上海交大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課件Chap2

第2章物理層傳輸介質(zhì)電話系統(tǒng)（PSTN）Internet的本地接入傳輸介質(zhì)雙絞線同軸電纜光纜無線傳輸雙絞線（twistedpair）線間干擾較小、價(jià)格便宜、易于安裝可傳輸模擬信號(hào)，也可傳輸數(shù)字信號(hào)

在電話系統(tǒng)的最后一公里，用于傳輸模擬信號(hào)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，用于傳輸數(shù)字信號(hào)，常用8芯無屏蔽雙絞線（UTP）通常的傳輸距離為100m如Cat3（10Mbps）和Cat5（100Mbps）

傳輸介質(zhì)雙絞線同軸電纜光纜無線傳輸同軸電纜50Ω同軸電纜50Ω同軸電纜用于數(shù)字信號(hào)傳輸，目前基本已被雙絞線所替代75Ω同軸電纜75Ω同軸電纜用于模擬信號(hào)傳輸，目前主要用于電視信號(hào)的傳輸由于75Ω同軸電纜的帶寬極寬，所以，也被用于城域網(wǎng)，如有線通常用的同軸電纜有兩種：傳輸介質(zhì)雙絞線同軸電纜光纜無線傳輸光纜多模光纜：信號(hào)通過光的折射在光纖中傳輸，距離2km單模光纜：直線傳輸，距離10km光傳輸系統(tǒng)包括：光源、傳輸介質(zhì)（光纖）、光檢測(cè)器光纜相對(duì)銅纜的特性帶寬高

距離遠(yuǎn)

損耗低重量輕無電磁干擾

防竊聽端口設(shè)備價(jià)格高傳輸介質(zhì)雙絞線同軸電纜光纜無線傳輸無線傳輸無線電傳輸微波傳輸紅外線和毫米波光波傳輸根據(jù)波長(zhǎng)分成不同的波段，依次為無線電、微波、紅外、可見光、紫外等

用于通信的電磁波頻段無線電波微波紅外線可見光紫外線X射線γ射線f(Hz)10010210410610810101012101410161018102010221024f(Hz)1041051061071081091010101110121013101410151016雙絞線TVFMAM同軸電纜微波通信衛(wèi)星通信光通信波長(zhǎng)30km

3km

30m

3m

30mm

3mm

30μm

3μmTnbmP101Fig.2-11用于通信的電磁波頻段地面無線通信模型傳輸距離：天線的高度、類型和信號(hào)強(qiáng)度傳輸可靠性：障礙物傳輸正確性：氣象條件衛(wèi)星通信模型VSAT：甚小孔徑衛(wèi)星終端verysmallaperturesatelliteterminals地面站地球同步衛(wèi)星36000km端到端單程270ms往返540ms地球同步衛(wèi)星VSAT中央站VSAT第2章物理層傳輸介質(zhì)電話系統(tǒng)（PSTN）Internet的本地接入電話系統(tǒng)（PSTN）公用電話交換網(wǎng)，簡(jiǎn)稱：PSTNPublicSwitchedTelephoneNetwork通常的計(jì)算機(jī)通過MODEM撥號(hào)上網(wǎng)，就是通過電話系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的誤碼率為10-12

