聊大计算机网络物理层

第二章物理层物理层（physicallayer）与传输媒体的接口，完成传输媒体上的信号与二进制数据间的转换物理接口上发送或接收的是一串以某种规则表示的二进制的数据物理层定义是接口的机械特性、电气特性、功能和过程特性等例如：插头、插座的几何尺寸，每根引脚的功能定义，信号的编码方式等等数据通信的理论基础1、傅里叶分析2、带宽有限的信号3、信道的最大数据速率数据信号的傅里叶分析傅里叶级数：任何正常周期为T的函数g(t),都可由（无限个）正弦和余弦函数合成：其中，f=1/T是基频，an和bn称为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅通过傅里叶变换，可以得到时间的原始函数有关的几个基本概念模拟通信：利用正弦波的幅度、频率或相位的变化，或者利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号，以达到通信的目的。允许一定范围内的失真。数字通信：用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。不允许任何失真。数据通信：借助于电信号或光信号通过传输路线，在发送端和接受端之间进行数据信息的传输。带宽有限的信号

任何实际的模拟信道所能传输的信号的频率都有一定的范围，称之为该信道通频带的宽度或称为带宽信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的基带信号就是将数字信号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。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。图1（a）一个二进制信号与它的平方根傅里叶振幅；（b）--（e）逐渐接近原始信号信道的最大数据速率信道：信号的传输媒体及有关的设备如中继器等。其作用是提供一段频率让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。信噪比：信号功率与噪声功率的比值图1左边是八位二进制数位编码01100010的数字信号波形，图1右边是该波形函数按傅里叶级数展开后各次谐波的均方根振幅。由图可见，信道的带宽越宽，则它传输数字信号时失真越小。反之，若信道的带宽是固定的，则用它来直接传输数字信号的数据速率越高则失真越大奈奎斯特公式

对于一个带宽为H的连续信号，如果要对其进行数字化，采样速度为2H。无噪声带宽为H的有限带宽信道的最大数据传输率：

L表示任何给定时刻数字信号可能取的离散值的个数。C则是该信道最大的数据速率。例：若某信道带宽为4kHz，任何时刻数字信号可取0、1、2和3四种电平之一（即L＝4），则最大数据速率为：香农公式

香农则进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况，给出了香农公式：S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则为信噪比（该比率表示成对数形10log10（S/N），对数的取值单位称为分贝（Decibel，记为dB）。

例：信噪比为30dB、带宽为4000Hz的信道最大的数据速率为：传输介质导向传输介质：磁介质、双绞线、同轴电缆、电力线、光纤非导向传输介质：无线电、微波、卫星、移动通讯等传输介质导向传输介质双绞线同轴电缆非导向传输介质空气：无线电、微波、卫星、移动通讯光纤双绞线由两根彼此绝缘的铜线按照规则绞合在一起。内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套同轴电缆由硬的铜芯和外面包上的一层绝缘材料组成。绝缘材料外面是一层密织的网状圆柱导体，外层导体再覆盖上一层保护塑料外套。光纤的芯由玻璃构成的，传输光信号玻璃光纤：外包层是玻璃，损耗小成本高，用于远距离宽带传输。塑料光纤：外包层是塑料，损耗大成本低，用于近距离宽带传输。无线传输所使用的频段很广通过大气传输。可以解决有线传输介质难以架设的问题，如通过高山或岛屿等环境。人们现在已经利用了无线电、微波、红外线等进行通信。卫星通信利用地球同步卫星作中继来转发微波信号，卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制。一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上表面，三个这样的卫星可以覆盖地球上全部通信区域，这样，地球上的各个地面站之间都可以互相通信了。卫星通信的优点是容量大，距离远；缺点是传播延迟时间长。数字调制调制——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。数字调制——以数字信号作为调制信号的调制技术。一般采用正弦波作为载波，这种数字调制又称为载波键控。基带信号——由信源产生的原始电信号。基带传输——信号的传输占有传输介质上从零到最大值之间的全部频率，而最大频率则取决于信令速率。通带传输——信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带。调制与解调编码解码数字信号发送方接收方调制解调数字数据模拟数据模拟信号发送方接收方编码与解码数字数据模拟数据数字数据模拟数据载波数字数据模拟数据

