计算机网络知识点总结-第二章：物理层
0.本章思维导图：
1.物理层基本概念
物理层的作用：如何在连接各个计算机的传输介质上传送数据位流，并屏蔽不同传输介质和通信方式之间的差异
协议：物理层的协议
传输介质接口的特点：
（1）机械特性：接口所用连接器的形状和尺寸，插针的数量和排列方式，固定和锁紧装置等。
（2）电气特性：接口电路各线上出现的电压范围
（3）功能特性：某一电压等级在某一线路上的意义
（4）过程特性：针对不同功能，各种可能事件发生的顺序
2. 数据通信基础知识
2.1数据通信系统模型：
数据通信系统划分：源系统、传输系统、目的系统
源系统的内容：
源：源设备生成要传输的数据
发射机：源产生的数字比特流必须经过发射机编码后才能在传输系统中传输；如调制器
接收器：接收来自传输系统的信号并将其转换为目标设备可以处理的信息；例如解调器
端点：端点设备接收接收端发送的数字比特流，并输出信息
常用术语：
讯息：通讯的目的是传递信息，例如语音、文字、图像、视频等。
数据：是承载信息的实体；以特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列
信号：数据的电或电磁表示形式。
模拟信号（连续信号）：报文的参数值是连续的
数字信号（离散信号）：表示消息的参数的值是离散的
码元：代表不同离散值的基本波形
2.2 通道基本概念
通道：是指向某一方向传递信息的媒介
*信息交换方式：
（1）单向通信（单工通信）：通信只能在一个方向上进行，而无相反方向的交互；只需要一个通道
（2）双向交替通信（半双工通信）：通信双方都可以发送信息，但不能同时发送，而是一方发送，另一方接收，经过一段时间后另一方才能接收。
（3）双向同时通信（全双工通信）：双方可同时发送和接收信息；两个通道；传输效率最高
基带信号：来自源的信号；例如，计算机输出的代表文本或图像的数据信号都是基带信号。
调制分类：
基带调制（编码）：仅对基带信号的波形进行变换，以适应信道特性。变换后的信号仍然是基带信号。
带通调制：利用载波调制，将基带信号的频率范围移到更高的频段，转换成模拟信号，转换后的信号称为带通信号。
常见的编码方式：
（1）不归零：正电平代表1，负电平代表0
（2）回零：正脉冲代表1，负脉冲代表0
（3）曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1；也可以反过来定义
（4）差分曼彻斯特编码：每个比特的中间总有一个跳变，比特开头有跳变代表0，比特开头没有跳变代表1。
基本带通调制方法：
（1）幅度调制：载波的幅度随基带数字信号而变化；0或1分别对应无载波或载波输出。
（2）频率调制：载波的频率随基带数字信号而变化；例如0或1分别对应频率f1或f2
（3）相位调制：载波的初始相位随基带数字信号而变化；例如0或1分别对应0度或180度的相位。
2.3 通道容量限制
限制信道上码字传输速率的因素：
（1）信道可通过的频率范围：
符号间串扰：信号的高频分级被衰减，接收端接收到的波形的前沿和后沿不那么陡峭，各个符号所占的时间边界不清晰，失去了符号之间的明确界限。
奈奎斯特准则：在任何信道中，码元传输的速率都有一个上限，如果超过这个上限，就会产生严重的码间干扰，使接收机无法识别码元。
（2）信噪比：
定义：信号平均功率与噪声平均功率之比，表示为S/N
香农公式：信道的限制信息传输速率C为
其中W为信道带宽，S为信道中传输的信号平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
香农公式表明：信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
香农公式的意义：只要信息传输速率低于信道的极限速率，就一定有某种方法可以实现无差错传输
3.物理层以下的传输介质
传输介质：数据传输系统中发送方和接收方之间的物理路径。
传输介质分类：
导波型：电磁波沿固体介质引导传播
双绞线
同轴电缆
光纤
非制导型：电磁波无线传输
4. 通道复用技术
*4.1 频分复用、时分复用、统计时分复用
多路复用：允许用户使用共享信道进行通信，从而降低成本并提高利用率
频分复用：
原理：当一个用户被分配到某一频段之后，该用户在通信过程中自始至终占用着该频段。
特点：所有用户同时占用不同的频率带宽
时分复用：
原理：将时间划分为等长的时分复用帧（TDM帧），每个时分复用用户在每个TDM帧中占用一个固定序号的时隙。
特点：所有用户在不同时间占用相同带宽
统计时分复用：
原理：使用STDM帧传输复用数据。每个STDM帧中的时隙数小于集中器连接的用户数。每个用户将数据发送到集中器的输入缓冲区。集中器按顺序扫描输入缓冲区，并将缓冲区中的输入数据放入STDM帧中。没有数据的缓冲区将跳过。当一帧满了时，再发送。因此，STDM帧不是固定分配时隙的，而是根据需要动态分配时隙。
一个用户所占用的时隙并不是周期性出现的，所以统计时分复用又称为异步时分复用；而时分复用又称为同步时分复用。
4.2 波分复用
波分复用：
原理：是光的频分复用，利用同一根光纤同时传输多个光载波信号
4.3 码分复用
码分复用 (CDMA)：
原理：每个用户使用专门选择的代码类型，因此他们不会互相干扰
芯片：每个位时间被分成m个短的间隔，称为芯片
