计算机网络工程/软考网工-笔记-物理层

参考教材：谢希仁-计算机网络、自顶向下

计算机网络结构

计算机一切皆 0、1：计算机内部数据的存储运算、通信均采用二进制

网络协议

网络协议(Network Protocol)，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

• 语法：数据与控制信息的结构或格式
• 语义：控制信息的具体含义
• 同步（或时序）：时间实现顺序、何时、何种速率

协议分层模型

分层：将庞大复杂的问题转化为局部问题，以便于研究与处理。

层次结构的好处

• 各层独立，各司其职
• 灵活性好
• 分割结构
• 易于实现和维护
• 有利于功能复用
• 促进标准化工作

OSI 的体系结构

OSI/RM(Open System Internet/Reference Model)：开发系统互联参考模型，由国际标准化组织 ISO 提出。

层数	名称
7	应用层
6	表示层
5	会话层
4	运输层（传输层）
3	网络层
2	数据链路层
1	物理层

速记口诀：物-链-网-传-会-表-应

TCP/IP 的体系结构

网络接口层并没有定义具体内容。

层数	名称
5-7	应用层
4	运输层（传输层）
3	网际层
1-2	网络接口层

五层原理体系结构（实际运用）

层数	名称
5-7	应用层
4	运输层（传输层）
3	网络层
2	数据链路层
1	物理层

各层要解决的问题：

• 应用层：进程级别通讯
• 运/传传输层：通过端口号区分进程，端对端通信
• 网络层：区分主机，点对点通讯
• 数据链路层：链路两端的通讯
• 物理层：最底层的 01 通讯

各层传输单位：

• 应用层：数据/信息/报文
• 运输层：数据段/数据报
• 网络层：数据包/报文分组
• 数据链路层：数据帧
• 物理层：比特流

封装与解封装

数据通信基础

常用术语

数据(data)：承载信息的实体

信号：数据的电气/电磁表现

• 模拟信号：取值是连续的
• 数字信号：取值是离散的

码元：时域波形表示数字信号是，代表不同离散数值的基本波形

编码与调制

数字数据-> 数字信号：编码；数字信号-> 数字数据：解码

数字数据-> 模拟信号：调制；模拟信号-> 数字数据：解调

常用编码方式

归零：正脉冲表示 1, 负脉冲表示 0

不归零：高电平表示 1, 低电平表示 0

曼彻斯特编码：每位中心上跳变表示 0, 下跳变表示 1

差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表 0, 无跳变代表 1

曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码具有 自同步能力：能够容易的分辨出单个周期，不易混淆。

传统以太网（10BASE-T，10 mpbs）采用曼彻斯特编码

令牌环网采用差分曼彻斯特编码

基本调制方法

• 调幅：幅移键控 ASK
• 调频：频移键控 FSK
• 调相：相移键控 PSK

常见调制方式：

BPSK：二进制相移键控，2 种状态表示 1 位 bit

QPSK：正交相移键控，4 种状态表示 2 位 bit

QAM：正交幅度调制，调相与调幅组合

• 16-QAM： 16 种状态表示 4 位 bit
• 32-QAM
• 64-QAM
• 256-QAM
• 1024-QAM
• 4096-QAM

信道极限容量

奈氏准则 （奈奎斯特准则）

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2 W 波特，W 是理想低通信道的带宽，单位是赫兹（Hz）。波特/波特率，码元传输速率的单位，即码元/秒。

信道的最大数据传输速度 ​R_{max} 可表达为

M 为码元状态。

​\log_2M 表示一个码元承载的信息大小，如 1024-QAM 承载 10 bit 信息。

香农公式

1948 年，香农用信息论推导出带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的 极限、无差错的 信息传输速率。

