計算機網路物理層
物理層的基本概念
1.物理層考慮的是怎樣才能在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體。
2.物理層的作用是要儘可能地遮蔽掉不同傳輸媒體和通訊手段的差異。
3.用於物理層的協議也常稱為物理層規程
物理層的主要任務
確定與傳輸媒體的介面的一些特性
特性：
機械特性 ：指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。
電氣特性：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍
功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。
過程特性 ：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序
資料通訊的基礎知識
資料通訊系統的模型
資料 (data) —— 運送訊息的實體。
模擬訊號 (analogous signal) —— 代表訊息的引數的取值是連續的。
數字訊號 (digital signal) —— 代表訊息的引數的取值是離散的。
碼元 (code) —— 在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字訊號時，代表不同離散數值的基本波形。
有關通道的幾個基本概念
通道 —— 一般用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體。
單向通訊（單工通訊）——只能有一個方向的通訊而沒有反方向的互動。
雙向交替通訊（半雙工通訊）——通訊的雙方都可以傳送資訊，但不能雙方同時傳送(當然也就不能同時接收)。
雙向同時通訊（全雙工通訊）
基帶訊號（即基本頻帶訊號）—— 來自信源的訊號。像計算機輸出的代表各種文字或影象檔案的資料訊號都屬於基帶訊號。
基帶訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多通道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶訊號進行調製 (modulation)。
調製分為兩大類：
基帶調製：僅對基帶訊號的波形進行變換，使它能夠與通道特性相適應。變換後的訊號仍然是基帶訊號。把這種過程稱為編碼 (coding)。
帶通調製：使用載波 (carrier)進行調製，把基帶訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換為模擬訊號，這樣就能夠更好地在模擬通道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過通道） 。
(1) 常用編碼方式
不歸零制：正電平代表 1，負電平代表 0。
歸零制：正脈衝代表 1，負脈衝代表 0。
曼徹斯特編碼：位週期中心的向上跳變代表 0，位週期中心的向下跳變代表 1。但也可反過來定義。
差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表 0，而位開始邊界沒有跳變代表 1。
1.從訊號波形中可以看出，曼徹斯特 (Manchester) 編碼和差分曼徹斯特編碼產生的訊號頻率比不歸零制高。
2.從自同步能力來看，不歸零制不能從訊號波形本身中提取訊號時鐘頻率（這叫做沒有自同步能力），而曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼具有自同步能力。
(2) 基本的帶通調製方法
基帶訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多通道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶訊號進行調製 (modulation)。
最基本的二元制調製方法有以下幾種：
調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字訊號而變化。
調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字訊號而變化。
調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字訊號而變化。
通道的極限容量
1.任何實際的通道都不是理想的，在傳輸訊號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。
2.碼元傳輸的速率越高，或訊號傳輸的距離越遠，或傳輸媒體質量越差，在通道的輸出端的波形的失真就越嚴重。
從概念上講，限制碼元在通道上的傳輸速率的因素有以下兩個：
通道能夠通過的頻率範圍
1.具體的通道所能通過的頻率範圍總是有限的。訊號中的許多高頻分量往往不能通過通道。
2.1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推匯出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。
在任何通道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。
如果通道的頻帶越寬，也就是能夠通過的訊號高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾
信噪比
存在於所有的電子裝置和通訊通道中。
噪聲是隨機產生的，它的瞬時值有時會很大。因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤。
但噪聲的影響是相對的。如果訊號相對較強，那麼噪聲的影響就相對較小。
信噪比就是訊號的平均功率和噪聲的平均功率之比。常記為S/N，並用分貝 (dB) 作為度量單位。即：
信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
例如，當S/N=10時，信噪比為10dB，而當S/N=1000時，信噪比為30dB。
1984年，夏農 (Shannon) 用資訊理論的理論推匯出了頻寬受限且有高斯白噪聲干擾的通道的極限、無差錯的資訊傳輸速率（夏農公式）。
通道的極限資訊傳輸速率 C 可表達為：
C = W log2(1+S/N) (bit/s)
其中：W 為通道的頻寬（以 Hz 為單位）；
S 為通道內所傳訊號的平均功率；
N 為通道內部的高斯噪聲功率。
對於頻頻寬度已確定的通道，如果信噪比不能再提高了，並且碼元傳輸速率也達到了上限值，那麼還有辦法提高資訊的傳輸速率。
這就是：用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多位元的資訊量
物理層下面的傳輸媒體
