2.1 物理层的基本概念2.1.1 物理层的作用物理层考虑的是怎样才能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。计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类繁多通信手段方式多样。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异。用于物理层的协议也常称为物理层规程(Procedure)。其实物理层规程就是物理层协议。只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了“规程”这一名词。具体的物理层协议种类较多。这是因为物理连接的方式很多而传输媒体的种类也非常之多。2.1.2 物理层需要考虑的问题传输媒体的类型规定传输媒体的类型例如铜线、光纤或各种无线电频段等。位的表示规定如何用电磁等信号表示“1”或“0,即如何编码。数据速率规定每秒发送的比特数。位同步发送方与接收方不仅使用相同的比特率还必须位同步即发送方的时钟与接收方的时钟要保持一致。链路配置在点到点配置中两个设备通过一条专用链路连接而在多点配置中许多设备共享一条链路。物理拓扑结构物理拓扑结构规定用什么拓扑结构将设备连接成网络。可以是星型拓扑、总线型拓扑、环型拓扑或网状结构等。传输方式考虑是串行传输还是并行传输以及传输的方向等。接口特性规定传输设备与传输媒体之间接口的一些特性。2.1.3 传输媒体的接口特性2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型数据(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(analogous signal)代表消息的参数的取值是连续的。数字信号(digital signal)代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时代表不同离散数值的基本波形。2.2.2 编码与调制要利用信道传输数据必须将数据转换为能在传输媒体上传送的信号。信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。数字数据转换成数字信号的过程称为编码(coding)。数字数据转换成模拟信号的过程称为调制(Modulation)。1.编码数字数据转换成数字信号的过程2.调制数字数据转换成模拟信号的过程实现调制和解调功能的设备称为调制解调器(Modem)基带传输与频带传输矩形脉冲波形的数字信号包含从直流开始的低频分量被称为基带信号在数字信道上直接传输基带信号的方法称为基带传输。 仅仅对基带信号的波形进行变换使它能够与信道特性相适应变换后的信号仍然是基带信号这类调制称为基带调制(编码)。模拟信道不能直接传输基带信号必须对基带信号进行调制才能够在模拟信道中传输。使用载波进行调制把基带信号频率范围搬移到较高频段进行传输 称为频带传输。经过载波调制后的信号称为频带信号或带通信号而使用载波的调制称为带通调制(调制)。2.2.3 信道的极限容量从概念上讲限制码元在信道上的传输速率的因素有信道带宽和信噪比。⑴信道带宽具体的信道所能通过的频率范围总是有限的如果信号中的高频分量在传输时受到衰减那么在接收端收到的信号波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了在接端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫作码间串扰。奈氏准则:理想低通信道的最高码元传输速率2W波特W是理想低通信道的带宽单位为赫(Hz)。波特码元传输速率的单位即码元/秒。在任何信道中码元传输的速率是有上限的传输速率超过此上限 就会出现严重的码间串扰的问题。另外如果信道的频带越宽就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。信道带宽一定若要提高信息的传输速率可以采用有效的编码技术使每一个码元能够携带较多的信息量。假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。如果采用振幅调制把码元的振幅划分为16个不同等级来传送那么可以获得多高的数据率(bit/s)?那是不是采用多元制就能无限制地提高信息的传输速率呢答案是否定的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。调制的进制越高就越容易受噪声干扰而导致码元识别的错误。⑵信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比常记为S/N。常用分贝(dB)作为度量单位:信噪比(dB)(dB)香农公式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。信道的带宽或信道中的信噪比越大信息的极限传输速率就越高。在信道带宽一定的情况下要想提高信息的传输速率就必须采用多元制和努力提高信道中的信噪比。香农公式的意义在于:只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率就一定存在某种办法来实现无差错的传输。信噪比无法无限提升受三重技术约束信号功率上限由设备发射功率阈值决定噪声下限受信道热噪声与量子噪声本底限制过度依赖降噪算法则会引发过拟合压缩信号特征空间最终在香农信道容量与传输保真度之间形成不可逾越的权衡边界。2.2.4 传输方式2.3 物理层下面的传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播。非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。2.3.1 导引型传输媒体试计算工作在1200~1400nm之间以及工作在1400~1600nm之间的光波的频带宽度。假定光在光纤的传播速率为2×10⁸m/s。2.3.2 非导引型传输媒体使用导引型传输媒体当通信距离很远时敷设缆线既昂贵又费时。无线传输使用非导引型传输媒体无需敷设缆线简单便捷但容易被干扰保密性差。无线传输可使用的频段很广例如短波、超短波、微波、红外线、可见光等等。不同频段电磁波进行无线通信时穿越障碍物、传输距离和传输带宽的能力有所不同。2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用将传输线路的频带资源划分成多个子频带每个子频带的频率范围互不重叠用户在分配到一个的子频带后在通信过程中自始至终都占用这个子频带·频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频带资源2.4.2 时分复用2.4.3 波分复用2.4.4 码分复用2.5 数字传输系统2.5.1 PCM速率体制现在固定电话网除了从用户电话机到市话交换机之间的用户线使用的是模拟传输外 其余部分都使用的是数字传输。将模拟电话信号转换为数字信号目前采用的都是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)技术将一路模拟电话信号转换为64kbit/s的PCM数字脉冲信号。为了充分利用高速传输线路的带宽通常将多路PCM信号用TDM方法汇集成时分复用帧按某种固定的复用结构进行长途传输。两个互不兼容的PCM复用速率标准:即北美体制T1和欧洲体制E1(中国采用)。当需要有更高的数据率时可以采用多次复用的方法。虽然PCM复用体制最初是用来复用多路PCM数字话音信号的但同样可以为各种业务的数据传输提供不同速率的传输电路。