S 的反码”和“T 的反码”正交

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这些性质都是十分重要的，这里给出实际样例图阐述~

解释：

那么，在接收端要想得到S站的数据码元，就要规格化内积S * (Sx + Tx) 。

而S * (Sx + Tx) = S * Sx + S * Tx = S * Sx + 0 = S * Sx 。

根据前面的性质，S和 Tx 规格化为0，如果Sx是S 的反码，则规格化为-1，对应“0”比特。如果Sx 和 S相同，则规格化为 +1，对应“1”比特。

用实际数据在来计算一下，不然光讲可能不太懂~

S:(-1-1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),
Sx:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),(+1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1),
Tx:(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1),(-1 -1 +1 -1+1 +1 +1 -1),(+1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1),
Sx+Tx:(-2-2 0 0 +2 0 +2 0),(-2 -2 0 0 +2 0 +2 0),(+2 +2 0 0 -2 0-2 0),
S*(Sx+Tx) : 1 , 1 , -1 ,所以发送的数据是1 , 1 , 0

同理如果你要想得到T站的数据码元，就要规格化T *（Sx + Tx）。

随堂练习：

解：

（A * R）/ 8 = 1；A发送1

（B * R）/ 8 = -1; B发送0

（C * R） / 8 = 0; C没发送任何数据

（D * R）/ 8 = 1; D发送了1

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5 数字传输系统

早期数字传输系统的缺点：

1. 速率标准不统一

2. 不是同步传输

现代的传输网络的传输媒体：光纤。

最初的在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲调制PCM。现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET（美国标准）或 同步数字系列SDH（国际标准）。

同步光纤网络(SONET)：是数据在光学媒介上同步传输的ANSI标准。与SONET相当的国际标准是同步数字层次(SDH)。它们制定了一个标准，这样国际数字网络就可以互联，现有的传统传输系统也可以利用光学媒介的优点。

6 宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看，可分为两大类：

• 有线宽带接入（这里只探究这个）

• 无线宽带接入（过于复杂，后续讨论）

用户到互联网的宽带接入方法有这三种：

【1】ADSL技术：

非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。

§ 标准模拟电话信号的频带在300~3400 Hz 的范围内，而用户线本身实际可通过的信号频率超过1 MHz。

§ ADSL技术就把 0~4kHz 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的特点：
1、非对称：下行（从ISP 到用户）带宽远大于上行（从用户到ISP）带宽。
2、 需要在用户线的两端各安装一个ADSL 调制解调器。

DMT 调制技术：

DMT调制技术采用频分复用的方法，把40 kHz 以上一直到1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而 249个子信道用于下行信道，并使用不同的载波进行调制。

每个子信道占据4 kHz 带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。

ADSL 调制解调器又称为接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)。ATU-C (C 代表端局 Central Office)、ATU-R (R 代表远端 Remote) 都是调制解调器，只是所在地不同。

ADSL 最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线，而不需要重新布线。

第二代ADSL：

得到了更高的数据率，采用无缝速率自适应技术，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应的调整数据率。

【2】光纤同轴混合网 (HFC 网)

1、HFC(Hybrid Fiber Coax)网是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。

2、HFC网利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带业务。

3、早期的有线电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，对电视节目进行单向传输。通过将原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，变成了现在的光纤同轴混合网。

4、HFC 网具有双向传输功能。

HFC网的结构图解：

光纤从头端连接到光纤节点(fiber node)，在光纤节点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。

HFC 网用户端需要使用的设备：

1、机顶盒（set-topbox）

•使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号。

•连接在同轴电缆和用户的电视机之间。

2、电缆调制解调器（cablemodem）

•使用户计算机能够利用HFC 网接入互联网。

•连接在同轴电缆和用户计算机之间。

•不需要成对使用，只需安装在用户端。

•可以集成在机顶盒里面。

【3】FTTx 技术

§ FTTx表示 FiberTo The…（光纤到…），字母x 代表不同的光纤接入地点，也就是光电进行转换的地方。

§ 光纤到户FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭。

§ 光纤到大楼FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。

另外还有 FTTC、FTTZ、FTTF、FTTO、FTTD等不同形式。

无源光网络PON：为有效利用光纤资源，在光纤干线和用户之间使用无源光网络PON。无源光网络无须配备电源，长期运行和管理成本低。

最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON。

宽带接入技术这里讲的有点多，但部分学校又不会考察太多，甚至不会考察，这里就当扩充下课外知识吧。

结束语

好了，物理层你就基本复习完了，后续我还会更新数据链路层~

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