计算机网络之物理层

物理层考虑如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是特定的传输媒体。 物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体接口相关的特征，即：

数据通信系统可分为源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)三部分。

源系统一般包括以下两部分：

通信的目的是传输消息(message)。如发音、文字、图像、视频等。

数据(data) 是运送消息的实体。RFC对于4949的定义，数据是以特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。

信号(signal) 是电气或电磁数据的表现。

信号可分为以下两类：

• 模拟信号或连续信号 ** —— 代表信息的参数值是连续的。例如，模拟信号在用户家中的调制解调器传输到电话终端局之间的用户。
• 数字信号，或离散信号 一一 代表消息的参数值是离散的。例如，数字信号在用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网络中继线上传输。代表不同离散值的基本波形称为代码元。使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

注：码元携带的信息量不是固定的，而是由调制和编码决定的。

• 信道(channel)：信道和电路不一样。信道通常用于向某个方向传输信息的媒体。因此，通信电路通常包括发送信道和接收信道。
• 从信息交互的方式有三种基本方法：
  • 单向通信又称单工通信,也就是说，只有一个方向，没有相反的交互。无线电广播、有线电广播和电视广播属于这类。
  • 双向交替通信又称半双工通信,也就是说，通信双方都可以发送信息，但不能同时发送（当然，不能同时接收）。
  • 双向通信又称全双向通信,即通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一个通道，而双向交替通信或双向同时通信需要两个通道（每个方向都有一个）。显然，双向同时通信的传输效率最高。

• 基带信号：来自信源的信号通常被称为基带信号（即基本频带信号）。代表各种文本或图像文件的数据信号属于基带信号。

• 调制(modulation)：基带信号通常含有更多的低频成分，甚至直流成分，许多信道无法传输这种低频或直流成分。为了解决这个问题，基带信号必须调整( modulation)。调制可分为两类：

  （1）基带调制：一种是只改变基带信号的波形，使其适应信道特性。转换后的信号仍然是基带信号。由于这种基带调制是将数字信号转换为另一种形式的数字信号，人们更愿意称这个过程为编码(coding)。以下是常用的编码方法：

[1] 不归零制：正电平代表1，负电平代表0

[2] 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

[3] 曼彻斯特编码：位周期中心向上跳转代表0，位周期中心向下跳转代表1。

[4] 曼彻斯特编码差异：跳变在每个位置的中心。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

分析： 曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率高于非零系统。从自同步能力的角度来看，非零系统不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（称为无自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。自同步能力是从信号波形本身中提取信号时钟频率的能力。

（2）带通调制：另一种调制需要使用**载波(carrier)**调制，将基带信号的频率范围转移到较高的频段，并转换
为了模拟信号，它可以更好地传输到模拟信道中。载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内通过通道），而载波调制称为带通信调制。以下是最基本的带通调制方法：

[1] 调幅(AM)：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。

[2] 调频(FM)：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率$f_1$或$f_2$。

​ [3] 调相(PM)：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如,0或1分别对应于相位0度或180度。

为了达到更高的信息传输速率,必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如,正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。

任何实际的信道都不是理想的,都不可能以任意高的速率进行传送。码元传输的速率越髙,或信号传输的距离越远,或噪声干扰越大,或传输媒体质量越差,在接收端的波形的失真就越严重。 信号在信道上传输时会不可避免地产生失真,但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号,那么这种失真对通信质量就没有影响,如下图(a)所示。

从概念上讲,限制码元在信道上的传输速率的因素 有以下两个。
（1）信道能够通过的频率范围（频带）
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。 像上图（b）所示的发送信号是一种典型的矩形脉冲信号,它包含很丰富的高频分量。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减,那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了,每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的,而是前后都拖了“尾巴”。这样,在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限, 这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。早在1924年,奈奎斯特( Nyquist)就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。简单来说：在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

总结来说，受频率范围的限制，改聘分量容易衰减，产生码间串扰。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。

（2）信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比,常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位。即:
$$信噪比(bB)=10lo{g}_{10}(S/N)$$
在1948年,信息论的创始人香农( Shannon推导出了著名的香农公式。香农公式指出信道的极限信息传输速率C是:
$$C=Wlo{g}_2(1+S/N)(bit/s)$$

