計算機網(wǎng)絡(luò)教程第4版

1、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2.3 物理層下面的傳輸媒體2.4 信道復(fù)用技術(shù)2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6 互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù),重點：物理層的任務(wù)幾種常用的信道復(fù)用技術(shù)幾種常用的互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)難點：數(shù)據(jù)通信的相關(guān)知識,2.1 物理層的基本概念,物理層協(xié)議的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： 機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)

2、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。規(guī)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,,,調(diào)制解調(diào)器,,PC 機,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,,PC 機,幾個術(shù)語,數(shù)據(jù)(data)—

3、—運送信息的實體。信號(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 “模擬的”(analogous)——連續(xù)變化的。“數(shù)字的”(digital)——取值是離散數(shù)值。,2.2.2 編碼與調(diào)制,通常人們將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為編碼(coding)，而將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程稱為調(diào)制(modulation)。,2.2.4 傳輸方式1. 并行傳輸和串行傳輸,并行傳輸，是指一次發(fā)送n個比特而不是一個比特，為此，在發(fā)

4、送端和接收端之間需要有n條傳輸線路。串行傳輸，是指數(shù)據(jù)是一個比特一個比特依次發(fā)送的，因此在發(fā)送端和接收端之間只需要一條傳輸線路即可。,2. 異步傳輸和同步傳輸,同步就是指收發(fā)雙方在時間基準(zhǔn)上保持一致的過程。異步傳輸和同步傳輸是指兩種采用不同同步方式的傳輸方式異步傳輸以字節(jié)為獨立的傳輸單位，字節(jié)之間的時間間隔不是固定的，接收端僅在每個字節(jié)的起始處對字節(jié)內(nèi)的比特實現(xiàn)同步。同步傳輸以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸，要采取技術(shù)使收發(fā)雙方的時鐘保

5、持同步（外同步或內(nèi)同步）,3. 單工、半雙工和全雙工,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。,課件制作人：謝鈞 謝希仁,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

6、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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012

7、1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,,,移動無線電,電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜,2.3.1 導(dǎo)引型傳輸媒體,雙

8、絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 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,絕緣保護套層,,內(nèi)導(dǎo)體,無屏蔽雙絞線 UTP,屏蔽雙絞線 STP,同軸電纜,,,,,,,,,,,光線在光纖中的折射,,,,,,,,,,

9、,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?,多模光纖與單模光纖,,,,,,,多模光纖,2.3.2 非導(dǎo)引型傳輸媒體,無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質(zhì)量較差。微波在空間主要是直線傳播。 地

10、面微波接力通信衛(wèi)星通信,2.4 信道復(fù)用技術(shù),復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。,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 頻分復(fù)用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。時分復(fù)用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。,頻分復(fù)用,,頻率,時間,,,,,,頻率 1,頻率 2,頻率 3,頻率 4,頻率 5,,時分復(fù)用,,頻率,時間,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,

11、…,,時分復(fù)用,,頻率,時間,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,…,,時分復(fù)用,,頻率,時間,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,…,,時分復(fù)用,,頻率,時間,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,…,,時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費,,,,,,,,,,,,A,B,C,D,,,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,,,,,,,,,,,,,,,4 個時分復(fù)用幀,#1,,,,,④,③

12、,②,①,,,,a,c,b,,,,,,,c,d,時分復(fù)用,#2,#3,#4,,,,,用戶,,,,,統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM,,,,,,,,用戶,,,,,A,B,C,D,,a,b,c,d,t,t,t,t,t,,,,,,,,,,,,,3 個 STDM 幀,#1,,,,,④,③,②,①,,,,a,c,b,,,,,a,b,b,c,a,c,d,,,,,,,,#2,#3,統(tǒng)計時分復(fù)用,,,,,,,,2.4.2 波分復(fù)用 WDM,波分復(fù)用就是光的頻

13、分復(fù)用。,,光復(fù)用器（合波器）,,光分用器（分光器）,,,光纖,波長?2,波長?1,波長?3,波長?2,波長?1,波長?3,? ?1 +?2 +?3,2.4.3 碼分復(fù)用 CDM,常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。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

14、特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。,碼片序列(chip sequence),每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。 例如，S 站的 8 bit 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 –

