计网学习笔记（2）——物理层

Note of the Computer Networking

Reference ：Data Communications and Networking （Forth Edition）

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Chapter 3 数字与信号

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带宽

符合信号包含的频率范围称为带宽（bandwidth）。带宽是最大频率和最小频率的差值

比特率

​ 大多数数字信号都是非周期性的，这样周期和频率就不再适用。另一个术语——比特率(而不是频率)用来描述数字信号。比特率(bit rate)是1秒中发送的位数，以每秒位(bits per second,bps）表示。图3.16表示了两个信号的比特率。

例：假定我们需要每分钟100页的速率下载文本文档。所需的通道比特率是多少?

解：

​ 一页平均24行，每一行80个字符。如果我们假定每个字符需要8位，比特率

$bitrate=(100\times 24\times 80\times 8)/60=(1636000)/60bps=256kbps$

基带传输

基带传输就是通过通道发送数字信号，该信号不转换成模拟信号。

只能使用低通通道

例：如果我们需要使用基带传输发送1Mbps,那么低通通道所需的带宽是多少?

解:

• 最小带宽、大致近似，是B=比特率/2，即500kHz。我们需要0到500kHz范围频率的低通通道。
• 使用第一和第三谐波可以得到更好的结果，所需带宽是B=3×500kHz=1.5MHz。
• 使用第一、第三和第五谐波仍然可以得到更好的结果，所需带宽是B=5×500kHz =2.5Mhz

宽带传输

宽带传输或调制就是把数字信号转换成模拟信号传输。调制允许我们使用带通通道。

传输减损

衰减

​ 衰减（attenuation)意味着能量的损失。当某种简单或者复合的信号通过某种介质传输时，它会失去一些能量用于克服介质的阻抗。这就是为什么传输电信号的电缆会变热的原因，如果不热，过一段时间也会发热。信号中的一些电能转换为热能。为了补偿能量损失，用放大器放大信号。图3.26说明了衰减与放大的效果。

分贝（dB）用于计算两种信号之间或同一信号两个不同位置之间的相对强弱。若信号衰减，分贝为负值；信号增强，分贝为正值。

$dB=10{\log }_{10}\frac{P_1}{P_2}$

两个例子：

失真

​ 失真 (distortion)意味着信号改变了形态或形状。失真产生在由不同频率成分组成的复合信号当中。每一种信号成分在通过介质时有自己的传播速度，所以到达最终目的节点时有各自的延迟。如果延迟与周期时间不完全一致，那么延迟的差异就会产生相位的差异。换言之，接收方的信号成分与发送方的信号成分存在相位差异。因此复合信号的形状会不一样。图3.28说明了复合信号中失真的影啊。

噪声

​ 噪声(noise)是另一个减损原因。有儿种类型的噪声，如热噪声、感应噪声、串扰和脉冲噪声，都会损害信号。热噪声是电缆中的电子随机移动而产生的额外信号，而不是信号发送装置发送的。感应噪声的来源是发动机和设备。这些设备工作时相当于发射天线，而传输介质成为接收天线。串扰则是电缆之间的互相影响。一根电缆作为发射天线而另一根电缆作为接收天线。脉冲噪声是一种尖峰信号(在非常短时间内有很高能量的一种信号)，来自输电线、闪电等。图3.29说明了信号中噪声的影响。

信噪比（SNR）

定义：

​ $SNR=\frac{\mathrm{平}\mathrm{均}\mathrm{功}\mathrm{率}\mathrm{功}\mathrm{率}}{\mathrm{平}\mathrm{均}\mathrm{噪}\mathrm{声}\mathrm{功}\mathrm{率}}$

