(計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電子教案-第五版-謝希仁)第二章 物理層

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第5版）第2章物理層課件制作人：謝希仁第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(chǔ)知識

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

2.2.2有關(guān)信道的幾個基本概念

2.2.3信道的極限容量

2.2.4信道的極限信息傳輸速率2.3物理層下面的傳輸媒體

2.3.1導(dǎo)向傳輸媒體

2.3.2非導(dǎo)向傳輸媒體第2章物理層（續(xù)）2.4信道復(fù)用技術(shù)

2.4.1頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用

2.4.2波分復(fù)用

2.4.3碼分復(fù)用2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術(shù)

2.6.1xDSL技術(shù)

2.6.2光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）

2.6.3FTTx

技術(shù)2.1物理層的基本概念物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機(jī)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。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。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。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(chǔ)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(jī)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?jǐn)?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(jī)幾個術(shù)語數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)送消息的實體。信號(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。“模擬的”(analogous)——代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的?！皵?shù)字的”(digital)——代表消息的參數(shù)的取值是離散的。碼元(code)——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。如果一個信號有N個不同的波形或電平，即有N個不同的狀態(tài)，則每個波形或電平需要用log2N個二進(jìn)制位來表示，此時，每個碼元包含log2N個二進(jìn)制位。碼元

2.2.2有關(guān)信號的幾個基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。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(dāng)然也就不能同時接收)。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(bandpass)信號基帶信號（即基本頻帶信號）——來自信源的信號。像計算機(jī)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?；鶐盘柾休^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。因此必須對基帶信號進(jìn)行調(diào)制(modulation)。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(jìn)行調(diào)制(modulation)。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010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相2.2.3信道的極限容量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。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。數(shù)字信號通過實際的信道有失真，但可識別失真大，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）接收信號波形信道能夠通過的頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。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?dāng)_的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。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?dāng)_。(1)奈奎斯特定理

奈奎斯特定理指出：在信道具有有限帶寬、理想低通特性和無噪聲情況下，信道容量為：

C＝2W(Bd)＝2Wlog2N(bps)

其中：C是信道容量；W為信道頻帶寬度，單位為Hz；N為給定時刻數(shù)字信號可能取的電平狀態(tài)個數(shù)。

例：若一理想低通信道帶寬為6KHz，并通過4個電平的數(shù)字信號，則在無噪聲的情況下，信道容量為

C＝2×6KHz×(log24)bps＝24Kbps(2)信噪比香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)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。信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW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。S/N為信噪比。實際中用分貝數(shù)(dB)表示，即l0lg(S/N)(dB)2.3信道特性

例：信噪比為30dB，帶寬為4000Hz的隨機(jī)噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 C＝4000Hz×log2(1＋103)bps＝4000Hz×log21001bps≈40000bps 其中：10lg(S/N)＝30，則S/N＝103。香農(nóng)公式表明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。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。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當(dāng)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。實際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。請注意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(dá)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)頻無線電海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動無線電電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2.3.1導(dǎo)向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜各種電纜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外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜2.7傳輸介質(zhì)

1.雙絞線雙絞線由相互絕緣的一對銅導(dǎo)線絞扭在一起組成。

(1)雙絞線分類

按結(jié)構(gòu)雙絞線可分為屏蔽雙絞線STP(ShieldeTwistedPair)和非屏蔽雙絞線UTP(UnshieldeTwistedPair)。屏蔽雙絞線將絞扭后的導(dǎo)線用鋁箔包裹，用以提高抗電磁干擾的能力。 按性能雙絞線可分為1類、2類、3類、4類、5類、超5類和6類線，目前常用的有5類、超5類和6類線。雙絞線1類線:一對線組成，用作電話線,9600bps；2類線:一對線組成，用作ISDN或T1/E1線路1.54Mbps3類線:四對線組成，用作10Mbps以太網(wǎng)；4類線：用于語音傳輸和最高傳輸速率為16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸；5類線:四對線組成，用作100Mbps以太網(wǎng)，傳輸距離為100m；超5類線：用作千兆以太網(wǎng)，傳輸速率為1000Mbps，傳輸距離為100m；6類線：傳輸速率達(dá)到1Gbps，傳輸距離為100m。2.7傳輸介質(zhì)

