计算机网络（2）：物理层-编程知识

物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样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。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉差异（硬件设备，传输媒体，通信手段），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是什么。
用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。其实物理层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：
(1)机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等。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表示何种意义。
(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。

数据在计算机中多采用并行传输方式，但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层要完成传输方式的转换。

数据通信的基本知识

数据通信系统的模型

在这里插入图片描述
一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方)、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、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，或信源。
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传输。典型的发送器就是调制器。

目的系统一般也包括以下两个部分：
接收器：接收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，还原出发送端产生的数字比特流。
终点(destination)：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。终点又称为目的站，或信宿。

传输系统可能是简单的传输线，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(message)。数据(data)是运送消息的实体。信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。
根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类：
(1）模拟信号，或连续信号，代表消息的参数的取值是连续的。
(2）数字信号，或离散信号，代表消息的参数的取值是离散的。
在使用时间域（或简称为时域）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。
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。

有关信道的几个基本概念

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，过一段时间后再反过来。
(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。

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号)。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。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。

调制可分为两大类：
1.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。这类调制称为基带调制。
2.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以便在信道中传输。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。

最基本的带通调制方法有：
(1)调幅(AM)，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。
(2)调频(FM)，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 $f_1$ 或 $f_2$ 。
(3)调相(PM)，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。

信道的极限容量

数字通信的优点就是：在接收端只要能从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。

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。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：
1）信道能够通过的频率范围
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

2）信噪比
所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 $S / N$ ，并用分贝(dB)作为度量单位。即:
$\text{信噪比}(db) = 10 \space \log_{10}(S/N)$

信道的极限信息传输速率 $C$ 是：
$\space \log_2(1+S/N)$

式中， $W$ 为信道的带宽（以 Hz 为单位)； $S$ 为信道内所传信号的平均功率； $N$ 为信道内部的高斯噪声功率。
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。

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：导向传输媒体和非导向传输媒体。
导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播；
非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

导向传输媒体

1.双绞线：把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。
绞合可以减少相对邻导线的电磁干扰。

2.同轴电缆：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（也可以是单股的）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，被广泛用于传输较高速率的数据。

3.光缆：光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。
由于可见光的频率非常高，约为10^8 MHz的量级，因此个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
有多模光纤和单模光纤两种，主要是看光纤是否会沿着一条直线传播，是否会产生多次反射。

4.架空明线：在电线杆上架设的互相绝缘的明线。

非导向传输媒体

利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种的通信。由于这种通信方式不使用导向传输媒体，因此就将自由空间称为“非导向传输媒体”。

LF, MF 和 HF 的中文名字分别是低频、中频和高频。更高的频段中的 V, U, S 和 E 分别对应于Very，Ultra，Super 和 Extremely，相应的频段的中文名字分别是甚高频、特高频、超高频和极高频。最高的一个频段中的 T 是Tremendously。

传统的微波通信主要有两种主要的方式：即地面微波接力通信和卫星通信。
这些稍微了解就好了，，，通信原理什么的里面有学过。。。

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

复用：
在这里插入图片描述

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：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用：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 (Statistic TDM)：是一种改进的时分复用，能明显地提高信道的利用率。
波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)：光的频分复用。
码分复用CDM（Code Division Multiplexing）：也叫码分多址，各用户使用经过特殊挑选的不同码型。
通信原理都有。。。。。简单复习一下