计算机网络 第二章 物理层

物理层 2.1 数据通信基础 2.2 公共电话交换网

2.1数据通信基础 2.1.1 数据通信的理论基础 2.1.2 有导向的传输介质 2.1.3 无线通信

2.1.1数据通信的理论基础 在数据通信中，我们传输的是有限长的一个波形信 号。该波形信号称为码元。 码元信号在实际信道中传输会有失真。 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形 接收信号波形

2.1.1数据通信的理论基础 假设码元的时间为T，它的带宽为B。当信道的带宽 小于码元带宽时，码元传输就会失真。 当信道带宽B为定值时，码元的宽度T的下限是多少？ （或者码元速率的上限是多少？）

2.1.1数据通信的理论基础 比如我们传送一个码元“b” “b” 的ASCII码是“01100010” 1 1 1 T

2.1.1数据通信的理论基础 根据傅立叶变化，该有限长（码元宽度为T）信号 的频率的能量分布如下图所示。 幅度 频率（1/T Hz) 1 2 0.5 幅度 0.25 频率（1/T Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2.1.1数据通信的理论基础 信道带宽=1/T 信道带宽=2/T 信道带宽=4/T 信道带宽=8/T

2.1.1 数据通信的理论基础 码元长度为T的波形信号通常用几倍于1/T Hz带宽 宽度的信道就可以传输了。 到底是几倍取决于实际波形的形状。 最好的波形形状是高斯波形，码元长度为T的高斯 波形信号可以用1/2T Hz带宽的信道来传输。

2.1.1 数据通信的理论基础 一般的，我们有下面的结论。 假设一个信道的带宽为B，则最大的码元传输速率是 2B。 如果，长度为T的波形信号有V种离散值的信号，其 最大比特传输速率为： 如果信道还有噪声（加性高斯白噪声），那么可传输 的最大比特传输速率是

2.1.2 有导向的传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤

双绞线 定义 两个绝缘铜线以螺旋状的形式交织在一起的通信媒介。

双绞线 5类双绞线

双绞线 特点 螺旋的结构可以抵消外界电磁波的干扰。 主要应用于现在的电话线和网线。 可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。 其带宽取决于铜线的粗度和长度。一般在几公里长度 内，可以达到几Mbps的速率。

同轴电缆 定义 它是由硬铜芯和外面包裹的密织网状圆柱导体组成。 绝缘保护套层 外导体屏蔽层 绝缘层 内导体

同轴电缆 特点 抗噪能力强。 同轴电缆的通信距离比双绞线要长。 同轴电缆的带宽比双绞线要宽（可达几 GHz）。

光纤 定义 光纤传输系统由光源，光传输介质和探测器组成。 光发送机 光接收机 计算机发送端 计算机接收端

光纤 光在穿过不同介质的时候，会发生折射和反射。 当入射角达到一定程度的时候，光的能量将会全部 反射回来。 包层 折射角 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角 包层 （低折射率的媒体）

光纤 光纤的工作原理 低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射

光纤 多模光纤与单模光纤 多模光纤 输入脉冲 输出脉冲 输入脉冲 输出脉冲 单模光纤

光纤 目前用于光线通信的中心波长有三个： 0.85 μm 、 1.30 μm 、1.55μm。每个波段的带宽可达25000- 30000GHz。 衰减(分贝/千公里） 波长（微米）

光纤 光线较铜线的优点 光纤较铜线的缺点 带宽宽很多（理论带宽可达50000Gbps，现在达到了1000Gbps) 每公里衰减低。 不受电源，电磁波干扰，不受空气中化学物质的侵蚀。 重量轻，便宜。 安全。 光纤较铜线的缺点 对光纤处理需要较高的操作技能。 不能过度弯曲。 接口成本高。

2.1.3无线传输 电磁波谱 无线电传输 微波传输 红外传输 光传输

电磁波谱 电磁波谱及其在通信中的应用。 (Hz) f (Hz) f 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 无线电 微波 红外线 X射线  射线 可见光 紫外线 (Hz) f 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 双绞线 卫星 光纤 同轴电缆 地面微波 海事 无线电 调幅 无线电 调频 无线电 移动 无线电 电视 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF

无线电波（Radio) 对VLF, LF, MF的电磁波（3k-3M），其传播是沿着地 球表面传播的。如调幅电波（ 530 到 1700 kHz）。 对HF，VHF的电磁波（3M-300M)， 其传播是通过电 离层反射的。如短波（3M-30M）和调频电波 （70M-100M）。 电离层 地面波 地球表面 地球表面 低频和中频无线电沿地球表面传播 短波和调频无线电波通过电离层反射传播

