计算机网络--第二章 物理层

2 物理层

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

物理层基本内容

物理层并不是连接计算机的具体物理设备，也不是负责信号传输的具体物理媒体

  • 功能：数据链路层将数据比特流传送给物理层，物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码，信号通过传输媒体传输到下一个节点的物理层，为数据链路层提供一个统一的数据传输服务。
  • 位置：物理层是网络体系结构的最底层
  • 任务：确定与传输媒体的接口的一些特性

    1. 机械特性（物理特性）：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

    2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围

    3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义

    4. 规程特性：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序

数字通信系统概念

  1. 数据、信号与码元

  • 数据：数据是指传送的信息的实体；数据传输方式可分为串行传输和并行传输。

    1. 时空顺序
    • 串行传输是指1比特1比特地按照时间顺序传输（远距离通信通常采用串行传输）
    • 并行传输是指若干比特通过多条通信信道同时传输。
    1. 按照实现同步的方法

  • 信号：是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

    • 模拟数据（信号）：连续变化的数据（或信号）
    • 数字数据（信号）：取值仅允许为有限的几个离散数值的数据（或信号）

  • 码元：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。

    • 1码元可以携带若干比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元：一种代表0状态，另一种代表1状态。
  1. 信源、信道与信宿

​ 一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。

  • 信源是产生和发送数据的源头。

  • 信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。

​ 发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息，再发送给信宿。

  • 信道与电路并不等同，信道是信号的传输媒介。

​ 一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

​ 噪声源是信道上的噪声（即对信号的干扰）及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率。

​ a. 信道分类：

  • 按传输信号形式：分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道；
  • 按传输介质的不同：分为无线信道和有线信道。

​ b. 信道传输信号分类：

  • 基带传输：基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输。
  • 宽带传输：宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输。

​ c. 通信方式分类：

  • 单向通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。例如，无线电广播、电视广播就属于这种类型。
  • 双向交替通信(半双工通信)。通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道。
  • 双向同时通信(全双工通信)。通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。
  1. 速率、波特与带宽

​速率也称 数据率 ，指的是数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和 信息传输速率表示。

  • 码元传输速率。又称波特率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。码元可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制数无关。

  • 信息传输速率。又称信息速率、比特率等，它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。

2.1.2 奈奎斯特定理与香农定理

  1. 奈奎斯特定理

​ 奈氏准则：规定在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W 波特，其中W是理想低通信道的带宽。

码间串扰：信号中的许多高频分量往住不能通过信道，否则在传输中会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限。

​ 若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要4个二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的4倍），则极限数据率为

理想低通信道下的极限数据传输速率 = \(2 \mathrm{~W} \log_2V\) （单位为 b/s ）

  • 在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确识别码元。
  • 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输。
  • 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。

由于码元传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法。

  1. 香农定理

​香农(Shannon)定理 给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的 极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为

信道的极限数据传输速率 \(C=W \log _{2}(1+S / N)\)（单位为 b/s ）

​式中，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
S/N 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，为无量纲单位；

以分贝为单位时，信噪比（dB）= \(10 * log10 (S/N)\) (dB)

  • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
  • 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。
  • 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输。
  • 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑到了带宽，也考虑到了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的。

2.1.3 编码与调制

​ 编码：把数据变换为数字信号的过程；调制：把数据变换为模拟信号的过程。

  1. 数字数据编码为数字信号(数字基带传输)

  • 归零编码。在归零编码（RZ）中用高电平代表1、低电平代表0（或者相反），每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。

  • 非归零编码。非归零编码（NRZ）与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。但NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。

  • 反向非归零编码。反向非归零编码（NRZI）与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB2.0通信的编码方式就是NRZI编码。

  • 曼彻斯特编码。曼彻斯特编码（Manchester Encoding）将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1：码元0的表示方法则正好相反。当然，也可采用相反的规定。该编码的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。

  • 差分曼彻斯特编码。差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则情形相反。该编码的特点是，在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。

