计算机网络-第二章-物理层

一、物理层的基本概念

• 功能：在物理媒体上传输原始的数据比特流
• 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
  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等
  • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
  • 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
    
    

二、数据通信的基础知识

1.基本概念

• 数据：运送信息的实体
• 信号：数据的电气的或电磁的表现
• 模拟的：连续变化的
• 数字的：取值是离散数值
• 调制：把数字信号转换为模拟信号的过程
• 解调：把模拟信号转换为数字信号的过程
  
• 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值
• 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值
• 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
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• 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(当然也不能同时接收)
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• 双向同时通信(全双工通信)：通信双方可以同时发送和接收信息
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• 基带信号：将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输
• 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号
  
  

2.信道的极限容量

• 码元：时间轴上的一个信号编码单元
• 误码率：
  • 传输出错的码元数占传输总码元数的比例
  • 设传输总码元数为N，传输出错的码元数为Ne， 则误码率为Pe=Ne/N
  • 根据误码率的大小选择合适的数据单元大小来传输
• 波特率：每秒钟发送的码元数，或者说每秒钟信号（比如电压）变化的次数，单位为波特（baud)
  
• 比特率：指每秒钟能传送的二进制位数，单位为比特/秒（bps）
• 波特率与比特率的关系
  • 多元制：若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为M * n b/s
  • 设比特率为S，波特率为B，则S=B·log₂N (bps), N为码元状态数
• 奈氏准则：
  
• 信道容量：香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率
• 信道的极限信息传输速率C：C = W log₂(1+S/N) b/s
  • W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S/N 为信噪比（以db为单位）
  • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，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，就一定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是这样的），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速率要比香农的极限传输速率低不少
    
    

三、传输媒体

1.导向传输媒体

• 双绞线
  
  • 屏蔽双绞线(STP)：以铝箔屏蔽以减少干扰和串音
  • 无屏蔽双绞线(UTP)：3类、5类、6类双绞线外没有任何附加屏蔽
  • 双绞线为什么要绞：可以减少对相邻导线的电磁干扰
  • 应用：
    • 双绞线上既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号
    • 在电话系统和局域网中，双绞线得到了广泛的应用
    • 无屏蔽双绞线的应用远比屏蔽双绞线广
• 同轴电缆
  
  
• 光纤
  
  
  • 多模光纤
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  • 单模光纤
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  • 数据编码：在发送端利用电信号对光载波进行调制，调制的方法属于振幅键控法，称强度调制，通常以光信号的有和无来表示二进制的“1”和“0”
  • 优点：
    • 传输信号的频带宽，通信容量大。10Gbps
    • 信号衰减小，传输距离大
    • 抗干扰能力强，应用范围广
    • 抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下布线
    • 安全性好，信息不易被窃取
  • 缺点：
    • 成本高，连接时需要专用设备
      
      

2.非导向传输媒体

• 分类：
  • 微波、红外线和激光
  • 它们都沿直线传播，不能穿透或绕开固体障碍物，需要在发送方和接收方之间存在一条视线通路，故有时统称为视线介质
• 微波在空间主要是直线传播：
  • 地面微波接力通信
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  • 卫星通信
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四、模拟传输与数字传输

• 模拟传输系统
  • 在模拟传输系统中采用模拟信号传送数据，该系统的特点是使用放大器来补偿信号在传输过程中的衰减
• 数字传输系统
  • 在数字传输系统中既可采用数字信号、也可采用模拟信号传送数据。该系统的特点是在传输介质中插入转发器（Repeater，或叫中继器）以补偿传输过程中信号的衰耗和抑止干扰
• 数据编码(调制)：
  • 就是将数据转换为适合于在信道上传输的某种电信号形式(模拟或数字信号)
• 数据编码方式：
  • 基带传输：按照原始信号的固有频带传输
  • 宽带传输：用基带数据信号对某个频率的载波进行调制，将其变换成适合于在某个频段上传输的模拟信号
• 最基本的二元制调制方法：
  
