计算机网络与技术——物理层

👻物理层的基本概念

物理层是计算机网络OSI模型中最低的一层，它规定了为传输数据所需要的物理链路的创建、维持、拆除，以及提供具有机械的、电子的、功能的和规范的特性。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，而不是具体的传输媒体。物理层的主要任务是为数据传输提供可靠的环境，它为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。物理层的基本概念包括物理层的作用、物理层的主要任务、数据在传输媒体上的传输方式等。用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure），其实物理层规程就是物理层协议。

数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般式串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输，因此物理层还要完成传输方式的转换。

✨补充
并行传输是指一次发送$n$个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有$n$条传输线路。并行传输的优点是可以提高传输速度，但是需要更多的传输线路和更复杂的硬件。并行传输常用于计算机内部的数据传输，而串行传输则常用于远距离传输。

👻数据通信基础知识

🚢数据通信系统的模型

下面我们用两台计算机通过普通电话线的连接，在经过公用电话网进行通信来模拟一个数据通信系统的模型。

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端，发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）

源系统一般包括两部分：

• 源点（source）：源点设备产生要传输的数据，源点又称为源站或信源。
• 发送器：通常源点产生的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。

目的系统一般包括两部分：

• 接收器：接收传输系统发送过来的信号，并把它转换成能够被目的设备处理的信息，典型的接收器就是解调器。
• 终点（destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。终点又称为目的站或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

通信的目的是传递信息，它可以是实时的或非实时的，可以是语音、文本、图像、视频等不同类型的信息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表信息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

• 模拟信号，或连续信号：模拟信号是指信号的参数随时间连续变化的信号，模拟信号可以表示连续变化的物理量，如声音、图像等。模拟信号的参数可以是连续的，也可以是离散的，但是它们的取值是连续的。模拟信号的特点是可以表示连续变化的物理量，但是它们的传输和处理比较复杂，容易受到噪声的干扰。
• 数字信号，或离散信号：数字信号是指信号的参数是离散的、可用有限位的二进制数表示的信号。数字信号可以表示离散的物理量，如计算机中的数据、图像、声音等。数字信号的特点是传输和处理比较简单，不容易受到噪声的干扰，但是它们不能表示连续变化的物理量。

🚢信道的基本概念

信道是指用于传输信号的通道，它可以是物理的、电磁的、光学的或其他形式的通道。信道可以是有线的，也可以是无线的。信道的基本特性包括带宽、衰减、噪声、干扰等。带宽是指信道能够传输的最大信息量，它是信道的重要特性之一。衰减是指信号在信道中传输时的能量损失，它会影响信号的传输质量。噪声是指信道中的干扰信号，它会影响信号的传输质量。干扰是指信道中的其他信号对信号传输的影响，它会影响信号的传输质量。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

• 单向通信：又称为单工通信，是指从一个设备向另一个设备发送信息，而接收方不能发送信息的通信方式。单向通信通常用于广播、电视、收音机等媒体传输，也可以用于网络通信中的服务器向客户端发送信息。单向通信的优点是简单易用，传输效率高，但是缺点是不能实现双向通信，不能实现实时交互。
• 双向交替通信：又称为半双工通信，双向交替通信是指双方可以相互发送信息，但是每次只能有一个设备发送信息，另一个设备接收信息。双向交替通信通常用于电话通信、视频会议等场景，也可以用于网络通信中的客户端和服务器之间的通信。双向交替通信的优点是可以实现双向通信，可以实现实时交互，但是缺点是传输效率相对较低。
• 双向同时通信：又称为全双工通信，双向同时通信是指双方可以同时发送和接收信息的通信方式。双向同时通信通常用于局域网、广域网等网络通信中，也可以用于蓝牙、Wi-Fi等无线通信中。双向同时通信的优点是传输效率高，可以实现实时交互，但是缺点是需要较高的带宽和较复杂的硬件设备。

来自信源的信号常称为基带信号，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，基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。调制是指将基带信号转换为射频信号的过程。在调制过程中，基带信号被转换为高频信号，以便在无线电波中传输。调制的目的是将基带信号转换为射频信号，以便在无线电波中传输。

调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行交换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码（coding）。另一类调制则需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输，经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

