【计网_2】计算机网络——物理层!

1.物理层的基本概念

  • 物理层考虑的是怎样才能再连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
  • 物理层的作用​是要尽可能的屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异
  • 物理层向数据链路层提供服务
  • 用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。

物理层的主要任务

  • 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表示何种意义。
  • 过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.数据通信的基础知识

(1).数据通信系统的模型

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常用术语

  1. 数据(data)——运送消息的实体。
  2. 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
  3. 模拟信号(analogous signal)——代表消息的参数取值是连续的。
  4. 数字信号(digital signal)——代表消息的取值是离散的。
  5. 码元(code)——在使用时间域(简称时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。
  6. 串行通信与并行通信

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(2).有关信道的基本概念

  • 信道:一般用来表示向某个方向传送信息的媒体。
  • 单向通信(单工通信):只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
  • 双向交替通信(半双工通信):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)。
  • 双向同时通信(全双工通信):通信的双方可以同时发送和接收信息。

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基带(baseband)信号和带通(band pass)信号

  1. 基带信号(即基本频带信号):来自信源的信号。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。 基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。这个调制称为基带调制,这种调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号,因此这个过程也叫做编码
  2. 带通信号:经过载波调制后的信号。

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调制分为两大类:

  1. 基带调制: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。把这种过程成为编码。
  2. 带通调制:把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。这个调制称为带通调制。

几种常用编码方式(数字信号):

  • 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。但也可反过来定义。(曼彻斯特编码有自同步能力,可有从信号波形本身提取信号时钟频率。
  • 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,而位开始边界有没有跳变代表1。

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基本的带通调制方法

基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,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)。

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。 ​

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(3).信道的极限容量

  • 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,或传输媒体质量越差,在信道的输出端的波形的失真就越严重。
  • 产生信号失真的三个要素:衰减,时延,噪声

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从概念上讲,限制码元在信道上的传输速率因素主要有两个:

1.信道可以通过的频率范围

2.信噪比

1.奈氏(Nyquist)准则

给出了在假定的理想状态下,为了避免码间​串扰​,码元的传输速率的上限值。

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud。W 是理想低通信道的带宽,单位为赫(Hz)。每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 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。

C=2 * W * log2(V)
//Nyquist公式

2.信噪比

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 = W log2(1+S/N) b/s

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。

信噪比(dB)=10 log10(S/N) (dB)

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 W 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 ​

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,是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两类:导引型传输媒体非导引型传输媒体

(1).导引型传输媒体

  1. 双绞线(最常用的传输媒体)
  • 模拟传输的数字传输都可以用双绞线,其通信距离一般为几到十几公里
  • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
  • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
  1. 同轴电缆
  • 同轴电缆具有很好的抗干扰特性,被广泛的用于传输较高速率的数据
  • 50欧同轴电缆
  • 75欧同轴电缆
  1. 光缆
  • 光缆通俗讲就是把一条以上光纤通过后期加工外套,层层保护,让光纤可以在室外、室内环境传输,不容易断开,让光纤能适应各类不同的环境。光缆作为传输数据重要的信息高速,影响我们生活的方面,听的最多是光纤到户,其实应该叫光缆到户,只是它是很细的光缆,叫皮线光缆。光缆主要有这些型号:6芯、8芯、12芯、48芯、72芯、96芯、144芯、288芯等,最常用6、8、12、24、48芯光缆。

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(2).非导引型传输媒体

      非导向传输媒体就是指自由空间,利用无线电波在自由空间的传播可以较快地实现多种通信。在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输,利用无线信道进行信息传输是在运动中通信的唯一手段,所以最近几年无线电通信发展得特别快。

4.信道复用技术

复用是一种将若干个彼此独立的信号,合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。

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(1).频分复用FDM

  • 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源

 频分复用的基本思想是:要传送的​信号带宽​是有限的,而线路可使用的​带宽​则远远大于要传送的信号带宽,通过对多路信号采用不同频率进行调制的方法,使调制后的各路信号在频率位置上错开,以达到多路信号同时在一个​信道​内传输的目的。因此,频分复用的各路信号是在时间上重叠而在​频谱​上不重叠的信号。

