我發的文章變成了0和1，那0和1是怎麼發送給你的？計算機網絡（二）物理層

大家好，我是後來，我會分享我在學習和工作中遇到的點滴，希望有機會我的某篇文章能夠對你有所幫助，所有的文章都會在公衆號首發，歡迎大家關注我的公衆號" 後來X大數據 "，感謝你的支持與認可。

不好意思，我又拖更了，原本以爲物理層這一章我看完一次就能寫，結果太難了，看和寫是兩個概念，同時上週末出去完了，把頭給磕的，現在還有個包，文末甩照片，開始正文。

上一篇文章中最後我們把抽象的問題"我發的文章怎麼到你手機上了？”轉化爲具體的問題TCP/IP協議這4層都幹了什麼，那麼爲了更好的理解，我們結合OSI的7層模型，組合成5層的理論來講解。
沒看過上一篇文章的，點擊這裏

首先說一下今天的重點：

(1)物理層的任務。
(2)幾種常用的信道複用技術。
(3)幾種常用的寬帶接入技術，主要是ADSL和FTTx。

物理層的任務

我們能看到，最下面的這層就是物理層，這層主要考慮的是怎麼才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而具體的傳輸媒體是什麼並不是物理層關心的。在物理層上所傳數據的單位是比特。物理層的任務就是透明地傳送比特流。

大家應該都聽過這句話，計算機世界裏，只有0和1，也就是說我的文章的所有內容，都可以通過編碼格式，轉化爲0和1，比如“後來真帥”，計算機眼裏是這樣的“ 111001011001000010001110 111001101001110110100101 111001111001110010011111 111001011011100010000101 ”。

常用中文字符用utf-8編碼佔用3個字節（大約2萬多字） ，關於編碼格式與漢字之間的關係這裏就不細講了。

我們主要知道，我們要傳輸的信息，最後都會轉換爲0和1，因爲全球統一規範，所以這種0和1發過去，對方也能再轉換爲漢字。也就是說，發送方發送1(或0)時，接收方應當收到1(或0)而不是0(或1)。因此物理層要考慮用多大的電壓代表“1”或“0”，以及接收方如何識別出發送方所發送的比特。物理層還要確定連接電纜的插頭應當有多少根引腳以及各條引腳應如何連接。

這些規範就是物理層的“規程”！

當然，具體哪幾個比特代表什麼意思，則不是物理層所要管的。傳遞信息所利用的一些傳輸媒體，如雙絞線、同軸電纜、光纜、無線信道等，並不在物理層協議之內而是在物理層協議的下面。因此也有人把傳輸媒體當作第0層。

數據通信基礎

那麼有沒有好奇，這個0和1是怎麼通過這些傳輸媒體發送的呢？ 所以我們帶大家瞭解物理層下面的傳輸媒體是如何傳輸數據的，先了解一些基本知識。

這幾個名詞大家應該都聽過很多次了吧，但具體啥意思呢？

• 模擬信號：就是連續數據，即數據的變化是連續的，比如我們在早些時候用電話線打電話就是模擬信號，當我們打電話時，模擬數據（聲波）通過電話機的話筒後，變成了連續變化的電信號（模擬信號）。

• 數字信號：離散數據，也就是數據的變化是不連續的，比如電腦鍵盤輸出的就是數字數據。再簡單點也就是傳輸的都是0和1。

• 碼元:碼(code)是信號元素和字符之間的事先約定好的轉換。例如，A的ASCII碼的表示就是1000001，而這裏的每一個二進制數字(1或0)都可稱爲碼元( code element)。**碼元實際上就是碼所包含的元素。**上面的例子說明了A的ASCH碼包含有7個碼元。在採用最簡單的二進制編碼時,一個碼元就是一個比特。但在比較複雜的編碼中，一個碼元可以包含多個比特。

關於信道

用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，簡稱信道，比如你的qq郵箱有收件箱和發件箱一樣

所以從通信的交互來看，有3種形式：

• 單向通信：一共就1條信道，只能發或者收，比如廣播

• 雙向交替通信：一共就1條，所以肯定是不能同時收和發，只能是一方發送另一方接受，過一會兒可以再返回來

• 雙向同時通信：一共2條信道，可以邊發邊邊收。

那麼既然是信道，就一定有容量，也就是說在同一時刻，最多能發送多少碼元。可以把信道簡單理解爲單向的高速公路，把碼元比喻爲車。
問題就是怎樣才能使單位時間內通過的碼元更多呢？

