计算机网络课程2

第二章物理层1.数据传输的理论基础(1) 带宽受限信号信息是以某种物理信号（如变化的电压或电流）的形式在介质上传播的，将信号的值表示成一个时间的函数f(t)，我们就可以用数学的方法来对信号的行为进行建模和分析。

傅里叶分析就是用来分析信号的一种方法。

使用傅里叶分析可以分析出信号的谐波组成。

任何信号通过任何传输设备时都会发生衰减（损失能量），如果信号的所有谐波成分通过传输设备时衰减的比例都相同，则信号的形状不变，只是幅度变小了，这时信号没有失真。

但不幸的是，任何传输设备对于不同频率的谐波衰减是不同的，因此会引入信号失真。

通常某个频率范围内的谐波在传输时不发生明显的衰减，而在此频率范围之外的谐波则衰减很快，这个频率范围就称为是信道的带宽。

信道带宽H：传输时不发生明显衰减的频率范围，在截止频率处功率衰减一半。

带宽是传输介质的一种物理特性，通常与介质的结构、粗细、长度等有关。

有时，我们还可以通过在电路中引入滤波器来限制信道中传输的信号频率以达到某些目的。

如电话线在短距离内的带宽可以达到1MHz，但电话公司常常用滤波器来限制每路话音的最高频率不超过3100Hz。

信道带宽决定了可以通过的信号的谐波数，p87图2-1，从而决定了信号在通过信道后能否被正确重建。

信道带宽和数据速率、谐波数的关系，p89图2-2。

结论：信道带宽越宽，所允许的数据速率就越高。

所以平时常用带宽来指代速率。

(2) 信道最大数据速率Nyquist已经证明，若信号通过带宽为H的低通滤波器，则滤过的信号可以用每秒2H个采样值完全恢复出来。

如果信号由V个离散等级组成，则Nyquist定理表明信道上的最大数据速率为2Hlog2V bps。

对于无噪声信道来说，V可以无穷大，但对于有噪声信道来说，V是有限的，与信道的信噪比有关。

信噪比：信号功率S与噪声功率N的比值，常用分贝来表示：10log10S/N。

根据Shannon定理，带宽为H、信噪比为S/N的信道的最大数据速率为Hlog2(1+S/N) bps。

2.有线传输介质(1)双绞线双绞线由两根绝缘铜导线按螺旋形缠绕在一起，见p92图2-3。

一对双绞线形成一条通信链路。

双绞线最普遍的用途是在电话系统中连接电话机和电话端局，一般而言，双绞线在几公里之内都不需要放大器。

双绞线既可用于传输模拟信号也可用于传输数字信号，带宽依赖于导线的粗细和长度，多数情况下在几公里内可以达到几兆比特/秒。

由于双绞线价格低廉，性能也不错，因此得到了广泛的应用。

双绞线电缆在计算机网络中有很重要的作用。

它有好几种类型，3类双绞线，可支持10Mbps的数据速率；5类双绞线，可支持100Mbps的数据速率；超5类双绞线，可支持1000Mbps的数据速率；还有6类、7类双绞线等。

(2)同轴电缆同轴电缆由一对导体按照“同轴”的形式构成线对。

见p93图2-4。

由于其屏蔽性比双绞线好，因此可在更长的距离上支持更高的数据速率。

有两类同轴电缆被广泛使用，一类称基带同轴电缆，阻抗为50Ω，通常用于传输数字信号，曾被广泛用作电话系统的长途干线和用于传统局域网的组网，但现在基本上已被光纤和双绞线所替代；另一类称宽带同轴电缆，阻抗为75Ω，通常用于传输模拟信号，用做有线电视电缆。