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(2).时分复用TDM

 时分复用​TDM​是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号,也能达到多路传输的目的。​时分多路复用​以时间作为信号分割的参量,故必须使各路信号在​时间轴​上互不重叠。时分复用就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(简称时隙),并将这些时隙分配给每一个信号源使用,保证资源的利用率。

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(3).统计时分复用

 统计时分复用是一种根据用户实际需要动态分配线路资源的时分复用方法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源,当用户暂停发送数据时,不给他分配线路资源,线路的传输能力可以被其他用户使用。采用统计时分复用时,每个用户的​数据传输速率​可以高于​平均速率​,最高可达到线路总的传输能力。

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(4).波分复用WDM

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器,Multiplexer)汇合在一起,并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术;在接收端,经解复用器(亦称分波器或称去复用器,Demultiplexer)将各种波长的光载波分离,然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术,称为波分复用。

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(5).码分复用CDM

码分复用(CDM,Code Division Multiplexing)是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式,主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术,包括无线和有线接入。

例如在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的,一个信道只容纳1个用户进行通话,许多同时通话的用户,互相以信道来区分,这就是多址。

码分复用是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号。采用同一波长的扩频序列,频谱资源利用率高,与WDM结合,可以大大增加系统容量。有​码分多址​​频分多址​(FDMA)、​时分多址​(TDMA)和同步码分多址(SCDMA)等相关技术。

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5.数字传输系统

旧数字传输系统的缺点

速率体系标准不统一 :北美和日本的T1:24路PCM,速率1.544Mb/s 欧洲的E1:30路PCM,速率2.048Mb/s,我国采用E1标准 国际范围的高速数据传输很难实现。

不是同步传输: 各国的数字网主要是采用准同步方式,节约经费,但各支路信号的时钟频率有偏差,难于复用

为解决上述问题,美国推出一个数字传输标准:

同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1,OC 表示Optical Carrier。

同步数字系列 SDH

  • ITU-T 以美国标准 SONET 为基础,制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。
  • 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。
  • SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s,称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module),即 STM-1,相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

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6.宽带接入技术

如果一个用户需要接入互联网,必须要首先接入到某一个ISP,以便获取到网络上的IP地址。在互联网的发展初期,用户就是利用电话线通过调制解调器连接到ISP中。

从带宽的技术接入上来看,带宽技术接入主要分为有线宽带接入和无线宽带接入。

1、ADSL技术

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现成的模拟电话用户进行改造,使它能够承载宽带数字业务。
之所以叫做“非对称”,是因为ADSL的下行(从ISP到用户)宽带都远远大于上行(从用户到ISP)宽带。

技术原理

  1. ADSL技术把0-4 kHz低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用。
  2. ADSL在用户线(铜线)的两端各安装一个ADSL调制解调器,我国采用的调制解调器的实现方案是离散多音调DMT调制技术。
  3. ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。

ADSL的接入网组成部分: 数字用户线接入复用器DSLAM,用户线和用户家中的一些设施。 ​

优缺点:

优点:可以利用电话网中的用户线(铜线),而不需要重新布线。

缺点:ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL,因此,电信局需要定期检查用户线的质量,以保证能够提供向用户承诺的最高的ADSL数据率。

2、光纤同轴混合网(HFC网)

光纤同轴混合网是在目前覆盖面很广的有限电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网,除了可以传送电势节目外还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

主要特点: HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。光纤从头端连接到光纤结点。 在光纤结点光信号被转换为电信号,然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。

技术要求: 要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号,需要把一个叫做机顶盒的设备连接在同轴电缆和用户的电视剧之间。但为了使用户能够利用HFC网接入到互联网,以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息,我们还需要增加一个为HFC网使用的调制解调器,它又称为电缆调制解调器。电缆调制解调器可以做成一个单独的设备,也可以做成内置式的,安装在电视机的机顶盒里面。

缺点: HFC网通过光纤结点下行到每个用户时,由于每个用户串行地接入到同一根同轴电缆上,因此某个用户线上所能达到的数据率大小取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。

3、FTTx技术

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