計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)B-第2章 物理層

本章重點(diǎn)與學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的特點(diǎn)與區(qū)別；掌握信道極限傳輸速率公式；掌握雙絞線與光纖的特點(diǎn)與應(yīng)用范圍。2.1案例需求在魯中學(xué)院校園網(wǎng)中，首先要考慮的問(wèn)題是如何采用傳輸媒體，把計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)。接下來(lái)要考慮選用哪種類型的媒體，室內(nèi)媒體與室外媒體是否應(yīng)該不同，連接計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的媒體使用什么樣的連接頭。還要考慮一些理論上的問(wèn)題：如0與1如何在媒體中以光與電的形式傳輸，媒體傳輸速率有沒(méi)有上限，同一媒體是否可以同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)。2.2信道

2.2.1有關(guān)信道的根本概念1．單工通信當(dāng)數(shù)據(jù)只能單向傳輸，即一方發(fā)送，另一方只能接收而不能發(fā)送時(shí)，稱為單工通信。2．半雙工通信數(shù)據(jù)能夠雙向傳輸，但在同一時(shí)刻每一方只能發(fā)送或接收，稱為半雙工通信。通信雙方都不能同時(shí)發(fā)送與接收。3．全雙工通信

通信雙方都可以同時(shí)發(fā)送與接收，互不影響。兩人可以同時(shí)說(shuō)話，也不用按任何按鈕，使用起來(lái)非常方便。信道〔channel〕表示向某一方向傳送數(shù)據(jù)的媒體。從數(shù)據(jù)的傳輸方向與方式看，一個(gè)信道可有以下3種通信方式：概念數(shù)據(jù)〔data〕是運(yùn)送信息的實(shí)體。信道中傳輸?shù)碾娀蚬饽敲捶Q為信號(hào)〔signal〕，是數(shù)據(jù)的電或光的表現(xiàn)。無(wú)論是數(shù)據(jù)還是信號(hào)，都有模擬的〔analog〕與數(shù)字的〔digital〕之分。模擬的指取值可以連續(xù)變化，數(shù)字的那么指取值只能取有限的幾個(gè)離散值。模擬與數(shù)字信號(hào)可以相互轉(zhuǎn)換模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字稱為模/數(shù)〔A/D〕轉(zhuǎn)換，數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬稱為數(shù)/模〔D/A〕轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)信道中傳輸?shù)男盘?hào)一般是數(shù)字的〔只有0與1〕。如何用數(shù)字信號(hào)來(lái)表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)？數(shù)字信號(hào)可取多個(gè)離散值，最簡(jiǎn)單的情況是只取兩個(gè)值：電信號(hào)就是低電壓與高電壓，光信號(hào)那么是有光與無(wú)光。模擬、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬、數(shù)字信號(hào)

模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字發(fā)送器電信號(hào)表示時(shí)：用高電壓表示1，用低電壓表示0。但這種方法在遇到連續(xù)多個(gè)0或1時(shí)信號(hào)將不會(huì)變化，接收時(shí)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中并不采用此法。廣泛使用的是曼徹斯特編碼〔克服以上缺點(diǎn)〕：由低電壓跳變到高電壓表示0，由高電壓跳變到低電壓表示1。數(shù)字信號(hào)優(yōu)點(diǎn)與模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)最大的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性好。GSM數(shù)字的語(yǔ)音質(zhì)量比老式的模擬高得多；硬盤上的數(shù)字音樂(lè)與數(shù)字電影無(wú)論復(fù)制多少遍都與原版一樣，磁帶上的模擬音樂(lè)與錄像帶上的模擬電影復(fù)制幾次就無(wú)法與原版相比了。道理非常簡(jiǎn)單：一個(gè)信號(hào)值從5V被干擾變成4V，如果是模擬信號(hào)就再也變不回5V，如果是數(shù)字信號(hào)卻仍能分辨出它是高電壓，代表1，并且復(fù)制時(shí)再把它變回5V。2.2.2信道的數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率的根本單位是b/s〔位/秒〕，因此假設(shè)要按字節(jié)計(jì)算速率就必須除以8。