思維導圖

一、數據通信的理論基礎

物理層的作用：提供透明的比特流傳輸

• 　　封裝好的數據以“0，1”比特流的形式進行傳遞，從一個地方搬運到另一個地方
• 　　物理層上的傳輸，從不關心比特流裏面攜帶的信息，只關心比特流的正確搬運

四個特性

• 　　機械特性（mechanical characteristics）：指明接口所有接線器的形狀、尺寸、引腳數和排列等，如RJ45
• 　　電氣特性（electrical characteristics）：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍
• 　　功能特性（functional characteristics）：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義
• 　　規程特性（procedural characteristics）：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序，概念類似於協議

物理層上數據的傳輸：信號（數據的電氣或電磁表現）

分類

• 　　模擬信號：對應時域的信號取值是連續的

• 　　數字信號：對應時域的信號取值是離散的，其中有個概念：碼元：代表不同離散值的基本波形

傳輸的過程

• 信號在信道/傳輸介質上的傳輸
• 信號在傳輸過程中，可以看成由很多不同頻率的分量的傳輸
• 高頻分量的不等量衰減，接受方收到的信號是衰變和變形（失真）的。從0~fc這一頻段，振幅在傳輸過程中不會明顯衰減，fc稱為截止頻率，單位Hz

物理帶寬、數字帶寬和兩者的關系

物理帶寬

• 　　傳輸過程中振幅不會明顯衰減的頻率範圍，單位：Hz
• 　　是一種物理特性，通常取決於介質材料的構成、厚度、長度

數字帶寬

• 　　單位時間內流經的信息總量

物理帶寬和數字帶寬關系

• 　　奈奎斯特定理：在無噪聲信道中，當物理帶寬為BHz，信號離散等級為V級，那麽該信道能提供的最大傳輸速率（數字帶框），可用以下公式：

• 　　香農定理：在有噪聲信道中，如果物理帶寬為BHz,噪聲比為S/N,那麽最大的傳輸速率

• • 　很多情況下，噪聲用分貝（dB）表示，
  • 在信道一定的時候，物理帶寬確定，要想提高最大數據傳輸率（數字帶寬），只有增加信噪比。

二、有導向的傳輸介質

分類

• 　　引導性傳輸介質：銅線、光纖
• 　　非引導性傳輸介質：無線電、衛星

下面主要分析引導性的傳輸介質

同軸電纜：如下圖

分類

• 　　基帶同軸電纜：50Ω，用於數字傳輸，屏蔽層為銅
• 　　寬帶同軸電纜：75Ω，用於模擬傳輸，屏蔽層為鋁

分類二

• 　　粗纜 最大傳輸距離為500米
• 　　細纜 最大傳輸距離為185米　　

雙絞線（Twist Pair Cable）　

• 　　由兩根具有絕緣層的銅導線，按一定密度，逆時針絞合而成
• 　　消除：近端串擾（Crosstalk）
• 　　絞距（扭矩）：絞距越小（緊），越均勻。則抵消效果越好，傳輸性能越好。

1. 非屏蔽雙絞線（UTP : Unshielded Twisted Pair）

• 　　五類雙絞線，提供10M、100M的數字帶寬，使用其中的兩對線，分別用於收和發。100M的以太網中，用到了全部的四對線
• 　　最大傳輸距離100米，廣泛用於局域網中
• 　　優點：成本低、易於安裝、尺寸小； 缺點：易受幹擾、傳輸性能和距離易受絞距的影響

2. 屏蔽雙絞線（STP：Shielded Twisted Pair）

• 　　相比於UTP，STP加了兩層屏蔽層，分別位於每對線之外和全部四對線之外
• 　　優點：抗EMI/RFI幹擾　　缺點：成本高、安裝不易

3. 網屏式雙絞線（ScTP: Screened Twisted Pair）

• 　　在成本和抗幹擾之間做了折中
• 　　把STP每一個線對上的屏蔽層去掉了

使用註意事項

• 　　直通線
  • • 連接交換機和PC這種不是同等類型的設備，線兩頭線序一致
• 　　交叉線
  • • 線序不一致，連接同類設備
• 　　現在，設備已經大多可以自適應

