计算机网络之物理层
1. 物理层概述
物理层是OSI（Open Systems Interconnection）模型的最底层，它定义了数据传输的方式，包括电压、线路规格、脉冲速率、连接器的形状和大小等物理特性。物理层的主要任务是实现比特流（bit stream）的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。
物理层的接口特性：
- 机械特性：定义了物理设备的形状、大小和引脚布局等，以及设备的安装和维护方法。
- 电气特性：定义了传输信号的信号电压范围、阻抗匹配的情况、传输速率，距离限制等特性。
- 功能特性：规定接口电缆的各条信号线的作用
- 过程特性：规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系
2. 物理层下面的传输媒体
传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒介。
传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。
传输媒体分为导向型传输媒体和非导向型传输媒体两大类：
2.1 导向型传输媒体
导向型传输媒体主要包括：同轴电缆、双绞线和光纤。
2.1.1 同轴电缆
同轴电缆由一个内导线、一个绝缘材料层、一个屏蔽层和一个外部保护层组成。同轴电缆可以提供高带宽的数据传输能力。随着科技发展大多被双绞线取代。
2.1.2 双绞线
双绞线由两根铜线绕在一起，以减少电磁干扰。双绞线有屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)两种，通常用于电话线和局域网连接。
其中，蓝色和蓝白色线绞合，橙色和橙白色线绞合，绿色和绿白色线绞合，棕色和棕白色线绞合
绞合能够减少相邻导线间的电磁干扰，抵御部分来自外界的电磁干扰
2.1.3 光纤
光纤是一种利用光信号传输数据的媒介，由一根或多根玻璃或塑料的细纤维组成。由于可见光的频率非常高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。光纤传输具有高带宽、长距离、抗电磁干扰等优点，常用于广域网和高速局域网。
多模光纤：
当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角大于入射角。
如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。
如果将光纤的直径减小到一个光的波长，就是单模光纤：
实际应用中通常将光纤做成结实的光缆：
光纤的优点：
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通信容量非常大
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抗雷电和电磁干扰性能好
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传输损耗小，中继距离长
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无串音干扰，保密性好
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体积小，重量轻
光纤的缺点：
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切割光纤需要较贵的专用设备
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目前光电接口还比较昂贵
2.2 非导向型传输媒体
非导向型传输媒体主要包括：无线电波、微波、红外线、激光、可见光
2.2.1 无线电波
在低频和中频波段，无线电波主要以地面波的形式沿着地面传播。
在高频和甚高频波段，地面波会被地面吸收，无线电波主要依靠电离层的反射来传播。
2.2.2 微波
微波在空间中主要是直线传播，由于微波会穿透电离层进入宇宙空间，因此，无法通过电离层反射传播。
微波通常采用地面微波接力通信或卫星通信。
2.2.3 红外线
红外线的传播距离较短，主要用于近距离的通信，如遥控器、无线耳机等。
如今很多手机依旧保留红外接口，以方便用户对空调、电视等家用电器进行红外遥控。
2.2.4 激光
激光是一种新型光源，具有亮度高，方向性强，单色性好以及相干性强等特点。
根据传播媒体不同，可分为大气激光通信和光纤通信。
2.2.5 可见光
可见光通信是一种新型的无线通信技术,使用光源（如LED灯）进行调制，然后通过光接收器（如光电二极管）接收和解调，实现数据的传输。具体来说，通信过程中，LED灯会根据需要发送的数据进行快速的闪烁，这种闪烁对人眼来说是不可见的，但可以被光接收器检测并解码，从而实现数据的传输。
3. 传输方式
是指数据在信道上传送所采取的方式。若按数据传输的顺序可以分为并行传输和串行传输；若按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输；若按数据传输的流向和时间关系可以分为单工、半双工和全双工数据传输。
3.1串行传输与并行传输
3.1.1 串行传输
串行传输是指数据以串的方式在一条信道上传输。串行传输的优点是线路简单，成本低，适合长距离传输。缺点是速度慢。
3.1.2 并行传输
并行传输是指数据以组的方式在多条信道上同时传输。并行传输的优点是速度快，适合短距离高速传输。缺点是线路复杂，成本高。
3.2 同步传输与异步传输
3.2.1 同步传输
同步传输是指发送方和接收方的时钟频率一致，字节之间是连续传输的。同步传输的优点是速度快，效率高。缺点是需要复杂的同步设备。
收发双方时钟同步的方法：
- 外同步：在收发双方之间增加一条时钟信号线。
- 内同步：发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送（例如曼彻斯特编码）。
3.2.2 异步传输
异步传输是指字节之间异步，即字节之间的时间间隔不固定。但字节中的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间是相同的。异步传输的优点是设备简单，成本低。缺点是速度慢，效率低。
3.3 单向通信，双向交替通信，双向同时通信
3.3.1 单向通信
单向通信是指数据只能在一个方向上流动，也就是只有发送或只有接收。例如，广播电视系统就是单向通信。
3.3.2 双向交替通信
双向交替通信是指数据可以在两个方向上流动，但不可以同时进行。例如，对讲机就是双向交替通信。
3.3.3 双向同时通信
双向同时通信是指数据可以在两个方向上同时流动。例如，电话通信就是双向同时通信。
4. 编码与调制
4.1 基本概念
编码是将原始数据转换为可以通过物理媒介传输的信号的过程。在计算机网络中，数据通常以二进制的形式存在，但是不能直接通过物理媒介（如电缆、无线电波等）传输，需要进行编码转换。用数字信号承载数字或模拟数据
调制是将信息信号添加到载波上以便在媒介上进行传输的过程。调制可以在载波的幅度（振幅调制，AM）、频率（频率调制，FM）或相位（相位调制，PM）上进行。用模拟信号承载数字或模拟数据。
码元：在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。
4.2 常用的编码方式
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双极性不归零编码：在这种编码方式中，"1"被编码为正电压，"0"被编码为负电压。需要给收发双方再添加一条时钟信号线。发送方通过数据信号线给接收方发送数据的同时，还通过时钟信号线给接收方发送时钟信号。接收方按照接收到的时钟信号的节拍，对数据信号线上的信号进行采样。对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。
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双极性归零编码：在这种编码方式中，"1"和"0"都被编码为电压的变化，而不是特定的电压值。在每个码元的中间时刻信号都会回归到零电平。接收方只要在信号归零后采样即可。归零编码相当于将时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。然而，归零编码中大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。
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曼彻斯特编码：在这种编码方式中，每个比特都被编码为电压的上升或下降。码元中间时刻的电平跳变既表示时钟信号，也表示数据。正跳变表示1还是0，负跳变表示0还是1，可以自行定义。
