计算机网络第七版笔记--第二章
部分圖片來自某高校方老師課件
第二章物理層
2.1物理層的基本概念
1、物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。
2、可以將物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性，即：
(1) 機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。平時常見的各種規格的接插件都有嚴格的標準化的規定。
(2) 電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
(3) 功能特性 指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。
⑷ 過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。
3、數據在計算機內部多釆用并行傳輸方式。但數據在通信線路(傳輸媒體) 上的傳輸方式一般都是串行傳輸(這是出于經濟上的考慮)，即逐個比特按照時間順序傳 輸。因此物理層還要完成傳輸方式的轉換。
2.2數據通信的基礎知識
2.2.1數據通信系統的模型
1、一個數據通信系統可劃分為三大部分，即源系統（或發送端、發送方）、傳輸系統（或傳輸網絡）和目的系統（或接收端、接收方）。
2、通信的目的是傳送消息（message）（如話音、文字、圖像、視頻等）。數據（data） 是運送消息的實體。信號 (signal)則是數據的電氣或電磁的表現（模擬信號，數字信號）。
2.2.2有關信道的幾個基本概念
1、信道(channel)一 般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。因此，一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
2、三種信息交互方式：
(1) 單向通信 又稱為單工通信（只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互，一條信道）
(2) 雙向交替通信 又稱為半雙工通信，（通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收，兩條信道)）。
(3) 雙向同時通信 又稱為全雙工通信（通信的雙方可以同時發送和接收信息，兩條信道）。
3、來自信源的信號常稱為基帶信號(即基本頻帶信號)?；鶐盘柾休^多信道并不能傳輸的低頻成分，甚至有直流成 分，所以需要進行調制
2.2.3信道的極限容量
1、在使用時間域(或簡稱為時域)的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形就稱為碼元。
2、限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有兩個：
(1) 信道能夠通過的頻率范圍（如果 信號中的高頻分量在傳輸時受到衰減，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就變得不那么陡 峭了，每一個碼元所占的時間界限也不再是很明確的，而是前后都拖了 “尾巴”。這樣，在 接收端收到的信號波形就失去了碼元之間的清晰界限。這種現象叫做碼間串擾。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，傳輸速率超過此上限，就 會出現嚴重的碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決(即識別)成為不可能。）
(2) 信噪比（信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記為*S/N,*并用分貝(dB)作為度量單位：信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB)）
3、在1948年，信息論的創始人香農(Shannon)推導出了著名的香農公式：信道的極限信息傳輸速率C = W log2(l+S/N) (bit/s)（W為信道的帶寬(以Hz為單位)；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。）香農公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高。香農公式指出了信息傳輸速率的上限。香農公式的意義在于：只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定存在某種辦法來實現無差錯的傳輸。
4、對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比也不能再提高了， 并且碼元傳輸速率也達到了上限值，還能用編 碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量，以此來提高信息的傳輸速率。例如每3個比特編為 一個組，將原來的18個碼元的信號就轉換為由6個新的碼元。
2.3物理層下面的傳輸媒體
1、傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間 的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體
2.3.1導引型傳輸媒體
