物理层

2022.07.09

物理层概念与标准

物理层协议也叫做物理层规程。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。
四种特性：
1. 机械特性：形状尺寸、引脚数量与排列、固定锁定装置。
2. 电气特性：电压范围。
3. 功能特性：电压意义。
4. 过程特性：不同功能的各种事件出现顺序。
5. 例子：
  1. 某网络在物理层规定,信号的电平表示二进制0,用-10V~-15V表示二进制1,电线长度限于15m以内,这体现了物理层接口的(电气特性)
  2. 当描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时,该描述属于(功能特性)
常见标准
1. EIA RS-232
2. ADSL
  ADSL因为上行（从用户到电信服务提供商方向，如上传动作）和下行（从电信服务提供商到用户的方向，如下载动作）带宽不对称（即上行和下行的速率不相同）因此称为非对称数字用户线路。它采用频分多路复用技术把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道，从而避免了相互之间的干扰。
3. SONET/SDH
  同步光纤网络
计算机内部：一般并行传输；数据在通信线路：串行传输。
交换方式
1. 电路交换
2. 报文交换
  1. 不能用来传语音
3. 分组交换
  1. 数据报交换
    1. 在出错率很高的传输系统适合采用
    2. 不保证有序到达
  2. 虚电路
    1. 保证有序到达
    2. 将数据报与电路交换结合起来
    3. 虚电路建立(呼叫请求&呼叫应答)、数据传输、虚电路释放(释放请求&释放应答)
    4. 建立虚电路时，选择一个没用过的虚电路号以区别其他虚电路
    5. 数据传输时，不仅有分组号、校验和等控制信息，还有虚电路号
    6. 结点维护虚电路表，虚电路表包含一个打开的虚电路信息、接受与发送链路的虚电路号、前后节点标识
    7. 【错】连接是临时性的，会话结束就立即释放
  3. 信元交换（目前最先进）：又叫异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM），是一种面向连接的快速分组交换技术，它是通过建立虚电路来进行数据传输的。

通信基础

双方信息交互方式
1. 单工通信：只能A到B
2. 半双工通信：A与B交替通信
3. 全双工通信：A与B同时通信
调制：
1. 基带调制/编码
2. 带通调制：因为许多信号包含直流或低频成分，这些在通信线路上不好传输，所以需要用载波进行调制。
基带传输：将基带信号直接传送到通信线路(数字信道)上的传输方式。常用局域网传输，近距离传输。独占带宽，双向传输。
频带传输：把基带信号经过调制后送到通信线路(模拟信道)上的方式。常用于远距离传输或无线传输。
宽带传输：借助频带传输，把链路容量分成多个信道。比如频分复用。
同步传输：面向比特；单位是帧；通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会；效率高。
异步传输：面向字节；单位是字符；以数据中抽取同步信息；效率低。
资料
波特率：每秒可能发生的信号变化次数
课本：码元传输速率。又称波特率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。码元可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制数无关。

常用的编码方式

保持是电平延续，比如差分曼彻斯特编码如果保持，是前一bit电平后一半与这一bit电平前一半相同

	bit=0	bit=1	时钟信号
单/双极性不归零码（NRZ）（相当于占空比为1）	0或-1	1	否
单/双极性归零码（RZ）（占空比不为1）	0或-1	1	是
反向非归零码（INRZ）（USB 2.0采用）	01互换	保持	是
曼彻斯特编码（以太网采用）	01	10	是
差分曼彻斯特编码方式（常见于局域网传输）	01互换	保持	是
4B/5B编码

助记问题答案
反向非归零码用于什么？规则是怎样的？ USB2.0，0反1保
差分曼彻斯特编码用于什么？规则？局域网，0反1保
保持是什么？前一bit电平后一半与这一bit电平前一半相同
曼彻斯特编码用于什么？以太网

常用的带通调制方法
- 调幅AM、调频FM、调相PM
- 脉冲编码调制：数字信号编码模拟信号；常用于传输音频
- 正交振幅调制(QAM)
  - 模拟信号传数字数据
  - 采用m个相位，每个相位n种振幅：
  $\begin{matrix} R = 2 W \log_{2} m n \\ V = m n \end{matrix}$
奈奎斯特准则（发送速率与带宽）
$\begin{matrix} R = 2 W \log_{2} V = 2 B \\ W : 带宽 \\ B : 波特率 \end{matrix}$
信噪比
$信噪比 (d B) = 10 l o g_{10} \frac{S}{N} (d B)$
香农公式（发送速率与信噪比）
$R = W l o g_{2} (1 + \frac{S}{N})$
小结