bit/s也可寫為bps〔bitpersecond〕。需要注意的是，在計(jì)算機(jī)世界，K、M、G、T的含義有兩種，另一種是：1Kbps=103bps1Mbps=106bps1Gbps=109bps1Tbps=1012bps1K=210=10241M=220=10485761G=230=10737418241T=240。硬盤廠家聲明硬盤容量是250GB，可是用某些軟件查看時(shí)容量卻不到240GB？目前，雙絞線的數(shù)據(jù)傳輸速率有10Mbps、100Mbps等幾種，光纖的速率高得多，有2.5Gbps、10Gbps等幾種。無(wú)線信道的速率較低，有11Mbps、54Mbps等幾種。香農(nóng)〔Shannon〕公式一個(gè)信道的數(shù)據(jù)傳輸速率越高越好，但是速率高到一定程度，信號(hào)的失真、衰減會(huì)變得非常嚴(yán)重，接收方就不能正確接收。1948年香農(nóng)指出：對(duì)于一個(gè)帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道，存在一個(gè)極限傳輸速率，當(dāng)?shù)陀诖怂俾蕚鬏敂?shù)據(jù)時(shí)，可以做到不產(chǎn)生過(guò)失。香農(nóng)公式這個(gè)極限速率由以下確定：C=Wlog2(1+S/N)〔香農(nóng)公式〕其中：C為信道的極限傳輸速率，單位是bps；W為信道的帶寬，單位是赫茲〔Hz〕；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯白噪聲的功率；S/N稱為信噪比。帶寬〔bandwidth〕是通信技術(shù)中的概念，信號(hào)的帶寬指該信號(hào)所占據(jù)的頻率范圍，例如，某信號(hào)的頻率范圍是1000～9000Hz，那么它的帶寬就是8000Hz。2.3信道復(fù)用技術(shù)信號(hào)在信道中傳輸時(shí)，最簡(jiǎn)單的是一條信道傳輸一路信號(hào)。為提高效率，考慮在一條信道上同時(shí)傳輸多路信號(hào)。信道復(fù)用〔multiplexing〕技術(shù)就是在發(fā)送端將多路信號(hào)進(jìn)行組合，然后在一條信道上傳輸，接收端再將組合信號(hào)別離出來(lái)。利用復(fù)用技術(shù)，一條信道好似劃分成了多條信道，彼此之間互不影響。復(fù)用技術(shù)中最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何劃分信道而不出現(xiàn)混亂。根據(jù)劃分信道技術(shù)的不同，復(fù)用技術(shù)主要分為三大類：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用與碼分復(fù)用。2.3.1頻分復(fù)用在頻分復(fù)用〔FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM〕技術(shù)中，劃分信道的依據(jù)是頻率。信道的帶寬被分成假設(shè)干個(gè)相互不重疊的頻段，每路信號(hào)占用其中一個(gè)頻段，因而在接收端可以采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備將多路信號(hào)分開(kāi)，從而恢復(fù)出所需要的信號(hào)頻率時(shí)間頻帶1頻帶2頻帶3頻帶4頻帶52.3.2時(shí)分復(fù)用在時(shí)分復(fù)用〔TimeDivisionMultiplexing，TDM〕技術(shù)中，劃分信道的依據(jù)是時(shí)間。將時(shí)間劃分成假設(shè)干時(shí)間片〔也稱為時(shí)隙〕，并將這些時(shí)間片分配給每一個(gè)發(fā)送方。發(fā)送方把數(shù)據(jù)拆分，在自己的時(shí)間片內(nèi)獨(dú)占信道的整個(gè)帶寬傳輸。接收方再把收到的不連續(xù)的數(shù)據(jù)復(fù)原成原始數(shù)據(jù)。2.3.3碼分復(fù)用頻分復(fù)用是各用戶占用全部的時(shí)間與局部的帶寬；時(shí)分復(fù)用是各用戶占用局部的時(shí)間與全部的帶寬。如果各用戶都占用全部的時(shí)間與全部的帶寬會(huì)怎么樣？一般情況下這會(huì)造成混亂，接收方無(wú)法正確別離各路信號(hào)。但是利用碼分復(fù)用〔CodeDivisionMultiplexing，CDM〕技術(shù)，可以讓各用戶占用全部的時(shí)間與全部的帶寬，同時(shí)接收方可以正確別離各路信號(hào)。碼分復(fù)用也稱為碼分多址〔CodeDivisionMultipleAccess，CDMA〕。碼分復(fù)用碼分復(fù)用的每一個(gè)用戶都有一個(gè)地址碼，當(dāng)要發(fā)送1時(shí)，就發(fā)送自己的地址碼；當(dāng)要發(fā)送0時(shí)，就發(fā)送自己地址碼的反碼〔1變0，0變1〕。