网络五层模型之一：物理层

共2090词，阅读大约需要15分钟

2.1基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传媒媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的主要任务描述为：确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

机械特性：例接口形状，大小，引线数目。

电气特性：例规定电压范围（-5V~5V）。

功能特性：例规定-5V表示0，+5V表示1。

过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤。

2.2数据通信的基本知识

2.2.1典型的数据通信模型

2.2.2通信的目的

通信的目的是传输消息。

1.数据（data）——运送消息的实体。

2.信号（signal）——数据的电气的或电磁的表现。

• 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号：代表消息的参数的取值是离散（不连续）的。

在生活中我们听到的声音是连续的，如人的说话声，鸟叫声等；而计算机里储存声音的是离散的二进制比特流，是经过抽样，然后量化得到的离散数据。

3.码元——在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。

4.码元长度——在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔就称为码元长度。一码元可以携带n bit的总信息量。

2.2.3信道的基本概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。 所以我们平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信（半双工通信）：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）。

双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

2.2.4基带信号和带通信号

（1）基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。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。基带信号就是发出的直接表达了要输出的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。

（2）带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化，因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的就是基带传输的。

2.2.5常见编码方式

不归零制：正电平代表1，负电频代表0。

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。

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。但也可以反过来定义。

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。抗干扰能力更强。

2.2.6基本的带通调制方法

调幅：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。

调频：即载波的频率随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：即载波的初始相位随基带数字信号而变化，例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

2.2.7香农公式

用来计算信道的极限信息传输速率。

2.3物理层下面的传输媒体

2.3.1导向传输媒体

在导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

1.双绞线

屏蔽双绞线：提高双绞线抗电磁干扰的能力。

无屏蔽双绞线

2.同轴电缆

50欧姆（单位）同轴电缆：用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；

70欧姆（单位）同轴电缆：用于模拟传输，即宽带同轴电缆。

3.光纤

单模光纤：只能传输一种电磁波模式，在有线电视网络中使用的光纤都是单模光纤，其传播特性好，宽带可达10GHZ。

多模光纤：可以传输多个电磁波模式。

2.3.2非导向传输媒体

指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。

无线传输所使用的频段很广。

短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

微波在空间主要是直线传播

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

2.3.3集线器

工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力（发送的信号在集线器内的机器都能收到）；在同一个时间只允许一个信道通信，半双工。

最大传输距离：100m

集线器是一个大的冲突域。

2.4信道复用技术

2.4.1频分复用

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里所说的带宽是频率带宽而不是数据的发送速率）。

调制解调器的调制和解调过程：

波分复用WDM就是光的频分复用。

2.4.2时分复用TDM

时分复用则是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；每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度对应的时间）。

TDM信号也称为等时信号。

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。

统计时分复用STDM

是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率，在每个时隙中添加用户的地址信息，标记该时隙是属于哪个用户的。

2.4.3码分复用

码分复用是另一个共享信道的方法，每一个用户可以在相同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。具有很强的抗干扰能力。

采用CDMA可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响。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，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

缺点： 发送1bit需要m个比特，手机数量越多，码片需要分得过多，m值就越大。