计算机网络(宋晖)第二章VIP

计算机网络,第2章物理层,第2章物理层,2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型2.2.2有关信道的几个基本概念2.2.3提高数据传输速率的途径2.3物理层下面的传输媒体2.3.1导向传输媒体2.3.2非导向传输媒体,第2章物理层（续）,2.4信道复用技术2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用2.4.2波分复用2.4.3码分复用2.5数字传输系统2.5.1脉码调制PCM体制2.5.2同步光纤网SONET和同步数字系列SDH2.6宽带接入技术2.6.1ADSL技术2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）2.6.3FTTx技术,物理层简介,物理层它直接面向实际承担数据传输的物理媒体(即信道)。物理层的传输单位为比特。物理层是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始透明比特流的物理连接。注意：物理层既不是指连接计算机的具体物理设备，也不是指负责信号传输的具体物理介质，而是指物理介质上为上一层(数据链路层)提供传输比特流的一个物理连接。,2.1物理层的基本概念,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：机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、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件的出现顺序。,2.2数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型,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,PC机,几个术语,数据(data)运送消息的实体。信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。,2.2.2有关信号的几个基本概念,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。,基带(baseband)信号和带通(bandpass)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，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。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）。,几种最基本的调制方法,基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,正交振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation),r,(r,),可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。,由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,举例,2.2.3信道的极限容量,任何实际的信道都不是理想的，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重。,数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别失真大，无法识别,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,信道能够通过的频率范围,1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，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）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。,(2)信噪比,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。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/sW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为信道内部的高斯噪声功率。,香农公式表明,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，就一定可以找到某种办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（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C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。,请注意,对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办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。,2.3物理层下面的传输媒体,传输媒体：也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类：导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播。非导向传输媒体：指自由空间，电磁波传播称无线传输。导向媒体有线非导向媒体无线,电信领域使用的电磁波的频谱,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅无线电,调频无线电,海事无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,1041051061071081091010101110121013101410151016,10010210410610810101012101410161018102010221024,移动无线电,2.3.1导向传输媒体,双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光缆,双绞线,内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套,铜线,铜线,聚氯乙烯套层,聚氯乙烯套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,无屏蔽双绞线UTP,屏蔽双绞线STP,无屏蔽双绞线的种类,1类线用于5Mbps传输(适用于语音/低速传输)2类线用于5Mbps传输(适用于语音/低速传输)3类线用于16Mbps传输(10M以太网电缆)4类线用于20Mbps传输5类线用于100Mbps传输超5类线用于155Mbps传输（最常用的网络电缆）6类线用于250Mbps传输7类线用于600Mbps传输电缆上通常印有类别标志,如cat5或category5(5类线)标准规定计算机网络常用双绞线(UTP)每根长度不宜超过100米。,双绞线的特点,其频率范围对于传输数据和语音都适用（现在5类非屏蔽双绞线的传输频率上限可以达到100MHZ以上）所以模拟传输（宽带信号）/数字传输（基带信号）均可使用单位价格最低，但每根只能连接一站点，线路总费用增加抗高频干扰能力较差使用双绞线需在传输速率和传输距离之间作出选择,广泛使用的同轴电缆有两种：一种为50(指沿电缆导体各点的电磁电压对电流之比)同轴电缆，用于数字信号的传输，即基带同轴电缆；另一种为75同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。基带传输型(主要用于LAN)50RG-8（粗缆）单段传输距离最远为500米RG-58(细缆）单段传输距离最远为185米频带传输型(主要模拟传输)75公用天线电视系统(CATV)用,同轴电缆,同轴电缆,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,同轴电缆,光缆（光导纤维）,光纤系统中使用的光源器件,有两种类型，皆为施加电压便可发射光束的半导体装置。LED(发光二极管)价廉，工作温度范围较大，工作寿命较长，但只能发射发散的光线，只在短距离内使用。