计算机网络第二章2014

1、计算机网络第 2 章 物理层第 2 章 物理层2.1 物理层的基本概念2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念2.2.3 提高数据传输速率的途径2.3 物理层下面的传输媒体2.3.1 导向传输媒体2.3.2 非导向传输媒体第 2 章 物理层（续）2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用2.5 数字传输系统 2.5.1 脉码调制PCM体制 2.5.2 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH2.6 宽带接入技术 2.6.1 ADSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网）

2、 2.6.3 FTTx 技术 物理层简介物理层简介 物理层它直接面向实际承担数据传输的物理媒体(即信道)。物理层的传输单位为比特。物理层是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始透明比特流的物理连接。注意：物理层物理层既不是指连接计算机的具体物理设备，也不是指负责信号传输的具体物理介质，而是指物理介质上为上一层(数据链路层)提供传输比特流的一个物理连接物理连接。2.1 物理层的基本概念 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： w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。w电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。w功能特性 指明

3、某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。w过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型 传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机几个术语w数据(data)运送消息的实体。w信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 w“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 w“数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。 w码元(c

4、ode)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 2.2.2 有关信号的几个基本概念w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。w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)。w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(baseband)信号和带通(band pass)信号 w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图像文件的数据信号都属于基带信号。w基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或

5、直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 w带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。 几种最基本的调制方法 w基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。 w最基本的二元制调制方法有以下几种：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。 对基带数字信号的几种调制方法 01001

6、1100基带信号调幅调频调相正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。 举例2.2.3 信道的极限容量 w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。 w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。 数字信号通过实

7、际的信道 w有失真，但可识别w失真大，无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形(1)信道能够通过的频率范围w1924 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。w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。w如果信道的频带越宽，也就是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。 (2) 信噪比 w香农(Shanno

8、n)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。w信道的极限信息传输速率 C 可表达为w C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；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 w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。 w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。 w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。w实际信道上能够达到的信息传输速率要

9、比香农的极限传输速率低不少。 请注意 w对于频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量。 2.3 物理层下面的传输媒体w传输媒体：也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类：导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播。非导向传输媒体：指自由空间，电磁波传播称无线传输。w导向媒体 有线w非导向媒体 无线电信领域使用的电磁波的频谱无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线

10、电光纤电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 2.3.1 导向传输媒体w双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) w同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆w光缆 双绞线内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽

11、铜屏蔽外套外套铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP无屏蔽双绞线的种类1类线 用于5Mbps传输(适用于语音/低速传输 ) 2类线 用于5Mbps传输(适用于语音/低速传输 )3类线 用于16Mbps传输(10M以太网电缆)4类线 用于20 Mbps传输5类线 用于100 Mbps传输超5类线 用于155Mbps传输（最常用的网络电缆）6类线 用于250Mbps传输7类线 用于600Mbps传输双绞线的特点w其频率范围对于传输数据和语音都适用（现在5类非屏蔽双绞线的传输频率上限可以达到100MHZ以上 ）w所以模拟传输（宽带信号）/数字传输（

12、基带信号）均可使用w单位价格最低，但每根只能连接一站点，线路总费用增加w 抗高频干扰能力较差w 使用双绞线需在传输速率和传输距离之间作出选择广泛使用的同轴电缆有两种：一种为50(指沿电缆导体各点的电磁电压对电流之比) 同轴电缆，用于数字信号的传输，即基带同轴电缆；另一种为75同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。基带传输型(主要用于LAN) 50 RG-8（粗缆）单段传输距离最远为500米 RG-58 (细缆）单段传输距离最远为185米频带传输型(主要模拟传输) 75公用天线电视系统(CATV)用 同轴电缆同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆光缆（光导纤维）外壳外包

13、层玻璃纤维（核心）光纤系统中使用的光源器件 有两种类型，皆为施加电压便可发射光束的半导体装置。wLED (发光二极管) 价廉，工作温度范围较大，工作寿命较长，但只能发射发散的光线，只在短距离内使用。wILD (注入式激光二极管) 根据激光原理工作，光线具有高度集中性，高效高数据速率长距离光纤通信的原理010101010101 光是一种电磁波，它在真空中传输速度最快（每秒30万千米），但传输速度随传输介质密度增大而降低。相对于其他传输媒介，低损耗、高带宽和高抗干扰性是光纤最主要的优点。目前光纤的数据传输率已达2.4G甚至更高速率（20G以上）。根据贝尔实验室测试，当数据速率为420Mbps且距离

14、为119km无中继器时，其误码率为10-8，可见其传输质量很好。光的传输特性光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光纤传输原理光纤利用全反射使光线在信道内定向传输。光纤中心是玻璃或塑料的芯材，外面填充着密度相对较小的玻璃或塑料材料（覆层）。两种材料的密度差异必须达到能够使纤芯中的光线只能反射回来而不能折射入覆层的程序。多模光纤是指在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。其光纤芯径在50到100m的范围内，多条入射角度不同的光线可以

