物理層任務
- 屏蔽各種傳輸介質 ( 雙絞線 … ) 和 通信手段。
- 規定物理連接的 特性
- 機械 ( 接口形狀 )
- 電氣（電壓範圍 )
- 功能 （電平意義 如: 0V 表 0 5V 表 1 )
- 過程( 不同功能出現事件順序 )
- 由於傳輸介質、通信手段、物理連接方式很多 故物理層協議多
- 常見物理層協議:
- RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN、FDDI、IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5
數字通信
-
數據通信模型: 信源 傳輸 信宿
![數據通信模型]()
-
通信、消息、數據、信號、碼元 區別
- 通信的目的: 傳輸消息
- 消息: 各種 聲音、 文字、 圖像
- 數據: 運輸 消息的由有意義字符序列構成的實體
- 信號: 數據的電磁表現 可分爲 連續模擬信號 離散數字信號
- 碼元: 一個固定時長( 碼元寬度 )的信號波形，表示一個K進制數字，可以包含多比特數據，二進制2種碼元 ， 表示 0 、 1
-
傳輸速率: 單位時間傳輸的數據量
- 碼元傳輸速率: 又稱波形速率 ， 單位時間傳輸碼元個數 ， 單位波特( Baud ) ， 此碼元是多進制 ，但碼元速率與進制無關
- 信息傳輸速率: 單位時間傳輸二進制碼元的個數，單位 比特/秒
- 碼元速率對於的信息速率 M×n bit/s ( M個碼元 一個碼元表示n位二進制數據 )
-
** 波特、比特區別 **
- 波特: 設備每秒鐘發生信號變化的度量，每秒傳播的碼元數，可以負載多個比特位
- 比特: 每秒鐘傳輸 二進制數據位數
- 波特->K進制碼元 或指電壓變化量 比特->二進制位數 或指數據傳輸量
- 比如在數字通信中，0V表示0 5V表示1 一個碼元表示一個二進制數，比特速率=波特速率，又叫兩相調製
- 比如在數字通信中，0V表示0 2V表示1 4V表示10 6V表示11 一個碼元表示兩個二進制數，比特速率=2波特速率，又叫四相調製
比特和波特有什麼區別？-百度知道
-
帶寬: 線路所能傳輸的最大數據量 單位: b/s
-
信道: 向某方向發送信息的媒體
- 交互方式: 單工( 收音機 )、半雙工( 對講機 )、全雙工( 電話 )
- 調製: 計算機輸出的信號爲低頻基帶數字信號 無法在線路中傳輸 需要轉換爲另一種可以傳輸的信號，轉換爲模擬信號 叫 調製 ，數字信號 叫 編碼
- 調製分類
- 1.**設備數字發送器(數字->數字)**基帶(基本頻帶)調製(又叫編碼): 將數字信號波形調整轉換爲另一數字信號
- 常見編碼方式
- 不歸0: 正電平 1 ， 負電平 0 ** 無法判斷碼元開始結束 無法同步 不抗干擾**
- 歸零碼: 正脈衝 1 ， 負脈衝 0
- (** 以太網 )曼碼: 位中心 向下 跳變 1，向上 0 ** 頻帶寬度是原始基帶寬度2倍 跳變可以同步時鐘 抗干擾
- 差分曼碼: 位開始邊界 無跳變 1 ，有 0
- 4B/5B: 將發送4位數據 ， 將其轉爲5位 ，只利用其中16中組合 其餘用作 控制碼
- 口訣: 歸不歸0 正1 負 0 無同步；曼下差不跳 爲1 曼上差跳 爲 0 有同步
- 常見編碼方式
- 2.(數字轉模擬) 設備modem 帶通( 盡在一定頻率範圍通過信息 )調製: 將數字基帶信號 使用載波 將低頻數字信號 轉移到 高頻模擬信號
模擬信道與數字信道的區別？-知乎- 常見調製方法
- ASK【調幅】改變振幅 不抗干擾
- FSK【調頻】 抗干擾 廣泛使用
- PSK【調相】
- QAM【正交調幅調相】將ASK、PSK結合 形成疊加信號
R=Blog2(mn)* （單位 b/s）
R 比特速率 ， B 碼元波特率 ， m相位 ，n每個相位包含n個振幅
2ASK 代表2進制調幅
下圖爲2進制調製方式:![調製方式]()
- 3. (模擬轉數字) PCM脈碼調製
應用在音頻
使用 尼奎士特採樣定理
過程1：採樣 週期掃描 將模擬轉換爲離散信號 頻率必須爲帶寬(最高頻率-最低)的2倍才能不失真