ILD(注入式激光二极管)根据激光原理工作，光线具有高度集中性，高效高数据速率长距离,光纤通信的原理,光是一种电磁波，它在真空中传输速度最快（每秒30万千米），但传输速度随传输介质密度增大而降低。相对于其他传输媒介，低损耗、高带宽和高抗干扰性是光纤最主要的优点。目前光纤的数据传输率已达2.4G甚至更高速率（20G以上）。根据贝尔实验室测试，当数据速率为420Mbps且距离为119km无中继器时，其误码率为10-8，可见其传输质量很好。,光的传输特性,主要用于：主干网（高速）防雷击保密（防窃听）,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,光纤传输原理,光纤利用全反射使光线在信道内定向传输。光纤中心是玻璃或塑料的芯材，外面填充着密度相对较小的玻璃或塑料材料（覆层）。两种材料的密度差异必须达到能够使纤芯中的光线只能反射回来而不能折射入覆层的程序。,多模光纤是指在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。其光纤芯径在50到100m的范围内，多条入射角度不同的光线可以同时在一条光纤反射式地传播。,MultimodeFiber多模光纤,多模光纤,单模光纤SingleMode,使用折射率突变型光纤。其芯径被减少到某个波长级，这样只有一个角度即“模式”的光纤可以通过：轴心光线。于是所有光线都能“同时”到达，并能无失真地重新组合，通常用于长距离的传输。,光纤的应用,容量更大能以数百Gbps的数据率传输几十千米(比较:同轴电缆能以数百Mbps的数据率传输1千米;双绞线能以几Mbps的数据率传输1千米，或以100Mbps至1Gbps的数据率传输数十米）。尺寸更小且重量更轻衰减最小电磁隔离不受外部电磁场影响(干扰、冲激噪声和串扰影响小)无能量辐射，也难以分接（防窃听功能),2.3.2非导向传输媒体,用自由空间作为传输介质来进行数据通信。特点:信号沿直线传播适用:架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。,两台便携式电脑通过红外进行数据传输,使用无线传输和无线集线器实现无线网络,将网络数据转化为无线电波,将无线电波转化为网络数据,分类,红外通信、激光通信和微波通信微波通信又主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星通信。,地面微波的传输,在物理线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响；两个地面站之间传送，距离为50-100km；,应用,长途电信服务比同轴电缆使用的放大器或转发器少(每10-100km一个),但要求在视距内传输用于语音和电视传输点对点的短距传输（建筑区内）闭路电视局域网间的数据链路,卫星微波,卫星是一个微波接力站卫星从一个频段接收信号，将其放大或再生后，从另一个频段发送出去。要求位于同步轨道上高度35,784km电视广播传输长途电话传输专用商业网络,卫星通信,红外线Infrared,通过调制出的不相干的红外线光进行通信视距传输(或反射传输)无法穿透墙体诸如电视摇控、红外接口,共享信道,2.4信道复用技术2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a)不使用复用技术,(b)使用复用技术,频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing),用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing),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。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A在TDM帧中的位置不变,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B在TDM帧中的位置不变,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C在TDM帧中的位置不变,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D在TDM帧中的位置不变,时分复用可能会造成线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,使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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,统计时分复用STDM(StatisticTDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3个STDM帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7,01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm,2.4.2波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing),波分复用就是光的频分复用。,82.5Gb/s1310nm,20Gb/s,复用器,分用器,EDFA,120km,光调制器,光解调器,2.4.3码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing),常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，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能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。,码片序列(chipsequence),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：(111+1+11+1+1),CDMA的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。,码片序列的正交关系,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：,(2-3),码片序列的正交关系举例,令向量S为(111+1+11+1+1)，向量T为(11+11+1+1+11)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。,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。,正交关系的另一个重要特性,CDMA的工作原理,S站的码片序列S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m个码片,t,S站发送的信号Sx,T站发送的信号Tx,总的发送信号Sx+Tx,规格化内积SSx,规格化内积STx,数据码元比特,发送端,接收端,2.6宽带接入技术xDSL（数字用户线）,DSL是在普通电话线上实现数字传输的技术。DSL属于接入网技术“最后一公里”；开发目的：宽带接入：满足视频、音频、多媒体、互联网等需要高带宽的应用；利用现有的、广泛应用的电话铜线，而不是重新布线。关键：提高电话线路的传输带宽！方案：利用4kHz以上语音通信未使用的频带DSL的主要应用：网吧、住宅小区的用户接入互联网WWW，文件/电影/音乐下载,DSL包括以下几种技术：ADSL非对称数字用户线（我国使用最广泛）RADSL速率自适应非对称数字用户线HDSL高比特率数字用户线VDSL甚高比特率数字用户线SDSL单线对HDSL数字用户线（HDSL2）,2.6.1ADSL（非对称数字用户线）,宽带接入技术，我国使用最广泛两种标准：G.992.1（G.dmt），G.992.2（G.lite）上下行非对称：用户CO（上行）：G.dmt：640kb/s，G.lite：512kb/sCO用户（下行）：G.dmt：6.144Mb/s（最高8Mb/s），G.lite：1.5Mb/s实际的用户可用速率与线路质量、距离和电信公司的市场策略有关,ADSL的特点,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