2.1 物理層的基本概念

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。

物理層為資料鏈路層遮蔽了各種傳輸媒體的差異，使資料鏈路層只需要考慮如何完成本層的協議和服務，而不必考慮網路具體的傳輸媒體是什麼。

物理層協議的主要任務：

• 機械特性：指明介面所用接線器的形狀和尺寸，引腳數目和排列、固定和鎖定裝置；
• 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表示何種意義；
• 過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

2.2 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，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。

傳輸媒體不屬於計算機網路體系結構的任何一層，如果非要將它新增到體系結構中，那隻能將其放置到物理層之下。

2.2.1 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傳播。

同軸電纜：

• 基帶同軸電纜(50Ω)：數字傳輸，過去用於區域網
• 寬帶同軸電纜(75Ω)：模擬傳輸，目前主要用於有線電視

同軸電纜價格較貴且佈線不夠靈活和方便，隨著集線器的出現，在區域網領域基本上都是採用雙絞線作為傳輸媒體。

雙絞線：

用兩根線絞合的作用在於：

• 抵禦部分來自外界的電磁波干擾
• 減少相鄰導線的電磁干擾

光纖：

光纖的優點：

• 通訊容量大 (25000~ 30000GHz的頻寬)；
• 傳輸損耗小，遠距離傳輸時更加經濟；
• 抗雷電和電磁干擾效能好。這在大電流脈衝干擾的環境下尤為重要；
• 無串音干擾，保密性好，不易被竊聽；
• 體積小， 重量輕。

光纖的缺點：

• 割接需要專用裝置。

光纖的工作原理：光纖外層為低折射率的包層，內層為高折射率的纖芯，光線在纖芯中傳輸的方式就是不斷地全反射。

多模光纖

• 可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。

單模光纖

• 若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。這樣的光纖稱為單模光纖。

2.2.2 非導引型傳輸媒體

非導引型傳輸媒體是指自由空間。

無線電波：

微波：

紅外線：

在早期，計算機之間使用過紅外線通訊，其特點是可以實現點對點無線傳輸，但只能直線傳輸，中間不能有障礙物，傳輸距離短，傳輸速率比較低(4Mb/s~16Mb/s)。

如今已經被淘汰，但在許多手機中仍能見到這個功能，一般可以用紅外通訊遙控電器等。

擴充套件：這些頻段的劃分都由專門的無線電頻譜管理機構來完成。

• 中國:工業和資訊化部無線電管理局(國家無線電辦公室)

• 美國:聯邦通訊委員會FCC
  ISM (Industrial, Scientific, Medical)頻段

2.3 傳輸方式

2.3.1 序列傳輸與並行傳輸

序列傳輸：

• 資料是一個位元一個位元依次傳送的，因此在傳送端與接收端之間，只需要一條資料傳輸線路即可。

並行傳輸：

• 一次傳送n個位元，因此，在傳送端和接收端之間需要有n條傳輸線路；
• 並行傳輸的優點是比序列傳輸的速度n倍，但成本高。

資料在傳輸線路上的傳輸採用是序列傳輸，計算機內部的資料傳輸常用並行傳輸。

2.3.2 同步傳輸與非同步傳輸

同步傳輸：

• 資料塊以穩定的位元流的形式傳輸，位元組之間沒有間隔；
• 接收端在每個位元訊號的中間時刻進行檢測，以判別接收到的是位元0還是位元1
• 由於不同裝置的時鐘頻率存在一定差異，不可能做到完全相同，在傳輸大量資料的過程中，所產生的判別時刻的累計誤差，會導致接收端對位元訊號的判別錯位，所以要使收發雙發時鐘保持同步。

收發雙方時鐘同步的方法：

• 外同步：在收發雙方之間新增一條單獨的時鐘訊號線
• 內同步：傳送端將時鐘同步訊號編碼到傳送資料中一起傳輸(如曼徹斯特編碼)

