本书按照 五层协议 来讲

1 物理层的基本概念

物理层解决如何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。

这里的传输媒体不是指特定的（如，光纤。。。）； 而是指在各种传输媒体上的 传输数据比特流。

物理层的主要任务描述为：确定与传输媒体的接口的一些特性，既：

• 机械特性：例如接口形状，大小，引线数目
• 电器特性：例如规定电压范围(-5V到+5V)
• 功能特性：例如规定-5V表示0.+5V表示1
• 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2 数据通信的基础知识

典型的数据通信模型

2.1 数据通信的相关术语

• 通信的目的是传送消息
• 数据(data)——-运送消息的实体
• 信号(signal)——-数据的电气的或电池的表现
• 模拟信号——-代表消息的参数的取值是连续的
• 数字信号——-代表消息的参数的取值是离散的
• 码元(code)——-在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元
  • 在数字通信中常常用 时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量

2.1.1 信道的几个基本概念

• 信道一般表示向一个方向传送信息的媒体，所以我们所说的平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接受信息的信道。
  • 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受）
  • 双向同时通信（全双工通信）——-通信的双方可以同时发送和接受信息。

2.1.2 两种信号

基带(baseband)信号(既基本频带信号)：来自信源信号。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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
带通(band pass)信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（既仅在一段频率范围内能够通过信道）

因此，在传输距离较劲时，计算机网络通常采用基带传输的方式。因为近距离范围内的基带信号衰减不大，从而信号内容不会发生变化。诸如计算机到监视器，打印机等外设的信号就是基带传输的。

2.1.3 调制方法

几种最基本的调制方法

• 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化(水平线到幅度发生变化是0-1变化的过程)
• 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化(较低频率到较高频率是0-1的过程)
• 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化(正弦波变成余弦波时是0-1的过程)

2.1.4 常用编码

1. 单极性不归零码：只使用一个电压值，高电平表示1，低电平表示0.

1. 双极性不归零码：用幅值相等的正负电平表示二进制数1和0.

1. 单极性归零码：发送码1时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回零电平。

1. 极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

1. 曼彻斯特编码：低-高跳转 表示0，高-低跳转 表示1。一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输，也就是能区分此时是没有信号还是信号为0。

1. 差分曼彻斯特编码：bit与bit之间有信号跳变，表示下一个bit为0，bit与bit之间没有信号跳变，表示下一个bit为1。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但是抗干扰性强与曼彻斯特编码。（知道结果便可）

例子：将1000100111进行曼彻斯特和差分曼彻斯特编码
**

2.1.5 信道的极限容量

信道极限容量取决于失真的大小，当失真过大时，接收信号无法还原发送信号。

2.1.6 奈氏准则、香农准则

奈氏准则
在理想条件下(无噪声/干扰/失真)，为了避免码间串扰，码元的传输速率是有上限的。如果信道的频带越宽(信号高频分量越多)，则用更高的速率传输码元也不会出现码间串扰。

信噪比
香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
信道的极限信传输速率C可表示为：【香农准则】

也就是说，当噪声比较大的时候，把速率降低，对方也可以没有差错的接受到。

奈氏(Nyquist)准则和香农公式的应用范围

3 物理层下面的传输媒体

3.1 电信领域使用的电磁波的频谱

3.2 导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

1. 双绞线

屏蔽双绞线(STP)/非屏蔽双绞线(UTP)

1. 同轴电缆
   • 50欧姆 同轴电缆(基带同轴电缆)——用于数字传输，多用于基带传输；
   • 75欧姆 同轴电缆(宽带同轴电缆)——用于模拟传输，多用于带通传输；

1. 光纤
   • 光纤的折射与工作原理

• 多模光纤与单模光纤
  • 多模光纤

  - 单模光纤

单模光纤只能传输一种电磁波模式，多模光纤只可以传输多个电磁波模式，实际上单模光纤和多模光纤之分，也就是铅芯的直径之分。多模光纤可以折射前进，而单模光纤基本不能折射。所以在有线电视网络中使用的光纤全部是单模光纤，传播特性好。带宽可达10GHz，可以在一根光纤中传输60套PAL-D电视节目。

• 光纤实物图

3.3 非导向传输媒体

非导向传输媒体 就是指 自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。

无线传输所使用的频段非常广。

• 短波通信、微波通信

  3.4 物理设备层——集线器

  现在这种设备一般都被 交换机 替代。

之所以说 集线器为物理层设备，是因为它能识别0、1二进制位。

• 工作特点： 在网络中只起到 信号放大和重发的作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力。
• 最大传输距离：100m；
• 集线器 是一个 大的冲突域【具体原因见下面视频】

