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物理层概述

物理层功能

提供透明的比特流传输(利用传输介质为数据链路层提供物理连接)，规范了网络硬件的特性，规格和传输速度

注意:

• 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
• 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

四大特性

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，例如RJ45

电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围

功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表明何种意义

规程特性

指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序，规程的概念类似于协议

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物理层上数据的传输形式：信号

信号：数据的电气或电磁表现

• 模拟信号：对应时域的信号取值连续
• 数字信号：对应时域的信号取值离散–(数字信号中有"码元"概念：不同离散值的基本波形)

信号在信道/传输介质上传输

信号在传输的过程中可以看作是很多不同频率的分量的传输，其中的高频分量由于不等量衰减，使得接收方收到的信号是衰减和变形的
在0~fc这一频段内，振幅传播过程中不会明显衰减，就称fc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范围

物理带宽是一种物理特性，取决于介质材料构成，厚度，长度等

数字带宽与物理带宽之间的关系

奈奎斯特定理(理想信道的最大传输速率)

在无噪声信道中，物理带宽为 B Hz，信号离散等级为V级，则该信道最大传输速率(数字带宽C)可用公式表达：

C=2Blog_2V(bps)

奈奎斯特定理表明任意信号通过一个物理带宽为B的低通滤波器，只要进行每秒2B次的采样就可完全重构出被滤掉的信号，任何高于2B次的采样都毫无意义

香农定理(实际信道的最大传输速率)

在有噪声信道中，物理带宽为 B Hz，信噪比为 S/N，则该信道最大传输速率(数字带宽C)可用公式表达：

C=Blog_2(1+\frac{S}{N})(bps)

香农定理表明在信道一定时，物理带宽已经确定，要想提高数字带宽只有增加信噪比

很多情况下，噪声利用分贝进行表示，分贝(dB)与信噪比(S/N)之间的转换关系如下：

分贝值=10log_{10}\frac{S}{N}(dB)

计算例题：

1. 有一条4-kHz的无噪声信道，每秒采样8000次，如果每个采样是16比特，则信道的最大传输速率是_____________kbps

解题：套用乃奎斯特定理

最大传输速率 = 2Blog_2V(bps)=2*4K*16bit=128kbps

注意：每个采样16比特，相当于信号级别(V)是2^16

2. 如果一个二进制信号通过一条4-kHz的噪声信道，噪声是30分贝，则最大传输速率是____________________ kpbs

解题：

30dB=10log_{10}\frac{S}{N}(dB)

易得S/N=1000。所以:

C=4K*log_2(1+1000)

最大传输约等于40kbps

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引导性传输介质

传输介质按照是否有形分为引导性(有线)与非引导性(无线)两大类

引导性传输介质包括铜线，光纤等，非引导性传输介质有无线电卫星等

同轴电缆

由四部分组成，内部的中心导体，包裹在外部的绝缘材料层，网状导体以及外部绝缘层

按照阻抗可分为：

• 基带同轴电缆：阻抗50Ω，用于数字传输(屏蔽层为铜)
• 宽带同轴电缆：阻抗75Ω，用于模拟传输(屏蔽层为铝)

按照粗细分为：

• 粗缆：最大传输距离500m
• 细缆：最大传输距离185m

双绞线(Twist Pair Cable)

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

这种绞合可以消除近端串扰(Crosstalk)

绞距(扭距)

绞距越小，越均匀，则抵消效果越好，传输性能越好

双绞线主要分为非屏蔽双绞线与屏蔽双绞线两种

非屏蔽双绞线(UTP)

上图所示就是非屏蔽双绞线

5类双绞线(CAT-5)可以提供10M，100M的数字带宽，使用了其中的两对线，分别用于收，发

在1000M以太网中，用到了全部的四对线

最大传输距离100米，广泛应用于局域网中

UTP优点：

• 成本低
• 尺寸小
• 易于安装

UTP缺点：

• 易受干扰
• 传输距离和性能都受到绞距的影响

屏蔽双绞线(STD)

