计网物理层（二）

物理层是网络协议模型的最底层，该层定义了比特作为信号在信道上发送时相关的电气、时序和其他接口，是构建网络的基础。物理信道的不同特性决定了其传输性能的不同（比如，吞吐量、延迟和误码率），所以物理层是我们展开网络之旅的最好始发地。

本章内容结构：

  1. 首先从数据传输的理论分析出发，探讨决定信道传输的自然局限。
  2. 接着给出三类传输介质：有线（铜线和光纤)、无线（陆地无线电）和卫星。每种技术都有其自身独特的性质，而这将影响到采用这些传输技术的网络设计和性能。这部分内容为我们理解现代网络的关键传输技术提供了背景知识。
  3. 然后讨论数字调制解调技术，主要解决如何把模拟信号转换成数字比特以及将数字比特还原成模拟信号。在此基础上，引入多路复用方案，探讨如何在同一个传输介质上同时进行多个会话而彼此不会干扰。
  4. 最后将关注三个被广泛应用于计算机广域网的通信系统实例：（固定）电话系统、移动电话系统和有线电视系统。

该篇博客将讨论后两部分。

上图为本章考试重点，非原书结构，仅供参考。

数字调制

有线和无线信道运载模拟信号，模拟信号可表示成诸如连续变化的电压、光照强度或声音强度。为了发送数字信息，我们必须设法用模拟信号来表示比特。比特与代表它们的信号之间的转换过程称为数字调制（digital modulation）。

我们首先学习如何把数据比特直接转换成信号的一些方案。这些方案导致了所谓的基带传输（baseband transmission）,这是有线介质普遍使用的一种调制方法。然后我们将考虑通过调节载波信号的幅值、相位或频率来运载比特的调制模式。这些转换方案导致了通带传输（passband transmission）, 即信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带。这是无线和光纤信道最常使用的调制方法，因为在这样的传输介质中只能在给定的频带中传输信号。

基带传输（数字信号）

  • 相关概念

    带宽效率：带宽通常是一种有限资源，即使对有线信道也一样。信号频率越高衰减越大，其可用性就越小，而且高频信号还需要更快的电子设备。信号改变的速率称为符号率，以示区别于比特率。比特率是符号率与每个符号的比特数的乘积。

    时钟恢复问题：存在一长串0 或1 时，经过较长时间会导致接收方无法准确判定信号的每个比特，比如15 个0 很像16 个0.

  • 数字信号的表示方法
    下面所有例子的0 和1 表达方式可以交换，即0高1低可换成0低1高，无影响

    1. 不归零（NRZ，non-return-to-zero）：简单的将低电平表示为0，高电平表示为1。
      问题：带宽效率低；较多连续的0 或1 导致接收方无法分辨每个比特。

    2. 不归零逆转（NRZI，non-return-to-zero）：0 时信号不发生变化，1 时信号跳变。
      问题：可以对连续的1 进行区分，但是不能对连续的0 区分。

    3. 曼彻斯特编码（Manchester）：将数据信号与时钟信号通过异或方式混合在一起。
      问题：带宽效率低（需要的带宽是NRZ 的两倍）。

    4. 差分曼特斯特编码：相对调相的编码，与时钟的表达很相近，但不同点是：若1 则在起始位置进行跳变，若为0 则不进行跳变。

      注意：两种曼彻斯特编码的1、0 位的定义没有严格的要求，可以与上图表示的相反，只要在过程中完全一致即可

    5. N 级编码：采用N 个信号级别，如用单个符号可以一次携带2 个比特，只要接收方可以辨识信号的四个级别即可。如二级编码。

通带传输（模拟信号）

y=Asin(fx+φ)，下面的分别表示是改变A、f 和φ三个参数来区分不同信号

  1. 幅移键控（ASK，amplitude shift keying）：不同的振幅表示0，1.

