计算机网络 第二章 物理层
第二章 物理层
基本概念：
信道(Channel)： 传送信息的媒体
数据率(Bit Rate)： 数据传输速率 (bps)
波特(Baud)： 码元传输速率（每秒传输多少个符号）
$1 Baud = (\log_{2}{V})$ bps，其中V是信号的电平级数，一般都为2的幂次。
例如：
四电平传输是指在数字通信中使用四个电平级别来传输数字信号。与二电平（高电平和低电平）不同，四电平使用四个电平（例如-3V，-1V，+1V和+3V）来表示数字信号，这样就可以在每个脉冲周期内传输更多的比特。
传播速度(Propagation Speed)： 通信线路上，信号单位时间内传送的距离（米/秒）
媒体不同，传播速度也不同
同种媒体，频率不同的电磁波速度有差异
小于光速
带宽(Bandwidth)： 信号占用的频率范围 (Hz) ，超出范围则无法传输
信道容量(Channel Capacity)： 信道的最大数据率
吞吐量(Throughput)： 网络容量的度量，表示单位时间内网络可以传送的数据位数（bps）
误码率BER(Bit Error Rate)： 信道传输可靠性指标
- P= 传送错的位数 / 传送总位数
时延(Delay)： 从向网络中发送数据块的第一比特开始，到最后一位数据被接收所经历的时间
时延的组成： 传播时延、发送时延、处理时延、排队时延
传播时延：信号通过传输介质的时间。
发送时延：设备发送一个数据块所需要的时间（数据块长度/信道带宽）
处理时延：交换机/路由器检查数据、选路的时间
排队时延：在交换机/路由器中排队等待的时间
单工，半双工，全双工：
单工： 传播只发生在一个方向，没有反向的信道
- 例如： 调频无线电广播
半双工： 传输可以在两个方向进行，但在同一时间只有一个方向是可用的，不能同时传输信息
- 例如：对讲机
全双工： 传输可以同时在两个方向进行
- 例如：电话交谈
串行通信和并行通信：
串行通信： 数据一位位顺序传送
同步串行通信： 通信双方共用一个时钟来实现发送端和接收端的同步
以时钟信号线对传输的数据线上的信号进行比特同步
以数据块（帧或分组）为单位传输
异步串行通信： 发送端与接收端之间只需要数据线连接，无需额外的时钟线互联，传输的信息中包含特殊标志位Start（在字符最后，为0）和Stop（在字符前段，为1），接收设备根据特殊标志位可以判断数据传输的开始和结束
独立时钟，无须同步
以字符为单位进行传输
发送两个字符之间的间隔是任意的
接收方依靠字符中的起始位和停止位来同步
并行通信： 数据各位同时传送
数据通信理论基础
傅里叶分析：
任何有周期T的函数，都可以拆分成若干个正弦波和余弦波的叠加
所有的传输设施在传输过程中都要损失一些能量
所有的传输设施对于不同傅里叶分量的衰减程度并不相同
- 对于不同的正弦波，衰减因子不一样
带宽有限的信号：
带宽（传输介质的带宽）： 没有被强(衰减因子为0.5)衰减的传输频率范围
带宽是传输介质的一种物理特性，通常取决于介质的构成、粗细和电线或者光纤的长度
带宽受限：
语音级信道带宽为3000Hz
T=8/Bps
基准谐波：f=Bps/8
Harmonics Sent=3000/f=24000/Bps
信道的最大数据速率：
Nyquist’s Theorem： 如果一个信号经过一个带宽为H的低通滤波器（没有高频成分了），信号可以通过每秒2H次采样来完全重构（超过2H的信息已经没有任何价值）
最大数据速率： $C=2H\log_{2}{V}$ (b/s)
采样的频率不能超过2H
V是符号可能的电平级数（V和噪音有关），因此所携带的信息量是$\log_{2}{V}$(bit)，每秒有2H次次采样，因此有速率为$2H\log_{2}{V}$(b/s)
Shannon’s Theorem：
最大数据速率： $C=H\log_{2}{(1+S/N)}$
- S是信号，N是噪音
分贝换算： $(S/N)_{dB}=10×\log_{10}{(S/N)}$
引导性传输介质
磁介质：
带宽：一盘磁带可以容纳800GB，一个盒子可以容纳1000个磁带:800TB；带宽=800Tx8bits/86400s秒=70Gbps
成本：磁带成本4000美元每盒每次使用；运输1000美元，运输1GB低于0.5美分