過程2 : 量化 採樣取得的電平幅值分級轉化爲數字
採樣+量化 就是 分割+轉換
過程3 : 編碼 量化後結果轉換爲二進制編碼 - 4. (模擬轉模擬) 設備放大器
對模擬信號進行載波到高頻 或者 複用信道 提高信道利用率
- 1.**設備數字發送器(數字->數字)**基帶(基本頻帶)調製(又叫編碼): 將數字信號波形調整轉換爲另一數字信號
- 調製分類
-
信道極限容量 ( 由於帶寬限制、噪聲、干擾、失真 導致無法到達通信極限)
- 無噪聲 有限帶寬 的 尼奎斯特定律
理想低通信道下極限數據傳輸率=2Wlog2V 單位( b/s)
W 理想低通信道帶寬 單位 Hz ; V 碼元個數(離散信號個數)
最大波特率B=2W 比特=波特率Xlog2V
當指出碼元與數據位關係（比如 二進制信號）就需要同時考慮 尼奎士特和香農定律 取兩者下限- 爲何2倍帶寬? 答: 最小極限值 保證採樣後可以恢復 不發生混頻
奈奎斯特給出B=2*H,波特率的極限值是信道帶寬的兩倍 - 公式結論:
- 信道數據傳輸率有上限，超過會碼間串擾，無法識別信號
- 帶寬與信道數據傳輸率正比
- 給出了限制碼元傳輸的因素帶寬，未給碼元承載二進制位數量限制，使用多元調製方法，一個碼元攜帶多的數據位
- 爲何2倍帶寬? 答: 最小極限值 保證採樣後可以恢復 不發生混頻
- 有噪聲 有限帶寬 的 香農定律
信道極限傳輸速率=Wlog2(1+S/N)
W信道帶寬 S/N 信噪比 - 結論:
- 信噪比與傳輸速率正比
- 在帶寬、信噪比一定下，傳輸速率有上限
- 只要低於極限，就可以實現無差錯傳輸 所以可以讓每個碼元攜帶更多比特信息
同樣的波特速率 可以發送更多比特信息 - 碼元包含的二進制位是有限的
- 尼奎士特 與 香農 區別
- 尼 指明帶寬 碼元數 與 信道傳輸速率關係 2W給出了最大波特率(碼元速率) 沒指出碼元承載二進制位數量限制
- 香農 指明帶寬 信噪比 與 信道傳輸速率關係 指出碼元承載二進制位數量有限制
- 信噪比: 信號功率與噪聲功率比 單位(db)
信噪比 = 10log10(S/N)
使用db來表示 爲的是實際中 信噪比很大 如果直接使用S/N 不便於書寫會有很多位如100000000=80db
- 無噪聲 有限帶寬 的 尼奎斯特定律
-
電路、報文、分組交換
| 交換方式 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|
| 電路 | 有序 獨佔 無衝突 實時低延遲 簡單 | 建立釋放連接長 佔用資源利用率低 單點故障 不可靠 |
| 報文 | 無須建立連接 可靠 線路利用考慮高 | 失序 重複 需要很多緩存大小 發送 排隊 處理 轉發 有延遲 |
| 分組(對報文拆分) | 無須接收方有很大緩存 | 時間延遲 頭部開銷 失序 重複 丟失 |
當前網絡通信採用 存儲轉發 分組交換
- 分組交換之 面向連接的虛電路 無連接的數據報交換方式**(網絡層提高的服務)**
- 虛電路: 將分組交換+電路交換 組合 需要進行連接建立、釋放 使用虛電路號進行交換
- 數據報: 每次轉發的路徑不固定 具有冗餘網絡鏈路 可靠 但是 時延大
| 數據報服務 | 虛電路服務 | |
|---|---|---|
| 目標地址 | 每個分組都有完整目標地址 | 僅在建立階段使用 而後分組都是要短小的虛電路號 |
| 是否建立連接 | 否 | 是 |
| 是否需要路由選擇 | 是 | 否 |
| 分組順序 | 可能亂序 | 有序 |
| 可靠性 | 主機保證 | 網絡保證 |
| 故障率 | 低 | 高 單點失效 |
| 差錯處理和流量控制 | 主機負責 | 交換網、主機都可以負責 |
傳輸介質
- 引導性( 有線 )
- 雙絞線: 2條銅線進行鉸接而成，根據線路鉸接密度，密度高，線等級 和 帶寬也越大，抗干擾能力越大；根據是否加屏蔽網，分爲 UTP非屏蔽線、STP屏蔽線。
頻率越大，越容易衰減；導線越粗，可以降低衰減
100BASE-T 快速以太網 採用5類雙絞線 帶寬100Mb
優點: 便宜