15、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(inner product)都是 0：,,,(3-4),CDMA 的工作原理,,,,,S 站的碼片序列 S,

16、,,,,,,,,,,,,,,,1,,,,,,,,,1,0,t,t,t,t,t,t,,m 個碼片,,,,,t,,,S 站發(fā)送的信號 Sx,T 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)2.5.1 PCM速率體制,將模擬電話信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號目前采用的都是脈沖編碼調(diào)制PCM (Pulse Code Modulat

17、ion)技術(shù)，將一路模擬電話信號轉(zhuǎn)換為64 kbit/s的PCM數(shù)字脈沖信號。為了充分利用高速傳輸線路的帶寬，通常將多路PCM信號用TDM方法匯集成時分復(fù)用幀，按某種固定的復(fù)用結(jié)構(gòu)進行長途傳輸。兩個互不兼容的PCM復(fù)用速率標(biāo)準(zhǔn)：即北美體制和歐洲體制。,,,2.5.2 SONET/SDH,早期的數(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)字傳輸速率進行標(biāo)準(zhǔn)化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸

18、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，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 (Synchronous Optical Network) 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 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示

19、Optical Carrier。,,,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 (Synchronous Digital Hierarchy)。一般可認(rèn)為 SDH 與 SONET 是同義詞。SDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當(dāng)于 SONET 體系中的 OC-

20、3 速率。,,,SONET 的 OC 級/STS 級與 SDH 的 STM 級的對應(yīng)關(guān)系,SDH/SONET傳輸網(wǎng),SDH/SONET傳輸網(wǎng)是一種基于DH/SONET標(biāo)準(zhǔn)的同步TDM多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò)可以方便地為其他業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供各種所需帶寬的電路，并復(fù)用底層傳輸媒體的帶寬，其中最典型的傳輸媒體就是光纖例如：SDH/SONET傳輸網(wǎng)可以很方便地為兩個因特網(wǎng)主干路由器之間提供一條點到點的高速鏈路,,,2.5.3 光網(wǎng)絡(luò),傳統(tǒng)SDH/SONE

21、T傳輸網(wǎng)絡(luò)由光傳輸系統(tǒng)和交換結(jié)點的電子設(shè)備組成全光網(wǎng)AON (All Optical Network) 用光網(wǎng)絡(luò)結(jié)點代替原來交換結(jié)點的電子設(shè)備，組成以端到端光通道為基礎(chǔ)的全光傳輸網(wǎng)，避免因光/電轉(zhuǎn)換所帶來的帶寬瓶頸，而路由器等電信號處理設(shè)備在邊緣網(wǎng)絡(luò)連接用戶終端設(shè)備。,,,2.5.3 光網(wǎng)絡(luò),光傳送網(wǎng)OTN (Optical Transport Network) 作為向全光網(wǎng)絡(luò)進行演進的過渡技術(shù)，以光波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，直接在光域上

22、對不同波長的信號實現(xiàn)交叉連接和分插復(fù)用，以波長級業(yè)務(wù)為處理單位，支持多種上層業(yè)務(wù)，如SDH/SONET，ATM，IP，MPLS等等。,,,2.5.3 光網(wǎng)絡(luò),2000年以后，自動交換光網(wǎng)絡(luò)ASON (Automatic Switched Optical Network)在光傳送網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入了智能控制的很多方法，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行光通路的動態(tài)建立和拆除，實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)按需分配和自動調(diào)度與管理。目前，結(jié)合ASON的OTN正在成為

23、新一代的數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)。,,,2.6 互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù),接入技術(shù)解決的就是最終用戶接入本地ISP“最后一公里”的問題。通常，人們將端系統(tǒng)連接到ISP邊緣路由器的物理鏈路及相關(guān)設(shè)備的集合稱為接入網(wǎng)AN(access network)。接入：將端系統(tǒng)連接到邊緣路由器,2.6.1 電話網(wǎng)撥號接入,通過撥號調(diào)制解調(diào)器接入(非寬帶接入)允許最高56Kbps接入速率(通常會更低)不能同時上網(wǎng)和打電話不提供持續(xù)連接,,,,,,,,,路由器,調(diào)