  4 信道复用技术

  复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

4.1 频分复用技术

频分复用(FDN: frequency division multiplexing)：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终站用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。

总体上来看，频分复用

下面具体来看：

发送端【波的一个特点：相互之间不干扰。】

接收端【此时又把波分离，发送至不同的接收端】

频分复用技术的实例：电话

4.2 时分复用技术

时分复用(TDN: time division multiplexing)：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每一个时分复用的用户在每一个TDM帧 中占用固定序号的时隙。

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。
TDM信号 也称为 等时信号。

实现机制：

缺点：
时分复用在传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般不高。

4.2.1 统计时分复用技术

统计时分复用(STDM: statistic TDM)
简单来说，统计时分复用技术就是：不在遵循在一个时分复用帧内每个用户都会传送（就算某个用户没有传送数据，这个时分复用帧还是会给他留位置）的规则。而是在这些用户发送时，那个用户的数据到了就发送它的数据，只不过此时发送时会给这个数据添加附加信息（表明它来自哪个用户）。

4.3 波分复用技术

（光）波分复用技术(WDM: wavelength division multiplexing)：其实质就是 光的频分复用。

因为光的速度是确定的。所以波长确定之后，它的频率也就是定值。

4.4 码分复用技术

码分复用技术CDM(Code Division Multiplex)，更常用的名词是 码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。

CDMA的工作原理：

S站：可以理解为一个手机（一个端点）

| 说明：
1. 每个 站 用来表示 “数据码元比特”中的1和0，的麻片序列为 原码、反码 的关系（如下图所示）


2. 规格化内积 公式：

- 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1
- 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值都是-1
- 一个码片向量 与 另一个码片向量 的规格化内积值都是0；（它们是正交关系）
-


3. 码片序列（chip sequence）

| | —- |

例子：

A结果是1，B结果是-1，C结果是0，D结果是1，所以ABD在通讯，C没有在通讯。

缺点：
如果 “站”的数量越多，那么 数据码元比特中的每一个比特就需要用 更多数量的码片表示（即m的值会变大），就需要更多的数据。

5 数字传输系统

脉码调制(PCM)技术。欧洲是E1标准(30路)，北美是T1(24路，时分复用)。（我国采用E1标准）

E1标准：（一个采样8bit数据，32路，传输速率是2.048M带宽）

T1标准：（24个语音信道，1个控制信道，1.544M带宽）

6 带宽接入技术

6.1 非对称数字用户链路ADSL

使用电话线。用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造(xDSL)，把0-4kHz留给传统电话使用，把原来没有利用的高频谱段留给用户上网使用。

实现机制：低频接电话，高频接猫，再接电脑

基于ADSL的接入网组成：

• 数字用户线接入复用器DSLAM(DSL Access Multiplexer)
• 接入端单元(Access Termination Unit)
• ATU-C(C表示端局Central Office)
• ATU-R(R代表远端Remote)
• 电话分离器PS(POTS Splitter)

ADSL的特点：

6.2 DMT技术

采用频分复用，把40kHz以上一直到1.1MHz的高频谱划分为许多的 子信道，其中25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道(因为下载的情景多于上传)。

• 每个子信道占据4kHz的带宽，并使用不同的载波进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传输数据。

DMT技术图标：

6.3 光纤同轴混合网HFC（Hybird Fiber Coax）

HFC网是在目前覆盖范围很广的有线电视网CATV基础上开发的一种居民宽带接入网。

除了可以传送CATV外，还可以提供电话/数据/和其它宽带交互型业务。

现有CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用 模拟技术的频分复用 对电视节目进行单向传输。HFC需要对CATV网进行改造。

• 改造：HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为 管线， 并使用模拟光纤技术。【如下图】

HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输特性

每个用户要安装一个用户接口盒

6.4 FTTx技术（光纤到x技术）

• 光纤到家技术FTTH(Fiber to the home):光纤一直铺设到用户家庭(155MB/s)。
• 光纤到大楼技术FTTB(Fiber to the building):光纤进入大楼后就转为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
• 光纤到路边技术FTTC(Fiber to the curb):从路边到各用户可以使用星形结构的双绞线作为传输媒体(155MB/s)。