【计算机网络笔记】

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【计算机网络笔记】

文章目录

• • • 1.物理层的基本概念
    • 2.数据通信的基础知识
    • • 典型的数据通信模型
      • 相关术语
      • 有关通信的几个基本概念知识
      • 几种调制信号的方法
      • 常用编码
      • 奈氏准则和香农定理
    • 3.物理层传输媒体
    • • 传输可使用频率
      • 导向传输媒体
      • 非导向传输媒体
      • 物理设备——集线器
      • 几种传输媒体性能比较
    • 4.信道复用技术
    • • 频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)
      • 时分复用TDM(Time Division Multiplex ing)
      • • 同步时分复用（STDM）技术
        • 时分复用可能会造成线路资源的浪费
        • 统计时分复用
        • 异步时分复用(ATDM)技术：
      • 波分复用WDM (Wave length Division Multiplexing)
      • 码分复用CDM (Code Division Multiplexing)
      • • CMDA的工作原理
        • CAMD的工作原理
    • 5.数字传输技术
    • • 脉码调制PCM
      • • E1标准（30路）
        • T1标准（24路）
    • 6.宽带接入技术
    • • • ADSL的特点
        • DMT调制技术
      • 光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)
      • • HFC的主要特点
      • FTTx技术

1.物理层的基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的主要任务描述为:确定与传输媒体的接口的一些特性，即:

• 机械特性:例接口形状，大小，引线数目
  
• 电气特性:例规定电压范围( -5V到+5V)
• 功能特性:例规定5V表示0，+ 5V表示1
• 过程特性:也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2.数据通信的基础知识

典型的数据通信模型

相关术语

通信都目的是传输消息

• 数据（data）：运送消息的实体
• 信号（signal）：数据的电气的或电磁的表现
• “模拟信号”：消息的参数取值是连续的
• “数字信号”：消息的参数取值是离散的
• 码元（code）：使用时间域的波形表示数字信号时，不同离散数值的基本波形就是码元。
  在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这 个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit 的信息量

有关通信的几个基本概念知识

信道一般表示向一个方向传输信息的媒体。所以我们通常说的通信线路包含两条信道，一条接收信息，一条发送信息。

• 单向通信(单工通信)：一只能有一 个方向的通信而没有反方向的交互。
• 双向交替通信(半双工通信)：一通信的双方都可以发送信息， 但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
• 双向同时通信(全双工通信)：一通信的双方 可以同时发送和接收信息。

基带（baseband）信号和带通（band pass）信号

• 基带信号(即基本频带信号) ：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
• 带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

几种调制信号的方法

• 调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。
• 调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化。，
• 调相(PM) :载波的初始相位（正余弦）随基带数字信号而变化。

常用编码

• 单极性不归零码：只使用一一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0.

• 双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。
  
  单极性不归零码：使用电频的变化来表示信号，当1为有电频，0表示无电频，当有电频，如果下一个比特为1则电压不变化。但是单极性不归零码不能有效地区分0和是否没传输信息，因为没传信号和0的表现形式都为无电频。

  双极性不归零码改变了单极性不归零码不有效能识别0的问题

• 双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。
  

• 曼彻斯特编码
  
  采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输

• 差分曼彻斯特编码
  
  差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码
  

奈氏准则和香农定理

信道的极限容量

• 奈氏准则
  1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则，他提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。

  在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

  理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
  W是理想低通信道的带宽，单位为HZ。
  Baud是波特，是码元传输速率的单位

  波特在调制解调器中经常用到波特这个概念。
  Bit是信息量
  如果一个码元含有3个Bit信息量1波特=3Bit/s ;
  图右最高峰可表示111为3bit，可认为在上图情况下1波特=3bit/s。

• 香农定理
  香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

  信道的极限信息传输速率C可表达为
  

  • 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，则信息的板限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
若信道带宽W或信噪比S/N没有上限( 当然实际信道不可能是这样的)，则信道的极限信息传输速率C
也就没有上限。

实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

奈氏准则和香农定理的应用范围：

3.物理层传输媒体

传输可使用频率

导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

双绞线.

