【谢希尔计算机网络】第2章物理层

**数据data：**传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号： 数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
- 数字信号/离散信号：代表信息的参数的取值是离散的。
- 模拟信号/连续信号：代表信息的参数的取值是连续的。
**信源：**产生和发送数据的源头。
**信宿：**接受数据的终点。
信道： 信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道。
- 按传输信号分
  - 模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传送数字信号）
- 按传输介质分
  - 无线信道有线信道

三种通信方式

现实交流场景：

计算机通信方式：

单工通信
半双工通信/双向交替通信
全双工通信/双向同时通信

串行传输&并行传输

串行传输：将表示一个字符的8为二进制按照由低到高的顺序依次发送
- 特点：速度慢，费用低
- 应用场景：适合长距离传输
并行传输：将表示一个字符的8为二进制数同时通过8条信道发送。
- 特点：速度快，费用高
- 应用场景：打印，扫描仪之间传输数据。

同步传输&异步传输

同步传输： 在同步传输的模式吓死，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需要先送出一个或者多个同步字符，再送出整批的数据。
异步传输： 异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以使8位的一个字符或更长，发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道他们会在什么时候到达。发送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

码元

码元是指用一个固定时长和信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位
这个时长内的信号被称为k进制码元
而时长成为码元宽度。
当码元的离散状态有M个事（M大于2）此时码元位M进制码元
1码元可以携带多个比特的信息量。
- 1个比特位--2进制码元；
- 2个比特位--4进制码元。

数字通信系统数据传输速率的两种表示方法

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量，可以用码元传输速率 和信息传输速率表示。

码元传输速率： 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为脉冲个数或信号变化的次数 ），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
1. 码元速率与进制数无关，只和码元长度T有关。
2. 1s传输多少个码元
信息传输速率： 表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）
1. 1s传输多少个比特

关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。

带宽

**模拟信号系统中：**当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时（即-3DB），最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹（Hz）
数字设备中： 表示在单位时间从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率 "/单位时间内通过数据链路的数量， 常用来表示网络通信线路所能传输的数据能力。单位是比特每秒（bps）。

两个公式lim

奈氏准则

失真问题

影响失真的因素：

码元传输速率；
信号传输距离；
操作干扰程度；
传输媒体质量。

失真的一种现象--码间串扰

**信号带宽：**是信道能通过的最高评率和最低频率之差。
码间串扰 ：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则

**奈氏准则：**在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2*W Baud。其中W是信道带宽，单位是Hz。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
由于码元的传输速率受奈氏准则的限制，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多远制的调剂方法。

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬间值有时会很大，因此噪声会使接收端对元码的判决产生错误。
但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。
因此，信噪比 就很重要。
- 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（db）作为度量单位
香农定理： 在宽带受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信道的数据传输速率上有上限。

相关说明：

信道的带宽或信道中的信噪比 越大，则信息的传输速率就越高。
对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比他低不少。
从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

香农定理题目练习

奈氏准则 VS 香农定理

奈氏准则 -- 内忧问题
- 带宽受限无噪声条件下，为了避免码间串扰，计算的是码元传输速率的上限；
- 想要提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术
香农定理 -- 外患问题
- 带宽受限有噪声条件下的信息传输速率，计算的是信息传输速率的上限；
- 想要提高数据率，就要提高带宽/信噪比

奈氏准则和香农定理共同决定数据率上限的判断标准

编码与调制

基带信号与宽带信号

【信道概念】

**信道：**信号的传输媒介，一般用来表示某个方向发送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道

【信道的分类】

传输信号
- 模拟信道（传输模拟信号）
- 数字信道（传输数字信号）
传输媒介
- 无线信道
- 有线信道

【信道上传送的信号】

基带信号
- 将数字信号1和0直接用两种的不同电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。
- 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。
- 基带信号就是发出的直接表达要传输信息的信号，比如我们说活的声波就是基带信号。
宽带信号
- 将基带信号进行调制后新城的频分复用的模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。
- 把基带信号经过载波调制 后，把信号的频率范围 搬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通过信道）

