计算机网络学习笔记：第二章.物理层

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第二章：物理层

概述

物理层研究的是数据在物理机器上的传输，而不是研究机器本身：

数据通信的基础知识

这部分更关注于通信而不是计算机

这是使用电话拨号上网的老模式

通信的目的是传送消息，数据(data)是运送消息的实体：

码元实际上就是一个波形

信道

对讲机就是半双工

基带信号和带通信号

基带信号处理之后就是带通信号：

基带信号也不是一定不能直接使用：

调制方法

调制方法：

调幅：低电平的时候幅度小，高的时候幅度大

调频：低电平时候频率低，高电平时候频率高

调相：低电平是正弦，高电平换成余弦

数据编码

常用编码：

示例图如下：

上面的码有一个问题，就是不能区分是接受停止了还是接受的是0.曼彻斯特编码就是为了解决这个问题：

和上面的相比，上面的方法采样的是值，而曼彻斯特编码采样的是变化

差分曼彻斯特编码：

差分曼彻斯特编码看的是信号之间的电平跳变

应用：

注意看曼彻斯特编码的000，为了能得到表示0的标准波形，其会在信号的采集边缘改变电平

画曼彻斯特编码，可以理解为将0和1的标准波形先摆在一起，然后在边界进行连接。

对于差分曼彻斯特编码，其在一个时钟周期内是要发生一次电平变化的，一开始是0就变成1，是1就变成0

上面说的两种方式，都保证了曼彻斯特方法的可持续性。

这只是定义了两种编码规范，并没有限制如何实现

信道的极限容量

上面那种还可以识别，下面的就不能识别了，失真太大了

奈式准则：

1Baud=1码元/s

一个波特的信息量取决于码元能表示多少种信息

上面说的是理想情况下，如果有噪声的话就不一样了：

白噪声：功率谱密度在整个频域内是常数的噪声

随着噪声的增加，信息传输速度会受到影响

奈氏准则和香农公式的应用范围：

奈氏准则主要影响广域网传输的速率，而香农公式适用与信息传输全程

物理层下面的传输媒体

10^4-10^16是我们在电信领域使用的频率

插一句，发现了一篇很有意思的相关文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/75272120

摘取里面一部分：

物理层攻击：

其他人为物理层攻击，更是多不胜数，所以等级保护中，物理安全放在第一位。防火墙、入侵检测买得再多，机房没没锁，黑客把你服务器抱走了，也只能两眼泪汪汪。

另外，还有我们用来做网线的几种材料：

（一）同轴电缆

同轴电缆曾经是网络传输的主要介质，随着时代发展，现在已经渐渐淘汰。在模拟监控中还有部分应用，当然现在模拟监控也越来越少了。如图，早年使用同轴电缆组网的以太网：

如图所示，同轴电缆由内部铜芯、绝缘层保护、外导体（屏蔽层）、外层绝缘体/保护层组成，可用于模拟监控、模拟广播。

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（二）双绞线
双绞线是由多组绝缘铜导线相互缠绕而成的线缆，双绞线内部介质也是铜线，内部传输为电信号，根据电磁原理，变化的电流会产生磁场，缠绕目的是：两两抵消磁场，降低信号干扰。

最早双绞线只有2芯，用于电话数据传输，现在已经淘汰，目前主流的双绞线都是4对8芯，但需要注意：

双绞线传输速率100M—用到4根，2对（1、2、3、6）

双绞线传输速率1000M—使用8根（全部使用）

如上知识点有什么用？

\1. 如果家庭布线前期点位没考虑够，后期可以把一根双绞线分成2根使用，但速率会由千兆降到百兆，对家庭使用而言，也够用了。

\2. 企业级布线也是一样，如目前检察院要新建网络—检察工作网，很多单位不方便重新布线，也懒得折腾，有的单位就把原来互联网线路分一半给检察工作网使用，虽然只能达到百兆，但内网业务也基本够用，将来再升级吧！如图，一根网线两端接两个这种分线器，就能将一根网线分成2根使用。

\1. 记得有这样一道考试题。原意大概是，服务器和交换机使用千兆网线互联，但协商只有百兆，问你是否可能是网线有问题，很多人觉得网线有问题肯定不通，却没想到部分网线有问题，达不到8芯全通，也可能是百兆线路。

