计算机网络之物理层详解
一、概述
位于各计算机网络体系的最低层，负责在物理传输介质之上为“数据链路层”提供一个原始比特流（也就是数据是以一个个0或1的二进制代码形式表示的）的物理连接
物理层并不是特指某种传输介质，而是指通过传输介质，以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路。
数据在网络线路上的实际传输都是在物理层线路上进行的，所以数据通信的本质其实就是物理层的比特流传输。
二、作用
- 构建数据通路：为数据链路层提供完整的数据传输通道
- 透明传输：屏蔽不同传输介质类型和通信协议，让进行网络通信的各方只看到有“路”可行，而不管修这些“路”所用的具体“材料”和相关标准
- 传输数据：发送端通过物理层接口和传输介质将数据按比特流的顺序传送到接收端的物理层
- 数据编码：不同传输介质所支持的数据编码类型不一样，物理层会根据传输介质的要求，对数据进行编码，使得它能够在该传输介质上传输
- 数据传输管理：基于比特流的数据传输流量控制、差错控制、物理线路的激活和释放等
三、特性
1. 机械特性：
物理层定义了传输介质接线器、物理接口的形状和尺寸、引线数目和排列顺序，以及连接器与接口之间的固定和锁定装置。 常见的连接器：
- 细同轴电缆的连接器：
- 双绞线的连接器（RJ-45）：
- RS-232接口：连接路由器的S口，和以前Modem连接PC时所用的串口（一端连接DTE，一端连接DCE）
DTE为数据终端装备，比如PC机 DCE为数据通信装备，比如调制解调器
2. 电气特性：
规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电压的高低、阻抗匹配情况，以及传输速率和传输距离限制等参数属性。 接口的类型：非平衡型、差分接收器的非平衡型和平衡型。
如何判断是否为平衡型？
根据发送器发送信号，或者接收器接收信号时信号电平是由单根线的电平值决定，还是由两根线之间的电平差值决定而判断是否为平衡型。
（1）非平衡型
- 每路信号仅使用一根导线传输（是“单线传输方式”），电压也只由这条导线上的信号电平决定，易受干扰，传输速率慢
- 所有信号共用一根信号地线（发送器和接收器的地线是相连的，形成统一的接地）
（2）差分接收器的非平衡型
是“非平衡型”的改进版本，两端不共用地线，发送器仍使用一根导线上发送信号，但接收器是两根导线输入的，除发送器直接驱动的那条信号线外，还有就是接自发送器地线的那条导线，接收信号的最终电平是由这两条导线上的差值来决定的。用了差分工作方式，可抵消外界干扰或线间串扰
（3）平衡型
目前最广泛采用的一种物理层接口，它规定“发送器”采用双线平衡发送方式，而“接收器”则采用差分处理方式，也不共用地线。两条导线承载同样的传输，但它们是等幅、反相的，反相信号看上去就像源信号在镜子中的影像。接收端并不侦听任何一个实际的信号，而是检测两个信号的差值。
3. 功能特性：
指明传输介质中各条线上所出现的某一电平的含义，以及物理接口各条信号线的用途，包括：接口信号线的功能规定，接口信号线的功能分类。
4. 规程特性：
利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE/DCE双方在各自电路上的动作序列。
每一种计算机网络都有对应的物理层规程（也就是通信协议），如我们常见的以太网，对应的物理层规程是IEEE 802.3系列标准，而在WLAN中，对应的物理层规程是IEEE 802.11系列接入规程。
四、通信子网与资源子网
资源子网：
由计算机系统、终端系统、连网的外围设备、各种软件资源与信息资源组成。资源子网主要负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。
通信子网：
负责网络通信线路建立和通信处理，为网络用户提供数据传输、转发、加工和转换等通信处理工作，是整个网络数据通信的基础结构。可分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网
五、数据通信系统基本模型
- 源站点：产生要传输的数据的计算机或服务器等终端设备。
- 发送器：对要传送的数据进行编码或者调制的设备，如各种调制解调器、计算机网卡。
- 传输系统：物理层传输介质和相关协议建立的通信链路，以及结点设备，如线路上的交换机、路由器等
- 目的站点：从接收器获取从发送端发来的数据的计算机或服务器等。
- 接收器：接收从发送端发来的信息，并把它们转换为能被目的站点设备识别和处理的信息。主要也是各种调制解调器和网卡。
六、数据通信的几个基本概念
1、信息（Info）
计算机网络中进行交换的一切原始内容的统称，一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合。在传输中，会被编码成二进制，一般按照ASCII编码。
2、数据（Data）
“信息”的具体表示形式（任何要交换的信息最终都要以一个个具体的数据来传输），是许多信息通过某种方式组成的集合体。有模拟数据和数字数据之分，可通过调制解调器相互转换。
