计算机网络的物理层

这一层主要解决怎么连接计算机，也就是传播介质的问题，解决了这个问题，01比特就可以传输了

关于这个问题，我们拆成哪些基本问题呢？

传01比特，我们需要把它转成什么来传？那就是编码问题

那他传数据的性能怎么样我怎么衡量呢？

把他放在哪里传呢？

信道可以复用吗？

下面我们从概述讲起，然后分别解释这四个问题，借此来认识物理层

物理层概述

同层之间的信息传输需要协议，在物理层我们把它称之为规程

协议有三个要素，规程也有，如下对应关系

传什么——从信息到数据再到信号

首先区分三个概念

数据是实体，他的内容是信息，信息是表示确定性的增加（芦男神举得例子就是区分于人一般认识的或者未知的东西，比如下课他不说的话我们一般都知道有作业，如果他忽然说今天没有作业，那我们就得到了确定性的增加的信息）

而信号是数据的载体，比如光电

数据通信系统

通信的种类:

按传输的信号类型分:        模拟通信，数字通信

按传输媒体分：       有线通信，无线通信

按信息交互的方式分：       单工、双工和半双工 

下面我们来看其中的数据与信号的转化

数据和信号可以分为两大类——模拟和数字

所以数据到信号的转化就有四种方式

模拟数据——模拟信号

又涉及一些概念：

基带信号：不经过调制的信号。（可以进行编码）。

基带传输：基带信号直接进行传输。      

频带信号：基带信号经过调制后的信号。

频带传输：传输频带信号，又叫宽带传输。有一个频谱搬移到较高频率过程。 

模拟数据——数字信号

PCM是将模拟数据转换成数字信号的一种方式

前：取样->量化->编码

后：解码->信号还原

在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍；采样定理又称奈奎斯特定理。 ^[1]

解读：

为什么呢？因为正弦函数确定两个点就可以确定参数A和ω，因此选取频率最高的片段后，其频率更低的波形会取得更多的点，更能确定其函数

数字数据——模拟信号

数字数据——数字信号

编码方式：

不归零码

01分别用两种电平来表示

常常用－5V表示1，＋5V表示0。

缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器

曼彻斯特编码

用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变

高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1 

接收端可将此变化提取出来作为同步信号，这种编码也称为自同步码，它不需要依靠时钟变化，不会因为时钟对不上而产生错误

缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍），因为变化太多了

差分曼彻斯特编码

用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1 

传的怎么样——通信系统性能的基本参数

数据速率（比特率，Bit rate）

单位时间内传输的比特数

单位：bps

码元速率 (波特率，Baud rate)

官方解释：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

以二进制为例：一个bit就是二进制的一位，一个二进制码元就是二进制的一位，四进制有两个bit就是指有两个二进制码元

这里用一道题来分析：

 某信号源符号集由字母A,B,C,D组成，若传输一个字母用二进制码元编码，“00”代替A，“01”代替B，“10”代替C，“11”代替D，每个二进制码元宽度为5ms。

 分析：一个字母有两个二进制位(bit)，由两个二进制码元组成，属于四进制符号，所以一个字母的持续时间为2*5=10ms

一个码元就是一个脉冲信号！波特率指的就是1秒能发送多少个码元，也就是1秒能发送多少个脉冲信号！

一个码元能携带1bit数据，那么比特率 = 波特率！

一个码元能携带2bit数据，那么比特率 = 2倍的波特率！

一个码元能携4bit数据，那么比特率 =4倍的波特率！

如果波特率为： B      电压级数为： V

则数据率:         C＝Blog₂V 

信道容量

一个信道的最大数据率 

Nyquist定理（准则）

对于具有低通矩形特性，理想的无噪声信道

最高码元速率=2W(Baud)                

