计算机网络知识总结二：物理层

Posted 2021-10-09 小源同学r

物理层

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：要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口特性
	    机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
    	电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
   	 	功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
    	过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信的基础知识

数据通信系统

数据通信系统划分：
源系统：发送端/发送方
传输系统：传输网络
目的系统：接收端/接收方

常用术语

数据 (data) —— 运送消息的实体。
信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元 (code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 

有关信道的几个基本概念

信道 ：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
    单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
    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)。
    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。
    基带信号（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。
    基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。 

调制分为两大类

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码。
带通调制：使用载波进行调制，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，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 
带通信号：经过载波调制后的信号
	常用编码方式：
	 	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。但也可反过来定义。
		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。
	基本的带通调制方法：
        (1)调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化；如 0 或 1 分别对应无载波或有载波输出
        (2)调频：载波的频率随基带数字信号而变化；如 0 或 1 分别对应频率 f1 或 f2
        (3)调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化；如 0 或 1 分别对应于相位 0 度或 180 度 

信道的极限容量

限制码元在信道上传输速率的因素：
	  (1)信道能够通过的频率范围：
	  		码间串扰：信号中高频分类受到衰减，在接收端收到的波形前沿和后沿不那么陡峭，每个码元所占时间界限不明确，失去了码元间的清晰界限的现象
       		奈氏准则：码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元是1还是0（码元间的相互干扰）
	  (2)信噪比：
	  		信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记作 S/N  

$$信噪比（dB）=10\ast \lg (S/N)$$

香农公式：信道的极限信息传输速率

$$C=W\ast {\log }_2(1+S/N)(bit/s)$$

W 为信道带宽（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
香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
香农公式的意义：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输                             

物理层下面的传输媒体

传输媒体：是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路
传输媒体的分类：
    引导型：电磁波被引导沿着固体媒体传播（双绞线、同轴电缆、光纤）
    非引导型：电磁波无线传输

信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

频分复用、时分复用、统计时分复用

频分复用

原理：用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带
特点：所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽
（最基本的复用）

时分复用

原理：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)，每个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙
特点：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
（最基本的复用）

统计时分复用

原理：使用 STDM 帧来传送复用的数据，每一个 STDM 帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数；各用户有数据就发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入 STDM 帧中，没有数据的缓存就跳过，当一个帧放满即发送，因此 STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙

某用户占用的时隙不是周期性出现的，因此统计时分复用又称为异步时分复用；而时分复用又称为同步时分复用

波分复用

   原理：就是光的频分复用，使用同一根光纤同时传输多个光载波信号

码分复用

码分复用(码分多址)：
	原理：各个用户使用进过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会互相干扰
	码片：每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片
	工作方式：
		每个站被指派一个唯一的 mbit 码片，若发送 1，则发送自己的 m bit 码片
									若发送 0，则发送该码片的二进制反码
	码片实现扩频：由于一个比特可转换成 m 个比特的码片，因此实际发送数据率提高了 m 倍
	重要特点：每个站的码片必须各不相同，并相互正交
	码片正交关系：不同码片正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积为 0，（规格化内积即对应为相乘）
	正交关系的重要特征：任何码片与自己的规格化内积为 1，与自己反码的规格化内积为-1

数字的传输系统

（电话网的传输技术）
早期数字传输系统的缺点：
    (1)速率标准不一
    (2)不是同步传输
现代的传输网络的传输媒体：光纤
同步光纤网(SONET)：各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构
同步数字系列(SDH)：由 sonet 为基础发展的国际标准

PCM：脉冲编码调制　　
　　长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输 方式
　　多路复用的速率体系：
　　E1时分复用（欧洲）：8000*8*32=2.048 Mb/s
　　T1（北美和日本）：24*64kbps+8kbps的控制信号

宽带接入技术

美国联邦通信委员会FCC原来认为只要双向速率之和超过200 kbit/s 就是宽带。但 2015 年重新定义为：
    宽带下行速率要达到 25 Mbit/s
    宽带上行速率要达到 3 Mbit/s
从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：
    有线宽带接入
    无线宽带接入

ADSL技术

非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
	ADSL 的传输距离
         取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。
         ADSL所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。
    	 例如：0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5~2.0 Mbit/s 时可传送5.5公里，但当传输速率提高到 6.1 Mbit/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。
			 如果把用户线的线径减小到 0.4 毫米，那么在 6.1 Mbit/s 的传输速率下就只能传送 2.7 公里。
	ADSL的特点
        上行和下行带宽做成不对称的。
        上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。
        ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。

光纤同轴混合网（HFC网）

是目前覆盖面较广的有线电视网，采用模拟技术，频分复用，主干部分使用光纤，入户部分使用同轴电缆

FTTx 技术

是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式

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

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

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