计算机网络3-物理层

物理层的主要任务

物理层的任务是，在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流，尽可能使物理层上面的数据链路层感觉不到通信手段的差异。

具体任务是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，包括：

机械特性：指明接口用接线器的形状和尺寸、引脚数目与排列、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：指明线上出现的电压表示什么意义。

过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

 

一个数据通信系统包括三大部分：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）。

图3. 1 数据通信系统的模型

    

物理层下的传输媒体

前面说过，物理层是在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流，那么就必须要了解传输媒体都有什么。

传输媒体(transmission media)是数据传输系统中，发送器和接收器之间的物理通路。可以分为两大类：导向传输媒体与非导向传输媒体。

导向传输媒体

①双绞线

双绞线(Twisted Pair)将两根互相绝缘的铜导线绞合(twist)而成(这样可以减少对相邻导线的电磁干扰)，加上屏蔽层就是屏蔽双绞线(STP)。

 

图3. 2 双绞线示意图

 

绞合线可用于多种场合：

 

表3. 1常用的绞合线的类别、带宽和典型应用

绞合线类别	带宽	线缆特点	典型应用
3	16 MHz	2对4芯双绞线	模拟电话；曾用于传统以太网（10 Mbit/s）
4	20 MHz	4对8芯双绞线	曾用于令牌局域网
5	100 MHz	与4类相比增加了绞合度	传输速率不超过100 Mbit/s的应用
5E（超5类）	125 MHz	与5类相比衰减更小	传输速率不超过1 Gbit/s的应用
6	250 MHz	与5类相比改善了串扰等性能	传输速率高于1 Gbit/s的应用
7	600 MHz	使用屏蔽双绞线	传输速率高于10 Gbit/s的应用

 

②同轴电缆

同轴电缆(Coaxial Cable)由导体同质芯线、绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层、保护塑料外层组成。其抗干扰特性好，广泛用于传输较高速率数据，但目前已不常用，主要用在有线电视网的小区，局域网一般采用双绞线进行传输。

图3. 3同轴电缆的结构

 

③光缆

光纤(optical fiber)通信十分重要，提高了信息的传输速率。

原理：利用光纤传递光脉冲，有脉冲表示1，无脉冲表示0。由于可见光的频率非常高，约为MHz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。

构造：光纤由透明石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯(直径约8~100)、包层构成双层通信圆柱体。入射角足够大会出现全反射，使光沿着光纤不断传输。全反射是因为，光从高折射率向低折射率传播，折射角>入射角。

 

图3. 4光线在光纤中的传输过程

 

光纤的特点：

通信容量非常大。常用的三个波段的中心分别位于850 nm, 1300 nm和1550 nm，所有这三个波段都具有 25000~30000 GHz的带宽，可见光纤的通信容量非常大。

传输损耗小，对远距离传输特别经济。

无串音干扰，保密性好。

体积小，重量轻。

非导向传输媒体

自由空间被称为"非导向传输媒体"。主要有以下传输方式

无线传输。利用无线电、微波、红外线等通信，可使用的频段很广。

短波通信(高频通信)。依靠电离层的反射，但通信质量较差，传输速率低。

无线电微波通信(主要使用2~40GHz)，微波主要是直线传播，需要接力，传统微波通信有两种方式： 地面微波接力通信，卫星通信。其中卫星通信距离远，传播时延大。

要使用某段无线电频谱通信，通常需要得到本国政府的许可，但一部分频段可自由使用，美国的ISM(industrial, scientific, and Medical)频段如图示。中国的ISM频段有6765-6 795 KHz，433.05-434.79 MHz，122-123 GHz等，而2.4GHz为各国共同的ISM频段。

图3. 5美国无线局域网使用的ISM频段

信道复用技术

信道(channel)一般表示向某一个方向传送信息的媒体。有了传输媒体后，物理层需要对信道进行合理的分配，常用的方法之一就是信道复用(multiplexing)。

频分复用、时分复用和统计时分复用

　　复用可以让发送端的多用户合起来使用一个共享信道通信，节省资源。这样，需要在发送端添加复用器(multiplexer)，接收端添加分用器(demultiplexer)。

 

图3. 6复用的示意图

 

频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing):每个用户分配一定的频带，所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用TDM(Time Division Multiplexing)：将时间划分为等长的TDM帧，用户占用时隙来通信，所有用户在不同时间占用同样的频带宽度。

 

图3. 7频分复用与时分复用

 

以上两种方式技术成熟，但是容易产生浪费。因为即使用户没在使用信道，还是占用着信道，于是有着一些改进方案。

 

