计算机网络之物理层
本文涉及知识点的思维导图如下：
结构的思维导图如下：
1.物理层的基本概念
物理层所在的位置：在OSI模型和TCP/IP模型的最下面一层。
主要功能：提供透明的比特流传输。封装好的数据以“0、1”比特流的形式进行传递，从一个地方搬到另一个地方。物理层上的传输，从不关心比特流里面携带的信息，只关心比特流的正确搬运。
4大特性：
a) 机械特性:指明接口所有接线器的形状、尺寸、引脚数和排列等，如RJ45。
b)电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
c)功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
d)规程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。规程的概念类似协议.
2.信号
1）概念：数据的电气或电磁表现。
2）分类：a)模拟信号：对应时域的信号取值是连续的。b) 数字信号：对应时域的信号取值是离散的.代表不同离散值的基本波形称为码元。
3）信号的传输
信号在传输的过程中，可以看成由很多不同频率的分量的传输，因为高频分量的不等量衰减，接收方收到的信号是衰减和变形(失真)的。
一般来说，从 0~fc这一段频段，振幅在传输过程不会明显衰减，fc 称为截止频率。（单位：赫兹）
物理带宽：传输过程中振幅不会明显衰减的频率范围。是一种物理特性，通常取决于介质材料的构成、厚度、长度等。
4）信道的传输速率
a)理想信道的传输速率：乃奎斯特定理
其中： V为信号的电平级数，在二进制中，仅为0、1两级。即：以每秒高于2B次的速率对线路采样是无意义的，因为高频分量已被滤掉，无法再恢复。
例题：
b)噪声信道的传输速率：香农定理
很多情况下噪声用分贝(dB) 表示，分贝与信噪比换算如下：
例题：
3.传输介质
传输介质分为引导性传输介质（也叫有线传输介质）和非引导传输介质（无线传输介质）。本文主要介绍引导性传输介质。非引导传输介质包括无线电、卫星、激光等，但本文不做详细介绍。
3.1同轴电缆
组成：由中心导体、绝缘材料层、网状导体、外部绝缘料4层组成。
分类一：基带同轴电缆和宽带同轴电缆
基带同轴电缆：50欧姆，用于数字传输（屏蔽层为铜）；
宽带同轴电缆：75欧姆，用于模拟传输（屏蔽层为铝）。
分类二：粗缆和细缆
粗缆：最大传输距离为500米；两端安装终结器，以保证电缆屏蔽层接地
细缆(0.35cm)：最大传输距离为185米；两头安装BNC头，接在T型连接器两端。
3.2双绞线
概念：由两根具有绝缘层的铜导线按一定密度，逆时针方向绞合而成，可以消除近端串扰。
绞距（扭距）：一般地，绞距越紧（小），则抵销效果越好，传输性能越好。
分类：非屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双绞线（STP）和网屏式双绞线（ScTP）
1）非屏蔽双绞线（UTP：Unshielded Twisted Pair）
特点：数字带宽：10-100Mbps；介质和连接器大小：小，轻便； 最大传输距离:100米(短)
优点：成本低、尺寸小、易于安装
缺点：易受干扰、传输距离短、受到绞距影响
2）屏蔽双绞线（STP：Shielded Twisted Pair）
特点：数字带宽：10-100Mbps；成本：比UTP贵； 介质和连接器大小：中等偏大；最大传输距离:100米
优点：抗EMI/RFI干扰
缺点：成本高、安装不易
3）网屏式双绞线（ScTP：Screened Twisted Pair）
特点：主要技术参数不变，在成本和抗干扰之间做了折中。数字带宽：10-100Mbps；成本：介于UTP和STP之间； 介质和连接器大小：中等；最大传输距离:100米
4.光纤
概念：光导纤维的简称； 由极细的玻璃纤维构成，把光封闭在其中并沿轴向进行传播；
优点：重量轻、损耗低、不受电磁辐射干扰、传输频带宽、通信容量大
缺点：昂贵、易断裂
原理：全反射（入射角大于临界角）
分类：单模光纤和多模光纤
单模：以单一模式传输，激光产生的单束光，纤心细、高带宽、长距离，运行波长为850nm或1300nm；
多模：以多个模式同时传输，LED产生的多束光，纤心粗、低带宽、短距离，运行波长为1310nm或1550nm
光传输系统组成：光源、传输介质和探测器
水平电缆：到用户桌面的线缆大量使用UTP
垂直电缆：干线上大量使用光纤
5.复用技术
概念：复用技术是让多用户共享同一根信道（干线）
1）频分多路复用FDM：将频谱分成若干段，每个用户占据一段来传输自己的信号。
2）波分多路复用WDM：将波段分成若干段，每个用户占据一段来传输自己的信号。
3）时分多路复用TDM：用户轮流使用信道；广泛用于 telephone / cellular系统
4）码分多路复用 Code Division Multiple Access:码片是正交的，能够同时传输;广泛用于3G网通信