，而電話系統(tǒng)的誤碼率為10-5，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的107倍綜合比較，相差11個(gè)數(shù)量級(jí)電話系統(tǒng)的樹狀結(jié)構(gòu)每部電話完全互聯(lián)是不可能的，所以一般為樹狀結(jié)構(gòu)一級(jí)中心：國(guó)家級(jí)中心二級(jí)中心：省、直轄市中心三級(jí)中心：區(qū)、縣級(jí)中心四級(jí)中心：區(qū)內(nèi)（本地）交換局電話系統(tǒng)的數(shù)字化趨勢(shì)與模擬傳輸相比，數(shù)字傳輸具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以電話系統(tǒng)數(shù)字化是發(fā)展趨勢(shì)電話系統(tǒng)由三部分組成：本地回路：雙絞線，模擬傳輸，1km~10km主干線：交換局間的光纜，數(shù)字傳輸交換局：交換設(shè)備，交換技術(shù)本地回路電話系統(tǒng)中的電話局間都已采用光纜連接，并大多已實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳輸本地回路要實(shí)現(xiàn)光纖到戶成本太高且無必要，因?yàn)榧彝ル娫捨阈鑿?fù)用，也不允許復(fù)用Internet是OVER在電話系統(tǒng)上的，所以必須實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，并且應(yīng)用對(duì)帶寬的需求必將對(duì)本地回路的信道復(fù)用提出要求Internet可通過本地回路的接入方法接入電話系統(tǒng)的數(shù)字化趨勢(shì)與模擬傳輸相比，數(shù)字傳輸具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以電話系統(tǒng)數(shù)字化是發(fā)展趨勢(shì)電話系統(tǒng)由三部分組成：本地回路：雙絞線，模擬傳輸，1km~10km主干線：交換局間的光纜，數(shù)字傳輸交換局：交換設(shè)備，交換技術(shù)主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用多路復(fù)用技術(shù)以提高線路的利用率PCM（PulseCodeModulation）脈沖編碼調(diào)制PCM由于數(shù)字傳輸?shù)拿黠@優(yōu)勢(shì)，所以，主干線都采用數(shù)字傳輸，于是終端用戶（如電話的語音信號(hào)）的模擬數(shù)據(jù)到達(dá)本地局后，都必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以適合主干線的傳輸PCM以采樣定理為基礎(chǔ)采樣定理：如果在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，以有效信號(hào)f(t)最高頻率的二倍或二倍以上的速率對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，則這些采樣值中包含了全部原始信號(hào)信息主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)以提高線路的利用率采樣和量化采樣速率：8000次/秒電話系統(tǒng)的歷史及其對(duì)整個(gè)世界的覆蓋決定了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)必須OVER在電話系統(tǒng)的承載網(wǎng)上根據(jù)人的聽覺功能，電話系統(tǒng)中每個(gè)信道的頻寬為4000Hz，根據(jù)Nyquist定理，對(duì)于4000Hz的信號(hào)，多于8000次/秒的采樣是無意義的采樣值的量化一次采樣值分成多少個(gè)等級(jí)，將決定量化后的數(shù)據(jù)量，如等分成256個(gè)等級(jí)，則必須用8bit表示采樣和量化舉例ABCDEFGHt256192128640ABCDEFGH188244240144807212220010111100

11110100

11110000

10010000

01010000

01001000

01111100

11001000

主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)以提高線路的利用率T1線路1.544Mb/sT1線路由24個(gè)多路復(fù)用信道組成每個(gè)信道采樣8000次/秒，每次采樣量化為7bit每個(gè)信道每次采樣生成7bit數(shù)據(jù)位加1bit控制位，即7b+1b即每個(gè)信道每秒生成56K+8K的傳輸速率24個(gè)多路復(fù)用信道的每次采樣組成一個(gè)幀，即每幀為：8bitx24=192bit，每幀間加一個(gè)bit，所以每幀為193bit193bitx8000次采樣/秒=1544000bit/s=1.544Mb/s北美、日本使用T1線路主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)以提高線路的利用率E1線路2.048Mb/sE1線路由32個(gè)多路復(fù)用信道組成每個(gè)信道采樣8000次/秒，每次采樣量化為8bit，其中包括用于信令的bit32個(gè)多路復(fù)用信道的每次采樣組成一個(gè)幀，即每幀為：8bitx32個(gè)信道=256bit256bitx8000次采樣/秒=2.048Mb/s歐洲、中國(guó)使用E1線路多個(gè)T1或E1線路的復(fù)用一次群：T1=1.544Mb/sE1=2.048Mb/s二次群：T2=T1x4+…=6.312Mb/sE2=E1x4+…=8.848Mb/s三次群：T3=T2x6+…=44.736Mb/sE3=E2x4+…=34.304Mb/s四次群：T4=T3x7+…=274.176Mb/sE4=E3x4+…=139.264Mb/s主干線PCM采樣和量化T1線路E1線路SONET和SDH主干線常采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)以提高線路的利用率SONET/SDHSONET（SynchronousOpticalNetwork） 同步光纖網(wǎng)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSIT1.105~106STS-1（SynchronousTransportSignal）同步傳送信號(hào)（電信號(hào)）OC-1（OpticalCarrier）光載波（光信號(hào)）

