计算机网络第二单元

第2章物理层ComputerNetworks第2章物理层2.1物理层的主要任务2.2数据通信的基础知识2.3信道复用技术2.4交换技术2.5Internet接入技术ComputerNetworks2.1物理层的主要任务确定与传输媒体的接口的一些特性，即：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。--编码方法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。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。同步过程传输方式的转换数据在计算机中多采用并行传输方式数据在通信线路上的传输方式一般是串行传输ComputerNetworks2.2数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型2.2.2数字信号的Fourier分析2.2.3数据通信基本概念2.2.4信道及其极限容量2.2.5数据传输ComputerNetworks2.2.1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<ComputerNetworks在数字信号通信中，Fourier分析可用于解释很多通信的原理傅立叶级数任何正常周期为T的周期函数g(t)，都可用傅立叶级数将其展开，展开项是无限多个正弦波和无限多个余弦波的组合：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，c是常数展开项中的每个波形称为n次谐波，每个n次谐波的频率都是在原来基频f上乘以一个系数n，所以，一个周期函数g(t)可以分解为无限多个n次谐波的和。2.2.2数字信号的Fourier分析<ComputerNetworks由数学分析中的原理可知，对任何已知的g(t)，可求得：ComputerNetworks常识任何一个被传递的信号都可看作一个周期函数，该信号的传输都可理解为以傅立叶级数展开的形式在传递（即无限多个正弦波和无限多个余弦波在这个物理媒体上传输）若每个傅立叶级数的信号分量被等量衰减，则在接收端合成后，振幅有所衰减，基本形状不变Q：实际信号在物理媒体上传递过程中能量会如何？结果会怎样？ComputerNetworks例子：传输字母b假设计算机内采用ASCII编码，字符b表示为01100010，根据傅立叶级数将其看作函数g(t)，傅立叶级数展开，可求得：ComputerNetworks字母b在计算机内通过信号传输---数字信号-脉冲信号传输的理想情况：把这个波形用flourier级数展开，展开成无限多个正弦波和无限多个余弦波的和，那么到了接受方应该还原成同样一种波形，只是振幅会有所下降现实问题是：任何物理媒体只能通过有限频率范围内的谐波（即带宽限制），因此接收端只能收到有限的谐波信号。接收方恢复出的信号和发送端发送的信号会有一定的差异。ComputerNetworkst/µst/µs01100010计算机内部b的信号表示---脉冲信号通过1次/2/4/8次谐波时接收端和发送端信号对比ComputerNetworks当能过无穷多个谐波呢？一条媒体的通信质量：通过的谐波数越高，传输质量越好了解：信号看成无线多个n次谐波的叠加，传输媒体能通过的谐波数越多传输媒体的质量越好，通过的谐波数越少，传输质量越差flourier级数展开可以解释很多通信原理，其中一个非常重要的用途：？解析了为什么在一条物理媒体上数据的传输速率不可能是无限高的任何一条物理媒体它的频带宽度是有限的ComputerNetworks对指定的最高频率，传输带宽是有限的比特率：数据传输速率，每秒钟能够发送多少bit,bps=bitpersecond波特率：每秒得到多少个信号\每秒采样的次数\信号变化次数（信号到达的速率）\码元的速率例考虑：信号等级每个信号二进制编码位数如果信号分为2级：每个信号二进制编码位数101，则波特率=比特率如果信号分为8级：每个信号二进制编码位数301234567，则比特率=3×波特率即一次信号变化（一次采样）可表示3bit如信号分为V级，则每个信号二进制编码位数log2V比特率=log2V

波特率波特率越高，比特率越高例：（？？？数据在物理媒体的传输速率是有限的）设波特率=比特率=bbps则：发送8bit(1B)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/bComputerNetworks数据传输速率(bps)发送的谐波数n30080600401200202400104800596002192001384000Fig.传输速率与谐波的关系（截止频率为F为3000HZ

）数据在物理媒体的传输速率是有限的电话截止频率为F为3000HZn<=F/f=8F/bComputerNetworksQ:电话的传递速度56Kb/s,64Kb/s,都大于48Kb/s,why?比特率=log2V