相较于非屏蔽双绞线，屏蔽双绞线在每对线外以及全部四根线外均添加了屏蔽层

STP优点：

• 抗EMI/RFI干扰

STP缺点：

• 成本高
• 安装不易

网屏式双绞线

在成本和抗干扰之间做了折中，只在总的线外添加了屏蔽层

在局域网中，使用最多的是UTP

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光纤

光纤是光导纤维简称，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

光纤由三部分构成，上图中多种颜色的细管称作玻璃芯，外层银白色管道称为玻璃覆盖层，最外圈黑色部分称作塑料封套

玻璃覆盖层折射率小于玻璃芯，以此保证光都被限制在玻璃芯内

光纤工作的原理是利用了光的全反射

光纤优点

• 重量轻
• 损耗低
• 不受电磁辐射干扰(相较于铜芯等最明显优点)
• 传输带宽，通信容量普遍较大

光纤缺点

• 昂贵
• 易断裂(所以通常以光缆形式存在)

光纤分为：单模光纤与多模光纤

单模光纤

单一模式传输，激光产生单束光

纤芯细，高带宽，长距离

运行波长850nm~1300nm

多模光纤

以多个模式同时传输，LED产生的多束光

光传输系统由光源(LED,激光)，传输介质(光纤)和探测器(检测光源)构成

光纤常用规模

单模：8.3/125微米

多模：62.5/125微米

光纤断裂处理方式

1. 光纤连接器，简便，光损失10%~20%
2. 机械拼接，特殊套管夹紧，光损失10%
3. 熔合，几乎无损失，难度高

光线与铜线相比：

带宽高，距离远，损耗低，重量轻，最重要的是没有电磁干扰与射频干扰，可以防止窃听

缺点是端口设备价格高，成本高昂

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总结

光纤一般在干线上使用(垂直电缆)

UTP大量应用于用户桌面线缆(水平电缆)

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复用技术

多路复用通常表示在一个信道上传输多路信号或数据流的过程和技术。复用技术是在干线上的技术

频分多路复用FDM

原理：

在干线起点，信道的频谱被分成若干段(子带)每个用户占据一段来传输自己的信号。到了干线重点，每个子带的信号被单独分离出来给每个用户。相邻用户的子带之间，通常会留有一段带宽，以免混淆，这段贷款就称为保护带

正交FDM(OFDM)

一种更好利用带宽的FDM，没有保护带，且各个子带之间相互重叠。所以可以承载更多用户信息，传输效率得到极大提升

波分多路复用(WDM)

本质跟FDM一样，在光纤上复用信号，利用波长划分段

密集波分多路复用(DWDM)

当WDM的相邻波长间隔非常接近，子信道数目非常大时产生

时分多路复用技术(TDM)

在时间上划分信道，将时间划分为特别短的时间片(广泛用于电话系统与蜂窝系统)

要求在时间上必须同步，为适应时钟的微小，可能要求增加保护时间间隔

各用户需要的带宽不均衡，而TDM用户时间片的使用却是一样的，这会造成信道的浪费，不高效

统计时分多路复用技术(STDM)

为解决上述问题而产生

可以动态分配信道，按用户使用分配。(按需分配)

码分多址复用技术(CDMA)

允许每个站利用整个频段发送信号，而且没有任何时间限制

CDMA关键在于能够提取出需要的信号，同时拒绝所有其他信号，并把这些信号当作噪声。

例题：32 个用户共享 2.048 Mbps 链路，使用TDM（时分多路复用）。当每个用户轮流使用时，以全速度发送8位。用户需要多长时间才能发送一次？

自己独占资源的时候是8÷2.048M，有32个人平均分资源，用时8÷2.048M×32=125us。

例题：32 个用户共享 2.048 Mbps 链路，使用FDM（频分多路复用）。每个用户实际使用多少带宽？

频分多路复用，所以占用时间是所有时间，占用带宽=2.048Mbps/32=64kbps

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数字调试技术

调试机制使用信号来传输比特

方式1：基带传输(Baseband Transmission)

直接将数据比特转化为信号(一般工程中不采用这种简单方式，而是利用线路编码(Line codes)发送样本，符号，一个样本可传送一个或多个比特)，信号的传输占据传输介质从零到最大值之间的全部频率(有线传输介质普遍采用这种技术，eg:以太网)

方法2：通带传输(Passband Transmission)

通过调节信号的振幅，相位，或频率来传输比特

特点是信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带

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线路编码

不归零NRZ：高电平表示“1”，低电平表示“0”

