Ⅰ 計算機網路 物理層
物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。
物理層主要任務：確定與傳輸媒體介面有關的一些特性。==>定義標准
通信的目的是傳送消息
1.單工通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條信道。
2.半雙工通信：通信的雙方都可以發送或接收信息，但任何一方都不能同時發送和接受，需要兩條信道。
3.全雙工通信：通信雙方可以同時發送和接受信息，也需要兩條信道。
影響失真程度的因素
1.碼元傳輸率
2.信號傳輸距離
3.雜訊干擾
4.傳輸媒體質量
失真的一種形式----碼間串擾
奈氏准則 （奈奎斯特定理）
香農定理
基帶信號與寬頻信號
（1）非歸零編碼【NRZ】
（2）曼徹斯特編碼
（3）差分曼徹斯特
（4）歸零編碼【RZ】
（5）反向不歸零編碼
（6）4B/5B編碼
牛的編碼方式來了
更牛的來了
最後提一下4B/5B編碼：比特流中插入額外的比特以打破一連串的0或1，就是用5個比特來編碼4個比特的數據，之後再傳給接收方，因此成為4B/5B。編碼效率為80％。只採用16種對應16種不同的4位碼，其他的16種作為控制碼（幀的開始和結束，線路的狀態信息等）或保留。
上題解答：共4×4=16種波形，說明每個碼元需要log16=4位；1200*4=4800bit/s。
計算機內部處理的是二進制數據，處理的都是數字音頻，所以需要將模擬音頻通過采樣、量化轉換成有限個數字表示的離散序列（即實現音頻數字化）。
最典型的例子就是對音頻信號進行編碼的脈沖調制（PCM），在計算機應用中能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛應用於素材保存及音樂欣賞，CD、DVD以及我們常見的WAV文件中僅有應用。它主要包括三步：抽樣、量化、編碼。
為了實現傳輸的有效性，可能需要較高的頻率。這種調制方式還可以使用頻分復用技術，充分利用帶寬資源。在電話機和本地交換機所傳輸的信號是採用模擬信號傳輸模擬數據的方式；模擬的聲音數據是載入到模擬的載波信號中傳輸的。
傳輸介質也稱為傳輸媒體/傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中發送設備和接收設備之間的物理通路。
傳輸媒體並不是物理層 ：傳輸媒體在物理層的下面，因為物理層是體系結構的第一層，因此有時稱傳輸媒體為0層。在傳輸媒體中傳輸的是信號，但傳輸媒體並不知道所傳輸的信號代表什麼意思。但物理層規定了電氣特性，因此能夠識別所傳送的比特流。
中繼器
集線器（多口中繼器）再生，放大
Ⅱ 【山外筆記-計算機網路·第7版】第02章：物理層
[學習筆記]第02章_物理層-列印版.pdf
本章最重要的內容是：
（1）物理層的任務。
（2）幾種常用的信道復用技術。
（3）幾種常用的寬頻接入技術，主要是ADSL和FTTx。
1、物理層簡介
（1）物理層在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。
（2）物理層的作用是盡可能地屏蔽掉傳輸媒體和通信手段的差異。
（3）用於物理層的協議常稱為物理層規程（procere），其實物理層規程就是物理層協議。
2、物理層的主要任務 ：確定與傳輸媒體的介面有關的一些特性。
（1）機械特性：指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。
（2）電氣特性：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
（3）功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。
（4）過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
3、物理層要完成傳輸方式的轉換。
（1）數據在計算機內部多採用並行傳輸方式。
（2）數據在通信線路（傳輸媒體）上的傳輸方式一般都是串列傳輸，即逐個比特按照時間順序傳輸。
（3）物理連接的方式：點對點、多點連接或廣播連接。
（4）傳輸媒體的種類：架空明線、雙絞線、對稱電纜、同軸電纜、光纜，以及各種波段的無線信道等。
1、數據通信系統的組成
一個數據通信系統可劃分為源系統（或發送端、發送方）、傳輸系統（或傳輸網路）和目的系統（或接收端、接收方）三大部分。
（1）源系統：一般包括以下兩個部分：
（2）目的系統：一般也包括以下兩個部分：
（3）傳輸系統：可以是簡單的傳輸線，也可以是連接在源系統和目的系統之間的復雜網路系統。
2、通信常用術語
（1）通信的目的是傳送消息（message），數據（data）是運送消息的實體。
（2）數據是使用特定方式表示的信息，通常是有意義的符號序列。
（3）信息的表示可用計算機或其他機器（或人）處理或產生。
（4）信號（signal）則是數據的電氣或電磁的表現。
3、信號的分類 ：根據信號中代表消息的參數的取值方式不同
（1）模擬信號/連續信號：代表消息的參數的取值是連續的。
（2）數字信號/離散信號：代表消息的參數的取值是離散的。
1、信道
（1）信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。
（2）一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
（3）單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則都需要兩條信道（每個方向各一條）。
2、通信的基本方式 ：
（1）單向通信又稱為單工通信，只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。如無線電廣播、有線電廣播、電視廣播。
（2）雙向交替通信又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送/接收。
（3）雙向同時通信又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發送和接收信息。
3、調制 （molation）
（1）基帶信號：來自信源的信號，即基本頻帶信號。許多信道不能傳輸基帶信號，必須對其進行調制。
（2）調制的分類
4、基帶調制常用的編碼方式 （如圖2-2）
