计算机网络 物理层

重要的内容：

1. 物理层任务
2. 集中常用的信道复用技术
3. 集中常见的宽带接入技术重点是FTTx

中继器和集线器
物理层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。物理层的有用正是尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上的数据链路层感觉不到差异，这样就能使数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑传输媒体和通信手段具体是什么。用于物理层协议也称为物理层规程
1）机械特性 指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
2）电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3） 功能特性 指明某条线上某一电压的意义。
4） 过程特性 指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据在计算机内部一般采用并行传输方式。但是数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还咬完成传输服务的转换。

数据通信的基础知识

一个数据通信系统可划分为三大部分,即原系统（或发送端、发送方）、传输系统和目的系统，源系统一般包括以下两个部分：

• 源点 源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。
• 发送器 通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调解器，现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在计算机外面看不见解调器

目的系统一般也包括以下两个部分：

• 接收器 接收传输系统传输过来的信号，并把它转换为能够被目的谁处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，换源触发送端产生的数字比特流。
• 终点 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如）。也称为信宿。

通信的目的是传送消息。数据是运送信息的实体，信号则是数据的电气或者电磁的表现，根据信号代表的参数取值方式的不同，信号可分为两大类：

1. 模拟信号（连续）2，数字信号（离散）

有关信道的几个基本概念

（1）单向通信：无限电广播或有线电广播及电视广播
（2）双向交替通信：又叫半双工通信 不能同时发也不能同时收
（3）双向同时通信：需要两条信道且效率最高
来自信源的信号常称为基带信号。基带信号常常包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输低频分量或直流分量。为了解决这些问题，必须对基带信号进行调制，调制分为两类一类是仅仅对基带波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换之后的信号仍然是基带信号，这类称为基带调剂。因为是数字是的变化所以大家更愿意称它的过程为编码。另一类调制则需要用载波来调制，把基带信号的频率范围搬移到更高的频段，并转换为模拟信号，这样就能更好的在模拟信道传输。经过载波调制后的信号称为带通信号，使用的载波的调制称为带通调制

（1） 常用编码方式

• 比特流（二进制）
• 不归零制：正脉冲为1，负脉冲为0，（分为不归零电平编码，不归零反向编码(遇到1才反向，跳转，遇到0就保持)）
• 曼彻斯特编码：位周期中心向上跳变代表0，位后期中心的向下跳代表1。但也可以反过来定义
• 差分曼彻斯特L：中间有跳变，大致认为↑或者下降，遇到1 反向，0同向

曼切斯特编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形中提取信号时钟能力（称为自同步能力），但是曼切斯特编码可以。

（2）基本的带通调制方法(模拟信号)

• 调幅，即载波的振幅随基带数字信号而变化，例如，0或1分别对应无载波或有载波输出。
• 调频，载波的频率随着基带数字信号而变化，例如0或1分别对应于频率f1或f2.
• 调相，即载波的出事相位随基带数字信号而变化。例如0或1对应0－180度

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。接下来我们讨论信道的极限容量。
码元传输的速率越高、信号传输的距离越远，噪声干扰越多大或传输媒体质量越差，在接收端的失真就越严重从概念上讲，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

具体信道能通过的频率范围总是有限的，如果说在波形前 沿和后沿得到衰减，变得不那么陡峭时，会出现一种叫码间互扰的现象，但是早在1924年奈奎斯特就计算出来了奈氏准则，这就是：在贷款为W（Hz）的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元的最高速率是2W（码元/秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间互扰，使接收端对码元的判决成为不可能，实际的信道都是有噪声的，因此我们还必须知道信道的信噪比数值
奈氏准则：c=2wlog(2,l )
2. 信噪比
信号越强，那么噪声的影响度越小 所谓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。但通常大家都是用分贝来度量
$信噪比（dB）=10 lg(S/N)(dB)$
在1948年信息论创始人香农推导出了著名的香农公式：信道的极限信息传输C是
$C=Wlog2(1+S/N)＊(log2,l)(bits)$
其中，W为信道的带宽（以Hz为单位），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，所以信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的传输速率就越高，所以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别的传输。
但是从上所得对于频带宽度已确定的信道，信噪比也无法提高了，那么还有什么办法可以提高信息的传输速率呢？答案就是用编码的方式让每一个码元携带更多比特的信息量

物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质和媒介，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。它分为两大类导引型和非导引型

导引型传输媒体

双绞线
同轴电芯
光缆（多模光纤和单模）
架空明线（质量差）

非导引型传输媒体出现

微波短波等
中继器:完成信号的复制调制放大，来延长网络长度
集线器：与中继器差别，它有多个端口

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

复用

假如说a1 a2 a3分别用一个信道和B1 B2 B3通信，如果在发送端使用复用器，就可以实现共享信道通信。唯一缺点就是费用高（包括复用器和分用器），大规模情况下合算。

