第二章 物理层

思维导图

一、数据通信的理论基础

物理层的作用：提供透明的比特流传输

• 　　封装好的数据以“0，1”比特流的形式进行传递，从一个地方搬运到另一个地方
• 　　物理层上的传输，从不关心比特流里面携带的信息，只关心比特流的正确搬运

四个特性

• 　　机械特性（mechanical characteristics）：指明接口所有接线器的形状、尺寸、引脚数和排列等，如RJ45
• 　　电气特性（electrical characteristics）：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 　　功能特性（functional characteristics）：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
• 　　规程特性（procedural characteristics）：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序，概念类似于协议

物理层上数据的传输：信号（数据的电气或电磁表现）

分类

• 　　模拟信号：对应时域的信号取值是连续的

• 　　数字信号：对应时域的信号取值是离散的，其中有个概念：码元：代表不同离散值的基本波形

传输的过程

• 信号在信道/传输介质上的传输
• 信号在传输过程中，可以看成由很多不同频率的分量的传输
• 高频分量的不等量衰减，接受方收到的信号是衰变和变形（失真）的。从0~fc这一频段，振幅在传输过程中不会明显衰减，fc称为截止频率，单位Hz

物理带宽、数字带宽和两者的关系

物理带宽

• 　　传输过程中振幅不会明显衰减的频率范围，单位：Hz
• 　　是一种物理特性，通常取决于介质材料的构成、厚度、长度

数字带宽

• 　　单位时间内流经的信息总量

物理带宽和数字带宽关系

• 　　奈奎斯特定理：在无噪声信道中，当物理带宽为BHz，信号离散等级为V级，那么该信道能提供的最大传输速率（数字带框），可用以下公式：

　　　　　　

• 　　香农定理：在有噪声信道中，如果物理带宽为BHz,噪声比为S/N,那么最大的传输速率 

　　　　　　

• • 　很多情况下，噪声用分贝（dB）表示，
  • 在信道一定的时候，物理带宽确定，要想提高最大数据传输率（数字带宽），只有增加信噪比。

二、有导向的传输介质

分类

• 　　引导性传输介质：铜线、光纤
• 　　非引导性传输介质：无线电、卫星

下面主要分析引导性的传输介质

同轴电缆：如下图

分类

• 　　基带同轴电缆：50Ω，用于数字传输，屏蔽层为铜
• 　　宽带同轴电缆：75Ω，用于模拟传输，屏蔽层为铝

分类二

• 　　粗缆  最大传输距离为500米
• 　　细缆  最大传输距离为185米　　

双绞线（Twist Pair Cable）　

• 　　由两根具有绝缘层的铜导线，按一定密度，逆时针绞合而成
• 　　消除：近端串扰（Crosstalk）
• 　　绞距（扭矩）：绞距越小（紧），越均匀。则抵消效果越好，传输性能越好。

1.  非屏蔽双绞线（UTP : Unshielded Twisted Pair）

• 　　五类双绞线，提供10M、100M的数字带宽，使用其中的两对线，分别用于收和发。100M的以太网中，用到了全部的四对线
• 　　最大传输距离100米，广泛用于局域网中
• 　　优点：成本低、易于安装、尺寸小；  缺点：易受干扰、传输性能和距离易受绞距的影响

 2.  屏蔽双绞线（STP：Shielded Twisted Pair）

• 　　相比于UTP，STP加了两层屏蔽层，分别位于每对线之外和全部四对线之外
• 　　优点：抗EMI/RFI干扰　　缺点：成本高、安装不易

3.  网屏式双绞线（ScTP: Screened Twisted Pair）

• 　　在成本和抗干扰之间做了折中
• 　　把STP每一个线对上的屏蔽层去掉了

使用注意事项

• 　　直通线
  • • 连接交换机和PC这种不是同等类型的设备，线两头线序一致
• 　　交叉线
  • • 线序不一致，连接同类设备
• 　　现在，设备已经大多可以自适应