常用的编码方式

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0，不归零制编码是效率最高的编码，但是它难以界定一个数据位的结束和另一个数据位的开始，需要有某种机制保证发送器和接收器之间的定时或同步。
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0，归零制编码是效率最低的编码，但是它容易界定一个数据位的结束和另一个数据位的开始，不需要有某种机制保证发送器和接收器之间的定时或同步。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变带代表0，位周期中心的向下跳变代表1，曼彻斯特编码的特点是每个码元中间都有一次电压跳变，这样可以保证发送器和接收器之间的定时或同步，但是它的效率比较低。曼彻斯特编码常用于同步传输系统中。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变，位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1，差分曼彻斯特编码的特点是每个码元中间都有一次电压跳变，但是跳变的方向不同，这样可以保证发送器和接收器之间的定时或同步，同时也可以检测出传输过程中的误码。差分曼彻斯特编码常用于同步传输系统中。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高，从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法

基本的带通调制方法有调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）三种。

• 调幅（AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。调幅的优点是简单易用，传输效率高，但是缺点是抗干扰能力差，频谱利用率低。
• 调频（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。调频的优点是抗干扰能力强，频谱利用率高，但是缺点是传输效率低，设备复杂度高。
• 调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。调相的优点是抗干扰能力强，频谱利用率高，但是缺点是传输效率低，设备复杂度高。

为了达到更高的信息传输速率，必须采技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，例如，正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）

补充

正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一种数字信号的调制方式，它将基带信号的幅度和相位同时变化，以便将基带信号转换为带通信号。QAM的优点是抗干扰能力强，频谱利用率高，但是缺点是设备复杂度高。

QAM的基本原理是将基带信号分成两个正交的信号，分别进行振幅调制，然后将两个信号合并，形成带通信号。QAM的优点是可以将基带信号转换为带通信号，以便在频带内传输，同时也可以将基带信号的幅度和相位同时变化，以便提高传输效率和抗干扰能力。

QAM的缺点是设备复杂度高，需要较高的信号处理能力。此外，QAM的传输效率也受到带宽和信噪比的限制，因此在实际应用中需要根据具体情况选择合适的QAM调制方式。

🚢信道的极限容量

信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率。它受到信道带宽、信号功率、噪声功率等因素的影响。在实际应用中，由于信道的失真和干扰，实际的信道容量往往低于理想信道容量。数字通信的优点就在于：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就可以视为无影响。码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

✨补充

码元是一种用来表示数字信号的基本单位。它通常是一个固定时长的信号波形，代表不同离散数值的基本波形。码元的时长被称为码元长度。在数字通信中，常常用时间间隔相同的码元来表示一个M进制数字，这样的时间间隔内的信号称为M进制码元。

从概念上来讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

• 信道能够通过的频率范围：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。

• 信噪比：噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，由于噪声是随机产生的，他的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但是噪声的影响是相对的。如果信号性对较强，那么噪声的影响就相对较小。

👻物理层下面的传输媒体

传输媒体是指在发送端和接收端之间传输信号的物理介质，也称为传输介质或传输媒介，传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。它可以是有线的，也可以是无线的。常见的传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤、无线电微波通信等。传输媒体的质量会影响数据传输的质量，包括速率、数据丢包等。

✨补充

导引型传输媒体是指使用导线或光纤作为传输信号的物理介质的传输媒体。常见的导引型传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤等。导引型传输媒体的优点是传输距离远，信号质量高，抗干扰能力强，但缺点是安装和维护成本高。

非导引型传输媒体是指使用无线电波或光波作为传输信号的物理介质的传输媒体。常见的非导引型传输媒体有无线电微波通信、红外线通信、可见光通信等。非导引型传输媒体的优点是安装和维护成本低，但缺点是传输距离有限，信号质量较低，抗干扰能力较弱。

🔊导引型传输媒体

双绞线

双绞线也称为双扭线，是最古老但又最常用的传输媒体，是一种综合布线工程中最常用的传输介质，由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。双绞线一般由两根22-26号绝缘铜导线相互缠绕而成，在传输距离，信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉，性能指标包括衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电容、直流电阻等。

根据有无屏蔽层，双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）与非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）。

屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。屏蔽双绞线分为STP和FTP（Foil Twisted-Pair），STP指每条线都有各自的屏蔽层，而FTP只在整个电缆有屏蔽装置，并且两端都正确接地时才起作用。所以要求整个系统是屏蔽器件，包括电缆、信息点、水晶头和配线架等，同时建筑物需要有良好的接地系统。屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入，使屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率 。但是在实际施工时，很难全部完美接地，从而使屏蔽层本身成为最大的干扰源，导致性能甚至远不如非屏蔽双绞线。所以，除非有特殊需要，通常在综合布线系统中只采用非屏蔽双绞线 。