信道的极限传输速率 C 可表达为

W 为信道带宽（Hz）

S 为信道内所传信号平均功率

N 为信道内部的高斯噪声功率

传输方式

并行与串行

并行：一次发送 n 个 bit, 需要 n 条传输线路；速度快、距离近、主机内传输

串行：依次发送每个 bit, 需要 1 条传输线路；速度慢、距离远、主机间传输

异步与同步

异步：以字节为独立的传输单位，字节之间传输间隔不固定，只在开始传输单个字节内同步。（短信聊天）

同步：以稳定的比特流形式传输，同时收发。（视频电话）

单工、半双工、全双工

单工：单向通信，只能收或只能发

半双工：双向交替，可以收可以发，但不能同时收发

全双工：双向同时，可以同时收发

物理层传输媒体

传输媒体：数据传输系统中在发送其和接收器之间的物理通路。

• 导引型：沿着固体媒体传播（光纤、铜线）
• 非导引型：自由空间（电磁波）

导引型

双绞线

• 绞合可减少对相邻导线的电磁干扰
• 线序：568A、568B
  • 568B：白橙-橙-白绿-蓝-白蓝-绿-白棕-棕
• 通常多根双绞线再绞合成双绞线电缆
  • 屏蔽双绞线 STP
  • 无屏蔽双绞线 UTP

主要参数

• 回波损耗：信号在传输过程中被反射回来的功率与输入功率的比（dB）
• 衰减：信号传输中有能量转化或者被吸收
• 串扰：不同 n 线对之间由于耦合产生的不需要的信号；传音分为远端串音（FEXT）和近端串音（NEXT），测试仪主要测量（NEXT）
• 衰减串扰比：衰减后信号强度与噪声强度比

光纤

利用光导纤维传递光脉冲

带包层直径 125 微米

多模与单模

类型	光源	传输方式	光纤颜色	纤芯	工作波长	传输距离
单模（SM）	半导体激光器（LD）	直射	黄色	9 微米	1310～1550 纳米	5～40 千米
多模（MM）	发光二极管（LED）	反射	橙色、水蓝色	50 或 62.5 微米	850 纳米	550 米

优点

• 通信容量大
• 传输损耗小，中级距离长，适合远距离传输
• 抗雷电和电子干扰性能好
• 无串音干扰
• 保密性好，不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻

光纤接口

• LC：俗称小方，用于机房光模块（设备端）
• SC：俗称大方，用于 GPON/EPON 家庭宽带光猫，单根使用；（设备端）
• FC：螺口圆形，插光配线架（ODF）
• ST：挂口圆形，插光配线架（ODF）

技术参数

• 回波损耗：光纤尾端或光路端面上一部分光反射回原来的光路中
• 衰减：光功率的减少，光衰单位为 dB/km
• 色散：光纤传输的 n 输出都安光脉冲变宽
• 波长窗口参数：信号波长窗口范围

同轴电缆

由内导体铜质芯线（单股或多股绞合）、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层、塑料保护层组成。

主要用于早期有线电视网

非导引

无需铺设线缆，简单便捷，但易受干扰，保密性差。

短波、超短波、微波、红外线、可见光

远距离无限通信

微波基站接力

卫星通讯：延迟 250～300ms

低轨道卫星通讯系统

卫星高度 2000 公里一下

SpaceX 星链

信道复用技术

允许多个用户使用同一个共享信道进行通信，充分利用贷款，节省经济成本。

静态复用：频分复用、时分复用、波分复用（光）、码分复用

动态复用：令牌环、CSMA/CD

频分复用 FDM

将一个频段分为多个频带。如收音机、电视

时分复用 TDM

将时间划分为等长的 TDM 帧，每个用户占用 TDM 帧中固定序号的时隙。TDM 帧周期性出现

SONET、SDH、数字专线、光网络通讯等技术一般使用 TDM

统计时分复用 STDM

STDM 帧不固定分配时隙，按需动态分配时隙以提升线路利用率。

波分复用 WDM

光的频分复用，使用一根光纤同时传输多个光载波信号。

PON 网络单纤双向采用 WDM, 上下行波长不同

EPON 网络：OLT-> ONC: 1490nm ONC-> OLT: 1310nm

OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）是位于服务提供商端的核心设备，负责控制和管理整个 PON 网络，向 ONU 发送光信号并接收来自 ONU 的光信号，实现用户与服务提供商之间的通信连接。