其中,W为信道的带宽(以Hz为单位)，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于:只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定存在某种办法来实现无差错的传输。 对于频带宽度已确定的信道,如果信噪比也不能再提高了并且码元传输速率也达到了上限值, 暂时只能用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 我们可以用个简单的例子来说明这个问题：

也就是说,若以同样的速率发送码元(这就对应前面提到的“一个码元所携带的信息量是不固定的,而是由调制方式和编码方式决定的” ),则同样时间所传送的信息量就提高到了3倍。

（1）双绞线

​ 双绞线把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合(twis)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。

​ 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线,其通信距离一般为几到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值(对于模拟传输),或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形(对于数字传输)。导线越粗,其通信距离就越远,但导线的价格也越高。在数字传输时,若传输速率为每秒几个兆比特,则传输距离可达几公里。

​ 为了提高双绞线抗电磁干扰的能力,可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线,简称为STP(Shielded Twisted Pair)。

​ 无论是哪种类别的双绞线,衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减。信号应当有足够大的振幅,以便在噪声干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

（2）同轴电缆

​ 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数据。在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步,在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。

（3）光缆

​ 光纤通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1,而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高,约为108MHz的量级,因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

（1）短波通信(即高频通信)

​ 短波通信(即高频通信)主要是靠电离层的反射。 但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应,使得短波信道的通信质量较差。因此,当必须使用短波无线电台传送数据时,一般都是低速传输,即速率为一个标准模拟话路传几十至几百比特/秒。只有在采用复杂的调制解调技术后,才能使数据的传输速率达到几千比特/秒

​ 在计算机网络中的信道广泛地使用各种复用(multiplexing)技术。如下图，A1,B1和C1分别使用一个单独的信道和A2,B2和C2进行通信,总共需要三个信道。但如果在发送端使用一个复用器,就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器,把合起来传输的信息分别送到相应的终点。当然复用要付出一定代价(共享信道由于带宽较大因而费用也较高,再加上复用器和分用器)。但如果复用的信道数量较大,那么在经济上还是合算的。

​ 在进行通信时,复用器( multiplexer)总是和分用器( demultiplexer)成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器相反,它把高速信道传送过来的数据进行分用,分别送交到相应的用户。

​ 用户在分配到给定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。

​ 在使用频分复用时,若每一个用户占用的带宽不变,则当复用的用户数增加时,复用后的信道的总带宽就得跟着变宽。

​ 时分复用则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周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。因此TDM信号也称为等时( isochronous)信号。可以看出,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。这时分复用更有利于数字信号的传输。

​ 在使用时分复用时,每一个时分复用帧的长度是不变的,始终是125μs，若有1000个用户进行时分复用,则每一个用户分配到的时隙宽度就是125μs的千分之一,即0.125μs,时隙宽度变得非常窄。但时隙宽度非常窄的脉冲信号所占的频谱范围也是非常宽的。

​ 在时分复用帧中,每一个用户所分配到的时隙长度缩短了。当某用户暂时无数据发送时,在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态,其他用户即使一直有数据要发送,也不能使用这些空闲的时隙。这就导致复用后的信道利用率不高。

​ 统计时分复用STDM(Statistic TDM)是一种改进的时分复用,它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。下图是统计时分复用的原理图。一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户,然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。

​ 统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存,然后集中器按顺序依次扫描输入缓存,把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了,就发送出去。因此,STDM帧不是固定分配时隙,而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。我们还可看出,在输出线路上,某个用户所占用的时隙并不是周期性地出现, 因此统计复用又称为异步时分复用,而普通的时分复用称为同步时分复用。集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。

​ 由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户,因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息,这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销。上图输出线路上每个时隙之前的短时隙(白色)就是放入这样的地址信息。使用统计时分复用的集中器也叫做智能复用器,它能提供对整个报文的存储转发能力(但大多数复用器一次只能存储一个字符或一个比特),通过排队方式使各用户更合理地共享信道。此外,许多集中器还可能具有路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。

