计算机网络第二章物理层

2.1物理层的基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的主要任务描述为：确定与传输媒体的接口的一些特性，即

• 机械特性：接口形状，大小，引线数目
• 电气特性：规定电压范围
• 功能特性：规定-5V表示0，+5V表示1
• 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通讯系统的模型

• 典型的数据通信模型

  
  

相关术语

通信的目的是传送消息

• 数据（data）：运送消息的实体
• 信号（Signal）：数据的电器或电磁的表现
  • “模拟信号”：代表消息的参数的取值是连续的
  • “数字信号”：代表消息的参数的取值是离散的
• 码元（code）在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元

在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号成为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量

2.2.2有关信道的几个基本概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接受信息的信道。

• 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互

• 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）

• 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息

• 基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或者图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是翻出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号

• 带通信号：把基带信号经过载波调剂后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一笔频率范围内能够通过信道）

因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式，由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式，如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输

几种最基本的调制方法

• 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化
• 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化

• 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化

  
  

正交调幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）

常用编码

• 单极性不归零码：只使用一个电压值，用高电平表示1，没有电压表示0
• 双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制的1和0，正负幅值相等
• 单极性归零码（RZ）：即是以高电平和零电平分别表示二进制码1和0，而且在发送码1时高电平在整个码元期间T只持续一段时间,其余时间返回零电平
• 双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息
• 曼切斯特编码

• 差分曼切斯特编码

  
  

曼切斯特编码

采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit，但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输

差分曼切斯特编码

差分曼切斯特编码与曼切斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼切斯特编码

2.2.3信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重

（1）信道能够通过的频率范围

• 1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能
• 如果信道的频带越宽，也就可以能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

波特与Bit的区别

• 波特：在调制解调器中经常通道波特这个概念
• Bit：是信息量
  如果一个码元含有3个BIt信息量，1波特 = 3 Bit / s
  

（2）信噪比

• 香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽首先且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错信息传输速率
• 信道的极限信息传输速率C可表达为
  C= b / s
  W为信道的带宽
  S为信道内所传信号的平均功率
  N为信道内部的高斯噪声功率

香农公式表明

• 信道的带宽或信道中信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就可以找到某种办法来实现无差错的传输
• 若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能这样子），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限
• 实际信道上能够达到的信息传输镀铝要比香浓的极限传输速率低不少

对频带带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息流

奈氏准则和香农公式的应用范围

2.3物理层下面的传输媒体

电信领域使用的电磁波的频谱

2.3.1导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播

双绞线

• 屏蔽双绞线STP
• 无屏蔽双绞线 UTP

同轴电缆

• 50同轴电缆用于数字传输，由于多用于基带传输
• 75同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆

光缆

各种电缆

实际图片

网线

• 直通线：具体的线序制作方法是：双绞线夹线顺序是两边一致,统一都是：1：白橙、2：橙色、3：白绿、4：蓝、5：白蓝、6：绿、7：白棕、8：棕色。两端都是同样的线序且一一对应。这就是100M网线的做线标准，即568B标准，也就是我们平常说的正线或标准线、直通线

• 直通线应用最广泛，这种类型的以太网电缆用来实现下列连接：

  • 主机到交换机或集线器
  • 路由器到交换机或集线器

光纤

光线在光纤中的折射

光纤的工作原理

多模光纤与单模光纤

单模光纤指只能传输一种电磁波模式，多模光纤只可以传输多个电磁波模式，实际上单模光纤和多模光纤之分，也就是纤芯的直径之分。单模光纤细，多模光纤粗。在有限电视网络中使用的光纤全是单模光纤，其传播特性好，带宽可达10GHZ，可以在一根光纤中传输60套PAL-D电视节目

2.3.2非导向传输媒体

• 非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输

• 无线传输所使用的频段很广

• 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差

• 微波在空间主要是直线传播

  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

物理层设备---集线器

• 工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力
• 最大传输距离：100m
• 集线器是一个大的冲突域

信道复用技术

复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念

频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的宽带资源（这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

频分复用的例子

时分复用TDM（Time Division Multiplexing）

• 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。
• 每一个用户所占用的时隙是周期性出现（其周期就是TDM帧的长度对应的时间）。
• TDM信号也称为等时信号。
• 时分复用的所有用户实在不同的时间占用同样的频带宽度。

时分复用可能会造成线路资源的浪费
使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用STDM（Static TDM）

波分复用就是光的频分复用。

波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）

2.4.3码分复用CDM（Code Division Multiplexing）

• 常用的名词是码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）。
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
• 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪音，不易被敌人发现。
• 每一个比特时间划分为m个段的间隔，称为码片（chip）。

码片序列（chip sequence）

• 每个站被指派一个唯一的m bit码片序列

  • 如发送比特1，则发送自己的m bit码片序列
  • 如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

• 例如，S站的8 bit码片序列是 00011011.