较高的SNR意味着较少的信号被噪声破坏；较低的SNR意味着较多的信号被噪声破坏。

因为SNR是两个功率的比率，所以一般用分贝描述。$SN{R}_{dB}$定义如下：

​ $SN{R}_{dB}=10{\log }_{10}SNR$

例：

数据速率限制

无噪声通道：奈奎斯特比特率

对于无噪声通道，奈奎斯特比特率（Nyquist bit rate）定义了理论上的最大比特率：

​ $\mathrm{比}\mathrm{特}\mathrm{率}=2\ast \mathrm{带}\mathrm{宽}\ast {\log }_{2}L$

公式中，L指的是数据的信号电平数量。

例：

有噪声通道：香农容量定理

实际情况中，不可能有无噪声通道，通道总是有噪声的。香农容量定理可以确定噪声通道理论上的最高数据速率。

​ $\mathrm{比}\mathrm{特}\mathrm{率}=\mathrm{带}\mathrm{宽}\ast {\log }_2(1+SNR)\ast$

例：

实际操作中，当SNR很大时，假定SNR+1和SNR相等，那么通道容量可以简化为

​ $C=B\ast \frac{SN{R}_{dB}}{3}$

性能

吞吐量

吞吐量（throughput）用于衡量通过网络发送数据的快慢。带宽是链路的潜在衡量值，而吞吐量是发送速度快慢的衡量值。

一条链路可以拥有$Bbps$的带宽，但是我们只能通过这条链路发送$Tbps$，$T$永远小于$B$。

延迟

• 传播时间（propagation time）
  • $\mathrm{传}\mathrm{播}\mathrm{时}\mathrm{间}=\mathrm{距}\mathrm{离}/\mathrm{传}\mathrm{播}\mathrm{速}\mathrm{度}$
  • 
• 传输时间（transmission time）
  • $\mathrm{传}\mathrm{输}\mathrm{时}\mathrm{间}=\mathrm{报}\mathrm{文}\mathrm{长}\mathrm{度}/\mathrm{带}\mathrm{宽}$
  • 
• 排队时间（queuing time）
  • 排队时间，即每个中间或端设备在处理报文前保持报文所需的时间。排队时间不是固定因素，它会根据网络负载改变。当网络上负载较重时，排队时间增长。一个中间设备（比如路由器）对到达报文进行排队然后一个接一个处理。如果有许多报文，每个报文就不得不等待。
• 处理延迟（processing delay）

带宽和延迟的乘积

抖动

另一个与延迟有关的性能问题是抖动(jitter)。如果数据的不同分组碰到不同的延迟并且接收方使用数据的应用是时间敏感的（例如音频和视频数据)，我们可以大致说抖动是个问题。如果第一个分组的延迟是20ms，第二个是45ms，第三个是40ms，那么使用这些分组的实时应用会遭遇抖动。

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Chapter 4 数字传输

线路编码

​ 线路编码(line coding)是将数字数据转换为数字信号的过程。假定以文本、数字、图形图像、音频或视频为形式的数据在计算机内存中都是以位序列形式保存的(见第1章)。线路编码将位序列转换为数字信号。在发送方，数字数据被编码成数字信号，在接收方，解码数字信号重新生成原数字数据。图4.1说明了这个过程。

信号元素与数据元素

​ 数据元素是表示一块信息的最小实体，即位。

​ 信号元素是数字信号中的最小单元。

​ 我们定义比率r为每个信号元素承载的数据元素的数量。

将信号元素类比为车，数据元素类比为乘客，那么r代表每辆车的载客量。

数据速率和信号速率

​ 数据速率(data rate)定义了1秒发送的数据元素(位)的数量,单位是每秒位(bps)。

​ 信号速率（signal rate)是1秒发送的信号元素的数量，单位是波特(baud)。

​ 数据速率有时称为比特率(bit rate)，信号速率有时称为脉冲速率(pulse rate)、调制速率(modulation rate)或波特率(baud rate)。

​ 数据速率N和信号速率S的关系公式化为：

​ $S=c\ast N\ast \frac{1}{r}$

​ 这里N是数据速率(bps)，c是情形因子，会根据每种情形改变,S是信号元素数量，而r是前面定义的因子。

带宽

​ 可以说是波特率而不是比特率决定了数字信号的带宽。如果我们使用运输作为类比，是车辆数量影响了交通，而不是运输的人数。信号中更多的变化意味着在信号中插入了更多的频率。带宽影响了我们所需的频率范围。波特率（信号速率）和带宽之间是有关系的。带宽是一个复杂的概念。当我们讲到带宽，我们通常定义为频率范围。我们需要知道这个范围位于哪里以及最低频率和最高频率的值。另外，每个成分的振幅（如果不是振幅就是相位）是个重要问题。换言之，我们需要有关带宽的更多信息而不仅仅是它的值，我们需要带宽的图表。我们会说明本章中讨论的大多数方案的带宽。这里我们说带宽（频率范围）与信号速率(波特率)成正比。最小带宽可以如下给出:

$B_{min}=c\ast N\ast \frac{1}{r}$

如果给出通道带宽，可以求出最大速率为：

$N_{max}=\frac{1}{c}\ast B\ast r$

例题：

基线偏移

​ 在解码数字信号时，接收方计算接收到信号功率的运行平均值，称为基线（baseline)。输入信号的功率会与基线比较来确定数据元素的值。一个0或1的长字符串会引起基线偏移(baseline wandering)，使得接收方不能正确地进行解码。一个好的线路编码方案需要防止基线偏移。

直流成分

​ 当数字信号中的电平保持一段时间的恒定时，频谱会产生很低的频率（傅里叶分析的结果)。这些接近于零的频率称为DC(直流)成分，会给不允许通过低频率的系统或者使用电子耦合的系统（如变压器）带来问题。例如，电话线不能通过低于200Hz的频率。还有，长距离的链路可能使用一个或多个变压器来隔离线路的不同部分。对于这些系统，我们使用无直流成分(DC component)的方案。

