Part II 物理层 信号, 媒介, 和 数据传输 2018/12/7 Spring 2003

信息传送 基础原理：成熟 物理角度 数学角度 能量 电磁波传播（ propagation ） 编码理论 Spring 2003 2018/12/7

用来传送数据的能量形式 电流 光 听得见的声音 全向的电磁波 定向电磁波 射频 (RF) 红外线 点对点卫星信道 微波 激光射线 Spring 2003 2018/12/7

传输媒体(介质) 物理层的目的是将原始的比特流从一台机器传输到另一台机器。 有多种物理介质可用于实际传输，每一种物理介质在带宽、延迟、成本和安装维护难度上都不相同。 介质可以大致地分为有导线介质（例如铜线和光纤）和无导线介质（例如空中的电波和激光）两类。 Spring 2003 2018/12/7

传输媒体(介质) 磁介质 高带宽、低费用、高延时（小时） 金属导体 光纤 无线介质 双绞线、 同轴电缆(粗、细) 例：7GB/8mm，1000盘/50*50*50cm，24h可送到任何地方。 总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s 传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 金属导体 双绞线、 同轴电缆(粗、细) 光纤 无线介质 无线电、短波、微波、卫星、光波 Spring 2003 2018/12/7

●双绞线 内导体芯线 绝缘 箔屏蔽 铜屏蔽 外套 --螺旋绞合的双导线，≈1mm --每根4对、25对、1800对 --典型连接距离100m（LAN） --RJ45插座、插头 --优缺点： 成本低 密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率） 抗干扰性一般 连接距离较短 内导体芯线 绝缘 箔屏蔽 铜屏蔽 外套 Spring 2003 2018/12/7

屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP) 以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音 价格昂贵 3类、5类、6类 （16M、155M、1200M） 双绞线外没有任何附加屏蔽 Spring 2003 2018/12/7

HUB 服务器 … 双绞线 Spring 2003 2018/12/7

宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75 ，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器 ●同轴电缆 铜芯 基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输 宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75 ，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器 绝缘层 外导体屏蔽层 保护套 Spring 2003 2018/12/7

细同轴电缆 细同轴 --50 ，D=1.02cm，10Mbps --185m、4中继、5段（925m） --优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator） 抗干扰能力强 距离短 可靠性差 Spring 2003 2018/12/7

服务器 细同轴电缆 匹配电阻 Spring 2003 2018/12/7

粗同轴电缆 粗同轴 --50 ，D=2.54cm，10Mbps --500m、4中继、5段（2500m） --优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好 Spring 2003 2018/12/7

服务器 粗同轴电缆 匹配电阻 Spring 2003 2018/12/7

●光纤 依靠光波承载信息 速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s） 传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰性能极好，保密性好 轻便 Spring 2003 2018/12/7

SWITCH HUB 服务器 双绞线100M 100M 光缆 双绞线 10/100M Spring 2003 2018/12/7

光纤传输原理——利用了光的反射 光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。 光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低 亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测器 光源: 850nm/1300nm/1500nm 发光二极管 / 激光二极管 介质: 光纤 光检测器: 光电二极管PIN/雪崩二极管APD 单向传输，双向需两根光纤 Spring 2003 2018/12/7

●光纤传送模式：MMF、SMF 多模 MMF 波长 : 850,1300 nm 单模 SMF 波长: 1300,1550 nm 输入电信号 h2 h1 芯/封套特性 输出电信号 波长 : 850,1300 nm 多束光线以不同的反射角传播 h1 h2 光纤的直径减小到一个光波波长 单模 SMF 波长: 1300,1550 nm 单束光线沿直线传播 Spring 2003 2018/12/7

●典型的光缆 常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF 玻璃包层——125um 玻璃封套 塑料外套 玻璃内芯 单芯光缆 多芯光缆 外壳 常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF 玻璃包层——125um Spring 2003 2018/12/7

●高密度多芯光缆剖面结构 芯 封套 外套 加强芯 光纤 外鞘 光纤束 Spring 2003 2018/12/7

●无线介质 使用电磁波或光波携带信息 无需物理连接 适用于长距离或不便布线的场合 易受干扰 Spring 2003 2018/12/7

无线电 基站覆盖的无线电区域 固定终端点（基站）和终端之间是无线链路 基站 用户计算机和终端 F1, F2, F3 = 使用的频率 F2 BS F2 F3 F1 BS 基站 用户计算机和终端 F1, F2, F3 = 使用的频率 Spring 2003 2018/12/7

地面微波接力 地球 两个地面站之间传送 距离：50 -100 km 地面站之间的直视线路 微波传送塔 Spring 2003 2018/12/7

地球同步卫星 地球 与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球 传输延迟时间长 22,300 公里 Spring 2003 2018/12/7

传输系统的两个重要物理限制 传播时延 带宽 信号通过媒体所需的时间 例子: 电磁辐射以光速通过空间 (c = 3108 米每秒) 信号通过能量的变化来进行传输。 每个传输系统硬件能够实现的信号变化最大速率是有限的。 将每秒钟信号能改变的最大次数称为带宽，单位Hz。 Nyquist定理提供了数据传输最大速率的理论边界。 Spring 2003 2018/12/7