    脉冲起始时刻有跳变，中间有跳变，差分曼切斯特，只中间有跳变，曼切斯特

  • 4B/5B编码。将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他16种作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留。

  1. 数字数据调制为模拟信号(数字调制传输)

    Ⅰ.二元数字调制

  • 幅移键控（ASK）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。

  • 频移键控（FSK）。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。

  • 相移键控（PSK）。通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。

Ⅱ.多相数字调制

  • 正交振幅调制（QAM）。在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输速率R为

  1. 模拟数据编码为数字信号(模拟信号数字化)

典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。它主要包括三个步骤，即采样、量化和编码。

​ 奈奎斯特采采样定理：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz。因此，
将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为 f，那么采样频率 \(f_{采样}\)
​必须大于或等于最大频率 f 的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。
\(f_{采样}\) ≥ 2f

  • 采样是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

    根据采样定理，当采样的频率大于或等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据。

  • 量化是把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。

  • 编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

  1. 模拟数据调制为模拟信号

​ 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

2.1.4 电路交换、报文交换与分组交换

  1. 电路交换

​在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。

​ 电路交换技术分为三个阶段：连接、建立、数据传输和连接释放。

​ 优点：

​ 1）传输时延小，专用通道，数据直达
​ 2）有序传输，数据顺序传送，无失序问题
​ 3）没有冲突，全双工通信，通信双方有不同的信道，不会争用物理信道
​ 4）适用范围广，模拟信号和输数字信号都可以传输
​ 5）实时性强，双方一旦建立物理通路，便可以实时通信，适用于交互式会话类通信。
​ 6）控制简单，电路的交换设备及控制较简单

​ 缺点：

​ 1）建立连接时间长
​ 2）线路独占，信道使用效率低。
​ 3）灵活性差：出现故障，就必须重新拨号建立新的连接
​ 4）难以规格化
​ 5）无数据存储能力，难以平滑通信量
​ 6）无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制

  1. 报文交换

​数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式。

​ 优点：

​ 1）无需建立连接。
​ 2）动态分配线路：报文发给交换设备时，交换设备先存储报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去
​ 3）线路可靠性高：如果某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输数搭
​ 4）线路利用率高：通信双方在不同的时间一段一段地部分占有物理通道
​ 5）提供多目标服务：一个报文可以同时发送往多个目的地址
​ 6）在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型，规格和速度不同的计算机之间进行通信。

​ 缺点：

​ 1）数据进入交换结点后要经历存储、转发，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）。
​ 2）报文的大小没有限制，要求网路结点需要有较大的缓存空间。增加了传送时延。
​ 3）只适用于数字信号。

  1. 分组交换

​分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（Packet）。

​ 优点：

​ 1）无建立时延（相对于报文减小传输时延）
​ 2）线路利用率高
​ 3）简化了存储管理（相对于报文交换）
​ 4）加速传输：分组是逐个传输，可以适用流水线的方式
​ 5）减少了出错几率和重发数据量：提高了可靠性，也减少了传输时延。
​ 6）分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信

​ 缺点：

​ 1）存在传输时延
​ 2）需要传输额外的信息量。每个小数据块都要加上源、目的地址和分组编号等信息
​ 3）当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作。

  • 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
  • 当端到端的通路有很多段的链路组成时采用分组交换传送数据较为合适。
  • 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

2.1.5 数据报与虚电路

分组交换中的方式

  1. 数据报

​ 作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（即网络层的PDU）。中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序到达目的结点。

原理：

  • 主机A先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点A，交换结点A缓存收到的分组。
  • 然后查找自己的转发表。由于不同时刻的网络状态不同，因此转发表的内容可能不完全相同，所以有的分组转发给交换结点C，有的分组转发给交换结点D。
  • 网络中的其他结点收到分组后，类似地转发分组，直到分组最终到达主机B。

特点：

  • 发送分组前不需要建立连接。 发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。

  • 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失；网络为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，因而分组不一定按序到达目的结点。

