Bonky
Neither believe nor reject anything, because any other person has rejected or believed it. Heaven has given you a mind for judging truth and error, Use it.
By Thomas Jefferson

计算机网络 – 物理层

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是具体的传输媒体 。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉硬件设备和传输媒体的差异,使数据链路层不必考虑网络具体的传输媒体是什么 。

基本概念

信道 channel

三种基本交互方式包括:单工通信(单向通信),半双工通信(同时只有单向),全双工通信(双向同时通信)

同步与异步通信

同步通信:要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等,以便使接收端对收到的比特流的采样判决时间是准确的。

异步通信:发送数据以字节为单位,对每一字节増加一个起始比特和一个终止比特,共 10 bit。接收端接收到起始比特,便开始对这个数据单元的 10 bit 进行处理。它的特点是发送端发送完一个字节后,可以经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。相対来说,同步通信技术较复杂,价格昂贵,但通信效率较高;而异步通信开销较大,价格低廉,使用具有一般精度的时钟来进行数据通信。

基带信号和调制信号

基带传输又叫数字传输,是指把要传输的数据转换为数字信号,使用固定的频率在信道上传输。例如计算机网络中的信号就是基带传输的。

和基带相对的是频带传输,又叫模拟传输,是指信号在电话线等这样的普通线路上,以正弦波形式传播的方式。我们现有的电话、模拟电视信号等,都是属于频带传输。

通过借助频带传输,可以将链路容量分解成两个或更多的信道,每个信道可以携带不同的信号,这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。

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不归零(NRZ)和归零制(RZ)都是高电平代表1,低电平代表0。

非归零反相编码(NRZI) 代表的是一次反转代表0,不反转代表1。典型应用如USB传输。

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曼彻斯特当短时间内为 “高低” 的时候代表1,“低高” 的时候代表0。

差分曼彻斯特为在到达下一个时钟周期前,也就是虚线前。如果为0。当到达下一个时钟周期,当从高电平降到低电平的时候,那么就说明前一个时钟周期和后一个时钟周期的电平没有发生变化,也就是0;反之为1。

两个曼彻斯特的优点是无需专门传递同步时钟信号的线路,利用中间的跳变作为同步信号。

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信号的极限容量

我们知道,数字通信的优点就是:虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真,但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号,那么这种失真对通信质量就没有影响。码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,或噪声干扰越大,或传输媟体质量越差,在接收端的波形的失真就越严重,接收端就越难以识别。

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: 在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰的问题,使接收端对码元的识别成为不可能。如果信道的频带越宽,也就是能够通过的信号高频分量越多,那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。(即传输频率/频率带宽越高,传输速率越高)
  • 信噪比: 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的,它的瞬时值有时会很大,因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误(1 误判为 0 或 0 误判为 1)。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强,那么噪声的影响就相对较小。因此,信噪比就很重要。所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比,常记为 SYN,并用分贝(dB)作为度量单位。即

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在 1948 年,信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。香农公式指出:信道的极限信息伎输速率 C

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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。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于:只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定存在某种办法来实现无差错的传输。不过,香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。

奈氏准则和香农公式

奈氏准则指出了,码元传输的速率是受限的,不能任意提高,否则在接收端就无法正确判定码元是 1 还是 0 (因为有码元之间的相互干扰),是一个理想条件下才能用的公式。

香农公式给出了信息传输速率的极限,即对一定的传输带宽(以赫兹为单位)和一定的信噪比,信息传输速率的上限就确定了 。香农公式的意义在于,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。

公式 参数意义
奈氏准则 C=2W \log _{2} M C 最大码元传输速率,W 信道带宽,M 是电频个数
香农公式 \mathcal{C}=W \log _{2}(1+\frac{S}{N}) S/N 为信道内信号和噪声的功率之比,转换为分贝:(S/N)_{dB}=10\cdot log_{10}(S/N)

信道复用技术

这里写图片描述

使用信道复用技术的基本原因

  • 通信线路的架设费用较高,需要尽可能地充分使用每个信道的容量,尽可能不重复建设通信线路;

