計算機網絡——物理層筆記

物理層 Physical Layer

物理層的位置和功能

位置：在協議模型中最低的層次棧
功能：定義了比特(bits)作爲信號在信道上傳輸時相關的電氣、時序和其他接口
Function

• Bit-signal transformation. 將01比特流變爲電信號
• Bit synchronization. 比特同步，收發雙方步調一致
• Circuit switching. 電路交換
• Bit-rate control. 比特率的控制
• Multiplexing. 多路複用

數據通信的基本概念

數據通信基本模型

• 不同信號所佔頻段可能不同，但都要在公共的基礎設施（通信子網）中傳輸。
• 終端設備傳出的信號可能不適用於公網，爲了使源端的信號成功傳輸，所以有一個發送設備來對信號進行加工。將比特流轉換爲模擬信號

基本概念

• 信道(Channel)：傳輸信息的介質
• 帶寬(Bandwidth)：傳輸過程中振幅不會明顯減弱的頻率寬度（任何信號經過信道時都會有能量衰減，直接體現在振幅上。）

適合電話線傳輸的信號頻率範圍：300Hz~3400Hz
3400-300=3100Hz 作爲電話線的帶寬（最高頻-最低頻）

• 模擬信號帶寬單位：Hz（赫茲）
• 數字信號帶寬單位：bps（比特每秒）
• 低通信道和帶通信道（Low-pass and Band-pass）
  

	低通信道	帶通信道
	通信範圍從0Hz開始	通信範圍從中間頻率開始（非0Hz開始）

• 比特率與波特率(Bit Rate and Baud Rate)

	比特率 Bit Rate	波特率 Baud Rate
	每秒傳輸的比特數	每秒傳輸的信號單元數

兩者可互相轉化$Bit\ Rate=Baud\ rate \times{log_2V}$V爲信號的有效狀態數

• 信道容量(Channel Capacity): 信道的最大數據率
• 吞吐量(Throughput): 網絡容量的入量，表示單位時間內網絡可以成功傳送的數據位數(bps)
• 負載(Load): 單位時間內注入網絡的數據位數(bps)
• 傳播速度(Propagation Speed): 通信線路上，信號單位時間內傳送的距離(米/秒)
• 誤碼率BER(Bit Error Rate): 信道傳輸可靠性指標$P=\frac{傳輸錯的位數}{傳輸的總位數}$
• 時延(Delay): 從向網絡中發送數據塊的第一位開始，到最後一位數據被接受所經歷的時間，由發送時延(Transmission Delay)、傳播時延(Propagation Delay)、結點處理時延(Nodal Processing Delay)、排隊時延組成(Queuing Delay)

發送時延	傳播時延	結點處理時延	排隊時延組成
設備發送一個數據塊所需要的時間（數據塊長度/信道帶寬）	信號通過傳輸介質的時間	交換機/路由器檢查數據、選路的時間	在交換機/路由器中排隊所等待的時間

• 發送時延計算
  $R=鏈路帶寬(bps)$，$L=數據長度(bits)$$Transmission\ Delay=\frac{L}{R}$
• 傳播時延計算
  $d=物理鏈路長度$，$s=信號在介質上的傳播速度$$Propagation\ Delay=\frac{d}{s}$
• 節點處理時延計算
  Check bit errors 檢查比特是否有出錯
  Determine output link 決定輸出鏈路
• 排隊時延
  Time waiting at output link for transmission 在輸出鏈路排隊等待輸出的時間
  Depends on congestion level of router 與路由器的擁塞程度有關
• 單工，半雙工，全雙工（Simplex，Half-duplex，Full-duplex）

	單工	半雙工	全雙工
特點	僅單向傳輸	可以雙向傳輸，但在某一時刻僅能單向傳輸	同一時刻可以雙向傳輸
實例	FM無線電廣播	對講機	語音電話通信

• 串行傳輸和並行傳輸（Serial transmission and Parallel transmission）

	串行傳輸	並行傳輸
信道	僅需一條信道	需要多條信道
通信距離	遠距離通信	近距離通信

• 異步傳輸與同步傳輸（Asynchronous Transmission and Synchronous Transmission）

	異步傳輸	同步傳輸
傳輸速率	慢，傳輸效率低	快，傳輸效率高
時鐘	獨立時鐘，無需同步	以時鐘信號線對傳輸的數據線上的信號進行比特同步
傳輸單位	以字符爲單位進行傳輸	以數據塊爲單位傳輸
同步方式	接收方依靠字符的起始位和停止位來同步	無需同步