電力線

• 　　缺點：與傳輸介質目的和電氣特性截然不同，50Hz，目前不普及。

光纖（光導纖維）

• 　　極細的玻璃纖維構成，把光封閉在其中並沿軸向進行傳播
• 　　由裏到外為：玻璃芯、玻璃覆蓋層、塑料封套
• 　　工作原理: 全反射——當光從光密物質射向光疏物質，入射角大於臨界角，光會發生全反射。　
• 　　優點：重量輕、損耗低、不受電磁輻射幹擾、傳輸頻帶寬、通信容量大、不射頻幹擾、防竊聽
• 　　缺點：易斷裂、昂貴

分類

• 　　單模
  • 單一模式傳輸，激光產生的單束光。
  • 　纖芯細、高帶寬、長距離。
  • 　運行波長850nm或1300nm
• 　多模
  • 多個模式傳輸，LED產生的多束光

光纖、UTP特點：

• 　　幹線上大量使用光纖（垂直電纜），用戶桌面的線纜大量使用UTP（水平電纜）　　

三、復用技術

幹線上技術，讓多個用戶共享同一根信道

解決問題：幹線起點如何共用，幹線終點如何分離

1. 頻分多路復用技術FDM

　　原理：

• 　　　　　在幹線的起點，信道的頻譜被分成若幹段（子段），每個用戶占據一段來傳輸自己的信號
• 　　　　　在幹線的終點，每個子帶的信號被單獨分離出來給各個用戶
• 　　　　 相鄰用戶使用的頻段（子帶）之間通常留有一定的帶寬，以免混淆，這個頻段被稱作保護帶

　　正交FDM：Orthogonal FDM（簡稱OFDM）

• 　　　　 一種更好的利用帶寬的FDM，正交頻分多路復用。
• 　　　 　沒有了保護帶，且子帶之間相互重疊，可承載更多用戶

　　波分多路復用WDM （Wavelength Division Multiplexing）

• 　　　　本質上跟FDM一樣，在光纖上復用信號
• 　　　　按照不同波長，幹線分為了若幹份
• 　　　　終點，分離器分離出不同波長的光信號
• 　　　　另外，當相鄰波長間隔非常接近，子信道的數目非常大，WDM變成了DWDM（Dense，密集波分多路復用）

2. 時分多路復用TDM（Time Division Multiplexing）

• 　　在時間上共享信道
• 　　將時間劃分為非常短的時間片
• 　　廣泛用於電話系統和蜂窩系統　　
• 　　要求：時間上必須同步，為適應時鐘的微小變化，可能要求增加保護時間間隔
• 　　各用戶需要的帶寬不均衡，而TDM用戶時間片的使用卻是一樣的，將造成信道的浪費
  • 解決辦法：統計時分多路復用（TDMStatistic TDM ）STDM

3. 碼分多路復用技術CDMA（Code Division Multiple Access）

• 　　擴展頻譜技術，廣泛用於3G
• 　　允許每個站利用整個頻段發送信號，而且沒有任何時間限制
• 　　關鍵在於：提取出需要的信號，同時拒絕所有其他的信號，並且把這些信號當成噪聲
• CDMA中，每個比特時間被細分為m個更短的時間間隔，這更短的時間間隔被稱為碼片，通常每個比特被劃分為64個或128個。
• 運用碼片序列的兩兩正交，能夠同時傳輸信息。接受方利用復用信號和發方碼片序列的歸一化內積，可以計算出發方的信息。

四、調制機制——使用信號來傳輸比特

傳輸方式

　　基帶傳輸（Baseband Transmission）

• 　　　　信號的傳輸占據傳輸介質，從零到最大值之間的全部頻率。（有線傳輸技術，普遍采用的方法——以太網）

　　通帶傳輸（Passband Transmission）

• 　　　　調節信號的振幅、相位或頻率來傳輸比特
• 　　　　占據了以載波信號頻率為中心的一段頻帶

基帶傳輸的線路編碼

• 　　不歸零NRZ：高電平為“1”，低電平為“0”
• 　　不歸零逆轉NRZ1：跳變為“1”，不跳變為“0”，USB采用
• 　　曼切斯特編碼：在比特時間中間，電壓從高到低為“1”。反之，從低到高，表示“0”。只有50%效率
• 　　雙極編碼（交換標記逆轉AMI）：兩極電壓的交替出現，表示“1”，不出現則表示“0”。實現了信號的平衡
• 　　4B/5B編碼：4個比特數據被映射成1個比特模式，80%效率。拋開連續0的組合，解決連續零的問題