（1）不歸零制：正電平代表1，負電平代表0。
（2）歸零制：正脈沖代表1，負脈沖代表0。
（3）曼徹斯特：編碼位周期中心的向上跳變代表0，位周期中心的向下跳變代表1。也可反過來定義。
（4）差分曼徹斯特：編碼在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。
5、帶通調制的基本方法
（1）調幅（AM）即載波的振幅隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於無載波或有載波輸出。
（2）調頻（FM）即載波的頻率隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於頻率f1或f2。
（3）調相（PM）即載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於相位0度或180度。
（4）多元制的振幅相位混合調制方法：正交振幅調制QAM（Quadrature Amplitude Molation）。
1、信號失真
（1）信號在信道上傳輸時會不可避免地產生失真，但在接收端只要從失真的波形中能夠識別並恢復出原來的碼元信號，那麼這種失真對通信質量就沒有影響。
（2）碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或雜訊干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。
2、限制碼元在信道上的傳輸速率的因素
（1）信道能夠通過的頻率范圍
（2）信噪比
3、香農公式 （Shannon）
（1）香農公式（Shannon）：C = W*log2(1+S/N) (bit/s)
（2）香農公式表明：信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高。
（3）香農公式指出了信息傳輸速率的上限。
（4）香農公式的意義：只要信息傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定存在某種辦法來實現無差錯的傳輸。
（5）在實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少,是因為香農公式的推導過程中並未考慮如各種脈沖干擾和在傳輸中產生的失真等信號損傷。
1、傳輸媒體
傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路。
2、傳輸媒體的分類
（1）導引型傳輸媒體：電磁波被導引沿著固體媒體（雙絞線、同軸電纜或光纖）傳播。
（2）非導引型傳輸媒體：是指自由空間，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。
1、雙絞線
（1）雙絞線也稱為雙扭線， 即把兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，然後用規則的方法絞合（twist）起來。絞合可減少對相鄰導線的電磁干擾。
（2）電纜：通常由一定數量的雙絞線捆成，在其外麵包上護套。
（3）屏蔽雙絞線STP（Shielded Twisted Pair）：在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織成的屏蔽層，提高了雙絞線抗電磁干擾的能力。價格比無屏蔽雙絞線UTP（Unshielded Twisted Pair）要貴一些。
（4）模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。
（5）雙絞線布線標准
（6）雙絞線的使用
2、同軸電纜
（1）同軸電纜由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護塑料外層所組成。
（2）由於外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據。
（3）同軸電纜主要用在有線電視網的居民小區中。
（4）同軸電纜的帶寬取決於電纜的質量。目前高質量的同軸電纜的帶寬已接近1GHz。
3、光纜
（1）光纖通信就是利用光導纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖為1，沒有光脈沖為0。
（2）光纖是光纖通信的傳輸媒體。
（3）多模光纖：可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。光脈沖在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真，多模光纖只適合於近距離傳輸。
（4）單模光纖：若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。單模光纖的纖芯很細，其直徑只有幾個微米，製造起來成本較高。
（5）光纖通信中常用的三個波段中心：850nm，1300nm和1550nm。
（6）光纜：一根光纜少則只有一根光纖，多則可包括數十至數百根光纖，再加上加強芯和填充物，必要時還可放入遠供電源線，最後加上包帶層和外護套。
（7）光纖的優點
1、無線傳輸
（1）無線傳輸是利用無線信道進行信息的傳輸，可使用的頻段很廣。
（2）LF，MF和HF分別是低頻（30kHz-300kHz）、中頻（300kHz-3MH z）和高頻（3MHz-30MHz）。
（3）V，U，S和E分別是甚高頻（30MHz-300MHz）、特高頻（300MHz-3GHz）、超高頻（3GHz-30GHz）和極高頻（30GHz-300GHz），最高的一個頻段中的T是Tremendously。
2、短波通信： 即高頻通信，主要是靠電離層的反射傳播到地面上很遠的地方，通信質量較差。
3、無線電微波通信
（1）微波的頻率范圍為300M Hz-300GHz（波長1m-1mm），但主要使用2~40GHz的頻率范圍。
（2）微波在空間中直線傳播，會穿透電離層而進入宇宙空間，傳播距離受到限制，一般只有50km左右。
（3）傳統的微波通信主要有兩種方式，即地面微波接力通信和衛星通信。
（4）微波接力通信：在一條微波通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站，中繼站把前一站送來的信號經過放大後再發送到下一站，故稱為「接力」，可傳輸電話、電報、圖像、數據等信息。