统计时分复用STDM(Statistic Time Division Multiplexing)：使用STDM帧传输数据，集中器(智能复用器)按顺序扫描用户的输入缓存，将数据放入STDM帧中，当帧数据放满后再发送出去。这样按需动态分配时隙，可以提高线路的利用率。但因为时隙用户不固定，所以每个时隙中需要有用户的地址信息(存放在白色短时隙中)，造成一定开销。

图3. 8统计时分复用的工作原理

波分复用与码分复用

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用，用一根光纤传输多个频率很接近的光载波信号，可以使光纤的传输能力成倍提高，目前可以再一根光纤复用80路以上光载波信号，称为密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)。

 

图3. 9波分复用的概念

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)(也常称码分多址CDMA (Code Division Multiplexing Access))让用户同时间使用同频段通信，但每个用户码型不同，用户之间不会造成干扰，抗干扰能力强，频谱类似白噪声，不易被敌人发现。

将每一个比特时间（发送1比特需要的时间）划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。每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。

例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011((-1 -1-1+1+1-1+1+1)。注意为了方便，习惯将0写为-1,1写为+1。

1：如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列：00011011

0：如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码：11100100

这样可见，每个码元要转换为m比特码片，因此占用频带宽扩为原数值的m倍，称为扩频(spread spectrum)通信，包括直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，和跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

 

图3. 10扩频通信(直接序列)的概念

 

数字传输系统

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。目前长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。

脉码调制PCM(Pulse Code Modulation) 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话，因历史原因，PCM有北美的24路PCM(T1)和欧洲的30路PCM(E1)两个标准，我国采用E1标准，速率为2.048Mbit/s。

PCM的大致过程：先对信号进行采样，恢复出原来的电话信号，经过数模转换后变为二进制码元，称为数字信号。而时分复用是指，将许多个话路的PCM信号用时分复用的方法分装成帧进行传输，可达到更高的数据率。

PCM数字传输系统存在以下两个主要缺点：

速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的基于光纤的高速数据传输就很难实现。

不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

 

于是提出了同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)，并制定出了国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)标准，一般认为二者是同义词。

同步光纤网 SONET的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构。对电信信号称为第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)，其传输速率是 51.84 Mbit/s。对光信号则称为第 1 级光载波 OC-1 (OC 表示Optical Carrier)。现已定义了从51.84 Mbit/s (即OC-1) 一直到9953.280 Mbit/s (即OC-192/STS-192) 的标准。

ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。其主要不同点是：SDH 的基本速率为 155.52 Mbit/s，称为第 1 级同步传递模块。 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

SONET/SDH标准的意义：

使不同的数字传输体制在 STM-1等级上获得了统一。

第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。

已成为公认的新一代理想的传输网体制。

SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

宽带接入技术

宽带技术可以提高用户的上网速率。

用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP。在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线，通过调制解调器连接到 ISP 的，电话用户线接入到互联网的速率最高只能达到 56 kbit/s。美国联邦通信委员会FCC认为只要双向速率之和超过 200 kbit/s就是宽带。从宽带接入的媒体来看，可以分为有线宽带和无线宽带。

非对称数字用户线ADSL

非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。因此，ADSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。

ADSL的特点：

上行和下行带宽做成不对称的。(上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。)

不能保证固定的数据率。由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。

ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。实现方法有多种，我国目前采用的方案是离散多音调(意思为多载波，多子信道) DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。采用频分复用的方法，把 40 kHz -1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

 

图3. 11DMT技术的频谱分布

 

基于ADSL的接入网由数字用户线接入复用器DSLAM(DSL Access Multiplexer)，用户线，用户家中的设施组成。注意用户线两端安装了ADSL调制解调器，又称接入端接单元ATU (Access Termination Unit)。电话分离器PS连接ATU，利用低通滤波器将电话信号和数字信号分开。

通过ADSL，可以利用现有电话网的用户线，十分方便。目前已经有第二代ADSL，包括 ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5），通过提高调制效率得到了更高的数据率。采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。改善了线路质量评测和故障定位功能，对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

图3. 12基于ADSL的接入网的组成

 

光纤同轴混合网(HFC)

HFC (Hybrid Fiber Coax)网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC 网需要对 CATV 网进行改造。

主要特点有：

HFC网的主干线路采用光纤，并使用模拟光纤技术。在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

图3. 13HFC网的结构图

采用结点体系结构。提高了网络的可靠性，简化上行信道的设计。

HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带。

每个家庭要安装一个用户接口盒。

FTTx 技术

FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。

FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如：

光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭，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配到各用户。

光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。