【传输方式的应用】

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，而信号内容不易发生变化）
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（近距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来系带信号）

编码与调制

编码
- 数据 --> 数字信号
- 数字数据通过数字发送器 --> 数字信号
- 模拟数据通过PCM编码器 --> 数字信号
调制
- 数据 --> 模拟信号
- 数字数据通过调制器--> 模拟信号
- 模拟数据通过放大器调制器 --> 模拟信号

常用编码方式

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；
曼切斯特编码：位周期中心向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表1.可以反过来定义
差分曼切实特编码: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。

数字数据调剂为模拟信号

数字数据调剂技术在发送端将数据信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对于调剂解调器的调制和解调过程。

模拟数据信号编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转成有限个数字表示离散序列（即实现音频数字化）

最经典的例子就是对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM），在计算机应用中，能够到达最高保真水平就是PCM编码，它的主要步骤包括三步：抽样、量化、编码。

抽样： 对模拟信号周期性扫描，把事件连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真的代表抽样的模拟数据，要采用采样定理进行采用：采样频率信号最高频率
**量化：**把抽样取得电平幅值按照一定的分级标度分化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
**编码：**把量化的结果转换为与之对于的二进制编码。

模拟数据调剂为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调剂方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的

物理层下面的传输媒体

物理层下面的传输媒体

传输媒体是数据传输系统在发送器和接收器之间的物理通路
两大类
- 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播
- 非导引型传输媒体：指自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

电信领域使用的电磁波的频谱

导引型传输媒体

1. 双绞线

最古老但又最常用的传输媒体
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）起来就构成双绞线。
绞合度越高，可用的数据传输率越高

2大类：
- 无屏蔽双绞线 UTP
  - 无屏蔽层
  - 价格较便宜
- 屏蔽双绞线 STP
  - 带有屏蔽层
  - 都必须有接地线

屏蔽双绞线 STP

x/UTP：对整条双绞线进行屏蔽。
- F/UTP (F=Foiled)：表明采用铝箔屏蔽层。
- S/UTP (S=braid Screen)：表明采用金属编织层进行屏蔽。
- SF/UTP：表明在铝箔屏蔽层外面再加上金属编织层的屏蔽。
- FTP 或 U/FTP：把电缆中的每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层。U表明对整条电缆不另增加屏蔽层
- F/FTP：在 FTP 基础上对整条电缆再加上铝箔屏蔽层。
- S/FTP：在 FTP 基础上对整条电缆再加上金属编织层的屏蔽。

双绞线标准 EIA/TIA-568

无论哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大；
双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

2. 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、网络编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。
具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

3. 光缆

光纤是光纤通信的传输媒体。通过传递光脉冲来进行通信。
其传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
发送端：要有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。
- 光源：发光二极管，半导体激光器等。
接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲。

光波在纤芯中的传播

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉丝成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。当光纤从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。

多模光纤与单模光纤

多模光纤
- 可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
- 光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，只适合近距离传输。
单模光纤
- 其直径减小到只有哦一个光的波长（几个微米），可使光纤一直向前传播，而不会产生多次发射。
- 制造成本高，但衰耗较小。
- 光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用较便宜的发光二极管。

光纤通信中使用的光波的波段

常用的三个波段的中心
- 850 nm， 1300 nm， 1550 nm。
所有这三个波段都具有 25000~30000 GHz 的带宽，通信容量非常大。

光缆

必须将光纤做成很结实的光缆。
- 数十至数百根光纤，加强芯和填充物，必要时还可放入远供电源线，最后加上包带层和外护套。
使抗拉强度达到几公斤，完全可以满足工程施工的强度要求。

光纤优点

通信容量非常大
传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
抗雷电和电磁干扰性能好
无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截断数据。
体积小，重量轻。