（5）衛星通信：利用高空的人造同步地球衛星作為中繼器的一種微波接力通信。
（6）無線區域網使用ISM無線電頻段中的2.4GHz和5.8GHz頻段。
（7）紅外通信、激光通信也使用非導引型媒體，可用於近距離的筆記本電腦相互傳送數據。
1、復用（multiplexing）技術原理
（1）在發送端使用一個復用器，就可以使用一個共享信道進行通信。
（2）在接收端再使用分用器，把合起來傳輸的信息分別送到相應的終點。
（3）復用器和分用器總是成對使用，在復用器和分用器之間是用戶共享的高速信道。
（4）分用器（demultiplexer）的作用：把高速信道傳送過來的數據進行分用，分別送交到相應的用戶。
2、最基本的復用
（1）頻分復用FDM（Frequency Division Multiplexing）
（2）時分復用TDM（Time Division Multiplexing）：
3、統計時分復用STDM （Statistic TDM）
（1）統計時分復用STDM是一種改進的時分復用，能明顯地提高信道的利用率。
（2）集中器（concentrator）：將多個用戶的數據集中起來通過高速線路發送到一個遠地計算機。
（3）統計時分復用使用STDM幀來傳送數據，每一個STDM幀中的時隙數小於連接在集中器上的用戶數。
（4）STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙，提高了線路的利用率。
（5）統計復用又稱為非同步時分復用，而普通的時分復用稱為同步時分復用。
（6）STDM幀中每個時隙必須有用戶的地址信息，這是統計時分復用必須要有的和不可避免的一些開銷。
（7）TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中所劃分的幀。和數據鏈路層的幀是完全不同的概念。
（8）使用統計時分復用的集中器也叫做智能復用器，能提供對整個報文的存儲轉發能力，通過排隊方式使各用戶更合理地共享信道。此外，許多集中器還可能具有路由選擇、數據壓縮、前向糾錯等功能。
1、波分復用WDM （Wavelength Division Multiplexing）
波分復用WDM是光的頻分復用，在一根光纖上用波長來復用兩路光載波信號。
2、密集波分復用DWDM （Dense Wavelength Division Multiplexing）
密集波分復用DWDM是在一根光纖上復用幾十路或更多路數的光載波信號。
1、碼分復用CDM （Code Division Multiplexing）
（1）每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。
（2）各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。
（3）碼分復用最初用於軍事通信，現已廣泛用於民用的移動通信中，特別是在無線區域網中。
2、碼分多址CDMA （Code Division Multiple Access）。
（1）在CDMA中，每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片（chip）。通常m的值是64或128。
（2）使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列（chip sequence）。
（3）一個站如果發送比特1，則發送m bit碼片序列。如果發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼。
（4）發送信息的每一個比特要轉換成m個比特的碼片，這種通信方式是擴頻通信中的直接序列擴頻DSSS。
（5）CDMA系統給每一個站分配的碼片序列必須各不相同，並且還互相正交（orthogonal）。
（6）CDMA的工作原理：現假定有一個X站要接收S站發送的數據。
（7）擴頻通信（spread spectrum）分為直接序列擴頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）和跳頻擴頻FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）兩大類。
早起電話機用戶使用雙絞線電纜。長途干線採用的是頻分復用FDM的模擬傳輸方式，現在大都採用時分復用PCM的數字傳輸方式。現代電信網，在數字化的同時，光纖開始成為長途干線最主要的傳輸媒體。
1、早期的數字傳輸系統最主要的缺點：
（1）速率標准不統一。互不兼容的國際標准使國際范圍的基於光纖的高速數據傳輸就很難實現。
（2）不是同步傳輸。為了節約經費，各國的數字網主要採用准同步方式。
2、數字傳輸標准
（1）同步光纖網SONET（Synchronous Optical Network）
（2）同步數字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy）
（3）SDH/SONET定義了標准光信號，規定了波長為1310nm和1550nm的激光源。在物理層定義了幀結構。
（4）SDH/SONET標準的制定，使北美、日本和歐洲三種不同的數字傳輸體制在STM-1等級上獲得了統一，第一次真正實現了數字傳輸體制上的世界性標准。
互聯網的發展初期，用戶利用電話的用戶線通過數據機連接到ISP，速率最高只能達到56kbit/s。
從寬頻接入的媒體來看，寬頻接入技術可以分為有線寬頻接入和無線寬頻接入兩大類。
1、非對稱數字用戶線ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line）
（1）ADSL技術是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬頻數字業務。
（2）ADSL技術把0-4kHz低端頻譜留給傳統電話使用，把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。
（3）ADSL的ITU的標準是G.992.1（或稱G.dmt，表示它使用DMT技術）。
（4）「非對稱」是指ADSL的下行（從ISP到用戶）帶寬都遠遠大於上行（從用戶到ISP）帶寬。
（5）ADSL的傳輸距離取決於數據率和用戶線的線徑（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大）。