雙絞線

(2)直通線與交叉線 雙絞線通過RJ-45接頭與網(wǎng)卡、交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接。目前工程中制作接頭時的線序標(biāo)準(zhǔn)有EIA/TIA的T568A和T568B兩種。直通線：PC/路由器-交換機(jī)/HUB、HUB-HUB(級連端口)交叉線：交換機(jī)-交換機(jī)、PC-PC、HUB-HUB(標(biāo)準(zhǔn)端口)引腳號12345678T568A標(biāo)準(zhǔn)白/綠綠白/橙藍(lán)白/藍(lán)橙白/棕棕T568B標(biāo)準(zhǔn)白/橙橙白/綠藍(lán)白/藍(lán)綠白/棕棕T568A標(biāo)準(zhǔn)和T568B標(biāo)準(zhǔn)12345678123456781234567812345678交叉線EIA-568B直同線EIA-568A引腳號12345678T568A標(biāo)準(zhǔn)白/綠綠白/橙藍(lán)白/藍(lán)橙白/棕棕T568B標(biāo)準(zhǔn)白/橙橙白/綠藍(lán)白/藍(lán)綠白/棕棕雙絞線的連接同軸電纜銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護(hù)套基帶電纜粗纜非中繼傳輸距離<10km細(xì)纜（便宜的同軸電纜）非中繼傳輸距離185米寬帶電纜非中繼傳輸距離<100km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瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖光纖光纖--由能傳導(dǎo)光波的石英玻璃纖維外加保護(hù)層構(gòu)成的。帶寬頻率范圍：50THz數(shù)據(jù)傳輸率：100Gbps實際使用：10Gbps,原因：光/電、電/光轉(zhuǎn)換的速度跟不上;光電子技術(shù)/光子技術(shù)通過光纖中光的波長0.85μm/1.3μm/1.55μm光纖及光纜構(gòu)成玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼單芯光纜多芯光纜單模光纖和多模光纖多模光纖（multi-modefiber）內(nèi)芯直徑稍大,其中有多個光沿不同的方向同時傳播。直徑為62.5μm使用普通發(fā)光二極管作為光源波長為0.85um中繼距離2公里單模光纖（single-modefiber）內(nèi)芯直徑較小，與光的波長接近，光沿同一方向傳播。直徑為8～10μm使用激光源,波長為1.55um中繼距離100公里激光器光檢波器單束光線沿直線傳播多束光線以不同的反射角傳播激光器包層折射率低纖芯折射率高亮度調(diào)制光檢波器光纖的特點優(yōu)點高帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸率抗電磁干擾強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠抗腐蝕衰減小缺點單向傳輸光纖接口價格昂貴工藝復(fù)雜、安裝技術(shù)復(fù)雜（1）無線電波無線電通信就是利用地面發(fā)射的無線電波通過電離層的反射而到達(dá)接收端的一種遠(yuǎn)距離通信方式。無線電通信使用的頻率一般在3MHz至1GHz。無線電波的傳播特性與頻率有關(guān)。在低頻上，無線電波能輕易地繞過一般障礙物，但其能量隨著傳播距離的增大而急劇遞減。在高頻上，無線電波趨于直線傳播并易受障礙物的阻擋，還會被雨水吸收。(2)微波對于頻率在100MHz以上的無線電波，其能量將集中于一點并沿直線傳播，這就是微波。微波通信是利用無線電波在對流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，它使用的頻率范圍一般在1GHz至20GHz左右。由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收天線必須精確對準(zhǔn)，而且每隔一段距離就需要一個中繼站。中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達(dá)到80km。地面微波--通過地面站之間接力傳送--接力站之間距離：50-100km--速率：每信道45Mb/s地球地面站之間的直視線路微波傳送塔35,784公里地球地球同步衛(wèi)星--與地面站相對固定位置--使用3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球--傳輸延遲時間長（≈270ms）--廣播式傳輸--應(yīng)用領(lǐng)域：

