计算机网络课程详细2

1、第二章物 理 层信道容量z 信道容量：y表征一个信道传输数字信号的能力，用信道所能支持的最大数据速率表示。y信道容量只由信道本身的特征（带宽，信噪比）来决定，与具体的通信手段无关。 z Shannon定理：y带宽为H、信噪比为 S/N 的信道的最大数据速率为 Hlog2(1+S/N) bps。 y信噪比是信号功率S与噪声功率N的比值，常用分贝来表示：10log10S/N。z 信道带宽越宽，所允许的数据速率就越高。因此通信中常用带宽来指代速率，宽带和窄带分别就是高速和低速的同义词。单工、半双工、全双工z单工信道：y仅允许在一个方向上进行数据传输。z半双工信道：y允许在两个方向上进行数据传输，但同

2、一时刻仅能在一个方向上传输。z全双工信道：y允许在两个方向上同时进行数据传输。2.1 双绞线（Twisted Pair）z 双绞线由两根绝缘铜导线按螺旋状缠绕在一起。z 一对双绞线形成一条通信链路，可以传输模拟信号和数字信号。z 双绞线的带宽与导线的粗细、长度及螺旋的密度有关。z 双绞线电缆：y将几对双绞线封装在一个塑料外套中，形成双绞线电缆。y屏蔽双绞线（STP）：采用铝箔套管或铜丝编织层套装，带宽较高；但成本高，不易弯曲，安装复杂。y非屏蔽双绞线（UTP）：无屏蔽层，带宽较低。2.2 同轴电缆（Coaxial Cable）z同轴电缆由一对导体按照“同轴”的形式构成。z两类同轴电缆：y基带同

3、轴电缆：阻抗为50，一般传输数字信号。传输距离较短，数据速率较低。曾被广泛用作电话系统的长途干线和用于传统局域网的组网，但现在基本上已被光纤和双绞线所替代。y宽带同轴电缆：阻抗为75，一般传输模拟信号。传输距离长，速率高，最常用做有线电视电缆。采用有线电视网络提供因特网接入，是宽带住宅接入的另一种可选方式。2.3 光纤（Fiber Optics）z光纤传输系统由3个部分组成：y光源：发光二极管或激光，将数字比特串转换成一系列光脉冲。y光检测器：光电二极管，将光脉冲转换成电脉冲。目前光电二级管的响应时间限制了光纤中的最高数据速率为10Gbps。y光纤：由两种折射系数不同的石英玻璃纤维组成，光线在

4、光纤中全反射地向前传播。2.4 无线传输介质z 无线传输的频率范围大致从无线电到可见光（104-1015Hz），高速数据传输通常发生在高频区域。3 编码z 不归零码（NRZ）：使用固定的高电平和低电平来表示“1”和“0”，不利于时钟信号的提取。z 不归零反转：用当前信号的一个跳变表示“1”，用保持当前信号表示“0”，没有解决连续传输“0”的问题。 z 曼彻斯特编码：传输NRZ编码数据与时钟的“异或”值使时钟与信号合并。 z 差分曼彻斯特编码：每个比特信号中间都有一个跳变，用每个比特信号开始时与前一个比特信号的后半部分有无跳变来表示数据，有跳变表示“0”，无跳变表示“1” 。z 4B/5B编码：

5、将每4个比特的数据编码为5个比特，降低相同数据速率下的信号速率。编码示例4 公用交换电话网（PSTN）z电话系统结构z本地回路与调制解调z干线与多路复用z交换4.2 本地回路z本地回路连接计算机到最近的端局。z问题：y本地回路设计用于传输一路模拟的话音信号，带宽约为4000Hz，而计算机发出的数字信号的带宽很宽。y如何在本地回路上进行数据传输？（1）调制解调器（modem）z 利用原有的本地回路，将数字信号转换成适合在本地回路上传输的模拟信号。z 调制（modulation）：利用某个频率的正弦波作为载波，令其振幅、频率或相位随数字信号的变化而变化，即使该载波携带要传输的数字信息。z 解调（d