双绞线分类

• 一类：用于传输语音（八十年代初的电话线缆），不同于数据传输，被淘汰。

• 二类：传输频率为1MHZ，用于语音和4Mbps数据传输，常见于旧的令牌网。

• 三类：用于语音传输及最高10Mbps数据传输主要用于10BASE--T。

• 四类：传输频率为20MHz，用于语音传输和最高16Mbps数据传输

主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-T。

• 五类：传输频率为100MHz，用于语音和最高100Mbps数据传输，

主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。

• 超五：超5类具有衰减小，串扰少，时延小，性能提高。

超5类线短距离最大能到1000Mbps，一般说100Mbps。

• 六类：传输频率为1MHz～250MHz，传输速率1000Mbps的应用。

• 超六：传输频率600MHz，传输速度也可达到1000Mbps，

只是在串扰、衰减和信噪比等方面有较大改善。

• 七类：适应万兆位以太网技术的应用,一种屏蔽双绞线

传输频率可达600 MHz，传输速率可达10 Gbps。

注：频率来自于网上数据，仅供参考。

实际项目超五类和六类线较多，六类和超六类网线成本高，线缆较粗，布线难度大大增加，故没有特殊要求，不少单位还在用超五类线，基本够用。七类才支持10G，仅在数据中心使用，大部分10G均使用光纤传输，故实际项目七类线用得很少。

屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线

双绞线可以分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线，前者由锡箔保护层，能有效防止数据泄密，同时降低外部环境对数据传输的干扰，我们日常项目中使用最多的是非屏蔽双绞线，价格较低。

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给大家分享两个小故事：
\1. 某航天科工企业，发送火箭，如果内部传送数据由于干扰，有0.01度的偏差，导弹从中国打到美国，可能就偏离了目标几百公里。故此类高可靠场景，肯定要用屏蔽双绞线，防止外部环境对内部数据产生干扰。

\2. 分享一个安全厂商朋友介绍的案例：我国新一代歼击机G20，所有图纸、性能材料都被美国窃取了，窃取的方式也很简单，开车绕成都飞机工业集团（后面简称成飞）绕了两圈。核心原理是：G20数据在内网通过网线传输，传输的是电信号，由于电磁感应，会产生磁场，美国人正是分析磁场，逆向得出网络里传输的数据，听起来不可思议吧！如果有兴趣，去百度一下“震网事件”，看美国人怎么一步步干掉伊朗核设备，那更不可思议。

说了这么多，如果成飞采用了屏蔽双绞线，那么美国佬想窃取数据，就没那么容易了。所以很多涉密场景，会使用屏蔽双绞线、屏蔽机柜、屏蔽机房、红黑电源。没出问题，这些操作看着就很麻烦，多此一举，但很多行业出了问题，那就是大问题，掉帽子，掉脑袋的问题！

我们日常使用的双绞线都是4对，还有一类双绞线，可以有50对或者100对，如图所示，这类双绞线主要用于电话布线，了解即可，100对大对数双绞线一般较少使用，毕竟太大，布线施工较困难。

（三）光纤

光纤是利用光在玻璃或塑料纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。光纤特点：重量轻，体积小、传输远（衰减小）、容量大、抗电磁干扰。光缆一般由多根光纤和塑料保护套管及塑料外皮构成。通常看到工人敷设的黑色线缆叫做光缆，里面包含了多组光纤。下图为光纤和光缆图片：

单模光纤

当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时，一般为5~10um，如OS1 - 10微米单模光纤。

单模光纤光纤只允许一种模式在其中传播，具有极宽的带宽，特别适用于大容量、长距离的光纤通信，可传距离10KM、40KM、80KM、100KM。（贵）

多模光纤

多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般为50um、62.5um；允许多种模式光信号传播；多模光纤仅用于短距离（500米以内）的光纤传输通信。（便宜）

OM（Optical Mode）是光模式的意思。是多模光纤表示光纤等级的标准。

OM1、 OM2、 OM3分别多模光纤的3个等级，不同等级传输时的带宽和最大距离不同

OM1 - 标准的62.5微米多模光纤
OM2 - 标准的50微米多模光纤

OM3 - 下一代50微米多模光纤

千兆和单模对比如下表，非常重要，希望大家理解并记住：

注：备注一下几个看似很“傻”的问题

交换机光接口、光模块、光纤

如图，这是一个24口接入交换机，24个千兆电口+4个千兆光口。（不要以为24口交换机就只有24个接口，而是指下行连接用户的接口有24个）

要使用光接口首先需要安装光模块，如图所示。

接着再接上光纤跳线，如图所示，目前大部分场景使用的均为双线光模块和双线光纤，部分场景（如平安城市）可能使用单芯光模块和单芯光纤跳线，如下图：

知乎问题：光纤将来会完全取代铜缆吗？

https://www.zhihu.com/question/325502890

现在铜缆的空间一步一步被压缩。

以前是从电信大楼局房拉到用户家里；后来从接入局机房拉到用户家里；再后来FTTB了电缆从楼下拉进家；再再后来FTTH了光纤直接进家接到光猫里，只剩下光猫到电脑的最后一段铜缆。

