计网期中知识梳理_02_物理层

• 物理层：不包含物理媒介，而是确定与传输媒体的接口特性——机械特性、电气特性、功能特性和过程特性；
• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等；
• 电气特性：指明接口在电缆的各条线上出现的电压的范围；
• 功能特性：指明某一条线上出现某一电平的电压表示何种意义；
• 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序；
• 常见物理层相关标准：EIA RS-232-C、 EIA RS-499及RS-422与RS-423； RJ45（网线）、RJ11；CCITT V.24、X.21、X.400；USB；
• EIA RS-232-C常用物理层相关标准：1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1969年提出EIA RS-232-C。用于数据终端设备（DTE）/数据通信设备（DCE）之间的接口。
• EIA RS-232-C的机械特性：
  • 规定25芯连接器，上排13根，下排12根；
  • 规定9芯连接器，上排5根，下排4根；
  • DTE为插头，DCE为插座；
• EIA RS-232-C的电气特性：
  • 采用负逻辑电平：逻辑”1“：-15V ~ +5V；逻辑”0“：+5V ~ +15V；
  • 数据传输率不超过20kbps；
  • 电缆长度不超过15m；
• EIA RS-232-C的功能特性：定义了连线及作用，常见为9根；
• EIA RS-232-C的规程特性：
  • 针对不同功能子集，规定了相应的规程；
  • 14种不同的接口类型，适用于：单工、半双工、全双工、同步、异步；
• USB-Universal Serial Bus（通用串行总线）：由Inter、微软、IBM等公司联合提出的一种总线接口标准，支持即插即用、热插拔。
• 1995年USB1.0正式发布。目前很多无线网卡采用的就是USB接口；
• USB接口，分为插头、插座; 有4根线，红线: 电源线VCC；黑线：地线gnd；绿线: data+；白线:data-；
• USB接口的输出电压和电流是: +5V 500mA 实际工作中允许有0.2V的误差，也就是4.8-5.2V；
• USB1.0_1995_1.5Mbps_鼠标键盘等外设；
• USB1.1_1996_12Mbps；
• USB2.0_2000_480Mbps_点对点通信环境；
• USB3.0_2008_5Gbps或更高(理论)；
• RJ45-Rejistered Jack（注册的插座）：最常见的网络接口形式，即通过双绞线与计算机网卡相连时使用的接口标准；
• RJ45：分为插头和插座，线端为插头，设备或墙端为插座。插座与插头通过“U”型接线槽来连接，锁定弹片可以其固定作用；有8根引线，排列顺序有明确要求但标准不同；最大电缆长度：100m；
• 在10/100M网络中，各有一对引线（2*2）用来数据的发送与接收，其余四根闲置；1000M网络中则各有两对线；

• 数据通信：数据通信解决的是DTE和DCE (数据终端设备与数据通信设备)之间数据传输的问题，它的任务是把消息用合适的信号形式从发送方传递到接收方；
• 数据通信模型：

