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

网络连接类型

多路复用共享介质
点对点网络

局域网介质

第一类传输电信号, 第二类传输光信号, 第三类传输无线电波

将数字信号转换为上述信号的过程称为编码 (encoding)
电缆类型包括STP(有屏蔽双绞线)、UTP(无屏蔽双绞线)、同轴电缆、光纤
调节频率、电压、相位等方式来实现不同01编码

UTP (无屏蔽双绞线)

由八根子线组成,两个线组合成一组，共四组，可以保证每一组电流抵消电磁波干扰(抗干扰能力有限)

有四对铜线，阻抗(impedance)为100欧姆，频率低、接口小、布线更加方便
优点
- 易于部署, 线薄接口小, 成本低
缺点
- 与其他类型的网络媒体相比, 更容易产生电噪声和干扰
- 双绞线的信号增强距离比同轴电缆(Coaxial)和光纤(Fiber-Optic)短

Coaxial (同轴电缆)

中间是铜导线, 在外面缠上一层金属网, 防止外部干扰, 细导线传输相对近, 粗导线传输相对
无论哪种, 传输距离都比UTP远
比光纤便宜但比双绞线贵

Fiber-Optic (光纤)

光缆模式 (Mode Type)
- 单模式 (单个光传输)
  - 光导体更细, 光传输接近直射, 能力损耗少, 多用于广域网
- 多模式 (多根光不同角度传输)
  - 光导体更粗, 同时传输多光信号, 通过角度不同来识别, 能量损失较大, 多用于局域网
- 都需要用注入式激光二极管或发光二极管进行发射

Wireless Communication (无线通信)

不同设备使用不同频段, 可以互不干扰
无线传输手段 Wireless Transmission Methods
- 激光 Lasers
  - 约定好电磁波频率范围, 使用确定对射方案进行传输, 部署在中间没有障碍物的两端之间, 不能衍射
- 红外线 Infrared
  - 无法通过不透明对象
  - 能量比激光弱得多, 成本低, 不能衍射, 不能跨障碍物传输
- 收音机 Radio
  - 可以通过墙壁
  - 地面和卫星无线电技术
  - 可以衍射, 使信号在比较远的距离和障碍物之间进行通信
  - 传输距离较远, 辐射能量较小, 容易受到干扰(比如雨天能量会损失, 在功率较大的设备旁边容易被干扰)
  - 路设发送设备: 无线电台
  - 卫星发射信号: GPS

以太网使用的双绞线

网络媒体标准由下列团体制定和发布：
- 电气与电子工程师学会 IEEE
- 保险商实验室 UL
- 电子工业联盟 EIA
- 电信工业协会 TIA
- 美国国家标准协会 ANSI

无屏蔽双绞线的分类

一类线：主要用于语音传输，不用于数据传输，只有两根线做双绞线，常用作电话的语音通信，并不做语音进行通信
二类线：传输频率1MHz，用于语音和最高4Mbps的数据传输，常见于令牌网环网，不是很常用
三类线：EIA/TIA568标准指定电缆，传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10BASE-T(10M带宽的双绞线)
四类线：传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于令牌网和 10BASE-T/100BASE-T
五类线：增加了绕线密度，外套高质量绝缘材料，用于语音和数据传输(主要为100/1000BASE-T)，是最常用的以太网电缆
和三类线相比，绞合度更高，抗干扰能力更强。
从五类线开始进行了更加标准化的处理。
超五类线(主要使用的)：衰减小，串扰少，具有更高的衰减/串扰比和信噪比、更小的时延误差，主要用于1000BASE-T
六类线：传输频率为1MHz～250MHz，性能远高于超五类标准，适用于高于1Gbps的应用
七类线：带宽为600MHz，可能用于今后的10G比特以太网。