采用每125s送出一幀，每幀810B，即810路電話。因此基本速率為8bx810Bx8000次采樣/秒

=51.84Mb/sSDH（SynchronousDigitalHierarchy） 同步數(shù)字體系

CCITT推薦的標(biāo)準(zhǔn)STM-1（SynchronousTransportModule）同步傳送模塊

基本速率為155.52Mb/sSONET的OC級(jí)和STS級(jí)與SDH的STM級(jí)的比較在40Mb/s以下，北美的T1~T3和歐洲的E1~E3不同在更高速率的標(biāo)準(zhǔn)上，SONET和SDH基本相同線路速率(Mb/s)SONET（美）SDH（歐）OC級(jí)STS級(jí)STM級(jí)51.84OC-1STS-1155.52OC-3STS-3STM-1466.56OC-9STS-9STM-3622.08OC-12STS-12STM-4933.12OC-18STS-18STM-61244.16OC-24STS-24STM-81866.24OC-36STS-36STM-122488.32OC-48STS-48STM-169953.28OC-192STS-192STM-64TnbmP146

Fig.2-37SONET和SDH復(fù)用率電話系統(tǒng)的數(shù)字化趨勢(shì)與模擬傳輸相比，數(shù)字傳輸具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以電話系統(tǒng)數(shù)字化是發(fā)展趨勢(shì)電話系統(tǒng)由三部分組成：本地回路：雙絞線，模擬傳輸，1km~10km主干線：交換局間的光纜，數(shù)字傳輸交換局：交換設(shè)備，交換技術(shù)交換設(shè)備交叉點(diǎn)交換機(jī)空間分隔交換機(jī)時(shí)分交換機(jī)交叉點(diǎn)交換機(jī)縱橫制交換機(jī)（crossbar）0123456701234567交換設(shè)備交叉點(diǎn)交換機(jī)空間分隔交換機(jī)時(shí)分交換機(jī)空間分隔交換機(jī)可以理解為組交換nxknxknxknxkkxnkxnkxnkxnNNnnXNNnnXN/n個(gè)交叉條N/n個(gè)交叉條k個(gè)交叉條交換設(shè)備交叉點(diǎn)交換機(jī)空間分隔交換機(jī)時(shí)分交換機(jī)時(shí)分交換機(jī)核心是時(shí)隙互換器（timeslotinterchanger）計(jì)數(shù)器n個(gè)輸入時(shí)隙n條輸出線n條輸入線n個(gè)輸出時(shí)隙輸入幀輸出幀n個(gè)詞映射表n個(gè)k位的RAM緩沖時(shí)隙互換器71625540332617040123456747630521交換技術(shù)電路交換報(bào)文交換分組交換交換技術(shù)圖示報(bào)文t電路交換報(bào)文交換分組交換ABCDABCDABCD建立連接階段報(bào)文報(bào)文報(bào)文分組傳輸報(bào)文階段第2章物理層傳輸介質(zhì)電話系統(tǒng)（PSTN）Internet的本地接入Internet的本地接入撥號(hào)接入ADSL接入InternetoverCable撥號(hào)接入家庭主機(jī)撥號(hào)上網(wǎng)示意圖MODEM