15、同时在一条光纤反射式地传播。Multimode Fiber多模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤单模光纤Single Modew使用折射率突变型光纤。其芯径被减少到某个波长级，这样只有一个角度即“模式”的光纤可以通过：轴心光线。于是所有光线都能“同时”到达，并能无失真地重新组合，通常用于长距离的传输。输入脉冲输出脉冲单模光纤光纤的应用w容量更大能以数百Gbps的数据率传输几十千米 (比较: 同轴电缆能以数百Mbps的数据率传输1千米; 双绞线能以几Mbps 的数据率传输1千米，或以100 Mbps 至 1 Gbps的数据率传输数十米） 。w尺寸更小且重量更轻w衰减最小 w电磁隔离不受外部电磁场影响(

16、干扰、冲激噪声和串扰影响小)无能量辐射，也难以分接（防窃听功能)2.3.2 非导向传输媒体 w用自由空间作为传输介质来进行数据通信。用自由空间作为传输介质来进行数据通信。w w特点特点: :信号沿直线传播信号沿直线传播 w适用适用: :架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方, ,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。网。两台便携式电脑通过红外进行数据传输便携式电脑便携式电脑 使用无线传输和无线集线器实现无线网络使用无线传输和无线集线器实现无线网络PC 工作站PC 工作站服务器集线器无线电收发器无线电收发器集线器将网络数据转化为

17、无线电波将无线电波转化为网络数据分类分类w红外通信、激光通信和微波通信红外通信、激光通信和微波通信w微波通信又主要有两种方式微波通信又主要有两种方式: :地面微波接力通地面微波接力通信和卫星通信信和卫星通信。地面微波的传输w在物理线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；w通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响；w两个地面站之间传送，距离为50 -100 km；应用w长途电信服务比同轴电缆使用的放大器或转发器少 (每10-100 km一个), 但要求在视距内传输用于语音和电视传输w点对点的短距传输（建筑区内）闭路电视局域网间的数据链路卫星微波w卫星是一个微波接力站w卫星从一个频段接收信号

18、，将其放大或再生后，从另一个频段发送出去。w要求位于同步轨道上高度 35,784kmw电视广播传输w长途电话传输w专用商业网络卫星通信红外线Infraredw通过调制出的不相干的红外线光进行通信w视距传输 (或反射传输)w无法穿透墙体w诸如电视摇控、红外接口共享信道2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 w复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) w用户在分配到

19、一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。w频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5时分复用TDM(Time Division Multiplexing) w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。w每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。wTDM 信号也称为等时(isochronous)信号。w时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用 频

20、率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbc

21、db cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555

22、 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) w波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) w常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。w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。w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。 w每一个

23、比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 码片序列(chip sequence) w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。 w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。wS 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点w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)。w在实用的系统中是使用伪随机码序

24、列。 码片序列的正交关系 w令向量 S S 表示站 S 的码片向量，令 T T 表示其他任何站的码片向量。 w两个不同站的码片序列正交，就是向量 S S 和T T 的规格化内积(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)码片序列的正交关系举例 w令向量 S S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 w把向量 S S 和 T T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。 w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 。w一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1

25、。 正交关系的另一个重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端2.6 宽带接入技术xDSL（数字用户线）wDSL是在普通电话线上实现数字传输的技术。wDSL属于接入网技术“最后一公里”；w开发目的开发目的：宽带接入：满足视频、音频、多媒体、互联网等需要高带宽的应用；利用现有的、广泛应用的电话铜线，而不是重新布线。w关键关键：提高电话线路的传输带宽！提高电话线路的

26、传输带宽！方案：利用4kHz以上语音通信未使用的频带wDSLDSL的主要应用的主要应用：网吧、住宅小区的用户接入互联网WWW，文件/电影/音乐下载wDSLDSL包括以下几种技术：包括以下几种技术：ADSL ADSL 非对称数字用户线（我国使用最广泛）非对称数字用户线（我国使用最广泛）RADSL 速率自适应非对称数字用户线HDSL 高比特率数字用户线VDSL 甚高比特率数字用户线SDSL 单线对HDSL数字用户线（HDSL2）类型类型最大速率最大速率 (b/s)(b/s)距离距离对称对称典型应用典型应用POTSPOTS并并存存ADSL/ADSL/RADSLRADSL下行8M上行768k3.55.

27、5km否因特网访问、视频点播、 远程访问是HDSL/ HDSL/ SDSLSDSL1.544M或2.048M5km是T1/E1专线、无线基站互连、高速LAN互连、因特网接入、视频应用否VDSLVDSL下行52M上行26M0.31.5km均可高清晰度电视、多媒体传输、高速LAN互连、因特网接入是2.6.1 ADSL（非对称数字用户线）w宽带接入技术，我国使用最广泛w两种标准：G.992.1（G.dmt）， G.992.2（G.lite）w上下行非对称：用户CO（上行）：wG.dmt：640kb/s， G.lite：512kb/sCO用户（下行）：wG.dmt：6.144Mb/s（最高8Mb/s），G.lite：1.5Mb/sw实际的用户可用速率与线路质量、距离和电信公司的市场策略有关ADSL 的特点w上行和下行带宽做成不对称的。w上行指