[计算机网络]Ch.2 物理层
[TOC]
1. 物理层
物理层的功能：在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。
2. 数据通信的理论基础
2.1 傅里叶分析
傅立叶级数：任何正常周期为T的函数g(t)，都可由（无限个）正弦和余弦函数合成
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- f=1/T是基频，an和bn称为n次谐波的正弦振幅和余弦振幅。
- 谐波数越高，传输质量越好
- 带宽（电气工程）：传输过程中振幅不会明显衰减的频率范围（Hz）
2.2 信道的最大数据速率
2.2.1 尼奎斯特定理（理想无噪声信道）
在无噪声信道中，带宽为 B Hz，信号电平为V级
则
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2.2.2 香浓定理
在噪声信道中，带宽为B Hz，信噪比为S/N，则
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- 噪声与分贝值转换
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- 这是一个理论上限
3 有线传输介质
传输介质：
- 磁介质，如磁带
- 双绞线
-- 非屏蔽双绞线
-- 屏蔽双绞线 - 同轴电缆
- 电力线
- 光纤
3.1 双绞线
由两根具有绝缘层的铜导线按一定密度，逆时针方向绞合而成
绞距（扭距）：一般地，绞距越紧（小），对不同电流产生干扰波的抵消效果越好，传输性能越好
3.1.1 非屏蔽双绞线（UTP）（前6类）：
优点：成本低、尺寸小、易于安装
缺点：易受干扰、 传输距离性能受到绞距影响
3.1.2 屏蔽双绞线：
每对双绞线外加一个屏蔽层，整个线缆外再加一个屏蔽层
3.2 同轴电缆：
由中心导体、绝缘材料层、网状导体、外部绝缘料4层组成
比UTP更好地屏蔽特性和更大的带宽
基带同轴电缆：50Ω，用于数字传输（屏蔽层为铜）；
宽带同轴电缆：75Ω，用于模拟传输和有线电视传输（屏蔽层为铝）
3.3 光纤
由极细的玻璃纤维构成，把光封闭在其中并沿轴向进行传播；
优点：重量轻、损耗低、不受电磁辐射干扰、传输频带宽、通信容量大
缺点：昂贵、易断裂
P78单模：以单一模式传输，激光产生的单束光，纤心细、高带宽、长距离，运行波长为850nm或1300nm；
P78多模：以多个模式同时传输，LED产生的多束光，纤心粗、低带宽、短距离，运行波长为1310nm或1550nm 。
4. 数字调制与多路复用技术
4.1 数字调制（调制机制使用信号来传输比特）
- 基带传输：直接将数据比特转化为信号
- 通带传输：通过调节信号的振幅、相位或频率来传输比特
4.1.1 基带传输：
（比特流、不归零、不归零逆转、曼切斯特、二级编码）
Line codes （线路编码）发送 symbols（样本、符号），一个样本可传送1个或多个比特
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4.1.1.1 NRZ：（针对带宽效率）
- 单纯信号遵循数据，有利于提高带宽效率
利用有限带宽的一种有效策略是使用两个以上的信号级别。
例如：采用4个电压级别，用单个符号一次携带2个bit。（此时所需带宽为原来一半）
- 关系转换公式：
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C（比特率）
B（波特率）:每秒钟信号变化的次数
n：调制电平数或线路的状态数，为2的整数倍（有例外）
4.1.1.2 Manchester：时钟信号与bit进行XOR（针对时钟回复）
在NRZ中，若有一长串1或0，接收器难以分辨各个bit。为了解决时钟恢复问题，产生这种编码方案
缺点：需要两倍于NRZ的带宽
NRZI：1定义为信号有跳变
曼彻斯特编码的简化
二级编码：用+1V 与-1V表示1（针对平衡信号）
在短时间内正负电压信号一样多称为平衡信号。（与电气特性有关）
通带传输（通过调节信号的振幅、相位或频率来传输比特）
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如图：
ASK（幅移键控）：通过振幅代表01
FSK（频移键控）：通过频率代表01
PSK（相移键控）：通过不同相位代表01
信号星座（把上述调制模式综合起来使用，以便使每个符号传输更多的比特）
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4.2 多路复用技术（让多用户共享同一根信道）
4.2.1 频分复用（FDM）
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为了混合多个信道，信道之间必须要有保护带（单位Hz）频带隔离相邻信道。
4.2.2 时分复用（TDM）
用户以循环方式轮流工作，每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间。
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4.2.3 波分多路复用（WDM）
本质跟 FDM一样,在光纤上复用信号
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4.2.4 码分复用（CDM）
- 每个用户拥有一个唯一码片序列，
- 码片是正交的，能够同时传输。
-
广泛用于3G网通信
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CDM方法能够容忍干扰，而且允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带。由于CDM技术常用与第二个目的(共享相同的频带)，所以它称为码分多址(CDMA)
5 物理层设备
被动部件/设备：接线板/插头/插座/电缆
主动部件/设备：转发器/中继器/集线器
掌握冲突
两个节点发出的帧在物理介质上相遇
冲突域：数据包产生和冲突的网络区域，即指共享媒质区
中继器和集线器无法隔离冲突域，交换机和路由器可以隔离冲突域
6 公用电话交换网络（PSTN）
PSTN的主要构成：
- 本地回路（Local loops）：模拟线路，进入千家万户和业务部门
调制调节器，ADSL和光纤 - 干线（Trunks）：数字光纤，连接交换局
- 交换局（Switching offices）：话音接驳干线的场所
6.1 调制(电话调制调解器)
调制调节器：执行数字比特流和模拟信号流之间转换的设备.
两台计算机通过一条语音级电话线发送比特要用到调制解调器.
6.1.1 了解E1和T1
时分多路复用技术（用于电话网络）
T1 TDM 支持1.544 Mbps通信链路，将它划分为24个时隙，每间隔为64 kbps 美国标准
E1 TDM 支持2.048 Mbps通信链路，将它划分为32个时隙，每间隔为64 kbps 欧洲标准
6.2 复用
6.2.1 理解SONET（同步光网络）帧构成及标准速率计算 （TDM）
SONET帧结构：
- 9(行) x 90(列) = 810字节
- 头3列 用于系统管理信息
- 头9行包括各种传输开销：跨越不同链接，指定语音信道，连接帧等的开销。
- 其余的87 列包括用户数据，即同步载荷封包 SPE (Synchronous Payload Envelope).，其中的第1列又用于路径开销。
STS-1：80008108=51.85Mbps
STS-N 帧是由N个STS-1基本帧构成的
对应于STS-N的光纤载波称为OC-N
计算复用后的传输速率：
例如：STS-1，OC-1
一次传输8*810bit，每秒传输8000次（每隔125us发送一次）
总传输速率：8 x （9 x 90）x 8000 = 51.84M b/s
SPE： 8 x （9 x 87）x 8000 = 50.112M b/s
用户数据： 8 x （9 x 86）x 8000 = 49.536M b/s