ONC（Optical Network Controller，光网络控制器）是用于管理和控制光纤网络中各种设备和资源的系统，负责配置和监控 ONU、OLT 等设备，动态分配网络资源，支持网络的高效运行和灵活扩展。

码分复用 CDM

每个用户在同样的时间同样的频带使用不同的码型进行通讯。

当 CDM 为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA。

CDMA 工作原理

每个站（信道）分配的码片序列：各不相同且必须相互正交。

正交：向量 S 和 T 的 规格化内积 等于 0

先求积，再求和，最后做平均

软考高级网规例题：

每个码片序列与收到的码片序列做规格化内积，得 1 或 0 为发送，其他为没发送。

数字传输系统

主要用于运营商专线

早期数字传输系统（电话网）

电话网传输模拟信号，需要调制

PCM, 基于脉冲的编码调制方法

每帧 125 微秒

北美和日本 T1

T1 共有 24 个话路，每个话路采样脉冲用 7 bit 编码，然后再 加上 1 位信令码元，因此一个话路占用 8 bit。在总体加 1 个比特作为帧同步码，这样每帧共有 193(8 24+1)bit，每秒有 8 k 个 T1 的帧通过接口，即 8 K 193 = 1.544 Mbps

欧洲和中国 E1

一个 E1 的帧分为 32 个时隙，一个时隙为 8 个 bit，帧长为 256 个 bit。每秒有 8k 个 E1 的帧通过接口，即 8K*256 = 2.048Mbps。

同步光网络 SONET

美国 ANSI 标准，采用时分复用技术

只在同步模式下传输数据

传输开销总数为 9✖️3 = 27 字节

标准 STS-1 帧 9 行，每行 90 字节，125 微妙一帧。

速率 = 8000*90*9*8 = 51.84 Mbps

同步数字系列 SDH

国际标准 ITU-T, 基于 SONET

可以同步可以异步

传输开销总数为 9✖️9 = 81 字节

STM-1, 单个 SDH 帧 125 微妙，9 行，每行 270 字节

速率 = 8000*270*9*8 = 155.52 Mbps

SONET 和 SDH 标准意义

• 定义了标准光信号，波长 1310nm 和 1550nm
• 在物理层定义了帧结构
• 使各地区标准得到统一，成为公认的传输网体制

新一代数字传输网

光传送网 OTN

Optical transport Network, 光波分复用技术，是 SDH 和 WDM 的结合

分组传送网 PTN

Packet Transport Network，分组交换技术

互联网介入技术

解决最终用户介入本地ISP“最后一公里”问题。

主要有：电话网拨号接入、数字用户接入DSL、光纤同轴混合网接入HFC、光纤接入FTT、以太网接入和无线接入

电话网拨号接入

简单易行、低成本

通过拨号调制解调器接入

• 最高56Kbps接入速率
• 不能同时上网和打电话

ADSL技术

非对称数字用户线路

上传慢，下载快

把0～4kHz低频留给电话，高频用于上网

采用离散多音调DMT 调制技术

采用频分复用FDM技术

光纤同轴混合网HFC

基于有线电视网CATV网

CATV网最高频450MHz,仅用于电视信号下行传输。

机顶盒：连接电视机，数字信号转模拟信号

电缆调制解调器cable modem

光纤接入FTTx

无源光网络PON

无源：不需要电源，分光器 物理分光

用户端：ONU/ONT

局端：OLT

以太网无源光网络EPON

链路层使用以太网协议，兼容好成本低

吉比特无源光网络

现行XGPON

采用封装方法，对各种业务提供服务质量保证，总体性能比EPON好