[计算机网络]Ch.2 物理层

[TOC]

1. 物理层

物理层的功能:在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。

2. 数据通信的理论基础

2.1 傅里叶分析

傅立叶级数:任何正常周期为T的函数g(t),都可由(无限个)正弦和余弦函数合成

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  • f=1/T是基频,an和bn称为n次谐波的正弦振幅和余弦振幅。
  • 谐波数越高,传输质量越好
  • 带宽(电气工程):传输过程中振幅不会明显衰减的频率范围(Hz)

2.2 信道的最大数据速率

2.2.1 尼奎斯特定理(理想无噪声信道)

在无噪声信道中,带宽为 B Hz,信号电平为V级


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2.2.2 香浓定理

在噪声信道中,带宽为B Hz,信噪比为S/N,则

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  • 噪声与分贝值转换
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  • 这是一个理论上限

3 有线传输介质

传输介质:

  • 磁介质,如磁带
  • 双绞线
    -- 非屏蔽双绞线
    -- 屏蔽双绞线
  • 同轴电缆
  • 电力线
  • 光纤

3.1 双绞线

由两根具有绝缘层的铜导线按一定密度,逆时针方向绞合而成
绞距(扭距):一般地,绞距越紧(小),对不同电流产生干扰波的抵消效果越好,传输性能越好

3.1.1 非屏蔽双绞线(UTP)(前6类):

优点:成本低、尺寸小、易于安装
缺点:易受干扰、 传输距离性能受到绞距影响

3.1.2 屏蔽双绞线:

每对双绞线外加一个屏蔽层,整个线缆外再加一个屏蔽层

3.2 同轴电缆:

由中心导体、绝缘材料层、网状导体、外部绝缘料4层组成
比UTP更好地屏蔽特性和更大的带宽
基带同轴电缆:50Ω,用于数字传输(屏蔽层为铜);
宽带同轴电缆:75Ω,用于模拟传输和有线电视传输(屏蔽层为铝)

3.3 光纤

由极细的玻璃纤维构成,把光封闭在其中并沿轴向进行传播;
优点:重量轻、损耗低、不受电磁辐射干扰、传输频带宽、通信容量大
缺点:昂贵、易断裂
P78单模:以单一模式传输,激光产生的单束光,纤心细、高带宽、长距离,运行波长为850nm或1300nm;
P78多模:以多个模式同时传输,LED产生的多束光,纤心粗、低带宽、短距离,运行波长为1310nm或1550nm 。

4. 数字调制与多路复用技术

4.1 数字调制(调制机制使用信号来传输比特)

  • 基带传输:直接将数据比特转化为信号
  • 通带传输:通过调节信号的振幅、相位或频率来传输比特

4.1.1 基带传输:

(比特流、不归零、不归零逆转、曼切斯特、二级编码)
Line codes (线路编码)发送 symbols(样本、符号),一个样本可传送1个或多个比特

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4.1.1.1 NRZ:(针对带宽效率)

  • 单纯信号遵循数据,有利于提高带宽效率

利用有限带宽的一种有效策略是使用两个以上的信号级别
例如:采用4个电压级别,用单个符号一次携带2个bit。(此时所需带宽为原来一半)

  • 关系转换公式
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C(比特率)
B(波特率):每秒钟信号变化的次数
n:调制电平数或线路的状态数,为2的整数倍(有例外)

4.1.1.2 Manchester:时钟信号与bit进行XOR(针对时钟回复)

在NRZ中,若有一长串1或0,接收器难以分辨各个bit。为了解决时钟恢复问题,产生这种编码方案
缺点:需要两倍于NRZ的带宽

NRZI:1定义为信号有跳变

曼彻斯特编码的简化

二级编码:用+1V 与-1V表示1(针对平衡信号)

在短时间内正负电压信号一样多称为平衡信号。(与电气特性有关)

通带传输(通过调节信号的振幅、相位或频率来传输比特)

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如图:
ASK(幅移键控):通过振幅代表01
FSK(频移键控):通过频率代表01
PSK(相移键控):通过不同相位代表01

信号星座(把上述调制模式综合起来使用,以便使每个符号传输更多的比特)

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4.2 多路复用技术(让多用户共享同一根信道)

4.2.1 频分复用(FDM)

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为了混合多个信道,信道之间必须要有保护带(单位Hz)频带隔离相邻信道。

4.2.2 时分复用(TDM)

用户以循环方式轮流工作,每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间。


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4.2.3 波分多路复用(WDM)

本质跟 FDM一样,在光纤上复用信号

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4.2.4 码分复用(CDM)

  • 每个用户拥有一个唯一码片序列,
  • 码片是正交的,能够同时传输。
  • 广泛用于3G网通信


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    CDM方法能够容忍干扰,而且允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带。由于CDM技术常用与第二个目的(共享相同的频带),所以它称为码分多址(CDMA)

5 物理层设备

被动部件/设备:接线板/插头/插座/电缆
主动部件/设备:转发器/中继器/集线器
掌握冲突
两个节点发出的帧在物理介质上相遇
冲突域:数据包产生和冲突的网络区域,即指共享媒质区
中继器集线器无法隔离冲突域,交换机和路由器可以隔离冲突域

6 公用电话交换网络(PSTN)

PSTN的主要构成:

  • 本地回路(Local loops):模拟线路,进入千家万户和业务部门
    调制调节器,ADSL和光纤
  • 干线(Trunks):数字光纤,连接交换局
  • 交换局(Switching offices):话音接驳干线的场所

6.1 调制(电话调制调解器)

调制调节器:执行数字比特流和模拟信号流之间转换的设备.
两台计算机通过一条语音级电话线发送比特要用到调制解调器.

6.1.1 了解E1和T1

时分多路复用技术(用于电话网络)
T1 TDM 支持1.544 Mbps通信链路,将它划分为24个时隙,每间隔为64 kbps 美国标准
E1 TDM 支持2.048 Mbps通信链路,将它划分为32个时隙,每间隔为64 kbps 欧洲标准

6.2 复用

6.2.1 理解SONET(同步光网络)帧构成及标准速率计算 (TDM)

SONET帧结构

  • 9(行) x 90(列) = 810字节
  • 头3列 用于系统管理信息
  • 头9行包括各种传输开销:跨越不同链接,指定语音信道,连接帧等的开销。
  • 其余的87 列包括用户数据,即同步载荷封包 SPE (Synchronous Payload Envelope).,其中的第1列又用于路径开销。

STS-1:80008108=51.85Mbps
STS-N 帧是由N个STS-1基本帧构成的
对应于STS-N的光纤载波称为OC-N
计算复用后的传输速率
例如:STS-1,OC-1
一次传输8*810bit,每秒传输8000次(每隔125us发送一次)
总传输速率:8 x (9 x 90)x 8000 = 51.84M b/s
SPE: 8 x (9 x 87)x 8000 = 50.112M b/s
用户数据: 8 x (9 x 86)x 8000 = 49.536M b/s

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