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第2章 物理层

FunTime
 FunTime
发布于 2017/06/21 17:44
字数 3718
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2.1    物理层的基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体(光纤、双绞线等)上传输数据比特流(0、1),而不是指具体的传输媒体。

物理层的主要任务:确定传输媒体的接口的一些特性,即:

  • 机械特性:例如接口的形状、大小,引线的数目
  • 电气特性:例如规定电压的范围(-5V到+5V)
  • 功能特性:例如规定-5V表示0,+5V表示1
  • 过程特性:也成规程特性,规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2.2    数据通信的基础知识

相关术语

通信的目的是传送消息。

数据(Data)——传送消息的实体。

信号(signal)——数据电气的或电磁的表现。

“模拟信号”——代表消息的参数的取值是连续的。

“数字信号”——代表消息的参数的取值是离散的。

码元(code)——在使用时间域的波形表示数字信号时,则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在数字通信中常常用时间间隔相同的符号表示一个二进制数字,这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度

1 码元可以携带nbit的信息量。 如下图表示1 码元表示3bit的信息量。

 

信道的概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

单向信道(单工通信)——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。例:一般的电视机

双向交替通信(半双工通信)——通信双方都可以发送和接收信息,但不能同时发送或接收。例:对讲机

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。例:打电话

计算机通信一般是 双向交替通信 双向同时通信

 

基带(baseband)信号 和 带通(band pass)信号

基带信号基本频带信号)——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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号,比如我们说话的声波就是基带信号。

带通信号——把基带信号经过载波调制后,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)。

传输距离较近时,计算机网路都采用基带传输方式;因为在近距离范围内基带信号的衰减不大,从而信号内容不会发生变化。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

 

几种最基本的调制方法

  • 调幅(AM):载波的振幅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。

 

常用编码

 

单极性不归零码:只使用一个电压值,用高电平表示1,零电平(没电压)表示0

双极性不归零码:正电平负电平分别表示二进制数据的1 和 0,正负幅值相等

单极性归零码:单极性归零码(RZ)是以高电平和零电平分别表示二进制码 1 和 0,而且在发送码 1时,高电平在整个码元期间T 只持续一段时间 r ,其余时间返回零电平

双极性归零码:正负零三个电平,信号本身携带同步信息。

 

曼彻斯特编码

采用曼彻斯特编码,一个时钟周期只可表示一个bit,并且必须通过两次采样才能得到一个bit,但它能携带时钟信号,且可表示没有数据传输

差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同,但抗干扰性能强于曼彻斯特编码。

 

 

 

信道的极限容量

奈氏准则

1924年,奈奎斯特(Nyquist)推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下,为了避免码间串扰码元的传输速率的上限值。在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,否则就会出现码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)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。

 

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

香农公式表明

信道的带宽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方法实现无差错的传输。

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不少(有干扰)。

 

 

2.3 物理层下的传输媒体

导向传输媒体

导向传输媒体中,电磁波沿着固体媒体传播。

 

 

双绞线

  • 屏蔽双绞线 STP
  • 无屏蔽双绞线 UTP

同轴电缆

  • 50欧同轴电缆用于数字传输,由于多用于基带传输,也称基带同轴电缆
  • 75欧同轴电缆用于模拟传输,即宽带同轴电缆

 

光缆

 

网线

直通线:具体的线序制作方法是:双绞线夹线顺序是两边一致,

            统一都是:1:白橙、2:橙、3:白绿、4:蓝、5:白蓝、6:绿、7:白棕、8:棕。

注意两端都是同样的线序且一一对应,这就是100M网线的做线标准,即568B标准,也就是我们平常所说的正线或标准线、直通线。

两台计算机连接不能使用直通线(双绞线线序需要调整,否则相当于发送端接发送端,接收端接接收端),需要使用交叉线。

同类设备相连一般需要调整线序,使用交叉线(两个交换机相连,也要使用交叉线);不同类的设备使用直通线,比如计算机和交换机相连(交换机的接口已经调整了线序)。

直通线应用最广泛,这种类型的以太网电缆用来实现下列连接:

  • 主机到交换机或集线器
  • 路由器到交换机或集线器

10M和100M的网络只使用第1、2、3、6根双绞线,若是100M的网络则使用全部8根双绞线。

双绞线的顺序也是有要求的。

 

现代计算机网卡相对智能,有线序问题也可能能通信

 

单模光纤只能传输一种电磁波模式,多模光纤只可以传输多个电磁波模式,实际上单模光纤和多模光纤之分,也就是纤芯的直径之分。单模光纤细,多模光纤粗。在有线电视网络中使用的光纤全是单模光纤,其传播特性好,带宽可达10GHZ,可以在一根光纤中传输60套PAL-D电视节目。