調(diào)制解調(diào)器通過電話線路訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器使用調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)必須在某ISP注冊(cè)成為合法用戶服務(wù)器端采用DHCP協(xié)議，為接入者分配一個(gè)臨時(shí)的IP地址家庭主機(jī)撥號(hào)上網(wǎng)示意圖家庭主機(jī)通過撥號(hào)對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器的訪問不歸零制編碼的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（數(shù)字信號(hào)）：A、G經(jīng)MODEM調(diào)制后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（模擬信號(hào)）：B、F經(jīng)Codec編碼解碼后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（數(shù)字/模擬信號(hào)）：C、D、E、HISP1MODEMpoolMMMMMPCMTollofficeTollofficeTollofficeEndofficeLocalloop(Analog)(Twistedpair)Medium-bandwidthtrunk(Digital,fiber)CodecCodecHigh-bandwidthtrunk(digital,fiber)ISP2DigitallineTnbmP124Fig.2-23BCEAGHFD數(shù)據(jù)傳輸需考慮的問題任何傳輸介質(zhì)在傳輸信號(hào)時(shí)都伴隨著干擾（噪聲）和衰減噪聲有熱噪聲和隨機(jī)沖擊噪聲兩種衰減與信號(hào)的頻率有關(guān)，頻率越高衰減程度越大由于數(shù)字信號(hào)中包含著大量的高次諧波，所以基帶信號(hào)不適合作長(zhǎng)距離和高速的傳輸尤其應(yīng)關(guān)注在電話系統(tǒng)中使用的是頻分多路復(fù)用，人為地限制了每個(gè)信道的帶寬為4kHz撥號(hào)接入家庭主機(jī)撥號(hào)上網(wǎng)示意圖MODEM

調(diào)制解調(diào)器通過電話線路訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器使用調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)必須在某ISP注冊(cè)成為合法用戶服務(wù)器端采用DHCP協(xié)議，為接入者分配一個(gè)臨時(shí)的IP地址MODEM

調(diào)制解調(diào)器MODEM包括調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)功能調(diào)制方式有：調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相或是上述的組合常用的調(diào)制解調(diào)器接口有RS-232、RS-449調(diào)制解調(diào)器，簡(jiǎn)稱：MODEMMOdulationandDEModulationMODEM

調(diào)制解調(diào)器（續(xù)）載波：1000–2000Hz的正弦波使用某種技術(shù)，讓載波攜帶數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相，或其組合常用的協(xié)議V.32： 6(1)bx2400=14.4kbpsP129Fig.2-26(b)V.34： 12x2400=28.8kbps 14x2400=33.6kbpsV.90： 當(dāng)ISP為數(shù)字接入時(shí)，終端用戶上行速率為 33.6kbps，ISP的下行速率為56kbpsInternet的本地接入撥號(hào)接入ADSL接入InternetoverCableADSL接入DSL數(shù)字用戶線路ADSL的接入模型DMT離散多音調(diào)調(diào)制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineDSL數(shù)字用戶線路對(duì)稱線路：HDSL： 1.544~2.048Mbps，2/4對(duì)雙絞線，3~4kmSDSL： 1.544~2.048Mbps，1對(duì)雙絞線，3km非對(duì)稱線路：VDSL： 上行13~52Mbps，下行1.5~2.3Mbps 1對(duì)雙絞線，0.xxkmADSL： 上行64k~1Mbps，下行512k~8Mbps 1對(duì)雙絞線，3~5kmDSL：digitalsubscriberline使用常規(guī)的電話線路，本地局端的濾波器將限制帶寬為4kHz，但本地回路通常采用的是3類UTP，其實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4kHz如局端濾波器的限制策略為按需可調(diào)，則給定的帶寬可增加根據(jù)對(duì)上行、下行線路不同的帶寬需求有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)ADSL接入DSL數(shù)字用戶線路ADSL的接入模型DMT離散多音調(diào)調(diào)制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineADSL的接入模型Internet用戶側(cè)本地局Ethernet端口PC機(jī)濾波器用戶配線架局端濾波器交換機(jī)配線架程控交換機(jī)ADSLmodemATU-RATU-C：ADSLTransmissionUnit－CentralATU-R：ADSLTransmissionUnit－Remote