例题：
6.两种传输方案
调制机制使用信号来传输比特。
1）基带传输：直接将数据比特转化为信号。Line codes（线路编码）发送 symbols（样本、符号），一
个样本可传送1个或多个比特。共有以下四种编码方式：
b)不归0 NRZ：高电压表示1，低电压表示0。缺点：出现连续的0或1时，会混淆
c)不归0逆转 NRZ：出现1时发生电压跳变，为0时不发生变化。缺点：出现连续的1时，会混淆
d)曼彻斯特编码:出现0时，由低电压调到高电压；出现1时，由高电压调到低电压
e)bipolar encoding(待补充）
2）通带传输：通过调节信号的振幅、相位或频率来传输比特
7.波特率和比特率
波特率：每秒钟信号变化的次数，也叫符号率、采样率
比特率：也叫位传输率、数据传输速率、数字带宽
两者的关系如下：
8.码元
码元是承载信息量的基本信号单位。
在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元。
在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波形称为码元。
波特率：1秒钟能够发送的码元的个数，所以也叫码率。
9.信号星座
信号星座：不同的基本调制方法的组合。把上述调制模式综合起来使用，以便使每个符号传输更多的比特。
在QPSK中，使用了4个相位角度，每次采样（码元、样本）可表达的级别有4个，即每次码元可表示2比特。比特率（信号传输速率）是波特率的2倍。
QAM-64 (正交振幅调制，QuadratrueAmplitude Modulation-64) 允许 64 个不同的组合，即64个信号级别, 所以每个码元可传输6 bits。
10.格子架编码调制
为了追求高的数字带宽，总是想办法提高信号级别，即星号星座上的星点密密分布，这导致出错率的上升。为了降低高速调制错误，在每个样本中采用一些额外的位用作纠错，剩下的位才用来传输数据，这种机制叫格子架编码调制TCM (Trellis Coded Modulation) 。在 V.32调制标准中，波特率是2400，采用了QAM-32，每码元传输5个比特，但其中的1个比特用来做奇偶校验，所以，数据传输率只有9600bps。
例题：
11.公共交换电话网（PSTN： Public Switched Telephone Network）
1)概念：最方便的已有通信设施，跟计算机网络紧紧联系在一起
2)主要构成及技术：本地回路(调制技术)/干线(复用技术)/交换
3)结构：
本地回路:模拟线路，进入千家万户和业务部门
干线: 数字光纤，连接交换局
交换局: 话音接驳干线的场所
4)调制解调器（Modem，猫）:位于计算机和PSTN最后一英里之间，用于将计算机产生的位序列转变为载波输出，或者相反。将数字信号转化为模拟信号，或相反。
5）光纤到户(Fiber To The Home)（宽带）：很多用户共享同一波长，光纤是无源的 (无须放大器，可靠)。光进铜退是大趋势，光纤使用越来越普遍，同轴电缆使用越来越少。
编解码器（codec）：端局中的设备，可将模拟信号数字化（coder），或者相反（decoder）。呼叫方：将模拟语音数字化。
脉冲编码调制PCM (Pulse Code Modulation) ：是一种将模拟信号数字化的技术。
干线：多路复用。
北美和日本使用T1 线路，可处理24路信号的复用，话音信道的采样率是每秒8000次 ，传输速率是1.544 Mbps。
其他国家使用E1线路，E1可处理 32条语音的复用，E1线路的传输速率是：2.048 Mbps.
12.交换：电路交换、 报文交换、分组交换
电路交换：在数据传输前，必须建立一条端到端的通路，称为连接。按照时间进行收费。
报文交换：无论数据传输过程要跨越多少个交换局，只要下一站空闲，该数据即送至下一站。无需提前建立连接。
分组交换：限制分组大小。允许分组存储在交换局的内存里。
13：物理层设备：增大了冲突域，较低了网络的性能。
1）收发器 Transceiver：Transmitter和Receiver的简称，也叫Media Attachment Unit（MAU）
作用： 将一种形式的信号转变成另一种形式。类型： RJ-45–AUI/RJ-45 – BNC/RJ-45 – Optical
2）中继器 Reapter
作用：让线缆可以延伸得更远；增加连接到网络点的结点数；不能过滤流量
过滤：是指设备以一定的特征（如源地址、目的地址、网络协议等）来屏蔽网络流量，并根据已有的标准确定将流量转发或丢弃。
3）集线器 Hub
特点：多端口的中继器；放大和再生信号；允许很多设备连接到一个集线器上；作为星型拓扑的中心；不能过滤交通流量
4）冲突：信号的碰撞
冲突的电气表现：
5）冲突域：数据包产生和冲突的网络区域，即指共享媒质区。
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