異步傳輸
同步傳輸

• 傳輸損傷（Transmission Impairment ）
  不同信號承受傳輸損傷的表現形式不一樣

模擬信號	數字信號
信號質量劣化	誤碼

造成傳輸損傷的原因有：
信號衰減和失真（Attenuation and attenuation distortion）
時延失真（Delay distortion）
信道噪聲（Noise）

數據通信理論基礎

傅里葉變換(Fourier Transform)

任意週期性信號可以通過傅里葉變換轉換爲以下形式$g(t)=\frac{1}{2}c+\sum_{n=1}^\infty{a_n}sin(2\pi{nft})+\sum_{n=1}^\infty{b_n}cos(2\pi{nft})$$a_i和b_i是正餘弦函數的振幅，c爲常數$
信號變形的原因：由多種信號組成，每種信號的衰減程度和時延都不同
對於不同的頻率，能量爲$\sqrt{a_n^2+b_n^2}$頻率爲$Frequency=2\pi{nf}$
頻率越高，振幅越小，能量越小

帶寬(Bandwidth)

• 所有傳輸在傳輸的過程中都會損失一些能量

• 不同頻率成分的正餘弦波，在傳輸過程中損耗都不同

• 能量損耗在50%以內的頻段即爲信道的帶寬
  Telephone wire’s bandwidth: 1MHz
  UTP 5: 100MHz

• 傳輸介質的物理性質，取決於傳輸介質的構造、厚度、長度、工藝

• 帶寬單位：Hz，bps

無噪聲信道容量（Capacity for Noiseless Channel）

• 奈奎斯特公式（採樣定理）$Bit\ rate=2\times{Bandwidth}\times{log_2V}$V爲信號的有效狀態數
• $採樣次數爲n\Longleftrightarrow{波特率爲n}$
• 對於確定帶寬的信道，增加信號的級數就可以提高信道的傳輸速率（採樣定理）
• 信號振幅範圍確定的條件下，級數越多，信號單元的電壓差就越小
• 有噪聲信道中，信號單元多，造成的影響更大，誤碼的可能性更大，所以有噪信道的最大傳輸速率與信道帶寬和信道質量有關

有噪信道容量（Capacity for Noisy Channel）

• 容量計算：香農公式（Shannon Capacity）$Capacity=Bandwidth\times{log_2(1+\frac{signal\ power}{nosie\ power})}$
• 香農公式確定了有噪信道容量理論最大值
• 通常用分貝(Decibels dB)來表示信噪比，但兩者之間有換算關係$\frac{S}{N}_{dB}=10log_{10}{\frac{S}{N}}$

引導性傳輸介質（Guider Transmission Media）

不同傳輸介質的特性不同，體現在：
帶寬、傳播時延、最大傳輸距離、抗干擾能力、安全性、安裝和維護的難易程度、成本等

磁介質（Magnetic Media）

容量較大，在部分情境下帶寬不低（例如飛機拉磁帶）

雙絞線（Twisted Pair）、同軸電纜（Coaxial Cable）和光纖（Fiber Cables）

	雙絞線	同軸電纜	光纖
材料	由兩根彼此絕緣的銅導線絞合構成	由內而外：銅芯，絕緣材料，金屬導體網，塑料覆蓋層	由內而外：玻璃芯，玻璃包裹層，塑料層
原理	螺旋狀，導線產生的磁場互相抵消，降低輻射	和雙絞線類似，但抗噪能力更強	全反射
分類	屏蔽雙絞線和無屏蔽雙絞線	細纜和粗纜	單模光纖和多模光纖

