2.1物理层的基本概念

物理层考虑的是怎么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。

物理层的作用：要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。

用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)，而规程就是物理层协议。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

（1）物理特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、应缴数目和排列、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）电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

（3）功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

（4）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)上的传输方式一般都是串行传输（出于经济上的考虑），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。

串行传输：一个一个比特按照时间顺序传输（远距离传输经常采用）

并行传输：多个比特通过多条通信信道同时传输（近距离传输经常采用）

2.2数据通信的基础知识

2.2.1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（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端、接收方）

源系统一般包括以下两个部分：

源点（source）：源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站、信源。

发送器：通常源点生成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并行传输。典型的发送器就是调制器。

接收器：接受传输系统传送过来的信号，并把它转换为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，还原出发端产生的数字比特流。

终点：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。终点站又称为目的站、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：传送消息，如：语音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体，根据RFC 4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器或人处理或产生。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，信号可分为以下两类：

（1）模拟信号、或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。

用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。

（2）数字信号、或离散信号——代表的消息的参数时离散的。

用户家中的计算机到调制解调器之间或在电话网中继线上传送的就是数字信号。

在使用时间域（或时域）的波形表示数字信号时，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，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

2.2.2有关信道的几个基本概念

信道和电路并不相同，它一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道。

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：

（1）单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。

（2）双向交替通信 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收。过一段时间再反过来。

（3）双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各需要一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。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，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，为解决这个问题，则必须对基带信号进行调制（modulation）。

调制可分为两类。

一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，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，这类调制称基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转化为另外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。

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移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样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。

（1）常见编码方式

①不归零码 正电平代表1，负电平代表0

②归零制 正脉冲代表1，负脉冲代表0

③曼彻斯特编码 位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。

④差分曼彻斯特编码 在每一位的中心出是中国都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1

从信息波形中可以看出，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（这种叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

（2）基本的带通调制方法

调幅（AM） 即载波的振幅岁系带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。

跳屏（FM） 即载波的频率岁基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2.

调相（PM） 即载波的初始相位随系带数字信号而变化。例如，0或1分别对应相位0度或180度。

未来达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为赋值的多元制的振幅相位混合调制方法。

2.2.3信道的极限容量

虽然信号在信道上阐述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好就没有多大影响。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

1、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。

码间串扰：信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿变得不那么陡峭了，每个马原所占的时间界限也不再是很明确的，而前后都拖了”尾巴”，这样在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。

在1924年，奈奎斯特推导出著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过次上线，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决成为不可能。

奈氏准则，只用于理想情况下：

C = 2Blog2M

C信道容量，单位b/s或者bps B为信道带宽 M为进制数——信号状态数

如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

2.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，它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）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。

所谓信噪比：型号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记作S/N，用分贝(dB)作为度量单位。

信噪比(dB) = 10log10(S/N)

1948年，信息论的创始人香农推导出了著名的香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率C

C= Wlog2(1+S/N)

W为信道的带宽(Hz);S为信道内所传信息的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。 香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式存在的意义是：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输。从这看出，对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了，并且码元传输速率也达到了了上限值——为提高信息的传输速率，则用编码的方式让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.3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介，它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：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播，而非导引型传输媒体就是指自有空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

2.3.1导引型传输媒体

1、双绞线

双绞线也称为双纽线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规律的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是导出都有的电话系统。

最远100米，主要用于基带传输，局域网多数使用这个。

模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到几十公里，距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值，或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格就越高。

为提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称STP(Shielded Twisted Pair)，价格也会比无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)贵一些.

1991年，美国电子工业协会EIA(Electronic Industries Association)和电信行业协会TIA(Tlecommunications Industries Association)联合发布了标准EIA/TIA-568——商业建筑物电信布线标准。这个标准规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A。此标准规定了5个种类的UTP标准。

绞合线类别	带宽	线缆特点	典型应用
3	16MHz	2对4芯双绞线	模拟电话，曾用于传统以太网(10Mbits)
4	20MHz	4对8芯双绞线	曾用于令牌局域网
5	100MHz	与4类相比增加了绞合度	传输速率不超过100Mbit/s的应用
5E（超5类）	125MHz	与5类相比衰减更小	传输速率不超过1Gbit/s的应用
6	250MHz	与5类相比改善了串扰等性能	传输速率高于1Gbit/s的应用
7	600MHz	使用屏蔽双绞线	传输速率高于10Gbit/s的应用

2、同轴电缆

主要用于频带传输

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性。

3、光缆

基本原理：光的全反射。分为多模光纤，单模光纤。

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。

只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可以产生全反射。因此，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤.光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽,造成失真.因此多模光纤只适合于近距离传输.

