計算機網絡物理層詳細筆記（計算機網絡知識總結）

2023-10-12 18:31:48 1

1、物理層基本概念

物理層解決如何在連接各種計算機傳輸媒體上傳輸bit流，注意，不是指用什麼傳輸媒體（介質）物理層的主要任務就是確定傳輸媒體接口的一些特性：（為了統一規劃，標準化，各個廠商生產一致，可以通用）

機械特性：接口形狀大小引線數目網線內有幾根線電氣特性：例如規定電壓範圍功能特性：例如規定-5V表示0 5V表示1（電壓信號代表數位訊號）過程特性：（規程特性）規定建立連接時各個部件的工作步驟

2、數據通信的基礎知識

數據通信系統的三大部分源系統（發送端、發送方）源點：原點設備產生要傳輸的數據，又稱為源站或信源發送器：通常，源點生成的數字比特流要通過發送器編碼後才能夠在傳輸系統中進行傳輸，典型的發送器就是調製器傳輸系統（傳輸網絡）目的系統（接收端、接收方）接收器：接受傳輸系統傳送過來的信號，並把它轉換為能夠被目的設備處理的信息，典型的接收器就是解調器終點：終點設備從接收器獲取傳送來的數字比特流，然後把信息輸出，又稱為目的站或信宿一些常用術語：

通信：目的是傳送信息，如話音、文字、圖像、視頻等

數據：是運送信息的實體，通常是有意義的符號意義

信號：是數據的電氣或電磁的表現，根據信號中代表信息的參數的取值方式不同，信號可分為兩大類：

模擬信號（連續信號）——代表信息的參數的取值是連續的

數位訊號（離散信號）——代表信息的參數的取值是離散的

碼元：在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數位訊號時，則代表不同離散數值的基本波形

有關信道的幾個基本概念

信道一般都是用來表示向某一個方向傳送消息的媒體。三種基本信息交互方式：

單向通信（單工通信）–只能發送或只能接收例子：電視塔發送電視信號，但是電視無法向電視塔發送信號雙向交替通信（半雙工通信）–雙方可以收發，但是不能同時發送或同時接收雙向同時通信（全雙工通信）–通信的雙方可以同時發送和接收消息例子：打電話計算機通信大多數是半雙工和全雙工通信基帶信號（baseband）：來自信息源的信號。帶通信號（band pass）：把基帶信息經過載波調製後的信號（載波調製就是把信號的頻率搬到較高的頻段，以便傳輸）1.基帶調製（編碼）

歸零碼：一次信號結尾始終為0電壓不歸零碼：一次信號結尾不需要歸零單極性：只有正向和0電壓雙極性：有正負電壓曼徹斯特編碼：低電平跳高電平代表0 高電平條低電平代表1，可以代表沒有數據傳輸（用電平變化代表數據傳輸）差分曼徹斯特編碼：0和1沒有固定高低電平，後面的信號是幾取決於前面的信號2.帶通調製

信道的極限容量

信號波形在實際信道傳輸時，會受到帶寬受限、噪聲、幹擾等引起失真。

奈氏準則：在理想條件下，為了避免碼間串擾（碼元太短，無法識別高低電平），碼元傳輸速率是有上限的（上一章帶寬可以無限增加嗎例子）信噪比：信號平均功率和噪聲的平均功率之比，常記S/N，並用分貝(dB)作為度量單位，信噪比（dB）=10log10（S/N）*香農公式：信道的極限信息傳輸速率CC = Wlog2(1 S/N) b/s (log2是log以2為底)W：信道帶寬（單位Hz）S：信道內所傳信號的平均功率N：信道內部高斯噪聲功率香農公式的結論：信道的帶寬或信道的信噪比(S/N)越大，信息極限傳輸速率越高，若W或S/N沒有上限，則C沒有上限（實際不可能）只要信息傳輸速率低於信道極限信息傳輸速率，則一定可以找到方法確保數據的無差錯傳輸

3、物理層下面的傳輸媒體

兩種導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體，也就是有線無線

導引型傳輸媒體雙絞線：把兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，然後用規則的方法絞合起來就構成雙絞線。同軸電纜：由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護塑料外層所組成。光纜：光纖通信就是利用光導纖維傳遞光脈衝來進行通信，有光脈衝相當於1，沒有光脈衝相當於0非導向傳輸媒介：傳統的微波通信有兩種方式：地面微波接力通信和衛星通信。4、信道復用技術

頻分復用 FDM(Frequency Division Multiplexing)用戶在分配到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都佔用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源（請注意，這裡的「帶寬」是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。解釋：特定的用戶使用特定的頻率波段，傳輸時採用不同頻率的波段進行調製和解調，已達到區分其他數據的目的時分復用TDM(Time Division Multiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM 幀）。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。每一個用戶所佔用的時隙是周期性地出現（其周期就是 TDM 幀的長度）。TDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。時分復用可能會造成線路資源的浪費：使用時分復用系統傳送計算機數據時，由於計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。

統計時分復用 STDM(Statistic TDM)與時分復用類似，只不過每次發送時標記是哪個用戶發出的，解析時按標記解析。可以避免線路資源的浪費

波分復用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)波分復用就是光的頻分復用。

碼分復用 CDM(Code Division Multiplexing)常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成幹擾。這種系統發送的信號有很強的抗幹擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。5、數字傳輸系統脈碼調製PCM體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。由於歷史上的原因，PCM 有兩個互不兼容的國際標準，即北美的 24 路 PCM（簡稱為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡稱為 E1）。我國採用的是歐洲的 E1 標準。E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。當需要有更高的數據率時，可採用復用的方法。E1取樣8000次/s 每個碼元代表8位bit E1 採用時分復用技術 32路同時傳輸8800032 = 2.048Mb/sT1隻有24路同時傳播，且有控制信號8800024 8K=1.544Mb/s(8K表示控制信號)6、寬帶接入技術

1.ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數字用戶線（就是通過電話線上網）用數位技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。ADSL實現原理採用DMT技術DMT 調製技術採用頻分復用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個子信道用於上行信道，而 249 個子信道用於下行信道。每個子信道佔據 4 kHz 帶寬（嚴格講是 4.3125 kHz），並使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調製。這種做法相當於在一對用戶線上使用許多小的數據機並行地傳送數據。

2.光纖同軸混合網 HFC (Hybrid Fiber Coax)（就是利用有線電視線路上網）HFC 網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。HFC 網除可傳送 CATV 外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。現有的 CATV 網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它採用模擬技術的頻分復用對電視節目進行單向傳輸。而 HFC 網則需要對 CATV 網進行改造。HFC 的主要特點HFC網的主幹線路採用光纖HFC 網將原 CATV 網中的同軸電纜主幹部分改換為光纖，並使用模擬光纖技術。在模擬光纖中採用光的振幅調製 AM，這比使用數字光纖更為經濟。模擬光纖從頭端連接到光纖結點(fiber node)，即光分配結點 ODN (Optical Distribution Node)。在光纖結點光信號被轉換為電信號。在光纖結點以下就是同軸電纜HFC結構示意圖