助记问题	答案
反向非归零码用于什么？规则是怎样的？	USB2.0，0反1保
差分曼彻斯特编码用于什么？规则？	局域网，0反1保
保持是什么？	前一bit电平后一半与这一bit电平前一半相同
曼彻斯特编码用于什么？	以太网

三个公式例题

以太网数据波特率是40MBaud，数据率是？
PS: 10BaseT，以太网想到曼彻斯特码
$\begin{matrix} 以太网 \to 曼彻斯特 \to 2 b i t 传 1 b i t \\ 40 M B a u d \to 每秒信号变 40 M 次 \to 20 M b / s \end{matrix}$
无噪声8kHz信道，信号包含8级，每秒采样24k次，最大传输率
$R = 2 W \log_{2} V = 2 \cdot 8 k \cdot l o g_{2} 8 = 48 k b / s$
二进制信号在信噪比127:1的4kHz信道上传输，最大数据传输速率可以达到（）
$\begin{matrix} R_{1} = W \log_{2} (1 + \frac{S}{N}) = 4 k \cdot \log_{2} (1 + 127) = 28 k b / s \\ R_{2} = 2 W \log_{2} V = 2 \cdot 4 k \cdot l o g_{2} 2 = 8 k b / s \\ min (R_{1}, R_{2}) = 8 k b / s \end{matrix}$
信道每秒采样8次不是说B=8Hz
将1路模拟信号分别编码为数字信号后,与另外7路数字信号采用同步TDM方式复用到一条通信线路上。1路模拟信号的频率变化围为0~1kHz,每个采样点采用PCM方式编码为4位的二进制数,另外7路数字信号的数据率均为7.2kb/s。复用线路需要的最小通信能力是()。
$\begin{matrix} R = 2 W \log_{2} V = 2 \cdot 1 k \cdot 4 = 8 k b / s \\ 7.2 k b / s < 8 k b / s \\ 8 \cdot 8 = 64 k b / s \end{matrix}$

站A发送到路由器S发送到站B。发送速率10Mb/s。S收到分组处理35us进行转发（处理时延35us）。链路传播时延20us。发送两个5000bit分组。从A到B总时间：

时间	A	S	B
0	开始发1
20		开始收1
500	发完1，开始发2
520		刚收完1
555		开始发1
1000	发完2
1020		收完2
1055		发完1，处理完2，开始发2
1075			开始收2
1575			收完2

\begin{matrix} 发 送 : (2 链 路 + 2 发 送 节 点 - 1) \cdot \frac{5000 b}{10 M b / s} = 1500 μ s \\ 传 播 : 40 μ s \\ 处 理 : 35 μ s (只 有 s 处 理 了 一 次) \end{matrix}

虚电路，分组头部h位，数据p位，现有L位报文，源点与终点之间线路数k，每条线路传播时延d s，数据传输速率b bit/s，虚电路建立s s，结点处理时延m s。求总用时
$\begin{aligned} N & = \frac{L}{p} \\ d_{建立} & = s \\ d_{传播} & = d \cdot k \\ d_{发送} & = (N + k - 1) \cdot \frac{h + p}{b} \\ = (\frac{L}{p} + k - 1) \cdot \frac{h + p}{b} \\ d_{处理} & = (k - 1) \cdot m \\ d & = d_{建立} + d_{传播} + d_{发送} + d_{处理} \end{aligned}$

