上海交大計算機網絡課件Chap2

第2章物理層傳輸介質電話系統(tǒng)（PSTN）Internet的本地接入傳輸介質雙絞線同軸電纜光纜無線傳輸雙絞線（twistedpair）線間干擾較小、價格便宜、易于安裝可傳輸模擬信號，也可傳輸數字信號

在電話系統(tǒng)的最后一公里，用于傳輸模擬信號在計算機網絡中，用于傳輸數字信號，常用8芯無屏蔽雙絞線（UTP）通常的傳輸距離為100m如Cat3（10Mbps）和Cat5（100Mbps）

傳輸介質雙絞線同軸電纜光纜無線傳輸同軸電纜50Ω同軸電纜50Ω同軸電纜用于數字信號傳輸，目前基本已被雙絞線所替代75Ω同軸電纜75Ω同軸電纜用于模擬信號傳輸，目前主要用于電視信號的傳輸由于75Ω同軸電纜的帶寬極寬，所以，也被用于城域網，如有線通常用的同軸電纜有兩種：傳輸介質雙絞線同軸電纜光纜無線傳輸光纜多模光纜：信號通過光的折射在光纖中傳輸，距離2km單模光纜：直線傳輸，距離10km光傳輸系統(tǒng)包括：光源、傳輸介質（光纖）、光檢測器光纜相對銅纜的特性帶寬高

距離遠

損耗低重量輕無電磁干擾

防竊聽端口設備價格高傳輸介質雙絞線同軸電纜光纜無線傳輸無線傳輸無線電傳輸微波傳輸紅外線和毫米波光波傳輸根據波長分成不同的波段，依次為無線電、微波、紅外、可見光、紫外等

用于通信的電磁波頻段無線電波微波紅外線可見光紫外線X射線γ射線f(Hz)10010210410610810101012101410161018102010221024f(Hz)1041051061071081091010101110121013101410151016雙絞線TVFMAM同軸電纜微波通信衛(wèi)星通信光通信波長30km

3km

30m

3m

30mm

3mm

30μm

3μmTnbmP101Fig.2-11用于通信的電磁波頻段地面無線通信模型傳輸距離：天線的高度、類型和信號強度傳輸可靠性：障礙物傳輸正確性：氣象條件衛(wèi)星通信模型VSAT：甚小孔徑衛(wèi)星終端verysmallaperturesatelliteterminals地面站地球同步衛(wèi)星36000km端到端單程270ms往返540ms地球同步衛(wèi)星VSAT中央站VSAT第2章物理層傳輸介質電話系統(tǒng)（PSTN）Internet的本地接入電話系統(tǒng)（PSTN）公用電話交換網，簡稱：PSTNPublicSwitchedTelephoneNetwork通常的計算機通過MODEM撥號上網，就是通過電話系統(tǒng)進行數據傳輸計算機系統(tǒng)的誤碼率為10-12