ADSLmodemATU-CABFGEDC采用曼切斯特編碼、攜帶了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)：A攜帶了語音數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)：C、E、F經(jīng)ADSLmodem調(diào)制后的、攜帶了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)：B、D、G多個(gè)信道，頻分多路復(fù)用ADSL接入DSL數(shù)字用戶線路ADSL的接入模型DMT離散多音調(diào)調(diào)制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineDMT離散多音調(diào)調(diào)制DMT：DiscreteMultiTonemodulation將本地回路的可用帶寬（約1.1MHz)分成256個(gè)4312.5Hz的獨(dú)立信道，信道0給傳統(tǒng)的電話，1~5保留，剩下的250個(gè)信道中一個(gè)給上行控制，一個(gè)給下行控制，其余全部用于數(shù)據(jù)傳輸，由提供者分配哪些給上行，哪些給下行TnbmP132Fig.2-28采用DMT調(diào)制的ADSL0123456789251252253254255VoiceUpstreamDownstream…………4312.5Hz常用的ADSL帶寬分配因?yàn)橛脩魧?duì)Internet的訪問是不對(duì)稱的，所以一般總是將80–90%的信道分配給下行，每個(gè)信道都是獨(dú)立調(diào)制的voice4k4k…4kUpstream64k256k…1MDownstream512k1M…8MInternet的本地接入撥號(hào)接入ADSL接入InternetoverCableInternetoverCable社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC中的頻譜分配CableMODEMADSL與HFC的比較InternetoverCable基于社區(qū)電視系統(tǒng)社區(qū)電視系統(tǒng)社區(qū)電視系統(tǒng)的特點(diǎn)覆蓋面很大，系統(tǒng)之間用光纜連接傳播單向電視信號(hào)的一個(gè)共享系統(tǒng)用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，帶寬可達(dá)750MHz作為Internet接入的可能性數(shù)據(jù)的雙向傳輸用戶端的CableMODEMInternetoverCable社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC中的頻譜分配CableMODEMADSL與HFC的比較InternetoverCable基于社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC：HybridFiberCoaxCoaxialcableTaphouseFibernodeFiberSwitchHeadEndHighbandwidthfibertrunkTnbmP171Fig.2-47(a)混合光纖電纜系統(tǒng)InternetoverCable社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC中的頻譜分配CableMODEMADSL與HFC的比較InternetoverCable基于社區(qū)電視系統(tǒng)DownstreamDataHFC中的頻譜分配HFC保留了原有的TV及FM的廣播功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的非對(duì)稱雙向傳輸，以作為Internet的接入U(xiǎn)pstreamDataFMTV∥

TV∥

5425488108550750MHz42~54M頻段保留，凡高于此頻段的都是下行信號(hào)，低于此段頻的都是上行信號(hào)，其實(shí)，此頻段是一隔離帶HFC中的頻譜分配每個(gè)下行信道占用6~8MHz用模擬方式傳輸，常用的調(diào)制方法是QAM-64，對(duì)質(zhì)量特別好的信道也可用QAM-256對(duì)6MHz信道，可用的數(shù)據(jù)傳輸率為36Mbps，去掉一些額外開銷，一般為27Mbps上行信道質(zhì)量較差，一般用QPSK攜帶2位信息InternetoverCable社區(qū)電視系統(tǒng)HFC混合光纖電纜系統(tǒng)HFC中的頻譜分配CableMODEMADSL與HFC的比較InternetoverCable基于社區(qū)電視系統(tǒng)CableMODEMCableMODEM與計(jì)算機(jī)的接口為Ethernet在一個(gè)Headend管理下的、并由Cable連接的、所有計(jì)算機(jī)組成的是一個(gè)共享網(wǎng)絡(luò)共享站點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送不能采用CSMA/CD協(xié)議，因?yàn)檎军c(diǎn)無法對(duì)介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)CableMODEM的初始化PowerOn或Reset后，MODEM將監(jiān)測(cè)下行數(shù)據(jù)流中由headend為新站點(diǎn)提供的系統(tǒng)參數(shù)，并通過某一上行信道宣布它的存在Headend為新站點(diǎn)分配上行和下行信道（以后可能會(huì)調(diào)整）并通知（新站點(diǎn)的）MODEMMODEM發(fā)送一特殊