2.1 物理層的基本概念
物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流。
物理層為數據鏈路層屏蔽了各種傳輸媒體的差異，使數據鏈路層只需要考慮如何完成本層的協議和服務，而不必考慮網絡具體的傳輸媒體是什么。
物理層協議的主要任務：
- 機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸，引腳數目和排列、固定和鎖定裝置；
- 電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍；
- 功能特性：指明某條線.上出現的某一電平的電壓表示何種意義；
- 過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
2.2 物理層下面的傳輸媒體
傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，就是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路。
傳輸媒體可分為兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體。
傳輸媒體不屬於計算機網絡體系結構的任何一層，如果非要將它添加到體系結構中，那只能將其放置到物理層之下。
2.2.1 導引型傳輸媒體
在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿着固體媒體傳播。
同軸電纜：
- 基帶同軸電纜(50Ω)：數字傳輸，過去用於局域網
- 寬帶同軸電纜(75Ω)：模擬傳輸，目前主要用於有線電視
同軸電纜價格較貴且布線不夠靈活和方便，隨着集線器的出現，在局域網領域基本上都是采用雙絞線作為傳輸媒體。
雙絞線：
用兩根線絞合的作用在於：
- 抵御部分來自外界的電磁波干擾
- 減少相鄰導線的電磁干擾
光纖：
光纖的優點：
- 通信容量大 (25000~ 30000GHz的帶寬)；
- 傳輸損耗小，遠距離傳輸時更加經濟；
- 抗雷電和電磁干擾性能好。這在大電流脈沖干擾的環境下尤為重要；
- 無串音干擾，保密性好，不易被竊聽；
- 體積小， 重量輕。
光纖的缺點：
- 割接需要專用設備。
光纖的工作原理：光纖外層為低折射率的包層，內層為高折射率的纖芯，光線在纖芯中傳輸的方式就是不斷地全反射。
多模光纖
- 可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。
單模光纖
- 若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。這樣的光纖稱為單模光纖。
2.2.2 非導引型傳輸媒體
非導引型傳輸媒體是指自由空間。
無線電波：
微波：
紅外線：
在早期，計算機之間使用過紅外線通信，其特點是可以實現點對點無線傳輸，但只能直線傳輸，中間不能有障礙物，傳輸距離短，傳輸速率比較低(4Mb/s~16Mb/s)。
如今已經被淘汰，但在許多手機中仍能見到這個功能，一般可以用紅外通信遙控電器等。
擴展：這些頻段的划分都由專門的無線電頻譜管理機構來完成。
-
中國:工業和信息化部無線電管理局(國家無線電辦公室)
-
美國:聯邦通訊委員會FCC
ISM (Industrial, Scientific, Medical)頻段
2.3 傳輸方式
2.3.1 串行傳輸與並行傳輸
串行傳輸：
- 數據是一個比特一個比特依次發送的，因此在發送端與接收端之間，只需要一條數據傳輸線路即可。
並行傳輸：
- 一次發送n個比特，因此，在發送端和接收端之間需要有n條傳輸線路；
- 並行傳輸的優點是比串行傳輸的速度n倍，但成本高。
數據在傳輸線路上的傳輸采用是串行傳輸，計算機內部的數據傳輸常用並行傳輸。
2.3.2 同步傳輸與異步傳輸
同步傳輸：
- 數據塊以穩定的比特流的形式傳輸，字節之間沒有間隔；
- 接收端在每個比特信號的中間時刻進行檢測，以判別接收到的是比特0還是比特1
- 由於不同設備的時鍾頻率存在一定差異，不可能做到完全相同，在傳輸大量數據的過程中，所產生的判別時刻的累計誤差，會導致接收端對比特信號的判別錯位，所以要使收發雙發時鍾保持同步。
收發雙方時鍾同步的方法：
- 外同步：在收發雙方之間添加一條單獨的時鍾信號線
- 內同步：發送端將時鍾同步信號編碼到發送數據中一起傳輸(如曼徹斯特編碼)
異步傳輸：
- 以字節為獨立的傳輸單位，字節之間的時間間隔不固定 (字節之間異步)；
- 接收端僅在每個字節的起始處對字節內的比特實現同步，各比特的持續時間相同；
- 通常在每個字節前后分別加上起始位和結束位。
2.3.3 單工、半雙工與全雙工
