網(wǎng)絡(luò)協(xié)議最底層是物理層(Physical layer)，該層關(guān)注的是單個(gè)比特在物理信道上的傳輸。傳輸信道分為三類：有線(銅線和光纖)、無(wú)線(wireless)和衛(wèi)星(satellite)。傳輸信號(hào)在信道上真正傳輸并不是數(shù)字比特0和1，而是通過(guò)電壓變化、有無(wú)光照、電磁波頻率跳動(dòng)等來(lái)模擬信號(hào)，而數(shù)字調(diào)至解調(diào)技術(shù)就是主要解決如何把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字比特以及將數(shù)字比特還原成模擬信號(hào)。
數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)
改變諸如電壓或電流等某種物理特性的方法可用來(lái)在電線上傳輸信息。如果用一個(gè)以時(shí)間t為自變量的單值函數(shù)f(t)來(lái)表示電壓或電流的值，就可以對(duì)信號(hào)行為進(jìn)行建模，并用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行分析。
傅里葉分析
任何一個(gè)行為合理周期為T的周期g(t)，都可以表示成用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)組成的無(wú)窮級(jí)數(shù)：
fourier.jpg
簡(jiǎn)單理解為：傅里葉變換, 就是在用一種特殊的正交基(正交函數(shù))在對(duì)原函數(shù)做線性變換。無(wú)窮個(gè)正弦波疊加，最終會(huì)疊加成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形，有一個(gè)n維向量a, 我們總可以找到一組n維正交基e1 e2 e3...en等分量, 使得
a = c1 e1 + c2 e2 + c3 e3 + ........................cn en。
這樣就可以通過(guò)頻率的疊加來(lái)表示矩形，從而矩形的上下分別表示比特里的1和0，重復(fù)的矩形來(lái)表示時(shí)鐘。
傅里葉分析與數(shù)據(jù)通信的關(guān)聯(lián)在于實(shí)際信道對(duì)不同頻率信號(hào)有不同的影響。所有的傳輸設(shè)施在傳輸過(guò)程中都要損失一些能量，如果所有的頻率分量都等量衰減，則結(jié)果信號(hào)將會(huì)在振幅上有所減少，但不會(huì)變形，模擬信號(hào)還是可以準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)化為數(shù)字比特。但是所有的傳輸設(shè)施對(duì)于不同分量的衰減程度并不相同，從而導(dǎo)致接收端接受到的結(jié)果信號(hào)發(fā)生變形，這樣在轉(zhuǎn)化為數(shù)字比特時(shí)0被認(rèn)為是1，1被認(rèn)為是0，這是不能容忍的。一般情況下對(duì)導(dǎo)線而言，在0到某個(gè)頻率f HZ的這段范圍內(nèi)，振幅在傳輸過(guò)程中變化衰減，而在頻率f HZ只上的所有頻率振幅都將有不同程度的減弱，0-f HZ這段在傳輸過(guò)程中振幅變化明顯減弱的頻率(HZ,為了紀(jì)念赫茲)寬度就稱為帶寬(bandwidth)。實(shí)際上，截止頻率并沒(méi)有那么尖銳，首頁(yè)通常引用的帶寬是指從0到使得接收能量保留一半的那個(gè)頻率位置。
信道的最大數(shù)據(jù)速率
由于系統(tǒng)中分子的運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)熱噪聲總是存在的信號(hào)功率S與噪聲功率N的比值稱為信噪比S/N。香農(nóng)理論：對(duì)于一條帶寬為B HZ、噪聲比是S/N的有噪聲信道：
最大比特率=B log2 (1+S/N)
也就是說(shuō)信道的傳輸能力是有限的。例如：在普通電話線上提供訪問(wèn)Internet的ADSL使用了大約1MHZ的帶寬，線路上信噪比的程度取決于住宅和電話交換局之間的距離，對(duì)于1~2千米的短距離來(lái)說(shuō)40分貝的信噪比算是很好的狀況了。正是因?yàn)殡娫捑€具有這樣的特性，因此無(wú)論采用多少個(gè)信號(hào)等級(jí)，也不管采樣頻率多快或多慢，永遠(yuǎn)也不可能在該信道上獲得高于13Mbps(bit/s)的數(shù)據(jù)率。