(3)光纤光纤传输系统由3个重要部分组成：光源，光纤和光检测器。

习惯上，一个光脉冲表示比特1，没有光脉冲表示比特0。

光纤是非常细的玻璃纤维。

当有光照到检测器上时，光检测器产生一个电脉冲。

光源：发光二极管，激光。

两者比较见p97图2-8。

通过在光源和光纤间插入专门的仪器，可以选择出所需要的光波长。

光检测器：光电二极管，将光信号转换成电信号。

目前，光电二极管的响应时间限制了光纤中的最高数据速率为10Gbps。

光传输：光纤由两种折射系数不同的石英玻璃纤维组成，见p96图2-7。

光线在纤芯中全反射地向前传播。

每条光线称为一个模（mode），多模光纤和单模光纤。

用于光纤传输的波长，p95图2-6。

多模光纤的纤芯直径为50μm，单模光纤的纤芯直径为8-10μm。

与铜导线相比，光纤的最大优点是大容量、长距离和抗干扰。

由于光纤长距离传输损耗小，并且很难接头，所以光纤适宜作为长距离传输介质。

光纤也广泛用于因特网的主干，然后高成本的光设备，如发射器、接收器和交换机，阻碍了光纤在短距离传输中的应用，例如在许多局域网或家庭接入网络中不使用光纤。

光纤有3种连接方式：光接头，机械方法，融合。

光纤网络较常使用环形拓扑和星形拓扑。

环形拓扑见p98图2-9，可采用无源接口或有源接口，比较。

星形拓扑见p99图2-10。

3．无线传输用于无线传输的频率范围大致从无线电到可见光（104~1015Hz）这一部分。

在当前技术条件下，频率越高，每赫兹编码的比特数越多，相同波带下所获得的带宽也越高（∆f =c∆λ/λ2），因而数据传输速率也越高。

这就是为什么宽带传输都使用很高的频率，且光纤支持的数据速率是最高的，p101图2-11。

与计算机网络关系较密切的无线通信介质主要是陆地无线电信道和卫星无线电信道。

陆地无线电信道大致被划分为两类：一类仅覆盖局部区域，通常跨越数十到几百米；另一类运行在广域，跨越数十千米。

前者应用在无线局域网中，如802.11。

无线用户与位于几十米半径内的基站（也称无线接入点）通信，这些基站通常与有线的因特网相连接，为无线用户提供连接到有线网络的服务。

后者应用在广域无线接入网中（如WAP，3G等），基站由电信提供商管理，为数万米半径内的用户提供服务。

卫星通信是使用人造地球卫星作为中继器来转发信号。

通信卫星可以看作是空中的一个巨大的微波中继器，每颗通信卫星连接两个或多个位于地球的微波发射/接收站（称地球站），卫星在一个频段上接收信号，使用一个转发器再生信号，然后在另一个频段发送，可提供Gb/s的带宽。

下行波束可以很广，覆盖地球表面的一大部分，也可以很窄，仅覆盖方圆100km 的区域。

卫星链路具有通信容量极大、传输距离远、可靠性高等优点，经常用于电话网和因特网的主干，并为全球移动通信系统（GSM）等提供支持。

根据卫星所处的高度不同，有三类卫星，见p110图2-15。

地球同步卫星：现在每个地球同步卫星大约携带了40个转发器，每个带宽为80MHz。

每个转发器固定分配一个频段，每个光束还分成多个时隙供不同用户使用。

典型的信号传输过程见p113图2-17。

典型的端-端信号传输延迟，不用中心站为270ms，使用中心站为540ms。

卫星天生就是一种广播介质，因此实现广播通信非常方便。

中轨道卫星：目前这一类卫星没有用于电信通信，GPS卫星属于这一类。

低轨道卫星：铱系统，Globalstar，Teledesic等，希望全面替代地面通信系统，提供世界范围内的电信服务。

将来的主流通信将是地面光纤与蜂窝电话的结合，但在某些特定的场合，卫星会略胜一筹。

4.公用交换电话网当同一组织内相距较近的两台计算机需要通信时，通常采用局域网方式连接，但如果它们相距很远，则一般必须借助已有的电信设施（特别是公用电话网）来相互连接。