6、emodulation）：从经过调制的载波中恢复出数字信号。z 三种基本的调制方法：振幅调制，频率调制（频移键控），相位调制（相移键控）。调制方法图示(a) A binary signal (b) Amplitude modulation(c) Frequency modulation(d) Phase modulation调制解调器的速率z 提高调制解调器的数据速率有两种方法：提高信号速率，增加调制状态。z 大多数调制解调器使用2400波特信号速率，通过增加调制状态来提高数据速率：y使用多个振幅、频率或相位，如QPSKy将几种调制方法（多为ASK和PSK）结合起来使用，如QAM-16、QAM

7、-64z 标准调制解调器的最高速率为33.6Kbps；56kbps调制解调器支持上行33.6kbps，下行56kbps。z 优化技术：y引入额外的校验比特检测和纠正错误y传输数据前先进行数据压缩y发送前测试线路质量，选择合适的数据速率。QPSK、QAM-16和QAM-64(a) QPSK (b) QAM-16 (c) QAM-64（2）非对称数字用户线路（ADSL）z将用户线接入一个不同的交换机，使用本地回路的全部带宽（约1.1MHz）进行数据传输。zADSL的特点：y将本地回路划分成256个4KHz信道，使用其中的250个信道进行数据传输y上行和下行提供不同的数据速率y每个信道的信号速率为4

8、000波特，采用QAM调制，最高可达到15比特/波特y每个信道的实际速率根据信道质量自动调整4.3 干线与多路复用z问题：干线的传输容量很大，一次只传输一路信号不能充分利用资源，如何在干线上同时传输多路信号？z多路复用（multiplexing）：在一条线路上同时传输多路信号的技术。z电话干线上常用的多路复用技术有频分多路复用和时分多路复用，波分多路复用是频分多路复用的一个特例。（1）频分多路复用FDM(a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency.(c) The multiplexed channel.线

9、路的带宽被分成许多子频带，每个子频带用来传输一路信号。（2）时分多路复用TDMz多路信号在不同的时间使用信道，前提是采用数字传输。z模拟话音信号在本地回路的末端先进行数字化，再合成到数字主干上。z脉冲编码调制（PCM）包括三个步骤：y采样：对模拟信号进行采样（时间上离散化）y量化：将采样值量化到最近的等级上（取值上离散化）y编码：用一个二进制比特表示量化等级。4.4 交换（switching）z 数据包从一条线路转发到另一条线路，这个过程称为交换。z 电路交换：y传输数据前需要在发送端和接收端之间建立一条实际的物理通路。y优点：保证数据传输的可靠性和顺序，传输延迟短。y缺点： 需要建立和拆除电

10、路，线路利用率低。z 分组交换：y以长度受限的数据块（分组）为基本传输单位，采用存储-转发方式传输，传输之前不需要建立实际的物理通路。y优点：线路利用率高，易于实现广播，鲁棒性好。y缺点：传输延迟大且不确定，协议复杂。z 总之，电路交换以资源利用率为代价换取较好的传输质量，而分组交换刚好相反。电路交换和分组交换示例(a) Circuit switching (b) Packet switchingCDMA技术z 每个比特时间被分为m个时隙，称为码片（chip）。z 每个节点被分配一个唯一的m比特码序列（chip sequence）。z 节点发送“1”时，发送其码序列；发送“0”时，发送其码序列

11、的反码。z 当多个节点同时发送时，信号在空中线性相加。z 任意两个码序列都是正交的，即假如用S和T表示两个不同的码序列，用/S和/T表示各自的反码，那么应有如下关系式：ST0， S/T0， SS1， S/S-1；z 当一个节点需要接收某个节点（如X）的信号时，必须知道X的码序列（设为S），然后用S与接收到的信号（设为P）作相关运算，即可解出X发送的信号： SP=0，没有发送数据；SP=1，发送的是“1”；SP=-1，发送的是“0”7 拓扑结构z 星型结构：所有端节点通过点到点链路连接到中心节点，端节点间的通信必须通过中心节点进行。总线结构z 总线结构：所有节点连接到一根公用的通信线路上。环型结构z 环型结构：节点和连接节点的点到点链路组成一个闭合环，每个节点从一条链路上接收数据，然后立即以同样的速率在另一条链路上发送出去。树型结构z 树型