計算機網(wǎng)絡第二章2014

1、計算機網(wǎng)絡第 2 章 物理層第 2 章 物理層2.1 物理層的基本概念2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.2.2 有關信道的幾個基本概念2.2.3 提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑2.3 物理層下面的傳輸媒體2.3.1 導向傳輸媒體2.3.2 非導向傳輸媒體第 2 章 物理層（續(xù)）2.4 信道復用技術(shù) 2.4.1 頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用 2.4.2 波分復用 2.4.3 碼分復用2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng) 2.5.1 脈碼調(diào)制PCM體制 2.5.2 同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH2.6 寬帶接入技術(shù) 2.6.1 ADSL技術(shù) 2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)）

2、 2.6.3 FTTx 技術(shù) 物理層簡介物理層簡介 物理層它直接面向?qū)嶋H承擔數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砻襟w(即信道)。物理層的傳輸單位為比特。物理層是指在物理媒體之上為數(shù)據(jù)鏈路層提供一個原始透明比特流的物理連接。注意：物理層物理層既不是指連接計算機的具體物理設備，也不是指負責信號傳輸?shù)木唧w物理介質(zhì)，而是指物理介質(zhì)上為上一層(數(shù)據(jù)鏈路層)提供傳輸比特流的一個物理連接物理連接。2.1 物理層的基本概念 物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： w機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。w電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。w功能特性 指明

3、某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。w過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機幾個術(shù)語w數(shù)據(jù)(data)運送消息的實體。w信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 w“模擬的”(analogous)代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。 w“數(shù)字的”(digital)代表消息的參數(shù)的取值是離散的。 w碼元(c

4、ode)在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。 2.2.2 有關信號的幾個基本概念w單向通信（單工通信）只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。w雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。w雙向同時通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。 基帶(baseband)信號和帶通(band pass)信號 w基帶信號（即基本頻帶信號）來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。w基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或

5、直流分量。因此必須對基帶信號進行調(diào)制(modulation)。 w帶通信號把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。 幾種最基本的調(diào)制方法 w基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調(diào)制(modulation)。 w最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。 對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法 01001

6、1100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相正交振幅調(diào)制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇的相位有 12 種，而對于每一種相位有 1 或2 種振幅可供選擇。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個點中的每個點可對應于一種 4 bit 的編碼。 若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。 舉例2.2.3 信道的極限容量 w任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 w碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。 數(shù)字信號通過實

7、際的信道 w有失真，但可識別w失真大，無法識別 實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形(1)信道能夠通過的頻率范圍w1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。w在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會出現(xiàn)碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。w如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串擾。 (2) 信噪比 w香農(nóng)(Shanno

8、n)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。w信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為w C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；S 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 香農(nóng)公式表明 w信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 w只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。 w若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。w實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要

9、比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 請注意 w對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。 2.3 物理層下面的傳輸媒體w傳輸媒體：也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類：導向傳輸媒體：電磁波被導向沿著固體媒體傳播。非導向傳輸媒體：指自由空間，電磁波傳播稱無線傳輸。w導向媒體 有線w非導向媒體 無線電信領域使用的電磁波的頻譜無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線

10、電光纖電視(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 移動無線電 2.3.1 導向傳輸媒體w雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) w同軸電纜50 同軸電纜75 同軸電纜w光纜 雙絞線內(nèi)導體芯線內(nèi)導體芯線絕緣絕緣箔屏蔽箔屏蔽銅屏蔽

11、銅屏蔽外套外套銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP無屏蔽雙絞線的種類1類線 用于5Mbps傳輸(適用于語音/低速傳輸 ) 2類線 用于5Mbps傳輸(適用于語音/低速傳輸 )3類線 用于16Mbps傳輸(10M以太網(wǎng)電纜)4類線 用于20 Mbps傳輸5類線 用于100 Mbps傳輸超5類線 用于155Mbps傳輸（最常用的網(wǎng)絡電纜）6類線 用于250Mbps傳輸7類線 用于600Mbps傳輸雙絞線的特點w其頻率范圍對于傳輸數(shù)據(jù)和語音都適用（現(xiàn)在5類非屏蔽雙絞線的傳輸頻率上限可以達到100MHZ以上 ）w所以模擬傳輸（寬帶信號）/數(shù)字傳輸（