計算機大牛奈奎斯特發現，信道能夠通過的頻率範圍是有限的，同時傳輸過程中失真了就可能導致識別錯誤，出現碼間串擾。

理解爲車道是有限的，本來每輛車的車道是固定的，但在行駛的過程中，個別車容易走錯車道，使得出口不能識別它是從哪個車道進來的。

奈氏準則：在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決(即識別)成爲不可能。

信噪比：同時除了自身的碼間串擾，還有噪聲的問題，它也會使接收端對碼元的判決出現錯誤。信號相對較強，噪聲的影響就相對較小。所以信噪比很重要。一位偉人又出現了，那就是香農。

香農公式：信道的極限信息傳輸速率C是：
C=W*log₂（1+S/N) （bit/s)
W是信道帶寬，S是信道內所傳信號的平均功率，N爲信道內部的高斯噪聲功率。公式看不懂就算了吧，聽我給你講就完了。

也就是說人家香農告訴我們，信道的帶寬或者是信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高。

但是目前尷尬的是這些變量都已經最大化了，那還怎麼提高信息的傳輸速率呢？只能讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量

比如：假定我們的基帶信號是101011000110111010
如果直接傳送，則每一個碼元所攜帶的信息量是1bit。

現將信號中的每3個比特編爲一個組，即101，011，000，110，111，010。3個比特共有8種不同的排列。我們可以用不同的調製方法來表示這樣的信號。

例如,用8種不同的振幅，或8種不同的頻率，或8種不同的相位進行調製。假定我們採用相位調製,用相位φ0表示000，φ1表示001，φ2表示010,φ7表示111。這樣，原來的18個碼元的信號就轉換爲由6個新的碼元(即由原來的每三個bit構成一個新的碼元)組成的信號:l010110001011010…=φ5 φ3 φ0 φ6 φ7 φ2…
也就是說，若以同樣的速率發送碼元，則同樣時間所傳送的信息量就提高到了3倍。

有人可能不理解相位調製，我簡單說下，大家看下圖中的基帶信號和調相，你會發現


數據在通信線路（傳輸媒體）上的傳輸方式一般都是串行傳輸，也就說把每個比特按照時間順序傳輸。

信道複用技術

上面說了信道，那麼我們先說一下這幾種常用的信道複用技術，這塊的技術真的是讓我眼界大開，首先來介紹下傳輸媒體

傳輸媒體

上面說了那麼多，那要傳輸碼元，用啥傳輸呢？這就是傳輸媒體。可分爲2大類：

• 導引型傳輸媒體

1. 雙絞線：也稱爲雙扭線，它的結構比較簡單，就是把兩根互相絕緣的銅導線並排放在起，然後用規則的方法絞合起來。雙絞線的價格便宜且性能也不錯，其通信距離一般爲幾到十幾公里，使用十分廣泛。雙絞線又可分爲無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線兩大類。前者更加便宜,但傳輸距離和抗干擾性能比不上後者

2. 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。由於外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據。目前同軸電纜主要用在有線電視網的居民小區中。同軸電纜的帶寬取決於電纜的質量。目前高質量的同軸電纜的帶寬己接近1GHz。

3. 光纜

   不得不說，在光纜之前，基本都是電信號，而我們都知道，光速的傳播速度是3*10 8次，是非常快的，那麼能不能用光來表示0和1呢，所以光纖在發送端使用發光二極管或者是半導體激光器，在電脈衝的作用下產生出光脈衝。接收端利用光電二極管做成光檢測器，在檢測到光脈衝時可還原出電脈衝

   簡單說，就是在光纖中傳遞光，就問這個想法牛逼不。所以光纖就是根玻璃絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。它有多細，直徑8~10微米。這樣傳固然好，但是說如果這個光纖的直徑小到只有一個光的波長時，那麼它就只能一直向前傳播了，不會有反射，這就是單模光纖。
   

   於是，我開始擔心，這麼細的玻璃絲快是快了，那豈不是很容易斷。還是我們太年輕，人家早考慮到了

   由於光纖非常細,連包層一起的直徑也不到0.2mm。因此必須將光纖做成很結實的光纜。一根光纜少則只有一根光纖,多則可包括數十至數百根光纖,再加上加強芯和填充物就可以大大提高其機械強度。必要時還可放入遠供電源線。最後加上包帶層和外護套,就可以使抗拉強度達到幾公斤,完全可以滿足工程施工的強度要求。

4. 架空明線：鋪設容易，但通信質量差，目前已經很少用了，所以不做討論。

但是吧，人的這個腦洞和需求真的沒法用語言形容，我們開始希望能隨時隨地上網，所以這就要求不能有線，所以就得研究無線傳輸。比如這中間隔着高山和島嶼，施工比較困難，那豈不是要斷網了。於是計算機開山鼻祖們又提出了無線電波的概念，我一直覺得這東西很玄乎，看不見摸不着的，還能傳輸信號，真是個奇葩。
關於電磁波的產生與發現那又是另一個領域了，直接給大家看研究成果，爲了能有多個用途，大家做了個規範。

