第2章 實體層基礎

學習目標 實體層的一般用途 類比訊號與數位訊號的差異 數位傳輸模式、電路配置方式 常見的引導媒介與發送媒介 四種多工傳送的類型

2.1 實體層的概念 OSI 和 TCP/IP 模型的實體層有著類似的功能 兩者都與網路的實體特性有關 實體層會處理來自資料鏈結層的資料 實體層會傳送未經格式化的資料位元流 實體層有四個主要元件： 用來轉換資料的發信方法 運送資料的電路 傳輸媒介 實體裝置

實體層 為纜線和連接器指定什麼腳位(pin)、傳送什麼信號，也是實體層的功能，因為信號通常是以連接器的腳位傳送。

2.3 發信方法  實體層的第一種元件 類比和數位 類比是連續的測量值 數位是不連續的方式呈現 類比方法使用調變技術 例如振幅(amplitude)、頻率(frequency)、相位(Phase) 量測單位：Hz (Hertz) 數位方法使用編碼結構 例如曼徹斯特編碼、差動式曼徹斯特編碼 量測單位： bps (bits per second)

2.3.1 類比信號 類比信號可以有各種樣貌 調變正弦波 可以改變波的振幅、頻率、相位 振幅決定了波形的高度或強度 每秒測得波形數量為頻率 波形起始於特定方向(相位)，並且產生基線或參考波形 調變可以簡單也可以複雜

2.3.1.1 類比信號  調幅

2.3.1.2 類比信號  調頻

類比信號  量測單位 調頻有週期(period)，也就是信號在一個循環所需要的時間總量(以秒為單位)。

2.3.1.3 類比信號  相位調變

2.3.2 類比信號 簡單信號調變： 兩種振幅 兩種頻率 不同相位 簡單的信號調變其位元率(bit rate)和符元率(symbol rate)都相同。

2.3.2 類比信號 位元率(bit rate) ： 位元率是每秒或每個信號能夠傳送的位元數量。 符元率(symbol rate) : 符元率是單一信號能夠編碼的位元數量。

類比信號 複雜信號調變的位元率和符元率並不相同： 每個時間週期的符元率（也就是鮑率）可以超過一個位元。 若一個符元率超過一個位元，位元率和符元率就不相同。 複雜信號調變可以讓一個信號符號編碼超過一個位元。 複雜信號調變可以合併不同的振幅、頻率、相位、或這些元素的組合

類比信號

2.3.4 類比頻寬 類比頻寬是以Hz為測量單位。 類比線路的頻寬是線路最高頻率和最低頻率的差。 頻譜是由最低到最高的完整頻率所構成。

類比頻寬與頻譜的例子

2.3.2 數位信號 數位信號是以不連續的方式呈現資訊(也就是離散) 數位信號只用了代表電子的0和1兩種數值 利用編碼結構，例如： 曼徹斯特 (Manchester) 乙太網路 (Ethernet) 差動式曼徹斯特 (Differential Manchester) 記號環 (Token Ring) 網路

數位信號

數位信號 位元間隔 (bit interval) 是要傳送單一位元所需的時間 傳送端和接收端可以用位元間隔來測量彼此傳送資料的時間 位元間隔 信號的傳送時間與同步 傳送端和接收端需要以額外的機制來互相同步 位元率（bit rate）是每秒鐘的位元間隔數量，通常以bps（bits per second）為量測單位

數位頻寬 通常以bps( bits per second) 為單位 位元率(bit rate)是以每秒鐘的位元間隔數量 若數位信號的位元間隔為60微秒，頻寬為何？ 1 /（60 * 10-6）= 16.6 Kbps

數位傳輸模式

2.3.3 線路配置  實體層的第二種元件 兩種基本的線路配置方式 點對點(Point-to-point) 多點(Multipoint) 點對點配置是在兩個裝置間建立專屬的線路 多點配置是讓數個裝置共用單一線路的連線方式 不論哪一種都能符合網路的需求

2.3.3.1 點對點(Point-to-point)配置

2.3.3.2 多點(Multipoint)配置

2.4 傳輸媒介  實體層的第三種元件 兩種主要傳輸方式 傳導 (Conducted) 輻射 (Radiated) 傳導 – 纜線 雙絞線(Twisted-wire pair)、同軸纜線(coaxial)、光纖( fiber optic) 輻射 – 空氣傳送資料 地面微波(Terrestrial microwave)、衛星微波(satellite microwave)、無線電(radio)、紅外線(infrared)

