计算机网络-谢希仁-第2章-物理层

2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基本学问2.3物理层下面的传输媒体2.4信道复用技术2.5数字传输系统2.6宽带接入技术第2章物理层2.1物理层的基本概念

物理层是OSI体系结构中的最低一层。它向上毗邻数据链路层，向下干脆与传输介质相连接。它起着数据链路层和传输介质之间的逻辑接口作用。物理层为传送二进制比特流数据而激活、维持、释放物理连接所供应的机械、电气、功能和过程特性。现代计算机网络中的物理设备和传输介质的种类繁多，而通信手段也越来越丰富，物理层在数据链路层和传输介质之间起了屏蔽和隔离作用，使数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只须要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。2.1物理层的基本概念

机械特性指明接口所用接线器的形态和尺寸、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。过程特性指明对于不同功能的各种可能事务的出现依次。

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：2.2数据通信的基本学问

基本术语数据(data)——从数据通信的角度来看，数据可以被定义为计算机可识别的任何有意义的实体。运输消息的实体。信号(signal)——是数据的一种电磁编码或光编码。是数据传输中的一种表现形式。数据传输——是指通过传输信道以电信号(或光信号)的形式把数据从一端传递到另一端的过程。通信——利用电子等技术手段，借助电(或光)信号实现从某一端(常称为信源端或发送端)向另一端(常称为信宿端或接收端)进行信息的有效传递和交换。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2.2数据通信的基本学问数据通信系统的模型2.2数据通信的基本学问信息源(简称信源)的作用是把待传输的数据转换成原始电信号，如电话系统中的电话机、网络系统中的终端或计算机等都可看成是信源。信道是信号传输的通路，信道中自然会叠加上噪声。信宿(也称受信者或接收终端)是将复原的原始信号转换成相应的信息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音，终端或计算机将对方传来的电信号还原成文本数据或图像数据等。2.2数据通信的基本学问有关信道的基本概念通信方式是指数据在信道上传输所实行的方式。通常有三种分类方法，按数据代码传输的依次分为：串行传输和并行传输；按数据传输的同步方式分为：同步传输和异步传输；按数据传输的流向和时间关系分为：单工、半双工和全双工传输。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。2.2数据通信的基本学问返回2.2数据通信的基本学问返回2.2数据通信的基本学问2.2数据通信的基本学问基带信号和带通信号基带信号（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。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而很多信道并不能传输这种低频重量或直流重量。因此必需对基带信号进行调制(modulation)，即变换基带信号的波形，称为基带调制，或编码。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），并转换为模拟信号，以便在模拟信道中传输。而运用载波的调制称为带通调制。2.2数据通信的基本学问常用的编码方式1000100111比特流不归零制归零制曼彻斯特差分曼彻斯特2.2数据通信的基本学问基本的带通调制方法调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变更。例如，0和1分别对应于无载波或有载波。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变更。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变更。为了达到更高的信息传输速率，必需接受技术上更为困难的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM。2.2数据通信的基本学问基本的带通调制方法010011100基带信号调幅调频调相信道的极限容量任何实际的信道都不是志向的，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峻。有失真，但可识别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形失真大，无法识别

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2.2数据通信的基本学问2.2数据通信的基本学问1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的志向条件下，为了避开码间串扰，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）成为不行能。假如信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频重量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽W（W=f，单位Hz）的关系为Rmax=2·f（bps）(1)信道能够通过的频率范围限制码元在信道上的传输速率的因素有两个:2.2数据通信的基本学问(2)信噪比限制码元在信道上的传输速率的因素有两个: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。在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，信道的极限信息传输速率Rmax可表达为

Rmax=Wlog2(1+S/N)bps

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为信道内部的随机噪声功率。S/N为信噪比

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，就确定可以找到某种方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（当然实际信道不行能是这样的），则信道的极限信息传输速率Rmax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。香农公式表明对于频带宽度已确定的信道，假如信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有方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。留意：2.2数据通信的基本学问让每个码元携带更多比特的信息量。可用振幅调制、频率调制、相位调制。编码【举例】假定基带信号是：101011000110111010….假如干脆发送，每个码元携带的信息量是1bit。假如通过相位调制，用相位ψ0表示000，ψ1表示001，ψ2表示010，ψ3表示011，ψ4表示100，ψ5表示101，ψ6表示110，ψ7表示111。那么刚才的18个码元可转换为6个新码元进行发送：101011000110111010….=ψ5ψ3ψ0ψ6ψ7ψ2…若以同样速率发送码元，则相同时间内所发送的信息量就提高到3倍。比如：信号发送速率为2000b/s，经过以上8种相位调制后，可获得相当于多大的最高发送率？2000b/s*3=6000b/s2.2数据通信的基本学问