• 非導引型傳輸媒體

其中我們所說的無線電微波通信佔有重要地位，微波可以穿透電離層進入宇宙空間，所以在以前的應用主要是：地面微波接力通信，衛星通信

地面微波接力：能看懂接力麼，就是你傳給我，我再傳給他，由於微波在空間是直線傳播的，而地球表面是個曲面，因此其傳播距離受到限制，般只有50km左右。但若採用100m高的天線塔，則傳播距離可增大到100km。爲實現遠距離通信必須在一條微波通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站。中繼站把前一站送來的信號經過放大後再發送到下一站，故稱爲“接力”。

這下就可以跨越長江和黃河通信了，哈哈，但是它這個相鄰站之間必須不能有障礙物，也就是說這個中繼站必須看到另一箇中繼站，這就是爲啥，信號塔都往山頂建，而且你站在一個信號塔旁邊，一般也能看見另一個信號塔。

衛星通信：那麼問題又來了，地球上大部分還是海洋，在太平洋上的輪船豈不是走着走着就沒信號了，這不太行，所以就有了衛星通信，它是把人造地球衛星當成了中繼器來接力。

大牛們發現衛星通信的最大特點是通信距離遠，且通信費用與通信距離無關。同步地球衛星發射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆蓋區的跨度達1萬8千多公里,面積約佔全球的三分之。只要在地球赤道上空的同步軌道上,等距離地放置3顆相隔120度的衛星,就能基本上實現全球的通信。

但是地球是圓的，一共就360度，爲了避免干擾，衛星之間相隔必須大於等於2度，也就是說最多隻能放180顆同步衛星，但是想到頻段夠寬，也算是夠用了把

凡事有利有弊，距離遠了，它的時延就高了，一般在270ms，所以想要連着它玩網遊體驗是賊難受。

等到90年代的時候，有個問題就是計算機在一塊區域內怎麼通過無線來組成局域網，也就是我們說的無線網。但是大部分的頻段已經被國家佔用了，但是有一些無線電頻段是可以自由使用的，只要不干擾他人在這個頻段的通信就可以，正好滿足了計算機無線局域網的需求，我們現在的無線局域網就使用的是2.4GHz和5.8GHz頻段，於是無線局域網就誕生了。

信道複用

不得不說，人類的智慧是偉大的，總要把一些資源榨乾。

頻分複用

這麼舉例吧，在家裏面用有線電視的時候，你家的機頂盒是不是可以換臺，這就是用了頻分複用，那麼來詳細說一下它是咋回事。

頻分複用的所有用戶在同樣的時間佔用不同的頻率帶寬資源，可以理解爲你家的有線電視的那根有線裏面同時傳輸了一堆不同頻率的電信號，這就是電視爲啥有好多臺。頻道都不一樣。

還有一個就是車裏面的FM調頻廣播，不同的頻道是不是內容不一樣。

但是問題就是隨着用戶數的增加，複用後的信道的總帶寬也跟着變寬。

時分複用

時分複用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度，但是吧，當某個用戶暫時沒有數據發送時，這個時隙只能空閒，而其他用戶卻不夠用，所以利用率不高。

統計時分複用STDM

基於上面的時分複用利用率不高，又有了改進版的時分複用，造了一個集中器，把數據集中起來通過高速線路發送到一個遠程計算機。

波分複用

它就是光的頻分複用，在光纖裏面咋複用
從不同角度入射的光線子啊一條光纖中傳輸，就是多模光纖。比如下圖

比如上面這張圖一共有8路，傳輸速率均爲25Gbis的光載波(其波長均爲1310nm)。經光的調製後,分別將波長變換到1550 ~ 1557nm，每個光載波相隔1nm。(這裏只是爲了說明問題的方便。實際上,對於密集波分複用,光載波的間隔一般是0.8或16nm)

這8個波長很接近的光載波經過光復用器後，就在一根光纖中傳輸，因此在一根光纖上數據傳輸的總速率就達到了8×2.5Gbis=20 Gbit/s。

但光信號傳輸了段距離後就會衰減，因此對衰減了的光信號必須進行放大才能繼續傳輸。現在已經有了很好的摻鉺光纖放大器EDFA( Erbium Doped Fiber Amplifier)。它是一種光放大器，直接對光信號進行放大，並且在1550mm波長附近有35nm(即42THz)頻帶範圍提供較均勻的、最高可達40~50dB的增益。兩個光纖放大器之間的無光電轉換距離可達到600KM（只需要四個光纖放大器）
而在2014年的時候，我國就能在一根普通光纖中以375路，每路267.27Gb/s的超大容量超密集波分複用傳輸80公里，傳輸總容量爲100.23Tb/s。實在是厲害！