1、雙絞線也稱為雙扭線，是最古老但又是最常用的傳輸媒體。把兩根互相絕緣的銅導線 并排放在一起，然后用規則的方法絞合(twist)起來就構成了雙絞線。絞合可減少對相鄰導線 的電磁干擾。模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。距離太長 時就要加放大器以便將衰減了的信號放大到合適的數值(對于模擬傳輸)，或者加上中繼器 以便對失真了的數字信號進行整形(對于數字傳輸)。導線越粗，其通信距離就越遠，但導線的價格也越高。為了提高雙絞線抗電磁干擾的能力，可以在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織成 的屏蔽層。這就是**屏蔽雙絞線，**簡稱為STP (Shielded Twisted Pair)。
2、同軸電纜由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護塑料外層所組成。由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的數據。
3、光纖通信就是利用光導纖維（以下簡稱為光纖）傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖相 當于1,而沒有光脈沖相當于0。由于可見光的頻率非常高，約為10^8 MHz的量級，因此一 個光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬。光纖是光纖通信的傳輸媒體。在發送端有光源，可以釆用發光二極管或半導體激光 器，它們在電脈沖的作用下能產生出光脈沖。在接收端利用光電二極管做成光檢測器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖。光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。光纖不僅具有通信容量非常大的優點，而且還具有其他的一些特點：(1) 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。(2) 抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環境下尤為重要。(3) 無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數據。(4) 體積小，重量輕。
2.3.2非導引型傳輸媒體
1、無線傳輸可使用的頻段很廣，LF波段的波長是從1 km到10 km (對應于30 kHz?300 kHz)0 LF, MF和HF的中文名字分別是低頻、中頻(300 kHz?3 MHz)和高頻(3 MHz?30 MHz)o更高的頻段中的V, U, S和E分別對應于Very, Ultra, Super和Extremely,相應的頻段 的中文名字分別是甚高頻(30 MHz?300 MHz)、特高頻(300 MHz?3 GHz)、超高頻(3 GHz? 30 GHz)和極高頻(30 GHz?300 GHz),最高的一個頻段中的T是Tremendously,目前尚無標 準譯名。
2、短波通信(即高頻通信)主要是靠電離層的反射。但電離層的不穩定所產生的衰落現象 和電離層反射所產生的多徑效應，使得短波信道的通信質量較差。因此，當必須使用短波無 線電臺傳送數據時，一般都是低速傳輸，即速率為一個標準模擬話路傳幾十至幾百比特/秒。 只有在釆用復雜的調制解調技術后，才能使數據的傳輸速率達到幾千比特/秒。
3、無線電微波通信在數據通信中占有重要地位。微波的頻率范圍為300 MHz?300 GHz (波長Im?1mm),但主要使用2?40 GHz的頻率范圍。微波在空間主要是直線傳播。由于微波會穿透電離層而進入宇宙空間，因此它不像短波那樣可以經電離層反射傳播到地面上 很遠的地方。傳統的微波通信主要有兩種方式，即地面微波接力通信和衛星通信。由于微波在空間是直線傳播的，而地球表面是個曲面，因此其傳播距離受到限制，一 般只有50 km左右。但若釆用100 m高的天線塔，則傳播距離可增大到100 km。為實現遠 距離通信必須在一條微波通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站。中繼站把前一站送來 的信號經過放大后再發送到下一站，故稱為“接力”。大多數長途電話業務使用4~6 GHz的 頻率范圍。微波接力通信可傳輸電話、電報、圖像、數據等信息。其主要特點是：(1) 微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大。(2) 因為工業干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對微波通信的危害比 對短波和米波(即甚高頻)通信小得多，因而微波傳輸質量較高。(3) 與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設投資少，見效快，易于 跨越山區、江河。當然，微波接力通信也存在如下的一些缺點：(1) 相鄰站之間必須直視(常稱為視距LOS (Line Of Sight)),不能有障礙物。有時一個 天線發射出的信號也會分成幾條略有差別的路徑到達接收天線，因而造成失真。(2) 微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響。(3) 與電纜通信系統比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差。(4) 對大量中繼站的使用和維護要耗費較多的人力和物力。