波特率数据的传输速率不仅仅和信号的传输速率有关还和信号的划分等级有关

ComputerNetworks波特率和比特率的差别波特率？比特率？下图中，波特率相同，而(b)的信号的比特率是(a)的两倍011000101110001000011010001101100000001110110010<(b)(a)两者数值上的差别在于每次采样的量化值每个信号划分的等级不一样，每个信号携带的比特数不一样ComputerNetworks2.2.3数据通信基本概念数据与信号---信息在不同的地方有不同的表现方法比如计算机内，比如传输媒体数据(data)数据是信息的表现形式/方法数据有模拟数据和数字数据两种形式模拟数据：在某个时间段产生的连续的值（对时间是连续的）例如声音和视频、温度和压力等都是时间的连续函数数字数据：离散的值（对时间是离散的）例如文本信息和整数<ComputerNetworks信号（signal）：数据在某种物理媒体上的表现/表示----电信号、光信号信号是数据的表示形式，或称数据的电磁或电子编码，它使数据能以适当的形式在介质上传输信号有模拟信号（一般是正弦或余弦波形）和数字信号（脉冲信号）两种基本形式传输信号的信道也有模拟信道和数字信道之分ComputerNetworks数据传输（datatransmission）：指传输的数据数据传输以信号为载体分为模拟传输和数字传输（指传输的数据，从传输的数据分）模拟传输（analogtransmission）传输的是模拟数据是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输时，采用信号放大器放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中的噪声电话局---用户（本地回路）数字传输（digitaltransmission）传输的是数字数据---0、1是指数字数据的传输，关心信号的内容，可以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，采用转发器，可消除噪声的累积电话局---电话局长距离传输时，通常采用的是数字传输指传输的信号的原始数据是模拟数据表示的还是数字数据表示的—转成信号之前的数据ComputerNetworks码元(codeelement)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。一个信息的表示<ComputerNetworks2.2.4信道及其极限容量信道及其参数信道数据传输的通道模拟数据&

数字数据，通道可以是电缆，光缆等物理媒体可通过的频率范围划分为多个频段，每个频段对应一个信道（可通过一路信号）信道参数—用来描述信道的质量数据传输速率=带宽（能够通过的频率宽度）等同的依据就是flourier级数展开式n<=F/f=8F/b类似于高速路上单位时间可以进入的车辆数

路越宽进入的车辆数越多---》？这里的带宽指计算机网络中的“带宽”概念信号的传播速率信号在介质上的传播速率类似于高速路上的车速<ComputerNetworks载波频率信道对应的频率叫载波频率—指定某一信道位置收音机的频道相当于每个车道的位置采样频率数字设备的接收端，需要将信号变成数据模拟信号转化为数字信号时采样的速率量化对采样信号的数字化量化的等级与噪声有关----？噪声越大，可量化的等级就越少噪声、信噪比ComputerNetworksNyquist定理—计算机通信基本定理在无噪声信道中，当带宽为HHz，信号电平为V级，则：数据传输速率=2Hlog2V

（b/s）

波特率：比特率？V：信号电平的级数，在二进制中，仅为0、1两级。采样定理：以每秒高于2H次的速率对线路采样是无意义的，因为高频分量已被滤波器虑掉无法再恢复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。----超过这个速度就会产生码间串扰在任何信道中，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。

码元和码元之间很难区分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。ComputerNetworks根据Nyquist定理，V越高，数据传输速率越高。现实中V不能无限高即便在无噪声的理想信道中，V越高对发送方和接收方的设备要求越高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（噪声）。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。噪声越小，V可以越高ComputerNetworks最大数据传输速率（Shannon定理）Shannon定理在噪声信道中，当带宽为HHz，信噪比为S/N，则：最大数据传输速率(b/s)=Hlog2(1+S/N)

很多情况下信噪比用分贝（dB）表示1dB=10log10S/N

如：噪声为30dB，则S/N=1000电话线H=3500Hz,噪声30dB,最大数据传输速率ComputerNetworks香农定理表明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。ComputerNetworks香农定理的应用：例：噪声信道中的传输速率在噪声信道（话音信道）中，当带宽为3500Hz，信噪比为30dB（较为典型的电话信道），则：最大数据传输速率(b/s)=Hlog2(1+S/N) =3500log2(1+1000) 35000(b/s)最大数据传输速率为35kbps，这是在噪声信道中的传输速率极限，实际上是不可能达到的再可根据Nyquist定理计算出信号划分的等级数据传输速率=2Hlog2V

（b/s）ComputerNetworks注意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。ComputerNetworks信道工作方式单工通信单向传输，如广播、电视半双工---独木桥双方都可以发送或接收，但不能同时，即当一方发送时，另一方接收全双工双方同时可以发送和接收信息全双工需要两条信道<ComputerNetworks2.2.5数据传输基带传输与宽带传输（另一方面来分类）数字数据在模拟信道上传输数字数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输<ComputerNetworks基带传输与宽带传输基带传输---局域网信号源产生的原始电信号称为基带信号（基本频带信号），即：将数字数据0、1直接用两种不同的电压表示，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。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。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。用于数字传输：局域网，通常传输距离为185m（细缆）、500m（粗缆）ComputerNetworks宽带传输将基带信号进行调制后形成模拟信号，经过载波调制，然后采用频分复用技术实现宽带传输带通信号——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）。--频带信号多个频带的带通信号在同一个物理媒体上传输，即宽带传输宽带传输通常带宽都很大，在上面可以同时传几路信号，每路信号都是经过调制后的模拟信号有线电视网带宽可达750MHz，由于以模拟信号传输，所以传输距离可达100km宽带系统可分为多个信道，所以模拟和数字数据可混合使用，但通常需解决数据双向传输的问题在混合光纤电缆HFC（HybridFiberCoax）中，频段54~550MHz是电视信号，550-750MHz是数字数据<ComputerNetworks数字数据在模拟信道上传输：数字数据-》模拟信号将数字数据调制成模拟信号（连续波形）进行传输相当于把0用一种波形来表示/传输，把1用一种波形来传输通常有三种基本的调制方式：1)调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)2)调频FSK(FrequencyShiftKeying)3)调相PSK(PhaseShiftKeying)

