计算机网络—物理层

物理层的基本概念

物理层的作用是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，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本次的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么

数据的传输方式

数据在计算机内部多采用并行传输的方式，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

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）和目的系统（或接收端、接收方）

通信的目的是传送消息。语音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体

有关信道的几个基本概念

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

单工通信

只能有一个方向的通信而没有反方向的交互

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

全双工通信

通信的双方可以同时发送和接收信息

专业名词解释

基带信号：来自信源的信号

调制：目的是解决许多信道不能传输低频分量和直流分量

基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号依然是基带信号

带通调制：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

带通信号：经过载波调制后的信号

物理层下面的传输媒体

传输媒体也成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（铜线或光纤）传播

在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输

导引型传输媒体

双绞线

双绞线是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

绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰

为了提高双绞线的抗电磁干扰能力以及减少电缆内不同双绞线之间的串扰，可以采用增加双绞线的绞合度以及增加电磁屏蔽的方法

绞合度越高的双绞线能够用越高的数据率传送数据

双绞线主要应用与电话交换机与电话之间的连接以及以太网

同轴电缆

同轴电缆由于外导体屏蔽层的作用，具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据

同轴电缆目前主要应用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传递光脉冲来进行通信的。有脉冲相当于1，没有脉冲相当于0

一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种媒体的带宽

光纤是光纤通信的传输媒体，发送端可以采用发光二极管(多模光纤)或半导体激光器(单模光纤)，在电脉冲的作用下产生光脉冲，接收端利用光电二极管做成光检测器，检测到光脉冲时可还原出电脉冲

光波通过纤芯进行传导

可以存在多条不同角度入射的光线在同一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤

光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输

单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用便宜的发光二极管，但单模光纤的衰耗较小

由于光纤非常细(不够结实)，必须将光纤做成很结实的光缆，一根光缆少则只有一根光纤，多则可包含数十至数百跟光纤

光纤的优点：

通信容量非常大
抗雷电和抗电磁干扰性能好
无串音干扰
体积小，重量轻

非导引型传输媒体

无线传输、红外通信、激光通信

传送数据的总时延除了传播时延，还有发送时延、处理时延和排队时延等部分

信道复用技术

频分复用

Frequency Division(划分) Multiplexing(多路复用)，简称FDM

有N路信号要在一个信道中传送，可以使用调制的方法，把各路信号分别搬到适当的频率位置，使彼此不产生干扰，各路信号就在自己所分配到的信道中传送

频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的频带

频分信道可让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(Access)，简称为频分多址

时分复用

Time Division Multiplexing，简称TD,

时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即TDM帧），每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，每一路信号所占用的时隙周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)因此TDM信号也称为等时信号

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

时分信道可让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，简称为时分多址

统计时分复用

统计时分复用STDM（Statistic TDM）是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率

一个统计时分复用的集中器连接N个低速用户，然后将其数据集中起来通过高速线路发送到一个远的计算机

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数，各用户有了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，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了就发送出去。

统计时分复用又称为异步时分复用，普通的时分复用称为同步时分复用

集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作的

每个时隙之间的短时隙（白色部分）用来存放地址信息

波分复用

波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用

借用频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，可以使光纤的传输能力成倍的提高

由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波

波分复用是在一根光纤上复用两路光载波信号

密集波分复用（Dense WDM）是在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号

这8个波长很接近的光载波经光复用器后就在一根光纤中传输，但光信号传输了一段距离后就会衰减，必须对衰减了的光信号进行放大才能继续传输

码分复用

码分复用CDM（Code Division Multiplexing），当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA

由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰，这种信号有很强的抗干扰能力，其频带类似于白噪声，不易被敌人发现

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列，如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

由于每一个比特都要转换成m个比特的码片序列，，因此发送的数据率提高m倍，占用频带宽度提高m倍，这种通信方式是扩频通信中的一种

任意两个不同站的码片序列内积为0

码片序列与自己的内积为1

码片序列与该码片的反码的内积为-1

当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积

计算结果为1代表发送的1

计算结果为0代表没有发送

计算结果为-1代表发送的-1

宽带接入技术

ADSL

非对称数字用户线ADSL（Asymmetric(非对称) Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使他能够承载数字业务

非对称：下行带宽远远大于上行带宽

ADSL的传输距离取决于数据率和用户的线径，用户线越细，信号衰减越大

ADSL在用户线（铜线）两端各安装一个ADSL调制解调器，ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道的干扰情况以及每一段频率上测试信号的传输质量。这样就使ADSL能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL

通过频分复用的方法将频谱划分为许多子信道，其中25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道，并使用不同的载波进行数字调制，这样相当于在一对用户线上使用小的调制解调器并行地传送数据

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM、用户线和用户家中的一些设施，由于ADSL调制解调器必须成对使用，把在电话端局或远端站的调制解调器称为ATU-C（central office），把在用户家中的调制解调器称为ATU-R（remote），用户线通过电话分离器与ATU-C和ATU-R连在一起。电话分离器必须无源，它利用低通滤波器将电话信号和数字信号分开（低频使电话信号，高频是数字信号）