4、常用的衛星通信方法是在地球站之間利用位于約3萬6千公里高空的人造同步地球衛 星作為中繼器的一種微波接力通信。對地靜止通信衛星就是在太空的無人值守的微波通信的 中繼站。可見衛星通信的主要優缺點大體上應當和地面微波通信差不多。衛星通信的最大特點是通信距離遠，且通信費用與通信距離無關。同步地球衛星發射 出的電磁波能輻射到地球上的通信覆蓋區的跨度達1萬8千多公里，面積約占全球的三分之 一。只要在地球赤道上空的同步軌道上，等距離地放置3顆相隔120度的衛星，就能基本上 實現全球的通信。衛星通信的另一特點就是具有較大的傳播時延。通信衛星本身和發射衛星的火箭造價都較高。受電源和元器件壽命的限制，同步衛星 的使用壽命一般為10?15年。衛星地球站的技術較復雜，價格還比較貴。這就使得衛星通 信的費用較高。
5、低軌道衛星通信系統已開始使用。低軌道衛星相對于地球不是 靜止的，而是不停地圍繞地球旋轉。目前，大功率、大容量、低軌道寬帶衛星己開始在空間 部署，并構成了空間高速鏈路。由于低軌道衛星離地球很近，因此輕便的手持通信設備都能 夠利用衛星進行通信。
6、要使用某一段無線電 頻譜進行通信，通常必須得到本國政府有關無線電頻譜管理機構的許可證。但是，也有一些 無線電頻段是可以自由使用的(只要不干擾他人在這個頻段中的通信)，這正好滿足計算機 無線局域網的需求。美國的ISM頻段，現在的無線局域網就使用其中的2.4 GHz 和 5.8 GHz 頻段。ISM 是 Industrial, Scientific, and Medical (工業、科學與醫藥)的縮 *寫,*即所謂的“工、科、醫頻段”。各國的ISM標準有可能略有差別。
7、紅外通信、激光通信也使用非導引型媒體。可用于近距離的筆記本電腦相互傳送數據。
2.4信道復用技術
2.4.1頻分復用、時分復用和統計時分復用
1、頻分復用FDM (Frequency Division Multiplexing)：用戶在分配到一 定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。可見頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源(請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率)。優點是技術比較成熟，但缺點是不夠靈活。
2、時分復用TDM (Time Division Multiplexing)：將時間劃分為一段段等長的時分復用幀(TDM幀)。每一個時分復用的用戶在 每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。時分復用的所有用戶是在不同的時間占 用同樣的頻帶寬度。時分復用 則更有利于數字信號的傳輸。優點是技術比較成熟，但缺點是不夠靈活。
3、統計時分復用STDM (Statistic TDM)是一種改進的時分復用，它能明顯地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用這種統計時分復用。統計時分復用使用STDM幀來傳送復用的數據。但每一個STDM幀中的時隙數小于連 接在集中器上的用戶數。各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存，然后集中器按順序 依次掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數據放入STDM幀中。對沒有數據的緩存就跳過去。 當一個幀的數據放滿了，就發送出去。因此，STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態 地分配時隙。因此統計時分復用可以提高線路的利用率。在輸出線路上，某一個用戶所占用的時隙并不是周期性地出現。因此統計復用又稱為異步時分復用，而普通的 時分復用稱為同步時分復用。
4、TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中所劃分的幀。這種 “幀”和我們以后要討論的數據鏈路層的“幀”是完全不同的概念，不可弄混。
2.4.2波分復用
1、波分復用WDM （Wavelength Division Multiplexing）就是光的頻分復用。
2.4.3碼分復用
1、碼分復用CDM (Code Division Multiplexing)是另一種共享信道的方法。CDMA (Code Division Multiple Access)每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。由于各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間 不會造成干擾。釆用 CDMA可提高通信的話音質量和數據傳輸的可靠性，減少干擾對通信的影響，增大通信系統的容量(是使用GSM的4?5倍①)，降低手機的平均發射功率，等等。