现在已经非常广泛地应用在计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中。

非导引型传输媒体

利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信，因此将自由空间称为"非导引型传输媒体"。
无线传输所使用的频段很广： LF ~ THF （30 kHz ~ 3000 GHz）

无线电微波通信

占有特殊重要的地位。
微波频率范围：
- 300 MHz~300 GHz（波长1 m ~ 1 mm）。主要使用：2 ~ 40 GHz。
在空间主要是直线传播。
- 地球表面：传播距离受到限制，一般只有 50 km左右。
- 100 m 高的天线塔：传播距离可增大到 100 km。

多径效应

基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方。多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

误码率（即比特错误率）不能大于可容许的范围

对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率就越低。
对于同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率也更高。
如果用户在进行通信时不断改变自己的地理位置，就会引起无线信道特性的改变，因而信噪比和误码率都会发生变化。

远距离微波通信：微波接力

微波接力：中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。

主要特点：

微波波段频率很高，频段范围很宽，其通信信道的容量很大。
工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小，微波传输质量较高。
与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于实施。

主要缺点：

相邻站之间必须直视（常称为视距 LOS (Line Of Sight)），不能有障碍物，存在多径效应。
有时会受到恶劣气候的影响。
与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

卫星通信

通信容量大，通信距离远，通信比较稳定，通信费用与通信距离无关。
但传播时延较大：在 250~300 ms之间。
请注意："卫星信道的传播时延较大"并不等于"用卫星信道传送数据的时延较大"。
保密性相对较差。造价较高。

无线局域网使用的 ISM 频段

无线局域网：使用无线信道的计算机局域网。
无线电频段：通常必须得到无线电频谱管理机构的许可证。
ISM 频段：可以自由使用。

信道复用技术

复用 (multiplexing) ：允许用户使用一个共享信道进行通信。

频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

最基本。
将整个带宽分为多份，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。
所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源。

时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)

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。
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。
TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。
所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

频分多址与时分多址

可让 N 个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这 N 个频带。这种方式称为频分多址接入 FDMA (Frequency Division Multiple Access)，简称为频分多址。
可让 N 个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这 N 个时隙。这种方式称为时分多址接入 TDMA (Time Division Multiple Access)，简称为时分多址。

复用器 (multiplexer) 和分用器 (demultiplexer)

成对使用。

时分复用会导致信道利用率不高

统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

波分复用

波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) ：光的频分复用 。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

码分复用

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
当码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)

CDMA 工作原理

将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列。
- 发送比特 1：发送自己的 m bit 码片序列。
- 发送比特 0：发送该码片序列的二进制反码。

码片序列实现了扩频

要发送信息的数据率 = b bit/s，实际发送的数据率 = mb bit/s，同时，所占用频带宽度也提高到原来的 m 倍。
扩频通常有 2 大类：
- 直接序列扩频 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 。
- 跳频扩频 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

CDMA 的重要特点

每个站分配的码片序列：各不相同，且必须互相正交 (orthogonal)。

正交：向量 S 和 T的规格化内积 (inner product) 等于 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 。

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 --1。

数字传输系统

早期，电话网长途干线采用频分复用 FDM 的模拟传输方式。
目前，大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。
现代电信网业务括话音、视频、图像和各种数据业务。因此需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络。
在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。

早期数字传输系统的缺点

速率标准不统一。两个互不兼容的国际标准：
- 北美和日本的 T1 速率（1.544 Mbit/s）
- 欧洲的 E1 速率（2.048 Mbit/s）。
不是同步传输。主要采用准同步方式。
- 各支路信号的时钟频率有一定的偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。

同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network)

各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构：
- **传输速率以 51.84 Mbit/s 为基础。**对电信信号称为第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)，对光信号则称为第 1 级光载波 OC-1 (Optical Carrier)。
- 现已定义了从 51.84 Mbit/s (即 OC-1) 到 9953.280 Mbit/s (即 OC-192/STS-192) 的标准。