24、制解調(diào)器,調(diào)制解調(diào)器,因特網(wǎng)服務(wù)提供者(ISP),住宅用戶,電話網(wǎng),,至因特網(wǎng),…,PC 機,2.6.2 ADSL接入,ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line） 技術(shù)用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，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 300~3400 kHz 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 1 MHz。ADSL 技術(shù)就把 0~4 kH

25、z 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?！胺菍ΨQ”是指ADSL的下行（從ISP到用戶）帶寬都遠遠大于上行（從用戶到ISP）帶寬。,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)。,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

26、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 (Discrete Multi-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 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 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

27、道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進行數(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,,,0,4,,,下行信道,…,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(kHz),約 1100 kHz,ADSL 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

28、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 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。,ADSL 的組成,

29、,,,,,ATU-C,,ATU-C,,,ATU-R,,,,,ATU-C,,用戶線,電話分路器,,,區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng),至 ISP,居民家庭,,基于 ADSL 的接入網(wǎng),端局或遠端站,,DSLAM,至本地電話局,PS,PS,,,數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）AT

30、U-R（R 代表遠端 Remote）電話分路器 PS (POTS Splitter),2.6.3 光纖同軸混合網(wǎng)HFC (Hybrid Fiber Coax),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)?，F(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)目進行單向傳輸。而 HFC 網(wǎng)

31、則需要對 CATV 網(wǎng)進行改造，,HFC 網(wǎng)的結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,,,,,,,同軸電纜,,頭端,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光纖,放大器,,,引入線,,分路器,光纖結(jié)點,,,,,服務(wù)區(qū),,,服務(wù)區(qū),服務(wù)區(qū),,,HFC 的頻譜劃分,,下行信道,,上行信道,5 40 50 550 750

32、 1000,,,原有模擬電視,數(shù)字信號,頻率(MHz),,保留,,用戶接口盒,用戶接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三種連接，即：使用同軸電纜連接到機頂盒(set-top box)，然后再連接到用戶的電視機。使用雙絞線連接到用戶的電話機。使用電纜調(diào)制解調(diào)器連接到用戶的計算機。,電纜調(diào)制解調(diào)器(cable modem),電纜調(diào)制解調(diào)器是為 HFC 網(wǎng)而使用的調(diào)制解調(diào)器。電纜調(diào)制解調(diào)器最大的特點就

33、是傳輸速率高。其下行速率一般在 3?10 Mb/s之間，最高可達 30 Mb/s，而上行速率一般為 0.2?2 Mb/s，最高可達 10 Mb/s。電纜調(diào)制解調(diào)器比在普通電話線上使用的調(diào)制解調(diào)器要復(fù)雜得多，并且不是成對使用，而是只安裝在用戶端。,HFC 網(wǎng)的特點,在使用ADSL調(diào)制解調(diào)器時，用戶PC所連接的電話用戶線是該用戶專用的，因此在用戶線上所能達到的最高數(shù)據(jù)率是確定的，與其他ADSL用戶是否在上網(wǎng)無關(guān)。但在使用HFC的電纜調(diào)

34、制解調(diào)器時，在同軸電纜這一段用戶所享用的最高數(shù)據(jù)率是不確定的，因為某個用戶所能享用的數(shù)據(jù)率大小取決于這段電纜上現(xiàn)在有多少個用戶正在傳送數(shù)據(jù)。,2.6.4 光纖接入,FTTx（光纖到……）也是一種實現(xiàn)寬帶居民接入網(wǎng)的方案。這里字母 x 可代表不同意思。光纖到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設(shè)到用戶家庭可能是居民接入網(wǎng)最后的解決方法。光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)：

35、光纖進入大樓后就轉(zhuǎn)換為電信號，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶。光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：從路邊到各用戶可使用星形結(jié)構(gòu)雙絞線作為傳輸媒體。,2.6.3 光纖接入,,,,,,,光纖,,,因特網(wǎng),電話網(wǎng),OLT,,,,路邊配線盒,,,,FTTH,FTTC,FTTB,,,大樓,住宅,光分路器（波分復(fù)用）,,2.6.5 以太網(wǎng)接入,各種政府機構(gòu)、大型企業(yè)和大學(xué)校園的用戶通常通過內(nèi)部的以太網(wǎng)接入到因特網(wǎng)