计算机网络(第8版)-第2章物理层

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分类专栏：计算机网络文章标签：计算机网络网络

于 2023-02-12 14:25:12 首次发布

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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有关的一些特性，即：

机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

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的意义。

过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

大家知道，数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

图2-1 数据通信系统的模型

调制解调器功能：数字信号与模拟信号的转换

源系统一般包括以下两个部分：

源点(source) 源点设备产生要传输的数据，例如从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。

发送器 通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多的计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器。

“信道” = { 发送器、接收器 }

目的系统一般也包括以下两个部分：

接收器 接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

终点(destination) 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。终点又称为目的站或信宿。

通信的目的是传送消息(message)。语音、文字、图像、视频等都是消息。数据(data)是运送消息的实体。信号(signal)则是数据在电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道(channel)和电路并不等同。信道一般都是用来表示向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。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

（1）单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

（2）双向交替通信 又称为半双工通信，即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）。

（3）双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号），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。基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，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)。

调制可分为两大类。一类是仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，也被称为编码(coding)。另一类调制则需要使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

常用编码方式

图2-2 数字信号常用的编码方式

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。

曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1.但也可以反过来定义

差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变，位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法

图5-3 最基本的三种调制方法

调幅(AM)，即载波的振幅随基带数字信号而变化。

调频(FM)，即载波的频率随基带数字信号而变化。

调相(PM)，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。

2.2.2 信道的极限容量

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个。

信道能够通过的频率范围

若接收端接收到的信号波形失去了码元之间的清楚界限，称为码间串扰。

奈氏准则：在带宽为W(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W（码元/秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，通常记为 S/N。但通常大家都是使用分贝(dB)作为度量单位。即：

$\text{[math]}$

香农(Shannon)公式指出：信道的极限信息传输速率C是

$\text{[math]}$

式中，W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，信息的极限传输速率就越高。

提高信息的传输速率办法：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

请注意，奈氏准则激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。香农公式则告诫工程人员，在有噪声的实际信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破公式给出的信息传输速率的绝对极限。

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。传输媒介可分为两大类，即导引型传输媒介（双绞线、同轴电缆或光纤，电磁波被导引沿着固体媒体传播）和非导引型传输媒介（即自由空间，通常用无线、红外或大气激光，电磁波的传输常称为无线传输）。

2.3.1 导引型传输媒体

双绞线

双绞线也称双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少相邻导线的电磁干扰。

多种不同类型的双绞线对比，其中抗干扰性能的比较排序（从强到弱）：

1.无屏蔽双绞线UTP
2.外层整体加铝箔屏蔽层的双绞线STP(F/UTP)
3. 每对双绞线加铝箔屏蔽层的双绞线U/FTP
4.每对双绞线和外层整体都加铝箔屏蔽层的双绞线 F/FTP

同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）和绝缘保护套层组成。具有很好的抗干扰性能，被广泛用于传输较高速率的数据。

光缆

包含多条并排光纤。光纤由纤芯和包层组成，由于纤芯的折射率远高于包层的，使得光在纤芯内部全放射而能不断前进。在光纤中常用的光的波段为850nm，1300nm，1550nm。若一条光纤中可以存在多条不同入射角度的光纤传输，称为多模光纤，适合近距离传输。单模光纤的价格较贵，适合远距离传输。

2.3.2 非引导型传输媒体

利用无线电波在自由空间的传播来实现无线传输。一般使用甚高频（30MHz~300MHz）、特高频(300MHz~3GHz)、 超高频(3GHz~30GHz)、 极高频(30GHz~300GHz), 主要使用2GHz~40GHz。

多条路径的信号叠加在一起后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率就越低。

为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，这种通信方式称为“微波接力”。

卫星通信的最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。另一特点就是具有较大的传播时延。

美国的ISM频段，现在的无线局域网就使用其中的2.4GHz和5.8GHz频段。ISM是Industrial，Scientific，and Medical（工业、科学与医药）的缩写，即所谓的“工、科、医频段”。各国的ISM标准有可能略有差异。

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。计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。

最基本的复用就是频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）即各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源和时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）即所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

使用FDM或TDM的复用技术共享信道时，又可分为频分多址接入FDMA（Frequency Division Multiple Access），简称为频分多址和时分多址接入TDMＡ（Time Division Multiple Access），简称为时分多址。

在进行通信时，复用器（multiplexer）总是和分用器（demultiplexer）成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。

统计时分多路复用STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器（concentrator）常使用这种统计时分复用。统计时分复用使用STDM帧来传送复用数据。

STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。（注意：虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但从平均的角度来看，这二者是平衡的。）

波长与频率互为倒数

2.4.2 波分复用

波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。

本质跟 FDM一样，在光纤上复用信号

按照不同的波长，干线分成了若干份，承载了不同用户的光信号，到了终点，分离器分离出不同波长的光信号。

当相邻波长间隔非常接近，子信道的数目非常大，WDM变成了DWDM（Dense，密集波分多路复用）

2.4.3 码分复用

码分复用CDM (Code Division Multiplexer)是另一种共享信道的方法。当码分复用信道为多个不同的地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。

各用户使用特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128。

扩频(spread spectrum)通信常有两大类，一种是直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，另一种是跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)。

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列(chip sequence)。码片序列各不相同，并且是正交(orthogonal)的。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

用数学公式可以很清楚地表示码片序列的正交关系。令向量S表示站S的码片向量，再令T表示其它任何站的码片向量。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(inner product)都是0：

$\text{[math]}$

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：

$\text{[math]}$

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

0：Sx不存，即S站点没有发送
1：Sx=S，即S站点发送比特1
-1：Sx=/S，即S站点发送比特0

2.5 数字传输系统

早期的数字传输系统存在着许多缺点，其中最主要的两点是（1）速率标准不统一、（2）不是同步传输。为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个叫作同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)的数字传输标准。ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出了国际标准同步数字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。

2.6 宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类。一类是有线宽带接入，而另一类是无线宽带接入。

2.6.1 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line )技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。

基于 ADSL 的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)，用户线和用户家中的一些设施。数字用户线接入复用器包括许多 ADSL 调制解调器。ADSL 调制解调器又称为接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)。由于必须成对使用 ADSL 调制解调器，因此在电话端局(或远端站)和用户家中所用的 ADSL 调制解调器分别记为 ATU-C ( C代表端局 Central Office ) 和 ATU-R ( R代表远端 Remote )。用户电话通过电话分离器 (Splitter)和 ATU-R 连在一起，经用户线到端局，并再次经过一个电话分路器 PS 将电话连到本地电话交换机。