计算机网络物理层的特性,计算机网络物理层思维导图
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一、物理层的基本概念
物理层关注的是如何在连接各种计算机的传输介质上传输数据比特流，而不是特定的传输介质。
物理层的作用是尽可能屏蔽不同传输介质和通信手段之间的差异。
用于物理层的协议通常也称为物理层过程。
1.物理层的主要任务
主要任务：确定与传输介质接口的一些特性。
机械特性：表示接口所用连接器的形状和尺寸，引线的数量和排列，固定和锁定装置等。
电气特性：表示接口电缆每条线上出现的电压范围。
功能：表示某一线路上出现的某一电平电压的含义。
过程特性：表明不同功能的各种可能事件发生的顺序。
二、数据通信的基础知识
1.数据通信系统模型
一个数据通信系统包括三个部分：源系统(或发送方，发送方)，传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收方，接收方)。
常用术语：
数据(data) ——携带消息的实体。
数据的电或电磁表示。
模拟信号)——表示消息的参数值是连续的。
数字信号)——表示消息的参数值是离散的。
2.关于渠道的几个基本概念？
信道——一般用于表示在某个方向上传输信息的介质。
单向通信(单工通信)3354只能在一个方向上进行通信，而不能在相反方向上进行交互。
双向交替通信(半双工通信)3354通信双方都可以发送信息，但不能同时发送(当然也不能同时接收)。
双向通信(全双工通信)3354通信双方可以同时发送和接收信息。
基带信号(即，基本频带信号)——是来自源的信号。诸如表示各种文本或图像文件的计算机输出的数据信号属于基带信号。
基带信号往往包含更多的低频分量，甚至是DC分量，很多信道无法传输这样的低频分量或DC分量。因此，基带信号必须进行调制。
调制分为两类：
基带调制：仅变换基带信号的波形，使其适应信道特性。转换后的信号仍然是基带信号。这个过程叫做编码。
带通调制(Band-pass modulation):利用载波进行调制，将基带信号的频段移动到更高的频段，转换成模拟信号，使其在模拟信道中更好地传输(即只能在某一频段通过信道)。
波段信号：由载波调制的信号。
(1)常用的编码方法
不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
零：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：比特周期中心向上跳变代表0，比特周期中心向下跳变代表1。但也可以反过来定义。
差分曼彻斯特编码：每个比特的中心总是有一个跳跃。在位边界开始处的跳跃表示0，而在位边界开始处没有跳跃表示1。
从信号波形可以看出，曼彻斯特码和差分曼彻斯特码产生的信号频率高于不归零制。
从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身提取信号时钟频率(这叫无自同步能力)，而曼彻斯特码和差分曼彻斯特码具有自同步能力。
(2)基本带通调制方法
基带信号往往包含更多的低频分量，甚至是DC分量，很多信道无法传输这样的低频分量或DC分量。为了解决这个问题，有必要对基带信号进行调制。
最基本的二进制调制方法如下：
AM:载波的幅度随着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。
相位调制(PM):载波的初始相位随基底而变化
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时都会造成各种失真和干扰。
符号传输速率越高，信号传输距离越远，或者传输介质质量越差，信道输出端的波形失真就越严重。
数字信号通过实际的通道。
从概念上讲，有两个因素限制了信道上符号的传输速率：
信道可以通过的频率范围
(1)信道可以通过的频率范围
特定信道可以通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频成分通常不能通过信道。
1924年，奈奎斯特推导出著名的奈奎斯特准则。为了在假设的理想条件下避免符号间干扰，他给出了符号传输速率的上限。
在任何信道中，符号传输的速率都有一个上限，否则会出现符号间干扰的问题，使得接收端无法判断(即识别)符号。
如果信道的频带更宽，即信号的高频分量可以通过的越多，则符号可以以更高的速率传输，而没有符号间干扰。
(2)信噪比
噪声存在于所有电子设备和通信信道中。
噪声是随机产生的，其瞬时值有时很大。因此，噪声会使接收端对符号的判决错误。
但是噪音的影响是相对的。如果信号比较强，噪声的影响就比较小。
信噪比是信号的平均功率与噪声的平均功率之比。它通常被记录为信噪比，以分贝(dB)为单位。即：
信噪比(dB)=10 log10(信噪比)(dB)
例如，当信噪比=10时，信噪比为10dB，而当信噪比=1000时，信噪比为30dB。
1984年，Shannon用信息论的理论推导出了有限带宽和高斯白噪声干扰下信道的极限和无错信息传输速率(Shannon公式)。
