2.1 物理层的基本概念
在计算机网络中，有多种传输媒体用于连接各种网络设备。
大致可分为两类。
计算机网络系统结构中的物理层解决了在各种传输媒体上传输比特0和1的问题。
然后为数据链路层提供比特流的透明传输服务。
(透明度是指数据链路层看不见，也不需要看物理层用什么方法传输比特0和1，只需要享受物理层提供的比特流传输服务)
为了解决各种传输媒体上传输比特0和1的问题，物理层主要有以下四项任务：机械特性、电气特性、功能特性和工艺特性。
由于传输媒体种类繁多，如 双绞线、光纤等。物理连接方式也很多，如点对点连接、广播连接等。
因此，物理层协议有很多种，每个物理层协议都包含了上述四项任务的具体内容。
在学习物理层时，重点是掌握基本概念，而不是具体的物理层协议。
2.2 物理层以下的传输媒体
：传输媒体不属于计算机网络系统结构的任何一层。如果非要添加到系统结构中，只能放在物理层以下。
电磁波在导向传输媒体中沿固体媒体传播。
非导向传输媒体是指自由空间。
同轴电缆示意图，内导体铜芯线，可为单股实心线或多股绞线。网状编织的外导体屏蔽层。
横截面各层均为共圆心，即同轴心。(名称来源)
有两种:50欧阻抗和75欧阻抗
将两根绝缘铜线并排放在一起，然后按照一定的规则绞合，形成双绞线。
绞合线的常用类别、带宽和典型应用。目前，家庭局域网主流带宽为1Gb/s，超5类双绞合线电缆可以满足大品牌的优质需求。
光纤
因为光纤很细，所以必须做成很结实的光缆。
光缆少则只有一根光纤，多则可包括几十到几百根光纤。
此外，增强芯和填料可以大大提高机械强度。必要时，还可以放置远程电源线，最后加入包带层和外护套。
抗拉强度可达数公斤，完全满足工程施工的强度要求。
纤芯很细，纤芯外的包层也很细。 
光在光纤中传输的基本原理。
发光二极管或半导体激光器可用作发光端的光源；光电二极管或激光检波器可用于接收端检测光脉冲。 
这个过程反复进行，光沿光纤传输。
事实上，只要从核心到核心表面的光的入射角大于一定的临界角度，就可以产生全反射。因此，个光纤中可以传输许多不同角度的光。这种光纤被称为多模光纤。
电力线
早在20世纪20年代初就出现了电力线作为传输媒体的情况。
最早使用电力线传输信号的例子是电力线电话。
目前，如果要建立高性能的家庭局域网，使用电力线作为传输媒体是不能满足要求的。
对于装修时没有网络布线的家庭，线的家庭。
对于一些使用独立房间办公的企业来说，每个办公室的计算机数量不多，不想跨办公室布线，也可以采用这种方式。每个办公室只需要根据需要在电源插座上插入一只或多只电动猫。
我们可以利用电磁波在自由空间传输数据信息。
这是电磁波的频谱。
该频段不用于电信领域。 
无线电波中的低频和中频频段，主要利用地面波进行传输。而高频和甚高频频段，主要是靠电离层的反射。
微波通信在数据通信中占有重要地位。频率范围为300MHz~300GHz（波长1m~1mm）但主要使用2~40GHz的频率范围。
空间中的微波主要是直线传播。
因为微波会穿透电离层进入宇宙空间，所以它不能通过电离层的反射传播到远处的地面。
传统的微波通信主要有两种方式。一种是地面微波接力通信。另一种是卫星通信。
由于微波在空间中主要是直线传输，而地球表面是曲面，其传输距离有限，一般只有50公里左右，但如果使用100米高的天线塔，传输距离可以增加到100公里。
为了实现远程通信，必须在微波通信通道的两个终端之间建立几个中继站。中继站放大前一站发送的信号，然后发送到下一站，因此称为接力。
常用的卫星通信方法是在地球站之间使用大约3600公里高的人工同步地球卫星作为中间器的微波接力通信。其最大的特点是通信距离长，相应地，通信延迟相对较大，一般为250~300ms之间。
低轨道卫星通信系统除同步卫星外，还开始在空间中部署，形成空间高速链路。
红外线，利用红外传输数据，许多家用电器(如电视、空调等)都配备了红外遥控器。
以前的笔记本电脑基本上都有红外界面，可以进行红外通信。
现在笔记本电脑已经取消了红外界面，但是很多智能手机也有红外界面，方便用户对电视、空调等家用电器进行红外遥控。 
2.3 传输方式
串行传输是指数据由一个比特和一个比特依次发送。因此，发送端和接收端之间只需要一条数据传输线。
并行传输是指一次发送n比特而不是比特。因此，发送端和接收端之间需要有比特。n传输线路。并行传输的优点是速度是串行传输的n倍。缺点是成本高。
在计算机网络中，数据在传输线路上的传输，采用的是串行传输还是并行传输？答案是串行传输。
计算机内部的数据传输通常采用并行传输。
例如：CPU通过总线传输与内存之间的数据。
数据总线宽度为8位、16位、32位和64位。
采用同步传输方式，数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。
接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测， 以判别接收到的是比特0还是比特1.
