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Ⅰ 【山外筆記-計算機網路·第7版】第02章：物理層

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本章最重要的內容是：

（1）物理層的任務。

（2）幾種常用的信道復用技術。

（3）幾種常用的寬頻接入技術，主要是ADSL和FTTx。

1、物理層簡介

（1）物理層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。

（2）物理層的作用是盡可能地屏蔽掉傳輸媒體和通信手段的差異。

（3）用於物理層的協議常稱為物理層規程（procere），其實物理層規程就是物理層協議。

2、物理層的主要任務 ：確定與傳輸媒體的介面有關的一些特性。

（1）機械特性：指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。

（2）電氣特性：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的范圍。

（3）功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。

（4）過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

3、物理層要完成傳輸方式的轉換。

（1）數據在計算機內部多採用並行傳輸方式。

（2）數據在通信線路（傳輸媒體）上的傳輸方式一般都是串列傳輸，即逐個比特按照時間順序傳輸。

（3）物理連接的方式：點對點、多點連接或廣播連接。

（4）傳輸媒體的種類：架空明線、雙絞線、對稱電纜、同軸電纜、光纜，以及各種波段的無線信道等。

1、數據通信系統的組成

一個數據通信系統可劃分為源系統（或發送端、發送方）、傳輸系統（或傳輸網路）和目的系統（或接收端、接收方）三大部分。

（1）源系統：一般包括以下兩個部分：

（2）目的系統：一般也包括以下兩個部分：

（3）傳輸系統：可以是簡單的傳輸線，也可以是連接在源系統和目的系統之間的復雜網路系統。

2、通信常用術語

（1）通信的目的是傳送消息（message），數據（data）是運送消息的實體。

（2）數據是使用特定方式表示的信息，通常是有意義的符號序列。

（3）信息的表示可用計算機或其他機器（或人）處理或產生。

（4）信號（signal）則是數據的電氣或電磁的表現。

3、信號的分類 ：根據信號中代表消息的參數的取值方式不同

（1）模擬信號/連續信號：代表消息的參數的取值是連續的。

（2）數字信號/離散信號：代表消息的參數的取值是離散的。

1、信道

（1）信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。

（2）一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。

（3）單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則都需要兩條信道（每個方向各一條）。

2、通信的基本方式 ：

（1）單向通信又稱為單工通信，只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。如無線電廣播、有線電廣播、電視廣播。

（2）雙向交替通信又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送/接收。

（3）雙向同時通信又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發送和接收信息。

3、調制 （molation）

（1）基帶信號：來自信源的信號，即基本頻帶信號。許多信道不能傳輸基帶信號，必須對其進行調制。

（2）調制的分類

4、基帶調制常用的編碼方式 （如圖2-2）

（1）不歸零制：正電平代表1，負電平代表0。

（2）歸零制：正脈沖代表1，負脈沖代表0。

（3）曼徹斯特：編碼位周期中心的向上跳變代表0，位周期中心的向下跳變代表1。也可反過來定義。

（4）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。

5、帶通調制的基本方法

（1）調幅（AM）即載波的振幅隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於無載波或有載波輸出。

（2）調頻（FM）即載波的頻率隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於頻率f1或f2。

（3）調相（PM）即載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於相位0度或180度。

（4）多元制的振幅相位混合調制方法：正交振幅調制QAM（Quadrature Amplitude Molation）。

1、信號失真

（1）信號在信道上傳輸時會不可避免地產生失真，但在接收端只要從失真的波形中能夠識別並恢復出原來的碼元信號，那麼這種失真對通信質量就沒有影響。

（2）碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或雜訊干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。

2、限制碼元在信道上的傳輸速率的因素

（1）信道能夠通過的頻率范圍

（2）信噪比

3、香農公式 （Shannon）

（1）香農公式（Shannon）：C = W*log2(1+S/N) (bit/s)

（2）香農公式表明：信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高。

（3）香農公式指出了信息傳輸速率的上限。

（4）香農公式的意義：只要信息傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定存在某種辦法來實現無差錯的傳輸。