2.4.1 傳導媒介  纜線 如圖：CAT 5 無遮蔽雙腳纜線 如圖：同軸纜線

傳導媒介  纜線 單模態光纖纜線 纖核通常不超過10微米 另有多模態光纖纜線 以玻璃作為纖核、纖殼材質

2.4.4 輻射媒介、空氣傳送資料

2.4.6 選擇媒介  五個考慮因素 成本 頻寬 安全 傳輸耗損 距離

2.4.5 傳輸損耗 衰減(Attenuation) 串音(Cross talk) 失真(Distortion) 環境因素 霧、雨、雪、太陽等 光纖是傳輸損耗最小的媒介，而且最安全 但價格非常昂貴

2.4.5 傳輸損耗(cont.) 衰減(Attenuation) 串音(Cross talk) 當信號隨著線路運行，信號的強度會逐漸減弱就是衰減。 See p.2-29 串音(Cross talk) 兩條傳送纜線或線路互相干擾就會發生串音。

2.4.5 傳輸損耗(cont.) 失真(Distortion) 在某些勤情況之下，信號到達目的時，可能會改變其型態或外觀，此時的信號已非原本的信號，這種情況稱為失真。 See p.2-30

各種媒介的優缺點

2.5 實體層裝置  實體層的第四種元件 集線器(Hubs)或中繼器(Repeaters) 數據機(Modem) 編碼器/解碼器(Codecs) 多工器(Multiplexers) 配線工具 – 非實體層裝置，而是用在配置、測試實體層媒介的工具。

2.5 實體層裝置  實體層的第四種元件(cont.) 資料電路終端設備(data circuit-terminating equipment, DCE) 數據機(Modem)是屬於資料電路終端設備，因為傳送和接受兩端的數據機必須以相同的速度通訊，如果兩邊的速度不一致，速度慢的那一端將會控制雙方通訊的速度。而數據機都具備錯誤修正的能力，因此當通訊過程發生錯誤時，大多不需要重新傳送信號。

2.5 實體層裝置  實體層的第四種元件(cont.) 資料終端設備(data terminal equipment, DTE) 個人電腦是DTE會將指令和資料送往DCE裝置。 See 2-32

實體層裝置  實體層的第四種元件

2.5.4 多工器 多工器一種讓傳送、接收兩端的數個慢速裝置共用一條高速線路的裝置。 傳送端的多工器將數條慢速線路合併到單一高速網路，而接收端的多工器則將單一高速網路分回數條慢速線路 四種多工器技術： 分頻多工(Frequency division) 分時多工(Time division) 統計型分時多工(Statistical time division) 分波多工(Wavelength division)

2.5.4.1 分頻多工(Frequency division Multiplexing) 高速線路劃分成一系列頻率不同的獨立頻道 線路為類比 頻寬的單位是Hz 資料是以頻道傳送 保護波段是線路沒有被使用的部分，也就是說保護波段無法傳送資料；保護波段的目的用來防止頻道互相干擾

分頻多工(Frequency division Multiplexing)

2.5.4.2 分時多工(Time Division Multiplexing) 將線路垂直的劃分成不同的時段 每一個分時多工連接的慢速裝置，都分配到一段特定的時段以進行通訊 線路為數位 頻寬的單位是bps 資料是以訊框傳送 如果裝置沒有資料要傳送，該時段也就空著不用

分時多工(Time Division Multiplexing)

2.5.4.3 統計型分時多工 (Statistical Time Division Multiplexing) 各個裝置通訊所合併的頻寬，可以超過裝置所共用的單一線路頻寬 時段沒有預先配置，而是依裝置需求來分配 替各個傳送的資料加入識別資訊 線路為數位 頻寬單位是bps 資料是以訊框傳送 可計算每個裝置的傳送需求，再根據需求來分配線路

統計型分時多工 (Statistical Time Division Multiplexing)

2.5.4.4 分波多工 (Wavelength Division Multiplexing) 以雷射在同一光纖纜線傳送不同頻率的光 在某種程度上是與用銅線分頻多工類似 傳送端窄頻的光會被合併到寬頻的光送出 寬頻等同於高速網路 接收端會分離信號

摘要 實體層： OSI 和 TCP/IP 的實體層類似 轉換資料的發信方法 運送資料的電路 有線或無線的傳輸媒介 傳送未經格式化的資料位元流