傳輸介質(zhì)
物理層的作用是將比特從一臺(tái)機(jī)器傳輸?shù)搅硪慌_(tái)機(jī)器。每種傳輸介質(zhì)都有獨(dú)特的性質(zhì)，體現(xiàn)在帶寬、延遲、成本以及安裝和維護(hù)難易程度上的不同。大致上可以將介質(zhì)分為引導(dǎo)性介質(zhì)(有線介質(zhì)，比如銅線和光纖)和非引導(dǎo)性介質(zhì)(無(wú)線介質(zhì)，比如無(wú)線電、衛(wèi)星和激光)兩大類。
常用有線介質(zhì)
雙絞線(twisted pair)
一種最老但至今常用的傳輸介質(zhì)是雙絞線，由兩根相互絕緣的銅線組成，銅線直徑大約1mm。兩根銅線以類似DNA分子鏈的螺旋狀的形式緊緊絞合在一起，兩根平行的先會(huì)構(gòu)成一個(gè)很好的天線，不同電線產(chǎn)生的干擾會(huì)相互抵消，從而能顯著降低電線的輻射。信號(hào)通常以兩根電線的電壓差來(lái)承載。
雙絞線既可以用于傳輸模擬信號(hào)，也可以用于傳輸數(shù)字信號(hào)。最常用的應(yīng)用是電話系統(tǒng)。打有線電話和ADSL接入Internet都發(fā)生在這些雙絞線上。
光纖
光纖主要用于網(wǎng)絡(luò)骨干的長(zhǎng)途傳輸、高速局域網(wǎng)以及高速Internet接入，比如現(xiàn)在已經(jīng)比較常見(jiàn)的光纖到戶(FttH, Fiber to the Home)。光纖傳輸系統(tǒng)由三個(gè)關(guān)鍵部件構(gòu)成：光源、傳輸介質(zhì)和探測(cè)器。按照慣例，一個(gè)光脈沖表示比特1，沒(méi)有光脈沖表示比特0，傳輸介質(zhì)是超薄玻璃纖維。光探測(cè)器探測(cè)到光時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，光纖接受到電子信號(hào)時(shí)將其轉(zhuǎn)換成光脈沖并傳輸出去，然后在另一端把光脈沖轉(zhuǎn)換回電子信號(hào)輸出給接收端。
原理：全反射，光由光密（即光在其中傳播速度較小的）媒質(zhì)射到光疏（即光在其中傳播速度較大的）媒質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，折射角將大于入射角。當(dāng)入射角增大到某一數(shù)值時(shí)，折射角將達(dá)到90°，這時(shí)在光疏介質(zhì)中將不出現(xiàn)折射光線，只要入射角大于上述數(shù)值時(shí)，均不再存在折射現(xiàn)象，這就是全反射。所以產(chǎn)生全反射的條件是：①光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)．②入射角必須大于臨界角。著名的實(shí)驗(yàn)是丁達(dá)爾做的光隨水彎曲的實(shí)驗(yàn)。這種光源可以傳播幾千米而事實(shí)上沒(méi)有損失。
分類：由于任何入射角度大于臨界值的光束都會(huì)在內(nèi)部反射，所以許多不同的光束以不同的角度來(lái)回反射著向前傳播，每一束光都有不同的模式，這樣的光纖稱為多模光纖(multi-mode fiber)；然而，如果光纖的直徑減少到只有幾個(gè)光波波長(zhǎng)大小的時(shí)候，則光波就如同一個(gè)波導(dǎo)，光只能按直線傳播而不會(huì)反射，從而形成單模光纖(single-mode fiber)。單模光纖比較昂貴，廣泛用于長(zhǎng)距離傳輸，目前可用的單模光纖可以100 Gbps的速率傳輸數(shù)據(jù)到100 KM遠(yuǎn)而不用放大器。
通常用作信號(hào)源的有發(fā)光二極管(LED, Light Emitting Diodes)和半導(dǎo)體激光兩種。光纖的接收端是一個(gè)光電二極管。當(dāng)遇到光照時(shí)，光電二極管就發(fā)出一個(gè)電脈沖，其響應(yīng)時(shí)間即把光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖所需要的時(shí)間，限制了數(shù)據(jù)傳輸率在100 Gbps左右。
光纖相比銅線的優(yōu)點(diǎn)
- 光纖比銅線能夠處理更高的帶寬.
- 光纖具有較低的衰減，所以在較長(zhǎng)的線路上，大約每50 KM才需要一個(gè)中繼器；銅線大約每5 KM就需要一個(gè)中繼器.
- 光纖不受電源浪涌、電磁干擾、電源故障、空氣中腐蝕性化學(xué)物質(zhì)侵蝕等影響.
- 光纖細(xì)小且重量較輕.