早期的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面: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高速数据传输就很难实现。不是同步传输。-过去为了节约经费各国的数字网主要是采用准同步方式。2.5.2 同步光纤网(SONET)同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)中各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。(通常采用昂贵的铯原子钟)SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构其传输速率以51.84Mbit/s为基础。2.5.3 同步数字系列SDHITU-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)%。SDH的基本速率为155.52Mb/s,称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module),即STM-1。SDH传输网是一种基于SDH标准的同步TDM多路复用网络。可以方便地为其他业务网络提供各种所需带宽的电路并复用底层传输媒体的带宽其中最典型的传输媒体就是光纤。例如:SDH传输网可以很方便地为两个互联网主干路由器之间提供一条点到点的高速链路2.5.4 光网络传统SDH传输网络由光传输系统和交换节点的电子设备组成。全光网AON (All Optical Network)用光网络节点代替原来交换节点的电子设备组成以端到端光通道为基础的全光传输网避免因光/电转换所带来的带宽瓶颈而路由器等电信号处理设备在边缘网络连接用户终端设备。光传送网OTN(Optical Transport Network)作为向全光网络进行演进的过渡技术以光波分复用技术为基础直接在光域上对不同波长的信号实现交换和复用以波长级业务为处理单位支持多种上层业务,如SDH,ATM,IP,MPLS等等。自动交换光网络ASON(Automatic Switched Optical Network)在光传送网的基础上引入了智能控制的很多方法可以根据业务需求进行光通路的动态建立和拆除实现光网络资源的动态按需分配和自动调度与管理。目前结合ASON的OTN正在成为新一代的数字传输网络。2.6 互联网接入技术接入网AN互联网接入技术解决的就是最终用户接入本地ISP最后一公里”的问题。通常人们将用户设备(或用户驻地网络)连接到ISP边缘路由器的物理链路及相关设备的集合称为接入网AN(access network)。接入网涉及的用户数量巨大在网络投资中所占比重很大是各大运营商竞相争夺的巨大市场。主要有:电话网拨号接入、数字用户线接入、光纤同轴混合网接入、光纤接入、以太网接入和无线接入。2.6.1 非对称数字用户线(ADSL)接入非对称数字用户线(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)是电话运营商提供的一种住宅宽带接入业务。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。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400kHz的范围内但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。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。“非对称”是指下行(从ISP到用户)带宽远远大于上行(从用户到ISP)带宽。在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器。使用频分复用技术0~4kHz用于电话业务而将高端频谱用于上行和下行数据传输。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。极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系(用户线越细信号传输时的衰减就越大)。2.6.2 光纤同轴混合网(HFC网)接入光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax,HFC)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网除可传送有线电视外还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是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网进行改造原来的CATV网的最高传输频率是450MHz,并且仅用于电视信号的下行传输。但HFC网具有双向传输功能而且扩展了传输频带。根据有线电视频率配置标准 目前我国的HFC网的频谱划分如下图所示。用户所享用的最高数据率是不确定的使用ADSL时用户计算机所连接的电话用户线是该用户专用的因此在用户线上所能达到的最高数据率是确定的与其他ADSL用户是否在上网无关。但在使用HFC时由于小区用户共享同一条同轴电缆带宽用户所享用的最高数据率是不确定的这取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。2.6.3 光纤(FTTx)接入为了更快地下载视频文件以及更加流畅地欣赏网上的各种高清视频节目最理想的住宅接入方式当然是直接通过光纤接入即光纤到户。所谓光纤到户就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门才把光信号转换为电信号。光纤巨大的带宽不仅可以为用户提供高速的互联网业务还能提供电话、可视电话、有线电视、视频点播、视频监控等多种业务。FTTx(光纤到.....)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):从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。FTTx的实现可以有两种方式:有源光网络和无源光网络。无源光网络具有天然的抗电磁干扰影响的能力减少了接入网的故障点系统可靠性较高维护成本较低是目前FTTx的主流技术。无源光网络采用无源光分路器(Passive Optical Splitter,POS)与ONU连接是纯光纤网络。光分路器是一种能将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的无源光器件。无源光网络通常采用波分复用上行和下行分别使用不同的波长。下行OLT采用广播方式将数据发送给各用户ONU。上行各用户ONU通常采用时分多址TDMA方式共享上行信道将数据发送给OLTR。目前我国很多新建居民住宅都已开始光纤到户极大地满足了我国人民家庭上网的带宽需求。2.6.4 以太网接入各种政府机构、大型企业和大学校园的用户通常通过内部的以太网接入到互联网一些接入网运营商将以太网用于住宅接入网领域在原有以太网技术的基础上(采用原有以太网的帧结构和接口)增加了远端馈电、接入端口的控制、用户间的隔离、计费等功能2.6.5 无线接入人们希望随时随地都能访问互联网有线接入的手段显然不能完全满足人们的需求。无线接入技术目前最常用的有两种:无线局域接入:通过无线局域网接入到互联网(典型的:Wi-Fi)。无线广域接入:通过蜂窝移动通信系统接入到互联网(典型的:3G、 4G. 5G)。