計算機網絡原理總結（英文版 第五版）
二、物理層
1.其他層建立的基礎
電線、光纖、無線的性能限制了網絡能做什麼
2.關鍵問題是隻使用（模擬）信號發送（數字）位。
這叫做調製信號。
2.1 數據通信的理論基礎
2.1.3 信道的最大數據速率
尼奎斯特（Henry Nyquist）意識到，即使是完美的信道也具有有限的傳輸容量。他導出了一個有限帶寬無噪聲信道的最大數據速率表達式。
尼奎斯特（Nyquist）定理將數據速率與帶寬（B）和信號離散等級的數目（V）聯繫起來：
Max. data rate = 2B log2V bits/sec
例如，無噪聲的3-kHz信道不能以超過6kbps的速率傳輸二進制（只有2級的）信號。
現在爲止，我們只考慮了無噪聲信道。如果存在隨機噪聲，情況會急劇的惡化。並且，由於系統中分子的運動，隨機（熱）噪聲總是存在。熱噪聲的數量可以用信號功率與噪聲功率的比值來測量，這樣的比值稱爲信噪比（SNR，Signal-to-Noise Ratio），如果我們將信號功率記作S，噪聲功率記作N，則信噪比爲S/N。
該比率表示成對數形式是爲10log10S/N。對數的取值單位稱爲分貝（DB）。
例：10的信噪比10分貝，100的信噪比爲20分貝。
香農（Shannon）定理將數據速率與帶寬（B）和信號強度（S）相關，相對於噪聲（N），其最大數據速率或容量是：
Max. data rate = B log2(1 + S/N) bits/sec
這結論告訴了我們實際信道能獲得的最大容量。例如，在普通電話線上提供訪問Internet的ADSL網使用了大約1MHz的帶寬。線路上信噪比的程度取決於住宅和電話交換局之間的距離，對於1~2千米的短距離來說40dB的信噪比算是非常好的情況了。
無論採用多少個信號等級，也不管採樣頻率有多快,信道可以不超過13Mbps的數據率。（甚至實際上只有12Mbps）
尼奎斯特公式用於無噪環境，香農公式用於有噪環境。
2.2 引導性傳輸介質
每一種傳輸介質都有獨特的性質，體現在帶寬、延遲、成本以及安裝和維護難易程度上的不同，因此分別有自己適用的場合。大致上可以將介質分爲引導性介質（也稱有線介質，比如銅線和光纖）和非引導性介質（也稱爲無限介質，比如地面無線電、衛星和激光）兩大類。
介質具有不同的性質，因此性能也不同
現實檢驗
存儲介質 »
電線：
雙絞線 »
同軸電纜 »
電力線 »
光纖電纜
2.2.1 磁介質
磁帶/磁盤/ DVD在高帶寬鏈路上發送數據
比如說有一個1000個 800 GB磁帶的盒子，因此盒子的總容量爲800TB，或者6400Tb。通過快遞公司，在24小時之內將這一盒磁帶快遞到美國任何一個地方。這樣一次傳輸的有效帶寬是6400Tb/86400秒，數據速率爲70Gbps。如果只需一個小時，則有效帶寬將超過1700Gbps。到目前爲止，還沒有一個計算機網絡能接近這樣的傳輸能力。
儘管磁帶具有優良的帶寬特性，但其延遲特性卻很差。
2.2.2 雙絞線
非常普遍；用於局域網，電話線路
之所以將兩根銅線纏繞在一起，是因兩根平行的線會構成一個很好的天線。當兩根線絞在一起後，不同電線產生的干擾波會相互抵消，從而能顯著降低電線的輻射信號（干擾）。
有四對雙絞線的5類UTP
雙絞線可用於傳輸模擬信號或數字信號。帶寬取決於導線的厚度（直徑）和傳輸距離。但在許多情況下，雙絞線傳輸幾千米的距離可以達到幾Mbps的帶寬。
不同的局域網標準或許使用不同的雙絞線。例如：100Mbps以太網使用兩對，每個方向一對。爲了達到高速，1-Gbps以太網同時使用所有四個對。
鏈接術語：
全雙工鏈路（full-deplex）：可以雙向同時使用的鏈路。
半雙工鏈路（half-deplex）：可以雙向使用，但一次只能使用一個方向的鏈路。
單工鏈路（simplex）：只允許一個方向上傳輸的鏈路。
非屏蔽雙絞線（UTF，Unshielded Twisted Pair）：僅由導線和絕緣層簡單的構成。
2.2.3 同軸電纜
過去，同軸電纜被廣泛地應用於長途電話系統，但現在大部分長途幹線已經被光纖所取代。即使如此，同軸電纜仍是有線電視和計算機城域網的常用傳輸介質。
同軸電纜比非屏蔽雙絞線有更好的屏蔽特性和更大的帶寬，所以他能以很高的速率傳輸相當長的距離。
銅芯 絕緣材料 編制外層導體 保護塑料外套
同軸電纜的結構和屏蔽性使得它及有很高的帶寬，又擁有很好的抗噪性。
2.2.4 電力線
家用電線是電力線的另一個例子。電力線把電能傳送到千家萬戶，室內的電線又把電能分佈到每個電源插座。
電力線使用方便，但發送數據非常糟糕。
2.2.5 光纖
高速率和長距離通用
長距離ISP鏈路，光纖到戶
光在很長很薄的玻璃絲中傳輸
三個關鍵部件：光源、傳輸介質和探測器
單模光纖
單模光纖價格較爲昂貴，因爲芯很窄（10UM）光甚至不能反彈。
目前可用的單模光纖可以100Gbps的速率傳輸數據到100千米而不用放大器。
多模光纖
其他主要類型的纖維
光可以彈跳（50μm芯）
與LED一起用於更便宜、更短距離的鏈路
Core--芯 Cladding--包套 Jacket--封套 Sheath--護套
電線和纖維性能比較：
2.5 數字調製與多路複用
爲了發送數字信息，我們必須設計模擬信號來表示比特。比特和信號之間的轉換過程稱爲數字調製。