  • 发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输。

  • 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组。

  • 网络具有冗余路径，当某个交换结点或一条链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强。

  • 存储转发的延时一般较小，提高了网络的吞吐量。

  • 收发双方不独占某条链路，资源利用率较高。

  1. 虚电路

​虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果。在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。

​ 与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。

原理：

  • 为进行数据传输，主机A与主机B之间先建立一条逻辑通路，主机A发出一个特殊的“呼叫请求”分组，该分组通过中间结点送往主机B，若主机B同意连接，则发送“呼叫应答”分组予以确认。

  • 虚电路建立后，主机A就可向主机B发送数据分组。当然，主机B也可在该虚电路上向主机A发送数据。

  • 传送结束后主机A通过发送“释放请求”分组来拆除虚电路，逐段断开整个连接。

特点：

  • 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况显得很浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率较高。
  • 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径。
  • 虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达。此外，还可以对两个数据端点的流量进行控制，当接收方来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送。
  • 虚电路有一个致命的弱点，即当网络中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。
  • 分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符，相对于数据报方式，其开销小。
数据报服务 虚电路服务
连接的建立 不需要 必须有
目的地址 每个分组都有完整的目的地址 仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择 每个分组独立地进行路由选择和转发 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序 不保证分组的有序到达 保证分组的有序到达
可靠性 不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证 可靠性由网络保证
对网络故障的适应性 出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输 所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制 由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性 可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

2.2 传输介质

传输介质也称传输媒体，它是数据传输系统中发送设备和接收设备之间的物理通路。

2.2.1 导向传输媒体

  1. 双绞线

​双绞线是最常用的古老传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

​ 为了进一步提高抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外 面再加上一层，即用金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)；无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线(UTP)。

  • 双绞线的价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。

  • 带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。

  • 通信距离一般 为几千米到数十千米。

  • 模拟传输和数字传输都可使用双绞线，距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

  1. 同轴电缆

​ 同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。

​ 基带同轴电缆：50Ω同轴电缆，主要用于传送基带数字信号。

​ 宽带同轴电缆：75Ω同轴电缆，主要用于传送宽带信号。

  • 同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
  • 传输距离更远，但价格较双绞线贵。
  1. 光纤

​ 光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。

​ 有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。可见光的频率约为108MHz,因此光纤通信系统的带宽范围极大。

​ 光纤主要由纤芯（实心）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

  • 多模光纤：利用光的全反射特性，可以将从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输。

    光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽, 造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。

  • 单模光纤：光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。

    单模光纤的衰减较小，可传输数公里甚至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输。

​ 特点：

  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
  • 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
  • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
  • 体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。
  1. 无线介质

  • 无线电波

    • 无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离。
    • 无线电波使信号向所有方向散播，因此有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向，就可与无线电波发射者进行通信连接。

  • 微波、红外线和激光

    • 有很强的方向性，都沿直线传播。
    • 红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再直接在空间中传播。
    • 微波通信的频率较高，频段范围也很宽，载波频率通常为2~40GHz，因而通信信道的容量大。
    • 卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制。卫星通信的优点是通信容量大、距离远、覆盖广，缺点是保密性差、端到端传播时延长。

2.2.2 物理层接口的特性

​ 物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

  • 机械特性。指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
  • 电气特性。指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  • 功能特性。指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
  • 过程特性。或称规程特性。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

​ 常用的物理层接口标准有EIARS.232.C、ADSL和SONET/SDH等。

2.3 信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念，在单一的物理通信线路上，传输若干独立的信号

下图表示A，B和C分别使用一个单独的信道与A2，B2和C2进行通信，总共需要3个信道。但如果在发送端使用一个复用器，就可以用一个共享信道传送原来的3路信号。在接收端使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

最基本的复用就是频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分复用TDM(Time Division Multiplexing)。

  1. 频分复用
    用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

例如，有N路信号要在一个信道中传送。可以使用调制的方法，把各路信号分别搬移到适当的频率位置，使彼此不产生干扰，如下图所示。各路信号就在自己所分配到的信道中传送。可见频分复用的各路信号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)。