- 光纖不會(huì)漏光，不易被接入，這些特性使得光纖很難被搭線竊聽(tīng)，安全性高.
無(wú)線介質(zhì)
當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁波，電磁波可在空中傳播。當(dāng)一個(gè)大小適中的天線被連接到一個(gè)電路上，電磁波就可以有效地被廣播出去，在一定距離內(nèi)的接受者能收到該電磁波。所有的無(wú)線通信都是基于這樣的原理實(shí)現(xiàn)的。
無(wú)線電傳輸
無(wú)線電波的特性與頻率有關(guān)。在低頻部分，無(wú)線電波能夠很好地穿透障礙物，但隨著離信號(hào)源越來(lái)越遠(yuǎn)，其能量急劇下降，主要用于3G/4G移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)；在高頻部分，無(wú)線電傾向于以直線傳播，遇到障礙物會(huì)反彈回來(lái)，也更容易被水和其他障礙物吸收，主要用于無(wú)線局域網(wǎng)：802.11-WiFi。
微波傳輸
最初運(yùn)營(yíng)商大多使用低頻段的無(wú)線來(lái)傳輸信號(hào)，隨著時(shí)間的推移，使用的低頻無(wú)線譜已經(jīng)變得越來(lái)越擁擠。對(duì)于頻段越來(lái)越多的需求驅(qū)使運(yùn)營(yíng)商們開(kāi)始向高頻發(fā)展，現(xiàn)在使用的頻段已經(jīng)擴(kuò)展到了10 GHZ，但是到了4 GHZ，微波被水吸收了。這個(gè)現(xiàn)象造就現(xiàn)在我們常見(jiàn)的微波爐等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
紅外傳輸
電視機(jī)、空調(diào)的遙控器都采用紅外線通信，紅外線傳播具有方向性，并且不能穿透固體墻壁。
通信衛(wèi)星和地球同步衛(wèi)星等
數(shù)字調(diào)制
模擬信號(hào)可表示成諸如連續(xù)變化的電壓、光照強(qiáng)度或頻率，數(shù)字比特用0和1來(lái)表示。為了發(fā)送數(shù)字信號(hào)，我們必須設(shè)法用模擬信號(hào)來(lái)表示比特。比特和代表它們的信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程稱為數(shù)字調(diào)制(digital modulation)。
柱子調(diào)制的最直接形式是用正電壓表示1，用負(fù)電壓表示0。對(duì)于光線而言，可用光的存在表示1，沒(méi)有光表示0。
但是有個(gè)問(wèn)題是：接收器必須知道何時(shí)一個(gè)符號(hào)的結(jié)束和下一個(gè)符號(hào)的開(kāi)始，尤其是遇到連續(xù)的0或1，才能對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確采樣。比如15個(gè)0看起來(lái)很像16個(gè)0，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，接收器很難區(qū)分出各個(gè)比特，精確的時(shí)鐘有助于解決這個(gè)問(wèn)題，但在許多Mbps速率運(yùn)行的鏈路上計(jì)時(shí)比特，因此時(shí)鐘的漂移應(yīng)該比最長(zhǎng)允許運(yùn)行的微妙零頭還要小，這樣的時(shí)鐘漂移對(duì)慢速鏈路或短消息可能是合理的，但它顯然不是一個(gè)通用的解決方案。
物理層上解決的第一個(gè)也是最重要的問(wèn)題就是如何區(qū)分每一符號(hào)的開(kāi)始和結(jié)束，也就是時(shí)鐘恢復(fù)問(wèn)題。
曼切斯特(Manchester)編碼
0和1交替重復(fù)的信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘在每個(gè)比特時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一次跳變，以兩倍數(shù)據(jù)比特率的速度運(yùn)行。方法是把數(shù)據(jù)信號(hào)(Data)和時(shí)鐘信號(hào)(Clock)異或(NOR)混合在一起。當(dāng)時(shí)鐘和0電壓異或時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一次“從低到高”的信號(hào)跳變來(lái)表示邏輯0；當(dāng)時(shí)鐘和1電壓異或時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一次“從高到低”的相反跳變來(lái)表示邏輯1。曼切斯特編碼主要用在經(jīng)典以太網(wǎng)上。
不歸零逆轉(zhuǎn)(NRZI, Non-Return-to-Zero Inverted)
