计算机网络物理层
时间：2022-11-01 14:30:00
物理层
1.物理层的基本概念
物理层考虑如何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。
功能：尽可能屏蔽摆脱不同传输媒体和通信手段的差异。
物理协议也通常被称为物理规程 (procedure)。
物理层的主要任务
确定与传输媒体接口的一些特性。
- 机械特性：指出接口所用接线器的形状和尺寸、引线数量和排列、固定和锁定装置等。
- 电气特性：指出接口电缆各条线上的电压范围。
- 功能特性：指出某条线上电平电压的意义。
- 过程特征：指出不同功能的各种可能事件的顺序。
2.数据通信的基本知识
2.1 数据通信系统模型
三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qb3emZef-1634214477335)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014193413478.png)]
常用术语
消息(message)：如发音、文字、图像、视频等。
数据 (data)： 运送信息的实体。有意义的符号序列。
信号 (signal)：电气或电磁性能的数据。
-模拟信号 (analogous signal)：代表新闻参数的值是连续的。
-数字信号 (digital signal)：代表新闻的参数值是离散的。
码元：用时域(以下简称时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波形。
使用二进制编码时，只有两种不同的码元： 0 状态，1 状态。
2.2 几个关于信道的基本概念
信道：一般用来表示向某个方向传递信息的媒体。
单向通信(单工通信):只有一个方向通信，没有反方向交互。
双向交替通信(半双工通信):双方都可以发送信息，但双方不能同时发送(当然也不能同时接收)。
双向同时通信(全双工通信):通信方可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。
-它含有更多的低频成分，甚至直流成分。
调制
-基带调制：只改变基带信号的波形，将数字信号转换为另一种形式的数字信号。这个过程被称为编码 (coding)。
-带通调制：使用载波 (carrier)调制，将基带信号的频率范围转移到更高的频段，并将其转换为模拟信号。载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内通过通道）。
常用的编码方法
- 不归零制：正电平代表 1.负电平代表 0。
- 归零制：正脉冲代表 一、负脉冲代表 0。
- 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳转代表 位周期中心的向下跳转代表 1。但也可反过来定义。
- 曼彻斯特编码差异：每个人的中心都有跳变。位开始边界跳变代表 0，位开始边界没有跳转 1。
- 信号频率：
曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率高于零制。 - 自同步能力：
不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率(称为无自同步能力)。
曼彻斯特编码和差异曼彻斯特编码具有自同步能力。 - [外链图片存储失败，源站可能有防盗链机制，建议保存图片直接上传(img-HXxzapXx-1634214477338)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014194205038.png)]
带通调制的基本方法
基带信号通常含有更多的低频成分，甚至直流成分，许多信道不能传输这种低频或直流成分。
基带信号必须调制 (modulation)。
最基本的调制方法如下：
–调幅(AM)：载波振幅随基带数字信号而变化。
–调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
–调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
为了达到更高的信息传输速率，一种多元化的振幅相位混合调制方法。
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可供选择的相位有 12 种子，每个相位都有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有。 16 种组合，即 16 个码元。
由于 4 bit 编码共有 16 因此，这是不同的组合 16 点中的每个点都可以对应于一个点 4 bit 编码。数据传输率可以提高 4 倍。
2.3 极限容量的信道
[外链图片存储失败，源站可能有防盗链机制，建议保存图片直接上传(img-E2OyVtej-1634214477344)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014195111375.png)]
任何实际信道都不理想，不可能以任何高速传输。
码元传输的速率越高，或信号传输距离越远，或噪声干扰越大，或传媒质量越差，接收端的波形失真就越严重。
在信道上限制码元传输速率的两个因素：
–信道能够通过的频率范围。
–信噪比。
信道可以通过的频率范围
奈氏准则：码元传输的最高速率 = 2W (码元/秒)
信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
信噪比是信号的平均功率与噪声的平均功率之比。 S/N，并用分贝 (dB) 作为测量单位。
例如：当 S/N =10 信噪比为10dB，而当 S/N =1000 信噪比为30dB。
香农公式
信道的极限信息传输速率 C 可表达为: C = W log2(1 S/N) (bit/s)
其中：W 信道的带宽 (Hz)；S 信道内传输信号的平均功率；N 高斯噪声功率在信道内。
奈氏准则和香农公式的含义不同
奈氏准则：激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。
香农公式：警告工程师，无论编码技术多么复杂，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。
信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就必须找到实现无误传输的方法。
提高信息传输速率的方法：每个码元通过编码携带更多的比特信息。
[外链图片存储失败，源站可能有防盗链机制，建议保存图片直接上传(img-IHz2NyEo-1634214477346)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014195720125.png)]
3.物理层以下的传输媒体
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。
两大类：
–导向传输媒体：电磁波沿固体媒体（铜线或光纤）传输。
–非导向传输媒体：指自由空间。电磁波传输通常被称为无线传输。
[外链图片存储失败，源站可能有防盗链机制，建议保存图片直接上传(img-iAlrVmpG-1634214477348)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014200253623.png)]
3.1 引导传输媒体
-
双绞线
最古老但又最常用的传输媒体。
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 (twist) 起来就构成了双绞线。
绞合度越高，可用的数据传输率越高。
2 大类：
–无屏蔽双绞线 UTP。
–屏蔽双绞线 STP。
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) ：
无屏蔽层。
价格较便宜。[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EnXNcEDN-1634214477350)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014200514392.png)]
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)：
带屏蔽层。
都必须有接地线。[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-F3IMDZ8S-1634214477351)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014200528000.png)]
x/UTP：对整条双绞线电缆进行屏蔽。
F/UTP (F=Foiled)：表明采用铝箔屏蔽层。
S/UTP (S=braid Screen)：表明采用金属编织层进行屏蔽。
SF/UTP：表明在铝箔屏蔽层外面再加上金属编织层的屏蔽。
FTP 或 U/FTP：把电缆中的每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层。U表明对整条电缆不另增加屏蔽层
F/FTP：在 FTP 基础上对整条电缆再加上铝箔屏蔽层。
S/FTP：在 FTP 基础上对整条电缆再加上金属编织层的屏蔽。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WyW7CIFD-1634214477352)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014200705674.png)]
无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。
双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。
-
同轴电缆
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xFLT5KdJ-1634214477354)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014200747537.png)]
-
光缆
光纤是光纤通信的传输媒体。通过传递光脉冲来进行通信。
其传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
发送端：要有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。
光源：发光二极管，半导体激光器等。
接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲。
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[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-phz9CQt8-1634214477356)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014200933050.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VkyMI9aY-1634214477357)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014200956584.png)]
多模光纤
可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，只适合于近距离传输。
单模光纤
其直径减小到只有一个光的波长（几个微米），可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。
制造成本较高，但衰耗较小。