数据的传输 网络硬件将传输信息编码后传送 两种方式编码 计算机网络使用后者 模拟(能量的大小与码值成比例) 数字 (用两种不同的能量形式分别代表0和1） 计算机网络使用后者 t t a) 模拟信号 b) 数字信号 Spring 2003 2018/12/7

数字编码举例 媒介 铜线 能量形式 电流 编码 负极为1 正极为 0 Spring 2003 2018/12/7

数字编码的图例 叫做波形图 X坐标对应时间 Y坐标对应电压 Spring 2003 2018/12/7

编码细节 几个组织制定的网络标准 遵从标准的不同硬件之间可以进行互操作。 IEEE ITU EIA Spring 2003 2018/12/7

RS-232C 标准 使用举例 由EIA制定 电压为 +15 到 –15 长度限定在~50 英尺 连接到键盘/鼠标 PC上的端口 由EIA制定 电压为 +15 到 –15 长度限定在~50 英尺 最新EIA 标准是 RS-422 (ITU 标准是 V.24) 使用异步通讯方式 Spring 2003 2018/12/7

异步通讯 接收和发送方必须协商 接收方 为了确保有意义的发送 每个字符的字节数 每位的持续时间 无需知道字符何时到 可能永远等待 字符前有开始位 每个字符有一个以上的停止位 Spring 2003 2018/12/7

RS-232的图例 起始位 如同 0 不属于有效数据 停止位 如同 1 紧跟有效数据后 Spring 2003 2018/12/7

RS-232C：每位的持续时间 由波特率决定 波特率：每秒钟硬件产生的电信号个数。 典型值: 9.6 Kbaud, 14.4 Kbaud, 28.8 Kbaud 位持续时间＝1 / baud rate 接收和发送方必须统一波特率 接收方对信号进行采样 不一致会造成“帧对齐错” Spring 2003 2018/12/7

双向通讯 实际应用的需要 需要双方都有发送器和接收器 Called： 全双工（ full duplex ） Spring 2003 2018/12/7

全双工互连的图例 一端的接收器连接另一端的发送器 每个方向使用单向电流 共用地线 DB-25 连接器使用 引脚 2 传输 引脚 3 接收 Spring 2003 2018/12/7

电子传输 (坏消息) 这是一个糟糕的世界 长距离传输会使电子能量衰减 电线有电抗、电容，会造成干扰（ Distortion ） 电磁和电子接口也会干扰信息 干扰会导致信息丢失或出错 Spring 2003 2018/12/7

一个字节的被干扰信号图例 实际上 干扰比图例的还要严重 Spring 2003 2018/12/7

结论 RS-232 硬件必须能够处理小的畸变 远距离传输不能使用电流 每位字节多次采样 能容忍非完整电压 Spring 2003 2018/12/7

长距离通讯 要点: 晶振信号（交流电）比直流电传的远 对于长距离通讯 注意: 调制技术已用于广播和电视 发送正弦波 (叫做载波) 修改（调制）载波以进行编码 注意: 调制技术已用于广播和电视 Spring 2003 2018/12/7

载波图例 载波 通常是正弦波 交流 频率固定 Spring 2003 2018/12/7

调制类型 调幅 (用于AM 广播) 调频 (用于FM广播 ) 相位移动调制 (用于数据) Spring 2003 2018/12/7

调幅图例 用信号的强弱来编码0 或 1 每位需要一个周期的波信号 载波带宽：限制数据传输率 Spring 2003 2018/12/7

Phase-Shift Modulation的图例 相位的变化程度可一次编码K位数据 数据传播率高于载波带宽 Spring 2003 2018/12/7

Phase-Shift 的例子 波形的一部分在相位变化时被截掉 数据位数决定被截掉部分的大小 Spring 2003 2018/12/7

Modem 硬件设备 提供远距离互连 包含分开的电路： 名称为 modulator / demodulator的缩写 调制发出信号 解调接收信号 名称为 modulator / demodulator的缩写 Spring 2003 2018/12/7

长距离使用调制解调器的图例 两端各有一个调制解调器 用分开的线路来携带不同方向的数据 一端的调制器与另一端的解调器相连 Spring 2003 2018/12/7

调制解调器的类型 传统的 光学的 无线的 使用四根电线 传播调制过的电磁波 使用玻璃纤维 传播调制过的光线 通过空气传播 传播调制过的RF 波 Spring 2003 2018/12/7

调制解调器的类型 (续上) 拨号 注意: 实际上, 一个拨号系统必须使用不同的载波音调或彼此协调以避免两个modem同时发送。 使用语音电话系统 传播调制过的可听范围内的音调 注意: 实际上, 一个拨号系统必须使用不同的载波音调或彼此协调以避免两个modem同时发送。 Spring 2003 2018/12/7

拨号调制解调器的图例 调制解调器能够 拨号 回答 载波为可听音调 Spring 2003 2018/12/7

调制解调器的术语 全双工调制解调器 半双工调制解调器 提供双路互连 允许同时传播 使用四根线 Does提供双路互连 But任一时刻只能单向传播 使用两根线 Spring 2003 2018/12/7