  • 发送比特1时，就发送序列00011011，
  • 发送比特0时，就发送序列11100100。

• S站的码片序列：（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）

CDMA的重要特点

• 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交（orthogonal）。
• 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

码片序列的正交关系

• 令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。
• 两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积（inner product）都是0：
  S·T

码片序列的正交关系举例

• 令向量S为（-1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 +1 +1），向量T为（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）。
• 把向量S和T的各分量值代入（上面的式子）就可以看出这两个码片序列正交的。

正交关系的另一个重要特性

• 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1.
  
• 一个码片向量和该码片反码的向量规格化内积值是-1。

CDMA的工作原理

2.5数字传输系统

1.脉码调PCM体制

• 脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称T1）和欧洲的30PCM（简称E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。

• E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。

• 当需要更高的数据率时，可采用复用的方法。

2.同步光纤网SONET和同步数字系列SDH

• 旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是一下两个方面：
• 速率标准不统一。
  • 如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现
• 不是同步传输。
  • 在过去相当长的时间，为了节省经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。

同步光纤网SONET

• 同步光纤网SONET（Synchronous Optical Network）的各级时钟都来自一个非常准确的主时钟。
• 第一级同步传送信号STS-1（Synchronous Transport Signal）的传输速率是51.84 Mb/s。
• 光信号则成为第一级光载波 ）OC-1，OC表示Optical Carrier。

同步数字系列SDH

• ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy）。
• 一般认为SDH与SONET是同义词。
  SDH的基本速率为155.53 Mb/s，称为第一级同步传递模块（Synchronous Transfer Module），即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。

SONET的OC级/STS级与SDH的STM级对应关系

SONET的体系结构

SONET标准定义了四个光接口层

• 光子层（Photonic Layer）
  • 处理跨越光缆的比特传送
• 段层（Section Layer）
  • 在光线上传送STS-N帧。
• 线路层（LIne Layer）
  • 负责路径层的同步和复用。
• 路径层（Path Layer）
  • 处理路径端接设备PTE（Path Terminating Element）之间的业务的传输。

2.6宽带接入技术

2.6.1 xDSL技术

• xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
• 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400 kHZ的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1Mhz。
• xDSL技术就把0~4kHZ低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用。
• DSL就是数字用户线（Digital SubScriber Line）的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现不同的宽带方案。

xDSL的几种类型

• ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）：非对称数字用户线
• HDSL（High speed DSL）：高速数字用户线
• SDSL（Single-line DSL）：1对线的数字用户线
• VDSL（Very high speed DSL）：甚高速数字用户线
• DSL：ISDN用户线。
• RADSL（Rate-Adaptive DSL）：塑料布自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率。

ADSL的极限传输距离

• ADSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径有很大的关系（用户线越细，信号传输时衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际用户线上的信噪比密切相关。
• 例如，0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mb/s时可传送5.5公里，但传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公里。
• 如果把用户线的线径减少到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的传输速率下就就就只能传送2.7公里

ADSL的特点

• 上行和下行带宽做成不对称的。
• 上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。
• ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。

• 我国目前采用的方案是离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

  
  

DMT技术

• DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。
• 每个子信道占据4kHz带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

DMT技术图示

DMT技术的频谱分布

ADSL的数据率

• 由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不相同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。
• 当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
• ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。
• 通常下行数据率在32kb/s 到 6.4Mb/s之间，而上行数据在32kb/s到640kb/s之间

ADSL的组成

第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）ADSL2+（G.992.5）

• 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2要求至少应支持下行 8Mb/s、上行800 kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1 MHz扩展至2.2MHz，下行速率可达16 Mb/s（最大传输速率可达到25Mb/s），而上行速率可到800kb/s。
• 采用了无缝速率自适应技SRA（Seamless Rate Adaptation），可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。
• 改善了线路质量评测的故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

2.6.2光纤同轴混合网HFC（Hybrid Fiber Coax）

• HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网络，CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。
• HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
• 现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单项传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造。

HFC的主要特点

（1）HFC网的主干线路采用光纤

• HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
• 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更经济。
• 在模拟光纤从头端连接到光纤结点（fiber node），即光分配结点ODN（Optical Distribution Node）。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点一下就是同轴电缆。

（2）HFC网采用结点体系结构

（3HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能）

（4）每个家庭要安装一个用户接口盒

• 用户接口盒UIB（User Interface Box）要提供三种连接，即：
  • 使用同轴电缆连接到机顶盒（set-top box），然后再连接到用户的电话机。
  • 使用双绞线连接到用户的电话机。
  • 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

电缆调制解调器（cable modem）

• 电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。

• 电缆调制解调器最大的特点就是传输距离高。其下行速率一般在3_{10Mb/s之间，最高可达30Mb/s，而上行速率一般为0.2}2Mb/s，最高可达到10Mb/s。

• 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的解调解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。

HFC网最大优点

• 具有很大的频带
• 能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网

FTTx技术

• FTTx（光纤到......）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可代表不同意思。

• 光纤到家FTTH（Fiber To The Home）：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决办法。

• 光纤到大楼FTTB（Fiber To The Building）：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。

• 光纤到路边FTTC（Fiber To The Curb）：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。