（5）在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,是因為香農公式的推導過程中並未考慮如各種脈沖干擾和在傳輸中產生的失真等信號損傷。

1、傳輸媒體

傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路。

2、傳輸媒體的分類

（1）導引型傳輸媒體：電磁波被導引沿著固體媒體（雙絞線、同軸電纜或光纖）傳播。

（2）非導引型傳輸媒體：是指自由空間，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。

1、雙絞線

（1）雙絞線也稱為雙扭線， 即把兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，然後用規則的方法絞合（twist）起來。絞合可減少對相鄰導線的電磁干擾。

（2）電纜：通常由一定數量的雙絞線捆成，在其外麵包上護套。

（3）屏蔽雙絞線STP（Shielded Twisted Pair）：在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織成的屏蔽層，提高了雙絞線抗電磁干擾的能力。價格比無屏蔽雙絞線UTP（Unshielded Twisted Pair）要貴一些。

（4）模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。

（5）雙絞線布線標准

（6）雙絞線的使用

2、同軸電纜

（1）同軸電纜由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護塑料外層所組成。

（2）由於外導體屏蔽層的作用，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。

（3）同軸電纜主要用在有線電視網的居民小區中。

（4）同軸電纜的帶寬取決於電纜的質量。目前高質量的同軸電纜的帶寬已接近1GHz。

3、光纜

（1）光纖通信就是利用光導纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖為1，沒有光脈沖為0。

（2）光纖是光纖通信的傳輸媒體。

（3）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。光脈沖在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真，多模光纖只適合於近距離傳輸。

（4）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，可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。單模光纖的纖芯很細，其直徑只有幾個微米，製造起來成本較高。

（5）光纖通信中常用的三個波段中心：850nm，1300nm和1550nm。

（6）光纜：一根光纜少則只有一根光纖，多則可包括數十至數百根光纖，再加上加強芯和填充物，必要時還可放入遠供電源線，最後加上包帶層和外護套。

（7）光纖的優點

1、無線傳輸

（1）無線傳輸是利用無線信道進行信息的傳輸，可使用的頻段很廣。

（2）LF，MF和HF分別是低頻（30kHz-300kHz）、中頻（300kHz-3MH z）和高頻（3MHz-30MHz）。

（3）V，U，S和E分別是甚高頻（30MHz-300MHz）、特高頻（300MHz-3GHz）、超高頻（3GHz-30GHz）和極高頻（30GHz-300GHz），最高的一個頻段中的T是Tremendously。

2、短波通信： 即高頻通信，主要是靠電離層的反射傳播到地面上很遠的地方，通信質量較差。

3、無線電微波通信

（1）微波的頻率范圍為300M Hz-300GHz（波長1m-1mm），但主要使用2~40GHz的頻率范圍。

（2）微波在空間中直線傳播，會穿透電離層而進入宇宙空間，傳播距離受到限制，一般只有50km左右。

（3）傳統的微波通信主要有兩種方式，即地面微波接力通信和衛星通信。

（4）微波接力通信：在一條微波通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站，中繼站把前一站送來的信號經過放大後再發送到下一站，故稱為「接力」，可傳輸電話、電報、圖像、數據等信息。