电力线

• 　　缺点：与传输介质目的和电气特性截然不同，50Hz，目前不普及。

光纤（光导纤维）

• 　　极细的玻璃纤维构成，把光封闭在其中并沿轴向进行传播
• 　　由里到外为：玻璃芯、玻璃覆盖层、塑料封套
• 　　工作原理:  全反射——当光从光密物质射向光疏物质，入射角大于临界角，光会发生全反射。　
• 　　优点：重量轻、损耗低、不受电磁辐射干扰、传输频带宽、通信容量大、不射频干扰、防窃听
• 　　缺点：易断裂、昂贵

分类

• 　　单模
  •    单一模式传输，激光产生的单束光。
  • 　纤芯细、高带宽、长距离。
  • 　运行波长850nm或1300nm
• 　多模
  • 多个模式传输，LED产生的多束光

光纤、UTP特点：

• 　　干线上大量使用光纤（垂直电缆），用户桌面的线缆大量使用UTP（水平电缆）　　

三、复用技术

干线上技术，让多个用户共享同一根信道

解决问题：干线起点如何共用，干线终点如何分离

1.   频分多路复用技术FDM

　　原理：

• 　　　　　在干线的起点，信道的频谱被分成若干段（子段），每个用户占据一段来传输自己的信号
• 　　　　　在干线的终点，每个子带的信号被单独分离出来给各个用户
• 　　　　    相邻用户使用的频段（子带）之间通常留有一定的带宽，以免混淆，这个频段被称作保护带

　　正交FDM：Orthogonal FDM（简称OFDM）

• 　　　　   一种更好的利用带宽的FDM，正交频分多路复用。
• 　　　   　没有了保护带，且子带之间相互重叠，可承载更多用户

　　波分多路复用WDM （Wavelength Division Multiplexing）

• 　　　　本质上跟FDM一样，在光纤上复用信号
• 　　　　按照不同波长，干线分为了若干份
• 　　　　终点，分离器分离出不同波长的光信号
• 　　　　另外，当相邻波长间隔非常接近，子信道的数目非常大，WDM变成了DWDM（Dense，密集波分多路复用）

2.  时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）

• 　　在时间上共享信道
• 　　将时间划分为非常短的时间片
• 　　广泛用于电话系统和蜂窝系统　　
• 　　要求：时间上必须同步，为适应时钟的微小变化，可能要求增加保护时间间隔
• 　　各用户需要的带宽不均衡，而TDM用户时间片的使用却是一样的，将造成信道的浪费
  •        解决办法：统计时分多路复用（TDMStatistic TDM ）STDM

3.  码分多路复用技术CDMA（Code Division Multiple Access）

• 　　扩展频谱技术，广泛用于3G
• 　　允许每个站利用整个频段发送信号，而且没有任何时间限制
• 　　关键在于：提取出需要的信号，同时拒绝所有其他的信号，并且把这些信号当成噪声
•        CDMA中，每个比特时间被细分为m个更短的时间间隔，这更短的时间间隔被称为码片，通常每个比特被划分为64个或128个。
•        运用码片序列的两两正交，能够同时传输信息。接受方利用复用信号和发方码片序列的归一化内积，可以计算出发方的信息。

　　

四、调制机制——使用信号来传输比特

传输方式

　　基带传输（Baseband Transmission）

• 　　　　信号的传输占据传输介质，从零到最大值之间的全部频率。（有线传输技术，普遍采用的方法——以太网）

　　通带传输（Passband  Transmission）

• 　　　　调节信号的振幅、相位或频率来传输比特
• 　　　　占据了以载波信号频率为中心的一段频带

基带传输的线路编码

• 　　不归零NRZ：高电平为“1”，低电平为“0”
• 　　不归零逆转NRZ1：跳变为“1”，不跳变为“0”，USB采用
• 　　曼切斯特编码：在比特时间中间，电压从高到低为“1”。反之，从低到高，表示“0”。只有50%效率
• 　　双极编码（交换标记逆转AMI）：两极电压的交替出现，表示“1”，不出现则表示“0”。实现了信号的平衡
• 　　4B/5B编码：4个比特数据被映射成1个比特模式，80%效率。抛开连续0的组合，解决连续零的问题