，而電話系統(tǒng)的誤碼率為10-5，是計算機系統(tǒng)的107倍綜合比較，相差11個數量級電話系統(tǒng)的樹狀結構每部電話完全互聯是不可能的，所以一般為樹狀結構一級中心：國家級中心二級中心：省、直轄市中心三級中心：區(qū)、縣級中心四級中心：區(qū)內（本地）交換局電話系統(tǒng)的數字化趨勢與模擬傳輸相比，數字傳輸具有明顯的優(yōu)勢，所以電話系統(tǒng)數字化是發(fā)展趨勢電話系統(tǒng)由三部分組成：本地回路：雙絞線，模擬傳輸，1km~10km主干線：交換局間的光纜，數字傳輸交換局：交換設備，交換技術本地回路電話系統(tǒng)中的電話局間都已采用光纜連接，并大多已實現數字傳輸本地回路要實現光纖到戶成本太高且無必要，因為家庭電話毋需復用，也不允許復用Internet是OVER在電話系統(tǒng)上的，所以必須實現遠距離數字數據的傳輸，并且應用對帶寬的需求必將對本地回路的信道復用提出要求Internet可通過本地回路的接入方法接入電話系統(tǒng)的數字化趨勢與模擬傳輸相比，數字傳輸具有明顯的優(yōu)勢，所以電話系統(tǒng)數字化是發(fā)展趨勢電話系統(tǒng)由三部分組成：本地回路：雙絞線，模擬傳輸，1km~10km主干線：交換局間的光纜，數字傳輸交換局：交換設備，交換技術主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用多路復用技術以提高線路的利用率PCM（PulseCodeModulation）脈沖編碼調制PCM由于數字傳輸的明顯優(yōu)勢，所以，主干線都采用數字傳輸，于是終端用戶（如電話的語音信號）的模擬數據到達本地局后，都必須轉換成數字數據，以適合主干線的傳輸PCM以采樣定理為基礎采樣定理：如果在規(guī)定的時間間隔內，以有效信號f(t)最高頻率的二倍或二倍以上的速率對該信號進行采樣，則這些采樣值中包含了全部原始信號信息主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用時分多路復用技術以提高線路的利用率采樣和量化采樣速率：8000次/秒電話系統(tǒng)的歷史及其對整個世界的覆蓋決定了計算機網絡必須OVER在電話系統(tǒng)的承載網上根據人的聽覺功能，電話系統(tǒng)中每個信道的頻寬為4000Hz，根據Nyquist定理，對于4000Hz的信號，多于8000次/秒的采樣是無意義的采樣值的量化一次采樣值分成多少個等級，將決定量化后的數據量，如等分成256個等級，則必須用8bit表示采樣和量化舉例ABCDEFGHt256192128640ABCDEFGH188244240144807212220010111100

11110100

11110000

10010000

01010000

01001000

01111100

11001000

主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用時分多路復用技術以提高線路的利用率T1線路1.544Mb/sT1線路由24個多路復用信道組成每個信道采樣8000次/秒，每次采樣量化為7bit每個信道每次采樣生成7bit數據位加1bit控制位，即7b+1b即每個信道每秒生成56K+8K的傳輸速率24個多路復用信道的每次采樣組成一個幀，即每幀為：8bitx24=192bit，每幀間加一個bit，所以每幀為193bit193bitx8000次采樣/秒=1544000bit/s=1.544Mb/s北美、日本使用T1線路主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用時分多路復用技術以提高線路的利用率E1線路2.048Mb/sE1線路由32個多路復用信道組成每個信道采樣8000次/秒，每次采樣量化為8bit，其中包括用于信令的bit32個多路復用信道的每次采樣組成一個幀，即每幀為：8bitx32個信道=256bit256bitx8000次采樣/秒=2.048Mb/s歐洲、中國使用E1線路多個T1或E1線路的復用一次群：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主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用時分多路復用技術以提高線路的利用率SONET/SDHSONET（SynchronousOpticalNetwork） 同步光纖網美國標準ANSIT1.105~106STS-1（SynchronousTransportSignal）同步傳送信號（電信號）OC-1（OpticalCarrier）光載波（光信號）

