2.1.1物理層基本概念

物理層解決如何在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體。

（物理層的協(xié)議也常稱為物理層規(guī)程。）

主要任務(wù)：確定與傳輸媒體接口有關(guān)的一些特性（定義標(biāo)準(zhǔn)）

1、機(jī)械特性：定義物理連接的特性，規(guī)定物理連接時(shí)所采用的規(guī)格、接口形狀、引線數(shù)量、引腳數(shù)量和排列情況。

2、電氣特性：規(guī)定二進(jìn)制位時(shí)，線路上信號(hào)的電壓范圍、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等（提及二進(jìn)制時(shí)）

3、功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平表示何種意義，接口部件的信號(hào)線的用途。（提及電平時(shí)）

4、規(guī)程特性（過程特性）：定義各條物理線路的工作規(guī)程和時(shí)序關(guān)系

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2.1.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)

撥號(hào)入網(wǎng)：數(shù)字信號(hào)通過調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，通過廣域網(wǎng)傳輸。

通信的目的是傳送消息。

數(shù)據(jù)：傳送信息的實(shí)體，通常是有意義的符號(hào)序列。

信號(hào)：數(shù)據(jù)的電氣/電磁信號(hào)的表現(xiàn)，是數(shù)據(jù)傳輸過程中的存在形式

數(shù)字信號(hào)：代表消息的參數(shù)取值是離散的

模擬信號(hào)：代表消息的參數(shù)取值是連續(xù)的

信源：產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù)的源頭

信宿：接收數(shù)據(jù)的終點(diǎn)

信道：信號(hào)的傳輸媒體。一般用來(lái)表示向某個(gè)方向傳送信息的介質(zhì)，因此一條通信線路往往包含一條發(fā)送信道和一條接受信道。

分類：

傳送信號(hào)：模擬信道（傳輸模擬信號(hào)）、數(shù)字信道（傳送數(shù)字信號(hào)）

傳輸介質(zhì)：無(wú)線信道、有線信道

三種通信方式：

從通信雙方信息的交互方式看，可以有三種基本方式：

1、單工通信：只有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條通道。

2、半雙工通信：通信雙方都可以發(fā)送或接受信息，但任何一方都不能同時(shí)發(fā)送和接收，需要兩條信道

3、雙工通信：通信雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息，也需要兩條信道

兩種數(shù)據(jù)傳輸方式：

串行傳輸：速度慢，費(fèi)用低，適合遠(yuǎn)距離

并行傳輸：速度快，費(fèi)用高，適合近距離，常用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸

2.1.3碼元、波特、速率、帶寬

（基帶信號(hào)：來(lái)自信源的信號(hào)。

基帶調(diào)制（編碼）：對(duì)基帶信號(hào)的波形進(jìn)行變換，使其能夠與信道特性相適應(yīng)，變換后仍為數(shù)字信號(hào)。

帶通調(diào)制：將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。）

碼元：

碼元是指用一個(gè)固定時(shí)長(zhǎng)的信號(hào)波形（數(shù)字脈沖），代表不同離散數(shù)組的基本波形，是數(shù)字通信中數(shù)字信號(hào)的計(jì)量單位，這個(gè)時(shí)長(zhǎng)的信號(hào)稱為k進(jìn)制碼元，而該時(shí)長(zhǎng)稱為碼元寬度。當(dāng)碼元的離散狀態(tài)有M個(gè)時(shí)（M大于2），此時(shí)碼元為M進(jìn)制碼元。

1碼元可以攜帶多個(gè)比特的信息量。例如，在使用二進(jìn)制編碼時(shí)，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態(tài)，另一種代表1狀態(tài)。

（幾進(jìn)制就有多少碼元）

速率、波特、帶寬

速率也叫數(shù)據(jù)率，是指數(shù)據(jù)的傳輸速率，表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量?？梢杂么a元傳輸速率和信息傳輸速率表示。