传输介质就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可以分为两大类：有线传输介质和无线传输介质，或引导型传输媒体或非引导型传输媒体。2.3传输介质

传输介质的特性物理特性：传输媒体的材质特性（物质构成、机械特性、温度性能、化学性能、几何尺寸、物理性质）传输特性：传输容量、传输频率范围、衰减特性连通性：点对点？多点连接地理范围：不用中间设备并将失真限制在允许范围内，整个网络所允许的最大距离。抗干扰性：反抗噪音、电磁干扰相对价格：线路+元件+安装+维护=？线路运用方面：1条？多条？定时、同步；限制信号、数据信号、定时信号怎么区分？

双绞线

有线介质2.3传输介质

双绞线RJ-45和AUIAttachmentUnitInterface

屏蔽双绞线STP

无屏蔽双绞线UTP有线介质2.3传输介质

有线介质2.3传输介质

错误制作的RJ-45头正确制作的RJ-45头568A：白橙／橙／白绿／蓝／白蓝／绿／白棕／棕

568B：白绿／绿／白橙／蓝／白蓝／橙／白棕／棕

双绞线的制作主要运用1991年，美国电子工业协会EIA和电信行业协会TIA联合发布的标准EIA/TIA-568有线介质2.3传输介质

同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆有线介质2.3传输介质

外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体有线介质2.3传输介质

服务器客户机客户机客户机BNCT型连接器

终端电阻终端电阻2.3传输介质

光缆有线介质特点：抗干扰实力强低损耗宽频带高速率低误码率平安性好体积小重量轻输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.3传输介质

有线介质2.3传输介质

无线介质—非引导性传输媒体电信领域运用的电磁波的频谱2.3传输介质

无线介质无线传输所运用的频段很广。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。微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视状况下才能正常接收,大气对微波信号的吸取与散射影响较大。地面微波接力通信卫星通信2.3传输介质

无线介质微波接力通信模型2.3传输介质

无线介质优点：

微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大因为工业干扰和自然干扰对微波通信小，因而传输质量较高与同容量和长度的电缆载波通信比较，建设投资少，见效快，易于跨越山区江河缺点：相邻站之间必需直视，不能有障碍物微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响与电缆通信系统相比，它的隐藏性和保密性较差对大量中继站的运用和维护要耗费较多的人力和物力2.3传输介质

无线介质

卫星通信是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。2.3传输介质

无线介质卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。和微波接力通信相像，卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定。卫星通信特别适合于广播通信，因为它的覆盖面很广。但从平安方面考虑，卫星通信系统的保密性是较差的。2.4信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念。是指在发送端将多路低速信号合并成一路高速信号，在一条高速信道上传输，在接收端在分解成多路低速信号。共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用不使用复用技术使用复用技术在进行通信时，复用器总是和分用器成对地运用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器的相反，它把高速信道传送过来的数据进行分解，分别送交到相应的用户。2.4信道复用技术频分复用在一条通信线路上设置多个信道，每路信道的信号以不同的载波频率进行调制。各个载波频率是不重叠的,一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。用户在安排到确定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的全部用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请留意，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52.4信道复用技术时分复用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。时分复用的全部用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。2.4信道复用技术时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2.4信道复用技术时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2.4信道复用技术时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2.4信道复用技术时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD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奢侈ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户运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，用户对安排到的子信道的利用率一般是不高的。时分复用2.4信道复用技术时分复用用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用统计时分复用STDM(StatisticTDM)

