第二部分 - 互联网的五层模型
第 2 章 - 物理层
本章概要
本章有如下几个最重要的内容：
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物理层的任务是什么？
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信道复用技术是什么？
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宽带接入是什么？
我们对如上问题进行简要回答：
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屏蔽掉不同传输媒体和通信手段间的差异，使链路层感受不到这种差异。
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时分复用、频分复用、统计时分复用、码分复用、波分复用
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非对称数字用户线（ADSL 技术，基于电话用户线改造）、光纤同轴混合网（HFC 网）、FTTx 技术（光纤到 x 技术）
物理层的基本概念
物理层是考虑怎样连接各种计算机的传输数据比特流，作用是 为了尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通讯手段的差异，使得数据链路层感受不到这些差异。
物理层有以下主要任务：
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机械特性：指明接线器的形状与尺寸。
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电气特性：指明接口电缆的各线电压范围。
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功能特性：指明某线的某一电平的电压意义。
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过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据在通信线路上使用 串行传输 进行传输，所以物理层还要完成 传输方式的转换。
数据通信的基础知识
通信系统基础
一个数据通信系统可以划分为三大部分：
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源系统：包含源点和发送器（典型的发送器为调制器）
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目的系统：包含接收器（典型的接收器为解调器）和和终点
通信的目的是为了传送消息，数据是运送消息的实体，信号是数据的电气或电磁的表现。
信号分为两大类：
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模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的。
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数字信号：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是码元。
关于信道的基本概念
信道是表示向某一方向传送信息的媒体。一条信道通常包含一条发送信道和一条接收信道。
有三种基本的通信方式：
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单向通信（单工通信）：只有一个方向的通信。
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双向交替通信（半双工）：通信双方都可以通信，但是不能同时接收发送。
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双向同时通信（全双工）：通信双方都可以通信，并且可以同时接收发送。
来自信源的信号称为基带信号，许多信道并不能传输低频分量或直流分量，所以要进行调制。
调制有两种方式：
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基带调制：把数字信号转换为另一种形式的数字信号，又称编码。
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带通调制：把基带信号的频率范围转换为另一频段，并化为模拟信号。
常见编码方式：
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不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。
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归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
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曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，向下跳变代表 1。
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差分曼彻斯特编码：每一位的中心都有跳变。位开始的边界有跳变代表 0，没有代表 1。
基本带通调制方法：
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调幅（AM）
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调频（FM）
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调相（PM）
信道的极限容量
信号在信道上传输时必然会失真，但只要能识别出原有信号，就没有影响。
信道的频率范围有限，导致高频成分在传输中衰减，形成码间串扰，使接收到的信号模糊，难以识别。
奈氏准则给出了避免码间串扰的传输速率上限：在带宽为 W (Hz) 的无噪声低通信道中，最高传输速率为 2W（码元/秒）。
实际信道需考虑信噪比的影响。
信噪比是指信号的平均功率与噪声的平均功率之比，写作 S/N，单位是分贝（dB）
信噪比的公式是：
香农公式表明带宽越大，信噪比越大，极限传输速率越高。
香农公式指出 信道的极限信息传输速率 \(\mathit{C}\) 是：
式中 \(\mathit{W}\) 为信道的带宽（Hz），\(\mathit{S}\) 为信道内所传信号的平均功率，\(\mathit{N}\) 为信道内部的高斯噪声功率。
另一种提高传输率的方式：让每一个码元携带更多的比特的信息量。
物理层下面的传输媒体
传输媒体大致分为两类：
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导引型传输媒体：架空明线，双绞线，同轴电缆，光纤等。
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非导引型传输媒体：
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利用无线信道进行传输是运动中通信的唯一手段。
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短波通信，无线微波通信，紫外线，卫星通信。
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信道复用技术
信道复用是指多个发送端使用同一个信道来传输信息。
发送端使用复用器将不同的信息合起来传输，接收端使用分用器将信息分开。
FDM/TDM/STDM
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频分复用（FDM）：每一个用户被分配一个频带，通信中始终占用该频带，所有用户在相同时间内占用不同频带。
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时分复用（TDM）：将时间划分为等长的帧，每个用户在每个帧中占用一个固定序号的间隙，所有用户在不同的时间内占用相同的频带。
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统计时分复用（STDM）：一种改进的时分复用，又称之为异步时分复用，按需动态地分配时间间隙。
WDM
波分复用（WDM）就是光的频分复用。
过程是多个光载波信号在经过复用器以后在一根光纤中传输，再经过一个分用器分为多个光载波。
一根光纤上可以复用几十路甚至更多的光载波信号。光信号传递一段距离后会衰减，所以需使用光纤放大器后继续使用
CDM
码分复用（CDM）是指不同的用户使用不同码型，在同样的时间内使用同样的频带进行通信。
码分复用实际上是一种扩频通信。无线局域网中常用 CDM。
数字传输系统
数字通信相比模拟通信，在传输质量和经济上都更好。
光纤是长途干线最主要的传输媒体。
同步数字序列 SDH 和同步光纤网 SONET 是当前最主要的数字传输国际标准。简称 SONET/SDH 标准
宽带接入技术
用户连接到互联网，要先连接到某个 ISP，以便获得上网所需的IP 地址。
宽带接入可分为有线宽带接入和无线宽带接入。
ADSL 技术
非对称数字用户线（ADSL）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使其能够承载宽带数字业务。
标准模拟电话信号的频带在 300~3400Hz 范围，ADSL 技术将 4000Hz 以下的频带留给传统电话，4000Hz 以上用于上网。
因为用户一般都是下载，ADSL 的下行带宽（从 ISP 到用户）远大于上行带宽，所以叫做非对称。
ADSL 的好处是可以利用现有的电话线，缺点是传输距离有限，并且不能保证固定的数据率。ADSL 的速率依赖于用户线的质量、长度、线径等。
ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 解调器。采用基于频分复用的 DMT 调制技术，将 4kHz 以上的频带划分为许多子信道，其中 25 个子信道用于上行，249 个子信道用于下行。
光纤同轴混合网
光纤同轴混合网（HFC 网）是基于有线电视网开发的一种宽带接入网。
为提高传输的可靠性和质量，HFC 网将原有线电视网的同轴电缆主干部分改换为了光纤。
使用 HFC 网的数据率大小不确定，它取决于这段电缆上有多少个用户正在传送数据，如果有很多人在用，每个人的速率会很慢。
FTTx 技术
光纤到户 FTTH(Fiber To The Home) 是把光纤一直铺设到用户家庭，在光纤进入用户家中后才把光信号转换为电信号，这样的上网速率最快。
多个用户通过光配线网共享一根光纤干线，光配线网使用波分复用，上行和下行使用不同的波长。