这种方法简单但是有隐患，因为当信号中存在多个连续的0或1时，随时间飘移的累计，接收方无法分辨出几个0或1

不归零逆转NRZI

在比特时间中间做电压的跳变，表示“1”，无跳变表示“0”，这种方法解决了连续的1，但没解决连续的0的问题(在USB中采用这种方法)

曼彻斯特编码

在比特时间中间，电压从高跳变到低表示“1”，反之，从低跳变到高表示“0”(在经典的10base以太网中采用)。缺陷在于因为每次都在比特时间中间跳变，所以效率只有50%

双极编码(交替标记逆转AMI)

两级电压的交替出现表示“1”，不出现则表示“0”，这种方式实现了信号的平衡

4B/5B编码

将4比特数据映射为5比特模式(抛开连续0的组合，解决连续0问题)，相比曼彻斯特编码，编码效率提高到80%

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通带传输

在一个信道上，发送信息多使用的频率范围并不是从0开始的，在某个频段上，通过调节信号的振幅，相位或频率来传输比特

信号星座图

表示某种调试中信号的呈现模式

例如图中的QAM-16：QAM表示正交振幅调制，16表示调制方式中不同振幅和相位的信号组合模式，因为一比特蕴含两种模式，所以意味该模式下着一个符号(码元)可以传输4个比特。(2^4=16)

同理QAM-64中公有64个不同信号组合，即64个信号级别，所以每个码元可以传输6比特

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码元

承载信息量的基本信号单位，在数字通信中，常使用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字(二进制码元)

使用时间域(时域)的波形表示数字信号时，不同离散值的基本波形，就是码元

波特率(码率，符号率，采样率)

一秒钟能够发送的码元个数，代表每秒钟信号变化的次数

比特率(又叫位传输率，数据传输速率，数字带宽)

C=B*log_2N

C：比特率；B：波特率

N：信号呈现个数，为2的幂次方(有例外)

例题：一个调制解调器综合使用了幅移键控和相移键控。在波特率是1000波特的情况下数据速率达到3000bps，若采用0，90，180，270四种相位，则每种相位有几个不同的幅度值？

数据率是波特率的三倍，说明一个码元包含三个比特位，因此是8进制码元。相位只有四种，所以每种相位上要有2种不同的幅度值。

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格子架编码调制TCM

为了降低高速调制错误(信号呈现个数越密集，越容易发生错误)，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

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公共交换电话网PSTN

(Public Switched Telephone Network)

PSTN由本地回路，干线和交换局三部分构成

调制解调器

调制解调器的调制完成数字信号到模拟信号的转换

端局中codec的编码

完成模拟信号到数字信号的转换

PSTN的核心是脉码调制PCM

T系列是用于北美和日本的一个时分复用系统，每125微秒传送一个T1复用帧

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物理层设备

设备类型：

1. 被动(无源)部件/设备：插线板，插座，电缆…
2. 主动部件/设备：转发器，中继器，集线器…
   （其中RJ45的插座和水晶头是物理层非常重要的部件）
   [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-rTx4HZDv-1586083446363)(http://47.97.124.78:8000/wp-content/uploads/2020/03/RJ45.jpg)]

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有源部件或设备

收发器(Transceiver)

将一种形式的信号转变为另外一种形式，早期是一个外设，现在是网卡上的部件，主要负责收发信号

中继器(Reapter)

主要功能是再生信号(去噪，放大)，让线缆延伸更远，突破UTP100米的距离限制。注意：中继器不能过滤(设备以一定的特征屏蔽网络流量，并根据标准确定将流量转发或丢弃)流量

集线器(Hub)

定义：多端口的中继器。主要功能也是再生信号，去噪和放大，集线器有很多端口，允许很多设备链接上来。还可以作为星型拓扑的中心

集线器收到信号后只进行一个操作：广播（泛洪）

向除传入端口外的多有其他端口转发信息

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冲突：就是信号的碰撞

当使用物理设备时，更多的用户争抢共享资源，导致冲突

电气表现：电压异常，数据被破坏(需要重传)

冲突域：数据包产生以及发生冲突的网络区域，即共享介质的区域

冲突域越大，冲突可能性越大，网络性能降低

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当我们接入中继器和集线器，实际上是扩大了冲突域，让更多计算机共享资源

物理层设备都属于傻瓜设备，不具备过滤流量等智能功能

中继器，集线器等设备已经很少使用