正交调相QPSK（QuadraturePhaseShiftKeying）正交调幅QAM（QuadratureAmplitudeModulation）ComputerNetworks调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)用载波的两种不同的振幅来表示两个二进制值如用无信号表示0 有信号表示1每个约定的时间段发送一定振幅的信号==约定每个信号的持续时间段01ASKComputerNetworks01FSK调频FSK(FrequencyShiftKeying)用载波附近的两种不同的频率来表示两个二进制值如用信号频率为f表示0；信号频率为2f表示1ComputerNetworksPSK01调相PSK(PhaseShiftKeying)用载波的相位移动来表示两个二进制值如用信号相位角为0表示0 相位角为表示1（即信号的起始相位为0或）ComputerNetworks基带信号调幅调频调相010011100假设要发送的数字数据是010011100数字数据的调制举例ComputerNetworks可通过提高信号的分级来提高比特率在模拟信号情况下如何提高数据的比特率---让每个信号携带更多比特正交调相QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)—把上述技术组合起来信号起始相位为/4、3/4、5/4、－/4QPSK2bit/采样0123ComputerNetworks正交调幅（QuadratureAmplitudeModulation）正交调相+调幅QAM-646bit/采样QAM-164bit/采样采用QAM-64信道质量比QAM-16质量要高，要求噪声小ComputerNetworks常用的几种Modem标准Modem标准：把离散信号调制为连续信号的方法V.32（QAM-32）4(1)x2400=9600bpsV.32bis（QAM-128）6(1)x2400=14400bpsV.34 12x2400=28800bpsV.34bis 14x2400=33600bpsV.90 7x8000=56000bps说明：波特率=采样速率信号携带的比特数*采样速率/波特率<QAM-32（调频+调幅），4bit有效数据+1bit校验数据，波特率2400，有效数据传输速率9600bpsQAM-128ComputerNetworks数字数据的数字信号传输数字数据用离散信号来表示－－称为数字信号的编码最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码ComputerNetworks不归零编码

NRZ（nonreturn-tozero

）用两种不同的电平分别表示0和1（正逻辑：高电平表示1；负逻辑：低电平表示1），并且在表示完一个码元后，电平毋需回到零缺点：存在发送方和接收方的同步问题。用于计算机内部是有效的，因为整个计算机的工作控制在同一个时钟下。不适于网络的编码，因为两个主机的时钟往往不一致。不能携带时钟信号，且无法表示没有数据传输10100110时钟脉冲二进制bit流不归零制编码比特率＝波特率ComputerNetworks曼切斯特编码（Manchesterencoding）--自同步编码方式每发送一个bit要发送两个电平，两个电平之间要有一个跳变，该跳变发生在时间的中间，用该跳变表示0或1解决了时钟同步问题：每发送一个bit的中间有一个跳变，从而消除了误差，即：将跳变当作时钟信号－－自同步编码缺点：编码效率低。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优点：能携带时钟信号，且可表示没有数据传输bit中间有信号低-高跳变为001bit中间有信号高-低跳变为1比特率＝0.5波特率ComputerNetworks差分曼彻斯特编码（differentialManchesterencoding）

--自同步编码方式根据发送一个比特开始时有无跳变表示0或1特性与曼切斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼切斯特编码bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0

bit中间有信号跳变，bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为1

1100ComputerNetworks编码方式的比较不归零制编码的编码密度最高，接收端一次采样可得到一个bit，即波特率等于比特率，但不能携带时钟曼切斯特编码的编码密度最低，接收端二次采样才可得到一个bit，即波特率是比特率的两倍，但每个bit中都有信号跳变，即携带了时钟差分曼切斯特编码与曼切斯特编码基本相同ComputerNetworks编码举例bit流二进制编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码bit与bit之间有跳变，下一个bit为0100001011110bit与bit之间无跳变，下一个bit为1<ComputerNetworks模拟数据在数字信道上传输模拟数据变成数字数据在数字信道上传递。如：电话局将来自话机的模拟信号转换为数字信号传递采用脉冲编码调制（PCM－PulseCodeModulation）技术关键点：在接收端还原成模拟数据。需要保证还原的模拟信号不失真PCM以Nyquist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ComputerNetworksABCDEFGHt255191127630ABCDEFGH188244240144807212220010111100