  • 一个物理信道(传输介质)所具有的通信容量往往大于单个通信过程所需要的容量要求,如果一个物理信道仅仅为一个通信过程服务,必然会造成信道容量资源的浪费。

最基本的复用就是频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)

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频分复用最简单,其特点如图 (a)所示。用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。1GAMPS 就采用的 FDM / FDMA

而时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。为简单起见,在图 (b)中只画出了 4 个用户 A, B, C 和 D。每一个用户所占用的时隙周期性地出现(其周期就是 TDM 帧的长度)。因此 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。可以看出,时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。常用的2G技术都采用的 TDM/TDMAGSM / GPRS /EDGE

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其他技术还有:统计时分复用 STDM,波分复用 WDM,码分复用 CDM/CDMA (3G), OFDMA 用于4GLTENOMA 用于5G

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CDMA

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(chip)。 码片序列 (chip sequence)

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。

例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。

发送比特 1 时,就发送序列 00011011,

发送比特 0 时,就发送序列 11100100。 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)。

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 :
\mathbf{S} \bullet \mathbf{T} \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} T_{i}=0
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 :
\mathrm{S} \bullet \mathrm{S}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} S_{i}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i}^{2}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}(\pm 1)^{2}=1
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 – 1 。

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例:某个 CDMA 站接收方收到一条如下所示的碎片系列

假设各个站点的码片向量如下

试问:哪些站点发送了数据?分别发送了什么数据?

解析:此题的解答步骤较为固定,只需将接收到的碎片序列分别与站点 A、B、C、D 的码片向量进行规格化内积即可。内积为 1 表示发送了比特 1, 内积为-1 表示发送了比特 0, 内积为 0 表示没有发送数据,计算如下

由以上计算结果可知,站点 A 和站点 D 发送了比特 1, 站点 B 发送了比特 0, 站点 C 没有发送数据。

宽带接入技术

ADS技术

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因为光纤用户网的成本过高,所以在今后的十几年至几十年内大多数用户网仍将继续使用现有的铜线环路,近年来人们提出了多项过渡性的宽带接入网技术,其中ADSL(不对称数字用户环路)和HFC(光纤同轴混合网)是最具有竞争力的两种。

ADSLAsymmetric DigitaSubscriber Line的简称,中文名叫做:非对称数字用户线路 ,亦可称作非对称数字用户环路。是一种新的数据传输方式,它因为上行和下行带宽不对称,因此称为非对称数字用户线环路。ADSL 技术的原理是,把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

ADSL采用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道,从而避免了相互之间的干扰。即使边打电话边上网,也不会发生上网速率和通话质量下降的情况。

通常ADSL可以提供最高1Mbps的上行速率和最高8Mbps的下行速率(也就是我们通常说的带宽),此时线路已经无法提供正常的通话服务。最新的ADSL2+技术可以提供最高24Mbps的下行速率,ADSL2+打破了ADSL接入方式带宽限制的瓶颈,使其应用范围更加广阔。

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HFC 技术

在全世界,有线电视网已有超过9.4亿的用户。早期有线电视网络是采用同轴电缆结构,是一种树型结构网络,从有线电视台出来后不断分级展开,最后到达用户。在Internet的推动下,用户对信息交换和网络传输都提出了新的要求,希望融合CATV网络、计算机网络和电信网为一体的呼声越来越高。利用HFC网络结构,建立一种经济实用的宽带综合信息服务网的方案也由此而生。

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从有线电视台出来的节目信号先变成光信号在干线上传输;到用户区域后把光信号转换成电信号,经分配器分配后通过同轴电缆送到用户。它与早期CATV同轴电缆网络的不同之处主要在于,在干线上用光纤传输光信号,在前端需完成电—光转换,进入用户区后要完成光—电转换。

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FTTx 技术

把用户的上网速率进行升级就成为 ISP 的重要任务。从技术上讲,光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)应当是最好的选择,这也是广大网民最终所向往的。所谓光纤到户,就是把光纤直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后,才把光信号转换为电信号。这样做就可以使用户获得最高的上网速率。

但光纤到户 FTTH 有两个问题:首先是目前的价格还不够便宜;其次是一般的家庭用户也并没有这样高的数据率的需求。要在网上流畅地观看视频节目,有数兆比特每秒的数据率就可以了,不一定非要使用100 Mbit/s 或更高的数据率。