假設(shè)地址碼是1010，當(dāng)要發(fā)送1時(shí)，就發(fā)送1010；當(dāng)要發(fā)送0時(shí)，就發(fā)送0101。所有用戶可以同時(shí)占用全部帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方如何別離出自己想要接收的數(shù)據(jù)？當(dāng)某一接收方要接收S用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，它必須知道S的地址碼，利用S的地址碼對(duì)接收到的混合信號(hào)加以處理，就能別離出S發(fā)送的數(shù)據(jù)。地址碼顯然是碼分復(fù)用技術(shù)的關(guān)鍵地址碼長(zhǎng)度一般是64位或128位，各用戶唯一，不能重復(fù)。不是任意二進(jìn)制位串就能充當(dāng)?shù)刂反a，地址碼必須符合嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。碼分復(fù)用具有抗干擾能力強(qiáng)、話音質(zhì)量好、發(fā)射功率低、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，所以最初用于軍事通信。碼分復(fù)用已廣泛運(yùn)用于民用通信中。如電信的CDMA。第三代移動(dòng)通信〔3G〕的幾種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，都使用了碼分復(fù)用技術(shù)。三種信道復(fù)用技術(shù)經(jīng)常綜合運(yùn)用最后需要指出的是，以上三種信道復(fù)用技術(shù)經(jīng)常綜合運(yùn)用。例如，GSM綜合運(yùn)用了頻分復(fù)用與時(shí)分復(fù)用技術(shù)；在我國(guó)提出的第三代移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA中，綜合運(yùn)用了頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用與碼分復(fù)用這三種技術(shù)。2.4傳輸媒體傳輸媒體也叫做傳輸介質(zhì)。傳輸媒體分為導(dǎo)向傳輸媒體與非導(dǎo)向傳輸媒體兩類。前者包括同軸電纜、雙絞線、光纖等；后者就是指空間，無(wú)線電波可以在空間中傳播，不需要任何物理線路。2.4.1同軸電纜

同軸電纜〔coaxialcable〕的得名與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)。它有內(nèi)外相互絕緣的兩個(gè)同軸心導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體為銅線，外導(dǎo)體多為編織網(wǎng)與鋁塑復(fù)合帶組合。內(nèi)外導(dǎo)體之間有一絕緣層，使內(nèi)外導(dǎo)體絕緣。內(nèi)外導(dǎo)體相當(dāng)于電路的正負(fù)極，構(gòu)成一個(gè)完整的電回路。同軸電纜根據(jù)其直徑大小可以分為粗同軸電纜與細(xì)同軸電纜。2.4.2雙絞線同軸電纜被淘汰后，雙絞線〔twisted-pairwire〕成為現(xiàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最常用的傳輸媒體。雙絞線由幾對(duì)或幾十對(duì)具有絕緣層的銅導(dǎo)線組成，具有4對(duì)導(dǎo)線的雙絞線最常見(jiàn)。每一對(duì)導(dǎo)線都絞在一起，這樣可以抵御外界干擾，更主要的是能夠降低自身信號(hào)的對(duì)外輻射量，以增大傳輸距離。每一根導(dǎo)線都有不同的顏色以便區(qū)分。導(dǎo)線外面是絕緣護(hù)套。屏蔽雙絞線上述雙絞線稱為非屏蔽雙絞線〔UnshieldedTwisted-Pairwire，UTP〕，除此之外還有屏蔽雙絞線〔ShieldedTwisted-Pairwire，STP〕。屏蔽雙絞線在導(dǎo)線與護(hù)套之間增加了一個(gè)金屬屏蔽層以提高性能。屏蔽雙絞線價(jià)格較貴，而非屏蔽雙絞線已經(jīng)能夠滿足要求，因此得到了廣泛使用。雙絞線的連接頭雙絞線的連接頭是RJ-45頭，俗稱水晶頭。用專用的壓線鉗把雙絞線與RJ-45頭連接在一起非常簡(jiǎn)單，熟練時(shí)一分鐘就可完成。兩端都有RJ-45頭的短雙絞線在工程上稱為跳線，用來(lái)近距離連接設(shè)備。2.4.3光纖計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)媒體的最正確選擇是雙絞線，室外媒體的最正確選擇那么是光纖〔fiberoptics〕。1977年，世界上第一條光纖速率僅為45Mbps?，F(xiàn)在光纖的傳輸速率已經(jīng)到達(dá)10Gbps，因特網(wǎng)的骨干線路已經(jīng)全部使用光纖。如何用光來(lái)表示數(shù)據(jù)呢？可以用光的強(qiáng)弱來(lái)表示不同的數(shù)據(jù)，最簡(jiǎn)單的方法是有光代表1，無(wú)光代表0。