W是信道的带宽（Hz）    

最高数据率C=2Wlog2L（bps）  

香农定理

信道的极限信息传输速率为C，则：

W:带宽      S:信号的平均功率      N:高斯噪声 

香农定理表明，信道的带宽越大或者信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率越高

对于具有带通矩形特性，理想的无噪声信道 

最高码元速率=W（Baud）    

最高数据率C=Wlog2L（bps） 

信噪比 S/N

S——信号功率  N——噪声功率

单位:10lgC ,分贝（dB, decibel ）

信噪比 = 10×log₁₀(S/N) 

信道带宽 

信道能够通过的频率范围，Fmax - Fmin 

有三类，但绝大部分是

带宽(计算机网络) VS 带宽(通信系统)：相同物理意义的不同领域表达

有限带宽信号

由于频率限制，信号通过信道产生失真(cont) 

失真取决于信道的频率特性：

信号频率一定信道带宽越大失真越小

信道带宽一定信号频率越高失真越大

数学基础：信号的频谱分析--------傅立叶分析 

一个具有有限持续时间的数字信号，可以看作为一个以有限持续时间T为周期的周期函数f（t），此函数可展开成傅里叶级数：

 f=1／T是基波频率        

c是直流分量

 分别是n次谐波的正弦和余弦振幅值

根据傅立叶分析，任何电磁信号可以由若干具有不同振幅、频率和相位的周期模拟信号（正弦波）组成，反过来，只要有足够的具有适当振幅、频率和相位的正弦波，就可以构造任何一个信号

在哪传——物理层下面的传输媒体

导向传输媒体

双绞线

非屏蔽双绞线（UTP）

分类

接口

RJ插头：

RJ-11 电话机接口

RJ-45 以太网网卡接口 

RJ45排线标准：

T568A的排线顺序为：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。

T568B的排线顺序为：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。

两头排线标准不同：

直连线——不同类设备 

交叉线——相同类设备

性能

• 价格  低。
• 安装难易程度  易使用，安装简单。
• 容量 在100米内传递数据的速率为1-1000Mbps。 目前，大部分的传输率为10Mbps或者100Mbps。
• 衰减  UTP受到衰减的严重影响。当前的技术下UTP的有效范围在几百米以内。
• 抗电磁干扰性  容易受到外界电磁波辐射的影响

屏蔽双绞线电缆（STP）

性能

• 价格 较UTP昂贵但与同轴粗缆或光缆比便宜。
• 安装难易程度 它必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器以及相应的安装技术。
• 容量 理论上100米内可以达到500Mbps以上带宽。
• 衰减 STP受衰减的影响程度与UTP相似，有效范围在几百米之内。
• 抗电磁干扰性 与UTP相比STP的最大优点就是抗干扰能力增加以及EMI辐射的降低，但仍会受到一小部分干扰。 

同轴电缆

分类

基带同轴电缆：

50Ω RG-8及RG-11  （用于Ethernet粗缆）

50Ω RG-58  （用于Ethernet细缆）

其中数字数据转换成某种数字脉冲信号 ，结合前面三种方法

接口

BNC 主机连接细缆（10Base2）的接口标准

AUI 主机连接粗缆（10Base5）的接口标准

MAU:连接粗缆的部件，称为收发器 

宽带同轴电缆：

有单缆和双缆系统

性能

• 价格  同轴细缆相对便宜些（比STP或5类UTP便宜），粗缆相对贵一些(比STP或3类UTP贵)，它们都比3类UTP贵。
• 容量  同轴电缆的传输速率处于双绞线与光纤之间，通常为10Mbps。带宽随着它内部导线直径的增加变宽。
• 衰减  同轴电缆也存在很高的衰减。比双绞线小的多。有效距离在几千米范围内。
• 抗电磁干扰性  屏蔽效果大大地减轻了电磁波的干扰。 