缺點: 傳輸距離短，模擬信號必須使用放大器，數字信號使用中繼器整形，才能長距離不失真傳輸 - 同軸電纜( 有線電視網 採用)
帶寬可達 1GHz
分類：50Ω 基帶數字電纜 用於基帶信號傳輸；75Ω 寬帶同軸電纜 用於電視網
優點: 抗干擾 傳輸距離遠 ，缺點: 貴於雙絞線 - 光纖: 採用光信號傳輸信息 有光1 無光0
由於光的頻率極高108Hz 帶寬極大
![光波在纖芯中傳播]()
當光從折射率高介質進入折射率低介質的，折射角>入射角
入射角足夠大將出現全反射，即光線當碰到包層就會立即被折射回纖芯
| 多模 | 單模光纖 | |
|---|---|---|
| 入射光線 | 多條 | 單條 |
| 發光源 | 發光二極管 | 激光發生器 |
| 線直徑 | 大 | 極小 |
| 發送距離 | 較遠 | 遠 |
| 帶寬 | 較大 | 大 |
| 成本 | 低 | 高 |
- 非引導性( 無線)
- 短波: 可通過大氣電離層進行反射的高頻電波，廣泛用於廣播通信 ，傳播距離遠，窄帶傳輸
缺點: 由於電離層的不穩定產生多徑效應，造成信道從不同路徑到達目的站，產生不同的衰減和失真 - 無線電微波: 不被電離層反射，直線傳播的2-40GHz的電波，帶寬大，延遲高
傳輸方式:- 地面微波接力 但必須2站可以通視，即無障礙物
- 衛星通信 兩地面站通過一顆衛星通信延遲RTT爲270ms 3顆衛星就可以覆蓋全球
民用無線電波: 2GHz、5GHz
- 紅外線/激光
信道複用
頻分複用FDM
- 定義: 對信道頻率進行劃分，使得多個數據可以同時發送，但是每個分到的數據帶寬爲1/共享數
時分複用TDM
- 定義: 將時間分爲多個時間間隙，每個數據佔用固定週期(一個TDM幀只是比特流與數據鏈路層幀不一樣)的時間間隙發送數據，每個數據的使用全部帶寬。
- 缺點: 由於每個數據是佔用固定週期的時間間隙，對於計算機通信這種突發特點，雖然當前這個時間間隙無數據發送，仍要空閒佔用，信道利用率低
- 對缺點的改進: 統計時分複用STDM(誰發誰佔)
當前各用於將發送數據放入發送緩存，複用器遍歷取得數據，如果當前用戶緩存爲空就跳過，將獲得的數據組合，只要可以形成一個STDM幀就發送，即每個用戶使用的時隙不是週期的，** 但是每個用戶只能間隙發送 **，不然發送緩存會溢出
波分複用WDM
- 定義: 又名光的頻分複用，由於光的頻率很高，就是要波長來表示不同光波
- 改進版: 密集波分複用 DWDM: 一條光纖複用多路光載波信號
碼分複用CDM
- 定義: 爲不同發射站在GPS幫助下同時分配不同的m位碼片序列，比如分配一個8位的碼片序列(00110011)，使用8位碼片代表1,8位碼片的反碼(11001100)代表0，由此可以得出由於使用8位碼片表示一位二進制數，發送的數據量增大8倍，發送速率(帶寬)也必須增大，這一增大過程又叫擴頻，擴頻分爲直接序列擴頻、調頻擴頻。
- 爲了識別不同站發出的信號必須明確以下性質
-
不同站分配到的碼片序列 不僅不同 還必須正交
所謂正交滿足以下公式：
![在這裏插入圖片描述]()
S：S站的碼片向量 T：T站的碼片向量 m: 多少位碼片序列不同站碼片分配雖然不同但是保存1，0數量各一半
爲了方便計算將0使用-1表示
計算過程:
S=[-1,-1,1,1,-1,-1,1,1]
P=[-1,1,1,-1,1,-1,-1,1]
m=8
SXT=1/8(s1Xs1+s2Xs2+…+smXsm)=1/8(1-1+1-1-1+1-1+1)=0 -
結論:
- 不同站的碼片規格化內積爲 0
- 向量S和其他站的碼片反碼規格化內積爲 0
- 碼片和碼片本身的規格化內積爲 1 即SXS=1
- 碼片和碼片本身的反碼規格化內積爲 -1
- 模擬CDMA識別不同站通信的過程
- CDMA就是採用CDM的移動通信標準
- S站的碼元爲110 使用碼片序列(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)擴展爲8個碼片,得到Sx S站發送的擴頻信號
