計算機網絡原理第二章
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2.1 物理層的基本概念
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。
物理層的作用是要儘可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異。
用於物理層的協議也常稱爲物理層規程 (procedure)。
主要任務：確定與傳輸媒體的接口的一些特性
機械特性 ：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。
電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。
過程特性 ：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
2.2 數據通信的基礎知識
數據通信系統的模型
一個數據通信系統包括三大部分：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）。
數據 (data) —— 運送消息的實體。
信號 (signal) —— 數據的電氣的或電磁的表現。
模擬信號 (analogous signal) —— 代表消息的參數的取值是連續的。
數字信號 (digital signal) —— 代表消息的參數的取值是離散的。
碼元 (code) —— 在使用時間域（或簡稱爲時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。
有關信道的幾個基本概念
信道： 一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。
單向通信（單工通信）：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。
雙向交替通信（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)。
雙向同時通信（全雙工通信）：通信的雙方可以同時發送和接收信息。 信道的極限容量
基帶信號（即基本頻帶信號）—— 來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號。
基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進行調製 (modulation)。
調製分爲兩大類：
基帶調製：僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應。變換後的信號仍然是基帶信號。把這種過程稱爲編碼 (coding)。
帶通調製：使用載波 (carrier)進行調製，把基帶信號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換爲模擬信號，這樣就能夠更好地在模擬信道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道） 。
帶通信號 ：經過載波調製後的信號。
常用的編碼方式
不歸零制：正電平代表 1，負電平代表 0。
歸零制：正脈衝代表 1，負脈衝代表 0。
曼徹斯特編碼：位週期中心的向上跳變代表 0，位週期中心的向下跳變代表 1。但也可反過來定義。
差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表 0，而位開始邊界沒有跳變代表 1。
從信號波形中可以看出，曼徹斯特 (Manchester) 編碼和差分曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高。
從自同步能力來看，不歸零制不能從信號波形本身中提取信號時鐘頻率（這叫做沒有自同步能力），而曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼具有自同步能力。
基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。爲了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調製 (modulation)。
最基本的二元制調製方法有以下幾種：
調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。
調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。
調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。
信道的極限容量
任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。
碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或傳輸媒體質量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。
從概念上講，限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有以下兩個：
信道能夠通過的頻率範圍
信噪比
具體的信道所能通過的頻率範圍總是有限的。信號中的許多高頻分量往往不能通過信道。
1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，爲了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。
在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成爲不可能。
如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。
噪聲存在於所有的電子設備和通信信道中。
噪聲是隨機產生的，它的瞬時值有時會很大。因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤。
但噪聲的影響是相對的。如果信號相對較強，那麼噪聲的影響就相對較小。
信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比。常記爲S/N，並用分貝 (dB) 作爲度量單位。即：
信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
例如，當S/N=10時，信噪比爲10dB，而當S/N=1000時，信噪比爲30dB。
1984年，香農 (Shannon) 用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率（香農公式）。
信道的極限信息傳輸速率 C 可表達爲：
其中：W 爲信道的帶寬（以 Hz 爲單位）；
S 爲信道內所傳信號的平均功率；
N 爲信道內部的高斯噪聲功率。
信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。
只要信息傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。
若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。
實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。
對於頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，並且碼元傳輸速率也達到了上限值，那麼還有辦法提高信息的傳輸速率。
這就是：用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。
2.3 物理層下面的傳輸媒體
傳輸媒體也稱爲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。
傳輸媒體可分爲兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體。
在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿着固體媒體（銅線或光纖）傳播。
非導引型傳輸媒體就是指自由空間。在非導引型傳輸媒體中，電磁波的傳輸常稱爲無線傳輸。
