CN.StudyLog.Ch2.Physical Layer.物理層（Part1.數據通信和傳輸媒體）
計算機通訊中，要把傳輸的數據變成電信號/光信號/無線信號來通過銅線/光纖/無線介質來傳。物理層就是講如何讓介質、鏈路更快的傳這些信號。
線纜有光纖、銅線。我們平常接觸的雙絞線和電話線，內部就是銅線。在介質中傳播的信號可以是電話、影視、報文/傳真等多種信號。集線器/交換機相連的線纜長度最長不超過100m
物理層的基本概念
機械特性：對應計算機網絡設備接口的標準。規定了這些標準之後，企業就可以按照標準來生成，即便是不同廠家生產的，不同設備之間也具備兼容性。
串口線（廣域網接口）:規定了廣域網不同網絡有多少鍼口。如圖中間的四個串口圖表示。
雙絞線（局域網接口）:從左到右的的連接標準是兩個兩個繞在一塊的。線序是橙白-橙；綠白-藍；藍白-綠；棕白-棕。水晶頭用於連接這些線，然後就能接網卡了。這是以太網的連接標準。
電氣特性：線路上電壓的工作範圍。比如0~10V ,0~15V。
功能特性：在電信號中，我們要求電壓的高壓值代表1，低壓值代表0。 每一種設備都有對應的要求，這樣避免了接口能接上但是出現衝突的問題。
A廠家的0V代表0，B廠家的-5V代表0，這兩個廠家的接線即便接到一起，也不匹配，無法工作。
過程特性：規定了線纜的工作時序和工作順序。
在兩臺設備之間接兩條線纜，一條負責同步時鐘頻率，一條負責傳遞數字信號。規定功能特性的同時令不同線纜之間相互配合就是過程特性。
滿足上述條件才能保證不同廠家之間的相互兼容。也就說物理層實現的功能就是接口標準化。
數據通信基礎
數據通信中，可以通過介質（無線，通線，光纖）傳播模擬/數字信號。
數據通信模型
局域網通信模型：計算機通過集線器或交換機直接相連。計算機的網卡發出的信號是數字信號，交換機和集線器會把哲學數字比特流通過介質傳遞到另一個設備的網卡中。
廣域網通信模型1：發送端發出數字信號，數字信號不適合長距離傳輸。此時通過調制解調器將之變成模擬信號，模擬信號能夠長距離傳輸。然後在接收端會通過調制解調器再將之變爲數字信號以供網卡接收。爲了讓電話線更快更多傳輸數據，可以通過頻分複用來操作。
廣域網通信模型2：與1相比，中間的信號變化改爲用光信號傳輸，對應設備也變成了光電轉換器。在這裏可以用波分複用技術來強化光信號的傳播速度。
信息是用戶能夠直接理解，想要知道的、有價值的物品。而計算機無法理解和搬運這些物品，必須將這種物品依照某種法則改爲計算機能夠識別的數據，然後再通過數據通信技術傳遞到接收端。 信號是用來傳遞數據的，數據是用來承載信息的。
模擬信號：隨着時間的變化，取值是連續的。又稱爲連續信號
數字信號：數據的取值是有跳變，中間沒有過渡。又稱爲離散信號。在數字信號中，低電壓代表0，高電壓代表1。但是並不代表數字信號只有兩種取值，隨着進制提高，其可以取的值會增加，只不過值的變化是跳變而不是漸變。
碼元：碼元是一個單位信號的長度。碼元的取值範圍越大，承載的進制越高。碼元的進制定義是由幾位二進制數構成，比如最大值111是八進制碼元，1111就是十六機制碼元，以此類推。
數字信號和模擬信號
模擬信號：真實反映了數值的變化和狀態，但是網絡中傳輸中容易受到干擾，且無法糾正。
數字信號：即便受到干擾，有一定程度的失真，後續通過再生可以修正。抗干擾能力強。
現在的電視都是數字電視，基本不會出現觀看中花屏的問題。但是90年代的電視是模擬電視，那時候是一打雷下雨，信號接收不良，電視就會出現花屏（黑白相間雪花狀的表現）。
所以，結合來使用的話，就是用反應數值變化更佳的模擬信號來作爲原數據傳輸，傳輸過程中轉化成數字信號來增強抗干擾性，然後最後轉化成模擬信號反饋給電視觀衆。但是這個過程中仍然是有失真的，如果想要更真實的表現這一段模擬信號，那麼採樣頻率應該儘可能高、單位碼元取值儘可能更多。
下載音樂時，同一個音樂會有不同的選項。比如流暢、高清、超品。品質越高，其大小越大。這就是在音樂下載時，採樣頻率高和低的區別。越高，越趨近於原版音質；越低，失真率和瑕疵越多。
信道和調製
信道的概念