（5）衛星通信：利用高空的人造同步地球衛星作為中繼器的一種微波接力通信。

（6）無線區域網使用ISM無線電頻段中的2.4GHz和5.8GHz頻段。

（7）紅外通信、激光通信也使用非導引型媒體，可用於近距離的筆記本電腦相互傳送數據。

1、復用（multiplexing）技術原理

（1）在發送端使用一個復用器，就可以使用一個共享信道進行通信。

（2）在接收端再使用分用器，把合起來傳輸的信息分別送到相應的終點。

（3）復用器和分用器總是成對使用，在復用器和分用器之間是用戶共享的高速信道。

（4）分用器（demultiplexer）的作用：把高速信道傳送過來的數據進行分用，分別送交到相應的用戶。

2、最基本的復用

（1）頻分復用FDM（Frequency Division Multiplexing）

（2）時分復用TDM（Time Division Multiplexing）：

3、統計時分復用STDM （Statistic TDM）

（1）統計時分復用STDM是一種改進的時分復用，能明顯地提高信道的利用率。

（2）集中器（concentrator）：將多個用戶的數據集中起來通過高速線路發送到一個遠地計算機。

（3）統計時分復用使用STDM幀來傳送數據，每一個STDM幀中的時隙數小於連接在集中器上的用戶數。

（4）STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙，提高了線路的利用率。

（5）統計復用又稱為非同步時分復用，而普通的時分復用稱為同步時分復用。

（6）STDM幀中每個時隙必須有用戶的地址信息，這是統計時分復用必須要有的和不可避免的一些開銷。

（7）TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中所劃分的幀。和數據鏈路層的幀是完全不同的概念。

（8）使用統計時分復用的集中器也叫做智能復用器，能提供對整個報文的存儲轉發能力，通過排隊方式使各用戶更合理地共享信道。此外，許多集中器還可能具有路由選擇、數據壓縮、前向糾錯等功能。

1、波分復用WDM （Wavelength Division Multiplexing）

波分復用WDM是光的頻分復用，在一根光纖上用波長來復用兩路光載波信號。

2、密集波分復用DWDM （Dense Wavelength Division Multiplexing）

密集波分復用DWDM是在一根光纖上復用幾十路或更多路數的光載波信號。

1、碼分復用CDM （Code Division Multiplexing）

（1）每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。

（2）各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。

（3）碼分復用最初用於軍事通信，現已廣泛用於民用的移動通信中，特別是在無線區域網中。

2、碼分多址CDMA （Code Division Multiple Access）。

（1）在CDMA中，每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片（chip）。通常m的值是64或128。

（2）使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列（chip sequence）。

（3）一個站如果發送比特1，則發送m bit碼片序列。如果發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼。

（4）發送信息的每一個比特要轉換成m個比特的碼片，這種通信方式是擴頻通信中的直接序列擴頻DSSS。

（5）CDMA系統給每一個站分配的碼片序列必須各不相同，並且還互相正交（orthogonal）。

（6）CDMA的工作原理：現假定有一個X站要接收S站發送的數據。

（7）擴頻通信（spread spectrum）分為直接序列擴頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）和跳頻擴頻FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）兩大類。

早起電話機用戶使用雙絞線電纜。長途干線採用的是頻分復用FDM的模擬傳輸方式，現在大都採用時分復用PCM的數字傳輸方式。現代電信網，在數字化的同時，光纖開始成為長途干線最主要的傳輸媒體。

1、早期的數字傳輸系統最主要的缺點：

（1）速率標准不統一。互不兼容的國際標准使國際范圍的基於光纖的高速數據傳輸就很難實現。

（2）不是同步傳輸。為了節約經費，各國的數字網主要採用准同步方式。

2、數字傳輸標准

（1）同步光纖網SONET（Synchronous Optical Network）

（2）同步數字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy）

（3）SDH/SONET定義了標准光信號，規定了波長為1310nm和1550nm的激光源。在物理層定義了幀結構。

（4）SDH/SONET標準的制定，使北美、日本和歐洲三種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准。

互聯網的發展初期，用戶利用電話的用戶線通過數據機連接到ISP，速率最高只能達到56kbit/s。

從寬頻接入的媒體來看，寬頻接入技術可以分為有線寬頻接入和無線寬頻接入兩大類。

1、非對稱數字用戶線ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line）

（1）ADSL技術是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬頻數字業務。

（2）ADSL技術把0-4kHz低端頻譜留給傳統電話使用，把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。

