物理层的基本概念

物理层：如何在连接计算机的传输媒体（光纤、双绞线、无线）上传输比特流。

物理层的主要任务为：规定传输媒体接口的一些特性：

机械特性：例如接口形状、接口大小、引线数目。
电气特性：例如电压范围（-5V~+5V）。
功能特性：例如-5V表示0，+5V表示1。
过程特性：建立连接时各个相关部件的工作步骤。

数据通信基础

数据通信模型

网线通过改变电压来模拟数字信号。比如0V表示0,5V表示1。或者-5V表示0，+5V表示1。

常用术语

信息：通信的目的是传送信息。

数据：将信息进行编码后变成数据，再进行传输。

信号：在通信线路上，数据需要变成电信号或光信号。

模拟信号：消息参数的取值是连续的。比如：1,2,3,4,5,6,7,8,9…………. 模拟信号在传输过程中如果出现信息干扰，导致波形变化，很难纠正。

数字信号：消息参数的取值是离散的。

比如：1和0，1,2,3,4,5，1,2,3,4,5,6,7,8。数字信号通过再生中继器可以修复指针的波形。

模拟信号转换成数字信号：

码元：数字信号波形中的一个基本单位。码元可以携带不同的信息量，比如模拟数字转化图中，图3的一个码元携带了3bit信息，图4的一个码元携带了1bit。

信道

信道：信息传输的通道。一条传输介质上可以有多条信道（多路复用）。

单向通信（单工通信）：信号只能向一个方向传送，并且不能改变传送方向。比如：无线电广播、有线电视广播。

双向交替通信（半双工通信）：信号可以双向传送，但是必须交替进行，同一时间只能向一个方向传送。比如：对讲机。

双向同时通信（全双工通信）：信号可以双向传送，并且同时传送。比如：电话、手机。

调制

基带信号：来自信源的信号。比如，电台主播发出的声音，网页显示的内容。

带通信号：将基带信息经过载波调制后的信号。比如：电台发出的电波，网络传输的数据。

调制分为基带调制和带通调制两大类。

基带调制

基带调制（编码）：将一种数字信号转换成另一种数字信号。编码仅对基带信号的波形进行变换，使它能与信道特性相适应，变化后的信号仍然是基带信号。比如，主机中的网页数据转换成显示屏画面。

单极性归零码：01110表现为 0 01 01 01 0

双极性归零码：-1111-1表现为 0-10 010 010 010 0-10

单极性不归零码：01110表现为 0 1 1 1 0

双极性不归零码：-1111-1表现为 -1 1 1 1 -1

曼彻斯特编码：低-高表示0，高-低表示1。

差分曼彻斯特编码：bit-bit之间有信号跳变表示0，bit-bit之间无信号跳变表示1

带通调制

带通调制：将数字信号转换成带通信号。通过载波调制，将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。比如，将网页的内容转换成数据传输到主机上。

带通调制的方法：

调幅（AM）：无振幅表示0，有振幅表示1。

调频（FM）：低频表示0，高频表示1。

调相（PM）：正弦波表示0，余弦波表示1。

信道极限容量

实际的信道带宽一定存在噪声，噪声会使得信号波形发生改变。

信道带宽 = 最高频率 - 对低频率

奈式准则

奈氏准则：在理想条件下，码元传输的速率有上限值，否则就会出现码间串扰问题。
理想条件下的极限数据传输率=2Wlog₂V（b/s） ;
W：信道带宽，单位HZ
V：几种码元/码元的离散电平数目

香农公式

信噪比：信号的平均功率S和噪声的平均功率N之比，常记为S/N或SNR，单位为分贝dB。
SNR=10×log₁₀(S/N)（dB）

香农定理：在带宽受限的有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
C=W log₂(1+S/N)（b/s或bps）

C：信道的极限数据传输速率
w：带宽，单位HZ
S/N：信噪比

香农公式表明 :

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
香农定理得出的为信道的极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

物理层下面的传输媒体

导向传输媒体

导向传输媒体，指电磁波沿着固体媒体传播。

双绞线

无屏蔽双绞线 UTP：将两根铜线缠绕起来，可以降低两根铜线之间的电磁干扰。
屏蔽双绞线 STP：屏蔽层可以屏蔽外界的电磁干扰。

同轴电缆（有线电视）

50Ω同轴电缆（基带同轴电缆）：用于数字传输，多用于基带传输。
75Ω同轴电缆（宽带同轴电缆）：用于模拟传输，多用于带通传输。

网线

不同设备用直通线（T568B-T568B），相同设备交叉线（T568B-T568A）。

光纤

优点：

通信容量非常大
传输损耗小，中继距离长。（远距离传输非常经济）
抗雷电和电磁干扰性能好。（在大电流脉冲干扰环境下尤为重要）
无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
体积小，重量轻。

单模光纤：使用昂贵的半导体激光器，衰耗较小。

多模光纤：使用便宜的发光二极管，衰耗较大。

非导向传输媒体

非导向传输主要指无线传输

无线电频段

短波通信

短波通信即高频通信，主要依靠电离层的内射，通信质量较差。

微波通信

微波通信，主要是直线传播，延迟比较大。

物理层设备

集线器

集线器：只起到信号放大和重发的作用。
其目的是扩大网络的传输范围，但不具备信号的定向传送能力。因为集线器只要接受到信号，就会向所有连接到该集线器的网线传送信号。

并且在集线器传送数据时，其他网线无法传送信号到集线器，所以说集线器是一个大的冲突域。（物理层设备，毫无智商可言）

中继器

中继器：中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能。用于扩展局域网网段的长度（仅用于连接相同的局域网网段）。

信道复用技术

单独使用信道浪费资源。

频分复用 FDM

频分复用：在带宽中给，每个用户分配一个固定的频带。

频分复用的实现过程：

时分复用 TDM

时分复用：将时间划分为一段等长的时分复用帧（TDM帧）。在每一个TDM帧中，给每个用户分配一个固定序号的时隙。

但是时分复用会造成资源浪费：

于是出现了统计时分复用，在数据上加上了标记：

波分复用

波分复用：实际上就是光的频分复用。光使用波长表示，而不是频率表示。

宽带接入技术

xDSL

铜线宽带接入技术（x Digital Subscriber Line）：也就是数字用户线路的总称，是使用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。

ADSL

非对称数字用户线路（Asymmetric Digital Subscriber Line）：亦可称作非对称数字用户环路，也是使用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。

ADSL 考路了用户访问互联网的主要目的是获取网络资源，所以需要更多的下载流量，较少的上行流量。因此 ADSL 上行下行的带宽被设计成了不对称的形式。

ADSL接入网络的组成：

HFC

光纤同轴混合网（Hybrid Fiber Coax）：是在覆盖面非常广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。

HFC接入网络的组成：

光纤接入技术

从技术上讲，光纤到户是最好的选择。就是把光纤一直铺设到用户家中，在用户家中才将光信号转换成电信号，这样用户可以得到更高的上网速率。

根据光线到用户的距离来分类：

光纤到小区 FTTZ（Fiber To The Zone）
光纤到路边 FTTC（Fiber To The Curb）
光纤到大楼 FTTB（Fiber To The Building）
光纤到户 FTTH（Fiber To The Home）
光纤到桌面 FTTD（Fiber To The Desk）

移动互联网接入技术

移动互联网：就是将移动通信和互联网二者结合起来，成为一体。

4G IP网络：