在許多情況下，我們要使用“信道（channel）”這一名詞。信道和電路並不等同。信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。因此，一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：
單向通信：
又稱為單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。
例子：無線電廣播、有線電廣播、電視廣播。
雙向交替通信：
又稱為半雙工通信，即通信的雙方可以發送信息，但不能雙方同時發送（當然也就不能同時接收）。
例子：對講機。
雙向同時通信：
又稱為全雙工通信，即通信的雙發可以同時發送和接收信息。
例子：手機等。
注：嚴格來說，傳輸媒體並不能和信道划等號，單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則需要兩條信道（每個方向各一條），其中雙向同時通信的傳輸效率最高（如果使用信道復用技術，一條傳輸媒體還可以包含多個信道）
2.4 編碼與調制
2.4.1 常用術語
- 數據 (data) —— 運送消息的實體；
- 信號 (signal) —— 數據的電氣的或電磁的表現；
- 模擬信號 (analogous signal) —— 代表消息的參數的取值是連續的；
- 數字信號 (digital signal) —— 代表消息的參數的取值是離散的；
- 碼元 (code) —— 在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形；
- 基帶信號（即基本頻帶信號）—— 來自信源的信號；
像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號。- 基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進行調制(modulation)
在計算機網絡中，常見的是將數字基帶信號通過編碼或調制的方法在相應信道進行傳輸。
2.4.2 常用編碼
不歸零編碼：
- 正電平表示比特1或0 | 負電平表示比特0或1
- 所謂不歸零編碼，就是指在整個碼元時間內，電平不會出現零電平。
實際比特1和比特0的表示要看現實怎么規定；
那么問題來了，多個1或多個0傳輸時，如何判斷其比特數量？
這就需要發送方的發送和接收方的接收做到嚴格的同步。
- 用一根額外傳輸線來傳輸時鍾信號，使發送方和接收方同步，接收方按時鍾信號的節拍來逐個接收碼元；
- 但是對於計算機網絡，寧願利用這根傳輸線傳輸數據信號，而不是傳輸時鍾信號；
由於不歸零編碼存在同步問題，因此計算機網絡中的數據傳輸不采用這類編碼！
歸零編碼：
- 每個碼元傳輸結束后信號都要“歸零”，所以接收方只要在信號歸零后進行采樣即可，不需要單獨的時鍾信號。
- 實際上，歸零編碼相當於把時鍾信號用"歸零”方式編碼在了數據之內,這稱為“自同步”信號。
- 但是，歸零編碼中大部分的數據帶寬，都用來傳輸“歸零”而浪費掉了。
所以歸零編碼雖然自同步，但是編碼效率低。
曼徹斯特編碼：
- 在每個碼元時間的中間時刻，信號都會發生跳變
- 負跳變表示比特1或0 | 正跳變表示比特0或1
- 碼元中間時刻的跳變即表示時鍾，又表示數據
實際比特1和比特0的表示要看現實怎么規定
傳統以太網(10Mb/s)使用的就是曼切斯特編碼
差分曼徹斯特編碼
- 在每個碼元時間的中間時刻，信號都會發送跳變，但與曼徹斯特不同
- 跳變僅表示時鍾，碼元開始處電平是否變換表示數據
- 變化表示比特1或0 | 不變化表示比特0或1
實際比特1和比特0的表示要看現實怎么規定
相比之下比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率
2.4.3 調制
- 數字信號轉換為模擬信號，在模擬信道中傳輸。
例如WiFi，采用補碼鍵控CCK/直接序列擴頻DSSS/正交頻分復用OFDM等調制方式。 - 模擬信號轉換為另一種模擬信號，在模擬信道中傳輸。
例如，語音數據加載到模擬的載波信號中傳輸。頻分復用FDM技術，充分利用帶寬資源。
基本調制方法：
- 調幅AM：所調制的信號由兩種不同振幅的基本波形構成。每個基本波形只能表示1比特信息量。
- 調頻FM：所調制的信號由兩種不同頻率的基本波形構成。每個基本波形只能表示1比特信息量。
- 調相PM：所調制的信號由兩種不同初相位的基本波形構成。每個基本波形只能表示1比特信息量。
注：使用基本調制方法，1個碼元只能包含1個比特信息
混合調制：
為使碼元能夠表示更多信息，我們引入混合調制，切入點便是將振幅、頻率和相位結合：
- 因為頻率和相位是相關的，即頻率是相位隨時間的變化率。所以一次只能調制頻率和相位兩個中的一個；
- 然而相位和振幅不相關，可以將其結合起來一起調制，稱為正交振幅調制QAM
舉例：