采用每125s送出一幀，每幀810B，即810路電話。因此基本速率為8bx810Bx8000次采樣/秒

=51.84Mb/sSDH（SynchronousDigitalHierarchy） 同步數字體系

CCITT推薦的標準STM-1（SynchronousTransportModule）同步傳送模塊

基本速率為155.52Mb/sSONET的OC級和STS級與SDH的STM級的比較在40Mb/s以下，北美的T1~T3和歐洲的E1~E3不同在更高速率的標準上，SONET和SDH基本相同線路速率(Mb/s)SONET（美）SDH（歐）OC級STS級STM級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復用率電話系統(tǒng)的數字化趨勢與模擬傳輸相比，數字傳輸具有明顯的優(yōu)勢，所以電話系統(tǒng)數字化是發(fā)展趨勢電話系統(tǒng)由三部分組成：本地回路：雙絞線，模擬傳輸，1km~10km主干線：交換局間的光纜，數字傳輸交換局：交換設備，交換技術交換設備交叉點交換機空間分隔交換機時分交換機交叉點交換機縱橫制交換機（crossbar）0123456701234567交換設備交叉點交換機空間分隔交換機時分交換機空間分隔交換機可以理解為組交換nxknxknxknxkkxnkxnkxnkxnNNnnXNNnnXN/n個交叉條N/n個交叉條k個交叉條交換設備交叉點交換機空間分隔交換機時分交換機時分交換機核心是時隙互換器（timeslotinterchanger）計數器n個輸入時隙n條輸出線n條輸入線n個輸出時隙輸入幀輸出幀n個詞映射表n個k位的RAM緩沖時隙互換器71625540332617040123456747630521交換技術電路交換報文交換分組交換交換技術圖示報文t電路交換報文交換分組交換ABCDABCDABCD建立連接階段報文報文報文分組傳輸報文階段第2章物理層傳輸介質電話系統(tǒng)（PSTN）Internet的本地接入Internet的本地接入撥號接入ADSL接入InternetoverCable撥號接入家庭主機撥號上網示意圖MODEM

調制解調器通過電話線路訪問遠程服務器使用調制解調器將數字信號轉換成模擬信號必須在某ISP注冊成為合法用戶服務器端采用DHCP協(xié)議，為接入者分配一個臨時的IP地址家庭主機撥號上網示意圖家庭主機通過撥號對遠程服務器的訪問不歸零制編碼的數字數據（數字信號）：A、G經MODEM調制后的數字數據（模擬信號）：B、F經Codec編碼解碼后的數字數據（數字/模擬信號）：C、D、E、HISP1MODEMpoolMMMMMPCMTollofficeTollofficeTollofficeEndofficeLocalloop(Analog)(Twistedpair)Medium-bandwidthtrunk(Digital,fiber)CodecCodecHigh-bandwidthtrunk(digital,fiber)ISP2DigitallineTnbmP124Fig.2-23BCEAGHFD數據傳輸需考慮的問題任何傳輸介質在傳輸信號時都伴隨著干擾（噪聲）和衰減噪聲有熱噪聲和隨機沖擊噪聲兩種衰減與信號的頻率有關，頻率越高衰減程度越大由于數字信號中包含著大量的高次諧波，所以基帶信號不適合作長距離和高速的傳輸尤其應關注在電話系統(tǒng)中使用的是頻分多路復用，人為地限制了每個信道的帶寬為4kHz撥號接入家庭主機撥號上網示意圖MODEM

調制解調器通過電話線路訪問遠程服務器使用調制解調器將數字信號轉換成模擬信號必須在某ISP注冊成為合法用戶服務器端采用DHCP協(xié)議，為接入者分配一個臨時的IP地址MODEM

調制解調器MODEM包括調制和解調兩個功能調制方式有：調幅調頻調相或是上述的組合常用的調制解調器接口有RS-232、RS-449調制解調器，簡稱：MODEMMOdulationandDEModulationMODEM

調制解調器（續(xù)）載波：1000–2000Hz的正弦波使用某種技術，讓載波攜帶數字數據調幅、調頻、調相，或其組合常用的協(xié)議V.32： 6(1)bx2400=14.4kbpsP129Fig.2-26(b)V.34： 12x2400=28.8kbps 14x2400=33.6kbpsV.90： 當ISP為數字接入時，終端用戶上行速率為 33.6kbps，ISP的下行速率為56kbpsInternet的本地接入撥號接入ADSL接入InternetoverCableADSL接入DSL數字用戶線路ADSL的接入模型DMT離散多音調調制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineDSL數字用戶線路對稱線路：HDSL： 1.544~2.048Mbps，2/4對雙絞線，3~4kmSDSL： 1.544~2.048Mbps，1對雙絞線，3km非對稱線路：VDSL： 上行13~52Mbps，下行1.5~2.3Mbps 1對雙絞線，0.xxkmADSL： 上行64k~1Mbps，下行512k~8Mbps 1對雙絞線，3~5kmDSL：digitalsubscriberline使用常規(guī)的電話線路，本地局端的濾波器將限制帶寬為4kHz，但本地回路通常采用的是3類UTP，其實際帶寬遠遠大于4kHz如局端濾波器的限制策略為按需可調，則給定的帶寬可增加根據對上行、下行線路不同的帶寬需求有多種不同的標準ADSL接入DSL數字用戶線路ADSL的接入模型DMT離散多音調調制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineADSL的接入模型Internet用戶側本地局Ethernet端口PC機濾波器用戶配線架局端濾波器交換機配線架程控交換機ADSLmodemATU-RATU-C：ADSLTransmissionUnit－CentralATU-R：ADSLTransmissionUnit－Remote