11110100

11110000

10010000

01010000

01001000

01111100

11001000

模拟数据到数字数据的转换：采样：采样时间间隔t=1/2f量化：将采样值量化为若干等级（如0～255）如电话&CD编码：量化值用二进制表示这串数字数据可以数字传输也可以模拟传输ComputerNetworks话音信道话音信道允许的最高频率通常为3500Hz如果以8000Hz(2倍)的采样频率对话音信号进行采样的话，则在采样值中包含了话音信号的完整特征，由此而还原出的话音是完全可理解的和可识别的ComputerNetworks话音信道的数据传输速率（首先模拟数据通过采样量化变成数字数据然后编码，将数字数据变成数字信号传输）对于每一个采样值还需要用一个（一位或多位的）二进制代码来表示，二进制代码的位数代表了采样值的量化精度，在主干上，对每一路话音信号通常采用8位二进制代码来表示一个采样值，那么，对话音信号进行PCM编码后所得到的数据传输速率为：8bit×8000次采样/秒＝64kb/s<ComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworksComputerNetworks2.3信道复用技术信道复用无论是广域网还是局域网，都存在这样一个事实，即传输介质的带宽大于传输单一信号所需的带宽为了有效地利用传输系统，通常采用多路复用（Multiplexing）技术以同时携带多路信号来高效率地使用传输介质共享信道信道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ComputerNetworks2.3信道复用技术2.3.1频分复用、时分复用和统计时分复用2.3.2波分复用2.3.3码分复用ComputerNetworks2.3.1频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)FDM是基于这样的前提：传输介质的可用带宽必须超过各路给定信号所需带宽的总和，如果将这几路信号中的每路信号都以不同的载波频率进行调制，而且各路载波频率之间留有一定的间隔以使各路信号带宽不相互重叠，那么这些信号就可同时在介质上传输例如有线电视ComputerNetworks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）。频率时间频段1频段2频段3频段4频段5FDM宏观图示ComputerNetworks音频信号调制基频调制后信号信号的频分多路复用FDM微观图示（信号叠加）每个频道的频率ComputerNetworks时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)每个信号按时间先后轮流交替地使用单一信道，那么，多个数字信号在宏观上可认为是同时进行传输，对单一信道的交替使用可以按位、字节或块等为单位来进行（类似于CPU的分时）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地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。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。ComputerNetworks多路复用部件通道D多路复用部件物理主干通道C通道B通道AD9D8D7D6C9C8C7C6B9B8B7B6A9A8A7A6D5C5B5A5D4C4B4A4ti+7ti+6ti+5ti+4ti+3ti+2ti+1tiD3D2D1D0C3C2C1C0B3B2B1B0A3A2A1A0帧帧ComputerNetworks频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用ComputerNetworks频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用ComputerNetworks频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用ComputerNetworks频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧ComputerNetworksTDM的同步和异步同步TDM时间片与输入装置一一对应，即同步如某个时间片对应的输入装置无数据发送，则该时间片空闲（浪费）传输介质的传输速率不能低于各个输入信号的数据速率之和同步TDM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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。ComputerNetworksABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户ComputerNetworks异步TDM时间片是按需动态分配的时间片与输入装置之间没有对应关系，任何一个时间片都可以被用于传输任何一路输入信号在传输的数据单元中必须包含地址信息，以便寻址目的节点传输介质的传输速率只要不低于各个输入信号的平均数据速率即可异步TDM又称为统计TDM（STDM）ComputerNetworks用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用统计时分复用

STDM(StatisticTDM)ComputerNetworks传输介质与信道传输介质与信道是不同范畴的概念传输介质是指传输信号的物理载体信道则提供了传输某种信号所需的带宽，着重体现介质的逻辑特性一根传输介质可能同时提供多个信道一个信道也可能由多根传输介质级联而成<ComputerNetworks1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.3.2波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器<EDFA（ErbiumDopedFiberAmplifier）掺铒光纤放大器ComputerNetworks2.3.3码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

码分多址

(CodeDivisionMultipleAccess)。每个用户可以CDMA在同样的时间使用同样的频带进行通信。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。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影像，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等等。

ComputerNetworks码片序列(chipsequence)每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。通常m取值为64或128（在后面的原理性说明中，取为8）每个站被指派一个唯一的mbit码片序列(chipsequence)。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。为了方便，将码片0写为–1，将1写为+1S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)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。ComputerNetworks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(innerproduct)都是0：(2-3)例，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(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。ComputerNetworks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。