  • 振幅键控(ASK)：载波的振幅随基带数字信号而变化
  • 频移键控(FSK)：载波的频率随基带数字信号而变化
  • 相移键控(PSK)：载波的初始相位随基带数字信号而变化
• 调制解调器：
  • 目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了
  • 要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比
  • 在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声
  • 调制器(MO)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送
  • 解调器(DEM)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号
• PCM：
  • 模拟数据转换为数字信号来传输
  • 脉冲编码调制Pulse Code Modulate
  • 三个步骤: 采样、量化和编码
  • 采样：
    • 即按一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。根据奈奎斯特定理：只要采样频率不低于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值包含了原始信号的全部信息
    • 如果语音数据限于4000Hz以下的频率，那么采用8000Hz的采样频率就足以使采样值包含该语音信号的完整特征
  • 量化：
    • 使采样值在取值上离散化。通常的做法是将原始信号的取值范围划分成若干个等级（通常为2n级），将每个采样值取整到离它最近的一个等级上
  • 编码：
    • 将量化的的采样值用一定位数的二进制数来表示
    • 正码、反码和补码等
• 数字数据的数字信号编码
  • 分类：
    • 单极型脉冲(电压有或无)
    • 双极型脉冲(电压正或负)都可以用来表示2进制数。双极型脉冲可以有效抑制直流分量
  • 常用的编码方式：
    • 不归零编码：在一个码元的全部时间内，电平保持恒定
    • 归零编码：在一个码元结束时电平总是回到零
    • 曼彻斯特编码：每位中间有一个电平跳变，从高到低的跳变表示“1”，从低到高的跳变表示“0”
    • 差分曼彻斯特编码：曼彻斯特编码的一种变形。在这种编码方式中，每位的中间跳变只用于作为同步时钟信号，而用位的起始处有无跳变来区分“0”和“1”，若有跳变表示“0”，无跳变表示“1”
      
      

五、多路复用技术

1.频分复用

• 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
• 当传输介质的可用带宽超过各路给定信号所需带宽的总和时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，这就是频分多路复用
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2.时分复用

• 所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
• 当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时，可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用，每一路信号在自己的时间片内独占信道传输，这就是时分多路复用
• 同步TDM和异步TDM
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3.波分复用

• 所有用户在同样的时间占用不同的光波资源
• 不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜（或衍射光栅）合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开
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• 所有用户在同样的时间占用不同的代码序列
• 在1.55微米波长区同时用4、8、16或n个波长，在一对光纤（少数系统采用单光纤）构成的光通信系统
• 特点：
  • 由DWDM光纤系统组成的光纤网可迅速增加网络容量，还具有透明性，可传送语音、数据、图像等多媒体信息
  • 由于多个光信道共用光放大器而显著降低了网络成本
  • 在用DWDM系统构成的光网络中，可采用光线路保护技术，以提高可靠性与可用性
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4.码分复用

• 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
• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)
• 特点：
  • 由于原始数字信号的频率被扩展，这种通信方式又叫做扩频通信
  • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现
• 码片序列
  • 每个站被指派一个惟一的 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)
  • 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)
  • 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
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六、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。其中最主要的是以下两个方面：
  • 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，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式
      
      

1.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精确的主时钟
• 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s
• 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier
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• 光子层：处理跨越光缆的比特传送
• 段层：在光缆上传送 STS-N 帧
• 线路层：负责路径层的同步和复用
• 路劲层：处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输
  
  

2.同步数字系列(SDH)

• ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
• 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词
• SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 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
  
  

七、宽带接入技术

1.xDSL

• DSL 是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写
• 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
  • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线,32-640K~32K-6.4M下载速率
  • HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线 (代替T1)
  • SDSL (Symmetric DSL)：1 对线的数字用户线
  • VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线，短距离，1.5-2.5M~50-55M
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2.HFC

• 类型：HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网
• 服务：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
• 改进：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向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造
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• 构成：
  • 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为经济
  • 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。在光纤结点以下就是同轴电缆
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3.FTTx

• 也是一种实现宽带居民接入网的方案
  • 光纤到户 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方法
  • 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
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