北京邮电大学《计算机网络》

ComputerNetwork计算机网络,北京邮电大学计算机学院王小茹,2THEPHYSICALLAYER物理层数据通信技术,学习计算机网络底层（物理层）的基本技术这些技术应用于各种局域网和广域网的底层,CONTENTS,2.1THETHEORETICALBASISFORDATACOMMUNICATION：数据通信的基础理论2.1.1数据通信的模型和相关技术2.1.2性能指标和傅立叶分析2.1.3传输技术2.1.4调制解调技术2.1.5编码解码技术2.1.6信道的复用技术2.2TRANSMISSIONMEDIA：传输介质2.3WIRELESSTRANSMISSION：无线通信2.4SWITCHING：交换,本章要解决的本质问题：,计算机产生的数据:在什么样的介质上（机械:Interfaces），以什么方式（电气:Electrical），如何有序的（时序:Timing）传输到另一台计算机上。,这就是物理层,2.1数据通信的基础知识2.1.1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,正文,正文,PC机,基本术语,数据(data)信息的实体。模拟数据：连续变化，如语音，温度等；数字数据：离散变化，如文字，整数等。信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)连续变化的。“数字的”(digital)取值是离散数值。,基本术语,信息(information)数据的内容/内涵。信源产生和发生信息的设备（计算机）。信宿接收和处理信息的设备（计算机）。信道用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。数字信道采用数字信号传输数据的信道。模拟信道采用模拟信号传输数据的信道。,模拟的和数字的数据、信号,基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号,基带信号：就是将数字数据1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号：则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。这样由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段，因此合在一起后不会相互干扰，从而可在一条电缆中同时传送许多路的数字信号，提高利用率。举一个生活中例子？,基带传输和频带传输,基带传输：数字信号在数字信道上传输；使用的数字信号不是简单的基带信号，而是按照一定的编码后变成对应的物理信号在线路上传输，到了接收端再进行解码（是线路编码或信号编码，与文字、语音和图像的编码（信源编码）不同）。频带传输：数字数据借助于模拟信道传输。这样可以利用已有的非常普遍的模拟电话网，必须使用调制，将数字数据转换为模拟信号发送，到了接收端再进行解调。举一个生活中例子？,2.1.2性能指标和傅立叶分析,在信道上传输数据时有什么样的限制？！,2.1.2数据通信系统的性能指标,时延和时延带宽积信息传输速率和码元传输速率,1.时延（DELAY),指一个数据块（帧、分组、报文段）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间.发送时间：数据块长度/信息传输速率传播时延：信道长度/电磁波在信道上的传播速率转发时延：中间结点转发数据引起的时延。总时延发送时间传播时延转发时延。,时延带宽积,时延带宽积传播时延带宽（比特/秒）例如：某一链路的传播时延500us；带宽100M/s,时延带宽积50000比特表明发送的第一个比特到达终点时，发送端已经发出了50000个比特，充满整个链路。对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到充分的利用。,RTT（往返时延）,RTT：从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。,2.“压迫”信号的三座大山,信号传输期望的理想信号：,时延：transmissiondelay衰减:attenuation噪声:noise,在物理层上，信道对于信号的传输影响是很显著的！,你能用学过的数学模型解释分析吗？,傅立叶分析：FourierAnalysis,任何正常的周期为T的函数g(t),都可以由（无限个）正弦和余弦函数合成。f=1/T为基频（基波）an为正弦函数n次谐波的振幅；bn为余弦函数n次谐波的振幅。,例子：,（1）带宽（Bandwidth）的概念,数字信号的传输可以看成是无限个傅立叶分量构造成的信号在信道中传输。传输的质量主要受衰减、失真等因素影响。但实际上，所有的传输设施对于不同的傅立叶分量的影响并不相同，因此会导致信号变形。在传输过程中，振幅（能量）不会明显减弱的这一段频率范围成为带宽。,此时强调的带宽是信道的带宽；信道的带宽越高，传输信号的能力越强。,（2）信息传输速率,就是计算机网络的带宽，指计算机网络可通过的最高数据率，即每秒多少比特。单位为比特/秒，即b/s，又称比特率。通常所说的100兆的以太网其信息传输速率就是100M/s，这里包括传输的净荷以及为控制传输所附加的信息。,什么是宽带？,宽带线路：可通过较高数据率的线路。宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。,对宽带传输的错误概念,有些人愿意用“汽车在公路上跑”来比喻“比特在网络上传输”，认为宽带传输的好处就是传输更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。对于这种比喻一定要谨慎对待。,常见的错误是混淆了两种速率,在网络中有两种不同的速率：信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒）计算机向网络发送比特的速率（比特/秒）这两种速率的意义和单位完全不同。宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,在宽带线路上比特传播得快,在窄带线路上比特传播得慢,错误的概念,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。,正确的概念,比喻：汽车运货,宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短,另一种错误概念“宽带”相当于“多车道”,多车道公路是并行传输,100101110100100111010001011010,通信线路上通常都是串行传输,想一想：普通的电话线路能传送计算机数据吗？,不能能,已知条件：,假设数据/信息传输率为b位/秒（b比特/秒）发送8位所需的时间为8/b秒；一次谐波的频率是b/8Hz；一条普通电话线通常的截至频率为3000Hz,则可以发送的谐波次数大约是：3000/（b/8）或24000/b。,数据/信息传输率与谐波的关系,（3）码元传输速率,码元：一个离散信号（电压）状态或信号事件码元传输速率B（信号速率、调制速率）定义：每秒传输的码元数单位：波特（Baud),3信道的最高码元传输速率,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,失真不严重失真严重,实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形(失真不严重),奈氏(Nyquist)准则,Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。,理想低通信道的最高码元传输速率=2HBaud,H是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),H(Hz),要强调以下两点,实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。,BridgeBaudandBit,信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mnb/s。,BridgeBaudandBit,码元传输速率B（信号速率、调制速率）定义：每秒传输的码元数单位：波特（Baud)信息传输速率C（数据传输速率）定义：每秒传输的比特数单位：比特/秒（bps、b/s、bit/s）两者的关系：CBlog2V(bps)V：一个码元所取得有效离散值个数,4TheMaximumDataRateofaChannel信道的极限信息传输速率,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=Hlog2(1+S/N)b/sH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H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。,奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围,源系统,传输系统,目的系统,传输系统,源点,终点,发送器,接收器,输入信息,输出信息,2.1.3数据的传输方式,单工、全双工和半双工传输串行和并行通信,1单工、全双工和半双工,单工传输：在一个单一不变的方向上进行信息传输的通信方式，只有一个方向不变的单向信道连接了两个设备。半双工传输：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)。全双工传输：（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。两设备之间存在两条不同方向的信息传输通道，可以同时在两个方向上传输数据。,2串行通信和并行通信,计算机网络中的通信方式是串行通信！,2.1.4调制解调技术,研究数字数据在模拟信道中传输的方法：调制：数字数据模拟化的方法；解调：将以调制的信号还原为原来的数字数据。,1调制解调器的作用,调制解调器(modem)包括：调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在3003400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。本课中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1kHz的标准话路带宽）上的调制解调器。,调制解调器的作用（续）,调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。,2几种最基本的调制方法,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,ASK,FSK,PSK,相位调制的星座图,3一种正交调制QAM,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。,4调制解调器的速率,目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。,2.1.5编码解码技术,研究如何在数字信道上高效地传输数据信号：计算机网络中使用最普遍的还是基带传输方式。基带传输必须将数字数据进行线路编码再进行传输，到了接收端再解码，还原原有的数据,WhyandWhy?,为什么数字数据不直接使用基带信号在物理信道上传输，而要按一定的方式编码之后再进行传输呢？,编码更有利于在接收端区分0和1；编码可以在传输信号中携带时钟，便于接收端提取定时时钟信号；采用合理的编码方式，可以适合信道的传输特性，充分利用信道的传输能力。,4.mB/nB编码（m移动电话呼叫信道：从基站移动电话访问信道：双向数据信道：双向,频率的复用和小区的分裂,呼叫管理过程,移动电话自定位21条控制信道呼叫过程访问信道MTSO定位呼叫信道连接过程访问信道数据信道,越区切换/移交,硬切换有300ms的延迟软切换无缝,2.3.3第二代移动通信:数字语音,基本接入方法FDMATDMACDMA声码器的使用不用于PCM,1.