物理层

  前一篇文章介绍了整个计算机网络体系的结构，这种结构是分层的，所以接下来的文章将会以每一层作为一篇来学习记录。个人理解难免有误，多多包含指正！

   首先是物理层。

   首先要强调指出，物理层考虑的是怎样才能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。进一步讲就是，物理层的作用是要尽可能的屏蔽掉计算机网络中的硬件设备和传输媒体的差异，毕竟世界上有那么多硬件设备制造商，我们上网使用的手段也很多，硬件当然是种类繁多了。物理层要做的就是尽可能屏蔽掉这种差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层次的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。用于物理层的协议也同常称之为规程。

 

第一部分  物理层的基本概念

   物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的特性：

        （1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚的数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

        （2） 电器特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。

        （3） 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。

        （4） 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件出现的顺序。

    学过计算机体系结构或计算机组成原理的都知道，数据在计算机中多采用并行传输方式（因为是在计算机内的传输，不是长途传输所以并行传输是解决传输效率的最直接手段），但是数据在通信线路上传输的方式一般都是串行传输，因为这种传输的距离可能很远这个时候采用并行传输的成本是很高昂的，且要满足并行传输的通信线路将会变得非常复杂。可以看出当我们使用PC上网时，数据的传出方式通常都有两种即并行传输和串行传输，因此物理层还需要解决传输方式的转换。简单解释下并行传输和串行传输：

    （1）并行传输：一个数据包的各位是同时传输的，比如一个六位的二进制比特流101101，在传输时是高位和低位同时传输的，这样的传输效率是相当高的。当然这样做的代价就是需要6条线路，因此，如果是长途通信，比如我在武汉你在深圳我们上网用QQ聊天，如果数据是并行传输，这么远的距离，再加上传输的数据包通常是64、128、256、1024等字节大小（当然还跟操作系统和带宽有关系，后面会说到），一个字节=8位，so如果实现这么远的传输成本就不难想象了。正因如此数据在通信线路上采用串行传输以节省成本。

   （2）串行传输：比特流按照先传输低位再传输高位的原则传输。这样如果是一个字节的数据（8位）就需要分8次传输，因此这样的传输效率并不高，但是目前市场上外部通信都是这种方式。

    在这里拓展下，什么是比特流？数据在我们逻辑意义上都是以1和0的形式存在，在物理意义上就是高电平和低电平的形式存在，数据在传送时，在线路上是以电压的形式传输的，这种说法不太对。初中物理都学过，电路中传输的是子电流啊，电压是表示两端的电势差。没错，我们所说的以电压的形式传输的意思就是（就串行传输来讲）：每位的数据在传输时是有一定的时段的，在这个时段如果是“1”表示是高电压，那么该时段就会控制相应的电路产生高电压，如果下个时段是“0”那么就控制输出低电压，至于电压是多大以及表示的什么意思那就是物理层的功能特性所规范的了。大二的时候电子电路、模电没学好。。也就理解这么深了。不过要知道的是，1和0的本质在具体表现皆为高低电压。

 第二部分 数据通信的基础知识

      一个数据通信系统可划分位三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统、目的系统。

     源系统包括以下部分：

    （1）源点：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC机的键盘输入汉子，PC机产生输出的数字比特流，源点又称为信源。

    （2）发送器：通常源点生成数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输，典型的发送器就是调制器。很多PC机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC机外面是看不到调制解调器的

    目的系统包括以下部分：

   （1） 接收器：接收传输系统传送过来的信号，，并把它转换位能够被目的设备处理的信息，典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

    下面介绍常用的名词概念

    消息：通信的目的是传送消息，如话音、文字。图像等。

    数据：是运送消息的实体。

    信号：是数据的电气的或电磁的表现，我们通常说的传输的数据就是以这种信号来传递的。

信号分下面两类：

   模拟信号：也叫连续信号，代表消息的参数的取值是连续的。

   数字信号：也叫离散信号，代表消息的参数的取值是离散的。（离散数学老师表示我教过你们这么课 - -、）。在使用时间域的波形表示数据信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