（3）ADSL的ITU的標準是G.992.1（或稱G.dmt，表示它使用DMT技術）。

（4）「非對稱」是指ADSL的下行（從ISP到用戶）帶寬都遠遠大於上行（從用戶到ISP）帶寬。

（5）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）。

（6）ADSL所能得到的最高數據傳輸速率還與實際的用戶線上的信噪比密切相關。

2、ADSL數據機的實現方案 ：離散多音調DMT（Discrete Multi-Tone）調制技術

（1）ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL數據機。

（2）「多音調」就是「多載波」或「多子信道」的意思。

（3）DMT調制技術採用頻分復用的方法，把40kHz-1.1MHz的高端頻譜劃分為許多子信道。

（4）當ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL數據機就測試可用的頻率、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。

（5）ADSL能夠選擇合適的調制方案以獲得盡可能高的數據率，但不能保證固定的數據率。

3、數字用戶線接入復用器DSLAM （DSL Access Multiplexer）

（1）數字用戶線接入復用器包括許多ADSL數據機。

（2）ADSL數據機又稱為接入端接單元ATU（Access Termination Unit）。

（3）ADSL數據機必須成對使用，因此把在電話端局記為ATU-C，用戶家中記為ATU-R。

（4）ADSL最大的好處就是可以利用現有電話網中的用戶線（銅線），而不需要重新布線。

（5）ADSL數據機有兩個插口：

（6）一個DSLAM可支持多達500-1000個用戶。

4、第二代ADSL

（1）ITU-T已頒布了G系列標准，被稱為第二代ADSL，ADSL2。

（1）第二代ADSL通過提高調制效率得到了更高的數據率。

（2）第二代ADSL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，根據線路的實時狀況，自適應地調整數據率。

（3）第二代ADSL改善了線路質量評測和故障定位功能。

5、ADSL技術的變型 ：xDSL

ADSL並不適合於企業，為了滿足企業的需要，產生了ADSL技術的變型：xDSL。

（1）對稱DSL（Symmetric DSL，SDSL）：把帶寬平均分配到下行和上行兩個方向，每個方向的速度分別為384kbit/s或1.5Mbit/s，距離分別為5.5km或3km。

（2）HDSL（High speed DSL）：使用一對線或兩對線的對稱DSL，是用來取代T1線路的高速數字用戶線，數據速率可達768KBit/s或1.5Mbit/s，距離為2.7-3.6km。