ComputerNetworksCDMA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<ComputerNetworks2.4交换技术交换技术；物理媒体中间设备传递数据的技术电路交换（电话）报文交换（电报）分组交换虚电路交换ComputerNetworks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，该连接可能穿越多个交换局，而每个交换局都必须为之提供连接一旦建立连接，整个通路将被独占，除信号传播的延时之外，数据传输无额外延时，数据中毋需包含目的地址服务质量好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<ComputerNetworks报文交换（电报）无论数据传输过程要跨越多少个交换结点（通常是路由器），只要下一站不忙，该数据即送至下一站数据的传输毋需建立连接，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，并采用存储-转发（store-forward）机制线路的利用率较高由于采用store-forward机制，所以在数据传输过程中，除了信号传播的延时之外，还有存储和转发的延时，而且可能延时较大，且不可估计－－拥塞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，内存无法预留，所以缓存通常设置在硬盘中（进一步延时）<ComputerNetworks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（≤最大分组长度），每个分组为一个子报文可以为分组在内存预留空间每个分组中必须包含目的地址，并采用存储-转发机制线路的利用率较高由于采用store-forward机制，所以在数据传输过程中，除了信号传播的延时之外，还有存储和转发的延时，而且可能延时较大，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存储转发的速度较报文交换高接收分组和发送分组的顺序可能不一致，因此在接收端需要缓存并且可能还需要重组，进而还原出原始报文ComputerNetworks报文t电路交换报文交换分组交换ABCDABCDABCD建立连接阶段报文报文报文分组传输报文阶段ComputerNetworks电路交换与分组交换计算机网络讨论的是电路交换和分组交换电路交换在数据传输前，必须建立端到端的连接一旦某个节点故障，必须重新建立连接连接建立后，数据的传输没有额外的延时数据中不必包含地址域数据按序传输，但信道的使用率较低适合长时间传输大批量的数据，如流数据ComputerNetworks分组交换在数据传输前，不必建立端到端的连接只要下一个节点空闲，即可传输信道的使用率较高数据的传输采用存储转发，延时不可估计数据中必须包含地址域接收到的分组不一定按序，可能还需重组适合传输文本型数据不适于流媒体数据传输<ComputerNetworks虚电路交换将电路交换的概念引入到分组交换信息传递依然采用分组（定义最大分组长度）引入电路交换的连接建立过程找到路径（但非独占路径上的链路），因而经过中间结点时的路由延时小，且保留了分组交换中线路利用率高的优点发送端到接收端有一条确定的路径，因而接收顺序与发送顺序一致ComputerNetworks虚电路连接的建立传输方发起连接请求，中间节点根据路径信息建立交换表(指路牌)，在交换表内，节点为连接分配一个虚电路号，并与输出端口号相关联，表示用户信息从该端口输入，立即从相关联的输出端口输出到下一节点虚电路连接的传输分组中没有目的地址，只有虚电路号，接收分组时只检查其头部，一旦得到其虚电路号，则立即查交换表，转发至适当的端口（非store-forward

）虚电路连接的拆除ComputerNetworks信元交换一种虚电路交换将分组分成固定长的单元——信元，并用虚电路方式交换ATM网用这种交换方式信元长度为53bytes优点：由于信元长度固定，就可以把中间结点上原本必须由软件方式实现的功能（如保存分组、查交换表等等）改为由硬件实现，从而提高交换速度<第2章物理层传输介质电话系统（PSTN）Internet的本地接入传输介质双绞线同轴电缆光缆无线传输双绞线（twistedpair）线间干扰较小、价格便宜、易于安装可传输模拟信号，也可传输数字信号

在电话系统的最后一公里，用于传输模拟信号在计算机网络中，用于传输数字信号，常用8芯无屏蔽双绞线（UTP）通常的传输距离为100m如Cat3（10Mbps）和Cat5（100Mbps）双绞线的带宽取决于粗细和绞合的程度