ADSLmodemATU-CABFGEDC采用曼切斯特編碼、攜帶了數字數據的數字信號：A攜帶了語音數據的模擬信號：C、E、F經ADSLmodem調制后的、攜帶了數字數據的模擬信號：B、D、G多個信道，頻分多路復用ADSL接入DSL數字用戶線路ADSL的接入模型DMT離散多音調調制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineDMT離散多音調調制DMT：DiscreteMultiTonemodulation將本地回路的可用帶寬（約1.1MHz)分成256個4312.5Hz的獨立信道，信道0給傳統(tǒng)的電話，1~5保留，剩下的250個信道中一個給上行控制，一個給下行控制，其余全部用于數據傳輸，由提供者分配哪些給上行，哪些給下行TnbmP132Fig.2-28采用DMT調制的ADSL0123456789251252253254255VoiceUpstreamDownstream…………4312.5Hz常用的ADSL帶寬分配因為用戶對Internet的訪問是不對稱的，所以一般總是將80–90%的信道分配給下行，每個信道都是獨立調制的voice4k4k…4kUpstream64k256k…1MDownstream512k1M…8MInternet的本地接入撥號接入ADSL接入InternetoverCableInternetoverCable社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC中的頻譜分配CableMODEMADSL與HFC的比較InternetoverCable基于社區(qū)電視系統(tǒng)社區(qū)電視系統(tǒng)社區(qū)電視系統(tǒng)的特點覆蓋面很大，系統(tǒng)之間用光纜連接傳播單向電視信號的一個共享系統(tǒng)用同軸電纜作為傳輸介質，帶寬可達750MHz作為Internet接入的可能性數據的雙向傳輸用戶端的CableMODEMInternetoverCable社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC中的頻譜分配CableMODEMADSL與HFC的比較InternetoverCable基于社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC：HybridFiberCoaxCoaxialcableTaphouseFibernodeFiberSwitchHeadEndHighbandwidthfibertrunkTnbmP171Fig.2-47(a)混合光纖電纜系統(tǒng)InternetoverCable社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC中的頻譜分配CableMODEMADSL與HFC的比較InternetoverCable基于社區(qū)電視系統(tǒng)DownstreamDataHFC中的頻譜分配HFC保留了原有的TV及FM的廣播功能實現了數據的非對稱雙向傳輸，以作為Internet的接入UpstreamDataFMTV∥

TV∥

5425488108550750MHz42~54M頻段保留，凡高于此頻段的都是下行信號，低于此段頻的都是上行信號，其實，此頻段是一隔離帶HFC中的頻譜分配每個下行信道占用6~8MHz用模擬方式傳輸，常用的調制方法是QAM-64，對質量特別好的信道也可用QAM-256對6MHz信道，可用的數據傳輸率為36Mbps，去掉一些額外開銷，一般為27Mbps上行信道質量較差，一般用QPSK攜帶2位信息InternetoverCable社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC中的頻譜分配CableMODEMADSL與HFC的比較InternetoverCable基于社區(qū)電視系統(tǒng)CableMODEMCableMODEM與計算機的接口為Ethernet在一個Headend管理下的、并由Cable連接的、所有計算機組成的是一個共享網絡共享站點的競爭發(fā)送不能采用CSMA/CD協(xié)議，因為站點無法對介質進行檢測CableMODEM的初始化PowerOn或Reset后，MODEM將監(jiān)測下行數據流中由headend為新站點提供的系統(tǒng)參數，并通過某一上行信道宣布它的存在Headend為新站點分配上行和下行信道（以后可能會調整）并通知（新站點的）MODEMMODEM發(fā)送一特殊