数字蜂窝电话,利用FDM，划分出信道利用TDM，同一个信道让多个用户使用。分类：D-AMPS:数字的高级移动电话系统GSM：全球移动通信系统,2.码分复用CDMA,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),每个站被指派一个惟一的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：,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的各分量值代入公式式就可看出这两个码片序列是正交的。(11）（11）（11）（11）（11）（11）（11）（11）111111110,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,例子,A：00101110-1-1+1-1+1+1+1-1B：01011100-1+1-1+1+1+1-1-1S：A+B-2000+2+20-2S*A=(A+B)*A=A*A+B*A=1+0=(8/8)=1S*B=(A+B)*B=A*B+B*B=0+1=1,CDMA的工作原理,S站的码片序列Sm,1,1,0,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,数据码元比特,发送端,接收端,GSMVSCDMA,2.3.4第三代移动通信,IMT2000工作在2000MHZ的频率上两个标准WCDMACDMA2000折衷方案GPRS3G千呼万唤，犹抱琵琶,2.3.54G和LTE,(1)高速率。(2)以数字宽带技术为主。(3)良好的兼容性。(4)较强的灵活性。(5)多类型用户共存。(6)多种业务的融合。(7)先进的技术应用。(8)高度自组织、自适应的网络。,LTE,UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)系统的广泛应用满足了用户对数据业务的需求，有效提高了通话质量和数据速率。然而，宽带接入技术的出现及普及，Wi-Fi，WiMAX系统高数据速率的优势，对UMTS系统带来很大的冲击。这使得UMTS系统数据速率不高、时延较长、网络结构复杂等不足愈加明显。因此，3GPP(3rdGenerationPartnershipProject)提出的UMTS的长期演进计划(LTE)，通过提供一个以高速率和低时延为特征的分组优化系统来保证UMTS在未来10年的竞争力和领先性。,LTE的关键技术一,LTE规定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，这保证了使用不同频谱资源用户间的正交性。OFDMA中一个传输符号包括并行传输的M个正交的子载波，而在SC-FDMA机制中M个正交子载波以串行方式进行传输，降低了信号较大的幅度波动，降低了峰功比。此外，为了保证上行多用户之间的正交性，要求各用户的上行信号在CP长度的误差范围之内同时到达eNodeB，因此eNodeB需要根据用户远近位置来调整各用户的发射时间。,2.4交换的概念报文交换、电路交换和分组交换,业务是如何影响网络设计的！,1.电报网和报文交换,电报网的定义：文本信息二进制编码数字传输报文交换；报文交换的关键技术：编址路由存储转发,ABCD,报文交换,t,2.电话网和电路交换,两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。,更多的电话机互相连通,5部电话机两两相连，需10对电线。N部电话机两两相连，需N(N1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。,使用交换机,当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。,交换机,“交换”的含义,在这里，“交换”(switching)的含义是：转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。,电路交换的特点,电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接,电路交换举例,A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换举例,C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换传送计算机数据效率低,计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。,报文,3.分组交换的原理（一）,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数据,数据,数据,分组交换的原理（二）,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,分组交换的原理（三）,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，分组就能传送到最终目的地。,分组交换的原理（四）,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数据,首部,数据,首部,数据,首部,收到的数据,数据,数据,数据,分组交换的原理（五）,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,请注意首部的位置,接收端在发送端的左方时，首部往往画在分组的左方。接收端在发送端的右方时，首部往往画在分组的右方。,分组交换网的示意图,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1向H5发送分组,H2向H6发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,注意分组的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1向H5发送分组,结点交换机,主机,在结点交