非同步傳輸：

• 以位元組為獨立的傳輸單位，位元組之間的時間間隔不固定 (位元組之間非同步)；
• 接收端僅在每個位元組的起始處對位元組內的位元實現同步，各位元的持續時間相同；
• 通常在每個位元組前後分別加上起始位和結束位。

2.3.3 單工、半雙工與全雙工

在許多情況下，我們要使用“通道（channel）”這一名詞。通道和電路並不等同。通道一般都是用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體。因此，一條通訊電路往往包含一條傳送通道和一條接收通道。

從通訊的雙方資訊互動的方式來看，可以有以下三種基本方式：

單向通訊：

又稱為單工通訊，即只能有一個方向的通訊而沒有反方向的互動。
例子：無線電廣播、有線電廣播、電視廣播。

雙向交替通訊：

又稱為半雙工通訊，即通訊的雙方可以傳送資訊，但不能雙方同時傳送（當然也就不能同時接收）。
例子：對講機。

雙向同時通訊：

又稱為全雙工通訊，即通訊的雙發可以同時傳送和接收資訊。
例子：手機等。

注：嚴格來說，傳輸媒體並不能和通道劃等號，單向通訊只需要一條通道，而雙向交替通訊或雙向同時通訊則需要兩條通道（每個方向各一條），其中雙向同時通訊的傳輸效率最高（如果使用通道複用技術，一條傳輸媒體還可以包含多個通道）

2.4 編碼與調製

2.4.1 常用術語

• 資料 (data) —— 運送訊息的實體；
• 訊號 (signal) —— 資料的電氣的或電磁的表現；
• 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；
• 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)

在計算機網路中，常見的是將數字基帶訊號通過編碼或調製的方法在相應通道進行傳輸。

2.4.2 常用編碼

不歸零編碼：

• 正電平表示位元1或0 | 負電平表示位元0或1
• 所謂不歸零編碼，就是指在整個碼元時間內，電平不會出現零電平。

實際位元1和位元0的表示要看現實怎麼規定；

那麼問題來了，多個1或多個0傳輸時，如何判斷其位元數量？

這就需要傳送方的傳送和接收方的接收做到嚴格的同步。

• 用一根額外傳輸線來傳輸時鐘訊號，使傳送方和接收方同步，接收方按時鐘訊號的節拍來逐個接收碼元；
• 但是對於計算機網路，寧願利用這根傳輸線傳輸資料訊號，而不是傳輸時鐘訊號；

由於不歸零編碼存在同步問題，因此計算機網路中的資料傳輸不採用這類編碼！

歸零編碼：

• 每個碼元傳輸結束後訊號都要“歸零”，所以接收方只要在訊號歸零後進行取樣即可，不需要單獨的時鐘訊號。
• 實際上，歸零編碼相當於把時鐘訊號用"歸零”方式編碼在了資料之內,這稱為“自同步”訊號。
• 但是，歸零編碼中大部分的資料頻寬，都用來傳輸“歸零”而浪費掉了。

所以歸零編碼雖然自同步，但是編碼效率低。

曼徹斯特編碼：

• 在每個碼元時間的中間時刻，訊號都會發生跳變
• 負跳變表示位元1或0 | 正跳變表示位元0或1
• 碼元中間時刻的跳變即表示時鐘，又表示資料

實際位元1和位元0的表示要看現實怎麼規定

傳統乙太網(10Mb/s)使用的就是曼切斯特編碼

差分曼徹斯特編碼

• 在每個碼元時間的中間時刻，訊號都會發送跳變，但與曼徹斯特不同
• 跳變僅表示時鐘，碼元開始處電平是否變換表示資料
• 變化表示位元1或0 | 不變化表示位元0或1

實際位元1和位元0的表示要看現實怎麼規定

相比之下比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率

2.4.3 調製

• 數字訊號轉換為模擬訊號，在模擬通道中傳輸。
  例如WiFi，採用補碼鍵控CCK/直接序列擴頻DSSS/正交頻分複用OFDM等調製方式。
• 模擬訊號轉換為另一種模擬訊號，在模擬通道中傳輸。
  例如，語音資料載入到模擬的載波訊號中傳輸。頻分複用FDM技術，充分利用頻寬資源。

