计算机网络体系结构——物理层

一、物理层的基本概念

学习物理层时，重点主要在掌握基本概念上。

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。用于物理层的协议也常被称为物理层规程。

物理层的主要任务可以认为是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：
- 机器特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
- 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示何种意义。
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机中多采用并行的传输方式，在通信线路上的传输方式一般是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输，因此成物理层还要完成传输方式的转换。

二、数据通信的基础知识

1、数据通信系统

一个数据通信系统可分为三个部分，源系统（发送端）、传输系统（传输网络）、目的系统（接收端）。

• 源系统中，一般包含源点（数据来源，如键盘）、发送器；
• 目的系统中包含接收器、终点（数据最终目的地，如屏幕）。

通信的目的是为了传递消息，不管是语音、文字、图像等都是消息，而数据是运送消息的实体，信号则是数据的电磁或者电气表现。而信号又根据代表消息的取值方式不同分为：
- 模拟信号（又叫连续信号）——消息的参数的取值是连续的；
- 数字信号（又叫离散信号）——消息的参数取值是离散的。在使用时间域的波形标识数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形被称为码元。二进制编码时，只有两种码元（0和1）。

2、信道的基本概念

信道（channel）一般是用来表示向某个方向传送信息的媒体。所以，一条通信的电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

根据双方的交互方式，可以有以下三种方式：

• 单向通信（或单工通信）：只有一个方向的通信。如无线广播、有线电视。
• 双向交替通信（或半双工通信）：双方都可以发送信息，但不能同时发送。
• 双向同时通信（或全双工通信）：双方可以同时收发信息。

来自信源的信号通常称为基带信号（基本频带信号）。这种信号往往包含很多低频成分或直流成分，许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。所以，就需要对基带信号进行调制。

• 基带调制：对基带信号波形进行转换，使它能够与信道特性相适应。
• 带通调制：通过使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。通过载波调制的信号称为带通信号。

而带通调制的方法有以下几种：
- 调幅（AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
- 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。
- 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号变化。

为达到更高的信息传送速率，就需要采用更复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。如，正交振幅调制QAM。

3、信道的极限容量

数字通信有个优点：只要在接收端能从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信就没有影响。但是，如果码元传输速率越高，或者信号传输距离越远，或噪声干扰越大，传输媒体质量越差，就会导致波形失真越严重。如图：

从理论上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：
- 信道能够通过的频率范围：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，超过上限，就会出现严重的码间串扰，使接收端对码元的识别成为不可能。
- 信噪比：噪声有可能会导致识别错误。当信号越强的，噪声影响就越弱。因此，信噪比很重要。信噪比是指信号平均功率和噪声平均功率的比。
信道的带宽或信道的信噪比越大，则信息传送速率就越高。

如何提高信息的传送速率呢？还有一种方法，即让每一个码元携带更多比特信息。

三、物理层下面的传输媒体

传输媒体（又称传输介质、传输媒介）是指数据传输系统中在接收器和发送器之间的物理通路。一般分为导向传输媒体（电磁波被导向，沿着固体媒体传播，如光纤或铜线）和非导向传输媒体（无线传输）。

四、信道复用技术

1、频分复用、时分复用和统计时分复用

最基本的复用是频分复用（Frequency Division Multiplexing）和时分复用（Time Division Multiplexing）。频分复用是指所有用户在同一时间占用不同的带宽（这里是指频率带宽而不是数据发送速率）资源。时分复用是指所用用户不同时间段占用同样的频带宽度。

统计时分复用是一种改进的时分复用，能明显提高信道利用率。它不固定分配时隙，而是按需动态分配。因此，一个用户所占的时隙不是周期性出现的。所以，统计复用又成为异步时分复用，普通的时分复用称为同步时分复用。

2、波分复用

波分复用其实就是光的频分复用。光纤技术使得数据的传输速率空前提高。

3、码分复用

码分复用CDM是另一种共享信道的方法。更常用的是码分多址CDMA。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，各用户之间不会造成干扰。最初是用于军事通信的。

五、宽带接入技术

1、xDSL技术

xDSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户进行改造。DSL是数字用户线（Digital Subscriber Line）的缩写。而前缀x是指不同宽带方案。

类型 名称 ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line） 非对称数字用户线 HDSL（High speed DSL） 高速数字用户线 SDSL（Single-line DSL） 1对线的数据用户线 VDSL(Very high speed DSL) 甚高速数字用户线

2、光纤同轴混合网（HFC（Hybrid Fiber Coax）网）

HFC是目前覆盖面很广的有线电视网（CATV）的基础上开发的居民宽带接入网。除了可传送CATV外、还提供电话、数据、其他宽带交互型业务。有如下几个特点：
- HFC网主干线路采用光纤
- HFC网采用结点体系结构
- HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能
- 每个家庭要安装一个用户接口盒

3、FTTx技术

FTTx（光纤到……），这里的x有不同含义。如：

类型 名称 FTTH（Fiber To The Home） 光纤到户 FTTB（Fiber To The Building） 光纤到大楼 FTTC（Fiber To The Curb） 光纤到路边 FTTO(Fiber To The Office) 光纤到办公室 FTTN(Fiber To The Neighbor) 光纤到邻区 FTTD(Fiber To The Door) 光纤到门户 FTTF(Fiber To The Floor) 光纤到楼层 FTTZ(Fiber To The Zone) 光纤到小区