光纖由非常透明的石英玻璃拉制而成，像頭發(fā)一樣細(xì)，有圓柱形的內(nèi)外兩層，內(nèi)層叫做纖芯，外層叫做包層。光纖有兩種：多模光纖與單模光纖。光纜光纖很細(xì)，非常脆弱，在實(shí)際應(yīng)用中把幾根幾十根甚至幾百根光纖包裝在一起，再加上鋼絲、潤(rùn)滑膏等填充物，外面包上硬質(zhì)護(hù)套，做成。這樣做成的光纜非常適合用作室外傳輸媒體.光端機(jī)當(dāng)光纖進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，一般接入光端機(jī)，光端機(jī)實(shí)際上就是光電轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)雙絞線中的電信號(hào)與光纖中的光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，如下圖。圖中光端機(jī)有兩個(gè)光纖接口，一個(gè)雙絞線接口。兩條光纖一收一發(fā)，可以進(jìn)行全雙工通信。光纖的優(yōu)點(diǎn)〔1〕速率高。一根單模光纖傳輸一束光線時(shí)，傳輸速率可以是2.5Gbps，利用更好的技術(shù)可以到達(dá)10Gbps。10Gbps的速率對(duì)于局域網(wǎng)已經(jīng)足夠了，但是還不能滿足因特網(wǎng)骨干線路的需要。因特網(wǎng)的骨干線路使用密集波分復(fù)用技術(shù)，同時(shí)增加光纜中光纖的數(shù)量?！?〕傳輸距離遠(yuǎn)。光纖用作局域網(wǎng)室外媒體時(shí)，距離可達(dá)幾千米，一根雙絞線最長(zhǎng)只能是100m。光纖用作骨干線路媒體時(shí)，距離可達(dá)100Km。超過(guò)這個(gè)距離時(shí)，就要使用放大器。〔3〕抗干擾性和保密性好。光雖然也是電磁波，但波長(zhǎng)比無(wú)線電波短得多，因此很難被干擾，保密性也很好。光纖的缺點(diǎn)光纖的缺點(diǎn)：價(jià)格高于雙絞線，直接連接光纖的光設(shè)備費(fèi)用高于連接雙絞線的電設(shè)備。光纖最大的問(wèn)題是連接困難。把RJ-45頭連接在雙絞線上只需要一分鐘時(shí)間，在光纖上安裝連接頭卻很困難，連接兩根光纖同樣非常困難，必須使用專門的光纖熔接機(jī)。現(xiàn)在的開(kāi)展趨勢(shì)是全部采用光纖通信，這就是所謂的光纖到桌面。2.4.4無(wú)線傳輸很多情況下很難架設(shè)這些物理線路。隨著筆記本電腦的迅速增多，隨時(shí)隨地找到網(wǎng)線接口上網(wǎng)變得越來(lái)越困難。利用不需要線纜的無(wú)線電波可以很好地解決這些問(wèn)題。微波在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最為常用。微波在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)有兩種方式，即地面微波接力通信與衛(wèi)星通信。從理論上講，只需3顆同步衛(wèi)星就可以覆蓋全球。衛(wèi)星通信不需要眾多的中繼站，但衛(wèi)星及其發(fā)射的本錢較高。無(wú)線傳輸應(yīng)用中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信等運(yùn)營(yíng)商都提供無(wú)線上網(wǎng)的效勞。無(wú)線局域網(wǎng)在今天已經(jīng)開(kāi)展得非常成熟。很多單位都已建立了無(wú)線局域網(wǎng)，使用價(jià)格低廉的無(wú)線設(shè)備，家庭中也可以很容易地組建無(wú)線局域網(wǎng)。因特網(wǎng)改變了人們的生活方式，以為代表的無(wú)線通信同樣也改變了人們的生活方式。iphone把因特網(wǎng)與無(wú)線通信結(jié)合起來(lái)會(huì)怎么樣呢？這就是移動(dòng)因特網(wǎng)，在任何時(shí)間都可以連入因特網(wǎng)。2.4.5結(jié)構(gòu)化綜合布線結(jié)構(gòu)化綜合布線可以簡(jiǎn)稱為綜合布線，也可以簡(jiǎn)稱為結(jié)構(gòu)化布線。所謂綜合布線，就是指建筑群內(nèi)的線路布置標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化、統(tǒng)一化。綜合布線主要包括以下內(nèi)容：〔1〕選擇適宜的線路與設(shè)備?！?〕所有線路統(tǒng)一布設(shè)。〔3〕要平安可靠。〔4〕要容易擴(kuò)展。〔5〕要維護(hù)方便。2.5物理層協(xié)議簡(jiǎn)介物理層協(xié)議的內(nèi)容主要包括各類媒體連接頭的形狀與尺寸、上下電壓的范圍、光信號(hào)強(qiáng)弱的范圍、媒體的傳輸速率等。實(shí)際上物理層協(xié)議與計(jì)算機(jī)技術(shù)并無(wú)太大的關(guān)系，而與通信技術(shù)關(guān)系密切。在局域網(wǎng)中，物理層協(xié)議規(guī)定了可以使用的媒體、數(shù)據(jù)傳