一個發送端，一個接收端，中間的用於傳播信號的路徑就是信道。假設兩個設備間用銅線相連，在該介質中傳遞模擬信號。這個模擬信號就有一個頻率，每秒震盪多少次，震盪10次就是10Hz。且這個頻率是由範圍的，太高太低都不行。
**信道複用:**只要在AB兩端加上過濾器，可以令AB同時發送信號給對方來完成交互，只需要調整頻率不同即可，一個高頻一個低頻，兩個頻率雖然會在信道中疊加碰撞，但是隻要在過濾器就能過濾出某一頻率的模擬信號並忽略其他頻率的信號。信道複用是一個物理電路，可以供多個信道使用的技術。
ADSL上網：下載速度明顯快於上傳速度，其實就是因爲下載信道多，上傳信道少。對比上面的例子就是還有一條新不同於上述兩種頻率的信道用於A到B的傳輸，也就說A到B有兩條信道可以傳數據，自然比只有一條信道的B-A路線傳數據快得多。
通訊模式：單工，半雙工，全雙工
單工：只能發不能收，通訊是單方向的。這種情況在網絡中比較少，比如收音機和老式有線電視（不能點播視頻，只能固定接收電視臺）
半雙工：可以發，可以收，但是單位時間內只能發或者收。比如對講機和集線器聯網（不能同時收發，會有佔線衝突）。
全雙工：可以同時收發，比如打電話,交換機聯網。
計算機領域更多使用的半雙工和全雙工。
調製技術
調製：爲了讓信號源發出的信源信號能夠傳播的更遠，吧信源信號（一般頻率較低）加載到高頻信號中，高頻信號可以遠距離傳輸。
解調：接收端收到高頻信號後，過濾掉高頻信號還原出低頻信號，收到想要的信息。
典例：收音機。 電視塔是發送端，收音機是接收端。
在計算機領域，計算機網卡發出的信源信號稱之爲基帶信號。基帶信號是數字信號。
爲了傳輸便利而重寫數字信號以便於適應信道的調製方式 稱爲基帶調製，又稱編碼。
爲了遠距離傳輸，需要調製基帶信號到模擬信號，然後在接收端解調，在失真儘可能小的情況下還原出數字信號的是帶通調製。
編碼格式
曼徹斯特編碼：0是從低壓跳到高壓，1是從高壓跳到低壓。自帶時鐘信息且可以表示數據終結。
缺點：碼元兩個才能表示一位二進制數，數據傳輸速率加倍。
差分曼徹斯特編碼：高低跳變不由01決定，由前一位的碼元決定。如果當前碼元是1，則不立刻跳變，在信號中間部分跳變。反之，如果當前碼元是0，則立刻跳變。不論怎樣，都會在中間部分跳變，區別是開始的點。
缺點：碼元兩個才能表示一位二進制數，數據傳輸速率加倍。
不歸零碼
高電壓表示1，低電壓表示0.單雙極表示是否有負值。
缺點：連續性讀取問題。長時間的電壓不跳變可能出現的問題：
1.對於單極性編碼，因爲低電壓表示0，假設數據傳輸完後，後面沒有數據了，那麼電壓自然均爲0，那麼這時候接收端識別是讀取0還是終結？這是一個矛盾點。
2.所有不歸零碼在連續字段的讀取上，如果時鐘時間不同步，就會出現讀取誤差。
歸零碼：
出現1，立刻出現一個高電壓波形，但是不管後面是否還是1，都會立刻歸零。解決了不歸零碼的0和和終結的無法區分問題。這種方式自帶始始終信息。
缺點1.對於單極性編碼，因爲低電壓表示0，假設數據傳輸完後，後面沒有數據了，那麼電壓自然均爲0，那麼這時候接收端識別是讀取0還是終結？這是一個矛盾點。
缺點2.浪費了部分帶寬，因爲這裏0這個電壓沒有任何意義，表示意義的部分只有上升和下降部分。
帶通調製：
用振幅的頻率來區分高低電壓，用正餘弦波形來表示跳轉變化。
信道的極限容量
這裏的信道是用物理鏈路表示的。 干擾因素：電磁干擾，熱干擾等
出現失真的的原因：碼元傳輸的效率越高，速度越快，頻率越高。碼元越容易因干擾而無法識別。 也就說如圖所示的第二種波形，在相同干擾下受到干擾仍然能夠比較清晰的展現數據，第一種波形相較於第二種波形抗干擾能力比較差，但是也能識別。比第一種頻率更高，碼元從圖上直觀感受越短的，越容易因干擾而無法識別。
信道帶寬：和之前說的帶寬不同，是能夠通過的模擬信號的最高頻率減去最低頻率。高於最高值和低於最低值都無法通過介質成功接收。
數字信號也是由很多個疊加的模擬信號生成的。如圖所示，通過不斷的疊加，來讓近似於方波的模擬波不斷趨近於可識別的數字信號。一個數字信號裏由多個模擬信號構成。