基本調製方法：

• 調幅AM：所調製的訊號由兩種不同振幅的基本波形構成。每個基本波形只能表示1位元資訊量。
• 調頻FM：所調製的訊號由兩種不同頻率的基本波形構成。每個基本波形只能表示1位元資訊量。
• 調相PM：所調製的訊號由兩種不同初相位的基本波形構成。每個基本波形只能表示1位元資訊量。

注：使用基本調製方法，1個碼元只能包含1個位元資訊

混合調製：

為使碼元能夠表示更多資訊，我們引入混合調製，切入點便是將振幅、頻率和相位結合：

• 因為頻率和相位是相關的，即頻率是相位隨時間的變化率。所以一次只能調製頻率和相位兩個中的一個；
• 然而相位和振幅不相關，可以將其結合起來一起調製，稱為正交振幅調製QAM

舉例：

注：每個點代表一個碼元，可將碼元的極座標角度看作相位，半徑看作振幅。

2.5 通道的極限容量

• 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。
• 碼元傳輸的速率越高，或訊號傳輸的距離越遠，或噪聲干擾越大，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。

奈氏準則：在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元傳輸速率是有上限的。

• 理想低通訊道的最高碼元傳輸速率= 2W Baud = 2W 碼元/秒
• 理想帶通訊道的最高碼元傳輸速率= W Baud = W碼元/秒
  • W:通道頻寬(單位為Hz)，Baud:波特,即碼元/秒
• 碼元傳輸速率又稱為波特率、調製速率、波形速率或符號速率。它與位元率有一定關係：
  • 當1個碼元只攜帶1位元的資訊量時，則波特率(碼元/秒)與位元率(位元/秒)在數值上是相等的；
  • 當1個碼元攜帶n位元的資訊量時，則波特率轉換成位元率時，數值要乘以n
• 要提高資訊傳輸速率(位元率)，就必須設法使每一個碼元能攜帶更多個位元的資訊量。這需要採用多元制。
• 實際的通道所能傳輸的最高碼元速率，要明顯低於奈氏準則給出的這個上限數值。

夏農公式：頻寬受限且有高斯白噪聲干擾的通道的極限資訊傳輸速率。

c：通道的極限資訊傳輸速率(單位: b/s)

W：通道頻寬(單位: Hz)

S：通道內所傳訊號的平均功率

N：通道內的高斯噪聲功率

S/N：信噪比，使用分貝(dB) 作為度量單位，信噪比(dB) =10 x log(S/N) (dB)

可見 通道頻寬W 或 信噪比S/N 越大，資訊的極限傳輸速率越高。

在實際通道上能夠達到的資訊傳輸速率要比該公式的極限傳輸速率低不少。
這是因為在實際通道中，訊號還要受到其他一些損傷，如各種脈衝干擾、訊號在傳輸中的衰減和失真等，這些因素在夏農公式中並未考慮。

在通道頻寬一定的情況下，根據奈氏準則和夏農公式，要想提高資訊的傳輸速率就必須採用多元制(更好的調製方法) 和 努力提高通道中的信噪比。

自從夏農公式發表後，各種新的訊號處理和調製方法就不斷出現，其目的都是為了儘可能地接近夏農公式給出的傳輸速率極限。

2.6 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，提高通道利用率。

頻分複用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

• 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；
• 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)

• 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；
• 每一個使用者所佔用的時隙週期性地出現（其週期就是TDM幀的長度）
• TDM 訊號也稱為等時 (isochronous) 訊號。
• 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。

為此提出的改進方案是統計時分複用 STDM (Statistic TDM)

• STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙。因此統計時分複用可以提高線路的利用率。

波分複用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

• 波分複用就是光的頻分複用。
• 使用一根光纖來同時傳輸多個光載波訊號。

碼分複用 CDM(Code Division Multiplexing)

• 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。