電視傳輸、長途電話、專用網(wǎng)絡(luò)、廣域網(wǎng)

常用傳輸介質(zhì)的比較傳輸介質(zhì)傳輸方式速率/工作頻帶傳輸距離性能價格應(yīng)用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s模擬:10km數(shù)字:500m較好低模擬/數(shù)字信號傳輸50Ω同軸電纜基帶10Mb/s<3km較好較低基帶數(shù)字信號75Ω同軸電纜寬帶≤450MHz100km較好較低模擬電視、數(shù)據(jù)及音頻光纖基帶40Gb/s20km以上很好較高遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)傳輸微波寬帶4-6GHz幾百km好中等遠(yuǎn)程通信衛(wèi)星寬帶1-10GHz18000km很好高遠(yuǎn)程通信共享信道2.4信道復(fù)用技術(shù)

2.4.1頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用

復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a)不使用復(fù)用技術(shù)(b)使用復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復(fù)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(fù)用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復(fù)用則是將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個時分復(fù)用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。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）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復(fù)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(fù)用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復(fù)用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復(fù)用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復(fù)用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復(fù)用可能會造成

線路資源的浪費(fèi)ABCDaabbcdbcattttt4個時分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機(jī)數(shù)據(jù)時，由于計算機(jī)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(fù)用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分復(fù)用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。8

2.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3碼分復(fù)用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。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。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。

例如，S站的8bit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。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特點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)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。碼片序列的正交關(guān)系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(2-3)碼片序列的正交關(guān)系舉例令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1

+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。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。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。正交關(guān)系的另一個重要特性CDMA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2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)

1.脈碼調(diào)制PCM體制

脈碼調(diào)制PCM體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。由于歷史上的原因，PCM有兩個互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的24路PCM（簡稱為T1）和歐洲的30路PCM（簡稱為E1）。我國采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn)。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時，可采用復(fù)用的方法。2.同步光纖網(wǎng)SONET和

同步數(shù)字系列SDH舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)。

不是同步傳輸。在過去相當(dāng)長的時間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。

同步光纖網(wǎng)SONET同步光纖網(wǎng)

SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。第1級同步傳送信號

STS-1(SynchronousTransportSignal)的傳輸速率是51.84Mb/s。光信號則稱為第1級光載波

OC-1，OC表示OpticalCarrier。

同步數(shù)字系列SDH

ITU-T以美國標(biāo)準(zhǔn)SONET為基礎(chǔ)，制訂出國際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列

SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可認(rèn)為SDH與SONET是同義詞。SDH的基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級同步傳遞模塊

(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相當(dāng)于SONET體系中的OC-3速率。線路速率(Mb/s)SONET符號ITU-T符號表示線路速率的常用近似值

51.840OC-1/STS-1

155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s

466.560OC-9/STS-9STM-3

622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s

933.120OC-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級/STS級與SDH的STM級的對應(yīng)關(guān)系SONET的體系結(jié)構(gòu)光子層路徑層線路層段層線路(line)光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復(fù)用器或分用器復(fù)用器或分用器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器段段段路徑(path)(section)(section)(section)SONET標(biāo)準(zhǔn)定義了

四個光接口層光子層(PhotonicLayer)處理跨越光纜的比特傳送。段層(SectionLayer)在光纜上傳送STS-N幀。線路層(LineLayer)負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。路徑層(PathLayer)處理路徑端接設(shè)備PTE(PathTerminatingElement)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。

總線型結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線拓?fù)涫且环N采用共享介質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有站點通過硬件接口連接到總線上，采用廣播式信號傳輸，任何一個站點發(fā)出的信號能夠被其它站點接收到。總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點：