12、基帶信號）均可使用w單位價格最低，但每根只能連接一站點，線路總費用增加w 抗高頻干擾能力較差w 使用雙絞線需在傳輸速率和傳輸距離之間作出選擇廣泛使用的同軸電纜有兩種：一種為50(指沿電纜導體各點的電磁電壓對電流之比) 同軸電纜，用于數(shù)字信號的傳輸，即基帶同軸電纜；另一種為75同軸電纜，用于寬帶模擬信號的傳輸，即寬帶同軸電纜?；鶐鬏斝?主要用于LAN) 50 RG-8（粗纜）單段傳輸距離最遠為500米 RG-58 (細纜）單段傳輸距離最遠為185米頻帶傳輸型(主要模擬傳輸) 75公用天線電視系統(tǒng)(CATV)用 同軸電纜同軸電纜外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內(nèi)導體同軸電纜光纜（光導纖維）外殼外包

13、層玻璃纖維（核心）光纖系統(tǒng)中使用的光源器件 有兩種類型，皆為施加電壓便可發(fā)射光束的半導體裝置。wLED (發(fā)光二極管) 價廉，工作溫度范圍較大，工作壽命較長，但只能發(fā)射發(fā)散的光線，只在短距離內(nèi)使用。wILD (注入式激光二極管) 根據(jù)激光原理工作，光線具有高度集中性，高效高數(shù)據(jù)速率長距離光纖通信的原理010101010101 光是一種電磁波，它在真空中傳輸速度最快（每秒30萬千米），但傳輸速度隨傳輸介質(zhì)密度增大而降低。相對于其他傳輸媒介，低損耗、高帶寬和高抗干擾性是光纖最主要的優(yōu)點。目前光纖的數(shù)據(jù)傳輸率已達2.4G甚至更高速率（20G以上）。根據(jù)貝爾實驗室測試，當數(shù)據(jù)速率為420Mbps且距離

14、為119km無中繼器時，其誤碼率為10-8，可見其傳輸質(zhì)量很好。光的傳輸特性光線在光纖中的折射 折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涔饫w傳輸原理光纖利用全反射使光線在信道內(nèi)定向傳輸。光纖中心是玻璃或塑料的芯材，外面填充著密度相對較小的玻璃或塑料材料（覆層）。兩種材料的密度差異必須達到能夠使纖芯中的光線只能反射回來而不能折射入覆層的程序。多模光纖是指在給定的工作波長上，能以多個模式同時傳輸?shù)墓饫w。其光纖芯徑在50到100m的范圍內(nèi)，多條入射角度不同的光線可以

15、同時在一條光纖反射式地傳播。Multimode Fiber多模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖單模光纖Single Modew使用折射率突變型光纖。其芯徑被減少到某個波長級，這樣只有一個角度即“模式”的光纖可以通過：軸心光線。于是所有光線都能“同時”到達，并能無失真地重新組合，通常用于長距離的傳輸。輸入脈沖輸出脈沖單模光纖光纖的應用w容量更大能以數(shù)百Gbps的數(shù)據(jù)率傳輸幾十千米 (比較: 同軸電纜能以數(shù)百Mbps的數(shù)據(jù)率傳輸1千米; 雙絞線能以幾Mbps 的數(shù)據(jù)率傳輸1千米，或以100 Mbps 至 1 Gbps的數(shù)據(jù)率傳輸數(shù)十米） 。w尺寸更小且重量更輕w衰減最小 w電磁隔離不受外部電磁場影響(

16、干擾、沖激噪聲和串擾影響小)無能量輻射，也難以分接（防竊聽功能)2.3.2 非導向傳輸媒體 w用自由空間作為傳輸介質(zhì)來進行數(shù)據(jù)通信。用自由空間作為傳輸介質(zhì)來進行數(shù)據(jù)通信。w w特點特點: :信號沿直線傳播信號沿直線傳播 w適用適用: :架設或鋪埋電纜或光纜較困難的地方架設或鋪埋電纜或光纜較困難的地方, ,廣泛應用于電話領域構(gòu)成的蜂窩式無線電話廣泛應用于電話領域構(gòu)成的蜂窩式無線電話網(wǎng)。網(wǎng)。兩臺便攜式電腦通過紅外進行數(shù)據(jù)傳輸便攜式電腦便攜式電腦 使用無線傳輸和無線集線器實現(xiàn)無線網(wǎng)絡使用無線傳輸和無線集線器實現(xiàn)無線網(wǎng)絡PC 工作站PC 工作站服務器集線器無線電收發(fā)器無線電收發(fā)器集線器將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為

17、無線電波將無線電波轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分類分類w紅外通信、激光通信和微波通信紅外通信、激光通信和微波通信w微波通信又主要有兩種方式微波通信又主要有兩種方式: :地面微波接力通地面微波接力通信和衛(wèi)星通信信和衛(wèi)星通信。地面微波的傳輸w在物理線路昂貴或地理條件不允許的情況下適用；w通過地球表面的大氣傳播，易受到建筑物或天氣的影響；w兩個地面站之間傳送，距離為50 -100 km；應用w長途電信服務比同軸電纜使用的放大器或轉(zhuǎn)發(fā)器少 (每10-100 km一個), 但要求在視距內(nèi)傳輸用于語音和電視傳輸w點對點的短距傳輸（建筑區(qū)內(nèi)）閉路電視局域網(wǎng)間的數(shù)據(jù)鏈路衛(wèi)星微波w衛(wèi)星是一個微波接力站w衛(wèi)星從一個頻段接收信號