传输距离100米，终端连接传输介质双绞线同轴电缆光缆无线传输同轴电缆50Ω同轴电缆---细缆---终端185m50Ω同轴电缆用于数字信号传输，目前基本已被双绞线所替代75Ω同轴电缆----粗缆---干线500m房间之间75Ω同轴电缆用于模拟信号传输，目前主要用于电视信号的传输由于75Ω同轴电缆的带宽极宽，所以，也被用于城域网，如有线通常用的同轴电缆有两种：基带同轴电缆---数字传输系统宽带同轴电缆：用于模拟传输系统,CATV同轴电缆分为细缆RG-58和粗缆RG-11两种。细缆的直径为0.26厘米，最大传输距离185米，使用时与50Ω终端电阻如图5、T型连接器(如图6)、BNC接头与网卡相连，线材价格和连接头成本都比较便宜，而且不需要购置集线器等设备，十分适合架设终端设备较为集中的小型以太网络。缆线总长不要超过185米，否则信号将严重衰减。细缆的阻抗是50Ω。粗缆(RG-11)的直径为1.27厘米，最大传输距离达到500米。由于直径相当粗，因此它的弹性较差，不适合在室内狭窄的环境内架设，而且RG-11连接头的制作方式也相对要复杂许多，并不能直接与电脑连接，它需要通过一个转接器转成AUI接头，然后再接到电脑上。由于粗缆的强度较强，最大传输距离也比细缆长，因此粗缆的主要用途是扮演网络主干的角色，用来连接数个由细缆所结成的网络。粗缆的阻抗是75Ω。传输介质双绞线同轴电缆光缆无线传输光缆多模光缆：信号有多个入射角，通过光的反射在光纤中传输，距离2km单模光缆：直线传输，距离10km干线传输贵光传输系统包括：光源、传输介质（光纤）、光检测器优点：带宽大，距离远，损耗低，重量轻，无电磁辐射，防窃听缺点：端口设备价格高无线传输无线电传输—收音机（中波：地表反射，近短波：空中电离层反射，远，干扰大）微波传输--计算机网络红外线和毫米波–遥控器方向性好光波传输无需铺设基础设施---基站根据光的波长分成不同的波段，依次为无线电、微波、红外、可见光、紫外等用于通信的电磁波频段无线电波微波红外线可见光紫外线X射线γ射线f(Hz)10010210410610810101012101410161018102010221024f(Hz)104105106107108

1091010

101110121013101410151016双绞线TVFMAM同轴电缆微波通信卫星通信光通信波长30km

3km

30m

3m

30mm

3mm

30µm

3µmTnbmP101Fig.2-11用于通信的电磁波频段微波传输特点：长距离传输直线传输不能穿透建筑物设置基站--位置高地面无线通信模型传输距离：天线的高度、类型和信号强度（能量）传输可靠性：障碍物传输正确性：气象条件散射能力卫星通信模型VSAT：甚小孔径卫星终端verysmallaperturesatelliteterminals地面站地球同步卫星36000km端到端单程270ms往返540ms地球同步卫星VSAT中央站VSAT缺点：延时大发射站功能大接收站灵敏第2章物理层传输介质电话系统（PSTN）

计算机网络的承载网Internet的本地接入电话系统（PSTN）公用电话交换网，简称：PSTNPublicSwitchedTelephoneNetwork通常的家庭用户计算机通过MODEM拨号上网，就是通过电话系统进行数据传输计算机系统的误码率为10-12

，而电话系统的误码率为10-5，是计算机系统的107倍综合比较，相差11个数量级电话系统的树状结构每部电话完全互联是不可能的，所以一般为树状结构---》行为特征一级中心：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）交换局五级：终端用户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，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，1km~10km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本地回路要实现光纤到户成本太高且无必要，因为家庭电话毋需复用，也不允许复用Internet是OVER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必将对本地回路的信道复用提出要求Internet可通过本地回路的接入方法接入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，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，1km~10km主干线：交换局间的光缆，数字传输交换局：交换设备，交换技术主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH模拟数据---数字数据转换主干线常采用多路复用技术以提高线路的利用率PCM（PulseCodeModulation）脉冲编码调制PCM由于数字传输的明显优势，所以，主干线都采用数字传输，于是终端用户（如电话的语音信号）的模拟数据到达本地局后，都必须转换成数字数据，以适合主干线的传输PCM以采样定理为基础—采样周期采样定理：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主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率采样和量化采样速率：8000次/秒电话系统的历史及其对整个世界的覆盖决定了计算机网络必须OVER在电话系统的承载网上根据人的听觉功能，电话系统中每个信道的频宽为4000Hz（隔离），根据Nyquist定理，对于4000Hz的信号，多于8000次/秒的采样是无意义的采样值的量化一次采样值分成多少个等级，将决定量化后的数据量，如等分成256个等级，则必须用8bit表示每路电话速率64kbps采样和量化举例ABCDEFGHt256192128640ABCDEFGH18824424014480721222001011110011110100111100001001000001010000010010000111110011001000主干线PCM采样和量化T1线路E1线路T1，e1:定义了在这个同轴电缆上的多路复用是怎样来复用SONET和SDH主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率T1线路1.544Mb/sT1线路由24个多路复用信道组成,同步时分多路复用一个帧有24个时隙，每个时隙传递的信息是多少？----一个采样点每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为7bit

每个信道每次采样生成7bit数据位加1bit控制位，即7b+1b即每个信道每秒生成56K+8K的传输速率（64kbps）24个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：8bitx24=192bit，每帧间加一个bit，所以每帧为193bit193bitx8000次采样/秒=1544000bit/s=1.544Mb/s