(1)所需電纜較少，只需一根總線。

(2)結(jié)構(gòu)簡單，組建容易。

(3)易于擴(kuò)充。

BEDCA總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點：

(1)信號傳輸范圍有限。

(2)故障診斷和隔離困難。

(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能不穩(wěn)定。BEDCA星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由一個中心結(jié)點和連接到中心結(jié)點的多個站點組成。中心結(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中起到控制和交換作用，是網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備，也是網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸。中心結(jié)點一般較復(fù)雜，而其它各個站點的通信處理負(fù)擔(dān)較小。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點：

(1)控制簡單，組網(wǎng)方便。在星型網(wǎng)絡(luò)中，由于任何一個站點只與中心結(jié)點相連接，因而介質(zhì)訪問控制的方法很簡單，組網(wǎng)也很方便。

(2)容易進(jìn)行故障診斷和隔離。在星型網(wǎng)絡(luò)中，單個結(jié)點的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)，容易進(jìn)行故障檢測和定位。

BEDCA

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點：

(1)所需電纜較多。因為每個站點都要和中心結(jié)點直接相連，需要使用較多的電纜。

(2)中心結(jié)點負(fù)擔(dān)重，形成瓶頸，一旦發(fā)生故障，全網(wǎng)受影響。BEDCA環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一系列首尾相接的中繼器組成一個閉合環(huán)，每個中繼器連接一個工作站。整個環(huán)路每次只允許一路信號傳輸，而且是單向的，信號沿一個方向傳輸。由于多個站連接在同一個環(huán)上，共享一條傳輸介質(zhì)，因此，需要采用分布式介質(zhì)訪問控制技術(shù)，控制站點的發(fā)送順序。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點：

(1)所需電纜少。環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)所需的電纜數(shù)量和總線網(wǎng)絡(luò)相似，但比星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)要少。

(2)擴(kuò)充容易。增加或減少工作站時，僅需簡單的連接。BEDCA環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點：

(1)結(jié)點的故障會引起全網(wǎng)的故障。

(2)檢測故障較困難，這與總線拓?fù)湎嗨啤?/p>

(3)環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議都采用令牌控制方式，因此在負(fù)載很輕時，其等待時間相對較長。BEDCA樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

樹型拓?fù)涫且环N分層結(jié)構(gòu)，所有結(jié)點按照一定的層次關(guān)系排列起來，頂端是根，根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支。數(shù)據(jù)傳輸時，根接收信號，然后再以廣播式發(fā)送到全網(wǎng)。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點：

(1)易于擴(kuò)展。從根本上講，這種結(jié)構(gòu)可以延伸出很多分支和子分支，這些新結(jié)點和新分支都較容易加入網(wǎng)內(nèi)。

(2)故障隔離容易。如果某一分支的結(jié)點或線路發(fā)生故障，很容易將故障分支和整個系統(tǒng)隔離開來。 樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點： 各個結(jié)點對根的依賴性太大，如果根發(fā)生故障，全網(wǎng)則不能正常工作。BEDCAF網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)型拓?fù)涞臉?gòu)形不規(guī)則，結(jié)點之間的連接是任意的。大多數(shù)情況下，一個結(jié)點至少和兩個以上的結(jié)點相連。當(dāng)所有結(jié)點之間均有直達(dá)通路連接時，就成為全連通的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?yōu)點是不受瓶頸問題和失效問題的影響。這是由于結(jié)點之間有許多條路徑相連，可以為數(shù)據(jù)流的傳輸選擇適當(dāng)?shù)穆酚?，一旦出現(xiàn)故障，信號可繞過失效的部件或繁忙的結(jié)點。缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也較復(fù)雜，成本比較高。但由于它的可靠性高，在主干網(wǎng)中仍使用較多。接入網(wǎng)與接入技術(shù)

從用戶個數(shù)來講，Internet接入一般分為單機(jī)接入和網(wǎng)絡(luò)接入兩種方式。當(dāng)內(nèi)部局域網(wǎng)接入Internet時，一般是內(nèi)部局域網(wǎng)中的一臺計算機(jī)（服務(wù)器）采用高速接入技術(shù)直接連接互聯(lián)網(wǎng)，而局域網(wǎng)中的其它計算機(jī)則通過該計算機(jī)訪問互聯(lián)網(wǎng)。接入網(wǎng)與接入技術(shù)