（3）VDSL（Very high speed DSL）：比ADSL更快的、用於短距離傳送（300-1800m），即甚高速數字用戶線，是ADSL的快速版本。

1、光纖同軸混合網HFC （Hybrid Fiber Coax）

（1）光纖同軸混合網HFC是在有線電視網的基礎上改造開發的一種居民寬頻接入網。

（2）光纖同軸混合網HFC可傳送電視節目，能提供電話、數據和其他寬頻交互型業務。

（3）有線電視網最早是樹形拓撲結構的同軸電纜網路，採用模擬技術的頻分復用進行單向廣播傳輸。

2、光纖同軸混合網HFC的主要特點：

（1）HFC網把原有線電視網中的同軸電纜主幹部分改換為光纖，光纖從頭端連接到光纖結點（fiber node）。

（2）在光纖結點光信號被轉換為電信號，然後通過同軸電纜傳送到每個用戶家庭。

（3）HFC網具有雙向傳輸功能，而且擴展了傳輸頻帶。

（4）連接到一個光纖結點的典型用戶數是500左右，但不超過2000。

3、電纜數據機 （cable modem）

（1）模擬電視機接收數字電視信號需要把機頂盒（set-top box）的設備連接在同軸電纜和電視機之間。

（2）電纜數據機：用於用戶接入互聯網，以及在上行信道中傳送交互數字電視所需的一些信息。

（3）電纜數據機可以做成一個單獨的設備，也可以做成內置式的，安裝在電視機的機頂盒裡面。

（4）電纜數據機不需要成對使用，而只需安裝在用戶端。

（5）電纜數據機必須解決共享信道中可能出現的沖突問題，比ADSL數據機復雜得多。

信號在陸地上長距離的傳輸，已經基本實現了光纖化。遠距離的傳輸媒體使用光纜。只是到了臨近用戶家庭的地方，才轉為銅纜（電話的用戶線和同軸電纜）。

1、多種寬頻光纖接入方式FTTx

（1）多種寬頻光纖接入方式FTTx，x可代表不同的光纖接入地點，即光電轉換的地方。

（2）光纖到戶FTTH（Fiber To The Home）：把光纖一直鋪設到用戶家庭，在光纖進入用戶後，把光信號轉換為電信號，可以使用戶獲得最高的上網速率。

（3）光纖到路邊FTTC（C表示Curb）

（4）光纖到小區FTTZ（Z表示Zone）

（5）光纖到大樓FTTB（B表示Building）

（6）光纖到樓層FTTF（F表示Floor）

（7）光纖到辦公室FTTO（O表示Office）

（8）光纖到桌面FTTD（D表示Desk）

2、無源光網路PON （Passive Optical Network）

（1）光配線網ODN（Optical Distribution Network）：在光纖干線和廣大用戶之間，鋪設的轉換裝置，使得數十個家庭用戶能夠共享一根光纖干線。

（2）無源光網路PON（Passive Optical Network），即無源的光配線網。

（3） 無源：表明在光配線網中無須配備電源，因此基本上不用維護，其長期運營成本和管理成本都很低。

（4）光配線網採用波分復用，上行和下行分別使用不同的波長。

（5）光線路終端OLT（ Optical Line Terminal）是連接到光纖干線的終端設備。

（6）無源光網路PON下行數據傳輸

（7）無源光網路PON上行數據傳輸

當ONU發送上行數據時，先把電信號轉換為光信號，光分路器把各ONU發來的上行數據匯總後，以TDMA方式發往OLT，而發送時間和長度都由OLT集中控制，以便有序地共享光纖主幹。

（8）從ONU到用戶的個人電腦一般使用乙太網連接，使用5類線作為傳輸媒體。

（9）從總的趨勢來看，光網路單元ONU越來越靠近用戶的家庭，即「光進銅退」。

3、無源光網路PON的種類

（1）乙太網無源光網路EPON（Ethernet PON）

（2）吉比特無源光網路GPON（Gigabit PON）

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書名：計算機網路（第7版）

作者：謝希仁

豆瓣評分：8.8

出版社：電子工業出版社

出版年份：2017-1

頁數：464

內容簡介：

本書自1989年首次出版以來，曾於1994年、1999年、2003年、2008年和2013年分別出了修訂版。在2006年本書通過了教育部的評審，被納入普通高等教育「十一五」國家級規劃教材；2008年出版的第5版獲得了教育部2009年精品教材稱號。2013年出版的第6版是「十二五」普通高等教育本科國家級規劃教材。

目前2017年發行的第7版又在第6版的基礎上進行了一些修訂。 全書分為9章，比較全面系統地介紹了計算機網路的發展和原理體系結構、物理層、數據鏈路層（包括區域網）、網路層、運輸層、應用層、網路安全、互聯網上的音頻/視頻服務，以及無線網路和移動網路等內容。各章均附有習題（附錄A給出了部分習題的答案和提示）。

本書的特點是概念准確、論述嚴謹、內容新穎、圖文並茂，突出基本原理和基本概念的闡述，同時力圖反映計算機網路的一些最新發展。本書可供電氣信息類和計算機類專業的大學本科生和研究生使用，對從事計算機網路工作的工程技術人員也有參考價值。

作者簡介：

謝希仁，解放軍理工大學指揮自動化學院，教授，博士生導師。主要學術成果有：1986年完成總參通信部區域網辦公系統項目；1987年在《電子學報》發表「分組話音通信新進展」；為國內首次介紹分組數據通信；1991年完成國家自然科學基金項目「分組交換的話音數據通信系統」項目。1999年完成第一個軍用衛星通信系統網管中心的研製任務及「金橋網網管技術」項目等。上述科研項目分別獲得國家、軍隊和部級獎項。著有：《計算機網路》第1至第7版（「十一五國家級規劃教材」），曾兩次獲得國家級優秀教材獎，成為高校最受讀者歡迎的本國計算機網路教材。