若光纤的直径减小到只有一个光的波长,则光纤就像一根波导那样,它可使光线一直向前传播,而不会产生多次反射,这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造起来成本比较高。

2.3.2 非导引型传输媒体

非导引型传输媒体可认为就是自由空间。

短波通信（高频通信）：主要靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，即速率为一个标准模拟话路传几十至几百比特/秒。

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的评率范围为300MHz~300GHz，但主要使用2-40GHz的评率范围。微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射到地面上很远的地方。传统的微波通信主要有两种：地面微波接力通信和卫星通信。

2.4信道复用技术

2.4.1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，允许用户使用一个共享信道进行通信、降低成本，提高利用率。

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：整个带宽平分为多个子频带，用户分配一个子频带，一直占用这个子频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。TDM信号也被称为等时信号。可以看出，时分复用的所有用户在不同时间占用同样的频带宽度。

这两种复用方法的优点就是技术比较成熟，缺点就是不够灵活。时分复用则更有利于数字信号的传输。

在使用频分复用时，若每一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跟着变宽。

在进行通信时，复用器（multiplexer）总是和分用器（demultiplexer）成对地使用。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。

当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发特质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时暂时无数据传输时，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。

统计时分复用STDM(Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concetrator)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帧中的时隙小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过。当一个帧满了以后，就发送出去。因此，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。在输出线路上，某一用户所占用的时隙并不是周期性的出现，因此统计时分复用也称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

2.4.2波分复用

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。光纤技术的应用让数据的传输速率空前提高。最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。这种复用方式称为波分复用WDM。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。现在已能做到在一个光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。于是就使用了密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing).

对于密集波分复用，光载波的间隔一般都是0.8或1.6nm。这18个波长很接近的光载波经过光复用器后，就在一根光纤中传输。因此，在一根光纤上数据传输的总速率就达到了18*2.5Gbit/s=45Gbit/s。但光信号传输了一段距离就会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大才能继续传输——掺铒光纤放大器EDFA。光复用器和光分用器之间的无光电转换的距离可达600KM

2.4.3码分复用

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另外一种共享信道的方式。主要使用无线通信中。实际上人们更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。每一个用户可以在同样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。码分复用最初使用与军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易于被敌人发现。现在随着技术的提升，CDMA特别在无线局域网中，采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响。

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128.，假设m为8.

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送自己的m bit码片序列。如果发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

CDMA系统中一个重要的特点就是这种体制给每一站点分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

2.5数字传输系统

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。由于数字通信与模拟通信相比，无论是传输质量上还是经济上都有明显的优势，目前，长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。

早期的数字传输系统存在着许多缺点，其中最主要的是以下两个：

①速度标准不统一 历史的原因，多路复用的速率的体系有两个互不兼容的国际标准，北美和日本的T1速率和欧洲的E1速率（我国使用E1）。但是再往上的复用，日本又使用了第三种不兼容的标准，这使得国际范围的基于光纤的高速数据传输就很难实现。

②不是同步传输 在过去很长时间，为了节约经费，各国的数字网主要采用准同步方式。在准同步系统中由于各支路信号的时钟频率有一定偏差，给时分复用和分用带来很多麻烦。

为解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)。整个的同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率为51.84Mbit/s为基础，大约对应于T3/E3的传输速率，此速率对电信号称为第一级同步传送信号，即STS-1；对光信号则称为第一级光载波，即OC-1。

ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH，一般可认为SDH和SONET是同义词，但其主要不同点是：SDH的基本速率为155.52Mbit/s，称为第一级同步传递模块，即STM-1。

2.6宽带接入技术

2015年1月，美国联邦通信委员会FCC又对接入网的“宽带“进行了重新的定义，将原定的带宽下行速率调整至25Mbit/s，原定的带宽上行速率调整至3Mbit/s。

从带宽接入的媒体来看，可以划分为两大类，一类是有线宽带接入。另一类是无线宽带接入。

2.6.1ADSL技术

非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber)技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。ADSL技术把0~4khz低频谱留给传统电话使用，而把原来没用被利用的高端频谱留给用户上网使用。由于用户在上网时主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不太大，因此ADSL的下行带宽都远远大于上行带宽。“非对称”就是这样来的。

基于ADSL的接入网由一下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM、用户线和用户家中的一些设施。ADSL调制解调器又称为给接入端接单元ATU。由于ADSL调制解调器必须成对使用，因此把在电话端局和用户家中所用的ADSL调制解调器分别记作ATU-C（C代表端局）和ATU-R（R代表远端）。

ADSL最大的好处就是可以利用现有电话线的用户线，而不需要重新铺线。

虽然ADSL很受居民用户的欢迎，但ADSL并不适合企业。因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户。为了满足企业的需要,ADSL技术有几种变型。例如，对称DSL，即SDSL，它把带宽平均分配到下行和上行两个方向，很适合于企业使用。

2.6.2光纤同轴混合网(HFC网)

光纤同轴混合网（HFC网）是目前覆盖面最广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可发送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。最早的有线电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传输。但以后有线电视网进行了改造，变成了现在的光纤同轴混合网。这种光纤同轴混合网HFC的主要特点如下：

①HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。

②光纤从头端连接到光纤结点。

③在光纤结点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。

要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，需要把一个叫做机顶盒的设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间。

2.6.3FTTx技术

光纤到户FFTH

光纤到路边FTTC

光纤到小区FTTZ。。。。

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