双绞线：
无屏蔽双绞线UTP，屏蔽双绞线STP
Category 3 UTP: 16MHz
Category 5 UTP: 100MHz
Category 6 UTP: 250MHz
Category 7 UTP: 600MHz
- 电流大小相等，方向相反
差分传输： 减弱环境噪音对自身信号的影响
减少串扰： 两根导线产生的相反方向的磁场，减少自身信号对环境的干扰
同轴电缆：
同轴电缆的结构和屏蔽性使得它既有很高的带宽，又拥有很好的抗噪性，是有线电视和计算机城域网的常用传输介质
以高速在长距离中传输
高带宽：超过GHz
卓越的抗干扰性能
电力线：
在家庭内部作为局域网，在家庭外部用于宽带互联网接入
设计用于分配电源信号
光纤：
无线传输
电磁频谱：
频率越低，穿透力越强，越接近于无线电
频率越高，穿透力越弱，越接近于可见光
无线电传输(VLF,LF,MF,HF)：
无线电传输中带宽的两种使用方式：
使用窄带（电视，收音机）： 大多数传输使用较窄的频带来获得最好的接收
扩展频谱（蓝牙，无线局域网）：
FHSS跳频扩频： 发送方和接收方使用一个伪随机数序列，随机同步地跳到其他频率
DSSS直接序列扩频： 将一个比特进行扩展
UWB超宽带通信： 发送一系列快速脉冲，这些脉冲随着通信信息而不断变化自己的位置，这种位置的快速变换导致信号被稀疏分布在一个很宽的频带上
在VLF、LF和MF波段，无线电波沿地球曲率（1000公里）移动
在HF波段，它们在100~500公里高度的电离层上反弹
微波通信：
微波传输几乎是一条直线，发射和接收天线必须精确对准
中继器每隔80km要接力一次（地球的曲率阻隔）
多径衰落通常是一个严重的问题（取决于天气和频率）
卫星通信： 实际上还是微波通信，卫星在天空中充当一个大的微波中继器
收发器
只听某一个频率的数据
电磁波经过无线电传输，它与距离的平方成反比
放大输入信号
以另一个频率重新广播
数字调制与多路复用
基带传输： 信号的传输占有传输介质上从零到最大值之间的全部频率，而最大频率则取决于信令速率。这是有线介质普遍使用的一种调制方法
曼彻斯特编码开销为100%
带宽利用率：
比特率 =波特率（每秒钟有多少个符号）*符号速率（每个符号携带多少个比特）
信号电平的数量不需要是2的n次方
时钟恢复：
4B/5B编码方式： 绝对不会连续出现超过三个0，但损失了25%的代码
- 11111：空闲
- 11000：代表一帧的开始
通带传输： 调节载波的幅度，相位或者频率来表示一些比特。信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带。这是无线和光纤信道最常使用的调制方法
(a) A binary signal（二进制信号）
(b) Amplitude modulation（调幅）
(c) Frequency modulation（调频）
(d) Phase modulation（调相）
频分复用： 将频谱分成几个频段，每个用户完全拥有其中的一个频段来发送自己的信号，多路信号共享高带宽介质
给不同的逻辑信道(站)分配不同的频率，每个频率工作在频谱中的一部分，并且相邻信道之间的频谱间隔足够大，以便防止干扰
保护带： 比语音通信所需多出来的那部分频带
时分复用： 用户以循环的方式轮流工作，每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间
同步的时间复用： 固定了时间位置，信道资源会浪费
异步的时间复用： 没有时间片的对应关系
码分复用： 扩频通信的一种方式，它把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上
CDMA（Code Division Multiple Access）码分多址访问：
每一个比特的时间被拆分为m个更短的间隔，称为码片（m=128/64）
每一个站点分配唯一一个m个比特的编码，称为码片序列，且两两正交
- 任何两个站点之间一半相同，一半相反
- 发送数据：
发送比特1：发送码片序列
发送比特0：码片序列取反后发出去
区别：
基带传输：信号源产生的原始电信号称为基带信号，将数字数据0、1直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输。