2、在CDMA中，每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)o通常m的值 是64或128。使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列(chip sequence)o 一個站如果 要發送比特1,則發送它自己的m bit碼片序列。如果要發送比特0,則發送該碼片序列的 二進制反碼。為了方便，我們按慣例將碼片 中的0寫為-1,將1寫為+1。現假定S站要發送信息的數據率為b bit/s。由于每一個比特要轉換成m個比特的碼 片，因此S站實際上發送的數據率提高到mb bit/s,同時S站所占用的頻帶寬度也提高到原 來數值的m倍。這種通信方式是擴頻(spread spectrum)通信中的一種。擴頻通信通常有兩大 類。一種是直接序列擴頻DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum),如上面講的使用碼片序 列就是這一類。另一種是跳頻擴頻 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。
3、CDMA系統的一個重要特點就是這種體制給每一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)。在實用的系統中是使用偽**隨機碼序列。**兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的 規格化內積(inner product)都是0。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1，一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是-1。
2.5數字傳輸系統
1、在電話網中由于數字通信與模擬通信相比，無論是傳輸質量上還是從經濟上都有明顯的優勢，目前，長途干線大都釆用時分復用PCM的數字傳輸方式。因此，現在的模擬線路就基本上只剩下從用戶電話機到市話交換機之間的這一段幾公里長的用戶線上。
2、現代電信網，在數字化的同時，光纖開始成為長途干線最主要的傳輸媒體。光纖的高帶寬適用于承載今天的高速率數據業務(比如視頻會 議)和大量復用的低速率業務(比如話音)。
3、美國在1988年首先推出了一個數字傳輸標準，叫做同步光纖網 SONET (Synchronous Optical Network)o整個的同步網絡的各級時鐘都來自一個非常精確的 主時鐘(通常釆用昂貴的錨原子鐘，其精度優于±lxl0^(-11))。國際電信聯盟ITU-T (International Telecommunication Union) 以美國標準SONET為基礎，制定出國際標準同步數字系列SDH (Synchronous Digital Hierarchy).SDH/SONET標準的制定，使北美、日本和歐洲這三個地區三種不同的數字傳輸體制在 STM-1等級上獲得了統一。各國都同意將這一速率以及在此基礎上的更高的數字傳輸速率 作為國際標準。這是第一次真正實現了數字傳輸體制上的世界性標準?，F在SDH/SONET標 準已成為公認的新一代理想的傳輸網體制，因而對世界電信網絡的發展具有重大的意義。 SDH標準也適合于微波和衛星傳輸的技術體制。
2.6寬帶接入技術
1、目前“寬帶”尚無統 一的定義。很早以前，有人認為只要接入到互聯網的速率遠大于56 kbit/s就是寬帶。后來美 國聯邦通信委員會FCC認為只要雙向速率之和超過200 kbit/s就是寬帶。2015年1月，美國聯邦通信委員會FCC又對接入網的“寬帶”進行了重新定 義，將原定的寬帶下行速率調整至25Mbit/s,原定的寬帶上行速率調整至3Mbit/s。從寬帶接入的媒體來看，可以劃分為兩大類。一類是有線寬帶接入，而另一類是無線寬帶接入。
2.6.1 ADSL 技術
1、非對稱數字用戶線ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line）技術是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶數字業務。 ADSL技術把0?4 kHz低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。ADSL的ITU的標準是G.992.1（或稱G.dmt）。由于用戶在上網時主要是從互聯網下載各種文檔，而向互聯網發送的信息量一般都不太大，因此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?！胺菍ΨQ”這個名詞就是這樣得出的。
2、ADSL的傳輸距離取決于數據率和用戶線的線徑（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大）。此外，ADSL所能得到的最高數據傳輸速率還與實際的用戶線上的信噪比密切相關。
3、ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調制解調器。這種調制解調器的實現 方案有許多種。我國目前釆用的方案是離散多音調DMT （Discrete Multi-Tone）調制技術。
4、DMT調制技術釆用頻分復用的方 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，并使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調 制。
5、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等都不同），因此 ADSL采用自適應調制技術使用戶線能夠傳送盡可能高的數據率。當ADSL啟動時，用戶線 兩端的ADSL調制解調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量。這樣就使ADSL能夠選擇合適的調制方案以獲得盡可能高的數 據率。可見ADSL不能保證固定的數據率。