曼切斯特編碼的主要缺點(diǎn)是由于時(shí)鐘信號(hào)在每個(gè)比特時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一次跳變，總體上就需要兩倍于數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬。而不歸零逆轉(zhuǎn)編碼定義為：1定義為信號(hào)有跳變，反之0定義為信號(hào)無(wú)跳變?，F(xiàn)在連接計(jì)算機(jī)外設(shè)的USB(Universal Serial Bus)標(biāo)準(zhǔn)就采用了該編碼模式。
當(dāng)然還需要解決一長(zhǎng)串的0。解決這個(gè)問(wèn)題的著名編碼方式是4B/5B映射轉(zhuǎn)換表。每4個(gè)比特被映射成一個(gè)5比特模式，使得映射結(jié)果永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)三個(gè)0。
多路復(fù)用(multiplexing)
為了最大化利用資源，信道通常被多個(gè)信號(hào)共享。
頻分復(fù)用(FDM, Frequency Division Multiplexing)
將頻譜分成幾個(gè)頻段，每個(gè)用戶完全擁有其中的一個(gè)頻段來(lái)發(fā)送自己的信號(hào)。相鄰頻段之間的頻譜間隔足夠大，稱為保護(hù)帶，用來(lái)防止干擾。而更有效的正交頻分復(fù)用算法則不需要保護(hù)帶，其信道帶寬被分成許多獨(dú)立發(fā)送數(shù)據(jù)的子載波，每個(gè)子載波的頻率響應(yīng)被設(shè)計(jì)成在相鄰子載波的中心為零。正交頻分復(fù)用已經(jīng)被廣泛用于WiFi-802.11和4G。
時(shí)分復(fù)用(TDM, Time Division Multiplexing)
在這種方式下，每個(gè)用戶獲得固定的時(shí)間槽，以循環(huán)的方式輪流工作。其廣泛用于電話蜂窩系統(tǒng)。
碼分復(fù)用(CDM, Code Dicision Multiplexing)
其算法是非常精妙的。主要用于某些蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信和有線電視。
場(chǎng)景分析：在一個(gè)機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳，許多人正在兩兩交談。FDM相當(dāng)于以不同語(yǔ)調(diào)交談，有的人語(yǔ)調(diào)高，有的人語(yǔ)調(diào)低，所有的人可同時(shí)進(jìn)行并相互獨(dú)立；TDM可以以任何方式順序交談；CDM相當(dāng)于每對(duì)交談?wù)咭圆煌恼Z(yǔ)言進(jìn)行交談，不限制語(yǔ)調(diào)高低，用漢語(yǔ)交談的人會(huì)接受其他使用漢語(yǔ)說(shuō)話的信息，并且把所有沒(méi)有用漢語(yǔ)交談的內(nèi)容都當(dāng)做噪聲過(guò)濾掉。
CDM的關(guān)鍵在于：能夠提取出期望的信號(hào)，同時(shí)拒絕所有其他的信號(hào)，把這些信號(hào)當(dāng)做噪聲。
工作原理：每個(gè)比特時(shí)間被再細(xì)分成m個(gè)更短的時(shí)間間隔碼片，通常情況下，每個(gè)比特被分成64或128個(gè)碼片。每個(gè)站被分配得到唯一的m位碼的碼片序列，表示發(fā)送比特1，碼片序列的反碼表示發(fā)送比特0。所有的碼片序列都是精心挑選出來(lái)的，它們兩兩相交，意味著任何兩個(gè)不同的碼片序列S和T的歸一化內(nèi)積S·T=0，利用Walsh碼可以產(chǎn)生這樣的正交碼片序列。如果S·T=0，則(-S)·(-T)=0，S·S=1。(-S)表示S的反碼，實(shí)際上的表示是S上面有一條橫線，而不是左邊。
以8個(gè)碼片為例：站A分配得到的碼片序列是A=(-1-1-1+1+1-1+1+1)表示比特1，而發(fā)送(-A)=(+1+1+1-1-1+1-1-1)表示比特0?，F(xiàn)在顯示4個(gè)站的碼片序列：
A=(-1-1-1+1+1-1+1+1)
B=(-1-1+1-1+1+1+1-1)
C=(-1+1-1+1+1+1-1-1)
D=(-1+1-1-1-1-1+1-1)
在一個(gè)信道內(nèi)的6個(gè)傳輸實(shí)例：
S1=C =(-1+1-1+1+1+1-1-1)
S2=B+(-C) =(-2 0 0 0+2+2 0-2)
S3=A+(-B) =( 0 0-2+2 0-2 0+2)
S4=A+(-B)+C =(-1+1-3+3+1-1-1+1)
S5=A+B+C+D =(-4 0-2 0+2 0+2-2)
S6=A+B+(-C)+D=(-2-2 0-2 0-2+4 0)