统计时分复用是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。也称为异步时分复用。可能存在缓存溢出，增大开销等问题。2.4信道复用技术波分复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）波分复用就是光的频分复用；在一根光纤上复用两路光载波信号，这种复用方式称为波分复用WDM;在一根光纤上复用几十路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM；目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s。2.4信道复用技术波分复用82.5Gb/s1310nm1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器掺铒光纤放大器2.4信道复用技术码分复用常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每一个用户可以在同样的时间运用同样的频带进行通信。各用户运用经过特殊选择的不同码型，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实力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉。在CDMA中，每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。通常m的值是64或1282.4信道复用技术码分复用每个站被指派一个唯一的mbit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)每个站安排的码片序列不仅必需各不相同，并且还必需相互正交(orthogonal)。在好用的系统中是运用伪随机码序列。2.4信道复用技术码分复用令向量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：在实际系统中是运用伪随机码序列。【举例】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)。带入公式可知，S与T向量正交。2.4信道复用技术码分复用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。2.4信道复用技术码分复用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数据码元比特发送端接收端2.4信道复用技术码分复用【举例】四个基站用码分多址通信。四个站的码片分别为:A:(-1-1-1+1+1-1+1+1)B:(-1-1+1-1+1+1+1-1)C:(-1+1-1+1+1+1-1-1)D:(-1+1-1-1-1-1+1-1)（1）现收到这样序列:(0-2000-222).问哪个站发送数据了？发送的数据是1还是0？A:1,C:0（2）假如B和D同时分别发送数据1和0，A和C不发送，那么基站收到的序列是什么？(0-2202200)2.5数字传输系统脉码调制PCM体制在数字传输系统中脉码调制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。由于历史上的缘由，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国接受的是欧洲的E1标准。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。模拟电话信号转变为数字信号的大致如下。首先必需依据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地复原出原来的电话信号。当须要有更高的数据率时，可接受复用的方法。通常总是将很多个话路的PCM信号用时分复用TDM的方法装成帧，然后在送往线路上一帧一帧地传输。2.5数字传输系统脉码调制PCM数字传输系统存在两个主要缺点速率标准不统一假如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接受准同步方式。2.5数字传输系统同步光纤网SONET美国1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET(SynchronousOpticalNetwork)。同步光纤网SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各级时钟都来自一个特别精确的主时钟。第1级同步传送信号STS-1(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。光信号则称为第1级光载波OC-1，OC表示OpticalCarrier。2.5数字传输系统同步数字系列SDHITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可认为SDH与SONET是同义词。SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块STM(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。下表给出了SONET和SDH的比较。SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长1310nm和1550nm的激光源。在物理层为宽带接口运用了帧技术以传递信息，为数字信号的复用和操作过程定义帧结构。线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120

OC-768/STS-768

STM-256

40Gb/s

SONET的OC/STS级与SDH的STM级的对应关系2.5数字传输系统2.6宽带接入技术一、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300-3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍旧超过1MHz。xDSL技术就把0-4kHz低端频谱留给传统电话运用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网运用。DSL就是数字用户线(DigitalSubscriberLine)的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。2.6宽带接入技术xDSL的几种类型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线DSL：是运用ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork)综合业务数字网用户线。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调整线路速率。2.6宽带接入技术极限传输距离极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比亲密相关。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，但当传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公里。假如把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里2.6宽带接入技术ADSL的特点由于用户在上网时主要是从因特网上下载各种文档，因此ADSL把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。我国目前接受的方案是离散多音调DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。2.6宽带接入技术DMT技术DMT调制技术接受频分复用的方法，把40kHz以上始终到1.1MHz的高端频谱划分为很多的子信道，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（严格讲是4.3125kHz），并运用不同的载波（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运用很多小的调制解调器并行地传送数据。…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)~40~138~1100DMT技术的频谱分布2.6宽带接入技术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同），因此ADSL接受自适应调制技术运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状况，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，而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。ADSL的组成

ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线电话分别器

区域宽带网至ISP居民家庭基于ADSL的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表远端Remote）电话分别器PS(POTSSplitter)2.6宽带接入技术其次代ADSL2.6宽带接入技术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800kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz，下行速率可达16Mb/s（最大传输速率可达25Mb/s），而上行速率可达800kb/s。接受了无缝速率自适应技术SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的状况下，自适应地调整数据率。改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有特别重要的意义。二、光纤同轴混合网(HFC网)2.6宽带接入技术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。HFC网除可传送CATV外，还供应电话、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，它接受模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则须要对CATV网进