同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

ITU-T 以美国标准 SONET 为基础制订的国际标准。
与 SONET 的主要不同：SDH 的基本速率为 155.52 Mbit/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。

SONET 的 OC/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系

SONET / SDH 标准的意义

定义了标准光信号，规定了波长为 1310 nm 和 1550 nm 的激光源。
在物理层定义了帧结构。
使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一。
已成为公认的新一代理想的传输网体制。
SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

宽带接入技术

宽带：标准在不断提高。
美国联邦通信委员会 FCC 定义：
- 宽带下行速率达 25 Mbit/s，宽带上行速率达 3 Mbit/s。
从宽带接入的媒体来看，划分为 2 大类：
- 有线宽带接入。
- 无线宽带接入。

ADSL 技术

非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
ADSL 技术把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
ADSL 的 ITU 的标准：G.992.1（或称 G.dmt）。
非对称：下行（从 ISP 到用户）带宽远大于上行（从用户到 ISP）带宽。

ADSL 调制解调器

采用离散多音调 DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。
DMT 调制技术采用频分复用 FDM 方法。
相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
ADSL 不能保证固定的数据率。

ADSL 的组成

3 大组成部分：

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。

第二代 ADSL

包括 ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5）。

主要改进：

(1) 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
(2) 采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)。
(3) 改善了线路质量评测和故障定位功能。

ADSL 并不适合于企业，因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户。

xDSL

SDSL (Symmetric DSL)：对称数字用户线
HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
Giga DSL：超高速数字用户线
华为公司于 2012 年首先研制成功样机。使用时分双工 TDD (Time Division Duplex)和 OFDM 技术

光纤同轴混合网（HFC 网）

HFC (Hybrid Fiber Coax) 网基于有线电视网 CATV 网。
改造：把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤

HFC 网具有双向传输功能，扩展了传输频带

机顶盒与电缆调制解调器（set-top box）

机顶盒（set-top box）：

连接在同轴电缆和用户的电视机之间。
使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号。

电缆调制解调器（cable modem）：

将用户计算机接入互联网。
在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息。
不需要成对使用，而只需安装在用户端。
复杂，必须解决共享信道中可能出现的冲突问题。

FTTx 技术

代表多种宽带光纤接入方式。

FTTx 表示 Fiber To The...（光纤到...），例如：

光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。
光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)
光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)
光纤到小区 FTTZ (Fiber To The Zone)
光纤到办公室 FTTO (Fiber To The Office)
光纤到桌面 FTTD (Fiber To The Desk) 等。

光配线网 ODN (Optical Distribution Network)

光配线网 ODN (Optical Distribution Network)：位于光纤干线和广大用户之间。无源的光配线网常称为无源光网络 PON (Passive Optical Network)。

采用波分复用 WDM，上行和下行分别使用不同的波长。

2 种最流行的无源光网络 PON (Passive Optical Network)：

以太网无源光网络 EPON (Ethernet PON)
- 在链路层使用以太网协议，利用 PON 的拓扑结构实现以太网的接入。
- 与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便。
吉比特无源光网络 GPON (Gigabit PON)
- 采用通用封装方法 GEM (Generic Encapsulation Method)，可承载多业务，且对各种业务类型都能够提供服务质量保证，总体性能比EPON好。
- 成本稍高。

【谢希尔 计算机网络】第2章 物理层

通信基础

基本概念

两个公式lim

奈氏准则

香农定理

奈氏准则 VS 香农定理

编码与调制

物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体

1. 双绞线

2. 同轴电缆

3. 光缆

非导引型传输媒体

无线电微波通信

卫星通信

无线局域网使用的 ISM 频段

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

波分复用

码分复用

CDMA 工作原理

CDMA 的重要特点

数字传输系统

SONET / SDH 标准的意义

宽带接入技术

ADSL 技术

ADSL 调制解调器

ADSL 的组成

光纤同轴混合网（HFC 网）

【谢希尔计算机网络】第2章物理层