導引型傳輸媒體
雙絞線
最常用的傳輸媒體。
模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般爲幾到十幾公里。
屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)
帶金屬屏蔽層
無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)
同軸電纜
同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據。
同軸電纜的帶寬取決於電纜的質量。
50 Ω 同軸電纜 —— LAN / 數字傳輸常用
75 Ω 同軸電纜 —— 有線電視 / 模擬傳輸常用
光纜
光纖是光纖通信的傳輸媒體。
由於可見光的頻率非常高，約爲 10^8 MHz 的量級，因此一個光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的帶寬。
當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大於入射角。因此，如果入射角足夠大，就會出現全反射，光也就沿着光纖傳輸下去。
只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大於某個臨界角度，就可產生全反射。
多模光纖
可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱爲多模光纖。
單模光纖
若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。這樣的光纖稱爲單模光纖。
常用的三個波段的中心分別位於 850 nm, 1300 nm 和 1550 nm。
所有這三個波段都具有 25000~30000 GHz 的帶寬，可見光纖的通信容量非常大。
通信容量非常大。
傳輸損耗小，中繼距離長。
抗雷電和電磁干擾性能好。
無串音干擾，保密性好。
體積小，重量輕。
非導引型傳輸媒體
將自由空間稱爲“非導引型傳輸媒體”。
無線傳輸所使用的頻段很廣。
短波通信（即高頻通信）主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差，傳輸速率低。
微波在空間主要是直線傳播。
傳統微波通信有兩種方式：
地面微波接力通信
衛星通信
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。例如：ISM。各國的 ISM 標準有可能略有差別。
2.4 信道複用技術
頻分複用、時分複用和統計時分複用
複用 (multiplexing) 是通信技術中的基本概念。
它允許用戶使用一個共享信道進行通信，降低成本，提高利用率。
將整個帶寬分爲多份，用戶在分配到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都佔用這個頻帶。
頻分複用的所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源（請注意，這裏的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。
時分複用則是將時間劃分爲一段段等長的時分複用幀（TDM幀）。每一個時分複用的用戶在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。
每一個用戶所佔用的時隙是週期性地出現（其週期就是TDM幀的長度）的。
TDM 信號也稱爲等時 (isochronous) 信號。
時分複用的所有用戶在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。
使用時分複用系統傳送計算機數據時，由於計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。
波分複用
碼分複用
常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。
每一個比特時間劃分爲 m 個短的間隔，稱爲碼片 (chip)。
每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。
如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。
如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。
例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。
發送比特 1 時，就發送序列 00011011，
發送比特 0 時，就發送序列 11100100。
S 站的碼片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
假定S站要發送信息的數據率爲 b bit/s。由於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 站所佔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)。
每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交 (orthogonal)。
在實用的系統中是使用僞隨機碼序列。
令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。
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) 等於 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。
練習：
怎樣解碼出哪個站點發送了數據和發送了什麼數據？？？
——當接收站點T打算接收C站點的數據時，就拿C站點的碼片序列與接收的碼片序列進行內積運算，由於每個發送的數據擴展爲8碼片（教材使用8位碼片，爲了計算簡單），所以最後內積後要除8，接收的碼片序列中可能還有其他站點一起發送來的數據混在一起，根據每個站點的碼片具有正交特性，與其他站點的碼片序列的內積都爲0，接收的碼片序列裏有自已發送的數據時，內積結果時1或-1，如果計算結果是0，那接收數據中沒有這個站點發送的數據
根據這個原則來判斷，接收碼片序列中是否有某個站點發送的數據？
——如果內積結果時1，就發送了數據是1，如果內積結果時-1，那麼發送的數據是0
2.5 數字傳輸系統
在早期電話網中，從市話局到用戶電話機的用戶線是採用最廉價的雙絞線電纜，而長途幹線採用的是頻分複用 FDM 的模擬傳輸方式。
與模擬通信相比，數字通信無論是在傳輸質量上還是經濟上都有明顯的優勢。
目前，長途幹線大都採用時分複用 PCM 的數字傳輸方式。
脈碼調製 PCM 體制最初是爲了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。
由於歷史上的原因，PCM 有兩個互不兼容的國際標準：
北美的 24 路 PCM（簡稱爲 T1）
歐洲的 30 路 PCM（簡稱爲 E1）
我國採用的是歐洲的 E1 標準。
E1 的速率是 2.048 Mbit/s，而 T1 的速率是 1.544 Mbit/s。
當需要有更高的數據率時，可採用複用的方法。
舊的數字傳輸系統存在許多缺點
最主要的是以下兩個方面：
速率標準不統一
如果不對高次羣的數字傳輸速率進行標準化，國際範圍的基於光纖高速數據傳輸就很難實現。
不是同步傳輸
在過去相當長的時間，爲了節約經費，各國的數字網主要採用準同步方式。
當數據傳輸的速率很高時，收發雙方的時鐘同步就成爲很大的問題。
同步光纖網 SONET (Synchronous Optical Network) 的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。
SONET 爲光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構
對電信信號稱爲第 1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchronous Transport Signal)，其傳輸速率是 51.84 Mbit/s。
對光信號則稱爲第 1 級光載波 OC-1 (OC 表示Optical Carrier)。