   信道的概念

   很多情况下我们要使用信道这个名词。信道和电路并不等同，信道一般都是用来表示向某一个方向传送消息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从双方通信的方式来看，分为单向通信（几只能有一个方向通信没有反方向的通信），双向交替通信、双向同时通信。

   来自信号源的信号通常称为基带信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而很多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，为了解决这个问题，就必须对基带信号进行调制。

    调制可分为两大类：

    （1） 基带调制：仅仅时对基带信号的波形进行变化，使他能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然时基带信号。

    （2）带通调制：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较高的频段在信道中传输，这种调制后，仅仅允许一段频率范围内能够通过信道。带同调制包括调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。

     什么是信道的极限容量？

    实际上，在任何信道中传输数据都是不理想的，在传输过程中会产生各种失真，我们知道，数字通信的有点就是在接收端只要我们能够从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。。但是如果失真很严重，在接收端无法识别码元是1还是0，那就无法识别了。码元的传输速率越高，或心好好传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形失真越严重。

   具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信号中额度高频分量在传输时收到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就会变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间接线也不再时和明确的，而是前后都拖了一条“尾巴”。也就是说，扩散了的码元波形所占的时间也变得更宽了。这样，在接收端收到的信号波形就市区了码元之间的清晰界限了，这种现象就是“码间串扰”。严重的码间串扰使得本来分的很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。

   为了避免码间串扰，码元的传输速率就有必要受到限制，这就是码元传输速率的上限值。要记住：在任何信道中，码元传输的速率时有上限的，传输速率超过此上线就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决称为不可能。

  至于信噪比、香农公式就不提了。只需要知道，香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大、信息的极限传输速率就越高。

第三部分  物理层下面的传输媒体

   传输媒体，也称为传输介质或传输媒体介质，他就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。而非导向传输媒体就是指自由控件，称之为无线传输。

   导向传输媒体：

    （1） 双绞线：使用铜导线制成，通信距离一般在几到十几公里，对于模拟传输，如果距离太长就要加放大器（模电中的概念...表示已哭瞎）以便耍贱了的信号放大到合适的数值。对于数字传输，如果距离太大就需要加中继器。

    （2）同轴电缆：由内道题铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导屏蔽层组成，具体百度谷歌之。

    （3）光缆：我们很熟悉的概念，就是光纤（来 跟我一起念 ：xian.....）通信。光纤是由石英玻璃制成。具体百度谷歌之。

第四部分  信道复用技术

    复用是通信技术中的基本概念。

    假设有A1、B1、C1分别使用单独的信道和A2、B2、C2进行通信，总共需哟啊三个信道。但是如果在发送端使用一个复用器，就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

    频分复用（FDM）：简单，用户在分配到频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。可见频分复用是所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的带宽是指频率的带宽而不是数据的发送速率）。

   时分复用（TDM）：时分复用将时间划分为一段段登场的时分复用帧（TDM帧），每一个时分复用的用户在每一个TDM帧占用固定序号的时隙。可见时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

   在进行通信时，复用器和分用器都是成对的使用，在复用器和分用器之间时用户共享的告诉信道。另外还有波分复用（WDM）、码分复用（CDM）etc.具体百度谷歌之。

第五部分  宽带接入技术

    首先要明确，什么是宽带？宽带没有明确的定义，一般是指数据传输速率超过56kb/s（有的认为要达到1m或2m）就是宽带。

    现在，宽带技术基本上我们没家都在使用。xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使他能够承载宽带业务。xDSL有几种类型，其中ADSL是非对称数字用户线，是告诉用户数字线。。。

    不多说，具体百度谷歌之。。。

  这里说下工作在物理层的几个常用组件：调制解调器、集线器。

    （1）调制解调器：连入网络后，当PC机向Internet发送信息时，由于电话线路传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号翻译"成模拟信号，才能传送到Internet上，这个过程叫做"调制"。当PC机从Internet获取信息时，由于通过电话线路从Internet传来的信息都是模拟信号，所以PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译”，这个过程叫作“解调”。总的来说就称为“调制解调”。当然了调制解调器的相应驱动也是关键。

    （2）集线器：集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于物理层。

   下一章说数据链路层。