（6）ADSL所能得到的最高數據傳輸速率還與實際的用戶線上的信噪比密切相關。
2、ADSL數據機的實現方案 ：離散多音調DMT（Discrete Multi-Tone）調制技術
（1）ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL數據機。
（2）「多音調」就是「多載波」或「多子信道」的意思。
（3）DMT調制技術採用頻分復用的方法，把40kHz-1.1MHz的高端頻譜劃分為許多子信道。
（4）當ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL數據機就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質量。
（5）ADSL能夠選擇合適的調制方案以獲得盡可能高的數據率，但不能保證固定的數據率。
3、數字用戶線接入復用器DSLAM （DSL Access Multiplexer）
（1）數字用戶線接入復用器包括許多ADSL數據機。
（2）ADSL數據機又稱為接入端接單元ATU（Access Termination Unit）。
（3）ADSL數據機必須成對使用，因此把在電話端局記為ATU-C，用戶家中記為ATU-R。
（4）ADSL最大的好處就是可以利用現有電話網中的用戶線（銅線），而不需要重新布線。
（5）ADSL數據機有兩個插口：
（6）一個DSLAM可支持多達500-1000個用戶。
4、第二代ADSL
（1）ITU-T已頒布了G系列標准，被稱為第二代ADSL，ADSL2。
（1）第二代ADSL通過提高調制效率得到了更高的數據率。
（2）第二代ADSL採用了無縫速率自適應技術SRA（Seamless Rate Adaptation），可在運營中不中斷通信和不產生誤碼的情況下，根據線路的實時狀況，自適應地調整數據率。
（3）第二代ADSL改善了線路質量評測和故障定位功能。
5、ADSL技術的變型 ：xDSL
ADSL並不適合於企業，為了滿足企業的需要，產生了ADSL技術的變型：xDSL。
（1）對稱DSL（Symmetric DSL，SDSL）：把帶寬平均分配到下行和上行兩個方向，每個方向的速度分別為384kbit/s或1.5Mbit/s，距離分別為5.5km或3km。
（2）HDSL（High speed DSL）：使用一對線或兩對線的對稱DSL，是用來取代T1線路的高速數字用戶線，數據速率可達768KBit/s或1.5Mbit/s，距離為2.7-3.6km。
（3）VDSL（Very high speed DSL）：比ADSL更快的、用於短距離傳送（300-1800m），即甚高速數字用戶線，是ADSL的快速版本。
1、光纖同軸混合網HFC （Hybrid Fiber Coax）
（1）光纖同軸混合網HFC是在有線電視網的基礎上改造開發的一種居民寬頻接入網。
（2）光纖同軸混合網HFC可傳送電視節目，能提供電話、數據和其他寬頻交互型業務。
（3）有線電視網最早是樹形拓撲結構的同軸電纜網路，採用模擬技術的頻分復用進行單向廣播傳輸。
2、光纖同軸混合網HFC的主要特點：
（1）HFC網把原有線電視網中的同軸電纜主幹部分改換為光纖，光纖從頭端連接到光纖結點（fiber node）。
（2）在光纖結點光信號被轉換為電信號，然後通過同軸電纜傳送到每個用戶家庭。
（3）HFC網具有雙向傳輸功能，而且擴展了傳輸頻帶。
（4）連接到一個光纖結點的典型用戶數是500左右，但不超過2000。
3、電纜數據機 （cable modem）
（1）模擬電視機接收數字電視信號需要把機頂盒（set-top box）的設備連接在同軸電纜和電視機之間。
（2）電纜數據機：用於用戶接入互聯網，以及在上行信道中傳送交互數字電視所需的一些信息。
（3）電纜數據機可以做成一個單獨的設備，也可以做成內置式的，安裝在電視機的機頂盒裡面。
（4）電纜數據機不需要成對使用，而只需安裝在用戶端。
（5）電纜數據機必須解決共享信道中可能出現的沖突問題，比ADSL數據機復雜得多。
信號在陸地上長距離的傳輸，已經基本實現了光纖化。遠距離的傳輸媒體使用光纜。只是到了臨近用戶家庭的地方，才轉為銅纜（電話的用戶線和同軸電纜）。
1、多種寬頻光纖接入方式FTTx
（1）多種寬頻光纖接入方式FTTx，x可代表不同的光纖接入地點，即光電轉換的地方。
（2）光纖到戶FTTH（Fiber To The Home）：把光纖一直鋪設到用戶家庭，在光纖進入用戶後，把光信號轉換為電信號，可以使用戶獲得最高的上網速率。
（3）光纖到路邊FTTC（C表示Curb）
（4）光纖到小區FTTZ（Z表示Zone）
（5）光纖到大樓FTTB（B表示Building）
（6）光纖到樓層FTTF（F表示Floor）
（7）光纖到辦公室FTTO（O表示Office）
（8）光纖到桌面FTTD（D表示Desk）
2、無源光網路PON （Passive Optical Network）
（1）光配線網ODN（Optical Distribution Network）：在光纖干線和廣大用戶之間，鋪設的轉換裝置，使得數十個家庭用戶能夠共享一根光纖干線。
（2）無源光網路PON（Passive Optical Network），即無源的光配線網。
（3） 無源：表明在光配線網中無須配備電源，因此基本上不用維護，其長期運營成本和管理成本都很低。
（4）光配線網採用波分復用，上行和下行分別使用不同的波長。
（5）光線路終端OLT（ Optical Line Terminal）是連接到光纖干線的終端設備。
（6）無源光網路PON下行數據傳輸
（7）無源光網路PON上行數據傳輸
當ONU發送上行數據時，先把電信號轉換為光信號，光分路器把各ONU發來的上行數據匯總後，以TDMA方式發往OLT，而發送時間和長度都由OLT集中控制，以便有序地共享光纖主幹。
（8）從ONU到用戶的個人電腦一般使用乙太網連接，使用5類線作為傳輸媒體。
（9）從總的趨勢來看，光網路單元ONU越來越靠近用戶的家庭，即「光進銅退」。
3、無源光網路PON的種類
（1）乙太網無源光網路EPON（Ethernet PON）
（2）吉比特無源光網路GPON（Gigabit PON）
Ⅲ 計算機網路：數據鏈路層和物理層中的問題
FDM頻分復用，通常在無線網路或者語音網路或在主幹網路中採用，目的是提高主幹線路的利用率。舉個例子，你可以看看主幹公路通常都是被劃分為多個車道，這就像一條線路被分為多個信道，分別傳輸信號。