現已定義了從 51.84 Mbit/s (即OC-1) 一直到 9953.280 Mbit/s (即 OC-192/STS-192) 的標準。
ITU-T 以美國標準 SONET 爲基礎，制訂出國際標準同步數字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。
一般可認爲 SDH 與 SONET 是同義詞。
其主要不同點是：SDH的基本速率爲155.52 Mbit/s，稱爲第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當於 SONET 體系中的 OC-3 速率。
使不同的數字傳輸體制在 STM-1 等級上獲得了統一。
第一次真正實現了數字傳輸體制上的世界性標準。
已成爲公認的新一代理想的傳輸網體制。
SDH 標準也適合於微波和衛星傳輸的技術體制。
2.6 寬帶接入技術
用戶要連接到互聯網，必須先連接到某個ISP。
在互聯網的發展初期，用戶都是利用電話的用戶線通過調制解調器連接到ISP的，電話用戶線接入到互聯網的速率最高僅達到56 kbit/s。
美國聯邦通信委員會FCC原來認爲只要雙向速率之和超過200 kbit/s 就是寬帶。但 2015 年重新定義爲：寬帶下行速率要達到 25 Mbit/s,上行速率要達到 3 Mbit/s
從寬帶接入的媒體來看，可以劃分爲兩大類：
有線寬帶接入
無線寬帶接入
下面討論有線的寬帶接入。
ADSL技術
非對稱數字用戶線 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。
標準模擬電話信號的頻帶被限制在 300~3400 Hz 的範圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。
ADSL 技術就把 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。
DSL 就是數字用戶線 (Digital Subscriber Line) 的縮寫。
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數字用戶線
HDSL (High speed DSL)：高速數字用戶線
SDSL (Single-line DSL)：1 對線的數字用戶線
VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數字用戶線
DSL (Digital Subscriber Line) ：數字用戶線
RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應 DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調節線路速率）
ADSL 的傳輸距離取決於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）。
ADSL 所能得到的最高數據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。
例如：
0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率爲 1.5~2.0 Mbit/s 時可傳送5.5公里，但當傳輸速率提高到 6.1 Mbit/s 時，傳輸距離就縮短爲 3.7 公里。
如果把用戶線的線徑減小到 0.4 毫米，那麼在 6.1 Mbit/s 的傳輸速率下就只能傳送 2.7 公里。
上行和下行帶寬做成不對稱的。
上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。
ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調制解調器。
我國目前採用的方案是離散多音調 DMT (Discrete Multi-Tone)調製技術。
這裏的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。
DMT 調製技術採用頻分複用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分爲許多子信道，其中 25 個子信道用於上行信道，而 249 個子信道用於下行信道。
每個子信道佔據 4 kHz 帶寬（嚴格講是 4.3125 kHz），並使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調製。這種做法相當於在一對用戶線上使用許多小的調制解調器並行地傳送數據。
由於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 採用自適應調製技術使用戶線能夠傳送儘可能高的數據率。
當 ADSL 啓動時，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。
ADSL 不能保證固定的數據率。對於質量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。
通常下行數據率在32 kbit/s到6.4 Mbit/s之間，而上行數據率在 32 kbit/s 到 640 kbit/s 之間。
包括 ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5）。
通過提高調製效率得到了更高的數據率。
ADSL2 要求至少應支持下行 8 Mbit/s、上行 800 kbit/s的速率。
ADSL2+ 則將頻譜範圍從 1.1 MHz 擴展至 2.2 MHz，下行速率可達 16 Mbit/s（最大傳輸速率可達 25 Mbit/s），而上行速率可達 800 kbit/s。
採用了無縫速率自適應技術 SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在運營中不中斷通信和不產生誤碼的情況下，自適應地調整數據率。
改善了線路質量評測和故障定位功能，這對提高網絡的運行維護水平具有非常重要的意義。
光纖同軸混合網(HFC網)
HFC (Hybrid Fiber Coax) 網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。
HFC 網除可傳送 CATV 外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。
現有的 CATV 網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它採用模擬技術的頻分複用對電視節目進行單向傳輸。
HFC 網對 CATV 網進行了改造。
HFC 網將原 CATV 網中的同軸電纜主幹部分改換爲光纖，並使用模擬光纖技術。
在模擬光纖中採用光的振幅調製AM，這比使用數字光纖更爲經濟。
模擬光纖從頭端連接到光纖結點 (fiber node)，即光分配結點 ODN (Optical Distribution Node)。在光纖結點光信號被轉換爲電信號。在光纖結點以下就是同軸電纜。
用戶接口盒 UIB (User Interface Box) 要提供三種連接，即：
使用同軸電纜連接到機頂盒 (set-top box)，然後再連接到用戶的電視機。
使用雙絞線連接到用戶的電話機。
使用電纜調制解調器連接到用戶的計算機。
電纜調制解調器是爲 HFC 網而使用的調制解調器。
電纜調制解調器最大的特點就是傳輸速率高。
下行速率一般在 3 ~ 10 Mbit/s之間，最高可達 30 Mbit/s。
上行速率一般爲 0.2 ~ 2 Mbit/s，最高可達 10 Mbit/s。
電纜調制解調器比在普通電話線上使用的調制解調器要複雜得多，並且不是成對使用，而是隻安裝在用戶端。
FTTx技術
FTTx 是一種實現寬帶居民接入網的方案，代表多種寬帶光纖接入方式。
FTTx 表示 Fiber To The…（光纖到…），例如：
光纖到戶 FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設到用戶家庭，可能是居民接入網最後的解決方法。
光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)：光纖進入大樓後就轉換爲電信號，然後用電纜或雙絞線分配到各用戶。
光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：光纖鋪到路邊，從路邊到各用戶可使用星形結構雙絞線作爲傳輸媒體。
