计算机网络体系结构之物理层

前言

这篇博客为谢希仁老师的《计算机网络》第七版的读书笔记。

1 基本概念

物理层作用：物理层考虑的是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体，它要尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异。数据在计算机内部大多采用并行传输方式，但数据在传输媒体上的传输方式一般都是串行传输，因此物理层还要转换传输方式。

物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目等。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2 数据通信

2.1 数据通信系统模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)、目的系统(或接收端、接收方)。

源系统包括：

• 源点： 源点设备产生要传输的数据。
• 发送器：把源点生成的数字比特流进行编码后，再在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。

目的系统包括：

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，
• 终点：终点设备从接收器接收数字比特流，并把信息输出。

信号的分类：

• 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。代表不同离散数值的基本波形就称为码元。 在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，分别为0和1。

2.2 信道

电路与信道的区别：一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

信息交互的方式：

• 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或接受。
• 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号：来自信源的信号。 调制：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此，必须对基带信号进行调制。

• 基带调制：仅仅变换基带信号的波形，变换后的信号仍然为基带信号。是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此又称编码。
• 带通调制：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，经过载波调制后的信号称为带通信号。

编码方式：

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表 0。
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表 0。
• 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变代表 1 。 但也可反过来定义。
• 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 。

带通调制方法：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。

2.3 信道的极限容量

限制码元传输速率的因素： ① 信道能够通过的频率范围：在任何信道中，码元的传输速率超过上限的话，就会出现严重的码间串扰，使接收端无法判断码元。 ② 信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N， 并用分贝(dB)作为单位。 信噪比(dB) = 10lOglO(S/N)(dB)

香农公式，C为信道的极限信息传输速率， W为信道的带宽(Hz)，S 为信号的平均功率，N为噪声的平均功率。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。香农公式的意义在于：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错的传输。 c = Wlog2(l+S/N)(bit/s)

3 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。

3.1 引导型传输媒体

双绞线：在局域网基本上都采用双绞线作为传输媒体。

同轴电缆：同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。

光缆：光纤通信就是利用光导纤维(光纤)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。

• 多模光纤：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。因此只适合于近距离传输。
• 单模光纤：若光纤的直径减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。

3.2 非引导型传输媒体

非引导型传输媒体：如无线、红外、大气激光。 应用于短波通信、微波通信（分为地面微波接力通信和卫星通信）。

4 信道复用技术

4.1 频分复用和时分复用

复用分为：

• 频分复用（FDM）：用户在相同时间内占用不同的频带。
• 时分复用（TDM）：用户在不同时间内占用相同的频带。

统计时分复用（STDM）：统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。它是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器常使用这种技术。

4.2 波分复用

波分复用（WDM）：就是光的频分复用。 惨饵光纤放大器（EDFA）：光信号传输了一段距离后就会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大才能继续传输。EDFA 不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大。

4.3 码分复用

码分复用（CDM）是另一种共享信道的方法。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。更常用的名词为码分多址（CDMA）。

5 宽带接入技术

用户到互联网的宽带接入方法有：

• 非对称数字用户线 ADSL： 是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。
• 光纤同轴混合网 HFC ：在有线电视网的基础上开发的。
• FTTx ：即光纤到……。

为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛使用无源光网络（PON）。无源光网络无须配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。最流行的无源光网络是以太网无源光网络（EPON） 和吉比特无源光网络（GPON）。