码元

• 　　承载信息量的基本信号单位
• 　　数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字。（二进制码元）
•        使用时间域的波形表示数字信号时，不同离散值的基本波形，叫做码元

一秒钟能发送的码元的个数，叫波特率，也叫做码率（每秒钟信号变化的次数）

• 波特率别名：符号率、采样率、每秒钟变化的次数
• 比特率别名：位传输率、数据传输速率、数字带宽
• 计算公式（C:比特率，B：波特率，n:信号呈现的个数，为2的整数倍，信号级别）
• 为了降低高速调制的错误，在每个样本中采用一些额外的位用作纠错。剩下的位才用来传输数据

可用信号星座图，来表示调制的级别

 五、公共交换电路网络PSTN（Public Switched Telephone Network）

 解决问题：最后一英里问题

过程：

• 　　呼叫方的话音经过本地回路（Local loops），到达端局
• 　　端局经过干线（Trunks，一般为数字光纤）到达上级交换局（Switching office），然后最终到达对方的端局
• 　　本地回路传输的是模拟信号，搭载调制解调器（也叫Modem,猫），完成数字信号向模拟信号的转变
• 　　光纤到户（Fiber To The Home）：无源，可靠性、安全性 ——“光进铜退”
• 　　干线：多路复用，完成交换局（包括端局）的连接。搭载了编解码器（codec），将模拟信号数字化
  • 　　编解码器采用了：脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation），构成了现代PSTN的核心
  •        目前采用的两种标准
    • 　　SONET/SDH(Synchronous Optical NETwork):同步光网络，美国ANSIS制定的，在光介质上进行同步数据传输的标准
    • 　　SDH（Synchronous digital hierarchy）：同步数字序列,国际标准化组织ITU制定的，在光介质上进行同步数据传输的
    • 　　两者几乎一样

PSTN交换

• 　　电路交换（Circuit Switching）
  • 　　传统电话系统，建立端对端通路，数据沿着通道按顺序到达
• 　　包/分组交换（Packet Switching）
  • 　　IP电话数据业务，限制包/分组大小，允许包/分组存储在交换局的内存里
  • 　　每个包携带目的地址、信息——独立寻址，乱序送达。容错能力好，流量收费

　　

六、  物理层部件/设备

• 　　转发器
• 　　中继器
• 　　集线器
• 　　RJ45插座

收发器（Transceiver = Transmitter + Receiver）

• 　　也称为MAU，Media Attachment Unit
• 　　将一种形式的信号转变为另一种信号
• 　　早期是一个外设，现在是网卡上的部件
• 　　主要负责收发信号

中继器（Reapter）

• 　　主要功能：再生信号（去噪、放大），让线缆延伸到更远，突破UTP100米的传输距离的限制
• 　　注意：中继器不能过滤流量
• 　　过滤：是指设备以一定的特性来屏蔽网络流量，并根据标准确定将流量转发或丢弃　

集线器（Hub）——多端口的中继器

• 　　主要功能：再生信号，即去噪和放大
• 　　广播（泛洪）：从除了来的那个端口外的所有其他端口转发出去　 　

冲突——信号的碰撞　

• 　　当使用物理设备时，更多的用户争抢共享资源，导致冲突

冲突域

• 　　数据包产生和冲突的网络区域，即指共享介质的区域
• 　　冲突域增大，冲突可能性增大，网络性能降低

总结

• 　　不具有过滤流量等智能化功能
• 　　增大了冲突域
• 　　很少再使用中继器（光中继器除外）和集线器