（1）碼元傳輸速率：別名碼元速率、波形速率、調(diào)制速率、符號(hào)速率等，它表示單位時(shí)間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)所傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)（也稱為脈沖個(gè)數(shù)或信號(hào)變化的次數(shù)），單位是波特（Baud）。1波特表示數(shù)字通信系統(tǒng)每秒傳輸1個(gè)碼元。這里的碼元可以是多進(jìn)制的，也可以是二進(jìn)制的，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)。（1s傳輸多少碼元）

（2）信息傳輸速率：別名信息速率、比特率等，表示單位時(shí)間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元個(gè)數(shù)（即比特?cái)?shù)），單位是比特/秒（b/s）。（1s傳輸多少個(gè)比特）

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信息傳輸速度越快，系統(tǒng)傳輸速度越快。

關(guān)系：若一個(gè)碼元攜帶n bit的信息量，則M Baud的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為M*n bit/s。

帶寬：表示在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)則另一點(diǎn)所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”，常用來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路所能傳輸數(shù)據(jù)的能力。單位是b/s。

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2.1.4奈氏準(zhǔn)則、香農(nóng)定理

失真：

影響失真程度的因素：

1、碼元傳輸速率；2、信號(hào)傳輸距離；3、噪聲干擾；4、傳輸媒體質(zhì)量

碼間串?dāng)_：接收端收到的信號(hào)波形失去了碼元之間清晰界限的現(xiàn)象。

信道帶寬：信道能通過的最高頻率和最低頻率之差

奈氏準(zhǔn)則：

在理想低通（無(wú)噪聲，帶寬受限）條件下，為了避免碼間串?dāng)_，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W是信道帶寬，單位是Hz。

極限數(shù)據(jù)率：

V為幾種碼元/碼元的離散電平數(shù)目

結(jié)論：

1、在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?。若傳輸速率超過此上限，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_問題，使接收端對(duì)碼元的完全正確識(shí)別成為不可能。

2、信道的頻帶越寬（即能通過的信號(hào)高頻分量越多），就可以用更高的速率進(jìn)行碼元的有效傳輸。

3、奈氏準(zhǔn)則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對(duì)信息傳輸速率給出限制。

4、由于碼元的傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的制約，所以要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，就必須設(shè)法使每個(gè)碼元能攜帶更多個(gè)比特的信息量，這就需要采用多元制的調(diào)制方法

香農(nóng)定理：

噪聲存在于所有的電子設(shè)備和通信信道中。由于噪聲隨機(jī)產(chǎn)生，它的瞬時(shí)值有時(shí)會(huì)很大，因此噪聲會(huì)使接收端對(duì)碼元的判決產(chǎn)生錯(cuò)誤。但是噪聲的影響是相對(duì)的，若信號(hào)較強(qiáng)，呢么噪聲影響相對(duì)較小。因此，信噪比就很重要。

信噪比常記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位，即

香農(nóng)定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不產(chǎn)生誤差，信息的數(shù)據(jù)傳輸率有上限。

W為帶寬，S是信道所傳信號(hào)的平均功率，N是信道內(nèi)的高斯噪聲功率。

結(jié)論：

1、信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信號(hào)的極限傳輸速率就越高

2、對(duì)一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限就確定了。

3、只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。

4、香農(nóng)定理得出的為極限信息傳輸速率，實(shí)際信道能達(dá)到的傳輸速率要低很多

5、若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（假設(shè)），那么信道的極限信息傳輸速率就沒有上限。

（在考試中一般需要將信噪比dB進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換）

2.1.5編碼與調(diào)制

信道上傳送的信號(hào)：

基帶信號(hào)：將數(shù)字1和0直接用兩種不同的電壓表示，再送到數(shù)字信道上傳輸（基帶傳輸）。來(lái)自信源的信號(hào)，如計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)就是發(fā)出的直接表達(dá)了要傳輸?shù)男畔⒌男盘?hào)。

寬帶信號(hào)：將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)，再傳送到模擬信道上傳輸（寬帶傳輸）。把基帶信號(hào)經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道上傳輸（即盡在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。