信号传输

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。

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010011100基带信号调幅调频调相在数字信号传输数字数据的编码方式中，通信的源端和目的端所发出和接收的以及中间介质所传输的都是跳变的数字信号。具体用什么样的数字信号表示0以及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码。编码的规则可以有多种，原则上只要能有效的把1和0区分开就行。不归零（NRZ）码是发送数字信号最常用和最简单的方法，它用负电压表示一种二进制值，正电压表示另一种二进制值，又称不归零电平编码（NRZ-L）。NRZ码的一种变形是NRZI码，即“1”反相的不归零码。与NRZ-L相同，NRZI在比特时间内为一恒定电压脉冲。数据本身按1个比特时间的开始有无信号变迁来编码。有变迁（低到高或高到低）表示该1比特时间为二进制“1”，无变迁表示二进制“0”。在曼彻斯特编码中，每比特期间中央有一变迁。这一比特中间的变迁可用作时钟，也可用于表示数据：高到低的变迁表示“1”，低到高的变迁表示“0”。其主要缺点在于需要两倍于NRZ编码的带宽。波特与比特率的关系波特率信号每秒钟变化的次数用于描述载波(Carrier)信号比特率信号每秒钟传输的二进制位数与信号的状态数有关两者的关系V为采样值的量化等级。波特率和比特率，两者之间的差别在于每次采样的量化值。V=2，波特率=比特率V=4，2波特率=比特率比特率=log2V*波特率

两个容易混淆的概念通带传输三种常用的调制技术（二元制调制）：幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)相移键控PSK(PhaseShiftKeying)基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制，进行波形变换（频谱变换）。

载波S(t)=Acos(t+)

调制就是使A、或随数字基带信号的变化而变化。S(t)的参量包括：幅度A、频率、初相位幅移键控ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1频移键控FSK：用载波的两个不同频率表示0和1相移键控PSK：用载波的起始相位的变化表示0和100110100010ASKFSKPSK多路复用复用：多个信息源共享一个公共信道。多路复用：把许多信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。采用多路复用技术把多个信号组合在一条物理线缆上传输，在远距离传输时可大大节省线缆的安装和维护费用。共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术频分多路复用在物理信道能够提供比单路原始信号宽的多的带宽的情况下，我们就可以把该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单路信号带宽相同或稍微宽点的子信道，每个子信道传输一路信号。这就是频分多路复用。多路的原始信号在频分复用前，首先要通过频谱搬移把各路信号的频谱搬移到物理信道的不同频谱段上，这可以通过在频率调制时采用不同的载波来实现。时分多路复用时分多路复用（TDM）就是将一条物理信道按时间分成若干时间片轮流的给多个信号源使用，每个时间片由复用的一个信号源占用，而不像频分复用那样同一时间同时发送多路信号。同步时分多路复用：指时分方案中的时间片是分配好的，而且是固定不变的，轮流占用，而不管某个信息源是否真的有信息要发送。这样时间片与信息源是固定对应的，或者说各种信息源的传输定时是同步的。在接收端，根据时间片序号便可判断是哪一路信息，因而便可送往相应的目的地。异步时分多路复用：允许动态地分配传输介质的时间片。这样便可以大大减少时间片的浪费。由于在接收端无法根据时间片的序号来判断接收的是哪一路信息源的信息，因此需要在所传输的信息中带有相应的信息。同步时分与异步时分码分多路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。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。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。每个站被指派一个唯一的mbit称为码片序列如发送比特1，则发送自己的mbit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8bit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。在实用的系统中是使用伪随机码序列。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(innerproduct)都是0：令向量S为(–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的各分量值代入上式就可看出这两个码片序列是正交的。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的规格化内积值是–1。正交关系的另一个重要特性工作原理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数据码元比特接收端对指定的最高频率，传输带宽是有限的波特率：信号变化的次数（每秒采样的次数）比特率：数据传输速率bps(每秒能传输多少个比特)如果信号分为2级：0、1，则波特率=比特率如果信号分为8级：0、1、2、3、4、5、6、7则一次信号变化（一次采样）可表示3bit如信号分为V级，则比特率=log2V波特率假如设：波特率=比特率=bbps

那么：发送8bit(一个字节)需要T=8/b秒，因而基频f=1/T=b/8HZ如：截止频率为F则：最大的谐波次数n满足nf<=F，即：n<=F/f=8F/b当截止频率F为3000Hz时,2个量化等级传输速率与频率和信号的等级有关奈奎斯特定理在无噪声信道中，当带宽为HHz,信号电平为L级，则：数据传输速率（信号电平为L级，在二进制中，仅为0,1两个级）即：以每秒高于2H次的速率对线路采样是没有意义的（根据采样定理超过2H采样到的信号就是重复的），因为高频分量已被滤波器滤掉无法再恢复。香农公式

香农则进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况，给出了香农公式：S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则为信噪比（该比率表示成对数形10log10（S/N），对数的取值单位称为分贝（Decibel，记为dB）。信噪比（dB）=