 

非导向传输媒体

非导向传输媒体指自由空间其中电磁波传输被称为无线传输

无线传输所使用的频段很广

短波通信主要是靠电离层的反射,但短波信道通信质量较差

 

微波在空间主要是直线传播

  • 地面微波接力通信(发射塔接收然后发送给其他发射塔)
  • 卫星通信

 

 

物理层设备——集线器(hub)

工作特点:在网络中起到只起到信号放大重发的作用,目的是扩大网络的传输范围(计算机A要和计算机B通信,若网线最大传100m,而A和B距离200M或更高,则可以在中间使用集线器)不具备信号的定向传送能力(没有判断能力,和网线一样只传输/转发信号)

最大传输距离:100m

集线器是一个大的冲突域(一个集线器上只能允许两台计算机同时通信,其他计算机要等到这两台计算机通信结束才能通信)(一个集线器上连接的计算机越多,则两台计算机通讯的可能性也就越大,若某个时间段两个计算机要通信时,还有其他两台计算机要通信,则都要等到下个时间段再申请。计算机越多,可能等待的时间越长)(不安全,因为两台计算机通信,其他的计算机也能收到数据包,现在很少使用了)

 

集线器会将信号传送到所有连接的设备,但是C、D的网卡都有MAC地址,检测到数据包不是传给自己的就不会接收(能收到),如果在C/D上装上抓包工具可以抓到数据包。

如果hub的带宽为100M/s,连接了5台计算机,则每台计算机最大带宽为20M/s,平均分配。

 

2.4 信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

 

频分复用FDMFrequency Division Multiplexing

用户在分配到一定的频带后,在通信过程中始终都占用这个频带

频分复用的所有用户同样的时间占用不同的宽带资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)

 

时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

时分复用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。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期性就是TDM帧的长度对应的时间)。

TDM信号也成为等时(isochronous)信号

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

 

 

时分复用可能造成线路资源的浪费

使用时分复用系统传送计算机数据时,由于计算机数据的突发性质,用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的(有的用户在某时间段可能发数据,也可能不发数据)。

 

统计时分复用 STDM(Statistic TDM)

每个信道的信号加以标记,以便取出发给指定的信道;

数据的排列没有规律,够一个帧就发出。

交换机和交换机连接的干道链路,VLAN之间的干道链路,能够区分发送的数据,就是使用统计时分复用技术,在每个数据中都加上标记。

 

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)

波分复用即光的频分复用

 

2.5 数字传输系统

脉码调制 PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。

由于历史上的原因,PCM有两个互不兼容的国际标准,即北美的24路PCM(简称为T1)和欧洲的30路PCM(简称为E1)。我国采用的是欧洲的E1标准

E1的速率是2.048Mb/s,而T1的速率是1.544Mb/s。

当需要有更高的数据率时,可采用复用的方法。

Analog signal   (模拟信号)、Sampling(采样)、Quantizing(量化)、Encoding(编码)、

Digital signal(数字信号)

 

时分复用

 

2.6  宽带接入技术

xDSL(用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造)

标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内,但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。

xDSL技术就把0~4KHz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

downstream(下游)、upstream(上游)

DMT技术

DMT调制技术采用频分复用的方法,把40KHz1.1MHz高端频谱划分为许多的子信道,其中25个子信道用于上行信道,而249个子信道用于下行信道

每个子信道占据4KHz带宽,并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制。这种做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

baud(波特)、channel(渠道)、serial(串行)、parallel(平行)、converter(交流器)

 

ADSL的组成

access(访问)、multiplexer(复用器)、termination(终止)、remote(远程)、splitter(分离器)

 

光纤同轴混合网 HFC(Hybrid Fiber Coax)

            hybrid(混合动力)、fiber(纤维)、coaxial(同轴)

HFC网是在目前覆盖范围很广的有线电视网 CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网

HFC网除了可传送CATV外,还提供了电话、数据和其他宽带交互型业务

现有的CATV网树型拓扑结构的同轴电缆网络,它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造。

HFC网最大优点

具有很高的频带。能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网

 

FTTx技术

FTTx(光纤到...)也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可以代表不同的意思。

光纤到家 FTTH(Fiber To The Home):光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法(155Mb/s)。

光纤到大楼 FTTB(Fiber To The Building):光纤进入大楼后就转换为电信号,然后用电缆或双绞线分配到各用户。

光纤到路边FTTC(Fiber To The Curb):从路边到各用户可使用星型结构双绞线作为传输媒体(155Mb/s)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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