  1. 时分复用
    时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即TDM帧）。每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。为简单起见，在下图中只画出了4路信号A，B，C和D。每路信号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。时分复用更有利于数字信号的传输。

这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。

使用FDM或TDM的复用技术，可以让多个用户（可以处在不同地点）共享信道资源。例如：

  • 在上图(a)中的频分信道，可让N个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带。这种方式称为频分多址接入FDMA(Frequency Division Multiple Access)，简称为频分多址。

  • 在上图(b)中的时分信道，则可让4个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这4个时隙。这种方式称为时分多址接入TDMA(Time Division Multiple Access)，简称为时分多址。

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的相反，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。

时分复用局限

当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。

这里假定有4个用户A，B，C和D进行时分复用。复用器按A→B→C→D的顺序依次对用户的时隙进行扫描，然后构成一个个时分复用帧。图中共画出了4个时分复用帧，每个时分复用帧有4个时隙。请注意，在时分复用帧中，每一个用户所分配到的时隙长度缩短了，在本例中，只有原来的1/4。可以看出，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。

  1. 统计时分复用
    统计时分复用(STDM)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，然后将其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。可以看出，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。

  1. 波分复用
    波分复用(Wavelength Division Multiplexing) 就是光的频分复用。光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。现在人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就可使光纤的传输能力成倍地提高。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就产生了波分复用这一名词。

最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。这种复用方式称为波分复用WDM。随着技术的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多。现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。于是就使用了密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)这一名词。例如，每一路的数据率是40 Gbit/s，使用DWDM后，如果在一根光纤上复用64路，就能够获得2.56 Tbit/s的数据率。下图给出了波分复用的概念。

  1. 码分复用
    码分复用(Code Division Multiplexing) 是另一种共享信道的方法。当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址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。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。

码分复用最初用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。随着技术的进步，CDMA设备的价格大幅度下降，体积大幅度缩小，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等等。下面简述其工作原理。

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二进制反码。

例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。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记为-1，将1记为+1。因此S站的码片序列是(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)。

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。

  • 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。

  • 跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)

CDMA 系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

用数学公式可以很清楚地表示码片序列的这种正交关系

而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。这从上式可以很清楚地看出，因为求和的各项都变成了-1。

总结一下正交关系：

  • 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1；
  • 任何一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1；
  • 两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0。

现在假定在一个CDMA系统中有很多站都在相互通信，每一个站所发送的是数据比特和本站的码片序列的乘积，因而是本站的码片序列（相当于发送比特1）和该码片序列的二进制反码（相当于发送比特0）的组合序列，或什么也不发送（相当于没有数据发送）。我们还假定所有的站所发送的码片序列都是同步的，即所有的码片序列都在同一个时刻开始。利用全球定位系统GPS就不难做到这点。

现假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。根据上面的公式，再根据叠加原理（假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系)，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。

2.4 物理层设备

2.4.1 中继器

​ 由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。因此需要中继器在传播途中修复信号失真。

​ 中继器的主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。

  • 原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大）。中继器有两个端口，数据从一个端口输入，再从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分，而不管是否有错误数据或不适于网段的数据。

  • 中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。

  • 中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网。

注意：如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议；如果该网络设备没有存储转发功能，那么认为它不能连接两个不同的协议。

中继器没有存储转发功能，因此它不能连接两个速率不同的网段，中继器两端的网段一定要使用同一个协议。

​ 5-4-3原则：在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。

注意：放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。

2.4.2 集线器

​ 集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器。

​ 当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，由于信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使之再生（恢复到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。

  • 每个端口连接的网络部分是一个网络的不同网段，由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是一个总线网。集线器不能分割冲突域。
  • 主要使用双绞线组建共享网络，是从服务器连接到桌面的最经济方案。
  • 只能在半双工状态下工作，如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，致使这些数据都无效。

集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如果一台集线器连接的机器数目较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差。

比如，一个带宽为10Mb/S的集线器上连接了8台计算机，当这8台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽为10/8Mb/s=1.25Mb/s。

posted @ 2025-04-21 19:58  Ning0713  阅读(70)  评论(0)    收藏  举报