一. TCP/IP体系 物理层
1.1 物理层的基本概念
物理层作为TCP/IP网络模型的最低层，负责直接与传输介质交互，实现比特流的传输。
要完成物理层的主要任务，需要确定以下特性：
- 机械特性：物理层的机械特性主要涉及网络设备之间物理连接的几何和物理尺寸、引脚数、形状、大小、插拔方式等机械设计规定，确保不同设备的物理接口能够正确无误地相互对接和匹配。例如，RJ-45水晶头对于双绞线以太网的连接，光纤接口的SC、LC、ST等不同类型的设计。
- 电气特性：电气特性是指信号在传输介质上的编码方式以及信号的电压、电流强度、波形、频率范围等参数。例如，在以太网中，规定了电信号的高低电平代表逻辑1和0；在光纤通信中，则规定了光信号的波长、功率等参数，确保接收方能准确识别并恢复发送方发出的比特序列。
- 功能特性：功能特性是指物理层应该完成的基本功能，即透明地传输比特流，并确定数据传输速率（比特率）、信号的传输方向以及可能存在的错误检测机制。这包括但不限于信号的调制解调方法、同步机制、线路状态监测等功能。
- 过程特性：过程特性是指物理层在数据传输过程中的一些控制步骤和规程，比如建立连接、激活传输、维持连接以及断开连接时的一系列操作过程。例如，某些物理层协议可能会涉及到初始化握手、数据传输期间的错误检测和纠正机制，以及在发生故障时的重试或通知上层机制等。
1.2 数据通信
1.2.1 数据通信系统
这张图片展示了一个典型的数据通信系统的结构，该系统通过公用电话网进行数据传输。这个系统可以分为三个主要部分：源系统、传输系统和目的系统。
源系统： 源系统是数据通信的起点，它包括源点、发送器和输入信息。在这个例子中，源系统由一台计算机（PC）组成，它通过调制解调器连接到公用电话网。源点是数据的产生者，它可以是用户在计算机上输入的信息，如汉字或数字比特流。这些信息被发送器接收并转换为适合传输的信号形式，通常是模拟信号。
传输系统： 传输系统负责将源系统发送的信号从一个地点传送到另一个地点。在这个例子中，传输系统是公用电话网，它使用调制解调器将模拟信号转换回数字比特流。传输系统通常包括各种物理媒介，如电缆、光纤等，以及相关的设备，如交换机和路由器，用于路由和转发数据包。
目的系统： 目的系统是数据通信的终点，它包括接收器、终端和输出信息。在这个例子中，目的系统也是一台计算机（PC），它通过调制解调器连接到公用电话网。接收器接收到传输系统传递过来的信号，并将其转换回原始的输入数据。最终，这些数据在终端上显示出来，例如在另一台计算机上显示汉字。
1.2.2 有关信道的相关概念
- 通信方式
- 单工通信：指数据只能沿着单一方向进行传输。在这种模式下，通信系统中的发送端只能发送信息，接收端只能接收信息，双方无法互换角色。例如，无线电广播或电视广播就是典型的单工通信系统，听众无法直接回应广播内容。
- 半双工通信：半双工通信允许数据在两个方向上进行传输，但它不能同时进行。通信的双方不能同时发送和接收信息，必须交替进行。如同步传输时需等待一方完成发送再切换到接收状态。例如，对讲机是一个常见的半双工通信，当一方讲话时，另一方必须等待对方说完才能开始自己的发言。
- 全双工通信：全双工通信是最为灵活高效的通信方式，允许数据同时在两个方向上传输，即通信的双方可以同时发送和接收信息，彼此不会互相干扰。
- 常用编码方式
- 不归零制：当比特值为1时，信号电平保持在一个固定正值（或负值），当比特值为0时，信号电平保持在相反的电平。因此，“1”和“0”的区别在于信号是否翻转，但不会恢复到零电平。
- 归零制：每个比特周期内，无论是“1”还是“0”，信号都要回到零电平。即每个比特的开始都是信号的跳变，对于“1”，信号会在非零电平上保持一段时间后再回到零电平；对于“0”，信号在零电平上短暂上升后立即回到零电平。
- 曼彻斯特编码：每个比特周期都有一次电平跳变。比特“1”被编码为在半个比特周期处有一次电平翻转（从高到低或从低到高），比特“0”则是前半周期与后半周期电平相同。
- 基本的带通调制方法
数字信号到模拟信号的转换：调制（Modulation）是指将数字信号转换为模拟信号的过程。这是因为早期的通信系统和某些现代的长距离通信系统（如电话线或无线电波）更适宜传输模拟信号而非数字信号。
- 幅度键控（ASK）：通过改变载波信号的幅度来对应数字信号的“0”和“1”。
- 频率键控（FSK）：根据数字信号的不同状态改变载波信号的频率。
- 相位键控（PSK）：依据数字信息改变载波信号的相位。
1.2.3 信道的极限容量
- 奈氏准则
对于理想低通信道(无噪声、无失真的信道)，奈氏准则给出了码元传输速率的上限，即如果要避免码间串扰，理想低通信道的最高码元传输速率等于该信道带宽（W Hz）的两倍，即 2W Baud。这里的码元传输速率通常以波特（Baud）表示，即每秒钟传输的码元数量。
- 香农定理
对于实际的、带宽受限并且存在噪声的信道，香农提出了一种更为精确的信道容量计算方法。香农定理表明，在一定的带宽（W Hz）和给定的信噪比的情况下，无差错传输的最大信息传输速率等于：C = W * log2(1 + S/N) 这里的C是信道的极限信息传输速率，log2是以2为底的对数，S是信道内所传信号的平均功率，N是信道内部的噪声功率。
1.3 物理层的传输介质
1.3.1 导向型传输介质
- 双绞线：包括非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线，广泛应用于以太网等局域网中，如Cat5e、Cat6、Cat6a等类型的网线。
- 同轴电缆：分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆，曾用于早期的以太网，如今基本已经被淘汰。
- 光纤：利用光的反射原理传输光脉冲信号，由于其极高的带宽和传输距离长、干扰小的特点，成为高速网络、城域网和长途骨干网的理想传输介质。
1.3.2 非导向型传输介质
- 无线电波：包括射频和微波频段，广泛应用于无线局域网（Wi-Fi）、蜂窝移动通信（如4G/5G）和卫星通信等领域。
- 红外线：过去常用于短距离无线通信，如遥控器和一些早期的个人区域网络。
- 激光：虽然激光传输通常出现在光纤通信中，但在某些特殊的无线环境中，例如自由空间光通信也会使用激光作为传输介质。
1.4 信道复用技术
通过复用技术，通信系统可以有效地服务多个用户或多个数据流的同时传输，极大地提高了通信系统的容量和效率。
- 频分复用：将可用的频谱资源分割成多个互不重叠的频段，每个用户在指定的频段上传输信号。
- 时分复用：将时间划分为一系列时隙，每个用户在特定的时间段内传输信号，不同用户轮流使用信道。
- 统计时分复用：和时分复用类似，但不是固定分配时隙，而是根据用户实际需求动态分配，尤其适用于数据通信中数据流量不均匀的场景。
- 波分复用：在光纤通信中，通过不同波长的光信号在同一根光纤内传输，每个信号对应一个特定的波长。
- 码分复用：各个用户使用不同的扩频码序列进行编码，所有编码后的信号在相同的频率和时间上传输，接收端通过匹配各自用户的码序列进行解码和提取信号。
- 空分复用：在空间维度上复用信道，如在光纤通信中使用多根光纤或多模光纤中的多个模式，或者在无线通信中利用天线阵列实现多用户空间分离。
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