計算機網絡知識點總結-第二章：物理層
1.物理層的基本概念
物理層的功能：怎樣在鏈接各類計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，屏蔽不一樣傳輸媒體和通訊手段的差別緩存
規程：用於物理層的協議網絡
傳輸媒體接口的特性：異步
(1)機械特性：接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等編碼
(2)電氣特性：接口電路的各條線上出現的電壓範圍spa
(3)功能特性：某條線上出現某一電平電壓的意義3d
(4)過程特性：對於不一樣功能的各類可能事件的出現順序視頻
2.數據通訊的基礎知識
2.1數據通訊系統模型：blog
數據通訊系統劃分：源系統、傳輸系統、目的系統接口
源系統的內容：事件
源點：源點設備產生要傳輸的數據
發送器：源點生成的數字比特流要經過發送器編碼後才能在傳輸系統中傳輸；如調製器
接收器：結束傳輸系統發送來的信號，並轉換成能被目的設備處理的信息；如解調器
終點：終點設備從接收器獲取傳送來的數字比特流，而後把信息輸出
經常使用術語：
消息：通訊的目的是傳送消息，如語音、文字、圖像、視頻等
數據：是運送消息的實體；使用特色方式表示的信息，一般是有意義的符號序列
信號：數據的電氣或電磁表現
模擬信號(連續信號)：表明消息的參數取值是連續的
數字信號(離散信號)：表明消息的參數的取值是離散的
碼元：表明不一樣離散數值的基本波形
2.2有關信道的基本概念
信道：表示向某一個方向傳送信息的媒體
*信息交互的方式：
(1)單向通訊(單工通訊)：只能有一個方向的通訊而沒有反方向的交互；只須要一條信道
(2)雙向交替通訊(半雙工通訊)：通訊的雙方均可以發送信息，但不能雙方同時發送，而是一方發送另外一方接收，一段時間後能夠反過來；兩條信道
(3)雙向同時通訊(全雙工通訊)：通訊雙方能夠同時發送和接收信息；兩條信道；傳輸效率最高
基帶信號：來自信源的信號；如計算機輸出的表明文字或圖像的數據信號都是基帶信號
調製分類：
基帶調製(編碼)：僅對基帶信號的波形進行變換，使其能與信道特性相適應，變換後的信號還是基帶信號
帶通調製：使用載波進行調製，把基帶信號的頻率範圍移到較高頻段，並轉換爲模擬信號，變換後的信號稱爲帶通訊號
經常使用編碼方式：
(1)不歸零制：正電平表明1，負電平表明0
(2)歸零制：正脈衝表明1，負脈衝表明0
(3)曼切斯特編碼：位週期中心的向上跳變表明0，位週期中心的向下跳變表明1；也可反過來定義
(4)差分曼切斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變表明0，位開始邊界沒有跳變表明1
基本的帶通調製方法：
(1)調幅：載波的振幅隨基帶數字信號而變化；如0或1分別對應無載波或有載波輸出
(2)調頻：載波的頻率隨基帶數字信號而變化；如0或1分別對應頻率f1或f2
(3)調相：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化；如0或1分別對應於相位0度或180度
2.3信道的極限容量
限制碼元在信道上傳輸速率的因素：
(1)信道可以經過的頻率範圍：
碼間串擾：信號中高頻分類受到衰減，在接收端收到的波形前沿和後沿不那麼陡峭，每一個碼元所佔時間界限不明確，失去了碼元間的清晰界限的現象
奈氏準則：在任何信道，碼元傳輸的速率是有上限的，超過上限就會出現嚴重的碼間串擾，使接收端對碼元沒法識別
(2)信噪比：
定義：信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，記做S/N
香農公式：信道的極限信息傳輸速率C是
其中W爲信道帶寬，S爲信道內所傳信號的平均功率，N爲信道內部的高斯噪聲功率
香農公式代表，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高
香農公式的意義：只要信息傳輸速率低於信道的極限速率，就必定存在某種方法來實現無差錯的傳輸
3.物理層下面的傳輸媒體
傳輸媒體：是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路
傳輸媒體的分類：
引導型：電磁波被引導沿着固體媒體傳播
雙絞線
同軸電纜
光纖
非引導型：電磁波無線傳輸
4.信道複用技術
*4.1頻分複用、時分複用、統計時分複用
複用：容許用戶使用一個共享的信道進行通訊，下降成本，提升利用率
頻分複用：
原理：用戶在分配到必定頻帶後，在通訊過程當中自始至終都佔用這個頻帶
特色：全部用戶在一樣的時間佔用不一樣的頻率帶寬
時分複用：
原理：將時間劃分爲一段段等長的時分複用幀(TDM幀)，每一個時分複用的用戶在每個TDM幀中佔用固定序號的時隙
特色：全部用戶在不一樣的時間佔用一樣的頻帶寬度
統計時分複用：
原理：使用STDM幀來傳送複用的數據，每個STDM幀中的時隙數小於鏈接在集中器上的用戶數；各用戶有數據就發往集中器的輸入緩存，集中器按順序依次掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數據放入STDM幀中，沒有數據的緩存就跳過，當一個幀放滿即發送，所以STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態分配時隙
某用戶佔用的時隙不是週期性出現的，所以統計時分複用又稱爲異步時分複用；而時分複用又稱爲同步時分複用
4.2波分複用
波分複用：
原理：就是光的頻分複用，使用同一根光纖同時傳輸多個光載波信號
4.3碼分複用
碼分複用(碼分多址)：