信道的极限信息传输速率c可以表示为：
C=W log2(1 S/N)(位/秒)
其中：W是信道的带宽(Hz)；
s是在信道中传输的信号的平均功率；
n是信道内的高斯噪声功率。
香农公式表明：
信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的最终传输速率越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就能找到某种方法实现无差错传输。
如果信道带宽W或者信噪比S/N没有上限(当然实际信道不可能是这样的)，那么信道的最终信息传输速率C就没有上限。
在实际信道中可以达到的信息传输速率远低于香农极限传输速率。
请注意：
如果信噪比不能再提高，符号传输速率已经达到上限，那么还有一种方法可以提高信息传输速率。
也就是说，通过编码，每个符号可以携带更多比特的信息。
三。物理层下的传输介质
传输介质也叫传输介质或传输媒介，是数据传输系统中发送方和接收方之间的物理路径。
传播媒介可分为两类，即导向传播媒介和非导向传播媒介。
在导向传输介质中，电磁波被引导沿固体介质(铜线或光纤)传播。
非导向传输介质是指自由空间。在无导向传输介质中，电磁波的传输通常称为无线传输。
电信中使用的电磁波频谱；
1.导向传输媒体
非屏蔽双绞线
最常用的传输介质。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离通常为几到十公里。
屏蔽双绞线
带有金属屏蔽层
非屏蔽双绞线UTP(非屏蔽双绞线)
双绞线标准：
1991年，美国电子工业协会和电信工业协会的EIA联合发布了室内数据传输用非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准EIA/TIA-568。
1995年，布线标准更新为EIA/TIA-568-A。
本标准规定了五种UTP标准(来自Categ
常用绞线的类型、带宽和典型应用
同轴电缆
同轴电缆具有良好的抗干扰特性，广泛用于传输高速数据。
同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
常用5同轴电缆3354 LAN/数字传输。
7同轴电缆3354有线电视/模拟传输常用
光缆
它是光纤通信的传输介质。
因为可见光的频率很高，大约108 MHz，所以光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他传输介质的传输带宽。
当光线从高折射率介质投射到低折射率介质时，其折射角会大于入射角。所以，如果入射角足够大，就会出现全反射，光会沿着光纤传输。
光纤的工作原理：
只要光从核心到核心表面的入射角大于某个临界角，就可以发生全反射。
多模光纤和单模光纤；
多模光纤
有许多以不同角度入射的光线可以在一根光纤中传输。这种光纤称为多模光纤。
单模光纤
如果把光纤的直径缩小到只有光的一个波长，那么光纤就像一个波导，可以使光向前传播而不会多次反射。这种光纤被称为单模光纤。
光纤通信中使用的光波波段
三个常用波段的中心分别位于850纳米、1300纳米和1550纳米。
三个频段都有25000~30000 GHz的带宽，可见光纤的通信容量是非常大的。
光纤的优势：
通信容量非常大。
传输损耗低，中继距离长。
良好的抗雷电和电磁干扰能力。
无串音干扰，保密性好。
体积小，重量轻。
2.非导向传输媒体
自由空间被称为“非导向传输介质”。
无线传输使用宽频带。
短波通信(即高频通信)主要依靠电离层的反射，但短波信道通信质量差，传输速率低。
微波在空间主要以直线传播。
传统的微波通信有两种方式：
地面微波中继通信
卫星通信
无线局域网使用的ISM频段
使用某一无线电频谱进行通信，通常需要从该国政府的相关无线电频谱管理组织获得许可证。但是，也有一些无线电频段可以自由使用。例如：ISM。不同国家的ISM标准可能略有不同。
1.频分复用、时分复用和统计时分复用
复用是通信技术中的一个基本概念。它允许用户使用共享通道进行通信，从而降低成本并提高利用率。
频分复用(FDM)。
整个带宽被分成多个部分，分配到某个频段后，用户在通信过程中自始至终占用这个频段。
频分复用的所有用户同时占用不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据传输速率)。
时分复用(TDM):
时分复用(TDM)是将时间分成等长TDM帧的片段。每个TDM用户在每个TDM帧中占用固定数量的时隙。
每个用户占用的时隙是周期性出现的(其周期为TDM帧的长度)。
TDM信号也称为同步信号。
时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的带宽。
时分复用可能造成线路资源的浪费；
在使用时分复用系统传输计算机数据时，由于计算机数据的突发性，用户对分配的子信道的利用率一般不高。
2.波分复用(WDM)