從鏈路速度來講，Internet接入方式可分為普通鏈路（低速）接入和高速鏈路接入兩種。普通鏈路接入一般是家庭用戶和較小的單位利用調(diào)制解調(diào)器(MODEM)和普通電話線，采用SLIP/PPP方式撥號上網(wǎng)，這種方式運(yùn)行速度較慢，但價格便宜，付費(fèi)方式一般可采用包月制；而高速鏈路接入方式比較適合于公司、企業(yè)和機(jī)關(guān)團(tuán)體，它可以實現(xiàn)局域網(wǎng)和Internet的連接，并提供較高的傳輸速率和多種服務(wù)。接入網(wǎng)與接入技術(shù)

高速鏈路技術(shù)近幾年發(fā)展迅速，主要技術(shù)有ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）、xDSL（數(shù)字用戶線路）、DDN（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)）、T1線路、CableModem（線纜調(diào)制解調(diào)）、FR（幀中繼）、光纖接入和小區(qū)寬帶接入新技術(shù)等。然而，由于不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡性，政府、社會資金投入也存在差別，各地用戶使用的接入技術(shù)也不盡相同。接入網(wǎng)與接入技術(shù)

從連接服務(wù)方式來看，Internet接入可分為通過電話網(wǎng)(撥號上網(wǎng))、分組網(wǎng)和專用線路三種服務(wù)方式上網(wǎng)。由于分組網(wǎng)上網(wǎng)方式費(fèi)用較為昂貴，因而很少有人使用，而電話撥號入網(wǎng)方式價格便宜而最為常用，它又可分為聯(lián)機(jī)服務(wù)方式和SLIP／PPP方式。專線方式則有很多種，如ISDN、DDN、ADSL等多種技術(shù)。MODEM接入Modem是一個數(shù)字信號與模擬信號之間的轉(zhuǎn)換設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)連接速度較低，而且性能較差。目前廣泛使用的56KModem的下行速率可以達(dá)到56Kbit/s，而上行速率只有33.6Kbit/s。常見的Modem一般分為獨立外置式和插卡內(nèi)置式兩種。外置式Modem與打印機(jī)一樣是一個單獨的外設(shè)，通過RS232電纜連接到計算機(jī)的一個串口上。它具有以下優(yōu)點：提供狀態(tài)指示燈，十分輕巧，便于移動，能與多種計算機(jī)相連，不占用PC擴(kuò)展槽，不受計算機(jī)內(nèi)部的影響，其缺點是占用計算機(jī)外部的桌面空間，占用一個COM口，要求有獨立的直流穩(wěn)壓電源。MODEM接入撥號接入方式的網(wǎng)絡(luò)互連結(jié)構(gòu)ISDN接入基于模擬通信方式的公眾電話網(wǎng)（PSTN）已不能滿足人們對集成了語音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合業(yè)務(wù)的處理需要，面臨著兩種選擇：一種是重新鋪設(shè)高速線纜，新建一個網(wǎng)絡(luò)；另一種是繼續(xù)使用現(xiàn)成的公眾電話網(wǎng)，但技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新、改造。ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork），即綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)就是后者的實際技術(shù)方案。我國在20世紀(jì)90年代初建成了第一個ISDN模型網(wǎng)，并且在1996年正式向用戶提供ISDN業(yè)務(wù)，被稱之為“一線通”。ISDN接入1、ISDN的工作方式及特點根據(jù)所提供帶寬的不同，ISDN可分為窄帶（N-ISDN）和寬帶（B-ISDN）兩種。目前，N-ISDN相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)已非常完善，技術(shù)已相當(dāng)成熟，各類接入設(shè)備也很豐富，是ISDN的主要應(yīng)用領(lǐng)域。而有關(guān)B-ISDN的技術(shù)相對較為復(fù)雜，主要是基于ATM（異步交換模式）提供150Mbit/s以上速度的業(yè)務(wù)，而且與之相關(guān)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步完善，是將來的發(fā)展方向，現(xiàn)在國內(nèi)電信機(jī)構(gòu)推出的“一線通”即為N-ISDN中的一種服務(wù)。