微波传输 微波在300MHz以上300GHz以下的频段，它几乎按 直线传播。 微波对建筑物的穿透性不好。 价格便宜，任何人只要在每个50km架设一个微波塔， 就可以绕过电话系统进行通信了。 常用于卫星电视(1.5G-30GHz)的通信。 50km 50km

频谱的使用政策 The ISM ( Industrial, Scientific, Medical) 可以使用的免费 频谱资源。 26 83.5 125 频带 MHz MHz MHz     频率 902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz GHz

红外线 广泛应用于短距离通信 方向性好 便宜 不具有穿透性 使用无需政府许可

2.2 公共电话交换网络（PTSN) 2.2.1 电话系统结构 2.2.2 本地环路 2.2.3 中继线 2.2.4 交换

2.2.1 电话系统结构 电话系统发展的历史 成对出售的电话构成的全联通网（1876） 由交换局构成的中心交换网络（1878） 由多层交换局构成的多层网络体系结构（1890） (a) 全联通网络 (b)中心交换网络 (c) 多层体系网络

2.2.1 电话系统结构 本地回路 中继线 不同交换局的连接（数字光纤）。 交换局 用户电话和局端的连接（模拟双绞线）。 连接不同中继线的交换机。 中间交换局 电话 电话 端局 长途局 长途局 端局 本地回路 长途连接中继线 超宽带局间中继线 长途连接中继线 本地回路

2.2.2 本地回路 2.2.2.1电话调制解调器（Modem） 2.2.2.2 ADSL调制解调器 2.2.2.3光纤到户

2.2.2.1 电话调制解调器 计算机通过电话调制解调器上网的连接图 ISP 数字线路 中继线（数字、光纤） 计算机 本地回路（模拟） 端局 编码解码器 电话调制解调器 编码解码器 电话调制解调器

实际的码元速率很低，大多数调制解调器发送的码元速率为2400波特 2.2.2.1 电话调制解调器 本地回路模拟线路的带宽为3000Hz 根据奈奎斯特采样定理 理论码元速率为6000波特 实际的码元速率很低，大多数调制解调器发送的码元速率为2400波特

(a) QPSK (b) QAM-16 (c) QAM-64 2.2.2.1 电话调制解调器 数字信号调制为模拟信号 (a) QPSK (b) QAM-16 (c) QAM-64 4800bps 9600bps 14400bps

2.2.2.1 电话调制解调器 数字信号调制为模拟信号 (a) V.32 for 9600bps, 其中4比特为数 据位，一比特为校验位 (b) V.32 bit for 14400 bps. 其中6比特 为数据位，一比特为校验位

2.2.2.1 电话调制解调器 该系列的最终调制解调器为V.34bis，速度可以达到 33600bps。 这个最大速度主要取决于本地回路的信噪比。该极 限大约为35kbps。 如果计算机不与另一个计算机通信，而与ISP直接 通信，其信噪比可以提高一倍，这样其通信速率可 以达到70kbps。 实际中我们采用的是56kbps的调制解调器。

2.2.2.2 ADSL调制解调器 宽带服务 为了提供超过56kbps的数据服务，电话公司提出了 ADSL技术。 之所以最高数据速率为56kbps是因为我们将本地回路的带宽限制在300hz到3400Hz这一个狭长的范围内了。

2.2.2.2 ADSL调制解调器 ADSL(Asymmetric Digitial Subscriber Line)设计的目标 服务在现有的三类双绞线上工作。 不影响原来的电话和传真业务。 它的速率比56kbps高。 这个服务必须是总是可用的，按月收费而不是按小时 收费。

2.2.2.2 ADSL调制解调器 ADSL(Asymmetric Digitial Subscriber Line) 本地回路上的1.1MHz被分为256条信道，每条信道的 带宽为4312.5Hz, 信道0用于简单老式电话服务(POTS)。 信道1-5空闲，其余信道一条用于上行控制，一条用 于下行控制，剩下的用于数据传输。 信道 功率 语音 上行通道 下行通道

2.2.2.2 ADSL调制解调器 ADSL宽带网络连接图 语音 交换机 电话 编码解码器 分离器 电话线 分离器 计算机 DSL Acess multiplexer ADSL 调制解调器 以太网 电话公司局端 用户住宅

2.2.2.3 光纤到户 光纤到户(FttH, Fiber to the home) VoIP IPTV 交换机或路由器 分离器/ 组合器 High-Speed Internet VoIP IPTV 交换机或路由器 分离器/ 组合器

