《计算机网络-谢希仁》读书笔记---物理层

注意⚠️：物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

用于物理层的协议也常称为物理层规程

物理层基本概念

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定
2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线路上出现的电压的范围
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

• 数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输

数据通信的基础知识

1.数据通信系统的模型

• 一个通信系统可划分为三大部分：即原系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接受端、接收方）

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• 源系统
  • 源点：源点设备产生要传输的数据（源点又称为源站、信源）
  • 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码才能够在传输系统中进行传输。
• 目的系统
  • 发送器：接收传输系统传过来的信号，并把它转换为能被目的设备处理的信息
  • 终点：终点设备从接收器获取传来的数字比特流，然后把信息输出（终点又称为目的站、或信宿）
• 一些专业术语：
  • 消息：如语音、文字、图像等都是消息
  • 数据：是运送消息的实体
  • 信号：则是数据的电气或电磁表现
    1. 模拟信号：用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号
    2. 数字信号：用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号

2.有关信道的基本概念

信号和基带信号

• 信道：信道一般都是用来表示向某一方向传送信息的媒体。
• 三种基本方式
  1. 单向通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互
  2. 双向交替通信：通信的双方都可以发送消息，但不能双方同时发送
  3. 双向同时通信：通信的双方可以同时发送和接收消息
• 来自信源的信号常称为基带信号，基带信号往往带有较多的低频成分，甚至有直流成分，许多信道不能传输这种低频分量或直流分量，为了解决这种情况需要对基带信号进行调制

调制

• 调制可分为两大类，一类仅仅对基带信号的波形进行变换，使他能够与信道特性相适应，变换后的信号仍是基带信号，这类调制称为基带调制（由于这种基带调制就是把数字信号转换成为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码）。另一类调制则需要使用载波进行调制，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，这种信号称为带通信号，而使用载波调制的调制称为带通调制

  1. 基带调制方式（编码方式）
     1. 不归零制：正电平代表1，负电平代表0
     2. 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
     3. 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代表1，但也可反过来定义
     4. 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.
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  1. 基本带通调制方式
     1. 调幅
     2. 调频
     3. 调相
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3.信道的极限容量

• 限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个
  1. 信道能够通过的频率范围：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上线，就会出现严重的码间串扰的问题，使接受端对码元的判决成为不可能
  2. 信噪比：即使信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记S/N，并用分贝作为度量单位
     • 香农公示指出：信道的极限信息传输速率C是Wlog2（1+S/N），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

物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间

1.导引型传输媒体

1.双绞线

• 双绞线：把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。
  • 屏蔽双绞线（STP）
  • 无屏蔽双绞线（UTP）

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• 无论哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大

2.同轴电缆

• 同轴电缆：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。

3.光缆

• 光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。
• 光纤折射原理

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• 光波在纤芯中传输

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• 多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多摸光纤
• 若光纤的直径小到只有一个光的波长，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就称为单模光纤
• 光纤通信的优点
  1. 通信容量非常大
  2. 传输损耗小、中继距离长、对远距离传输特别经济
  3. 抗雷电和电磁干扰性好
  4. 无串音干扰，保密性好
  5. 体积小，重量轻

2.非导引型传输媒体

• 传统的微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信
• 地面微波接力通信
  • 由于微波在空中是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。故称为接力
  • 优点
    1. 微波波频段很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大
    2. 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因为微波传输质量较高
    3. 与相同容量和长度的电缆载波通信表，微博接力通信建设投资少，见效快
  • 缺点
    1. 相邻站必须直视，不能有障碍物
    2. 微波的传播有时候也会受到恶劣气候的影响
    3. 与电缆通信比较，微波通信的隐蔽性和保密性差
    4. 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力
• 卫星通信
  • 最大特点：通信距离远、具有较大的传播时延

信道复用技术

• 复用：是通信技术中的基本概念。

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1.频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用（FDM）

• 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，所用用户在同样的时间占用不用的带宽资源

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时分复用（TDM）

• 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

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• 在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，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般不高。这就导致复用后的信道利用率不高，这个时候为了优化上述问题，就提出了STDM

统计时分复用（STDM）

• 常使用集中器统计时分复用
• 统计时分复用原理图

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• 通过加入用户的地址信息分配个固定的用户

2.波分复用（WDM）

• 使用的光的频分复用，一根光纤上复用几十路的光载波信号，称为密集波分复用（DWDM）

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• 掺铒光纤放大器：它是一种光放大器，EDFA不需要进行光电转换直接对光信号进行放大

3.码分复用（CDM）

• 通过把一个比特时间再划分成m个短的间隔，称为码片。

数字传输系统

宽带接入技术

1.ADSL技术

• 非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，ADSL技术把低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用
• ADSL使用的是DMT技术：离散多音调DMT调制技术。采用频分复用的方式，把40kHz以上的高频段频谱划分为许多子信道，其中25个子信道用于上行信道，249个信道用于下行信道，并使用不同的波载进行数字调制。

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• 基于ADSL的接入网有以下三部分组成

  1. 数字用户线接入复用器DSLAM
     • 包括许多ADSL调制解调器，它又称为接入端接单元ATU，把在电话端局（或远端站）所用的调制解调器称为ATU-C，在用户家中所使用的调制解调器称为ATU-R
  2. 用户线
  3. 家中设施
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2.光纤同轴混合网(HFC网)

• 光纤同轴混合网除可传送电视节目外、还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
• 为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网吧原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，光纤从头端连接到光纤节点。在光纤节点光信号被转换为电信号

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3.FTTx技术

• 由于互联网有了大量的视频信息资源，为了更快的下载视频文件，从技术上将，光纤到户FTTH是最好的选择

• 由于家庭用户也没有这样高的数据要求，为了有效的利用光纤的资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置光配线网ODN，使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线

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• 在图中，光线路中断OLT是连接到光纤干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的光分路器，然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU发送