碼元

• 　　承載信息量的基本信號單位
• 　　數字通信中常用時間間隔相同的符號來表示一個二進制數字。（二進制碼元）
• 使用時間域的波形表示數字信號時，不同離散值的基本波形，叫做碼元

一秒鐘能發送的碼元的個數，叫波特率，也叫做碼率（每秒鐘信號變化的次數）

• 波特率別名：符號率、采樣率、每秒鐘變化的次數
• 比特率別名：位傳輸率、數據傳輸速率、數字帶寬
• 計算公式（C:比特率，B：波特率，n:信號呈現的個數，為2的整數倍，信號級別）
• 為了降低高速調制的錯誤，在每個樣本中采用一些額外的位用作糾錯。剩下的位才用來傳輸數據

可用信號星座圖，來表示調制的級別

五、公共交換電路網絡PSTN（Public Switched Telephone Network）

解決問題：最後一英裏問題

過程：

• 　　呼叫方的話音經過本地回路（Local loops），到達端局
• 　　端局經過幹線（Trunks，一般為數字光纖）到達上級交換局（Switching office），然後最終到達對方的端局
• 　　本地回路傳輸的是模擬信號，搭載調制解調器（也叫Modem,貓），完成數字信號向模擬信號的轉變
• 　　光纖到戶（Fiber To The Home）：無源，可靠性、安全性 ——“光進銅退”
• 　　幹線：多路復用，完成交換局（包括端局）的連接。搭載了編解碼器（codec），將模擬信號數字化
  • 　　編解碼器采用了：脈沖編碼調制PCM（Pulse Code Modulation），構成了現代PSTN的核心
  • 目前采用的兩種標準
    • 　　SONET/SDH(Synchronous Optical NETwork):同步光網絡，美國ANSIS制定的，在光介質上進行同步數據傳輸的標準
    • 　　SDH（Synchronous digital hierarchy）：同步數字序列,國際標準化組織ITU制定的，在光介質上進行同步數據傳輸的
    • 　　兩者幾乎一樣

PSTN交換

• 　　電路交換（Circuit Switching）
  • 　　傳統電話系統，建立端對端通路，數據沿著通道按順序到達
• 　　包/分組交換（Packet Switching）
  • 　　IP電話數據業務，限制包/分組大小，允許包/分組存儲在交換局的內存裏
  • 　　每個包攜帶目的地址、信息——獨立尋址，亂序送達。容錯能力好，流量收費

六、 物理層部件/設備

• 　　轉發器
• 　　中繼器
• 　　集線器
• 　　RJ45插座

收發器（Transceiver = Transmitter + Receiver）

• 　　也稱為MAU，Media Attachment Unit
• 　　將一種形式的信號轉變為另一種信號
• 　　早期是一個外設，現在是網卡上的部件
• 　　主要負責收發信號

中繼器（Reapter）

• 　　主要功能：再生信號（去噪、放大），讓線纜延伸到更遠，突破UTP100米的傳輸距離的限制
• 　　註意：中繼器不能過濾流量
• 　　過濾：是指設備以一定的特性來屏蔽網絡流量，並根據標準確定將流量轉發或丟棄　

集線器（Hub）——多端口的中繼器

• 　　主要功能：再生信號，即去噪和放大
• 　　廣播（泛洪）：從除了來的那個端口外的所有其他端口轉發出去　 　

沖突——信號的碰撞　

• 　　當使用物理設備時，更多的用戶爭搶共享資源，導致沖突

沖突域

• 　　數據包產生和沖突的網絡區域，即指共享介質的區域
• 　　沖突域增大，沖突可能性增大，網絡性能降低

總結

• 　　不具有過濾流量等智能化功能
• 　　增大了沖突域
• 　　很少再使用中繼器（光中繼器除外）和集線器

第二章 物理層