由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位。
因此，需要采用方法使收发双方的时钟保持同步。 
外同步：发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号。接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。
采用异步传输方式时，以字节为独立的传输单位。字节之间的时间间隔不是固定的。
接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。
为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。
单工通信，又称为单向通信。通信双方只有一个数据传输方向。
例如，无线电广播采用的就是这种通信方式。
半双工通信，又称为双向交替通信。通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。
例如，对讲机采用的就是这种通信方式。
全双工通信，又称为双向同时通信。通信双方可以同时发送和接收信息。
例如，电话采用的就是这种通信方式。
单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各有一条）。
2.4 编码与调制
在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字，图片，音频和视频。
它们可以统称为消息，数据是运送消息的实体。（我们比较熟悉的是十进制数据，而计算机只能处理二进制数据，也就是比特0和比特1）
计算机中的网卡将比特0和比特1，变换成相应的电信号发送到网线。也即是说，信号是数据的电磁表现。
由信源发出的原始电信号称为基带信号。
基带信号又可以分为两类。
一类是数字基带信号。（例如，计算机内部CPU与内存之间传输的信号。）
另一类是模拟基带信号（例如，麦克风收到声音后产生的音频信号。）
信号需要在信道中进行传输。信道可分为数字信道和模拟信道。
在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可以数字信道中传输。（例如，以太网使用曼彻斯特编码，4B/5B、8B/10B等编码。）
把数字基带信号的频率范围搬移到较高频段，并转换为模拟信号，称为调制。调制后产生的信仍为模拟信号，可以在模拟信道中传输。（例如，WiFi使用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方法。）
对于模拟基带信号地处理，也有编码和调制两种方法。对模拟基带信号进行编码地典型应用是对音频信号进行编码地脉码调制PCM。也就是将模拟音频信号，通过采样，量化，编码这三个步骤进行数字化。
对模拟信号进行调制地典型应用是将语音数据加载到模拟的载波信号中传输。（例如，传统的电话。）
另一个是频分复用FDM技术，可以充分利用带宽资源。
简单的说，码元就是构成信息的一段波形。
这一段波形是构成该信号的一个基本波形，可以称其为码元。它可以表示比特0 也可以表示比特1
可见，该信号由两种码元构成。
传输媒体不能和信道直接划等号，对于单工传输，传输媒体中只包含一个信道。（要么是发送信道，要么是接收信道。）
而对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道。一个是发送信道，另一个是接收信道。
如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道。
在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。
待传输的比特流，这是采用不归零编码产生的该比特流的相应信号。
正电平表示比特1，负电平表示0。
所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。
例如，该码元在其时间内全部是正电平；而该码元在其时间内全部是负电平。
思考：接收端如何判断出这是2个码元，而这是3个码元？
这需要发送方的发送和接收方的接收做到严格的同步。
这就需要额外一根传输线来传输时钟信号。接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元。
因此，由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。
归零编码的优点是自同步，但缺点是编码效率低。
在每个码元时间的中间时刻，信号都会发送跳变。例如，负跳变表示比特1，正跳变表示比特0
在每个码元时间的中间时刻，信号都会发送跳变。依据码元开始处电平是否发生变化来表示比特0或比特1
（比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率）
从上到下：
这是待传输的数字基带信号，也就是来自源的原始数字信号。我们要使用模拟信道来传输。因此需要将数字基带信号通过调制的方法，调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号。
这是调幅所产生的模拟信号。无载波输出表示比特0，有载波输出表示比特1.
这是调频所产生的模拟信号。频率f1的波形表示比特0，频率f2的波形表示比特1.
这是调相所产生的模拟信号。初相位0度的波形表示比特0，初相位180度的波形表示比特1.
可以采用混合调制的方法。 
这种调制方法所调制出的波形可以有12种相位。
在星座图中画出该调制方法所产生的码元。
该点表示其中的一个码元，它与圆心连线的距离可看作是振幅，连线与横坐标的夹角可看作是相位。
这是QAM16可调制出的16种码元。
每种码元可以对应表示4个比特。
这是我们随便定义的每个码元所对应的4个比特。
假设A，B，C，D，E是接收端收到的5个码元，这5个码元原本都是表示4个比特0的。由于传输过程中产生失真，导致它们在星座图中并未落在理想位置。 
接收端会将码元A，B，C解调为0000，这是正确的。
将码元D解调为0001（1位错位）
将码元E解调为1111（4位全错）
这说明，每个码元与4个比特的对应关系不能随便定义。 
格雷码：任意两个相邻码元只有一个比特不同。
2.5 信道的极限容量
信号在传输过程中会受到各种因素的影响。
例如，这是一个数字信号，当它通过实际的信道后，波形会产生失真。当失真不严重时，在输出端还可根据已失真的波形还原出发送的码元。
但当失真严重时，在输出端就很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0
信号波形失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。 
二元调制，只能产生两种不同的码元，也就是两种不同的基本波形。因此每个码元只能携带1比特的信息量。
多元调制，例如，QAM16可以调制出16种不同的码元。因此每个码元可以携带4比特的信息量。
实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。
这是因为奈氏准则是在假定的理想条件下推导出来的，它不考虑其他因素，例如：传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等等。
因为信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别。并且噪声功率相对信号功率越大，影响就越大。
（信噪比， 是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。）
从奈氏准则可知，调制速度（也就是码元传输速度）和码元所携带的比特数量都会影响信道数据传输速率。
第二章练习题
物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性。
机械特性、电气特性、功能特性、过程特性
