计算机网络

参考书目：《计算机网络（第7版）》：谢希仁——电子工业出版社 《精通Windows Sockets网络开发--基于Visual C++实现》：孙海民——人民邮电出版社

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一、基本概念

物理层概念
       物理层不是物理媒体(传输媒体)，传输媒体位于物理层之下。
物理层的作用
       透明传输比特流
物理层的任务

• 确定与传输媒体的接口相关的特性
  • 机械特性
  • 电气特性
  • 功能特性
  • 过程特性
• 传输方式转换：串<–>并

数据通信系统模型

相关术语和概念

• 数据(data)——运送消息的实体或对消息的符号表示

• 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现

• 模拟信号(analogous signal)

  • 代表消息的信号在时间域和幅度(取值)上是连续的
    

• 数字信号(digital signal)

  • 代表消息的信号在时间域和幅度(取值)上离散的
  • 取值仅允许为几个离散数值
    

• 码元(code)——时间轴上的信号编码单元，代表不同离散数值的基本波形

通信方式

• 信道：信号的通道
  • 狭义：向某一方向传送信号的物理媒体，包括发送和接收信道
  • 广义：信号经过的整个途径，包括传输介质与通信设备
• 按通信双方是否可以同时传输数据
  • 单向通信（单工通信）——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）——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）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

同步

• 通信过程，收发双方在时间上保持步调一致
  • 异步传输：把各个字符分开传输，字符与字符之间插入同步信息。这种方式也叫起止式，即在组成一个字符的所有位前后分别插入起始位和终止位。
  • 同步传输：在发送数据之前先发送一串同步字符SYN（编码为0010110），接收方只要检测到两个以上的SYN字符，就可以确认已进入同步状态，准备接收数据。

调制

• 基带调制（基带信号——来自信源的信号）
• 带通调制（带通信号——即仅在一段频率范围内能够通过信道）

基本调制方法

• 载波：调制以前的高频信号
  • 振幅，频率，相位三个参数均可按声音，音乐或图象信号等进行变化，即可进行调制，使高频信号附带上基带数字信息。
• 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)
  • 载波的初始相位随基带数字信号而变化。

二、传输媒体

传输媒体
       数据通信系统中发送器与接收器之间的物理通路

• 导向传输媒体
  • 双绞线
    • 屏蔽双绞线STP
    • 无屏蔽双绞线 UTP
  • 同轴电缆
    • 50欧姆同轴电缆
    • 75欧姆同轴电缆
  • 光缆
• 非导向传输媒体
  • 无线传输所使用的频段很广。
  • 短波(高频)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(超高频)在空间主要是直线传播。
    • 地面微波接力通信
    • 卫星通信

三、信道复用技术

复用
       多个用户共享公用信道的一种机制

• 频分复用（FDM）

  • 传输频带分成N部分，每个用户分配到其中的一个频带。
  • 每个用户在通信过程中自始至终占用同一频带。
  • 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

• 时分复用（TDM）

  • 将一个传输通道按时间进行分割。

  • 时分复用帧（TDM 帧），每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。

  • 时分复用的所有用户是在不同的时间完全地占用同样的频带宽度。

  • 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）

    注：时分复用可能会造成线路资源的浪费
    1.分配给每个用户的时隙是固定的，即使当时没有数据发送，也不能供其他用户使用，时隙数=用户数
    2.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
    

• 统计时分复用（STDM）
  

• 码分复用（CDM）

  • 码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)
  • 码片(chip)：将一个比特时间划分为 m 个短的间隔
    • 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
    • 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
    • S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
  • 很强的抗干扰能力

四、数字传输系统

       数字传输系统脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
PCM转换过程
       模拟信号——>数字信号

• 采样——>量化——>编码
• 采样频率：8KHz；采样周期：125us

PCM的不足

• 速率标准不统一
• 不是同步传输

五、宽带接入技术

宽带接入技术概念

• 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
• 0~4 kHz 低端频谱–传统电话使用
• 原来没有被利用的高端频谱4k-1.1MHz–上网
• 数字用户线DSL(Digital Subscriber Line)
  • xDSL表示在数字用户线上实现的不同宽带方案

xDSL 的几种类型

• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线。
• RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率。
• HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线。
• SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线。
• VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线。
• DSL ：使用ISDN的综合业务数字用户线。

ADSL 的特点

• 上行和下行带宽不对称的
  • 上行：从用户到 ISP
  • 下行：指从 ISP 到用户
• ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
• 离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术
  • “多载波”或“多子信道”—频分复用
  • 4k-1.1MHz：上行25个信道;下行249个信道

ADSL 的数据率

• 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。
  • 当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
• ADSL 不能保证固定的数据率
  • 通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。

ADSL 的组成

• 数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)
• 接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)
• ATU-C（C 代表端局 Central Office）
• ATU-R（R 代表远端 Remote）
• 电话分离器 PS (POTS Splitter)

光纤同轴混合网HFC

• 基于有线电视网 CATV
  • 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。
• CATV 网
  • 树形拓扑结构的同轴电缆网络
  • 模拟技术
  • 频分复用
  • 对电视节目进行单向传输
• HFC 网需要对 CATV 网进行改造
  • 将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，使用模拟光纤技术。
  • 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM。
  • 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution 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 网采用结点体系结构

• HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能。
• 每个家庭要安装一个用户接口盒UIB (User Interface Box
  • 使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。
  • 使用双绞线连接到用户的电话机。
  • 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

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。
  • 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。