• 屏蔽双绞线STP：屏蔽了外层电磁波的影响，抗干扰能力强
• 无屏蔽双绞线UTP：抗干扰能力差
  双绞线（twisted pair，TP）是一种综合布线工程中最常用的传输介质，是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，有效降低信号干扰的程度。

同轴电缆

• 50日同轴电缆用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆;
• 75 R同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆。
  
  光缆
  光纤是通过全反射来传输数据。
  
  
  单模光纤和多模光纤
  

非导向传输媒体

非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。

无线传输所使用的频段很广。
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
微波在空间主要是直线传播。

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

物理设备——集线器

工作特点:它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力
最大传输距离: 100m
集线器是一个大的冲突域

几种传输媒体性能比较

4.信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念

频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)

用户在分到一定频带后，在通信过程中一直占用这个频带。

频分复用是所用用户在相同的时间占用不同的带宽资源（此处的带宽指的是频率带宽而不是发送速率）

频分复用技术的基础是电磁波的频率相互不干扰。

输入端调频

接收方对频率解析，分离不同的频率

频分复用FMD的例子

频分复用中可以进行多次的调频

时分复用TDM(Time Division Multiplex ing)

同步时分复用（STDM）技术

时分复用：是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TMD帧）。每一个时.分复用的用户在每一个TMD帧占用固定序号的时隙。每一个用户占用的时隙周期性出现，（其周期是TMD帧的长度对应的时间）

TMD信号也称等时信号

时分复用技术是用户在不同的时间占用相同的带宽频度。


时分复用的调频

时分复用可能会造成线路资源的浪费

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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

一些资源被浪费了

同步时分复用技术演示

为了解决时分复用技术中对资源的浪费，出现了以下两种技术来提高对资源的利用率，分别是：统计时分复用和异步时分复用。

统计时分复用

给每个帧加上标记，接收端收到帧后，根据标记来还原用户数据。

异步时分复用(ATDM)技术：

又被称为统计时分复用技术( Statistical Time Division Multiplexing, 它能动态地按需分配时隙，以避免每个时间段中出现空闲时隙。ATDM就是只有当某一个用户有数据要发送时才把时隙分配给它;当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。另外，在ATDM中，每个用户可以通过多占用时隙来获得更高的传输速率，而且传输速率可以高于平均速率，最高速率可达到电路总的传输能力，即用户占有所有的时隙。如图:

通俗点讲时分复用就是当多个用户同时传送数据的，我们采用将时间段分成一小份一小份的，然后在每一小份时间间隙中传送相应用户的的数据。同步时分复用就是只根据用户依次将时间间隙分给用户传送数据，如果此时时隙刚好分配给用户A,但用户A此时并没有数据要传输，那么就相当于这个时隙被浪费了，时隙空闲。异步时分复用就是时隙只会分配给当前有数据传输的用户，这样就不会造成时隙浪费。

波分复用WDM (Wave length Division Multiplexing)

波分复用其实就是频分复用，因为当电磁波的频率固定了，那么对应的波也就固定了。

码分复用CDM (Code Division Multiplexing)

常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access) 。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

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。

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。

CMDA的工作原理

每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。

• 如发送比特1,则发送自己的mbit码片序列。.
• 如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S站的8 bit码片序列是00011011。

• 发送比特1时，就发送序列00011011,
• 发送比特0时，就发送序列11100100。

S站的码片序列:(-1-1-1+1+1-1+1+1)

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)。
码片序列的正交关系举例
令向量S为(-1-1-1+1+1-1+1+1),
向量T为(-1-1+1-1+1+1+1-1)。
把向量S和T的各分量值代入(2-3) 式就可看出这两个码片序列是正交的。

正交关系的另一个重要特性
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

CAMD的工作原理

如果收到的码片与接收端被分配的码片积为1或-1表示收到了数据。

• 1对应二进制1
• -1对应二进制0

如果乘积为0则表示没有收到数据。

如：AR=（1-1+3+1-1+3+1+1）/8=1，表示A收到的数据为1.
CD=（1+1+3+1-1-3-1-1）/8=0，表示C没有收到数据。

5.数字传输技术

脉码调制PCM

脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路电话。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM (简称为T1) 和欧洲的30路PCM (简称为E1) 。我国采用
的是欧洲的E1标准。

E1的速率是2.048 Mb/s，而T1的速率是1.544 Mb/s.当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

E1标准（30路）

对进行8000次采样，一采样为1波特，采样中1波特=8bits

T1标准（24路）

6.宽带接入技术

ADSL（非对称数位用户线路）

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。

ADSL技术就把0^4kHz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。

是一种频分复用技术

用户端

电话公司端

ADSL的特点

上行和下行带宽做成不对称的。
ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器。

我国目前采用的方案是离散多音调DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。

DMT调制技术

DMT调制技术采用频分复用的方法，把40 kHz以上一直到1. 1MHz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,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。

DMT技术图示

DMT技术的频谱分布(谢)

光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

HFC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。

HFC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网则需要对CATV网进行改造

HFC的主要特点

(1) HFC网的主干线路采用光纤
HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，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 Distr ibut ion 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。

HFC网采用的节点体系结构

FTTx技术

FTTx (光纤到…也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可代表不同意思。

• 光纤到家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(155Mb/s)。
• 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) :从路边到各用户可使用星，形结构双绞线作为传输媒体(155Mb/s)。