​ 最后要强调一下,TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中所划分的帧。

​ 波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。下图表示8路传输速率均为2.5Gbit/s的光载波(其波长均为1310m)。经光的调制后,分别将波长变换到1550-1557nm,每个光载波相隔1nm。(这里只是为了说明问题的方便。实际上,对于密集波分复用,光载波的间隔一般是0.8或1.6nm。)这8个波长很接近的光载波经过光复用器(波分复用的复用器又称为合波器)后,就在一根光纤中传输。因此,在一根光纤上数据传输的总速率就达到了8×2.5 Gbit/s=20 Gbit/s。

​ 码分复用又称码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。原理是在CDMA中,每一个比特时间再划分为m个短的间隔,称为码片(chip)。通常m的值是64或128。使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列(chip sequence)。一个站如果要发送比特1,则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0,则发送该码片序列的进制反码。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各用户之间不会造成干扰。

​ 例如：,指派给S站的8 bit码片序列是00011011（设m为8）。当S发送比特1时,它就发送序列00011011,而当S发送比特0时,就发送11100100为了方便,我们按惯例将码片中的0写为-1,将1写为+1。因此S站的码片序列是(-1-1-1+1+1-1+1+1)。

​ 分析： 现假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片,因此S站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s,同时s站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。扩频通信通常有两大类。一种是直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum),如上面讲的使用码片序列就是这一类。另一种是跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)。

​ 条件： CDMA系统的一个重要特点是不同主机分配的码片序列必须正交(orthogona，内积是0)；而该码片向量自己的内积是1；一个码片向量和该码片反码的向量的内积值是-1。根据叠加原理(假定各种信号经过信道到达接收端是叠加（相加）的关系),那么求内积得到的结果是:所有其他站的信号都被过滤掉(其内积的相关项都是0),而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时,在X站计算内积的结果是+1,当S站发送比特0时,内积的结果是-1。

​ 举例计算： 假设站点A,站点C均发送1,站点B发送0,接收方收到的总和为$S=A+-B+C$,计算$C=(A+-B+C)\cdot C=A\cdot C+-B\cdot C+C\cdot C=0+0+1=1$，式中的前两项都消失了。

​ 非对称数字用户线技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带数字业务。由于用户在上网时主要是从互联网下载各种文档,而向互联网发送的信息量一般都不太大,因此ADSL的下行(从ISP到用户)带宽都远远大于上行(从用户到ISP)带宽。“非对称”这个名词就是这样得出的。ADSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线(铜线),而不需要重新布线。

​ 基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器 DSLAM(DSL Access Multiplexer),用户线和用户家中的一些设施(见图2-20)。数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器。ADSL调制解调器有两个插口。较大的一个是RJ45插口,用来和计算机相连，较小的是RJ-l插口,用来和电话线相连。

​ **ADSL借助于在用户线两端安装的ADSL调制解调器(即ATU-R和ATU-C)对数字信号进行了调制,使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输。**用户线本身并没有发生变化。但给用户的感觉是:加上ADSL调制解调器的用户线好像能够直接把用户计算机产生的数字信号传送到远方的ISP。正因为这样,原来的用户线加上两端的调制解调器就变成了可以传送数字信号的数字用户线DSL。

FTTx,表示 Fiber To the …，字母x可代表不同的光纤接入地点。实际上,FTTx就是把光电转换的地方,从用户家中(这时x就是H)向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。用于远距离的传输媒体早都使用了光缆。只是到了临近用户家庭的地方,才转为铜缆(电话的用户线和同轴电缆)。我们知道,一个家庭用户远远用不了一根光纤的通信容量。为了有效地利用光纤资源,在光纤干线和广大用户之间,还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN(Optical Distribution Network),使得数十个
家庭用户能够共享一根光纤干线。

• 光纤到户 FTTH(Fiber To The Home)：将光纤一直铺设到用户家庭，这可能是居民接入网最后的解决方法。
• 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批到各用户。
• 光纤到路边 FTTC(Fiber To The Curb)：从路边到各个用户可使用星形拓扑结构的双绞线作为传输媒体。
• 光纤到办公室 FTTO(Fiber To The Office)
• 光纤到门户 FTTD(Fiber To The Door)
• 光纤到楼层 FTTF(Fiber To The Floor)
• 光纤到小区 FTTZ(Fiber To The Zone)