ISDN用戶端的網(wǎng)絡(luò)接口有兩種類型：PRI和BRI。PRI（PrimaryRateInterface，基群速率接口）的速率為2Mbps，類似于模擬網(wǎng)絡(luò)的中繼接口；BRI(BaicRateInterface，基本速率接口)的速率為144Kbit/s，類似于模擬網(wǎng)絡(luò)的用戶接口。通常見到的接入技術(shù)（如一線通）是BRI接口。

ISDN基于現(xiàn)有的公眾電話網(wǎng)，通信線路就是普通的電話線，使用方法與使用普通電話時沒有區(qū)別，但與普通的模擬電話不同的是，ISDN在線路上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，而非被處理之后的模擬信號。而且，使用ISDN可以同時打兩個電話，或者以128Kbit/s的速率上網(wǎng)，或者邊打電話邊以64Kbit/s的速率上網(wǎng)，互不干擾，所有這些，都在同一條電話線上實現(xiàn)。ISDN接入當(dāng)多個設(shè)備同時接入一條ISDN線路時，需要網(wǎng)絡(luò)終端（NTI）、終端適配器（TA）和ISDN卡3種設(shè)備。這3種設(shè)備功能如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)終端（NTI和NTIPlus）

NTI是ISDN連接中的必需設(shè)備。NTI有兩種接口，分別是“U接口”和“S/T接口”，其中U接口與電信局的電話線相連，S/T接口則為用戶端接口，一個S/T端口可同時連接8個ISDN的數(shù)字設(shè)備。ISDN接入

(2)終端適配器（TA）

TA又叫ISDNModem，是將現(xiàn)有模擬設(shè)備的信號轉(zhuǎn)換成ISDN幀格式的數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備。在使用了ISDN后，模擬電話、G3類傳真機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等模擬設(shè)備也能使用。方法是在ISDN設(shè)備中提供了TA，負(fù)責(zé)連接一些不符合ISDN標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備，TA再與NTI連接。TA起到了模擬設(shè)備接入ISDN的轉(zhuǎn)接作用。TA與NTI配套使用，而如果使用的是NTIPlus，一般情況下就不需要TA了。ISDN接入

(3)ISDN卡

ISDN其實是一個內(nèi)置式的TA，它安裝在計算機(jī)的擴(kuò)展槽中，將計算機(jī)連接到NTI或NTIPlus上。一臺計算機(jī)不安裝ISDN卡也同樣能夠與ISDN連接，不過這時只能通過計算機(jī)的串口或并口接到TA的RS232數(shù)據(jù)接口上，而不能直接與NTI相連。ISDN接入ISDN工作原理

2.6寬帶接入技術(shù)

2.6.1xDSL技術(shù)xDSL

技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號的頻帶被限制在300~3400kHz的范圍內(nèi)，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過1MHz。xDSL

技術(shù)就把0~4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。DSL就是數(shù)字用戶線(DigitalSubscriberLine)的縮寫。而DSL的前綴x則表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案。xDSL

的幾種類型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非對稱數(shù)字用戶線HDSL(HighspeedDSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL(Single-lineDSL)：1對線的數(shù)字用戶線VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速數(shù)字用戶線DSL：ISDN用戶線。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自適應(yīng)DSL，是ADSL的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率）。ADSL的極限傳輸距離ADSL的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。例如，0.5毫米線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時可傳送5.5公里，但當(dāng)傳輸速率提高到6.1Mb/s時，傳輸距離就縮短為3.7公里。如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里ADSL接入

ADSL主要特點有：

(1)充分利用現(xiàn)有的電話線，保護(hù)了現(xiàn)有的投資。但為了保證ADSL的良好運(yùn)行，還必須對部分線路進(jìn)行必要的改造。

(2)傳輸速率高，下行最大速率為8Mbit/s，上行最大速率為1Mbit/s，分別是56KModem的170多倍和30多倍，并且屬于非對稱傳輸，符合因特網(wǎng)、視頻點播（VOD）等業(yè)務(wù)的運(yùn)行特點。