1.怎樣解釋這兩點的矛盾（可能只有我會認為是矛盾），物理層中的復用拿到鏈路層就不行了嗎？
數據鏈路層是在物理層的基礎上工作的，物理層已經將用一根線路邏輯的劃分出多條信道了，數據鏈路層的建立也只是在其中的一條信道中建立，所以仍然會有沖突。另外：CSMA/CD是匯流排型區域網解決沖突的技術，該類型的網路好像沒採用復用技術。
2. 經過同一數字調制方法調制後的多路信號，在介質中能疊加嗎？即A,B同時向C發送數據，注意是數字調制
如果AB使用同一調制設備進行調制是不會沖突的，因為AB的信號被分別調製成兩個不同頻段傳輸。但AB如果分別由不同設備調制，就存在沖突的可能，但這種現象好像實際網路中不存在或者經由其他的中間設備設備解決了該問題。
3. 問題同2，這里分同向疊加和對向疊加兩個情況考慮，即全雙工模式下。
全雙工通信會使用兩個獨立的上行信道和下行信道，所以是不會產生對向疊加的。
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Ⅳ 計算機網路-物理層-通信基礎
一個數據通信系統可劃分為三大部分，即源系統（或發送端、發送方)、傳輸系統（或傳輸網路）和目的系統（或接收端、接收方）。
源系統一般包括以下兩個部分：
源點(source)：源點設備產生要傳輸的數據，例如，從計算機的鍵盤輸入漢字，計算機產生輸出的數字比特流。源點又稱為源站，或 信源 。
發送器：通常源點生成的數字比特流要通過發送器編碼後才能夠在傳輸系統中進行傳輸。典型的發送器就是 調制器 。現在很多計算機使用內置的數據機（包含調制器和解調器)，用戶在計算機外面看不見數據機。
目的系統一般也包括以下兩個部分：
接收器：接收傳輸系統傳送過來的信號，並把它轉換為能夠被目的設備處理的信息。典型的接收器就是 解調器 ，它把來自傳輸線路上的模擬信號進行解調，提取出在發送端置入的消息，還原出發送端產生的數字比特流。
終點(destination)：終點設備從接收器獲取傳送來的數字比特流，然後把信息輸出（例如，把漢字在計算機屏幕上顯示出來）。終點又稱為目的站，或 信宿 。
在源系統和目的系統之間的傳輸系統可以是簡單的傳輸線，也可以是連接在源系統和目的系統之間的復雜網路系統。
通信的目的是傳送消息(message)。 如話音、文字、圖像、視頻等都是消息。 數據(data)是運送消息的實體。 根據RFC4949給出的定義，數據是使用特定方式表示的信息，通常是有意義的符號序列。這種信息的表示可用計算機或其他機器（或人）處理或產生。 信號(signal)則是數據的電氣或電磁的表現。 根據信號中代表消息的參數的取值方式不同，信號可分為以下兩大類：
(1) 模擬信號，或連續信號一代表消息的參數的取值是連續的。 例如在上圖中，用戶家中的數據機到電話端局之間的用戶線上傳送的就是模擬信號。
(2) 數字信號，或離散信號一代表消息的參數的取值是離散的。 例如在上圖中，用戶家中的計算機到數據機之間，或在電話網中繼線上傳送的就是數字信號。在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形就稱為 碼元① 。在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態而另一種代表1狀態。
① 碼元 是指用一個固定時長的信號波形（數字脈沖）表示一位k進制數字，代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長內的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度。一個瑪元所攜帶的信息量是不固定的，而是由調制方式和編碼方式決定的。
信道按傳輸信號形式的不同，可分為傳送模擬信號的模擬信道和傳送數字信號的數字信道兩大類；信道按傳輸介質的不同可分為無線信道和有線信道。
信道上傳送的信號有基帶信號和寬頻信號之分。來自信源的信號常稱為基帶信號（即基本頻帶信號）。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號。基帶信號將數字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示，然後送到數字信道上傳輸（稱為基帶傳輸）；寬頻（帶通）信號將基帶信號進行調制後形成頻分復用模擬信號，然後送利模擬信道上傳輸（稱為寬頻傳輸）。
信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。因此， 一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道 。從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：
(1) 單向通信 又稱為單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬於這種類型。
(2) 雙向交替通信 又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送（當然也就不能同時接收）。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間後可以再反過來。
(3) 雙向同時通信 又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發送和接收信息。單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則都需要兩條信道（每個方向各一條)。顯然，雙向同時通信的傳輸效率最高。
速率也稱數據率，指的是數據傳輸速率，表示單位時間內傳輸的數據量。可以用碼元傳輸速率和信息傳輸速率表示。
1)碼元傳輸速率。又稱波特率，它表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（也可稱為脈沖個數或信號變化的次數)，單位是波特(Bud)。1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元。碼元可以是多進制的，也可以是二進制的，碼元速率與進制數無關。
2)信息傳輸速率。又稱信息速率、比特率等，它表示單位時間內數字通信系統傳輸的二進制碼元個數（即比特數），單位是比特/秒(b/s)。