碼元傳輸上限：上面說到，數字信號由基波疊加若干諧波組成。而任一介質都有其模擬信號頻率的傳遞上限。那麼也就意味着假如說能夠通過某介質的最大頻率臨界值是4000Hz,也意味着傳輸的數字信號絕對要小於這個值而不可能等於這個值。因爲基波如果是臨界值，疊加諧波後的數值一定要遠大於原數值。所以碼元傳輸存在一個上限值。
奈氏準則
如圖所示，信號通過信道後變得圓滑，是因爲高頻波無法通過介質被過濾掉了。
碼間串擾：因干擾而失真的信號的失真現象。
奈氏準則：信道的頻帶越寬，意味着單位長度下可容納的碼元越多，信號頻率越高。那麼在這種情況下，相較於低頻的信道，可以更高效的傳遞碼元。理想情況下最高傳遞速率爲2W Baud（波特）。圖中標識了各字母代表的意義。
在介質確定的情況下，單位時間內可以傳播碼元的數量也是確定的。那麼既然單位時間內傳輸碼元的數量確定，能否提高數據的傳輸效率呢？
如果是1位二進制碼元，一個碼元承載0或者1，碼元的傳輸速率和數據傳輸速率就是相等的。如果想讓1碼元你承載更多的信息量：
如圖所示，接收端可以根據電壓的高低來識別數據。也就說假如說帶寬是10M，那麼使用這種方式，三位二進制的話帶寬就相當於變成了30M，因爲1單位碼元代表了3位二進制。
但是碼元並不是承載的數據越多越好，因爲如果在電壓固定的情況下，位越多意味着彼此電壓值區分越小，受到干擾後碼間串擾就會越嚴重。也就說，想要傳輸更多的數據且儘可能減少碼間串擾，應該增加發送功率。比如0-10V的圖像，改成0-20V。整個圖像縱座標就相當於拉伸到原來的兩倍，彼此之間的電壓差會相對之前吧比較明顯，這種時候相同的干擾下可識別的信息會變多。同時降低干擾當然也能減少碼間串擾。所以鏈路上的最高傳輸速率和信號的發送功率，信道干擾，W理想信道的帶寬有關。
香農公式
計算信道傳輸速率的方法。
傳輸媒體
傳輸媒體分爲兩類，導向傳輸媒體和非導向傳輸媒體。導向傳輸媒體是類似光纖這種順着鏈路傳輸數據，非導向傳輸媒體是類似無線一樣向周圍放射信號並不隨固定鏈路傳輸。
雙絞線：8根線，兩兩纏繞。
T56B又稱爲直通線，用於接交換機、集線器這樣的設備。直通線允許線纜兩端均爲同一種線序T56B。
交叉線是一段T56B一端T56A。線纜兩端的排線方式不同。比如兩臺PC的網卡是同一型號，每個網卡都有接收端和發送端兩個接線口，如果用直通線就會變成發送-發送，接收-接收的接線方式，所以此時需要交叉線，發送-接收，接收-發送。對應。
交換機與設備，路由器的連接都是使用直通線，路由器相當於有網卡的功能。交換機的口在造的時候已經調整過線序，所以可以直接使用直通線連接。但是交換機接交換機時，因爲是同種設備，相連時需要用交叉線。
現在很多設備可以協商，線序就沒那麼重要了。新型計算機可以不用太關注了。
全反線：路由器用於調設備的線，兩個端口的接線方式必須完全相反。
屏蔽層可以一定程度屏蔽電磁干擾。這個屏蔽層也應用於電梯中，比如很多人打着電話進電梯，進去後信號就不好甚至中斷了。
國際標準：
同軸電纜&光纖
現在很少用於計算機網絡，但是有線電視還有很多在使用同軸電纜。如下圖的上半部分，也有絕緣層
光纖：令光信號的傳播實現跨越阻擋介質和轉彎的功能。（光射線是直線傳播，傳播路徑中的阻擋物會導致光的隔斷，光纖就是在很細的線纜裏給光提供了折射的通路，令光能夠在介質之間傳播）
低折射率的射線會被包層吸收，而高折射率的媒體會因全反射繼續向遠處傳播。
多模光纖可以允許多個信號在光纖內傳輸，可以實現交互（接收端與發送端的信息交互）以及多信息發送或接受。因爲入射角不同會導致最終的接收端識別處接收信號的位置不同。
單模光纖，不再全反射傳輸。只能傳固定波長的光纖，傳播效率會比多模光纖更好。
光纖的特點：
無線傳輸媒體
這一小節定義性質的東西比較多，總的來說有三個知識點需要有個印象（記憶）。
1.無線電頻段。頻率和波長的關係，傳播範圍等。
2.短波通信，需要電離層來覆蓋大範圍傳輸
3.微波通信，需要中繼站來覆蓋大範圍傳輸，微博信號會直接穿過電離層。
根據無線電的頻段，應用領域也不同。
無線電頻段
短波通信
短波通信就是高頻通信，主要靠電離層的反射來傳播。這種通信受電離層影響大，雷雨天受影響明顯。特點是通過電離層能夠實現全球範圍內通信。
微波通信
另一種方式：同步衛星實現微博中繼