FttH 通信原理 ★ ★● ★●  ★● ★●  ● ★ ★ ★●   ●  ● 光网络单元 发往特定 ONU 的数据 下行 ONU ★● 头端 光分路器 光纤干线 ★● ★●  OLT 1:N ONU ★●  ● ONU 特定 ONU 发来的数据 ★ ONU ★ 上行 头端 光纤干线 ★●   OLT 1:N ONU ●  ● ONU 局端 光配线网(ODN) 用户端

2.2.3 中继线 2.2.3.1 语音信号的数字化 2.2.3.2 时分复用 2.2.3.3 SONET/SDH 2.2.3.4 波分复用

2.2.3.1 语音信号的数字化 脉冲编码调制（PCM） 量化值 时间 采样间隔 电话 本地回路（模拟） 端局 电话调制解调器 编码解码器

2.2.3.1 语音信号的数字化 PCM(Pulse Code Modulation): 对模拟信号进行u-law （北美与日本）或A-law （中国与欧洲）压缩 采样速率为8kHz(125us) 每个采样值为8bits.

2.2.3.2时分复用 T1载波 将125us分为24路信道和一比特帧码 193bit的帧(125us) 信道1 信道2 信道3 信道4 信道24 帧码 数据比特 信令比特

T1载波 24路信道 1比特帧码 每路信道有7位数据比特，最低位为信令比特（一般 认为最低位的失真对模拟语音信号影响不大） 在如下图所示的超级帧中，第4,8,12,16,20,24帧的1比 特码固定为001011，接收端检查该固定码子来与发送 端同步。 T1帧 … … … … … … 1 4 8 12 16 20 24 超级帧

E1载波 中国和欧洲使用 每125us一帧, 每帧32个信道， 每个信道8位采样，其中2个信道用于信令，其余30 个用于用户数据。 线路速率为32x8x8000=2.048Mbps

更高阶的载波 将4条T1载波时分复用成T2载波，速率为6.312Mbps。 将7条T2载波时分复用成T3载波，速率为44.735Mbps。

同步光纤网与同步数字系列 为了统一北美，欧洲，中国的数字传输系统。 这两个标准及其相似，可以认为是同义词。 1985年，RBOC（Regional Bell Operational Company)的研 究机构Bellcore制定了同步光纤网络SONET(Synchronous Optical Network)。 1989年， ITU 参入到这项工作中，提出了同步数字系 列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。 这两个标准及其相似，可以认为是同义词。

同步光纤网（SONET) 同步光纤网络的基本帧STS-1(Synchronous Transport Signal-1) 线路速率：90 x9x8x8000=51.84Mbps 3列信令开销 87列 9行 SONET帧 SONET帧 段开销 线路开销 路径开销 同步有效载荷（SPE）

同步光纤网与同步数字系列 同步光纤网与同步数字系列的各级复用传输标准对 照表。

波分多路复用(WDM) 波分多路复用技术已经发展到计算机望尘莫及的地 步了。 1990年，第一个商业系统由8个信道，每个信道 2.5Gbps。 2006年，一款产品可以提供64个信道，每个信道 40Gbps。 滤光器 光纤1 光纤2 组合器 分离器 光纤3 长途光纤 光纤4

2.2.4 交换 电路交换(Circuit Switching) 分组交换(Packet Switching)

电路交换 当电话进行通信时，电话系统的交换设备将全力以 赴的寻找一条从你的电话到对方电话的物理路径。 物理连接 交换局

分组交换 当计算机要传送数据时，不需要建立连接。路由器 采用存储转发方式将收到的包发送到目的地址。 计算机 数据包排队等待传输 计算机 交换局

电路交换与分组交换网的比较 项目 电路交换 分组交换 呼叫建立 需要 不需要 专用物理路径 是 不是 每个包遵循相同的路由 包按序到达 交换机崩溃是否致命 可用带宽 固定 动态 可能拥塞的时间 在建立时 每个包 存储-转发传输 潜在带宽浪费 收费 按分钟 按包

本章作业 1、若将无噪声的4kHz的信道用于下面的用途，请 比较他们最大的传输速率： (a) 采样值为2比特的模拟编码。（如QPSK） (b) T1 PCM系统。 2、比较在一个电路交换网和一个(负载较轻）分组 交换网中，沿k跳路径发送一个x位长度消息的延时。 假设电路交换建立的时间为s秒，每一跳的传播延 时为d秒，数据包的大小为p位，数据传输率为b bps。 试问在什么条件下分组网络延时比电路交换网络延 时短？