雙絞線
其帶寬取決於

• 導線直徑，銅芯純度（純度高，帶寬越寬）
• 傳輸距離（越短，貸款約寬）
• 道線之間絞合的緊密程度（越密，帶寬越寬）

無屏蔽雙絞線 UTP	屏蔽雙絞線 STP（加入金屬包裹層）
性能差	性能好

同軸電纜

50歐姆電纜（細纜）	75歐姆電纜（粗纜）
初始以太網	有線電視網

光纖

優點：帶寬高、質量輕、安全性好

多模光纖 Multimode	單模光纖 Signle-mode
多個入射角	一個入射角（性能更好）

無線傳輸

特點：

• 相比有線，誤碼率高
• 傳播時延長
• 傳播方向（全向天線與定向天線）
• 安全性差
• 具有定位能力

無線電的傳播

沿地面傳播	被電離層反射	沿視距傳播，不能穿越障礙物，不受電離層影響
VLF,LF,MF波段	HF波段	VHF波段及以上

	微波傳輸	紅外傳輸	光傳輸
特點	近乎直線傳播，每80Km要有中繼器，信號衰減	具有方向性，成本低，不能穿過固體物體	非常窄的光束，天氣會影響傳輸
應用	應用於光纖出現前的長途電話系統	短程通信

通信衛星

• 通信衛星作爲天空中的一個大型微波中繼器，包含多個天線（antenna）和多個轉發器（transponder）
• 轉發器：監聽頻譜中某一部分，放大入境信號，在另一個頻率上將放大後的信號重新廣播出去（下行波束 Downward Beams）

通信衛星種類及其特性

	低軌衛星 LEO	中軌衛星 MEO	同步衛星 GEO
衛星高度(Km)	$(0,1000]$	$[5000,15000]$	$35000$
時延(ms)	1-7	35-85	270
覆蓋全球所需的衛星數	50	10	3

數字調製與多路複用（Digital Modulation and Multiplexing）

信道編碼技術

• 數字數據，數字信號
  
• 模擬數據，數字信號
  
• 數字數據，模擬信號
• 模擬數據，模擬信號（電話網）

基帶傳輸（Baseband transmission）

• 帶寬效率：
  帶寬是有限資源，一個解決方法是增加信號級數
  採用NRZ編碼時，至少需要$\frac{B}{2}$Hz的帶寬才能獲得$B$bps的比特率
  曼徹斯特編碼效率爲$50\%$
  信號級數不一定是2的冪次
• 時鐘恢復
  接收方必須知道數據在哪裏結束，下一個數據從何處開始
  解決方法：1.單獨傳送時鐘信號（浪費資源）2.曼徹斯特編碼/NRZI（不歸零逆轉編碼）
• 平衡信號
  儘量使用正電壓與負電壓一樣多的信號
  不使用直流信號（直流信號衰減嚴重，以及電容耦合等問題）
  AMI和曼切斯特碼都是平衡信號，NRZ不一定是平衡信號
  
  NRZ 非歸零編碼
  AMI 雙極性編碼（光纖不支持）

同步性缺失（Loss of Synchronization）

上圖可看出，接受方和發送方的時鐘週期不一樣長

曼徹斯特碼（Manchester）

• 每個比特週期中間會發生一次轉換
• 低到高代表1，高到低代表0
• 時鐘和數據（NRZ和時鐘信號做異或，得到曼徹斯特碼）
  
  

調製（Modulation）

將信號放在給定的頻段上叫做調製

• 信號起始頻率不是0Hz
• 對於無線信道，傳送超低頻信號是不實際的
• 對於有線信道，不同信號可以放在同一個信道上
• 一個信道上可以傳輸多路信號，只要把他們調製到不同的頻段
• 數字調製是將信號調製到通帶信道的載波信號上
• 調製的方法：調幅、調頻、調相
• 調製的裝置：Modem 調制解調器
  
  （a）原始信號
  （b）Amplitude shift keying (ASK) 幅移鍵控
  （c）Frequency shift keying (FSK) 頻移鍵控
  （d）Phase shift keying (PSK) 相移鍵控

複合調製技術（Combination of modulation techniques）

調制解調器可以使用複合的調製技術來處理數據，比如

• QPSK Quadrature Phase Shift Keying 正交相移鍵控
• QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交幅度調製
  
  相位：點與x正半軸之間的夾角個數
  振幅：點到原點的距離
  需要注意，同一種QAM有多種實現方式

複用技術（Multiplexing）

• 將不同頻段的信號放在一條傳輸信道上傳輸的過程就叫複用
• 調製是複用的準備工作
• 複用技術分爲：時分複用TDM，頻分複用FDM，波分複用WDM，碼分複用CDM
  頻分複用
  