10log10（S/N）如：信噪比为30dB,则S/N=1000奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系.香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系.如果一直都有随即热噪声产生的话，那么这个信道就是一直活动的状态，所谓就是你一直在占用。如果没有的话，你就要重新建立连接传输了，重新建立连接的话会收到各个方面的影响导致可能建立的传输信道不够多或者不够广，所以重新建立传输的信道的最大传输速率就没有热噪的传输速率大了。公共电话交换网公共交换电话网是基于标准电话线路的电路交换服务，这是一种最普遍的传输服务，往往用来作为连接远程端点的连接方法，比较典型的应用有远程端点和本地局域网（LAN）之间互连、远程用户拨号上网和用作专用线路的备份线路。非对称数字用户线ADSL是一种非对称的DSL技术，所谓非对称是指用户线的上行速率与下行速率不同，上行速率低，下行速率高，特别适合传输多媒体信息业务，如视频点播（VOD）、多媒体信息检索和其他交互式业务。ADSL在一对铜线上支持上行速率512Kbps～1Mbps，下行速率1Mbps～8Mbps，有效传输距离在3～5公里范围以内。其特点为：上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP(互联网服务提供商)，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。电话系统结构（a）全连通网络（b）中心交换网络（c）两层体系网络端局是指拥有信令点的电话局，一般设置在县局及市局。端局就是直接下挂用户或者直接拨入（DID局）的交换机。汇接局又叫市话汇接局，在本地网中负责转接端局之间（也可汇接各端局至长途局）话务的交换中心称为市话汇接局。若有的汇接局还负责疏通用户的来、去业务，即兼有端局功能，则称为混合汇接局。每个端局都有一些出境线路连接到一个或多个附近的交换中心，这些交换中心称长途局公共电话交换网PSTN公共交换电话网是基于标准电话线路的电路交换服务，这是一种最普遍的传输服务，往往用来作为连接远程端点的连接方法，比较典型的应用有远程端点和本地局域网（LAN）之间互连、远程用户拨号上网和用作专用线路的备份线路。通常的计算机通过MODEM拨号上网，就是通过电话系统进行数据传输电话系统的树状结构每个电话完全互联是不可能的，所以一般为树状结构一级中心：国家级中心二级中心：省、直辖市中心三级中心：区、县级中心四级中心：区内（本地）交换局电话系统的数字化趋势与模拟传输相比，数字传输具有明显的优势，是因为它不需要像模拟传输那样经过一系列放大器之后必须精确地还原出模拟波。对数字传输而言，只需接收方能够正确地区分出比特0和比特1就足够了。所以电话系统数字化是发展趋势。电话系统由三部分组成：本地回路：双绞线，模拟传输主干线：交换局间的光缆，数字传输交换局：交换设备，交换技术本地回路电话系统中的电话局间都已采用光缆连接并大多已实现数字传输internet是在电话系统上的，所以必须实现远距离数字数据的传输，并且应用对带宽的需求也将对本地回路的信道复用提出要求internet通过本地回路的接入方法接入计算机间传输时，信号要经过多次变换：数字→模拟→数字→模拟→数字脉冲编码调制--PCM在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1”码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（Pulse-codemodulation），即脉冲编码调制。PCM以采样定理为基础采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息MODEM调制解调器俗称“猫”，它是不同计算机之间借助电话线实现互相通信（比如接入互联网）的必备装置。计算机内的信号是由“0”、“1”字符串组成的数字信号，而电话线中只能传输波形模拟信号。要通过电话线实现电脑间的数据传输就必须要进行信号的转换。调制解调器就是完成这个转换工作的设备。MODEM包括调制和解调两个功能在发送端，调制解调器把计算机内的数字信号转换为相应的模拟信号后送给电话线传输，此过程称为调制。在接收端，调制解调器把电话线传输过来的模拟信号转换为数字信号后送给计算机处理，此过程称之为解调。常用的调制解调器接口有RS-232、RS-449DSL数字用户线路使用常规的电话线路，本地局端的滤波器将限制带宽为4kHz,但本地回路通常采用的是3类UTP（非屏蔽双绞线),带宽远远大于4kHz如局端滤波器的限制策略为按需可调，则给定的带宽可增加高于4kHz的服务称为带宽服务根据对上行、下行线路不同的限制有多种不同的标准对称线路：HDSL（高速率数字用户线路）：1.544~2.048Mbps,2/4对双绞线，3~4kmSDSL（对称数字用户线路）：1.544~2.048Mbps,1对双绞线，3km非对称线路：VDSL（高速数字用户环路）上行13~52Mbps,下行1.5~2.3Mbps，1对双绞线ADSL（非对称数字用户环路）上行64k~1Mbps,下行512k~8Mbps,1对双绞线同步数字体系SDH早期的数字传输系统与设备在运行过程中暴露出固有的弱点:数据传输速率不标准，存在T1与E1两个互不兼容的标准；光设备接口不规范，没有国际的标准规范，各个厂家使用自己标准；数据传输速率不断提高解决复用系统中的同步问题困难较大。SDH的主要技术特点统一了T1载波与E1载波的两大不同的数字速率体系，实现了数字传输体制上的国际性标准；SDH网还有兼容光纤分布式数据接口FDDI、分布队列双总线DQDB,以及ATM（异步传输模式）信元；采用同步复用方式，各种不同等级的码留在帧结构负荷内的排列是有规律的，降低了复用设备的复杂性；SDH帧结构增加的网络管理字节，增强了网络管理能力；标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现不同公司光接口设备的互连，降低了组网成本。同步光纤网SONET同步光纤网的概念是由美国贝尔通信研究所首先提出；设计同步光纤网的目的是解决光接口标准规范问题，定义同步传输的线路速率的等级体系，以使不同的厂家的产品可以互联，从而能够建立大型的光纤网络；1988年ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组织）接受了SONET的概念，并重新命名为同步数字体系SDH，使之不仅仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输，成为通用性技术体制；ITU-T对SDH的速率、复用帧结构、复用设备、线路系统、光接口、网络管理和信息模型等进行了定义，确立了作为国际标准的同步数字体系SDH。SONET总结