  2. 频移键控（FSK，frequency shift keying）：不同的频率表示不同的信号，如采用两个不同的频率分别表示0,1

  3. 相移键控（PSK，phase shift keying）：不同的相位表示不同的信号。在每个符号的周期中，把载波波形偏移0°或180°。更有效利用信道带宽的方法是
    使用四个偏移（例如45°，90°，135°，180°），这样每个符号可以表示两个比特信息，这种方式被称为正交相移键控（QPSK,quadrature phase shift keying）。

    上述1.2.3方法均为绝对调相（相连两位之间互不影响）。

  4. 相对调相（relative phase modulation）：相邻两位之间存在相互影响。若为1则跳变，若为0 则无变化，需要给出初始波形，和差分曼彻斯特类似。具体相位变化表示如下图

    例子如下所示（给出初始波形）：

多路复用

多路复用简单来说就是使多个信号可以共享同一传输路线。

频分复用

频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing) 利用通带传输的优势使多个用户共享一个信道。它将频谱分成几个频段，每个用户完全拥有其中的一个频段来发送自己的信号。

时分复用

时分（TDM，time division multiplexing）指一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。

例如：下图中，ABCD分别为四个用户，每个用户只在对应的时隙里传输自己的数据。

波分复用

波分（WDM，wavelength division multiplexing）是频分多路复用的一种，利用光纤信道的巨大带宽，同一光纤可以同时传输一组不同波长的光信号，并且不会互相影响。简单来说就是光的频分多路复用。

码分复用

码分复用（CDM，Code Division Multiplexing)是扩展频谱通信的一种形式，完全不同于FDM 和CDM，它把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。广泛应用于无线链路共享。

公共电话交换网络

（PSTN，public switched telephone network）

  • PSTN 是一种常用的旧式电话系统，提供的是一个模拟的专用通道，通道之间经由若干电环交换机连接而成，当两台主机或路由器需通过PSTN 连接时，必须在网络接入侧使用调制解调器实现信号的模数/数模转换。
  • 电话系统的组成：本地回路、中继线（多路复用）和交换局（交换机、交换技术如虚电路交换和分组交换等）

本地回路

本地回路常常称为“最后一英里”，将涉及电话调制解调器、ADSL（非对称数字用户线） 以及光纤到户三部分。

  • 执行数字比特流和模拟信号流之间转换的设备称为调制解调器, 调制解调器是调制器和解调器的缩写。
  • 己部署的铜质本地回路限制了ADSL 和电话调制解调器的性能。为了让它们运行得更快，电话公司逐步升级本地回路，把光纤一路拉到家庭住宅和办公楼，这种改进结果就是所谓的光纤到户。

中继线和多路复用

电话网络中的中继线不仅比本地回路快得多，而且在其他两个方面与本地回路也有所不同。首先，电话网络核心传送的是数字信息而不是模拟信息，即传的是比特而不是声音。为了在长途中继线上传输数字形式，需要在端局对信号进行一次转换。其次，中继线上同时正进行着数以千计，甚至上百万的电话呼叫。这种多个电话共享一根中继线的方式对于实现规模经济非常重要，因为在两个电话端局之间安装和维护高带宽中继线所需要的基本开销和安装并维护一个低带宽中继线所需的费用差不多。高带宽中继线的共享可通过TDM和FDM 多路复用方法实现。

交换

站在普通电话工程师的角度，电话系统分为两个基本部分：局外部分（本地回路和中继线，因为从物理位置来看，看它们都位于交换局外部）和局内部分（交换机，它们在交换局内部）。

当前，电话系统中用到了两种不同的交换技术：电路交换和数据包交换。传统的电话系统基于电路交换技术，但随着IP 技术之上的语音通信兴起，数据包交换已经取得了长足的进步。

电路交换

  • （面向连接）电路交换是以电路连接为目的的交换方式，通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通道。一旦一个呼叫被建立起来，在两端之间的专用路径被建立就会持续到该次呼叫结束为止。
  • 电路交换的三个阶段：建立连接、通信、释放连接

包交换

  • （非连接）路由器采用存储-转发技术，把经过它的每个数据包（根据网络线路、包的目的地址等条件）发送到通往该包目的地的路径上，没有固定的路径每个包都可以都不同的路径，所以它们到达的顺序可能出现混乱。
  • 出现的问题：排队延迟（queuing delay）：数据包可能会因为存在很多包要被转发而需要等待一段时间才能到它被转发，还可能引起拥塞。

移动电话系统

移动电话系统可用于广域范围的语音通信和数据通信。移动电话有时称为蜂窝电话。它的发展已经历了三代，俗称1G、2G 和3G 每一代有不同
的技术：

  1. 模拟语音
  2. 数字语音
  3. 数字语音和数据

有线电视

前面学习了固定电话系统和无线电话系统。很明显，在将来的网络中，它们都将继续扮演着重要的角色。然而，在过去10 年间还出现了另一种可用于Internet 接
入的方法：即有线电视网络。

具体有关有线电视系统的信息，请参见原书。