注：每個點代表一個碼元，可將碼元的極坐標角度看作相位，半徑看作振幅。
2.5 信道的極限容量
- 任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。
- 碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。
奈氏准則：在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元傳輸速率是有上限的。
- 理想低通信道的最高碼元傳輸速率= 2W Baud = 2W 碼元/秒
- 理想帶通信道的最高碼元傳輸速率= W Baud = W碼元/秒
- W:信道帶寬(單位為Hz)，Baud:波特,即碼元/秒
- 碼元傳輸速率又稱為波特率、調制速率、波形速率或符號速率。它與比特率有一定關系：
- 當1個碼元只攜帶1比特的信息量時，則波特率(碼元/秒)與比特率(比特/秒)在數值上是相等的；
- 當1個碼元攜帶n比特的信息量時，則波特率轉換成比特率時，數值要乘以n
- 要提高信息傳輸速率(比特率)，就必須設法使每一個碼元能攜帶更多個比特的信息量。這需要采用多元制。
- 實際的信道所能傳輸的最高碼元速率，要明顯低於奈氏准則給出的這個上限數值。
香農公式：帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率。
c：信道的極限信息傳輸速率(單位: b/s)
W：信道帶寬(單位: Hz)
S：信道內所傳信號的平均功率
N：信道內的高斯噪聲功率
S/N：信噪比，使用分貝(dB) 作為度量單位，信噪比(dB) =10 x log(S/N) (dB)
可見 信道帶寬W 或 信噪比S/N 越大，信息的極限傳輸速率越高。
在實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比該公式的極限傳輸速率低不少。
這是因為在實際信道中，信號還要受到其他一些損傷，如各種脈沖干擾、信號在傳輸中的衰減和失真等，這些因素在香農公式中並未考慮。
在信道帶寬一定的情況下，根據奈氏准則和香農公式，要想提高信息的傳輸速率就必須采用多元制(更好的調制方法) 和 努力提高信道中的信噪比。
自從香農公式發表后，各種新的信號處理和調制方法就不斷出現，其目的都是為了盡可能地接近香農公式給出的傳輸速率極限。
2.6 信道復用技術
復用 (multiplexing) 是通信技術中的基本概念。它允許用戶使用一個共享信道進行通信，降低成本，提高信道利用率。
頻分復用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
- 將整個帶寬分為多份，用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶；
- 頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）
時分復用TDM (Time Division Multiplexing)
- 時分復用則是將時間划分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙；
- 每一個用戶所占用的時隙周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度）
- TDM 信號也稱為等時 (isochronous) 信號。
- 時分復用的所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。
時分復用可能會造成線路資源的浪費：
使用時分復用系統傳送計算機數據時，由於計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。
為此提出的改進方案是統計時分復用 STDM (Statistic TDM)
- STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙。因此統計時分復用可以提高線路的利用率。
波分復用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
- 波分復用就是光的頻分復用。
- 使用一根光纖來同時傳輸多個光載波信號。
碼分復用 CDM(Code Division Multiplexing)
- 常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
- 各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
- 這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。