非屏蔽双绞线（UnshieldedTwisted Pair，缩写UTP）是一种数据传输线，由四对不同颜色的传输线所组成，广泛用于以太网路和电话线中。

非屏蔽双绞线电缆具有以下优点：

• 无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间，成本低；

• 重量轻，易弯曲，易安装；

• 将串扰减至最小或加以消除；

• 具有阻燃性；

• 具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。

因此，在综合布线系统中，非屏蔽双绞线得到广泛应用。

常用的绞合线的类别、带宽和典型应用

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随着频率的升高而增大。使用更粗的导线可以减小衰减，但却增加了导线的重量和价格，信号应当还有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大关系。

同轴电缆

同轴电缆由一根内导体和一根外导体组成，两者之间有一层绝缘层。同轴电缆可以用于模拟信号和数字信号的传输，适用于各种各样的应用，其中最重要的有线电视传播、长途电话传输、计算机系统之间的短距离连接以及局域网等。同轴电缆作为将电视信号传播到千家万户的一种手段发展迅速，这就是有线电视。一个有线电视系统可以负载几十个甚至上百个电视频道，其传播范围可以达几十千米。长期以来同轴电缆都是长途电话网的重要组成部分。

光缆

光缆用于长距离传输光信号。光缆的优点是传输距离远，信号质量高，抗干扰能力强，但缺点是安装和维护成本高。光缆主要用于通信、数据传输、网络等领域，例如电信网络、局域网、城域网等。一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
• 抗雷电和电磁干扰性能好，这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
• 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻

🔊非导引型传输媒体

非导引型传输媒体指的是无线通信的媒体——自由空间。目前能够通信的无线电波频段很广，波按频率从低频到高频（10 0-10 24）10 14 方以上的紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。无线电微波是常见的非导引型传输媒体，它可以用于无线通信和无线网络。此外，还有红外线和可见光，它们属于点对点无线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率低。

👻信道复用技术

在通信技术中，复用是指在传输路径上综合多路信道，然后恢复原机制或解除终端各信道复用技术的过程。复用技术的目的是提高信道传输效率，减少信道的等待时间，提高信道的利用率，降低通信成本。

🥏频分复用、时分复用和统计时分复用

复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念，计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。最基本的复用就是频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分复用TDM（Time Division Multiplexing）

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）将一个信道分成多个子信道，每个子信道传输一个信号。FDM 的原理是将信道的频率带宽划分为多个子信道，每个子信道传输一个信号。在接收端，使用相关技术将子信道的信号分离出来，恢复原始信号。频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）将一个信道分成多个时隙，每个时隙传输一个信号。TDM 的原理是将信道的时间带宽划分为多个时隙，每个时隙传输一个信号。在接收端，使用相关技术将时隙的信号分离出来，恢复原始信号。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。

使用FDM或TDM的复用技术，可以让多个用户（可以处在不同地点）共享信道资源。在下图a中的频分信道，可以N个用户各使用一个频带，或者让更多的用户轮流使用这N个频带，这种方式称为频分多址接入FDMA（Frequency Division Multiple Access），简称为频分多址。在下图b中的时分信道，则可以让4个用户各使用一个时隙，或者让更多的用户轮流使用这4个时隙，这种方式称为时分多址接入TDMA（Time Division Multiple Access），简称为时分多址。

✨补充

FDMA或TDMA中的“MA”表明“多址”，意思是强调这种复用信道可以让多个用户（可以在不同地点）接入进来。

在使用频分复用时，若每个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就会跟着变宽。但在使用时分复用时，每个时分复用帧的长度是不变的。在进行通信时，复用器（multiplexer）总是和分用器（demultiplexer）成对使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道，分用器的作用正好和复用器的相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing）是一种根据用户实际需要动态分配线路资源的时分复用方法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源，当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源。这种方法可以有效地提高线路的利用率，减少资源的浪费。集中器常使用这种统计时分复用。

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。所以，统计时分复用可以提高线路的利用率。统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

🥏波分复用

波分复用（Wavelength Division Multiplexing）是一种将多个不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传输的技术。在发送端，多个光信号经过复用器（Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光纤中进行传输。在接收端，光信号经过解复用器（Demultiplexer）分离，并由光接收机进行进一步处理以恢复原信号。这种技术可以有效地提高光纤通信系统的容量和效率。简单理解，波分复用就是光的频分复用。