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差分曼彻斯特编码：这是曼彻斯特编码的一种变体。码元中间时刻的电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据的表示在于每一个码元开始处是否有电平跳变：无跳变表示1，有跳变表示0。在传输大量连续1或连续0的情况下，差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号的变化少。在噪声干扰环境下，检测有无跳变比检测跳变方向更不容易出错，因此差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号更易于检测。在传输介质接线错误导致高低电平翻转的情况下，差分曼彻斯特编码仍然有效。
4.3 基本的带通调制方法和混合调制方法
4.3.1 基本的带通调制方法
- 振幅调制（AM）：在这种调制方式中，载波的振幅会根据信息信号的强度进行变化。
- 频率调制（FM）：在这种调制方式中，载波的频率会根据信息信号的强度进行变化。
- 相位调制（PM）：在这种调制方式中，载波的相位会根据信息信号的强度进行变化。
4.3.2 混合调制方法
混合调制是指同时使用两种或更多种调制方法的情况。因为载波的频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率，所以载波的频率和相位不能进行混合调制。通常情况下，载波的相位和振幅可以结合起来一起调制，例如正交振幅调制QAM。
QAM-16:
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12种相位
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每种相位有1或2种振幅可选
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可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示*4个比特（log2 16=4）
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每个码元与4个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个相邻码元只有1个比特不同
5. 信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时都会产生失真。
造成失真的因素：
- 码元的传输速率：传输速率越高，信号经过传输后的失真就越严重。
- 信号的传输距离：传输距离越远，信号经过传输后的失真就越严重。
- 噪声干扰：噪声干扰越大，信号经过传输后的失真就越严重。
- 传输媒体的质量：传输媒体质量越差，信号经过传输后的失真就越严重。
码元的传输速率受限：
信道上传输的数字信号，可以看做是多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波。
如果数字信号中的高频分量在传输时受到衰减甚至不能通过信道，则接收端接收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，每一个码元所占的时间界限也不再明确。这样，在接收端接收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。
如果信道的频带越宽，则能够通过的信号的高频分量就越多，那么码元的传输速率就可以更高，而不会导致码间串扰。
然而，信道的频率带宽是有上限的，不可能无限大。因此，码元的传输速率也有上限。
5.1 奈氏准则
理想低通信道的最高码元传输速率**= 2W Baud= 2W 码元/**秒 （W：信道的频率带宽（单位为Hz） Baud：波特，即码元/秒）
使用奈氏准则给出的公式，就可以根据信道的频率带宽，计算出信道的最高码元传输速率。
只要码元传输速率不超过根据奈氏准则计算出的上限，就可以避免码间串扰。
奈氏准则给出的是理想低通信道的最高码元传输速率，它和实际信道有较大的差别。因此，一个实际的信道所能传输的最高码元传输速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值。
在信道的频率带宽W一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率，就必须采用多元制（更复杂的调制技术），并努力提高信道中的信噪比。
5.2 香农公式
指带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
C：信道的极限信息传输速率（单位为b/s）
W：信道的频率带宽（单位为Hz）
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位
信道的频率带宽W或信道中的信噪比S/N越大，信道的极限信息传输速率C就越高。
实际信道不可能无限制地提高频率带宽W或信道中的信噪比S/N。
实际信道中能够达到的信息传输速率，要比香农公式给出的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰减等，这些因素在香农公式中并未考虑。
自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了使码元可以携带更多个比特，进而可以尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。
6. 信道复用技术
复用就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。尽管实现信道复用会增加通信成本（需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道），但如果复用的信道数量较大，还是比较划算的。
6.1 频分复用FDM
频分复用是将传输媒体的总频带划分成多个子频带，每个子频带做为一个通信子信道，每个用户使用其中一个子信道进行通信，所有用户占用不同的频带资源发送数据
6.2 时分复用TDM
时分复用是将时间划分成一段段等长的时隙，每一个用户在其相应的时隙内独占传输媒体的资源进行通信
6.3 波分复用WDM
波分复用就是光的频分复用
根据频分复用的设计思想，可在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术。
6.4 码分复用
码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）常称为码分多址（Code Division Multiple Acces,CDMA），它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。与FDM和TDM不同，CDMA的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。
CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片（Chip）。m的取值通常为64或128。
CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列（Chip Sequence）。
某个站要发送比特1，则发送它自己的m比特码片序列；
某个站要发送比特0，则发送它自己的m比特码片序列的反码。
如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加。为了从信道中分离出每个站的信号，给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则：
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分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列。
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分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化內积为0。令向量表示站A的码片向量，向量B表示站B的码片向量。两个不同站A和B的码片序列相互正交，就是向量A与向量B的规格化內积为0，如下式所示。
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