北美、日本使用T1线路主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率E1线路2.048Mb/sE1线路由32个多路复用信道组成—时分每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8bit，其中包括用于信令的bit32个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：8bitx32个信道=256bit256bitx8000次采样/秒=2.048Mb/s欧洲、中国使用E1线路多个T1或E1线路的复用一次群：T1=1.544Mb/sE1=2.048Mb/s二次群：T2=T1x4+…=6.312Mb/sE2=E1x4+…=8.848Mb/s三次群：T3=T2x6+…=44.736Mb/sE3=E2x4+…=34.304Mb/s四次群：T4=T3x7+…=274.176Mb/sE4=E3x4+…=139.264Mb/s主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率SONET/SDH

—电话光缆光缆的传输标准SONET（SynchronousOpticalNetwork） 同步光纤网美国标准ANSIT1.105~106基本速率一样同步时分多路复用STS-1（SynchronousTransportSignal）同步传送信号（电信号）OC-1（OpticalCarrier）光载波（光信号）

采用每125s送出一帧，每帧810B，即810路电话。因此基本速率为8bx810Bx8000次采样/秒

=51.84Mb/sSDH（SynchronousDigitalHierarchy） 同步数字体系

CCITT推荐的标准STM-1（SynchronousTransportModule）同步传送模块

基本速率为155.52Mb/s=3oc-1SONET的OC级和STS级与SDH的STM级的比较在40Mb/s以下，北美的T1~T3和欧洲的E1~E3不同在更高速率的标准上，SONET和SDH基本相同线路速率(Mb/s)SONET（美）SDH（欧）OC级STS级STM级51.84OC-1STS-1155.52OC-3STS-3STM-1466.56OC-9STS-9STM-3622.08OC-12STS-12STM-4933.12OC-18STS-18STM-61244.16OC-24STS-24STM-81866.24OC-36STS-36STM-122488.32OC-48STS-48STM-169953.28OC-192STS-192STM-64TnbmP146

Fig.2-37SONET和SDH复用率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，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，1km~10km主干线：交换局间的光缆，数字传输交换局：交换设备，交换技术交换设备交叉点交换机空间分隔交换机时分交换机交叉点交换机纵横制交换机（crossbar）0123456701234567缺点优点交换设备交叉点交换机空间分隔交换机时分交换机空间分隔交换机可以理解为组交换

nxknxknxknxkkxnkxnkxnkxnNNnnXNNnnXN/n个交叉条N/n个交叉条k个交叉条把用户分组，中间的全交换每块芯片交叉点减少有阻塞交换设备交叉点交换机空间分隔交换机时分交换机时分交换机—软件方法核心是时隙互换器（timeslotinterchanger）计数器n个输入时隙n条输出线n条输入线n个输出时隙输入帧输出帧n个词映射表在内存存放n个k位的RAM缓冲互换内容时隙互换器71625540332617040123456747630521ComputerNetworks2.5Internet接入技术电话网拨号接入ADSL接入有线电视网InternetoverCable（HFC网）FTTx技术ComputerNetworks2.5.1拨号接入通过电话线路访问远程服务器使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号必须在某ISP注册成为合法用户注册成功后，ISP会为用户提供一个电话号码拨号后，相当于用户与ISP之间有了一条直连通路（因为电话网采用电路交换）服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时的IP地址DHCP协议：动态主机配置协议（DynamicHostConfigurationProtocol）ComputerNetworks家庭主机拨号上网示意图家庭主机通过拨号对远程服务器的访问不归零制编码的数字数据（数字信号）：A、G经MODEM调制后的数字数据（模拟信号）：B、F经Codec编码解码后的数字数据（数字/模拟信号）：C、D、E、HISP1MODEMpoolMMMMMPCMTollofficeTollofficeTollofficeEndofficeLocalloop(Analog)(Twistedpair)Medium-bandwidthtrunk(Digital,fiber)CodecCodecHigh-bandwidthtrunk(digital,fiber)ISP2DigitallineBCEAGHFD数字信号MODEM:调制成模拟信号本地电话局的编码解码器（Codec）:解调为数字信号ISP所在电话局的Codec:调制成模拟信号ISP的MODEM:解调为数字信号，送到ISP主机ISP租用的数字设备:无需模数转换数据传输需考虑的问题任何传输介质在传输信号时都伴随着干扰（噪声）和衰减噪声有热噪声和随机冲击噪声两种衰减与信号的频率有关，频率越高衰减程度越大由于数字信号中包含着大量的高次谐波，所以基带信号不适合作长距离和高速的传输尤其应关注在电话系统中使用的是频分多路复用，人为地限制了每个信道的带宽为4kHz---速率不快传输电话主干线传输技术同步时分多路复用，本地回路使用频分多路复用ComputerNetworksMODEM