18、，將其放大或再生后，從另一個頻段發(fā)送出去。w要求位于同步軌道上高度 35,784kmw電視廣播傳輸w長途電話傳輸w專用商業(yè)網(wǎng)絡衛(wèi)星通信紅外線Infraredw通過調(diào)制出的不相干的紅外線光進行通信w視距傳輸 (或反射傳輸)w無法穿透墻體w諸如電視搖控、紅外接口共享信道2.4 信道復用技術(shù)2.4.1 頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用 w復用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a) 不使用復用技術(shù)(b) 使用復用技術(shù)頻分復用 FDM(Frequency Division Multiplexing) w用戶在分配到

19、一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。w頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。 頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5時分復用TDM(Time Division Multiplexing) w時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM 幀）。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。w每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長度）。wTDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。w時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。時分復用 頻

20、率時間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 頻率時間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 頻率時間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 頻率時間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用可能會造成線路資源的浪費 ABCDaabbc

21、db cattttt4 個時分復用幀#1acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。 統(tǒng)計時分復用 STDM(Statistic TDM) 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復用 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 波分復用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) w波分復用就是光的頻分復用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復用器分用器EDFA120 km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3 碼分復用 CDM(Code Division Multiplexing) w常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。w各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。w這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 w每一個

23、比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 碼片序列(chip sequence) w每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。 w例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。wS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特點w每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。w在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序

24、列。 碼片序列的正交關系 w令向量 S S 表示站 S 的碼片向量，令 T T 表示其他任何站的碼片向量。 w兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S S 和T T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)碼片序列的正交關系舉例 w令向量 S S 為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T T 為(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)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。 w任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。w一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1

25、。 正交關系的另一個重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理 S 站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內(nèi)積 S Sx規(guī)格化內(nèi)積 S Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端2.6 寬帶接入技術(shù)xDSL（數(shù)字用戶線）wDSL是在普通電話線上實現(xiàn)數(shù)字傳輸?shù)募夹g(shù)。wDSL屬于接入網(wǎng)技術(shù)“最后一公里”；w開發(fā)目的開發(fā)目的：寬帶接入：滿足視頻、音頻、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)等需要高帶寬的應用；利用現(xiàn)有的、廣泛應用的電話銅線，而不是重新布線。w關鍵關鍵：提高電話線路的傳輸帶寬！提高電話線路的

26、傳輸帶寬！方案：利用4kHz以上語音通信未使用的頻帶wDSLDSL的主要應用的主要應用：網(wǎng)吧、住宅小區(qū)的用戶接入互聯(lián)網(wǎng)WWW，文件/電影/音樂下載wDSLDSL包括以下幾種技術(shù)：包括以下幾種技術(shù)：ADSL ADSL 非對稱數(shù)字用戶線（我國使用最廣泛）非對稱數(shù)字用戶線（我國使用最廣泛）RADSL 速率自適應非對稱數(shù)字用戶線HDSL 高比特率數(shù)字用戶線VDSL 甚高比特率數(shù)字用戶線SDSL 單線對HDSL數(shù)字用戶線（HDSL2）類型類型最大速率最大速率 (b/s)(b/s)距離距離對稱對稱典型應用典型應用POTSPOTS并并存存ADSL/ADSL/RADSLRADSL下行8M上行768k3.55.

27、5km否因特網(wǎng)訪問、視頻點播、 遠程訪問是HDSL/ HDSL/ SDSLSDSL1.544M或2.048M5km是T1/E1專線、無線基站互連、高速LAN互連、因特網(wǎng)接入、視頻應用否VDSLVDSL下行52M上行26M0.31.5km均可高清晰度電視、多媒體傳輸、高速LAN互連、因特網(wǎng)接入是2.6.1 ADSL（非對稱數(shù)字用戶線）w寬帶接入技術(shù)，我國使用最廣泛w兩種標準：G.992.1（G.dmt）， G.992.2（G.lite）w上下行非對稱：用戶CO（上行）：wG.dmt：640kb/s， G.lite：512kb/sCO用戶（下行）：wG.dmt：6.144Mb/s（最高8Mb/s），G.lite：1.5Mb/sw實際的用戶可用速率與線路質(zhì)量、距離和電信公司的市場策略有關ADSL 的特點w上行和下行帶寬做成不對稱的。w上行指