OSI Physics Layer

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OSI层次：物理层

关键词：信号和介质

物理层定义了在系统之间为了链路所需的电气的、功能的特征 (包括介质)

也定义了电压级别、电压变化时机、物理数据速率、最大传输距离、物理连接器，以及其他相似性质

1. 网络连接类型

两种网络连接类型的图示

  1. 多路复用共享介质

    • 多个主机可以访问同一介质
    • 这意味着它们都共享相同的介质 —— 即是"wire"

  2. 点对点 (Point To Point) 网络

    • 一个设备通过链路连接到另一个设备
    • 最广泛地应用于拨号网络连接（使用电信号来完成传输），也是大家最熟悉的一种。

2. 局域网介质

什么是局域网

局域网是一种网络种类，覆盖范围一般是方圆几千米之内，其具备的安装便捷、成本节约、扩展方便等特点使其在各类办公室内运用广泛。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享等功能，在使用过程当中，通过维护局域网网络安全，能够有效地保护资料安全，保证局域网网络能够正常稳定的运行。

常见的局域网介质包括双绞线（无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线），同轴电缆，光缆，以及一些无线通信手段（激光，红外线，收音机）

2.1. 屏蔽双绞线

STP的图示

什么是屏蔽双绞线 (Shielded Twisted Pair, STP)

STP是一种通信电缆

P.S. 电缆、光缆、光纤的区别

2.2. 无屏蔽双绞线

UTP的图示

什么是**无屏蔽双绞线** (Unshielded Twisted Pair, UTP)

UTP是一种通信电缆。UTP 的妙处在于，利用四对不同颜色的传输线相互缠绕所组成，每对相同颜色的线传递者来回两个方向的电脉冲，利用电磁感应相互抵消的原理来屏蔽电磁干扰

一般认为 UTP 的有效范围是100米

2.2.1. 双绞线的的分类

维基百科给出的UTP种类

一般地，我们认为目前投入使用的双绞线包括三类，四类，五类，超五类，六类，七类线

  • 一类线：主要用于语音传输，不用于数据传输

  • 二类线：传输频率 1 MHz，用于语音和最高 4 Mbps 的数据传输，常见于令牌网

  • 三类线：EIA / TIA568 标准指定电缆，传输频率 16 MHz ，用于语音传输及最高传输速率为 10 Mbps 的数据传输，主要用于10BASE-T

  • 四类线：传输频率为 20 MHz ，用于语音传输和最高传输速率 16 Mbps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

  • 超五类线：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。

2.2.2. UTP的特点

  • 优点
    • 易于安装，成本低
    • 每米的成本要低于其他任何类型的局域网线
    • 体积小，不易于迅速阻塞布线管道
    • 使用 RJ-45接头 (也就是所谓的水晶头)，大大减少潜在的网络噪声源，也能确保优质可靠的连接
  • 缺点
    • 电缆的普遍缺点：与其他类型的网络媒体相比，电缆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和光缆更短

2.3. 同轴电缆

什么是同轴电缆 (Coaxial Cable)

img

  1. 薄/厚
  2. 与双绞线相比，不使用中继器的网络运行时间更长
  3. 比光纤便宜但比双绞线贵
  4. 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，粗导线传输相对比较远
  5. 500m左右，无论如何比双绞线传输更加远，成本也要高一点
  6. 内置无线网卡肯定没有同轴电缆，同轴电缆是比较落后的工艺。

2.4. 光缆

光缆
  1. 传导调制(modulated)光传输
  2. 不易受到电磁干扰或射频干扰，并且能够比其他网络媒体更高的数据速率
  3. 电磁波(electromagnetic wave)通过光纤被引导
  4. 比较可靠，中间是二氧化硅(光导体)，外面是塑料套，两个接口一个接收一个发送
  5. 成本比较高

光缆模式(Mode Type)

  1. 单模式：单个光传输
    • 也称为轴(axial)：光沿着电缆的轴传播
    • 由于多模中的色散(dispersion)，比多模(高达10 Gbps)更快
    • 通常用于广域网
    • 直径小于多模(色散较小)
    • 最常使用ILD，但也使用LED
    • 光导体直径比较细，相对于多模式光缆要细一个数量级，认为光传输近似直射，能量损耗少，多用于广域网
  2. 多模式 多根光不同角度传输 Multimode Multimode
    • 光以不同的角度进入玻璃管并沿非轴方向传播，这意味着它从玻璃管壁上来回反射
    • 大于单光模式，最常用于局域网
    • 易受更大分散性的影响
    • 光导体直径大一些，同时传输多光信号，按照角度进行识别，一个上面实现多路传输，能量损失大一些(反射)
  3. 都需要用注入式激光二极管或者发光二极管进行发射

2.5. 无线通信

什么是无线通信 (Wireless Communication)

3. 网线的分类

直通线

在所有末端使用T568A或者T568B

用于连接PC和交换机以及连接交换机和路由器

反转线（控制线）

用于把PC连接到交换机或者路由器

一端的插脚1连接另一端的插脚8；然后插脚2连接到插脚7、插脚3连接到插脚6，以此类推

交叉线

一端是T568A，另一端是T568B

可用于PC与路由器直连，也可用于连接两个或多个集线器或交换机

连接两个独立的工作站以创建迷你局域网

4.数据通信基本知识

4.1. 基本术语

信号：数据的电气或者电磁的表现

码元：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。

4.2. 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：傅立叶分析

任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t)可分解为若干项 （可能无限多项）正弦和余弦函数之和：

$$g(t) = \frac12c+\sum_{i = 1}^{\infty}a_n\sin(2\pi nft)+\sum_{i = 1}^{\infty}b_n\cos(2\pi nft) $$

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

4.3. 理论基础

波特率和比特率

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

例：每个信号值表示为３位，则比特率是波特率的３倍；每个信号值表示为１位，则比特率和波特率相同

对于比特率为a bps的信道，发送８位所需的时间为 8/a秒，若８位为一个周期Ｔ，则一次谐波的频率是:

$$ f = \frac a 8 Hz $$

4.4. 数据通信技术：编码方式

编码方式可分为三类：

  • 单极性编码

  • 极化编码

    • NRZ(Non-Return to Zero，不归零制码)

    • RZ(Return to Zero，归零制码)

    • 双相位编码

      • 曼彻斯特码

      • 差分曼彻斯特码

  • 双极性编码

    • 传号交替反转码(AMI)

    • 双极性8连0替换码(B8ZS)

    • 3阶高密度双极性码(HDB3)