物理层
1.物理层概述
- 物理层要实现的功能
在各种传输媒体上传输比特0和1，进而给其上面的数据链路层提供透明传输比特流的服务。
“透明”传输比特流：数据链路层“看不见”（也无需看见）物理层究竟使用的什么方法来传输比特流。数据链路层只管“享受”物理层提供的比特流传输服务即可。
-
物理层接口特性
- 机械特性：形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
- 电气特性：信号电压的范围、阻抗匹配情况、传输速率、距离限制
- 功能特性：规定接口电缆的各条信号线的作用
- 过程特性：规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系
2.物理层下面的传输媒体
2.1 传输媒体的分类
传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒体。
传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。
传输媒体可以分为两大类：
- 导向型传输媒体（固体媒体）
同轴电缆、双绞线、光纤
- 非导向型传输媒体（自由空间）
无线电波、微波、红外线、大气激光、可见光
2.2 导向型传输媒体
- 同轴电缆
同轴电缆可以分为：基带同轴电缆（50Ω）、宽带同轴电缆（75Ω）
基带同轴电缆：用于数字传输，在早期局域网中广泛使用。
宽带同轴电缆：用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线。
- 双绞线
蓝色和蓝白色线绞合
橙色和橙白色线绞合
绿色和绿白色线绞合
棕色和棕白色线绞合
绞合的作用
- 减少相邻导线间的电磁干扰
- 抵御部分来自外界的电磁干扰
- 光纤
光纤通信利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信。由于可见光的频率非常高（约为10^8MHz量级），因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角大于入射角
如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯
光波在光纤中不断发生全反射，光波就可以沿光纤传播
多模光纤和单模光纤
在光纤通信中，常用的三个光波波段的中心波长分别为：
- 850nm
- 1300nm 衰减较小
- 1550nm 衰减较小
常用的光纤规格有：
- 单模光纤 8/125μm、9/125μm。10/125μm
- 多模光纤 50/125μm（欧洲标准）、62.5/125μm（美国标准）
光纤的优点：
- 通信容量非常大
- 抗雷电和电磁干扰性能好
- 传输损耗小，中继距离长
- 无串音干扰，保密性好
- 体积小，重量轻
光纤的缺点：
- 割接光纤需要较贵的专用设备
- 目前光电接口还比较昂贵
2.3 非导向型传输媒体
- 无线电波
- 微波
中、低轨道人造卫星相对于地球不是静止的，而是不停围绕地球旋转
由于低轨道卫星离地球很近，因此可将地面用户通信设备做得比较小，可以轻便手持进行通信
- 红外线
红外通信属于点对点无线传输
直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
传输速率低（4Mb/s~16Mb/s）
- 激光
激光是一种新型光源，具有亮度高，方向性强，单色性好以及相干性强等特征。按传输媒体的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。
大气激光通信：通信容量大、保密性强、结构轻便、设备经济。但通信距离限于视距，易受气候影响，瞄准困难。
- 可见光
LIFI就是传说中的可见光通信，就是LED灯上WIFI
3.传输方式
3.1 串行传输和并行传输
串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的。因此，在发送端和接收端之间，只需要一条数据传输线路即可。
并行传输：一次发送n个比特而不是1个比特。因此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路。
并行传输的优点是速度为串行传输的n倍，但也存在一个严重的缺点，即成本高。
3.2 同步传输和异步传输
同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1，由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同。时钟误差的累计会导致接收端对比特信号的判别错位。因此，需要采取方法使收发双方的时钟同步。
实现收发双方时钟同步的方法：
- 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
- 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼彻斯特编码）
异步传输：以字节为独立的传输单位。字节之间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。异步指的是字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）。但是字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间是相同的）。
3.3 单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）、双向同时通信（全双工）
单工通信：通信双方只有一个数据传输方向。
例：无线电光波
半双工通信：通信双方可以相互传递数据，但是不能同时进行。
例：对讲机
全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息。
4.编码与调制
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
4.1 常用编码
- 不归零编码：在码元内不出现零电平
接收端如何判断码原数量？
- 需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。
- 对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。
由于不归零编码存在同步问题，所以计算机网络中的数据传输不采用不归零编码。
- 归零编码
每个码元传输结束后信号都要归零。所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。
但是，归零编码中大部分的数据带宽。都用来传输“归零”而浪费掉了。
3.曼彻斯特编码
在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。
码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。
- 差分曼彻斯特编码
跳变仅表示时钟。用码元开始处电平是否变化来表示数据。
4.1 基本调制方法
- 混合调制
通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。
例：QAM-16
- 12种相位
- 每种相位有1或2种振幅可选
- 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特
- 码元与4个比特的对应关系采用格雷码（任意两个响铃码元只有1个比特不同）
5.信道的极限容量
失真因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud=2W 码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud=W 码元/秒
- 码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率，它与比特率有一定关系：
当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率与比特率在数值上是相等的
当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n
-
要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量，这需要采用多元制。
-
实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。
香农公式
在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公示，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。