传输媒介

传输媒体不是物理层，是在物理层之下的第零层。
引导型(Guided)传输媒介
1. 双绞线
  1. 屏蔽双绞线（STP，Shielded Twist Pair）（屏蔽电磁干扰）
  2. 非屏蔽双绞线（UTP，Unshilded Twist Pair）
  3. 10BASE-T：10代表10Mb/s，BASE代表基带传输，T代表Twist Pair
  4. EIA/TIA-568，EIA/TIA-568-A
    - Wiki介绍
2. 同轴电缆
  1. 50Ω同轴电缆：传送基带数字信号，又称基带同轴电缆
  2. 75Ω同轴电缆：传送宽带信号，又称宽带同轴电缆
  3. 利用一根同轴电缆互连主机构成以太网,则主机间的通信方式为(B)
    A.全双工
    B.半双工
    C.单工
    D.不确定
    【以太网采用广播通信，半双工，同时通信会碰撞（参考计算机网络实验中的场景）】
  4. 同轴电缆比双绞线的传输速率更快,得益于(C)
    A.同轴电缆的铜心比双绞线粗,能通过更大的电流
    B.同轴电缆的阻抗比较标准,减少了信号的衰减
    C.同轴电缆具有更高的屏蔽性,同时有更好的抗噪声性
    D.以上都正确
3. 光缆
  1. 多模光纤：sx(短距离)
  2. 单模光纤：lx(长距离)，损耗低，昂贵
非引导型传输媒介
1. （甚特超极，VUSE）极低频(ELF)-超低频(SLF)-特低频(ULF)-甚低频(VLF)-低频(LF 30kHz~300kHz)-中频(MF 300kHz~3MHz)-高频(HF 3MHz~30MHz)-甚高频(VHF)-特高频(UHF)-超高频(SHF)-极高频(EHF)
2. 无线电波：无线局域网(WLAN)，设备无需对准某个方向
3. 微波、红外线和激光，需要视线通路（Line-of sight）
4. 多径效应：多径效应就是同一个信号经过不同的反射路径到达同一个接收点,但各反射路径的衰减和时延都不相同,使得最后得到的合成信号失真很大。
5. 两种类型：地面微波接力通信，卫星通信

物理层设备

中继器
1. 别名：转发器
2. 不能隔离冲突域与广播域
3. 不能连接两个具有不同速率的网段
4. 10BASE5以太网规定：“5-4-3原则”——4个中继器连接5段通信介质只有三段可以挂载计算机
5. 放大器放大模拟信号，原理是信号放大，中继器放大数字信号，原理是信号再生
集线器
1. 多端口中继器
2. 只能半双工工作
3. 集线器连接的网络在拓扑结构上属于星形
小结
1. 如果某个网络设备具有存储转发的功能,那么可以认为它能连接两个不同的协议;如果该网络设备没有存储转发功能,那么认为它不能连接两个不同的协议。中继器没有存储转发功能,因此它不能连接两个速率不同的网段,中继器两端的网段一定要使用同一个协议
2. 两个网段在物理层进行互联时要求（C，因为物理层连接成功，链路层可能没连接成功！）
  A.数据传输速率和数据链路层协议都可以不同
  B.数据传输速率和数据链路层协议都要相同
  C.数据传输速率要相同,但数据链路层协议可以不同
  D.数据传输速率可以不同,但数据链路层协议要相同
3. 隔离冲突域隔离广播域
  集线器/中继器否否
  交换机是否
  路由器是是

	隔离冲突域	隔离广播域
集线器/中继器	否	否
交换机	是	否
路由器	是	是

信道复用技术

频分复用FDM
时分复用TDM / 同步时分复用
统计时分复用STDM / 异步时分复用
- STDM帧的时隙数小于集中器连接的用户数
波分复用WDM
1. 光复用器=合波器；掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)；光分用器=分波器
2. 密集波分复用DWDM

码分复用CDM

通俗理解CDMA
沃尔什向量
一个比特被分为m bit的码片(Chip)，m通常为64或128

每一个站被指派自己的码片序列(取m=8)，比如：

	编码	码片序列
A的1	11110000	1，1，1，1，-1，-1，-1，-1
A的0	00001111	-1，-1，-1，-1，1，1，1，1
B的1	11111111	1，1，1，1，1，1，1，1
B的0	00000000	-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1

CSMA要求，不同编码必须正交

发送端，A发送0，B发送1

\begin{matrix} [- 1, - 1, - 1, - 1, + 1, + 1, + 1, + 1] \\ + [+ 1, + 1, + 1, + 1, + 1, + 1, + 1, + 1] \\ = [0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2] \end{matrix}

A接受端

\frac{[0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2] \cdot [1, 1, 1, 1, - 1, - 1, - 1, - 1]}{8} = - 1

B接受端

\frac{[0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2] \cdot [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]}{8} = 1

扩频(Spread Specturm)
1. 原因：一个码片有m位，原来发送比特速率为b bit/s，现在就需要扩充到mb bit/s，对应的频率域也需要扩充。
2. 直接序列扩频（DSSS）
3. 调频扩频（FHSS）