SONET速率标准是以STS-1（同步传输信号-1）速率51.840Mbps为基础的，而SDH速率标准是以STM-1（同步传输模块）速率155.520Mb/s为基础的；更高等级的速率标准STM-N是将STM-1同步复用而成；4个STM-构成STM-4(622.080Mbps)16个STM-1构成STM-16(2448.320Mbps,即2.5Gb/s)64个STM-1构成STM-64(约10Gbps)同步光纤网SONET与同步数字体系SDH早期时分多路复用（TDM）设备是专用的，并且各个运营商的TDM标准不同。1985年美国贝尔实验室首先提出了同步光纤网(SONET)的概念，解决光接口标准规范问题ITU-T在SONET的基础上制定同步数字体系（SDH）标准，从而统一了国际通信传输速率、接口标准体制。SDH标准不仅适用于光纤传输系统，也适用于微波与卫星传输体系。交换技术电路交换（传统电话）报文交换（电报）分组交换（计算机网络中常用）电路交换（电话）在数据传输前，必须建立一条端到端的通路，称为连接，其中可能穿越多个交换局，每个交换局都必须提供连接一旦建立连接，整个通路将被独占，数据传输无额外延时，数据中无需包含目的地址线路的利用率较低建立连接时间长，因连接建立时冲突概率高报文交换（电报）无论数据传输过程要跨越多少个交换局（一般为路由器），只要下一站不忙，该数据即送至下一站数据的传输不需要建立连接，数据的传输是一站一站往下送，所以数据中必须包含目的地址，采用存储-转发机制线路的利用率较高数据传输过程中，可能延时较大，且不可估计每个中间站点都必须有足够大的缓存，但由于报文大小不定，所以缓存通常设置在硬盘中分组交换与报文交换相似，只是将报文分为若干个定长的分组，每个分组为一个子报文且相互独立数据中必须包含目的地址采用存储-转发机制线路的利用率较高数据传输过程中，可能延时较大，且不可估计每个中间站点必须有缓存，但由于报文大小固定，所以缓存通常在内存中设置接收分组和发送分组的顺序可能不一致，并且可能还需要重组交换技术图示移动电话系统高级移动电话系统（AMPS）GSM全球移动通信系统第三代移动电话：数字语音和数据社区电视系统社区电视系统的特点覆盖面很大，系统之间用光缆连接传播单向电视信号的一个共享系统用同轴电缆作为传输介质，带宽可达750MHz作为Internet接入的可能性数据的双向传输用户端的CableMODEMHFC--混合光纤电缆系统是一种经济实用的综合数字服务宽带网接入技术。HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成，从有线电视台出来的节目信号先变成光信号在干线上传输；到用户区域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆送到用户。它与早期CATV（有线电视）同轴电缆网络的不同之处主要在于，在干线上用光纤传输光信号，在前端需完成电—光转换，进入用户区后要完成光—电转换。HFC中的频谱分配HFC保留了原有的电视机（TV）及调频（FM）的广播功能实现了数据的非对称双向传输，以作为Internet的接入42~54M频段保留，凡高于此频段的都是下行信号，低于此频段的都是上行信号，其实，此频段是一隔离带HFC中的频谱分配每个下行信道占用6~8MHz用模拟方式传输，常用的调制方法是QAM-64(正交幅度调制即QAM)，对质量特别好的信道也可用QAM-256对6MHz信道，可用的数据传输率为36Mbps，去掉一些额外开销，一般为27Mbps上行信道质量较差，一般用QPSK（正交相移键控）携带2位信息CableMODEMC