• 消息（message）：如话音、文字、图像等都属于消息；
• 数据（data）：对信源产生的事实、概念或指令等信息的一种规范化表示，运送消息的实体；
• 信号（signal）：适合在信道中传输的某种物理量，是数据的电气或电磁表现，如电压信号、光信号等；
• 数据要转换为相应的信号才能传输；
• 数据 --调制/编码–> 信号 --解调/解码–> 数据；
• 模拟（analogous）信号：数据经过调制而产生的信号，取值是连续的
• 数字（digital）信号：数据经过编码而产生的信号，取值是离散的
• 码元（code）：在使用时间域（简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。一个码元可能代表多个比特数据，取决于系统能够识别的信号个数；
• 信道（Channel）：以传输媒体为基础的信号通路，包括了两端的发送和接收电路。有时简称为线路。
• 模拟信道（调制信道）：一种以模拟信号传输信息的通信方式；eg：传统有线电视网络、电话网络；
• 数字信道（编码信道）：一种以数字信号作为载体来传输信息的通信方式；eg：移动电话网络、数字电视网络、互联网；
• 数字通信的优点：抗干扰能力强；可实现高质量的远距离通信；能适应各种通信业务；易于进行加密处理，实现高保密通信；通信设备易于集成化和微型化；
• 通信方式：
  • 单工通信（单向通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互；
  • 半双工通信（双向交替通信）——通信双方都可以发送消息，但不能双方同时发送；
  • 全双工通信（双向同时通信）——通信双方可以同时发送和接受信息；
• 基带信号（Baseband Signal）：来自信源直接产生的信号，如：人发出的声音，计算机直接产生的电压输出等；
• 频带信号：许多信道并不能传输基带信号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），生成频带信号，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传播。
• 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化；
• 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化；
• 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化；
• 混合调制方法（QAM）：多种调制方法同时进行，可以产生多个码元，且每个码元可传送多位数字信息，从而使得信道的传输速率得到大幅提升；
• PCM信号（脉码调制信号）：由模拟信号编码而成的信号，能够在数字信道上传输；
• 模拟信号->PCM信号：采样->量化->编码；
• 奈奎斯特指出采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来，否则就会产生混淆不能重建。
• 现实中，存在失真、损耗、码间串扰、干扰等问题，因此信道有一个极限容量；
• 奈奎斯特准则：理想低通信道下的最高码元传输率 = 2W Bund（理想）；其中W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹; Baud是波特，即码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。
• 香农定理：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率 C = W * log₂（1+S/N），单位 b/s； 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为信道内部的噪声功率； 信噪比一S/N，单位：分贝dB。
• Nyquist公式和Shannel公式的比较：
  • C = 2W log₂M；此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。
  • C = W * log₂（1+S/N）；无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。
• 信道复用（multiplexing）技术：指多个信息源共享一个公共信道；
• 频分复用（FDM_Frequency Division Multiplexing）: 用户在分配到一定的频带后， 在通信过程中自始至终都占用这个频带，可频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)；
• 时分复用（TDM_Time Division Multiplexing）：时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
• 时分复用的问题：如果某一个用户在某一个时间段内没有数据通信的需求，那么他对应的时间是空闲出来的，而其它用户无法占用，就会造成资源浪费；
• 统计时分复用（STDM_Statistic TDM）：根据用户实际需要动态分配线路资源的时分复用方法。由于每个时间段内传输哪种信号未知，所以要给每个小信号段添加地址信息；
• 波分复用（WDM_Wavelength Division Multiplexing）：就是光信号的频分复用；
• 码分复用（CDM_Code Division Multiplexing）:特点是每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，是一种共享信道的方法。通信各方面之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。
• 电信领域使用的电磁波的频谱：
• 导向传输媒介：同轴电缆（闭路线）（50Ω、75Ω）、双绞线（无屏蔽、有屏蔽）、光缆（单模、多模）
• 选择单模光纤还是多模光纤最常见的决定性因素是距离；
• 光纤优点：损耗低、中继距离长；抗雷电、电磁性能好；无串音干扰，保密性好；价格低、体积小重量轻；
• 光纤缺点：连接设备、接口等专用设备价格较高。
• 非导向传输介质（无线传输介质）：无线传输所使用的频段很广，常见为短波通信、微波通信；
• 短波通信：主要靠电离层的反射，但短波通信的质量较差，如无线广播系统；
• 微波通信：在空间中主要是直线传播（移动电话通信），常见有卫星通信和地面接力通信；
• 宽带接入技术——xDSL技术：xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够载宽带业务。（即用原本的电话网络来进行数据业务传输）
• xDSL技术就把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
• ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线，分为低频和高频，高频又分为上行数据和下行数据；
• 宽带接入技术——FTTX+LAN；FTTH光纤到户，FTTP光纤到驻地，FTTC光纤到路边,小区，FTTN光纤到结点，FTTO光纤到办公室，FTTSA光纤到服务区。
• 宽带接入技术——光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)；HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造。
• 三网融合：三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合。

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