调制解调器简称：MODEM(MOdulationandDEModulation)MODEM包括调制和解调两个功能（数模模数）调制方式有：调幅调频调相或是上述的组合计算机与MODEM的接口常用的调制解调器接口有RS-232、RS-449ComputerNetworks载波：1000–2000Hz的正弦波使用某种技术，让载波携带数字数据调幅、调频、调相，或其组合常用的协议V.32： 6(1)bx2400=14.4kbpsV.34： 12x2400=28.8kbpsV.34bis： 14x2400=33.6kbpsV.90： 7x8000=56000bps当ISP为数字接入时终端用户上行速率为 33.6kbps，ISP的下行速率为56kbpsComputerNetworks在电话系统中使用的是频分多路复用，人为地限制了每个信道的带宽为4kHz数据率一般最高只能达到33.6k信道速率可以达到，但是isp设备的繁忙程度也有影响<ComputerNetworks2.5.2ADSL接入DSL数字用户线路DSL：DigitalSubscriberLine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），其实际带宽远远大于4kHz如局端滤波器的限制策略为按需可调，且用户到电话局之间改为数字传输，则给定的带宽可增加高于4kHz的服务称为宽带服务xDSL技术把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。其中的“x”表示在DSL上实现的不同宽带方案。ComputerNetworksxDSL的几种类型（根据对上行、下行线路不同的带宽需求）对称线路：HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线1.544~2.048Mbps，2/4对双绞线，3~4kmSDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线1.544~2.048Mbps，1对双绞线，3km非对称线路：VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线上行13~52Mbps，下行1.5~2.3Mbps 1对双绞线，0.xxkmADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线上行64k~1Mbps，下行512k~8Mbps 1对双绞线，3~5kmComputerNetworksADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine）接入模型---频分多路复用Internet用户侧本地局Ethernet端口PC机滤波器用户配线架局端滤波器交换机配线架程控交换机ADSLmodemATU-RATU-C：ADSLTransmissionUnit－CentralATU-R：ADSLTransmissionUnit－Remote

ADSLmodemATU-CABFGEDC采用曼切斯特编码、携带了数字数据的数字信号：A携带了语音数据的模拟信号：C、E、F经ADSLmodem调制后的、携带了数字数据的模拟信号：B、D、G多个信道，频分多路复用ADSL的接入模型ADSLmodem：将数字信号调制成模拟信号滤波器：频分多路复用设备，将计算机信号和电话信号复用到同一条双绞线上局端滤波器，将计算机信号和电话信号分开：4kHz以下的部分交给程控交换机；4kHz以上的部分交给ADSLmodem进而连接到Internet电话拨号：网络数据和电话数据用的同一个信道，都是4k以内的所以两者是互斥的，不能同时使用Adsl:电话使用4k以内，网络使用4k以上，两者同时传输使用频分复用的方法ComputerNetworksComputerNetworksDMT离散多音调调制---adsl调制方法DMT：DiscreteMultiToneModulation将本地回路的可用带宽（约1.1MHz)分成256个4312.5Hz的独立信道，信道0给传统的电话，1~5保留，剩下的250个信道中一个给上行控制，一个给下行控制，其余全部用于数据传输，由提供者分配哪些给上行，哪些给下行采用DMT调制的ADSL0123456789251252253254255VoiceUpstreamDownstream…………4312.5Hz1~5

信道：作为电话信号和网络信号的隔离带ComputerNetworks常用的ADSL带宽分配因为用户对Internet的访问是不对称的，所以一般总是将80–90%的信道分配给下行，每个信道都是独立调制的voice4k4k…4kUpstream64k256k…1MDownstream512k1M…8M<ComputerNetworks2.5.3InternetoverCable社区电视系统HFC混合光纤电缆系统HFC中的频谱分配CableMODEMADSL与HFC的比较ComputerNetworks社区电视系统（有线电视网CATV）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：电视台发射信息，电视接受信息用同轴电缆作为传输介质（入户），带宽可达750MHz作为Internet接入的可能性数据的双向传输因此，需对现有有线电视网进行改造（称为HFC系统--光纤和同轴电缆的混合---有线通）才可能用于接入Internet用户端的CableMODEMComputerNetworksHFC（HybridFiberCoax

）混合光纤电缆系统HFC网是在有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。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。

HFC网需要对CATV网进行改造将原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（headend）连接到光纤结点(fibernode)，即光分配结点

ODN(OpticalDistributionNode)。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。ComputerNetworks每个家庭要安装一个用户接口盒UIB(UserInterfaceBox)，用户接口盒要提供三种连接，即：使用同轴电缆连接到机顶盒(set-topbox)，然后再连接到用户的电视机。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