- 模拟数据
通过连续取值得到的数据，以时长为单位，如我们打电话时的通话语音 通常存放在磁带、胶带中
- 数字数据
把模拟数据离散、量化为二进制方式时取得的数据，以容量为单位，如我们存放在计算机中的所的文件、图片、图像和软件等 在计算机磁盘中存放在的必须是数字数据
3、信号（Signal）
信号”是“数据”在传输过程中电信号或光信号的表示形式，因为“数据”有“模拟数据”和“数字数据”两种类型，所以信号也有“模拟信号”和“数字信号”两种。
4、信道
通信双方物理链路（包括有线物理介质上的链路和无线介质上的链路）上通过物理层协议建立起来的数据传输通道
七、数据传输类型
信源信号（也就是信号源发送的信号）经过信源编码之后成为离散的二进制数字信号电平进行传输，或者通过调制解调器调制到载波上成为模拟信号进行传输。
这样就形成了两种最基本的数字信号的传输类型—基带传输和频带传输。
1、基带传输系统
- 基带：是指信源发出的，没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽）
- 基带信号：信源发出的没有经过调制的原始电信号，频率较低
- 基带传输：信道将基带信号编码为离散的数字电平进行传输，仅适用于近距离传输
- 基带传输系统：
1.源站点输入信号后，经过编码器，将信号转化为数字电平信号，
2.再经过低通滤波器，通过波形变换，其目的是使信号波形与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和采样判决。
3.经过传输信道传输后，在接收端的低通滤波器，会滤除带外噪声，并对信道特性均衡，使输出的基带波形无码间串扰
4.再经过采样判决器，在传输特性不理想或存在噪声的背景下，在规定的时刻（由位定时脉冲控制）对从接收端滤波器输出的波形进行采样，位同步器提取位同步信号，通过同步信号控制采样判决器，再生数字基带信号。
5.最后解码器对采样判决器输出的信号进行解码，还原有用的输入信号，并使输出码型符合接收终端的要求。
2、频带传输系统
- 频带：是指对基带信号调制后所占用的频率带宽（一个信号所占有的从最高的频率到最低的频率之差）。
- 频带信号：经过调制后的基带信号，利用高频率的信号来调制低频率信号，使得频率被限制在一个特定的频带中，是实现信道的频分复用的基础，通过调制解调器调制后，信号都以模拟电平的形式在信道上传输
- 频带传输：在信道中传输频带信号的方式称为频带传输。
- 频带数字传输系统：
传输过程与基带传输系统类似，只不过不对基带信号进行编码，而是调制基带信号，最终以模拟电平信号的形式在信道上传输
3、宽带传输系统
- 宽带传输：采用比音频（4kHz）更宽的频带进行传输
该频带包括了大部分电磁波频谱，是相对前面的“频带”来说的，因为“频带”只具有有限的频率宽度。宽带传输其实与频带传输具有相同的特点，它也需要对信源发出的原始信号进行调制，但它将一个信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，而且宽带传输中的所有子信道都可以同时发送信号。
最常见的宽带传输就是我们天天用的有线电视，在一根同轴电缆中可以传输那么多电视频道。还有无线广播也是采用宽带传输的。
八、数据传输方式
（1）串行传输
数据流以串行方式一位位地在一条信道上传输，等第一个字符的最高位传输完后，再传输第二个字符的最低位，依此类推，这样串接起来形成串行数据流。
（2）并行传输
数据以一组或者整个字符的方式在多条并行信道上同时传输。 常用的就是将构成一个字符代码的8位二进制码，分别在8个并行信道上进行传输，
九、数据串行传输模式
串行传输接收端存在一个如何从串行数据比特流中正确地划分出发送的一个个字符的问题，也就是字符同步的问题。在串行数据通信中同步问题十分关键。发送端一位一位地把信息通过介质发往接收端，接收端必须识别信息的开始和结束，而且必须知道每一位的持续时间。只有这样，接收端才能从传输线路上正确地取出被传送的数据。
根据实现字符同步的方式不同，有同步传输和异步传输两种方式
1.同步传输
同步就是指通信双方在传输过程中是同步进行的（也就是接收端与发送端同时开始工作，并且接收端按数据的发送顺序进行接收），同步的依据就是双方有相同的时钟参考，能同时开始数据的发送和接收。
该模式以数据块为传输单位（通常是以“帧”为单位的），以相同的时钟参考进行数据传输的模式
数据块的开始和结尾部分都有一个用于数据帧同步的特殊字符、特定的字节或特定的帧，用于标记开始和结束
2.异步传输
通信双方没有相同的时钟参考（也就是发送端和接收端不同时开始工作），但双方在数据传输速率上是同步的。即指每个字符之间是异步的，但一个字符内的每一位还是同步的。
该模式以字符为单位进行数据传输
在发送每一字符代码的前面均加上一个“起始位”信号，用以标记一个字符的开始；在一个字符代码的最后加上一个“停止位”信号，用以标记一个字符的结束。
十、数据通信方式
十一、数据传输速率与信道带宽
基本概念:
（1）比特率(Rb)