站C信號(hào)的恢復(fù)：
S1·C=[1+1-1+1+1+1-1-1]/8=1
S2·C=[2+0+0+0+2+2+0+2]/8=1
S3·C=[0+0+2+2+0-2+0-2]/8=0
S4·C=[1+1+3+3+1-1+1-1]/8=1
S5·C=[4+0+2+0+2+0-2+2]/8=1
S6·C=[2-2+0-2+0-2-4+0]/8=-1
為了恢復(fù)出某個(gè)特定站的比特流，接收方就必須預(yù)先知道這個(gè)站的碼片序列。下面是數(shù)學(xué)分析：
在同一個(gè)信道內(nèi)，站A傳輸比特1，站B傳輸比特0，站C傳輸比特1。接受方看到的和值S=A+(-B)+C，然后計(jì)算：
S·C=(A-B+C)·C=A·C-B·C+C·C=0+0+1=1
因?yàn)樗械拇a片序列兩兩相交，故站C和其他站的內(nèi)積一定是0。
原則上，給定足夠的計(jì)算力，只要接收方并發(fā)地每個(gè)發(fā)送方運(yùn)行相應(yīng)的解碼算法，就可以一次收聽(tīng)到所有發(fā)送方發(fā)出的信息。
交換(switch)
電路交換(circuit switching)
當(dāng)你的計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)電話呼叫時(shí)，電話系統(tǒng)的交換設(shè)備會(huì)全力以赴尋找一條從你電話通向接收方電話的物理路徑，稱為電路交換。其特點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要建立一條端到端的路徑連接，一旦連接建立就預(yù)留了從發(fā)送方到接收端一路上的帶寬資源，所有的數(shù)據(jù)將走相同的路徑，讓所有的數(shù)據(jù)遵循同樣的路徑意味著它們到達(dá)接收端的秩序不可能出現(xiàn)混亂，可以保證服務(wù)的質(zhì)量。但如果雙方建立連接，卻沒(méi)有流量通過(guò)這條電路，其帶寬就會(huì)被浪費(fèi)。我們打電話時(shí)就是使用的電路交換，接收方必須確認(rèn)雙方才能建立連接開(kāi)始通話。
包交換(package switching)
路由器使用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)的包交換技術(shù)。在數(shù)據(jù)包交換中，數(shù)據(jù)包盡可能快的被發(fā)出，雙方無(wú)需在傳輸數(shù)據(jù)前建立專門的連接路徑，沒(méi)有固定的路徑，不同的數(shù)據(jù)包可以走不同的路徑，路徑的選擇取決于它們被傳輸時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀況。
因?yàn)閿?shù)據(jù)包交換中沒(méi)有為傳輸數(shù)據(jù)預(yù)留帶寬，在帶寬已經(jīng)被占滿的情況下，可能不得不等待一段時(shí)間才能被轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣就引入了排隊(duì)延遲(queuing delay)，如果許多包要在同一時(shí)間被發(fā)送出去還會(huì)引入堵塞。
優(yōu)缺點(diǎn)比較：
- 在電路交換中擁塞發(fā)生在建立電路時(shí)，而在數(shù)據(jù)包交換中擁塞發(fā)生在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)。
- 數(shù)據(jù)包交換不會(huì)浪費(fèi)帶寬，從整個(gè)系統(tǒng)角度看其效率更高，但對(duì)于單個(gè)用戶來(lái)說(shuō)服務(wù)質(zhì)量會(huì)得不到保證。
- 數(shù)據(jù)包交換比電路交換容錯(cuò)性更好。如果某個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障，所有使用它的電路都會(huì)被終止，沒(méi)有數(shù)據(jù)能從這些電路上發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)包交換可以是包繞過(guò)死掉的那個(gè)交換機(jī)。
- 電路交換按距離和時(shí)間收費(fèi)；數(shù)據(jù)包交換按流量收費(fèi)。
總結(jié)
物理層做的事情就是如何把比特從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮芊?。主要的功能就是如何正確的區(qū)別每一個(gè)比特，以及通過(guò)調(diào)節(jié)載波的振幅、頻率、相位把信號(hào)房在一個(gè)通帶上和多路復(fù)用等手段來(lái)提高物理信道的資源利用率。而差錯(cuò)控制及流量控制的功能主要有其上層來(lái)實(shí)現(xiàn)。