注意：波特和比特是兩個不同的概念，碼元傳輸速率也稱調制速率、波形速率或符號速率。但碼元傳輸速率與信息傳輸速率在數量上卻又有一定的關系。若一個碼元攜帶比特的信息量，則M波特率的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為Mn比特/秒。
Ⅵ 計算機網路——2.物理層
確定與傳輸媒體的 介面 的一些特性，解決在各種傳輸媒體上傳輸 比特流 的問題
1.機械特性 ：介面的形狀尺寸大小。
2.電氣特性 ：在介面電纜上的各條線的電壓范圍。
3.功能特性 ：在某一條線上出現的某個電平電壓表示的意義。
4.過程特性 ：對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
傳輸媒體主要可以分為 導引型傳輸媒體 和 非導引型傳輸媒體 ：
導引型傳輸媒體 ：信號沿著固體媒體(銅線或光纖，雙絞線)進行傳輸， 有線傳輸 。
非導引型傳輸媒體 ：信號在自由空間傳輸，常為 無線傳輸 。
數據通信系統：包括 源系統 (發送方)， 傳輸系統 (傳輸網路)， 目的系統 (接收方)。
一般來說源系統發出的信號(數字比特流)不適合直接在傳輸系統上直接傳輸，需要轉化(模擬信號)。
調制 ：數字比特流-模擬信號
解調 ：模擬信號-數字比特流
數據 ——運送消息的實體。
信號 ——數據的電氣化或電磁化的表現。
模擬信號 ——代表消息的參數的取值是 連續 的。
數字信號 ——代表消息的參數的取值是 離散 的。
碼元 ——在使用時間域代表不同離散值的基本波形。
信道 ：表示向某一個方向傳送信息的媒體。
單向通信(單工通信) ：只有一個方向的通信，不能反方向。
雙向交替通信(半雙工通信) ：能兩個方向通信，但是不能同時。
雙向同時通信(全雙工通信) ：能同時在兩個方向進行通信。
基帶信號 ：來自信源的信號(源系統發送的比特流)。
基帶調制 ：對基帶信號的波形進行變換，使之適應信道。調制後的信號仍是基帶信號。基帶調制的過程叫做 編碼 。
帶通調制 ：使用載波進行調制，把基帶信號的頻率調高，並轉換為模擬信號。調制後的信號是 帶通信號 。
1.歸零制 ：兩個相鄰信號中間信號記錄電流要恢復到 零電平 。 正脈沖表示1，負脈沖表示0 。在歸零制中，相鄰兩個信號之間這段磁層未被磁化，因此在寫入信息之前必須去磁。
2.不歸零制 ： 正電平代表1，負電平代表0 ，不用恢復到零電平。難以分辨開始和結束，連續記錄0或者1時必須要有時鍾同步，容易出現直流分量出錯。
3.曼徹斯特編碼 ：在每一位中間都有一個跳變。 低->高表示0，高->低表示1 。
4.差分曼徹斯特編碼 ：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，沒有跳變代表1。 位中間的跳變代表時鍾，位前跳變代表數據 。
調幅（ AM ）：載波的 振幅 隨著基帶數字信號而變化。
調頻（ FM ）：載波的 頻率 隨著基帶數字信號而變化。
調相（ PM ）：載波的 初始相位 隨著基帶數字信號而變化。
失真 ：發送方的數據和接收方的數據並不完全一樣。
限制碼元在信道上的傳輸速率的因素：信道能夠通過的 頻率范圍 ； 信噪比 。
碼間串擾 ：由於系統特性，導致前後碼元的波形畸變。
理想低通信號的最高碼元傳輸速率為 2W ，單位是波特，W是理想低通信道的 帶寬 ，理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率為W。
信噪比 ：信號的平均功率與雜訊的平均功率的比值，單位是 dB ， 值=10log10(S/N) 。
信噪比對信道的 極限 信息傳輸速率的影響：速率 C=Wlog2(1+S/N)——香農公式 ，單位為 bit/s 。
信噪比越大，極限傳輸速率越高。實際速率比極限速率低不少。還可以用編碼的方式來提高速率(讓一個碼元攜帶更多的比特量)。
所謂 復用 就是一種將若干個彼此獨立的信號合並成一個可以在 同一信道 上同時傳輸的 復合信號 的方法。
比如，傳輸的語音信號的頻譜一般在300~3400Hz內，為了使若干個這種信號能在 同一信道（相當於共享信道，能夠降低成本，提高利用率） 上傳輸，可以把它們的頻譜調制到不同的頻段，合並在一起而不致相互影響，並能在接收端彼此分離開來（ 分用 ）。
信道復用技術就是將一個物理信道按照一定的機制劃分多個互不幹擾互不影響的邏輯信道。信道復用技術可分為以下幾種： 頻分復用，時分復用和統計時分復用，波分復用，碼分復用 。
1.頻分復用技術FDM（也叫做頻分多路復用技術）： 條件是傳送的信號的帶寬是有限的，而 信道的帶寬要遠遠大於信號的帶寬 ，然後採用 不同頻率 進行調制的方法，是各個信號在信道上錯開。頻分復用的各路信號是在 時間 上重疊而在 頻譜 上不重疊的信號。將整個帶寬分為多份，用戶分配一定的帶寬後通信過程 自始至終都佔用 這個頻帶。另外，為保證各個子信道傳輸不受干擾，可以設立 隔離帶 。
2.時分復用技術TDM：採用同一物理連接的不同時段來傳輸不同的信號。 也就是在信道帶寬上劃分出幾個子信道後，A用戶在某一段時間使用子信道1，用完之後將子信道1釋放讓給用戶B使用，以此類推。將整個信道傳輸時間劃分成若干個時間片（時隙），這些時間片叫做 時分復用幀 。每一個時分用戶在每一個TDM幀中佔用 固定時序 的時隙。
4.波分復用技術WDM： 將兩種或多種不同波長的光載波信號在發送端經過 復用器匯合 在一起，並耦合到光線路的 同一根光纖 中進行傳輸，在接收端經過 分波器 將各種波長的光載波分離進行 恢復 。整個過程類似於頻分復用技術的共享信道。波分復用其實就是光的頻分復用。
1.比特時間，碼片
1比特時間就是發送 1比特 需要的時間，如數據率是10Mb/s，則100比特時間就等於10微秒。
每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片。每個站被指派一個唯一的m bit 的碼片序列（例如S站的8 bit 碼片序列是00011011）。
如果發送 比特1 ，則發送自己的m bit 碼片序列。如果發送 比特0 ，則發送該碼片序列的二進制反碼。
S站的碼片序列：（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1） -1代表0，+1代表1
用戶發送的信號先受 基帶數字信號 的調試，又受 地址碼 的調試。就比如數據發送後受到基帶數字信號的調試之後變為10，然後又受到地址碼的調試後1就變為了00011011（上面的S站碼片序列），0就變成了11100100。