原理：各個用戶使用進過特殊挑選的不一樣碼型，所以彼此不會互相干擾
碼片：每個比特時間劃分爲m個短的間隔，稱爲碼片
工做方式：
每一個站被指派一個惟一的mbit碼片，若發送1，則發送本身的m bit碼片
若發送0，則發送該碼片的二進制反碼
碼片實現擴頻：因爲一個比特可轉換成m個比特的碼片，所以實際發送數據率提升了m倍
重要特色：每一個站的碼片必須各不相同，並相互正交
碼片正交關係：不一樣碼片正交，就是向量S和T的規格化內積爲0，（規格化內積即對應爲相乘）
正交關係的重要特徵：任何碼片與本身的規格化內積爲1，與本身反碼的規格化內積爲-1
例2-16：共有四個站進行碼分多址通訊，四個站的碼片序列分別爲
A(-1-1-1+1+1-1+1+1) B(-1-1+1-1+1+1+1-1)
C(-1+1-1+1+1+1-1-1) D(-1+1-1-1-1-1+1-1)
現收到這樣的碼片:(-1+1-3+1-1-3+1+1)，問哪些站發送了數據，發送的是0仍是1
解：
A站的內積：(-1-1-1+1+1-1+1+1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1
B站的內積：(-1-1+1-1+1+1+1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1
C站的內積：(-1+1-1+1+1+1-1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0
D站的內積：(-1+1-1-1-1-1+1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1
因此A、D站發送了1，B站發送了0，C站沒有發送
5.數字傳輸系統
早期數字傳輸系統的缺點：
(1)速率標準不一
(2)不是同步傳輸
現代的傳輸網絡的傳輸媒體：光纖
同步光纖網(SONET)：各級時鐘都來自一個很是精確的主時鐘，爲光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構
同步數字系列(SDH)：由sonet爲基礎發展的國際標準
6.帶寬接入技術
ADSL技術：非對稱數字用戶線，將原有的模擬電話線進行改造，使其可以承載寬帶業務，將0-4k的低端頻譜留給電話使用，將剩餘部分給寬帶使用，其中上行帶寬小於下行帶寬
傳輸距離：與數據率和用戶線的線徑(粗細)有關
傳輸速度：與實際用戶線的信噪比密切相關
數據率：採用自適應調製技術使用戶線可以傳輸儘量多的數據，受環境和線路條件影響較大
特色：上行和下行帶寬不對稱、須要在用戶線兩端各安裝一個調制解調器
第二代ADSL：獲得更高的數據率，採用無縫速率自適應技術，可在運營中不中斷通訊和不產生誤碼的狀況下，自適應的調整數據率
光纖同軸混合網(HFC)：是目前覆蓋面較廣的有線電視網，採用模擬技術，頻分複用，主幹部分使用光纖，入戶部分使用同軸電纜
FTTx技術：是一種實現寬帶居民接入網的方案，表明多種寬帶光纖接入方式
無源光網絡PON：爲有效利用光纖資源，在光纖幹線和用戶之間使用無源光網絡PON。無源光網絡無須配備電源，長期運行和管理成本低。
最流行的無源光網絡是以太網無源光網絡EPON和吉比特無源光網絡GPON
習題
2.1 物理層解決的主要問題：
（1）儘量屏蔽物理設備和傳輸媒體
（2）怎樣在鏈接各類計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流
2.2規程與協議的區別：規程就是指物理層的協議
2.7假定某信道受奈氏準測限制，最高碼元速率爲20000碼元/s，採用振幅調製，把碼元的振幅劃分紅16個不一樣等級來傳送，求最高能得到的數據率
C=R*log(16)=20000b/s*4=80000b/s
16種狀態用4bits表示，碼元速率爲20000碼元/s，每一個碼元能表示4bits，故答案爲20000*4
2.8假定要用3KHz帶寬的電話信道傳送64kb/s的數據，試問這個信道應具備多高的信噪比
C=W*log(1+S/N)，其中，W=3khz，C=64kb/s
因此，1+S/N=2^(64/3)，S/N=2.64*10^6，(S/N)=10*log10(2.64*10^6)=64.2db
2.9用香農公式計算，假定信道帶寬爲3100Hz，最大信道傳輸速率爲35kb/s，若使最大信道傳輸速率增長60%，求信噪比S/N應增大多少倍？
C=Wlog(1+S/N)
35000=3100*log(1+S/N)
S/N=2^(350/31)-1=2505
35000*1.6=3100*log(1+x*S/N)
x=109.396
因此應增大109倍
2.11假定一種雙絞線衰減使0.7db/km，若允許由20db的衰減，試問使用這種雙絞線的鏈路工做距離有多長？若是工做距離要增大到100km，應使衰減下降到多少？
(1) 20/0.7=28.6km
(2) 20/100=0.2db
*2.12計算工做在1200nm到1400nm之間以及工做在1400nm到1600nm之間的光波的頻帶寬度,光速爲2*10^8m/s
V=V/L1 - V/L2
1200nm~1400nm：帶寬=2*10^8/1200*10^-9 - 2*10^8/1400*10^-9=23.8Thz
1400nm~1600nm：帶寬=2*10^8/1400*10^-9 - 2*10^8/1600*10^-9=17.86Thz
*13.爲何使用信道複用技術？經常使用的信道複用技術有哪些？
解：
爲了實現共享信道、最大限度提升信道利用率
頻分、時分、碼分、波分