- 同樣T站 發送110 使用碼片序列(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)獲得Tx擴頻信號
- 每個站都可以收到所有站發出的擴頻信號，所有站的信號疊加Sx+Tx
- 打算接收的站獲得待接收站的S的碼片序列，
- 使用結論 2 3 4
- S*St獲得的數據要麼是1要麼-1可以獲得正確結果
- 而S*Tx 也就是其他站數據進行內積都得0
數字傳輸
- 歷史: 早期通信幹線採用FDM頻分複用傳輸模擬信號，支線使用雙絞線，但是後來數字傳輸比模擬傳輸，具有更好的質量和價格，大部分長途幹線幹線採用PCM數字傳輸。
- 數字傳輸雖然有優點 但是也存在缺點
- 速率標準不統一: 北美日本T1(1.544Mbps)、歐洲E1(2.048Mbps)
- 傳輸不同步，沒有一個全網精確的時鐘同步傳輸，無法實現各高速網互聯
- 同步 異步傳輸區別
- 同步: 通信前必須時鐘同步，一方發送，一方同步接收，這樣可以獲得較高的傳輸速率，但是控制較爲複雜
- 異步: 一方發送的字符時間間隔可以任意，但是接收方必須時刻做好接收準備，發送方在一次發送前加開始標誌，結束加結束標誌也可使用幀爲發送單位，幀首尾使用特殊的比特流界定，雖然簡單，但是標誌開銷大
- 統一的解決方案
- 美國推出採用原子鐘同步的SONET同步光纖網 一個速率標準針對光信號叫OC-1 電信號叫STS-1 對應T3/E3標準
- ITU-T 在SONET基礎上開發出SDH同步數字系列 速率標準STM-1 對應SONET OC-3速率
- SONET 每秒傳輸8000幀，STS-1 每幀傳輸810B 即STS-1=80008108=51.84Mbps
- STS-2 仍然每秒傳輸8000幀，不過每幀傳輸的字節數變爲2X810B，速率變爲2倍，一次內容以STS-n是STS-1的n倍
- STS-3=OC-3=STM-1=155M
- OC-1=STS-1=55M=810個64Kbps話路
寬帶接入技術（有線接入）
- 寬帶 大於56Kbps的就叫寬帶
ADSL(非對稱)
- 對電話線進行改造，使得其可以傳輸網絡數據 電話。主要特點是非對稱，由於日常家庭使用多爲下載數據，少上傳數據，所以上行速率<下行速率
- 但是對於企業服務器需要大的上行帶寬，響應用戶，所以需要使用DSL對稱的數字用戶線
![ADSL接入網組成]()
- 從端局拉一根用戶線(銅線)來使用分離器(無源 不插電 斷電也可以用)將電話、數據信號分離，一條接電話，一條連調制解調器Modem，將模擬信號轉化爲數字信號，用於上網，ADSL是獨享寬帶，是直接聯接到機房的 不管用的人多還是少 速率固定
HFC
- 目前廣泛使用的寬帶接入技術比如說移動寬帶，是在原有電視網上改造，主幹線路採用光纖，到光纖節點轉換爲電信號，使用同軸電纜傳遞到各家，各家使用modem用於上網，同時使用機頂盒將數字信號轉換爲模擬信號好看電視。但是單寬是 共享的 用的人多就越慢
FTTx
- 更高速的採用光纖接入網絡，電信寬帶廣泛使用，從光纖幹線分出一條光纖到你家樓下的分光器，分爲多條光纖入戶，主要由於光纖速度快，遠遠超過普通用戶的需求，所以幾戶共享一條光纖，更爲划算。
物理層設備
- 物理層基本功能: 透明的發送比特流
- 中繼器與放大器區別
- 中繼器: 用於整形數字信號，擴大網絡範圍
- 放大器: 用於放大模擬信號，擴大網絡範圍
- 集線器(多端中繼器)
- 有多個輸入輸出端口
- 543原則
- 對於中繼器等物理層設備不能無限的連接來擴大網絡，因爲過多的連接導致延遲增大
- 對於100BASE-T 以太網規定，最多使用4箇中繼器連接5個網絡段，只有3個段可以連接計算機
- 一些要點:
- 物理層設備 不能分割衝突域(網絡中不能同時又兩個設備發送數據，不然發送碰撞，都無法發送)
- 不能分割廣播域 局域網採用廣播發送消息，中繼器除了不轉發分組到輸入端，其餘端口都要轉發到所連接線路
- 物理層進行連接中繼器兩端的網絡速率必須一致，物理層的協議必須統一，但是更高層協議比如鏈路層可以不一樣
- 爲什麼網絡速率必須一致:
- 發送過快，接收方緩存會滿，導致數據丟失；過慢會影響效率