6、基于ADSL的接入網由以下三大部分組成：數字用戶線接入復用器DSLAM （DSL Access Multiplexer）,用戶線和用戶家中的一些設施。
7、并不適合于企業。這 是因為企業往往需要使用上行信道發送大量數據給許多用戶。為了滿足企業的需要，ADSL 技術有幾種變型。例如，對稱DSL,即SDSL (Symmetric DSL),它把帶寬平均分配到下行 和上行兩個方向。還有一種使用一對線或兩對線的對稱DSE叫做HDSL (High speed DSL),是用來取代T1線路的高速數字用戶線。
8、還有一種比ADSL更快的、用于短距離傳送(300?1800 m)的VDSL (Very high speed DSL),即甚高速數字用戶線，這也就是ADSL的快速版本。
9、不同的高速DSL都可記為xDSL。
10、華為公司于2012年首先研制成功Giga DSL樣機，實現了超高速的DSL接入。華為的Giga DSL使用時分雙工TDD (Time Division Duplex)和OFDM技術，有效地降低了輻射干擾和設備功耗，在100 m內上下行總速率可達 1 Gbit/s,而在200 m內，接入速率可超過500 Mbit/s。
2.6.2光纖同軸混合網(HFC網)
1、光纖同軸混合網(HFC網，HFC是Hybrid Fiber Coax的縮寫)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網的基礎上開發的一種居民寬帶接入網，除可傳送電視節目外，還能提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。最早的有線電視網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它釆用模擬技術的頻分復用對電視節目進行單向廣播傳輸。但以后有線電視網進行了改造，變成了現在的光纖同軸混合網(HFC網)。
2、光纖同軸混合網HFC的主要特點如下：（1）為了提高傳輸的可靠性和電視信號的質量，HFC網把原有線電視網中的同軸電纜主干部分改換為光纖。（2）光纖從頭端連接到光纖結點(fiber node)。在光纖結點光信號被 轉換為電信號，然后通過同軸電纜傳送到每個用戶家庭。連接到一個光纖結點的典型用戶數是500左右，但不超過2000。（3）原來的有線電視網的最高傳輸頻率是450 MHz,并且僅用于電視信號的下行傳輸。但 現在的HFC網具有雙向傳輸功能，而且擴展了傳輸頻帶。
3、要使現有的模擬電視機能夠接收數字電視信號，需要把一個叫做機頂盒(set.top box)的 設備連接在同軸電纜和用戶的電視機之間。但為了使用戶能夠利用HFC網接入到互聯網， 以及在上行信道中傳送交互數字電視所需的一些信息，我們還需要增加一個為HFC網使用 的調制解調器，它又稱為電纜調制解調器(cable modem)。
4、電纜調制解調器不需要成對使用，而只需安裝在用戶端。電纜調制解調器比ADSL使 用的調制解調器復雜得多，因為它必須解決共享信道中可能出現的沖突問題。在使用ADSL 調制解調器時，用戶計算機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 的最高數據率是確定的，與其他ADSL用戶是否在上網無關。但在使用HFC的電纜調制解 調器時，在同軸電纜這一段用戶所享用的最高數據率是不確定的，因為某個用戶所能享用的 數據率大小取決于這段電纜上現在有多少個用戶正在傳送數據。
2.6.3 FTTx 技術
1、光纖到戶FTTH (Fiber To The Home)，就是把光纖 一直鋪設到用戶家庭。只有在光纖進入用戶的家門后，才把光信號轉換為電信號。這樣做就可以使用戶獲得最高的上網速率。
2、光纖到戶FTTH有兩個問題：首先是目前的價格還不夠便宜；其次是一般的家庭用 戶也并沒有這樣高的數據率的需求。因此，出現了多種寬帶光纖接入方式，稱為FTTx,表示Fiber To The…。這 里字母x可代表不同的光纖接入地點。FTTx就是把光電轉換的地方，從用戶家中(這時x就是H)向外延伸到離用戶家門口有一定距離的地方。
3、為了有效地利用光纖資源，在光纖干線和廣大用戶之間，還 需要鋪設一段中間的轉換裝置即光配線網ODN (Optical Distribution Network),使得數十個 家庭用戶能夠共享一根光纖干線。無源的光配線網常稱為無源光網絡PON (Passive Optical Network)。光配線網釆用波分復用，上行和下行分別使用不同的波長。無源光網絡PON的種類很多，但最流行的有以太網無源光網絡EPON （Ethernet PON）和吉比特無源光網絡GPON 。
4、光線路終端OLT (Optical Line Terminal)是連接到光纖干線的終端設備。OLT把收到的下行數據發往無源的1:N光分路器(splitter),然后用廣播方式向所有用戶端的光網絡單元ONU （Optical Network Unit）發送。從ONU到用戶的個人電腦一般使用以太網連接，使用5類線作為傳輸 媒體。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第七版笔记--第二章的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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