回顾 传播时延 带宽 由物理设备决定 信号通过媒介所需的时间 物理传播系统的电子特性 每秒钟信号能改变的最大次数 Spring 2003 2018/12/7

一个数字传播系统的基本测度 时延 吞吐量 指一位数据在两端的传播时间 通常与相关硬件的传播时延相同 每秒钟能传播的位数 与硬件的带宽相关 Spring 2003 2018/12/7

数字带宽和吞吐量之间的关系 Nyquist的理论: D = 2 B log2 K 这里 D 是最大数据率 B 是硬件带宽 Spring 2003 2018/12/7

Nyquist 理论的应用 RS-232 phase-shift encoding K 为 2是 因为 RS-232 只使用两个值（ +15 or –15 volts） 来编码数据位 D is 2 B log2 2 = 2 B phase-shift encoding 假设 K 是 8 (可能转换) D is 2 B log2 8 = 2 B  3 = 6 B Spring 2003 2018/12/7

更多的坏消息 物理学中说，实际的系统将发散和吸收能量(e.g., thermal) 工程师称为“unwanted energy noise” Nyquist的理论 假设了一个没有噪音的系统 只在理论上正确 Shannon的理论： 考虑了噪声的存在 Spring 2003 2018/12/7

Shannon的理论 给出了有噪音时的信道容量: C = B log2 (1 + S/N) 这里 S/N 是信噪比 C 有效信道容量 单位：bps B 是硬件带宽 S 是平均能量 (信号) N 是噪音功率 S/N 是信噪比 Spring 2003 2018/12/7

Shannon理论的应用 传统的电话系统 结论: 拨号调制解调器不可能达到 28.8 Kbps （如何改进吞吐量？－－数据压缩技术） 用于语音 带宽是3000 Hz 信噪比接近1000 有效容量是 3000 log2 (1 + 1000) = ~30000 bps 结论: 拨号调制解调器不可能达到 28.8 Kbps （如何改进吞吐量？－－数据压缩技术） Spring 2003 2018/12/7

底线 Nyquist的理论意味着：发现一种每周期编码更多位信息的方法，能够提高数据传输率 Shannon的理论意味着：没有任何一种技术能够克服真实传输系统的基本限制 Spring 2003 2018/12/7

多路复用 网络互连中的基本技术 是一个通用概念 可用于 传统系统的最低层次 网络硬件的较高层次 协议软件 应用程序 Spring 2003 2018/12/7

多路复用的基本概念 单独的每对通讯者穿过共享信道进行通讯 多路复用技术防止彼此干扰 每个目的地只接收相关信息源的信息 Spring 2003 2018/12/7

多路复用术语 Multiplexor Demultiplexor 装置或机制 从多个源点接收信息 通过共享信道发送信息 从共享信道提取信息 发送到正确的目的地 Spring 2003 2018/12/7

多路复用的两种基本类型 时分多路复用( (TDM) 频分多路复用(FDM) 任意时刻共用信道上只有一个item 每个item上标明信息源 Demultiplexor使用该标记识别目的地 频分多路复用(FDM) 多路信号同时传播 使用多路“信道” Spring 2003 2018/12/7

传输模式 基带传输 宽带传输 只使用低频 直接编码 使用多路载波 能够使用高频 可获得较高的吞吐率 硬件复杂且昂贵 Spring 2003 2018/12/7

频分多路复用背后的科学原理 使用不同载波频率的多个信号能够同时通过一个单一媒介传播而不会彼此干扰 注意: 一个有线电视 公司能够通过一根电缆发送多路电视信号是同样的道理 Spring 2003 2018/12/7

Wave Division Multiplexing 事实 FDM 能够用于任何电磁辐射 光也是一种电磁辐射 当应用到光时, FDM 叫做波分多路复用 非正式名称为色分多路复用（color division multiplexing） Spring 2003 2018/12/7

总结 不同的传输模式和可用的媒介 对数字进行数据编码 异步通讯 电流－铜线 光－玻璃纤维 电磁辐射波 用于键盘和串行端口 RS-232 标准 发送和接收方采用相同波特率 Spring 2003 2018/12/7

总结 (续上) 调制解调器 数字通讯系统的两种测度标准 用于远距离互连 可采用铜线, 光缆, 电话线 传播调制好的载波 分为全工和半工 时延 Phase-shift modulation很流行 分为全工和半工 数字通讯系统的两种测度标准 时延 吞吐量 Spring 2003 2018/12/7

总结 (续上) Nyquist的理论 Shannon的理论 将带宽和吞吐量联系起来 鼓励工程师们使用复杂编码 为噪音做了调整 指明了实际传输系统的容量限制 Spring 2003 2018/12/7

总结 (续上) 多路复用 当应用于光时, FDM 叫做波分多路复用 基本概念 使用在不同层次 应用于硬件和软件 两种基本类型 时分多路复用(TDM) 频分多路复用(FDM) 当应用于光时, FDM 叫做波分多路复用 Spring 2003 2018/12/7