波分复用是光的频分复用。单根光纤用于同时传输多个光载波信号。
3.码分复用
一个常见的名词是码分多址(CDMA)。
每个用户使用特别选择的不同代码类型，因此不会相互干扰。
该系统发出的信号抗干扰能力强，其频谱类似于白噪声，不易被检测到
要连接到互联网，用户必须首先连接到ISP。
在互联网发展初期，所有用户都是通过电话用户线通过调制解调器连接到ISP，电话用户线接入互联网的最高速率只有56 kbit/s。
联邦通信委员会FCC最初认为，只要双向速率之和超过200 kbit/s，就是宽带。但2015年被重新定义为：
下行速率要达到25mbit/s
上行速率应该达到3 mbit/S
从宽带接入媒体的角度来看，可以分为两类：
宽带接入
无线接入
下面讨论有线宽带接入。
非对称数字用户线路ADSL(asymmetric digital subscriber line)技术是用数字技术改造现有的模拟电话用户线路，使其能够承载宽带业务。
标准电话信号的频带被限制在300~3400 Hz，但用户线本身能通过的实际信号频率仍超过1 MHz。
ADSL技术将0~4 kHz低端频谱留给传统电话，而将未使用的高端频谱留给用户上网。
是DSL(数字用户线路)的缩写。
ADSL的传输距离取决于数据速率和用户线的线径(用户线越细，信号传输的衰减越大)。
ADSL能达到的最高数据传输速率与用户线上的实际信噪比密切相关。
例如：
直径为0.5 mm的用户线，以1.5~2.0 Mbit/s的传输速率，可以传输5.5公里，但当传输速率提高到6.1 Mbit/s时，传输距离缩短为3.7公里。
如果用户线的线径缩小到0.4mm，以6.1mbit/s的传输速率只能传输2.7km。
ADSL功能
并且上行带宽和下行带宽是不对称的。
上行是指从用户到ISP，下行是指从ISP到用户。
ADSL调制解调器安装在ADSL用户线(铜线)的两端。
目前国内采用的方案是离散多音(DMT)调制技术。
这里的“多音”是指“多载波”或“多子信道”。
ADSL数据速率
因为用户线的具体情况往往差别很大(距离、线径、与相邻用户线的干扰程度等。)，ADSL采用自适应调制技术，使用户线能够传输尽可能高的数据速率。
ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器测试可用频率、各子信道的干扰、各频率信号的传输质量。
ADSL不能保证固定的数据速率。对于质量差的用户线，ADSL甚至无法开通。
一般下行数据速率在32千比特/秒到6.4兆比特/秒之间，上行数据速率在32千比特/秒到640千比特/秒之间。
ADSL的组成
第二代ADSL
包括ADSL2(G.992.3和G.992.4)和ADSL2 (G.992.5)。通过提高调制效率，可以获得更高的数据速率。
ADSL2要求至少支持下行速率8 Mbit/s，上行速率800 kbit/s。
ADSL2将频谱从1.1 MHz扩展到2.2 MHz，下行速率可达16 Mbit/s(最大传输速率可达25 Mbit/s)，上行速率可达800 kbit/s.
采用了无缝速率适配技术SRA(Seamless Rate adaption ),可以在不中断通信、不产生运行误码的情况下，自适应调整数据速率。
完善了线路质量评估和故障定位功能，对提高网络运维水平具有重要意义。
2.光纤同轴混合网络(HFC网络)
HFC(混合光纤同轴电缆)网络是在CATV基础上发展起来的一种住宅宽带接入网，目前覆盖范围很广。
HFC网络不仅可以传输有线电视，还可以提供电话、数据等宽带互动业务。
现有的有线电视网络是一个树状拓扑的同轴电缆网络，采用模拟技术的频分复用单向传输电视节目。
HFC网络改造有线电视网络。
HFC网络将原有CATV网络中的同轴电缆主体部分改为光纤，采用模拟光纤技术。
光的调幅AM用于模拟光纤，比数字光纤更经济。
模拟光纤从头端连接到光纤节点，即ODN(光分配节点(ODN))。光信号在光纤节点被转换成电信号。光纤节点下面是同轴电缆。
HFC网络采用节点架构。
HFC网络具有双向传输功能，扩展了传输频带。
电缆调制解调器(电缆调制解调器)
电缆调制解调器是一种用于HFC网络的调制解调器。
cable modem最大的特点就是传输速率高。
下行速率一般在3 ~ 10兆比特/秒之间，最高可达30兆比特/秒.
上行速率一般为0.2 ~ 2 Mbit/s，最高可达10 Mbit/s.
电缆调制解调器比普通电话线上使用的要复杂得多，而且不是成对使用，只安装在用户端。
3.FTTx技术
FTTx是实现宽带住宅接入网的方案，代表了多种宽带光纤接入方式。
FTTx代表光纤到…，例如：
FTTH(光纤到户(FTTH):光纤一直铺设到用户家中，这可能是住宅接入网的最后一个解决方案。
FTTB(光纤到建筑物):光纤进入建筑物后被转换成电信号，然后通过电缆或双绞线分配给用户。
FTTC(光纤到户):光纤敷设到路边，采用星型结构的双绞线作为传输介质，从路边到用户。
无源光网络
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