由於每個比特要轉換成m個比特的碼片序列，因此原本S站的數據率b bit/s要提高到mb bit/s，同時S站所佔用的頻帶寬度也提高到原本數值的m倍。這種方式是擴頻通信中的一種。
擴頻通信通常有兩大類：直接序列擴頻DSSS（上述方式）；跳頻擴頻FHSS。
2.碼分多址（CDMA）
CDMA的重要特點 ：每個站分配的碼片序列不僅必須 各不相同 ，並且還必須 相互正交 。在實用系統中使用的是 偽隨機碼序列 。
碼片的互相 正交 的關系：令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的 規格化內積 等於0。
即S T=（S1 T1+S2 T2+......Sm Tm）/m（其實就相當於 兩個向量垂直 ，/m對結果其實也沒多大關系）
推論 ： 1. 一個碼片向量和另一碼片反碼的向量的規格化內積值為0（如果ST=0,那麼ST'也=0）
2. 任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1，即S S=1
3. 一個碼片向量和該碼片向量的規格化內積值是-1，即S S'=-1
CDMA的工作原理：
用一個列子來說明，假設S站的碼片序列為（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1），S站的擴頻信號為Sx，即若數據比特=1那麼S站發送的是碼片序列本身Sx=S，若數據比特=0那麼S站發送的是碼片序列的反碼Sx=S』。T站的碼片序列為（-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1），T站的擴頻信號為Tx。因為所有的站都使用相同的頻率，因此每一個站都能夠收到所有的站發送的擴頻信號。所有的站收到的都是疊加的信號 Sx+Tx 。
當接收站打算收S站發送的信號時，就用S站的碼片序列與收到的信號求規格化內積，即S （Sx+Tx）=S Sx+S Tx。前者等於+1或0，後者一定等於0，具體看下面（參考上面的 CDMA的工作原理 ）：
當數據比特=1時，Sx=S，那麼S Sx=S S=1；同理 ，當數據比特=0時，Sx=S』，那麼S Sx=S S』=0
當數據比特=1時，Tx=S，那麼S Tx=S T=0（參考上面 碼片序列的正交關系 ）；同理 ，當數據比特=0時，Sx=S』，那麼S Tx=S*T』=0
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Ⅷ [計算機網路之二] 物理層
物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。物理層的作用是盡可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異，使物理層上面的數據鏈路層感覺不到這些差異，這樣就可使數據鏈路層只需要考慮如何完成本層的協議和服務，而不必考慮網路具體的傳輸媒體和通信手段是什麼。
物理層的協議也稱為物理層 規程 。
（1）機械特性
指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。
（2）電氣特性
指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
（3）功能特性
指明在某條線上出現的某一電平的意義。
（4）過程特性
指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
數據在計算機內部多採用並行傳輸方式，但在通信線路上的傳輸方式一般都是串列傳輸 ，即逐個比特按照事件順序傳輸。因此物理層還要完成傳輸方式的轉換。
一個數據通信系統可劃分為三大部分，即 源系統（或發送端、發送方）、傳輸系統（或傳輸網路）和目的系統（或接收端、接收方） 。
消息 ：通信的目的是傳遞消息，如語音、文字、圖像視頻。
數據 ：運送消息的實體，使用特定方式表示的信息，通常是有意義的符號序列。
信號 ：數據的電氣或電磁的表現。
碼元 ：代表不同離散數值的基本波形。
信道不等同於電路，信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
又稱為 單工通信 ，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬於這種類型。
又稱為 半雙工通信 ，即通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送（當然也不能同時接收）。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間後可以再反過來。
PS. 一般對講機屬於半雙工！！！
又稱為 全雙工通信 ，即通信的雙方可以同時發送和接收信息。
數字信號一般用方形脈沖來表示：
對於模擬信道，信道帶寬 W = f2 - f1，f1 是信道能通過的最低頻率，f2 是信道能通過的最高頻率，兩者都是由信道的物理特性決定的。
數字信道時一種離散信道，它只能傳送取離散值的數字信號，信道的帶寬決定了信道中能不失真地傳輸脈沖序列的最高速率。
一個數字脈沖稱為一個碼元，用碼元速率表示單位時間內信號波形的變換次數，即單位時間內通過信道傳輸的碼元個數。若信號碼元的寬度為 T 秒，則碼元速率 B = 1/T，單位為波特（Baud），所以碼元速率也叫波特率。
有限帶寬無雜訊信道的極限碼元速率為：
B = 2W（Baud） // W 為信道帶寬
一個碼元所帶的位數是由碼元所取的離散值種類所決定的，存在如下關系：
n = log 2 N // n 為碼元所帶位數，N 為碼元種類數
根據上述兩個公式，可以計算出理想無雜訊狀況下，信道的最大數據傳輸速率為：
R = B log 2 N = 2W log 2 N
有限帶寬有雜訊信道的極限數據速率：
C = W log 2 (1+S/N)
【解析】W 為信道帶寬，S 為信號的平均功率，N 為雜訊的平均功率，S/N 叫作信噪比，在實際使用中 S 與 N 的比值太大，故常取其分貝數（dB），分貝與信噪比的關系為：
dB = 10 log10(S/N)
（1）導引型
（2）非導引型