又称信息传输速率，是指单位时间内传输的二进制代码的有效位（bit）数
（2）波特率(RB)
在单位时间内传输的码元数。若为二进制,一个码元对应2个状态,八进制则对应8个状态
因此Rb=RB×log2M（b/s）
（3）传输带宽
信道中每秒传输的最大信息量，也就是一个信道的最大数据传输速率，单位也是“位/秒”（b/s或bps）
（4）不失真传输的最大传输速率限制
模拟信号的传输要求接收端无波形失真，而数字信号的传输则要求接收端无差错地恢复成原来的二进数码
在模拟信号传输中，为了达到不失真的效果，就需要对由模拟信号转换成数字信号过程中的采样频率进行限制； 而在数字信号传输中，就需要对信号传输速率进行限制。（涉及奈氏准则、香农公式和香农采样定理）
十二、数字基带信号编码
数字基带传输模式中传输的信号是要经过编码的原始数字信号电平，数字基带信号的类型有很多，其中最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。
矩形脉冲数字信号基本波形：
（1）单极性波形与双极性波形
（2）归零码与非归零码
十三、数字基带信号的传输码型
在实际的基带传输系统中，并不是所有编码类型的电信号波形都能在信道中传输。
当信息代码中包含有长串的连续“1”或“0”时，非归零波形呈现出连续的固定电平，会出现无法获取同步的问题。单极性归零码在传送连续“0”信息代码时也会存在同样的问题。
因此，信息码在进行传输之前，必须经过码型变换，变换为适用于信道传输的码型。
常见的传输码型有：传号反转交替码（AMI码）、三阶高密度双极性码（HDB3码）、传号反转码（CMI码）、数字双相码（曼彻斯特码）和差分曼彻斯特码。上面两种归零码也是传输码类型。
十四、信号调制与解调
调制
调制最通俗的解释就是用一种“能量大”的信号承载（可简单地理解为“背上”）另一种“能量小”的信号进行传播、传输。承载另一种信号的信号我们称为载波或者载波信号，而被承载信号才是我们真正要传播或者传输的信号。就像不会游泳的人坐在船上，由船渡我们过河一样，此时我们人就可以比做被承载信号，而船就可以比做载波信号。
调制信号
调制信号是要被调制的信号，通常是低频信号，可以是模拟信号，也可以是数字信号，所以也就有对应的模拟信号调制（或模拟调制）和数字信号调制（或数字调制）。数字调制与模拟调制在本质上没有什么区别，都属于正弦波调制，只是源信号不同。数字调制中的源信号为离散型的脉冲数字信号，而模拟调制中的源信号为连续型的正弦波信号。
载波信号
用来载送有用低频调制信号的信号波，通常是一种高频信号
已调信号
已调信号是载波信号在被调制信号调制后所产生的新信号，它同时具备了原来调制信号和载波信号的双重特性（既不完全等同于原来的调制信号，也不完全等同于载波信号）。
解调
解调是调制的反过程，是从已调信号中通过某种技术（如带通滤波器等）恢复出原来调制信号的过程，因为我们最终有用的还是原来的调制信号。之所以要先经过调制过程，就是为了便于低频信号在信道中的远距离、高效传输。到了目的地（接收端）后，自然要把它还原出来。
十五、物理层传输介质
1、导向性传输介质
双绞线、同轴电缆和光纤等。
2、非导向性传输介质
各种无线网络（如WLAN、卫星通信）中所使用的传输介质
十六、信道多路复用技术
1、频分复用（FDM）
在FDM系统中，信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频带，从多条线路输入的多路基带信号通过FDM复用器分别用一个不同频带的载波进行调制，然后在同一个信道中的不同子信道中传输，但是每路已调信号只占用原信道中一部分频带，在接收端再通过FDM分用器中的带通滤波器将它们分别滤出来，最后通过各线路的解调装置解调接收即可。
2、正交频分复用（OFDM）
它是一种多载波调制技术，可将信道分成若干正交子信道，然后将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。 “正交”是指各个载波的信号频谱是正交的，也就是各载波的信号频谱可以有交叉，但不能重叠，可以通过某种技术实现完全的分开。由于OFDM使用了无干扰的正交多载波调制技术，不仅提高了多路子信道信号的调制效率，而且由于各载波间可以交叉，无须保护频带，这样使得信道中可用频谱的使用效率更高，比FDM系统中所要求的信道带宽要小得多。
3、时分复用（TDM）
把整个数据通信过程划分成一个个小的时间段（称之为“时间片”），在这些时间片中又划分成多个更小的时间间隙（简称为“时隙”），每个时隙可以用于一个用户信号的传输，这样就可以使得每一个时间片中一般总会有一个或多个时隙中有信号在里面传输
4、波分复用（WDM）
是光信号中的频分复用技术，因为光波信号的频率一般非常高，不便于表示，而波长相对更便于表示，所以在光信号复用中采用了波分复用 WDM是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器（又称合波器）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术。