在这种情况下,就出现了多种宽带光纤接入方式,称为 FTTx,表示 Fiber To The.. 这里字母 x 可代表不同的光纤接入地点。实际上,FTTx 就是把光电转换的地方,从用户家中(这时 x 就是 H)向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。

远用不了一根光纤的通信容量。为了有效地利用光纤资源,在光纤干线和广大用户之间,还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网 ODN (OpticaDistribution Network),使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。图 2-25 是现在广泛使用的无源光配线网的示意图。“无源”表明在光配线网中无须配备电源,因此基本上不用维护,其长期运营成本和管理成本都很低。无源的光配线网常称为无源光网络 PON (Passive OpticaNetwork)

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在图中,光线路终端 OLT (OpticaLine Terminal)是连接到光纤干线的终端设备。OLT 把收到的下行数据发往无源的 1:N 光分路器(splitter),然后用广播方式向所有用户端的光网络单元 ONU (OpticaNetwork Unit)发送。如果 ONU 在用户家中,那就是光纤到户 FTTH 了。

传输介质

导向性传输介质包含双绞线、同轴电缆和光纤。注意传输介质不属于媒体层,传输媒体在物理层的下面。

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双绞线

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把两根互相绝缘的铜导线纹合起来。其特点是既可以传输模拟信号、又可以传输数字信号(距离太远时,对于模拟信号传输,要用放大器放大衰减了的号;对于数字信号传输,要用中继器将失真的信号整形)。

同轴电缆

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它比双绞线的抗干抚能力强、此传输距离更远。

光纤

光纤,即光导纤维,根据光线传输方式不同,光纤可分为单模光纤和多模光纤。共主要优点是频带宽、衰减小、速率高、体积小、抗需电和电磁干扰性好、误码率低、质量轻、保密性好等。

单模光纤:单模光纤:直径只有一个光波的波长,光线在其中一直向前传播,不会发生多次反射,单模光纤的光源使用的是昂贵的半导体激光器,而不使用较便宜的发光二极管,因此单模光纤的衰减较小,适合远距离传输

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多模光纤:利用光的全反射特性,如图所示。多模光纤的光源为发光二极管。由于光脉冲在多模光纤中传输会逐渐展宽,造成失真,因此多模光纤只适合近距离传输。

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材料

可以看到下面的表,可以注意到的是,第一个 10 代表的是带宽(每秒传输 10 Mbit ),BASE 代表传输的是基带信号,即数字信号,第三个代表所用的材料,10BASE-T 中的 T 指双绞线,10BASE-5 指传输距离 500 米(即粗缆)

类型 特点
10BASE-5 粗缆。最大传输距离 500 米,使用 AUI 连接器连接或使用收发器电缆和收发器(MAU)进行连接。
10BASE-2 细缆。实际传输距离为 185 米,使用 BNC 连接器(T 型和 N 型)。
10BASE-T 双绞线。传输距离 100 米,使用 RJ-45 连接器。
10BASE-F 光纤。分为 FP,FL,FB 三种链接类型,FP 使用无源集线器连接,传输距离 500 米,FB 使用有源连接器,传输距离 3000 米,F可以使用多个中继器,可以进一步延长器传输距离。
100BASE-TX 双绞线,使用两对非屏蔽双绞线或两对 1 类屏蔽双绞线连接,传输距离 100 米。
100BASE-T4 4 对 3 类非屏蔽双绞线,传输距离 100 米。
100BASE-F 单模或多模光纤,传输距离 2000 米左右。
1000BASE-T 5 类非屏蔽双绞线,传输距离 100 米。
1000BASE-CX 屏蔽类双绞线,传输距离 25 米1000BASE-LX
1000BASE-SX 多模光纤,传输距离 300 米至 550 米。
1000base-x SFP 表示千兆光口。
1000base-t 表示千兆电口。
10001BASE-X 的含义是 1000 只传输速率 1000M,BASE 是基带传输,X 代表单模或多模光纤。
1000BASE-T 1000 只传输速率 1000M,BASE 是基带传输,T 的含义是 5 类或者更高级 UTP 双绞线。
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