物理层

定义了网络的机械、电气和定时接口，提供了从发送方到接收方传输位的方法，也就是说，涉及了大量关于如何使用（模拟）信号(analog signal)来获取数字信息(digital information)的内容。

数据交流的技术基础

傅里叶级数

信息可以通过改变某些物理特性（如电压或电流）在导线上传输。通过将该电压或电流的值表示为时间的单值函数f（t），我们可以对信号的行为建模并进行数学分析

Bandwidth--带宽

传输介质的频率范围(range of frequency)或位数(number of bits)称为带宽。

数字信号传输会受到衰减(attenuation)、失真(distortion)等影响。部分是由于不允许高频(high-frequency)分量通过造成的。

  • Hz
  • bps：bit/s

Bandwidth-Limited signals--带宽有限的信号

  • n越大，第n个谐波的频率nf越高
  • 所有传输设备都会以不同的量减少不同的傅里叶分量，从而引入失真。
  • \(通常，振幅在0到某个频率f_c（赫兹，Hz）之间传输，且所有高于该截止频率的频率强烈衰减。\)

Bit Rate 和 Harmonics(谐波)

  • 给定一个bit rate: b bits/sec

  • 在T时间内传输8bits，则T为\(\frac{8}{b}\) sec

  • 如果n=1，即只有一个谐波，则第一个谐波的频率为\(f=\frac{b}{8} Hz\)

  • 如果有n个谐波，则频率为\(\frac{1}{\frac{T}{n}}= \frac{n}{T} = \frac{nb}{8}\)

    • \(\frac{nb}{8} ≤ f_c=> n ≤ \frac{f_c}{(b/8)} = \frac{8f_c} {b}\)
    • 如果n越大的话，因为\(f_c\)是一个定值，那么b会减小

  • 例子：电话线，\(f_c=3000Hz\)

Signal-to-Noise Ratio 信噪比

  • S/N

    • S: signal power
    • N: noise power

  • dB

    • \(dB = 10log_{10}\frac{S}{N}\)

    • an S/N ratio of 1000 is 30 dB

Max. Data Rate of a Channel 频道的最大数据传输量

  • Nyquist's Theorem(noiseless channel) 无噪声信道

    • Maximum data rate: \[ 2Hlog_2V bits/sec \]

      • H: bandwidth 带宽
      • V: discrete levels 离散水平

  • Shannon's Theorem(noise channel) 噪声信道

    • Maximum number of bits/sec: \[ Hlog_2(1+S/N) \]

      • H: bandwidth
      • S/N: signal to noise ratio 信噪比

引导性传输介质

磁介质--magnetism

  • 将数据从一台机器传输到另一台机器的最常见办法是将数据写到磁带或其他可擦写介质上(如可刻录DVD)，然后在目标机器上从磁带或磁盘中读出数据
  • 优点：优良的带宽特性
  • 缺点：延迟特性很差，传输事件长

双绞线--twisted pair

  • 由两根相互绝缘的铜线组成，铜线的直径大约在1毫米

    • 两根电线绞在一起，干扰波能相互抵消，降低电线的辐射
    • 信号通常以两根电线的电压差来承载，对外部噪声有更好的免疫力

  • 双绞线既可以用于传输模拟信号，也可以用于传输数字信号

  • 双绞线最常见的应用是电话系统。几乎所有的电话都是通过双绞线连接到电话公司的 端局。

  • 所获得的带宽取决于导线的厚度(直径)以及传输距离的远近

  • 双绞线可分为几大类

    • 5类线：有4对双绞线
      • 全双工链路：双向同时使用的链路
      • 半双工链路：可以双向使用但一次只能使用一个方向的链路
      • 单工链路：只允许一个方向上传输的链路

  • 到6类为止，所有的双绞线称为非屏蔽双绞线--UTP（Unshielded Twisted Pair）

    • 这些双绞线仅由导线和绝缘层简单地构成
    • 7类外面多加了个屏蔽层

同轴电缆--coaxial cable

  • 比非屏蔽双绞线有更好地屏蔽特性和更大地带宽，能以很高地速率传输相当长的距离
  • 广泛使用的有两种：
    • 50Ω电缆：用于数字运输
    • 75Ω电缆：用于模拟传输和有线电视传输
    • 这样的划分并非技术因素，而是历史原因
  • 同轴电缆由硬的铜芯和外面包上的一层绝缘材料组成，绝缘材料的外层是一层密织的网状圆柱导体，外层导体再覆盖上一层保护塑料外套

  • 同轴电缆的结构和屏蔽性使得它既有很高的带宽，又拥有很好的抗噪性
  • 带宽取决于电缆的质量和长度

电力线

  • 使用电力线进行数据通信
  • 可以在家庭内部构建局域网
  • 又可以在室外作为访问Internet的宽带接入

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：超薄玻璃纤维
    • 探测器

无线传输

电磁频谱

  • 电磁波每秒振动的次数称为它的频率，通常用f表示，以赫兹(Hz)来度量

  • 两个相邻的波峰(或者波谷)之间的距离称为波长，通常用希腊字母λ表示

    • \(λf=c\)

无线电传输

  • 传输距离长，被广泛用于通信领域
  • 无线电波是全方向传播的
  • 无线电波的特性与频率有关

微波传输

  • 微波按直线传播

红外传输

  • 非引导性的红外波被广泛用于短程通信
  • 红外线不能很好地透过固体墙壁

光通信