线的类型

两个台式机直连使用交叉线, 台式机和交换机相连使用直通线, PC与路由器相连要交叉线, PC与交换机相连用直通线

制作线的过程见上图

直通线 Straight Cable
- 双绞线是八根不同子线, 根据颜色进行划分, 从左到右(底下): 白绿色, 绿色, 白橙色, 橙色, 蓝色, 白蓝色, 橙色, 白棕色, 棕色
- 两边都是T568A或都是T568B的则是直通线
反转线 Rollover Cable
- 别名: 控制台电缆 (将计算机作为其他网络设备的控制台)
- 用于将工作台或终端连接到路由器/交换机的控制台端口以进行配置
- 一端的插脚1连接到另一端的插脚8；然后插脚2连接到插脚7，插脚3连接到插脚6，依此类推，两端是插脚对应是反着的
- 使用控制台配置设备(超级终端，使用电脑进行交换机路由器的配置)
  - 使用RJ-45-to-DB-9适配器连接计算机的串行端口(com) Connect the serial port (com) of computer by using RJ-45-to-DB-9 adapter
  - 启动"超级终端" Start up “super terminal”
  - 使用"默认配置" Use “default configurations”
  - 注意，我们连接的是console端口，而不能是网口。
交叉线 Crossover Cable
- 电缆的一端为T568A排序, 另一端为T568B排序
- 可用于
  - 连接两个或多个集线器或开关
  - 连接两个独立的工作站以创建小型局域网
- 主要用来连接相同的设备, 相同的PC之间的连接
- 堆叠技术: 用交叉线连接两个交换机 (将两个交换机合成为一个交换机进行使用, 两个8口交换机, 通过一根线连接, 形成14个端口), 或两个hubs

介质和信号问题(物理层)

信令和通信问题

传播(本质是电磁波) Propagation
- 行程时间；速度取决于介质
- 随着数据传输速率的增加，有时必须考虑信号传输所需的时间。
- 不同介质传播时间是不同的。传播时延
衰减 Attenuation
- 由于 周围环境(surroundings) 造成的远距离信号丢失
- 会影响网络，因为它限制了可以通过其发送消息的网络布线的长度
- 在有限长度下进行传输
反射 Reflection
- 由介质的不连续性引起，我们要保证介质稳定。
- 发生在电信号中；可能是电缆扭结(kinks)或电缆端接不良的结果
- 网络应具有特定的阻抗，以匹配NIC中的电气组件
噪声(电子干扰) Noise
- 对光/电磁信号的不必要的附加
- 电缆中其他电线的串扰电噪声
- EMI(电磁干扰)可由电动机引起。
- 可以通过扭转线对在网络介质中提供自屏蔽来避免信号的消除。
时间问题 Timing problem
- 色散信号在时间上，可以通过适当的电缆设计、限制电缆长度和找到适当的阻抗来固定
- 抖动源和目标不同步，可通过硬件和软件(包括协议)修复
- 网络信号延时

冲突和冲突域

Collisions and Collision Domains
当两个位元在同一网络上同时传播时, 会发生碰撞
可以通过添加中继器和集线器扩展冲突域
可以通过添加智能设备(如: 网桥, 交换机和路由器) 来分割网络
到第二第三层 (分段后) 才能有效划分冲突域, 第一层不能解决冲突问题
- 还是在一个局域网中, 局域网划分时根据TCP/IP的协议栈的IP查询的, 到第三层才能做网络的分段

数据通信的基础知识

基本术语

信号(signal) —— 数据的电气的或电磁的表现
- 模拟的(analogous) —— 消息的参数的取值是连续的
  - 模拟信号是随时间变化而平稳变化的连续波形式
- 数字的(digital) —— 消息的参数的取值是离散的
  - 数字信号是离散信号, 可能包含有限的几个预定值
码元(code) —— 在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时, 代表不同离散数值的基本波形

理论基础 : 信号处理

模拟信号可以被分为简单信号和复合信号
- 简单信号 (正弦波) 不能被分解为更简单的模拟信号
- 复合信号可以被分解为多个正弦波
复合模拟信号的分解 : 傅里叶分析
数字信号一般是非周期性的, 通常在传输介质上表现为方波
一个数字信号可以分解为无穷多个被称为谐波的简单正弦波, 每个谐波都具有不同的频率与相位
在介质上发送数字信号时, 其实质是在发送无穷多的简单谐波, 如果某些分量未能忠实地通过介质传输, 则在接收端将产生信号畸变
由于介质本身的限制, 信号畸变是难以完全避免的
任何实际的信道都不是理想的, 在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰
码元传输的速率越高, 或信号传输的距离越远, 在信道的输出端的波形的失真就越严重