光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用较便宜的发光二极管。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-c2gagxJp-1634214477359)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201020344.png)]
光纤通信中使用的光波的波段
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ho1cMNiC-1634214477367)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201101202.png)]
光纤优点
(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能好。
(4) 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
(5) 体积小，重量轻。
现在已经非常广泛地应用在计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中。
3.2 非导引型传输媒体
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-u4QyIhFk-1634214477368)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201419993.png)]
占有特殊重要的地位。
微波频率范围：
–300 MHz~300 GHz（波长1 m ~ 1 mm）。
–主要使用：2 ~ 40 GHz。
在空间主要是直线传播。
–地球表面：传播距离受到限制，一般只有 50 km左右。
–100 m 高的天线塔：传播距离可增大到 100 km。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-a86lTGfB-1634214477369)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201508570.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OQ2xLeSD-1634214477370)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201537683.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JIYSmYil-1634214477372)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201550099.png)]
主要特点：
(1) 微波波段频率很高，频段范围很宽，其通信信道的容量很大。
(2) 工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小，微波传输质量较高。
(3) 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于实施。
主要缺点：
(1) 相邻站之间必须直视（常称为视距 LOS (Line Of Sight)），不能有障碍物，存在多径效应。
(2) 有时会受到恶劣气候的影响。
(3) 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
(4) 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
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[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-4DaEDX1v-1634214477374)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201623418.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-I9KcChp0-1634214477376)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201638233.png)]
4.信道复用技术
4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
复用 (multiplexing) ：允许用户使用一个共享信道进行通信。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-SQSI64ln-1634214477377)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201845818.png)]
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[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JN7NNxzj-1634214477380)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201907314.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HNTWPpKL-1634214477381)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201916955.png)]
频分多址与时分多址
可让 N 个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这 N 个频带。这种方式称为频分多址接入 FDMA (Frequency Division Multiple Access)，简称为频分多址。
可让 N 个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这 N 个时隙。这种方式称为时分多址接入 TDMA (Time Division Multiple Access)，简称为时分多址。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-oUds7hbu-1634214477383)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201940698.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-is6hba1u-1634214477384)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014201949890.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dJHwZfrF-1634214477385)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014202001147.png)]
4.2 波分复用
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZZIIw1uh-1634214477387)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014202319656.png)]
4.3 码分复用
每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
当码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
CDMA 工作原理
将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列。
发送比特 1：发送自己的 m bit 码片序列。
发送比特 0：发送该码片序列的二进制反码。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EGmZ0r9k-1634214477388)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014202405631.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8KT4kiUd-1634214477389)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014202510899.png)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-flSrDL0L-1634214477390)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014202525651.png)]
5.数字传输系统
早期，电话网长途干线采用频分复用 FDM 的模拟传输方式。
目前，大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。
现代电信网业务括话音、视频、图像和各种数据业务。因此需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络。
在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。
早期数字传输系统的缺点
速率标准不统一。两个互不兼容的国际标准：
北美和日本的 T1 速率（1.544 Mbit/s）
欧洲的 E1 速率（2.048 Mbit/s）。
不是同步传输。主要采用准同步方式。
各支路信号的时钟频率有一定的偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。
同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network)
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：
传输速率以 51.84 Mbit/s 为基础。对电信信号称为第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)，对光信号则称为第 1 级光载波 OC-1 (Optical Carrier)。
现已定义了从 51.84 Mbit/s (即 OC-1) 到 9953.280 Mbit/s (即 OC-192/STS-192) 的标准。
同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
ITU-T 以美国标准 SONET 为基础制订的国际标准。
与 SONET 的主要不同：SDH 的基本速率为 155.52 Mbit/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2Tfw3iHd-1634214477391)(C:\Users\10466\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211014202702232.png)]
SONET / SDH 标准的意义
-定义了标准光信号，规定了波长为 1310 nm 和 1550 nm 的激光源。
-在物理层定义了帧结构。
-使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一。
-已成为公认的新一代理想的传输网体制。
-SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。