頻分復用 FDM（Frequency Division Multiplexing） 的所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬（頻率帶寬）資源，用戶在分配到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都佔用這個頻帶。
時分復用 TDM（Time Division Multiplexing） 是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。
統計時分復用 STDM（Statistic TDM）
波分復用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 就是光的頻分復用。
碼分復用 CDM（Code Division Multiplexing） ：在相同的時間使用相同的頻帶進行通信。
在 CDMA（碼分多址：Code Division Multiplexing Access） 中，每一個比特時間被劃分為 m 個短的間隔，稱為 碼片（chip） 。使用 CDMA 的每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列（chip sequence） ，發送比特 1 使用 m bit 碼片序列，發送比特 0 使用碼片序列的反碼。
CDMA 系統的一個重要特點就是這種體制給每一個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交。
非對稱數字用戶線 ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技術是 用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造 ，使它能夠承載寬頻數字業務。
光纖同軸混合網（HFC 網，Hybrid Fiber Coax）是在目前覆蓋面很廣的有線電視網的基礎上開發的一種居民寬頻接入網。
Ⅸ 計算機網路-物理層-時分復用技術
時分復用 則是將時間劃分為一段段等長的 時分復用幀(TDM幀) 。 每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙 。 每一個用戶所佔用的時隙周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度） 。因此TDM信號也稱為 等時 (isochronous)信號。 時分復用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度 向外發送數據 。
在使用時分復用時，每一個時分復用幀的長度是不變的，始終是一個數值。若有1000個用戶進行時分復用，則每一個用戶分配到的時隙寬度就是125μs的千分之一，即0.125μs,時隙寬度變得非常窄。我們應注意到，時隙寬度非常窄的脈沖信號所佔的頻譜范圍也是非常寬的。
當使用時分復用系統傳送計算機數據時，由於計算機數據的突發性質，一個用戶對已經分配到的子信道的利用率一般是不高的。當用戶在某一段時間暫時無數據傳輸時（例如用戶正在鍵盤上輸入數據或正在瀏覽屏幕上的信息)，那就只能讓己經分配到手的子信道空閑著，而其他用戶也無法使用這個暫時空閑的線路資源。圖2-15 說明了這一概念。這里假定有4個用戶A,B,C和D進行時分復用。復用器按A→B→C→D的順序依次對用戶的時隙進行掃描，然後構成一個個時分復用幀。圖中共畫出了4個時分復用幀，每個時分復用幀有4個時隙。請注意，在時分復用頓中，每一個用戶所分配到的時隙長度縮短了，在本例中，只有原來的1/4。可以看出，當某用戶暫時無數據發送時，在時分復用順中分配給該用戶的時隙只能處於空閑狀態，其他用戶即使一直有數據要發送，也不能使用這些空閑的時隙。 這就導致復用後的信道利用率不高。
統計時分復用STDM(Statistic TDM)是一種改進的時分復用，它能明顯地提高信道的利用率。 集中器①(concentrator) 常使用這種統計時分復用。圖2-l6 是統計時分復用的原理圖。個使用統計時分復用的集中器連接4個低速用戶，然後將它們的數據集中起來通過高速線路發送到一個遠地計算機。
統計時分復用使用STDM幀來傳送復用的數據。但每一個STDM幀中的時隙數小於連接在集中器上的用戶數。各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存，然後集中器按順序依次掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數據放入STDM幀中。對沒有數據的緩存就跳過去。當一個幀的數據放滿了，就發送出去。因此， STDM幀 不是固定分配時隙，而 是按需動態地分配時隙 。因此統計時分復用可以提高線路的利用率。我們還可看出，在輸出線路上，某一個用戶所佔用的時隙並不是周期性地出現。因此 統計復用又稱為非同步時分復用 ，而 普通的時分復用稱為同步時分復用 。這里應注意的是，雖然統計時分復用的輸出線路上的數據率小於各輸入線路數據率的總和，但從平均的角度來看，這二者是平衡的。假定所有的用戶都不間斷地向集中器發送數據，那麼集中器肯定無法應付，它內部設置的緩存都將溢出。所以集中器能夠正常工作的前提是假定各用戶都是間歇地工作。
由於STDM頓中的時隙並不是固定地分配給某個用戶，因此在每個時隙中還必須有用戶的地址信息，這是統計時分復用必須要有的和不可避免的一些開銷。在 圖2-16 輸出線路上 每個時隙（數據a/b/c/d）之前的短時隙（白色）就是放入這樣的地址信息 。使用統計時分復用的集中器也叫做智能復用器，它能提供對整個報文的存儲轉發能力（但大多數復用器一次只能存儲一個字元或一個比特)，通過排隊方式使各用戶更合理地共享信道。此外，許多集中器還可能具有路由選擇、數據壓縮、前向糾錯等功能。
最後要強調一下，TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中所劃分的幀。這種「幀」和我們以後要討論的數據鏈路層的「幀」是完全不同的概念，不可弄混。
頻分復用、時分復用技術都是適用於電磁信號傳輸。 這兩種復用方法的優點是技術比較成熟，但缺點是不夠靈活。 時分復用相比頻分復用則更有利於數字信號的傳輸。
①在進行通信時，復用器(multiplexer)總是和分用器(demultiplexer)成對地使用。在復用器和分用器之間是用戶共享的高速信道。分用器的作用正好和復用器相反，它把高速信道傳送過來的數據進行分用，分別送交到相應的用戶。