计网物理层（一）
计网物理层（一）
琴生物理层是网络协议模型的最底层，该层定义了比特作为信号在信道上发送时相关的电气、时序和其他接口，是构建网络的基础。物理信道的不同特性决定了其传输性能的不同（比如，吞吐量、延迟和误码率），所以物理层是我们展开网络之旅的最好始发地。
本章内容结构：
- 首先从数据传输的理论分析出发，探讨决定信道传输的自然局限。
- 接着给出三类传输介质：有线（铜线和光纤)、无线（陆地无线电）和卫星。每种技术都有其自身独特的性质，而这将影响到采用这些传输技术的网络设计和性能。这部分内容为我们理解现代网络的关键传输技术提供了背景知识。
- 然后讨论数字调制解调技术，主要解决如何把模拟信号转换成数字比特以及将数字比特还原成模拟信号。在此基础上，引入多路复用方案，探讨如何在同一个传输介质上同时进行多个会话而彼此不会干扰。
- 最后将关注三个被广泛应用于计算机广域网的通信系统实例：（固定）电话系统、移动电话系统和有线电视系统。
该篇博客将讨论前两部分。
上图为本章考试重点，非原书结构，仅供参考。
数据通信的理论基础
概念
带宽（bandwidth）：在传输中不会明显减弱的频率的宽度，通常引用的带宽是指从0 到使得接收能量保留一半的那个频率位置，是传输介质的一种物理属性。通常取决于介质的构成、厚度、电线或者光纤的长度。
信噪比（SNR）：信号功率S 与噪声功率N 的比值，即为信噪比S/N。
分贝（dB）：通常把信噪比表示成对数的形式10log10S/N，对数的取值单位称为分贝。信噪比为100 可表示为20dB。
计算信道的最大数据传输速率
尼奎斯特定理Nyquist
用来表示一个有限带宽的无噪声信道的最大数据传输率。
表达式：(每秒2B 次采样)最大数据速率=2Blog2V（比特/秒）
B:带宽 V:离散级数，即可识别的信号个数香农定理Shannon
用来表示一条带宽为B Hz，信噪比是S/N 的有噪声信道的最大数据传输率或容量。
表达式：最大数据传输率=Blog2(1+S/N)（比特/秒）
B:带宽 S/N:信噪比
引导性传输介质
物理层的作用是将比特从一台机器传输到另一台机器。实际传输所用的物理介质大致上可以分为引导性介质（也称为有线介质，比如铜线和光纤）和非引导性介质（也称为无线介质，比如地面无线电、卫星和激光）两大类。这里探讨引导性传输介质，在下节探讨非引导性传输介质。
磁介质
- 磁介质是将数据写到磁带或其他可擦写介质上（例如可刻录DVD)，然后用物理的方法将磁带或者磁盘运送到目标机器，再将数据从磁带或磁盘里读出来。
- 特点：有良好的带宽，但是延迟高。
双绞线（twisted pair）
原理：两根线绞在一起，噪音对他们的干扰是一样的，所以他们的电压差不会改变，通过电压差来表示信号。
类型：
双绞线可以分成几大类。部署在许多办公大楼内的称为5 类线（Category 5) 或“猫5”(Cat 5)。5 类双绞线由两根绝缘导线轻轻地扭在一起，4 对这样的双绞线被套在一个塑料保护套内。塑料外套既保护了双绞线又把多根导线捆在一起，如图2-3 所示。
5 类线取代了早期的3 类线，每米内的双绞线扭得更紧了，可以导致更少的串扰，而且在长距离传输过程中还能使信号质量更好。
新双绞线很有可能是6 类甚至是7 类线。这些类别的双绞线具有更严格的规范来处理高带宽信号。某些6 类和更髙类的双绞线信号速率高于500 MHz, 可以支撑10 Gbps 的链路。这些双绞线将很快得到部署。
概念：
全双工链路（full-duplex）：可以双向同时用
半双工联路（half-duplex）：可以双向使用但每一时刻只允许使用一个方向
单工链路（simplex）：只允许一个方向传输
同轴电缆（coaxial cable）
结构：(自内到外)铜芯，绝缘材料，编织外层导体，保护塑料外套，如图2-4
优点：很高的带宽，很好的抗噪性。
电力线
- 用电力线组建网络十分便利性，只需简单地把电视机和接收器插入墙上的电源插座，它们就可以通过电线发送和接收电影了，如图2-5 所示。
- 家庭网络使用电力线的困难在于电线是专为分发电源信号而设计的。分发电能与分发数据信号是两项完全不同的工作，电信号以50~60 Hz频率发送，高速率数据通信所需的更高频率（MHz）在电线上会产生严重的衰减，因此家庭布线是一项很可怕的工作。
光纤
光纤主要用于网络骨干的长途传输、高速局域网以及高速Internet 接入。光纤传输系统由三个关键部件构成：光源、传输介质和探测器。光探测器探测到光时产生一个电脉冲。在光纤两端分别接上光源和探测器，我们就有了一个单向数据传输系统。该系统接收电子信号，将其转换成光脉冲并传输出去，然后在另一端把光脉冲转换回电子信号输出给接收端。
分类：单模光纤、多模光纤。
无线传输
无线通信除了为用户提供进行Web冲浪的连接外还有许多其他重要的应用，在某些情况下无线具有的优势甚至超过了固定设备的优势。例如，由于地形（山区、丛林、沼泽等）等陆地原因造成把光纤拉到一座建筑物非常困难时，无线或许是更好地选择。
下面列出了无线传输的五种方式，仅供了解，具体可看原书。
电磁频谱
无线电传输
微波传输
红外传输
光通信
通信卫星
早在20 世纪50 年代和60 年代初期，人们尝试着利用金属化的气象气球对信号的反射作用来建立通信系统。不幸的是，由于接收到的信号强度太弱，根本没有任何实际价值。后来，美国海军注意到空中存在一个永久性的气象气球——月球，它们通过月球对信号的反射作用建立了一个可实际运行的船-岸通信系统。
直到第一颗通信卫星发射上天，天体通信领域才有了进一步发展。人造卫星和真实卫星之间的关键区别在于人造卫星把信号送回来之前先对它们进行了放大处理。由此，人类的好奇心促成了一种强大通信系统的诞生。
通信卫星有一些令人感兴趣的特性，这些特性对于许多应用具有很大的吸引力。按照最简单的方式理解，可以把一个通信卫星想象成天空中的一个大型微波中器。它包含几个转发器，每个转发器侦听频谱中的某一部分，对入境信号进行放大；然后在另一个频率上将放大后的信号重新广播出去；出境信号釆用不同的频率可避免与入境信号相互干扰。这种操作模式称为弯管。还可以将数字化处理添加到分别处理数据，或者把数据流重定向到整个波段，甚至在卫星接收数字信息后再重新广播。以这种方式重新生成的信号相比弯管性能更好，因为卫星没有将上行信号中的噪声放大。下行波束可以很宽，覆盖地球表面相当大的一部分；也可以很窄，仅仅覆盖几百千米直径的区域。
下面列出四种通信卫星，仅供了解，具体可看原书。