无噪声信道的最高传输速率

这是理想情况, 现实中不可能有无噪声的信道
在任何信道中, 码元传输的速率是有上限的, 否则就会出现码间串扰的问题, 使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能
如果信道的频带越宽, 也就是能够通过的信号高频分量越多, 那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰

噪声信道的最高传输速率

信道带宽或信道的信噪比越大, 极限传输速率越高
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率, 就一定有办法实现无差错的传输
若信道的带宽W或信噪比S/N没有上限 (实际不可能) , 则其极限信息传输速率C也没有上限
实际能够达到的传输速率比香浓极限传输速率低不少
对于频带宽度已确定的信道, 即使信噪比不能再提高, 且码元速率已达上限, 也有办法提高传输速率, 就是用编码的方法让每个码元携带更多比特的信息量

理论基础 : 波特率和比特率

波特率(baud)和比特率(bit)
- 波特率(调制速率) : 信号每秒钟变化的次数
- 比特率 : 每秒钟传送的二进制位数
波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系

数据通信系统的模型

数据通信技术 : 数字数据编码

基带: 基本频带, 指传输变换前所占用的频带, 是原始信号所固有的频带
基带传输: 在传输时直接使用基带数字信号 (不转换为模拟信号, 即不调制)
- 基带传输是一种最简单最基本的传输方式, 一般用低电平表示"0", 高电平表示"1"
- 适用范围 : 低速和高速的各种情况
- 限制 : 因基带信号所带的频率成分很宽, 所以对传输线有一定的要求

将数字数据转换成模拟信号 : 调制

将数字数据转换成数字信号 : 线路编码

数据通信技术 : 编码方式

单极性编码
- 原理
  - 用0电平表示"0", 正电平表示"1"
- 缺点
  - 难以分辨一位的结束和另一位的开始
  - 发送方和接收方必须有时钟同步
  - 若信号中"0"和"1"连续出现, 信号直流分量将累加, 单极性编码的直流分量问题严重
- 结论
  - 容易产生传播错误
不归零电平编码 (NRZ: Non-Return to Zero)
- 原理
  - 用负电平表示"0". 正电平表示"1"(或相反)
- 缺点
  - 难以分辨一位的结束和另一位的开始
  - 发送方和接收方必须有时钟同步
  - 尽管不会如单极性编码严重, 但若信号中"0"或"1"连续出现, 信号直流分量仍将累加
不归零反相编码
- 原理
  - 信号电平的一次翻转代表比特1, 无电平变化代表0
- 不归零反相编码优于不归零电平编码, 由于每次遇到"1"(或"0")都要发生跃迁, 因此可以根据电平跃迁进行有限的同步
归零制码 (RZ: Return to Zero)
- 原理
  - 用负电平表示"0", 正电平表示"1"(或相反), 比特中位跳变到零电平, 从而提供同步
- 优点
  - 信号本身带有同步信息, 经济性好, 且不易出错
- 缺点
  - 需要采用三个不同电平, 两次信号变化来编码1比特, 因此增加了占用的带宽
曼切斯特码 (Manchester)
- 原理
  - 每一位中间都有一个跳变, 从低跳到高表示"0". 从高跳到低表示"1"
- 优点
  - 克服了NRZ码的不足, 每位中间的跳变既可作为数据, 又可作为时钟, 能够自同步; 同时只采用两个电平, 跳变减少, 比RZ码效率更高
差分曼切斯特码 (Differential Manchester)
- 原理
  - 每一位中间跳变: 表示时钟
  - 每一位位前跳变: 表示数据
    - 有跳变表示"0". 无跳变表示"1"
- 优点
  - 时钟和数据分离, 便于提取
双极性传号交替反转码 (AMI)
- 与RZ相同的是: 采用三个电平: 正负和零
- 与RZ不同的是: 零电平表示"0", 正负电平的跃迁表示"1", 实现对"1"电平的交替反转
- 优点
  - 对每次出现的"1"交替反转, 使直流分量为0
  - 尽管连续"0"不能同步, 但连续"1"可以同步