光纤

原理

当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。光的入射角大于或等于临界值时，就会完全反射。

分类

接口

ST插头:采用带键的卡口式锁紧结构，确保连接时准确对中。

SC插头:不用螺纹连接，可以直接插拔，用于高密集安装。

FC插头:有较强的抗拉强度，常用于有线电视光网络中。

实现 

光源

发光二极管

半导体激光

光电二极管将光信号转换成电信号 

性能

• 价格：光纤缆及其连接器要比铜导线昂贵，但价格正在迅速下降，安装费用较高。
• 安装难易程度：较难
• 容量：支持极高的带
• 衰减：光纤缆的衰减极低
• 抗电磁干扰性： 不受电磁波以及高频失真的干扰。 适合于有危险的、高压的或者泄漏信号灵敏性很强的环境。 

磁介质 

电力线 

利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。把信号加载于电流，然后用电线传输，接收信息的适配器再把信号从电流中分离出来，并传送到计算机或电话以实现信息传递。

非导向型传输媒体 

在空间利用电磁波直接传送和接收信号

短波

主要是靠电离层的反射，会导致多径效应

性能

• 价格  取决于使用的发送设备和接收设备。
• 数据率  10M以下。
• 安装难易程度  较麻烦，需要反复调试。
• 衰减  取决于频率以及信号功率（频率及功率越高、信号衰减度越慢）。
• 抗电磁干扰性 抗电磁干扰能力差，而且受天气的影响。 多径效应 

地面微波

需要微博传送塔接力

性能

• 价格：比无线电贵，有时候比有线方式便宜。
• 安装难易程度：系统安装比较困难，需要非常准确的调试工作，达到正常定位。
• 容量：频段较高,容量较大
• 衰减： 在长距离中衰减会因为雨天或雾天而增大 在短距离范围中衰减无明显变化。
• 抗干扰性 ： 工业干扰的影响比短波通信要小 易受大气环境的干扰 保密性差 

卫星

红外系统

红外连接采用光发射二极管（LED）、激光二极管〔LLD）或者光电二极管（就象音像遥控器或光纤收发器）来进行站与站之间的数据交换

不能穿透坚实的物体。 红外通信不能在室外使用

总结

怎么传——信道复用

共享使用公共信道 

频分复用FDM

原始带宽分成很多小带宽分下去

时分复用TDM

不同时间不同的人占用

上述都浪费信道资源

统计时分复用STDM

所有用户都间歇的工作 每个时隙包含用户的地址信息 

意思也就是谁都可以发，但要知道你是谁

波分复用WDM

和前两种一样，只是技术差距比较大

码分复用CDM

又称码分多址CDMA

所有用户信号均占用信道的全部带宽和任意时间段 。

各用户使用不同码型，各用户之间不会造成干扰。

原理：

每个bit时间被划分为m个短间隔，称为码片（通常m=64或128）

每个站被指派一个唯一的m bit码片序列

• 如果发送1，就发送它自己的m bit码片序列
• 如果发送0，就发送它的m bit码片序列的二进制反码。 

两个不同站的码片序列正交

从理论到实际

数字传输系统

早期电话网——时分复用PCM标准

T-标准 (24 路） 北美、日本 ：

E-标准（30路） 欧洲、中国、南美 ：

现代电信网——SONET（同步光纤网络） 和SDH（同步数字系列）

同步光纤网的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟——铯时钟(10-11)

宽带接入技术

xDSL

用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。

把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用 

前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。

极限传输距离与数据率以及用户线的线径有关——用户线越细，信号传输时的衰减就越大 所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线 

上行和下行带宽是不对称的。

ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器——DMT 技术 ：频分复用

组成：

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

光纤同轴混合网（HFC）

在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网

HFC网的主干线路采用光纤，光纤结点以下是同轴电缆

具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网

可将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网

FTTx 技术  

(光纤到……)

• 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)
• 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)
• 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)

总结

骨干网:都使用光纤

边界:同轴电缆,双绞线

理论上同轴电缆双绞线具有更宽的带宽

有线电视网随着用户数增加性能下降

电话系统更安全可靠

FTTx是未来发展的趋势

计算机网络的物理层

原文：https://www.cnblogs.com/yuxiaohan1236/p/14811714.html