工作方法：
每个站点分配一个唯一的 mbit 芯片。如果它发送 1，它就会发送自己的 m bit 芯片。
如果发送 0，则发送代码的二进制补码
码片实现扩频：由于1比特可转换成m比特的码片，因此实际传输数据速率提高了m倍
重要特征：每个站的码片必须不同且相互正交
码片正交性：不同码片之间正交，即向量S、T的归一化内积为0（归一化内积对应乘法）
正交关系的重要特征：任何码与自身的归一化内积为1，与其逆的归一化内积为-1
例2-16：有四个站点进行CDMA通信，四个站点的码片序列分别为
A(-1-1-1+1+1-1+1+1) B(-1-1+1-1+1+1+1-1)
C(-1+1-1+1+1+1-1-1)D(-1+1-1-1-1-1+1-1)
现在我们收到这样的代码：（-1 + 1-3 + 1-1-3 + 1 + 1），并询问哪些站发送了数据，以及他们发送的是 0 还是 1。
解开：
A站内积：(-1-1-1+1+1-1+1+1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1
B站内积：(-1-1+1-1+1+1+1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1
C站内积：(-1+1-1+1+1+1-1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0
D站内积：(-1+1-1-1-1-1+1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1
因此站 A 和 D 发送了 1，站 B 发送了 0，站 C 未发送
5.数字传输系统
早期数字传输系统的缺点：
（1）速度标准不同
（2）非同步传输
现代传输网络的传输介质：光纤
同步光纤网络（SONET）：各级时钟均来自一个非常精确的主时钟，为光纤传输系统的同步传输定义了一个线路速率层次
同步数字体系（SDH）：基于 SONET 开发的国际标准
6.带宽接入技术
ADSL技术：非对称数字用户线路，将原有的模拟电话线改造，使之能够承载宽带业务，将0-4k的低端频谱留给电话使用，其余部分留给宽带使用，其中上行带宽小于下行带宽
传输距离：与数据速率、用户线的线径（粗细）有关
传输速度：与实际用户线路的信噪比密切相关
数据速率：采用自适应调制技术，使用户线路能够传输尽可能多的数据，受环境和线路状况影响较大。
特点：上行和下行带宽不对称，需要在用户线路的两端安装调制解调器
第二代ADSL：实现更高的数据速率，采用无缝速率自适应技术，可以自适应地调整数据速率，而不会在运行过程中中断通信或产生比特错误
光纤同轴混合网（HFC）：是一种覆盖范围较广的有线电视网络，采用模拟技术，频分复用，主干部分采用光纤，入户部分采用同轴电缆。
FTTx技术：实现宽带住宅接入网的解决方案，代表多种宽带光纤接入方式
无源光网络PON：为了有效利用光纤资源，光纤干线与用户之间采用无源光网络PON。无源光网络无需电源，长期运行管理成本低。
最流行的无源光网络是以太网无源光网络（EPON）和千兆无源光网络（GPON）。
锻炼
2.1 物理层解决的主要问题：
（1）尽可能屏蔽物理设备和传输介质
（2）如何在连接各个计算机的传输介质上传输数据位流
2.2 规程和协议的区别：规程是指物理层的协议
2.7 假设某信道满足奈奎斯特准则，最大符号速率为20000符号/秒，采用幅度调制将符号幅度分为16个不同的等级进行传输。求可获得的最大数据速率
C=R*log(16)=/s*4=/s
16个状态用4位表示，符号率为20000个符号/秒，每个符号可以表示4位，所以答案是20000*4
2.8 假设用一个3KHz带宽的电话信道传输64kb/s的数据，该信道的信噪比应该是多少？
C=W*log(1+S/N)，其中W=3khz，C=64kb/s
因此，1+S/N=2^(64/3)，S/N=2.64*10^6，(S/N)=10*log10(2.64*10^6)=64.2db
2.9 利用香农公式，设信道带宽为，最大信道传输速率为35kb/s，若将最大信道传输速率提高60%，则信噪比S/N要提高多少倍？
C = Wlog(1+S/N)
35000=3100*log(1+S/N)
信噪比=2^(350/31)-1=2505
35000*1.6=3100*log(1+x*S/N)
x=109.396
所以应该增加109倍
2.11 假设一对双绞线的衰减为0.7db/km，如果允许衰减20db，则采用该双绞线的链路的工作距离为多长？若要将工作距离增加到100km，衰减应减少到什么程度？
（1）20/0.7=28.6公里
（2）20/100=0.2db
*2.12 计算在 到 之间工作的光波的带宽，在 到 之间工作，光速为 2*10^8m/s
电压=V/L1-V/L2
~: 带宽 = 2*10^8/1200*10^-9 - 2*10^8/1400*10^-9 = 23.8 Thz
~: 带宽 = 2*10^8/1400*10^-9 - 2*10^8/1600*10^-9 = 17.86 Thz
*13.为什么要采用通道复用技术？常用的通道复用技术有哪些？
解开：
为了实现渠道共享，最大化渠道利用率
频分、时分、码分、波分