通带传输：将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后采用频分复用技术实现宽带传输。
公共电话交换网络
ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：ADSL技术是一种不对称数字用户线实现宽带接入互连网的技术，ADSL作为一种传输层的技术，充分利用现有的铜线资源，在一对双绞线上提供上行640kbps下行8Mbps的带宽，从而克服了传统用户在”最后一公里”的”瓶颈”，实现了真正意义上的宽带接入。ADSL是纯物理层协议
- ADSL用户线采用的传输介质是双绞线，通常是铜质的
- ADSL用户线使用了频分复用（FDM）技术和时分复用（TDM）技术来实现信号的复用
- ADSL将铜线分成多个不同的频段，每个频段用于传输不同的数据类型（如语音、图像和互联网数据）。这个过程使用FDM技术实现
- 在每个频段内，ADSL使用TDM技术进行时分复用，以确保每个用户都能在同一频段内交替地发送和接收数据。这种方式使得ADSL能够同时处理多个连接，并提高网络资源利用率
Modem：执行数字比特流和模拟信号流（代表这些数字比特）之间转换的设备称为调制解调器（modem）,调制解调器是调制器（modulator）和解调器（demodulator）的缩写。ADSL属于通带传输，需要调制。
本地回路： 每个电话客户的电话机到电信局之间的双绞线
电信局会去除高频成分
传输线有三个主要问题：
衰减： 衰减程度与频率有关
延迟畸变： 频率不一样，传播速率也不一样，一个早到一个晚到会导致变形
噪音：
热噪声（沙沙声）
串音（许多双绞线捆在一起，有电信号时会产生磁场，造成干扰）
脉冲噪音（电流由小突然变大会产生电磁波，产生噪音）
传输线有三个主要问题：使用DMT(Discrete MultiTone)的ADSL：
本地回路上的1.1 MHz频谱被分成256条独立的信道，每条信道宽4312.5 Hz
信道0用于简单老式电话服务，信道1〜5空闲，目的是防止语音信号与数据信号相互干扰。在剩下的250条信道中，一条用于上行流控制， 另一条用于下行流控制，其他248条信道全部用于用户数据
在每条信道内使用了QAM调制方案，波特率约为4000符号/秒
利用电话网来实现数据通信，要采取调制和解调的方法
调制： 计算机的数字信号变成模拟信号，变成声音
解调： 再将声音信号还原为数字信号
中继： 连接交换局的数字光纤
问题： 光纤传播速度很快，但是光电转换的速度没有传播的速度快，因此一根光纤只能携带一小部分的数据
解决方法：
波分复用： 把多根光纤的数据搬迁到频谱上去，这样多根光纤可以合并成一路。传输到接收方后再用分波器分开
时分复用： 基于PCM（脉冲编码调制，Pulse Code Modulation）的TDM可在中继线上运送多路电话语音。话音信道的带宽为4000Hz，按照奈奎斯特定理，采样频率应该为带宽的两倍，即每秒采样8000次，因此PCM每125μs采样一次
- T1：所有电话都是八千分之一秒采样一次，每次采样7个比特
- E1：32个8比特信道，其中只有30路用于传输数据，剩下两路用于信令控制和同步
交换局： 使呼叫从一个中继转移到另一个中继
电路交换： 是一种面向连接的通信方式。在电路交换中，通信双方在建立通信之前需要进行一次预处理，即建立一条专用的物理链路来传输数据。这条链路在整个通信过程中都被保留，并且只能由两个通信方使用。当通信结束后，该链路会被释放。在电路交换中，数据通过这条链路进行传输，具有稳定性和可靠性，但是资源利用率较低，因为这条链路在通信期间无法被其他用户使用
分组交换： 是一种无连接的通信方式。在分组交换中，数据被打包成一个个固定大小的数据块，即数据包（packet）。每个数据包都包含了目标地址、源地址和有效载荷等信息。在传输过程中，数据包会通过网络节点逐一转发，直到到达目标地址。在分组交换中，网络资源可以被多个用户共享，因此资源利用率比较高，但是传输的可靠性低于电路交换
包交换不透明，因为需要对每一包的数据格式有所规定，要知道包长什么样；而电路交换是透明的
……未完待续♬