在傳輸距離較近時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用基帶傳輸方式（近距離衰減小，從而信號(hào)內(nèi)容不易發(fā)生變化）

在傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用寬帶傳輸方式（遠(yuǎn)距離衰減大，即使信號(hào)變化大也能過濾出基帶信號(hào)）

編碼：數(shù)據(jù)->數(shù)字信號(hào)

調(diào)制：數(shù)據(jù)->模擬信號(hào)

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)：

（6）4B/5B編碼

比特流中插入額外的比特以打破一連串的0或1，就是用5個(gè)比特來(lái)編碼4個(gè)比特的數(shù)據(jù)，之后再傳給接收方，因此稱為4B/5B。編碼效率為80%。

只采用16種對(duì)應(yīng)16種不同的4位碼，其他的16種作為控制碼（幀的開始和結(jié)束，線路的狀態(tài)信息等）或保留。

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數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)：

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)在發(fā)送端將數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，而在接收端模擬信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)于調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制和解調(diào)過程。

模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)：

計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，處理的都是數(shù)字音頻，所以需要將模擬音頻通過采樣、量化轉(zhuǎn)換為有限個(gè)數(shù)字表示的離散序列（即實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)字化）。

最典型的例子就是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行編碼的脈碼調(diào)制（PCM），在計(jì)算機(jī)應(yīng)用，能夠達(dá)到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用于素材保存即音樂欣賞，CD、DVD及WAV文件均有應(yīng)用。它主要包括三步：抽樣、量化、編碼。

1、抽樣：對(duì)模擬信號(hào)周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。

為了使所得的離散信號(hào)能無(wú)失真的代表被抽樣的模擬數(shù)據(jù)，而使用采樣定理進(jìn)行采樣f采樣頻率≥2f信號(hào)最高頻率

2、量化：把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級(jí)標(biāo)度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)數(shù)字值，并取整數(shù)，這就把連續(xù)的電平幅值轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量。

3、編碼：把量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼。

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模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)：

為了實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)挠行?，可能需要較高的頻率。這種調(diào)制方式還可以使用頻分復(fù)用技術(shù)，充分利用帶寬資源。在電話機(jī)和本地交換機(jī)所傳輸?shù)男盘?hào)是采用模擬信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù)的方式：模擬的聲音數(shù)據(jù)是加載到模擬的載波信號(hào)中傳輸。

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2.2物理層傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)也稱為傳輸媒體/傳輸媒介，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的物理通路。

但傳輸媒體并非物理層。傳輸媒體在物理層下面，因?yàn)槲锢韺邮求w系結(jié)構(gòu)的第一層，因此有時(shí)稱傳輸媒體為0層。在傳輸媒體中傳輸?shù)氖切盘?hào)，但傳輸媒體并不知道所傳輸?shù)男盘?hào)代表什么意思。但物理層規(guī)定了電氣特性，因此能夠識(shí)別所傳送的比特流。

傳輸介質(zhì)：

導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)->電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒介（銅線/光纖）傳播

非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)->自由空間，介質(zhì)可以是空氣、真空、海水等

導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)

1、雙絞線：

雙絞線是古老、有最常用的傳輸介質(zhì)，由兩根采用一定規(guī)則并排絞合的、相互絕緣的銅導(dǎo)線組成。絞合可以減少相鄰線導(dǎo)線的電磁干擾。

為了進(jìn)一波提高抗電磁干擾能力，可以在雙絞線外再加一個(gè)由金屬絲編織成的屏蔽層，這就死屏蔽雙絞線（STP），無(wú)屏蔽層的雙絞線叫做非屏蔽雙絞線。

雙絞線價(jià)格便宜，是最常用的傳輸介質(zhì)之一，在局域網(wǎng)和傳統(tǒng)電話網(wǎng)中普遍使用。模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾公里到數(shù)十公里。距離太遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)于模擬傳輸，要用放大器放大衰減的信號(hào)；對(duì)于數(shù)字傳輸，要用中繼器將失真的信號(hào)整形。