电话网设计用来传输模拟、低速的话音信号，而计算机之间通信要求传输的是高速的数字数据信号，这就产生了很多的问题。

电话系统采用的是分层结构，见p121图2-21。

主要由三个部分组成：●本地回路：连接电话机与最近的电话端局，通常采用3类双绞线，传输模拟话音信号；●干线：连接各交换局，现在基本上都采用光纤，传输数字信号；●交换局：转接电话呼叫。

目前除了本地回路是模拟传输以外，干线和交换机都是数字的，这是因为数字传输质量高、代价低、易于维护且易于多业务综合。

现在通信的主要瓶颈在本地回路，本地回路也称“最后一公里”。

两台计算机通过电话网通信的例子，p124图2-23。

计算机发出的数字信号经调制解调器转换成模拟信号，在本地回路上传输；模拟信号到达端局后经编码解码器转换成数字信号，在干线上传输和交换；数字信号到达目的端局后经编码解码器转换成模拟信号，在目的本地回路上传输；最后模拟信号由调制解调器转换成数字信号送入目的计算机。

如果目的计算机直接通过数字线路接入目的端局，则从目的端局到目的计算机不需要进行信号转换。

信号传输损害：衰减、延迟畸变、噪声。

衰减和延迟畸变是频率相关的，正因为如此，传输信号的频谱不宜太宽。

不幸的是，数字信号使用的方波具有相当宽的频谱，而且本地回路使用的带宽只有约3100Hz，显然不能直接在上面传输基带信号。

(1)调制使用某个频率的正弦载波，使其的振幅、频率或相位随着数字信号的变化而变化，称为调制；相反的过程称为解调；实现调制和解调的设备称调制解调器（modem）。

三种基本的调制方法：振幅调制，频率调制（频移键控），相位调制（相移键控），p126图2-24，解释。

为了提高数据的传输速率，仅靠提高采样频率是不够的。

按照Nyquist定理，即使是在无噪声的3000Hz线路上，采样频率也不能超过6000Hz，更何况一般的电话线路是有噪声的。

事实上，大多数的modem使用2400Hz的采样频率，而通过使每个样本携带更多的比特数来提高数据传输速率。

每秒传输的样本数是用波特来衡量的，每个波特传输一个符号，因此一个n波特的线路每秒钟传输n个符号。

如果该符号用0伏表示逻辑0，用1伏表示逻辑1，则数据速率是2400bps；如果有0、1、2、3四种电压，则每个符号包含2比特，数据速率为4800bps。

同样也可以用不同的频率或相位来表示不同的状态，如QPSK使用4种不同的相位。

概念区分：带宽，波特率，符号，比特速率。

可以将几种调制方法结合起来使用，使得每个符号携带更多的比特，通常将振幅调制和相移键控结合起来使用，如QAM-16、QAM-64（p128图2-25）。

在高速modem中，由于星座图中的状态数很多，状态间差别很小，很容易出现传输错误，因此在符号中引入额外的校验比特用于检测和纠正错误，这种方法称为格子架编码调制TCM，如V.32（32个星座点，9600bps）、V.32bis（128个星座点，14.4Kbps）、V.34（28.8Kbps）、V.34bis（33.6Kbps），p129图2-26。

为获得更高的数据速率，许多modem在传输数据前先进行数据压缩。

另外，为了更好地适应线路的状态，几乎所有的modem都在发送前测试线路质量，然后选择合适的数据速率。

全双工、半双工和单工的概念。

根据本地回路的平均长度及线路质量，如果信号需要通过两个本地回路，则利用Shannon定理可以计算出电话系统中的最高数据速率为35Kbps，因此标准调制解调器的最高速率定为33.6Kbps。

但是如果连接的一边是纯数字线路，如图2-23中的ISP2（目前多数ISP都是如此），则最高数据速率可以达到70Kbps。