  時分複用
  
• 在一個通信信道中，信號表面上是同時作爲子信道傳輸的，但實際上是在信道內輪流傳輸
• 時間域被分成若干個固定長度的週期性時隙，每個時隙對應一個子信道
  問題：可能引起資源浪費（同步時分複用，不需要地址位）

解決方法：統計時分複用（異步時分複用）STDM，時隙與用戶無綁定關係，需要地址位

碼分複用

• 擴頻通信的一種形式
• 碼分多址：每個基站可以在整個頻譜上隨時傳輸
• 利用編碼理論分離多個同步傳輸
  例子：教室說話
  時分複用：輪流說
  頻分複用：在不同的地方說
  碼分複用：用不同的語言說
  

公用交換電話網

電話系統結構

（a）全連通網絡 Fully-interconnected network
（b）中心交換網絡 Centralized switch
（c）二級結構網絡 Two-level hierarchy

• 長途呼叫的典型電路路由
  
• Local loops 本地環路
  連接到家庭或企業的模擬雙絞線對，Modem，ADSL和光纖
  問題：衰減，延遲畸變，噪音
• Trunks 中繼
  連接到交換局的數字光纖，數字信號 ，時分複用TDMA
• Switching offices 交換局
  端局 End office、匯接局 Tandem office、長途據 Toll office
  電話呼叫從一條中繼線被接入到另一條中繼線
  Tips：交換 電話系統中，交換機將電話用戶線或數字系統的虛電路連接起來，以建立用戶將之間的電話呼叫

PSTN中的數字與模擬傳輸

計算機-計算機呼叫中模擬傳輸和數字傳輸都使用，轉換由調制解調器（Modem）和編碼解碼器（Codec）完成

• Codec 編碼解碼器 每秒8000個採樣值，1個採樣值=8 bits
  
  01比特流通過Modem轉換爲頻率在300~3400Hz的模擬信號，通過PSTN網絡傳輸，到達後再用Modem還原爲01比特流數字信號

模擬信號數字化

• 設備：Codec 編碼解碼器
• 過程：
  （1）採樣：根據奈奎斯特定理，採樣頻率必須至少是模擬信號最高頻率的2倍，工程中一般爲2~5倍
  （2）量化：把信號強度分成線性或對數級編碼，兩種算法：A率算法（中國和歐洲），$\mu$率算法（北美和日本）
  （3）編碼

數字用戶線 DSL Digital Subcriber Lines

DSL所使用的3類UTP的帶寬與距離的關係

在較短距離提供高帶寬
隨着距離增加，帶寬急劇下降

xDSL服務

xDSL服務的目標

• 需要基於現有的本地環路的3類雙絞線之上
• 不能影響客戶原有的電話和傳真業務
• 服務傳輸速率需要高於56kbps
• 服務應該總是可用的，按月租方式收費而不是按每分鐘計費
  ADSL: Asymmetric DSL 非對稱數字用戶線
  ADSL接入
  
  Discrete Multitone Modulation 離散多音調製
• 將1.1MHz劃分爲256個子信道，每個約4kHz
• 0號頻道留給電話線
• 1-5號保留不用，防止語音信號和數據信號彼此之間干擾
• 250條信道：
  1條上行控制，1條下行控制，248條數據

ADSL調製方案

每秒採樣4000波特，利用QAM技術（正交幅度調製）
最高能達到每信號單元對應15比特

一種典型的ADSL設備配置

DSLAM 數字用戶線接入複用器
功能：調製解調（類似ADSL Modem），複用功能

電路交換和分組交換（Circuit Switching vs. Packet Switching）

	電路交換	分組交換	報文交換
原理	物理上把電路連接起來	存儲-轉發	存儲-轉發，佔用緩衝區
分配資源方式	資源預先分配，資源獨佔，面向連接	動態分配資源	動態分配資源
傳輸過程	電路建立，數據傳輸，電路釋放	每個分組（比特序列 Bit-sequences）獨立傳輸選路	每個分組（報文 Message）獨立選路
優點	延遲小，質量高。交換機控制簡單	線路利用率高，信道資源共享可以進行速率適配；排隊制	不存在連接建立時延；線路利用率高
缺點	需要建立連接（耗時）。固定帶寬，對於需要動態變化帶寬的服務不適用。資源浪費（靜默的信道）	複雜的網絡結構；時延高(排隊時延)；沒有QoS質量的保證	緩衝區要求高；轉發時延高；實時性差

時延分析