(3)一條線上可同時傳送語音信號和數(shù)字信號，互不干擾。

(4)由于每根線路由每個ADSL用戶獨有，因而寬帶也由每個ADSL用戶獨占。ADSL的特點上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調(diào)制解調(diào)器。我國目前采用的方案是離散多音調(diào)DMT(DiscreteMulti-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT技術(shù)DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。每個子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴(yán)格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。DMT技術(shù)的頻譜分布…頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道…(kHz)~40~138~1100ADSL的數(shù)據(jù)率由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此ADSL采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。當(dāng)ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質(zhì)量。ADSL不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通ADSL。通常下行數(shù)據(jù)率在32kb/s到6.4Mb/s之間，而上行數(shù)據(jù)率在32kb/s到640kb/s之間。ADSL的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線電話分離器區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至ISP居民家庭基于ADSL的接入網(wǎng)端局或遠(yuǎn)端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接單元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表遠(yuǎn)端Remote）電話分離器PS(POTSSplitter)

2、ADSL的工作過程及設(shè)備安裝第一步：Internet主機(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)光纖傳到電話公司的中心局第二步：在中心局，ADSL訪問多路復(fù)用器（Multiplexer）調(diào)制并編碼用戶數(shù)據(jù)，然后整合來自普通電話線路的語音信號。第三步：被整合后的語音和數(shù)據(jù)信號經(jīng)普通電話線傳輸?shù)接脩艏抑?。第四步：由用戶端的ADSLModem（或ADSLModem卡）分離出數(shù)字信號和語音信號，然后數(shù)字信號通過解調(diào)和解碼后傳送到用戶的計算機(jī)中，而語音信號則傳送到電話機(jī)上，兩者互不干擾。ADSL接入

ADSL的安裝包括局端線路調(diào)整和用戶端設(shè)備安裝。在局端方面由服務(wù)商將用戶的電話線接入ADSL局端的專用設(shè)備。在用戶端，只要將電話線接入分離器，分離器與ADSLModem之間用一條2芯的電話線連接。在計算機(jī)上必須安裝一塊網(wǎng)卡，ADSLModem與計算機(jī)網(wǎng)卡之間用一條雙絞線連接，將電話機(jī)直接接入分離器即可。如果使用的是ADSLModem卡，只需將ADSLModem卡裝入計算機(jī)的擴(kuò)展槽中，然后用一條隨卡所帶的專用線接入分離器即可。當(dāng)硬件安裝完成后，對IP地址、DNS和網(wǎng)關(guān)參數(shù)項進(jìn)行設(shè)置，完成軟件的安裝。之后計算機(jī)就可以自動建立與因特網(wǎng)的專線連接，不需要撥號。

第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）

ADSL2+（G.992.5）通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2要求至少應(yīng)支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+則將頻譜范圍從1.1MHz擴(kuò)展至2.2MHz，下行速率可達(dá)16Mb/s（最大傳輸速率可達(dá)25Mb/s），而上行速率可達(dá)800kb/s。采用了無縫速率自適應(yīng)技術(shù)

SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在運(yùn)營中不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。改善了線路質(zhì)量評測和故障定位功能，這對提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)水平具有非常重要的意義。2.6.2光纖同軸混合網(wǎng)

HFC(HybridFiberCoax)HFC網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)CATV的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。HFC網(wǎng)除可傳送CATV外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。現(xiàn)有的CATV網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸。而HFC網(wǎng)則需要對CATV網(wǎng)進(jìn)行改造，HFC的主要特點

(1)HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖HFC網(wǎng)將原CATV網(wǎng)中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術(shù)。在模擬光纖中采用光的振幅調(diào)制AM，這比使用數(shù)字光纖更為經(jīng)濟(jì)。模擬光纖從頭端連接到光纖結(jié)點(fibernode)，即光分配結(jié)點ODN(OpticalDistributionNod