- 傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，它就是資料傳輸系統中在傳送器和接收器之間的物理通路。
- 傳輸媒體可分為兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體。
- 在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播。
- 非導引型傳輸媒體就是指自由空間。在非導引型傳輸媒體中，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。
1.導引型傳輸媒體
雙絞線
最常用的傳輸媒體。
模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通訊距離一般為幾到十幾公里。
遮蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)
帶金屬遮蔽層
無遮蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)
同軸電纜
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資料。
同軸電纜的頻寬取決於電纜的質量。
50 Ω 同軸電纜 —— LAN / 數字傳輸常用
75 Ω 同軸電纜 —— 有線電視 / 模擬傳輸常用
光纜
光纖是光纖通訊的傳輸媒體。
由於可見光的頻率非常高，約為 108 MHz 的量級，因此一個光纖通訊系統的傳輸頻寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的頻寬
光纖優點
1.通訊容量非常大。
2.傳輸損耗小，中繼距離長。
3.抗雷電和電磁干擾效能好。
4.無串音干擾，保密性好。
5.體積小，重量輕。
2.非導引型傳輸媒體
將自由空間稱為“非導引型傳輸媒體”。
無線傳輸所使用的頻段很廣。
短波通訊（即高頻通訊）主要是靠電離層的反射，但短波通道的通訊質量較差，傳輸速率低。
微波在空間主要是直線傳播。
傳統微波通訊有兩種方式：
地面微波接力通訊
衛星通訊
通道複用技術
複用 (multiplexing) 是通訊技術中的基本概念。
它允許使用者使用一個共享通道進行通訊，降低成本，提高利用率。
頻分複用、時分複用
1.頻分複用 FDM (Frequency Division Multiplexing)**
1.將整個頻寬分為多份，使用者在分配到一定的頻帶後，在通訊過程中自始至終都佔用這個頻帶。
2.頻分複用的所有使用者在同樣的時間佔用不同的頻寬資源（請注意，這裡的“頻寬”是頻率頻寬而不是資料的傳送速率）。
時分複用TDM (Time Division Multiplexing**
1.時分複用則是將時間劃分為一段段等長的時分複用幀（TDM幀）。每一個時分複用的使用者在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。
2.每一個使用者所佔用的時隙是週期性地出現（其週期就是TDM幀的長度）的。
3.TDM 訊號也稱為等時 (isochronous) 訊號。
4.時分複用的所有使用者在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度。
時分複用的缺點：
可能會造成線路資源的浪費
使用時分複用系統傳送計算機資料時，由於計算機資料的突發性質，使用者對分配到的子通道的利用率一般是不高的。
波分複用
碼分複用CDM
常用的名詞是分碼多重進接 CDMA (Code Division Multiple Access)。
各使用者使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
這種系統傳送的訊號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。
寬頻接入技術
1.使用者要連線到網際網路，必須先連線到某個ISP。
2.在網際網路的發展初期，使用者都是利用電話的使用者線通過調變解調器連線到ISP的，電話使用者線接入到網際網路的速率最高僅達到56 kbit/s。
3.美國聯邦通訊委員會FCC原來認為只要雙向速率之和超過200 kbit/s 就是寬頻。但 2015 年重新定義為：
寬頻下行速率要達到 25 Mbit/s
寬頻上行速率要達到 3 Mbit/s
從寬頻接入的媒體來看，可以劃分為兩大類：
有線寬頻接入
ADSL 技術
1.非對稱數字使用者線 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技術就是用數字技術對現有的模擬電話使用者線進行改造，使它能夠承載寬頻業務。
2.標準模擬電話訊號的頻帶被限制在 300~3400 Hz 的範圍內，但使用者線本身實際可通過的訊號頻率仍然超過 1 MHz。
3.ADSL 技術就把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高階頻譜留給使用者上網使用。
4.DSL 就是數字使用者線 (Digital Subscriber Line) 的縮寫。
ADSL 的傳輸距離
1.ADSL 的傳輸距離取決於資料率和使用者線的線徑（使用者線越細，訊號傳輸時的衰減就越大）。
2.ADSL 所能得到的最高資料傳輸速率與實際的使用者線上的信噪比密切相關。
3.例如：
0.5 毫米線徑的使用者線，傳輸速率為 1.5~2.0 Mbit/s 時可傳送5.5公里，但當傳輸速率提高到 6.1 Mbit/s 時，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。
如果把使用者線的線徑減小到 0.4 毫米，那麼在 6.1 Mbit/s 的傳輸速率下就只能傳送 2.7 公里。
ADSL 的特點
1.上行和下行頻寬做成不對稱的。
2.上行指從使用者到 ISP，而下行指從 ISP 到使用者。
3.ADSL 在使用者線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調變解調器。
4.我國目前採用的方案是離散多音調 DMT (Discrete Multi-Tone)調製技術。這裡的“多音調”就是“多載波”或“多子通道”的意思。
DMT 技術
1.DMT 調製技術採用頻分複用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高階頻譜劃分為許多子通道，其中 25 個子通道用於上行通道，而 249 個子通道用於下行通道。
2.每個子通道佔據 4 kHz 頻寬（嚴格講是 4.3125 kHz），並使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調製。這種做法相當於在一對使用者線上使用許多小的調變解調器並行地傳送資料。
DMT 技術的頻譜分佈