碼分複用

還有術語是叫碼分多址。這個有點複雜，我還沒完全搞懂。所以跳過。哈哈。

寬帶接入技術

接下來我們說一說寬帶接入技術，這纔是離你和我最近的

我們在上一章說，我們家裏裝寬帶，就是ISP機構賣給了我們一個IP地址，所以我們才能上網。

在最早的時候，由於電話線普及較廣，所以普及網絡就直接使用電話線轉網了，那個時候的網速最高56kb/s，那個時候還不叫寬帶。所以那個時候有人就把大於56kb/s叫做寬帶，看看那個時候的我們多麼容易滿足。

慢慢的隨着技術的進步，寬帶的定義從200kb/s，到今天的下行速率25Mb/s，上行速率3Mb/s。所以現在但凡拉個網，移動公司都說，這是100M的寬帶，但是你下載速度真的有100M麼？ 有10M就不錯了，那這又是咋回事？詳見FTTx技術

ADSL技術

這個就是當時電話線上網的裝備，具體的原理就是：原本的電話線本身可以通過的信號頻率超過1MHz，但是因爲模擬信號的限制，只傳輸300-3400Hz，所以ADSL技術把0~4KHz的頻率留給了傳統電話使用，而把原來沒被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。

那麼這些頻譜的信號怎麼分開呢？就有了下面2個裝備。

這樣的話，如果斷電也不會影響電話的使用。真的不得不稱歎！直到現在，升級版的這種技術還在歐洲古建築多的地方使用，因爲不能破壞文物。我們國家則基本上已經淘汰了。

光纖同軸混合網

後來咱們有了有線電視普及後，使用的技術是模擬信號的頻分複用對電視節目進行單向的廣播傳輸，爲了上網，對有線電視網進行了改造。咋改的呢？
直接把主幹改成了光纖，但爲了使用戶的成本更小，用戶只需要安裝一個叫做機頂盒的設備，連接在電纜和電視機之間，這個機頂盒裏同時內置了電纜調制解調器。但是這個網速嘛，肯定是一般般啦，因爲是500-2000戶人家在共用1根光纖，所以速度能快就見鬼了。

FTTx

近兩年，運營商開始提出光纖到戶的口號，這要是真的話太爽了，直接把光纖鋪到家裏，才把光信號轉換成電信號，極大的提高上網速率。但有沒有貓膩呢？

首先想一下，光纖傳輸的數據量那麼大，你真的能用得了麼？家裏面也就平時網上衝浪看個電視，幾Mb/s就足夠了。

如果光纖足量給你裝了，你掏的起錢麼？

所以爲了有效的利用光纖資源，數10個家庭用戶共享一根光纖幹線就可以了，那具體怎麼操作呢？

在光纖幹線和用戶之間，鋪一段轉換裝置ODN。也就是光分路器，一般是1：32，也就是32戶共用一根光纖。
後來在實際生活中，又有了很多種不同的FTTx。除了光纖到戶FTTH外,還有光纖到路邊FTTC(C表示Cub)、光纖到小區FTTZ(Z表示zone)、光纖到大樓FTTB(B表示 Building)、光纖到樓層FTTF(F表示 Floor)、光纖到辦公室FTTO(O表示 Office)、光纖到桌面FTTD(D表示Desk)等等。

從ONU到用戶的個人電腦一般使用以太網連接，究竟把光網絡單元ONU放在什麼地方，則應當通過詳細的預算對比才能確定。從總的趨勢來看，光網絡單元ONU越來越靠近用戶的家庭，因此就有了“光進銅退”的說法。

所以啊，目前有些網絡運營商宣傳所推出的“光纖到戶”，基本上都是“唬人的”，往往並非真正的FTTH，而是FTTx， 對居民來說就是FTTB或FTTF。有的運營商把這種接入方式叫做“光纖寬帶”或“光纖加局域網”，這樣可能較爲準確。

最後我們來說下，我發的文章是怎麼到你手機上的？

在這篇文章裏，我們已經知道了，我的文章發送的時候都通過編碼轉化爲了0和1，並且用電信號或者是光信號在傳輸媒體中進行傳輸，接收端再進行轉換爲0和1，最後通過統一的編碼，顯示在電腦上。
但這只是我們討論了在硬件層面上我的文章的發送流程，但是在網絡層以及應用層怎麼傳輸的，我們下篇文章繼續討論。期待你的持續關注。

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