频分复用FDM

频分复用最简单，用户在分配到一定的频带后 ，自始至终都始终占用这个频带。所以频分复用的所有用户在同时占用不用的带宽资源。

时分复用TDM

时分复用的所有所有用户是在不同时间占用同样的频带宽度，利于对数字信号传输,但是信道复用率不高

统计时分复用STDM

是一种改进后的时分复用，它能明显提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但是每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有来数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存,再将缓存放入STDM帧，若没有数据就跳过。所以无大量时隙空闲，因此统计复用又称为异步时分复用，所以在假定所有用户都间歇性工作时，集中器才能正常工作，否则造成缓存溢出。而且统计时分还得在每个时隙传输用户地址，所以就会有一定的开销。
使用统计复用器的集中器叫智能复用器，它提供报文存储转发的能力以及路由选择，数据压缩、前向纠错等功能
ps:TDM和STDM帧与数据链路层的帧不同

波分复用

波分复用WDM就是光的频分复用，因为光载波频率很高所以经常用波长来表示使用的光载波
现在已经可以在复用几十路或更多光载波信号，于是使用了密集波分复用DWDM
波分的复用器称为合波器，光信号传递一段距离后就会衰减，所以我们就得用新号放大器。

码分复用

码分复用CDM是另一种共享信道的方法，又叫码分多址CDMA，由于各用户通过特殊挑选的不同码形，因此各用户之间不会造成干扰。码分复用最初用于军事通信，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，频谱类似于白噪声，它可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性。
在使CDMA中，每个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片（64或128）
若发送0则发送二进制反码，发送1 就正常序列。
若假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特都要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s。所以频带宽度也得提高到m倍。这种方式是扩频通信中的一种。
扩频信号有两大类。一种是直接序列扩频DSSS（如码片序列）。另一种是跳频扩频FHSS。
CDMA系统的另一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须正交。在实用系统是实用伪随机码序列
$S*T=1/m＊\sum_{i=1}^mSiTi=0$
另向量S表示站S的码片向量，再另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内积位为0，与其他站反码的向量内积也是0,有一点重要的是，任何码片与自己的规格话内积都是1
$S*S=1/m\sum_{i=1}^mSiSi=1/m\sum_{i=1}^mSi^2=1$
而一个码片和该码片反码的向量的规格话内积是－1

CDMA工作原理（待补充）

数字传输系统

早期数字传输系统主要的两个缺点：
（1）速率标准不统一：国际范围的基于光纤的高速数据传输难以实现，因为每个国家标准不同
（2）不是同步传输：各支路信号的时钟频率有偏差
后来为了解决这个问题，美国提出了SONET同步光纤网，使各级始终来自一个精度非常高的钟，后来ITU－T以美国SONET为基础，制定出国际标准SDH，SDH的基本速率是155.520M/s,称为第1级同步传递模块

宽带接入技术

用户要连入互联网，必须先链接到ISP获得IP，宽带接入可以分为两大类，一类是有线宽带接入，一类是无线宽带接入，这里只讨论有线宽带接入。

ADSL技术

非对称数字用户线ADSKL技术是用数字技术对现有的模拟电话的用户先进行改造。它将0－4khz低频留给电话使用，原先未利用的高端频谱留给用户上网使用.
ADSL在用户线（铜线）两段安装一个ADSL调制解调器，我国的调制解调器是离散多音调DMT调制技术（多载波或多子信道），由于用户的条件往往相差很大，所以ADSL采用自适应调制技术使数据率趋于更高。当启动时，ADSL就测试可用的频率以及信道干扰情况传输质量，这样就可以获得较高的数据率，但是它肯定是不能保证固定的数据率的，
基于ADSL的接入网的组成部分：数字用户接入复用器DSLAM、用户线和用户设施。
数字用户接入复用器包括许多ADSL 解调器。ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU。
ADSL成对使用，因此把在电话端局和用户所用的ADSL调制解调器分别记为ATU－C和ATU－R。用户电话通过电话分离器连接ATU-R。因为ATU-C要用数字信号技术，所以DSKAM较贵
第二代ADSL通过几种方式改进了ADSL技术:

1. 调高调制效率得到更高的数据率
2. 采用了无缝自适应技术SRA,可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据实时状况自适应调整数据率
3. 改善了线路质量评测和故障定位定位功能

但是尽管如此它还是不适合与企业，所以产生了变形：对称DSL
还有一种更快的短距离传输的VDSL，甚高速数字用户线
还有好多种DSL在此不一一列出

光纤同轴混合网

说白了就是机顶盒＋电缆调制解调器就可以上网。

FTTx技术

各种接入光纤技术，为了有效利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间铺设转换装置级光配线网ODN，因为不用维护，现在称为无源光网络PON
光线路终端OLT是连接到光纤干线的终端设备，OTL把收到的下行数据发往无源的1：N光分路器，然后用广播方式向所有端的光网络单元ONU发送。
光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。无源光网络PON种类有很多，分为以下两种，各有其优缺点：

1. 以太网无源光网络EPON ,已在2004.06形成802.3ah,EPON在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。优点是具有以太网的兼容性，成本低拓展性高，管理方便
2. 吉比特无源光网络GPON，其标准是ITU更新的，GPON采用通用封装方法GEM可承载多业务，性能高于EPON