前面的每一步铜退都是光进带来的，最后一步可能不会光进了，而是无线把铜缆彻底一波带走。

为什么网线只能传输100米？

来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/50853522

信号在传输的过程中是以二进制的“0”和“1”来表示的。而一般默认在电压上取5~15V来表示“1”；取-5~-15V来表示“0”。而-3~3V会被接收端的逻辑电路判为无逻辑意义的信号即白噪声而被丢弃。所以，行内经常说的丢包率就在此。所以，信号在网线中的容错电压为U=2V，即信号在线缆里传输时允许衰减的电压为2V。

由电阻的定义式R=ρL/S；且无氧铜的电阻率：p=0.0175Ωmm2/M；可以算出，L≈112米。且，12米的线缆所损耗的电压约为0.02V。所以，100米的线缆所损耗的电压为1.98V。

有人说我们可以通过加大输出功率来增加容错电压值。但是，增加输出功率对设备的要求则更高，会增加花费，得不偿失。

综上所述，网线的布线距离应该控制在不超过100米的范围内。这样才能保证信号的稳定传输。减少信号的丢包率。

现在家庭用的其实还是双绕线比较多，并没有完全过时。

无线传输：

集线器

现在集线器已经基本上被交换机替代了

集线器起到一个中继的作用。

集线器同时只允许一个信道通信，会对消息发送到所有设备上；集线器是一个半双工的设备，不能同时上下行。

集线器也不安全，很容易被抓包。

集线器浪费带宽，分到每个设备上的带宽是总带宽除以设备数。

所以，就是百嘛不是的东西～

信道复用技术

复用可以充分利用带宽

频分复用

下面用电话网络举了一个很典型的例子：

使用不同的方式进行调制，越往下的频率越高，使其占据不同的频率段——利用了波的叠加后互不干扰的特点：

FDM主要用在电话线路中：

时分复用

可以类似CPU的时间片来理解～

时分复用可能造成资源浪费：

明明不传输数据，但是位置还要留着

统计时分复用（TDM）

为每一片加标记，读的时候先读标记，按标记分开

这种技术之后还会再见～

码分复用（CDM）

例如我们的3G，就是这样的原理

CDMA的工作原理：

发送1时，S发送的信号和码片序列一样；发送0时，使用反码。

T是另外一个站

收到总的发送信号后，再用自己的码片进行格式化内积的运算。

什么是格式化内积呢？

就是对应元素相乘再相加，除以项数

码片之前必须是正交的：

得到总的信号后，用自己的码片做格式化内积，就能得到信息。

所以，要实现在CDMA网络下监听对话，其实只需要有一个接收相同码片的接收器（比如特制的手机卡），再捕捉一下总的信号就好了，没有那么“科幻”

码分复用的缺点是增大了数据量：发送1个数据需要m个码片。

数字传输技术

模拟信号->采样->调制->编码

每秒钟采样8000次，每个采样8bit(一个采样就是一个波形）

最大支持32路

宽带接入技术

ADSL

ADSL利用的是电话线，可以减少成本，利用现有资源

这就是一种频分复用（早期是没有这样的技术的，打电话就不能上网）

下行大于上行，这就是上下行的非对称，也是ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Loop,即非对称数字用户环路)的名称来源。

拓展：

来源：https://www.zhihu.com/question/66606514

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拨号，是认证方式。是为了让运营商知道你合法上线了，给你分带宽的一种条件
来源：https://www.zhihu.com/question/32179359

以太网线传输100米就跪了，要保证百兆千兆长距离传输更麻烦，必须在链路层设计独立的标准
以前的ADSL就是这种标准之一，设计时还考虑到了尽量利用现有布线，减少施工量，所以大部分仍然保留双绞线
现在的EPON、GPON也是，虽说线重新布了，但是仍然是考虑到兼顾性能和施工方便，采用了无源光网络，小区里一栋楼所有住户可以并成一根光纤接到局端OLT，共享1.25G的理论带宽，而且除了用户家中和局端机房，当中所有设备都是无源的，不需要插电，更不需要装很贵的专用光收发器模块
当然最终的目的仍然是创造一根虚拟的以太网线，你有没有想过为什么电脑宽带拨号用的是“PPPoE”(以太网承载点对点协议)？对，各种宽带猫、光猫、局端DSLAM、OLT甚至运营商ATM、SONET承载网这种基础设施，模拟的就是一根从你家到电信接入节点BRAS某个端口上的一根巨大的以太网线，你通过PPPoE穿越整个承载网，在链路层上创建了一条虚拟的以太网链路，然后接入BRAS，那边给你分配个IP而已。