最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。这种复用方式被称为波分复用，随着技术的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多，于是就出现了密集波分复用DWDM。

🥏码分复用

码分复用（Code Division Multiplexing）通过将每个信号分配一个唯一的编码序列，使得不同信号之间具有互相正交的特性，从而实现在同一频带上的复用传输。这种技术可以有效地提高频谱资源的利用率，并与波分复用技术结合使用，进一步提高系统容量。当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

👻宽带接入技术

宽带接入技术是指用于提供宽带数据、语音和视频等多种业务的接入技术。它主要包括铜线宽带接入技术、HFC技术、光接入技术和无线接入技术。其中，铜线宽带接入技术包括ADSL、VDSL等；HFC技术是指利用有线电视网络进行宽带接入的技术；光接入技术是指利用光纤进行宽带接入的技术，包括FTTH、FTTP等；无线接入技术是指利用无线信号进行宽带接入的技术，包括Wi-Fi、4G、5G等。从宽带接入的媒体来看，可划分为两大类。一类是有线宽带接入，而另一类是无线宽带接入。

☃️ADSL技术

ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是一种非对称数字用户线路技术，是一种用于在现有电话线上传输高速数据的宽带接入技术。它利用现有的电话线路，在线路两端加装ADSL设备，可以提供上行速率640kbps，下行速率8Mbps的宽带接入服务。它的主要特点是可以充分利用现有的铜缆网络（电话线网络），在线路两端加装ADSL设备即可为用户提供高宽带服务。ADSL的传输距离取决于数据率和用户先的线径（用户先越细，信号传输时的衰减就越大），此外，ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器，这种调制解调器的实现方式有许多中。我国采用的方案是离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM、用户线和用户家中的一些设施。

☃️光纤同轴混合网（HFC网）

光纤同轴混合网（HFC网）是一种混合光纤同轴网络，是以光纤为骨干网络，同轴电缆为分支网络的高带宽网络，传输速率可达20 Mb/s以上。国内的广电行业系统网络即采用HFC网络体系。HFC网络是一种模拟和数字传输技术、光纤和同轴电缆传输技术、射频技术的宽带用户接入网。它可以利用已有的有线电视网络实现网络入户，是一种较为成熟的宽带接入技术。

☃️FTTx技术

FTTx技术是指光纤到X（Fiber To The X）技术，是一种新一代的光纤用户接入网技术，用于连接电信运营商和终端用户。FTTx技术可以分为FTTB（光纤到楼）、FTTO（光纤到办公室）、FTTC（光纤到路边）、FTTH（光纤到户）等多种形式。FTTx技术可以提供高速、高带宽、低延迟的宽带接入服务，是目前主流的宽带接入技术之一。
FTTB技术是指光纤到楼技术，它将光纤延伸到用户所在的建筑物内，通过光纤连接到楼内的光网络单元（ONU），再通过电缆连接到用户的终端设备。FTTB技术可以提供高速的宽带接入服务，适用于住宅小区、办公楼等场景。
FTTO技术是指光纤到办公室技术，它将光纤延伸到用户所在的办公室内，通过光纤连接到办公室内的ONU，再通过电缆连接到用户的终端设备。FTTO技术可以提供高速的宽带接入服务，适用于办公室、商业楼宇等场景。
FTTC技术是指光纤到路边技术，它将光纤延伸到用户所在的路边，通过光纤连接到路边的ONU，再通过电缆连接到用户的终端设备。FTTC技术可以提供高速的宽带接入服务，适用于城市和郊区等场景。
FTTH技术是指光纤到户技术，它将光纤直接延伸到用户的家中，通过光纤连接到用户的终端设备。FTTH技术可以提供高速、高带宽、低延迟的宽带接入服务，是目前主流的宽带接入技术之一。
FTTx技术可以提供高速、高带宽、低延迟的宽带接入服务，是目前主流的宽带接入技术之一。它可以满足用户对高速、高带宽、低延迟的需求，同时也可以满足运营商对网络覆盖、网络容量、网络管理等方面的需求。

🔍总结

物理层是通信系统中最基础的一层，它负责将比特流转换为可以在物理媒介上传输的信号。物理层的主要任务包括：确定数据传输速率、信号电平、信号格式、信号编码等。物理层的设计需要考虑传输媒介的特性，例如传输距离、传输速率、信号衰减等。物理层的设计还需要考虑物理层与其他层的接口，以确保数据的正确传输。以上就是物理层的学习总结，小伙伴们慢慢消化。