2、同軸電纜：

同軸電纜由導(dǎo)體銅質(zhì)芯線、絕緣層、網(wǎng)狀編織屏蔽層和塑料外殼構(gòu)成。按特性阻抗數(shù)值不同，通常將同軸電纜分為兩類：50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜。50Ω同軸電纜主要用于傳送基帶數(shù)字信號(hào)，又稱為基帶同軸電纜，它在局域網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用；75Ω同軸電纜主要用于傳送寬帶信號(hào)，又稱為寬帶同軸電纜，主要用于電視系統(tǒng)。

由于外導(dǎo)體屏蔽層的作用，同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好，被廣泛用于傳輸較高速率的數(shù)據(jù)，其傳輸距離更遠(yuǎn)，但價(jià)格較雙絞線貴。

3、光纖：

光纖通信利用光導(dǎo)纖維（光纖）傳遞光脈沖進(jìn)行通信。有光脈沖為1，無(wú)光脈沖為0。而可見光的頻率大約是108MHz，因此光纖通信系統(tǒng)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬。

光纖主要由纖芯（實(shí)心）和包層構(gòu)成，光波通過纖芯進(jìn)行傳導(dǎo)，包層較纖芯有較低的折射率。當(dāng)光線從高折射率的介質(zhì)射向低折射率的介質(zhì)時(shí)，其折射角將大于入射角。因此，如果入射角足夠大，就會(huì)出現(xiàn)全反射，即光線碰到包層時(shí)就會(huì)折射回纖芯、這個(gè)過程不斷重復(fù)，光就沿著光纖傳輸下去。

特點(diǎn)：

1、傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。

2、抗雷電和電磁干擾性能好。

3、無(wú)串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。

4、體積小，重量輕。

非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)：

2.3物理層設(shè)備

中繼器：對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生和還原，對(duì)衰減的信號(hào)進(jìn)行放大，保持與原數(shù)據(jù)相同，以增加信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度。（再生數(shù)字信號(hào)）

中繼器的兩端：

兩端網(wǎng)絡(luò)部分是網(wǎng)段，而不是子網(wǎng)，適用于完全相同的兩類網(wǎng)絡(luò)的互連，且兩個(gè)網(wǎng)段速率要相同。

中繼器只將任何電纜段上的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一段電纜上，它僅作用于信號(hào)的電氣部分，并不管數(shù)據(jù)中是否有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或不適于網(wǎng)段的數(shù)據(jù)。

兩端可連相同媒體，也可連不同媒體。

中繼器兩端的網(wǎng)段一定要是同一個(gè)協(xié)議。

5-4-3規(guī)則：網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)信號(hào)的延遲范圍作了具體的規(guī)定，因而中繼器只能在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行，否則會(huì)網(wǎng)絡(luò)故障。最多5個(gè)網(wǎng)段，最多連接4個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，只有3個(gè)段可以連接計(jì)算機(jī)。

集線器（多口中繼器）：對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生放大轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)衰減的信號(hào)進(jìn)行放大，接著轉(zhuǎn)發(fā)到其他所有（除輸入端扣外）處于工作狀態(tài)的端口上，以增加信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度。不具備信號(hào)的定向傳送能力，是一個(gè)共享式設(shè)備。（星型拓?fù)?、廣播、集線器不能分割沖突域，連在集線器上的工作主機(jī)平分帶寬）

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（ADSL：非對(duì)稱數(shù)字用戶線，用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話線進(jìn)行改造，使其能夠承載寬帶數(shù)字業(yè)務(wù)。貓，ADSL調(diào)制解調(diào)器。利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)中的用戶線（銅線，不需要重新布線。）需要成對(duì)使用，用戶端和本地電話局就要由貓

HFC網(wǎng)：光纖同軸混合網(wǎng)。機(jī)頂盒，電纜調(diào)制解調(diào)器，不要成對(duì)使用，只要安裝在用戶端。

FTTX技術(shù)：光纖到戶技術(shù)。）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?