基帶傳輸：信號的傳輸佔傳輸介質上從零到最大值之間的全部頻率。
基帶傳輸是有線介質普遍使用的方法。
通帶傳輸：信號佔據了以載波信號頻率爲中心的一段頻帶。
通帶傳輸是無線和光纖信道最常使用的調製方法。
複用方案在用戶之間共享信道。
2.5.1 基帶傳輸
數字調製最直接的形式是用正電壓表示1，用負電壓表示0。對光纖而言，可用光的存在表示1，沒有光表示0。這種編碼方式稱爲不歸零（NRZ）。
（a）比特流（b）不歸零NRZ（c）不歸零逆轉NRZI（d）曼徹斯特（時鐘信號與比特XOR）e）二級編碼（AMI同樣）
時鐘恢復
爲了解碼符號，信號需要足夠的轉換。否則，一長串的0（或1）會混淆，例如：
由於很難區分這些比特，因爲15個零看起來像16個零，除非你有一個精確的時鐘。將時鐘信號與數據信號混合，從而不需要額外的線路。
策略1：
曼徹斯特編碼，混合數據信號和時鐘信號。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數據信號；從低到高跳變表示“1”，從高到低跳變表示“0”。
策略2：4B/5B，每4個比特被映射成5比特模式，如何映射如下表所示：:
Data | Code | Data | Code | Data | Code | Data | Code |
0000 | 11110 | 0100 | 01010 | 1000 | 10010 | 1100 | 11010 |
0001 | 01001 | 0101 | 01011 | 1001 | 10011 | 1101 | 11011 |
0010 | 10100 | 0110 | 01110 | 1010 | 10110 | 1110 | 11100 |
0011 | 10101 | 0111 | 01111 | 1011 | 10111 | 1111 | 11101 |
策略3：這種編碼方式稱爲擾頻/倒頻（scrambling）。在這種情況下，可能會出現頻繁的信號轉換。擾頻器（scrambler）的工作原理是在發送數據之前，用一個僞隨機序列異或（XORing）該數據。這種混合操作使得數據像僞隨機序列一樣隨機。然後接收器用相同的僞隨機序列對入境數據進行異或操作，由此恢復出真正的數據。
2.5.2 通帶傳輸
我們在一個信道上發送信息所使用的頻率範圍並不是從零開始的。即使是電線，把信號放置在一個給定的頻帶上非常有用，因爲這樣在信道上可以允許不同信號的共存。這類傳輸稱爲通帶傳輸（passband transmission），因爲任意的一個頻率波段都可用來傳遞信號。
通常情況下，振幅和相位可以結合起來一起調製。下圖給出了4個實例.在每個例子中，黑點給出了每個符號合法的振幅和相位結合。
在QPSK調製模式中我們看到45°、135°、225°和315°處都有等距離的點。一個點的相位是以它爲起點到原點的線與x正軸之間的角度來表示，一個點的振幅則是該點到原點的距離。
這種類型的圖稱爲星座圖（constellation diagram）。在QAM-16調製模式中我們看到一個密集星座的調製方案。該方案使用了振幅和相位的16種組合，因此可用每個符號傳輸4個比特。QAM表示正交調幅。在QAM-64調製模式是個更加密集的調製方案，共使用了振幅和相位的64種不同的組合，因此每個符號可傳輸6個比特。
我們迄今所看到的星座圖沒有說明如何位符號分配比特。在如何決定分配時，一個重要的考慮是接受器的少量突發噪音會不會導致許多比特出錯。如果我們把連續的比特值分配給相鄰的符號，這種情況就可能發生。
一種解決方案是把比特影射到符號，使得相鄰的兩個符號只有1個比特的位置不同。這種編碼方式叫格雷編碼（Gray code），它將比特分配給符號，這樣小的符號錯誤會導致很少的位錯誤：
2.5.3 頻分複用
FDM（頻分複用）利用同代傳輸的優勢，使多個用戶共享一個信道。通過將用戶放置在不同的頻率上共享信道：
Channel---信道 Attenuation factor---衰減因子 Frequency---頻率
正交頻分複用（OFDM）中信道帶寬被分成許多獨立發送數據的子載波（例如QAM）。OFDM是一種用於802.11、4G蜂窩和其它通信的高效FDM技術。
2.5.4 時分複用
時分多路複用（TDM）共享信道隨時間變化：
用戶輪流使用固定的調度；這不是分組交換或STDM（統計TDM）。
廣泛應用於電話/蜂窩系統
2.5.5 碼分複用
碼分複用（CDM）是擴展頻譜（spread spectrum）通信的一種形式，它把一個窄帶信號擴展到一個很寬的頻帶上。
碼分多址（CDMA）通過給用戶提供代碼共享信道
所有的碼片序列（chip sequence）都兩兩正交，可以同時發送。
廣泛用作3G網絡的一部分
我們來看一個類似的場景:在一個機場候機大廳裏,許多人正在兩兩交談。TDM可以看作是所有的人都聚集在大廳裏按順序進行交談；FDM可以看作是大廳裏的人以不同的語調交談,某些語調高些,某些語調低些,所有的交談可同時進行並相互獨立。CDMA可以看作是大廳裏的每一對交談使用不同的語言。講法語的這一對在談論有關法國的事情,並且把所有與法國無關的內容都當作噪聲拒絕掉。因此,CDMA的關鍵在於:能夠提取出期望的信號,同時拒絕所有其他的信號,並把這些信號當作噪聲。