自同步

​ 自同步(self-synchronizing)数字信号在传输的数据中包含有定时信息。如果信号中包含有提示接收方起始、中间和结束位置的脉冲的跳变就可以完成自同步。如果接收方的时钟不同步,这些提示跳变就会将接收方的时钟复位。

内置差错检测

​ 在产生的代码中拥有内置差错检测能力来检测传输过程中发生的一些差错是需要的。

抗噪声和抗干扰的能力

​ 另一个需要的编码特性是编码应具有抗噪声和抗干扰能力。

复杂性

​ 复杂的方案比简单的方案实现起来成本更高。例如，使用4个信号电平的方案比只使用2个电平的方案更难。

线路编码方案

线路编码方案机制大致分为五大类

单级

不归零（NRZ）

​ 不归零(（NRZ)一般，单级编码方案设计成不归零(non-return-to-zero，NRZ)方案，在此方案中正电平定义成位1而零电平定义成位0。之所以称为NRZ,是因为在位中间信号不会回到零。图4.5说明了单级NRZ方案。

极性编码方案

极性NRZ（polar NRZ）

​ 极性NRZ有两种常见形式:NRZ-L和NRZ-I,如图4.6所示。图中也说明了r值、平均波特率和带宽。

第一种形式NRZ-L (NRZ电平编码，NRZ-Level)，信号电平决定了位值。

• 0 = 高电平
• 1 = 低电平

第二种形式NRZ-I (NRZ反相编码，NRZ-Invert),信号电平是否反相转或跳变决定了位值。如果没有跳变，位值是0，如果有跳变，位值是1。

• 0 = 在间隔的起始位置没有跳变
• 1 = 在间隔的起始位置有跳变

	NRZ-L	NRZ-I
基线偏移	若有全1或全0序列则会出现基线偏移问题	仅全0序列会出现基线偏移问题
同步	全0和全1序列都会引起同步问题	仅全0序列引起同步问题
信号速率	平均信号速率：N/2	平均信号速率：N/2
直流成分	存在直流成分问题	存在直流成分问题

双相编码：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码

​ RZ的思想（位中间跳变）和NRZ-L的思想共同组成了曼彻斯特（Manchester）编码方案。

• 0 = 下
• 1 = 上

在曼彻斯特编码中，位的持续时间被二等分。在前半部分电平保持一个水平，后半部分变成另一个水平。位中间的跳变提供了同步。

另一方面，差分曼彻斯特(Differential Manchester)组合了RZ和NRZ-I的思想。在位中间总是有一个跳变，但是位值在位开始时确定。如果下一个位是0，就有一个跳变。如果下一个位是1,则没有跳变。

• 间隔中间总有一个跳变

• 0 = 间隔的起始位置有跳变

• 1 = 间隔的起始位置没有跳变

​ 曼彻斯特编码方案克服了NRZ-L编码的一些问题，差分曼彻斯特编码方案克服了NRZ-I编码的一些问题。首先，没有基线偏移。因为每个位是正负电平值，所以没有DC成分。唯一的缺点是信号速率。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的信号速率是NRZ的两倍。原因是每个位中间都有一个跳变，而在每个位结束可能有一个跳变。图4.8说明了曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码方案。注意曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码方案也称为两相(biphase)方案。

双极性方案

​ 在双极(bipolar)编码中，有三个电平:正值、负值和零。一个数据元素的电平是0，而另一个数据元素的电平在正值、负值间交替。

AMI和伪三元码

​ 下图显示了双极编码的两种编码:AMI和伪三元编码。

一个常用的双极编码方案称为双极交替传号反转（alternate mark inversion， AMI)。在AMI中，传号这个名词来自电报，它指的是1。因此，AMI表示的含义是交替的1的反换。中值0电平表示二进制0，而二进制1由交替正负电平表示。

• 0 = 零电平
• 1交替互换

AMI编码的一个变型是伪三元编码(pseudoternary)，位1编码成0电平,而位0编码成交替正负电平。

• 1 = 零电平
• 0 交替互换

​ 双极型方案是NRZ的替代方案。双极型方案的信号速率和NRZ一样，但是没有DC成分。NRZ方案中很大部分能量集中于频率0附近，如果通道这个频率附近性能较差，这类编码是不适合的。在双极编码中能量集中于频率N/2处。图4.9说明了双极方案的典型能量集中。

​ 有人可能会问为什么在双极编码中没有DC成分?理论上，我们可以通过使用傅里叶变换来回答这个问题，但也可以直观地说明。如果有一串1的长序列，电平在正值和负值间交替,它不是常数。所以没有DC成分。对于一串0的长序列，电平保持常数，但是它的振幅是0，同样也没有DC成分。换言之,产生恒定0电平的序列不会有DC成分。

​ AMI通常用于长距离通信，但是当数据中存在0的长序列时就会有同步问题。

多电平方案

​ 增加数据速度或者降低所需带宽的需求导致了很多方案的产生。目标是通过把m个数据元素的模式编码成n个信号元素的模式，增加每波特的位数。

​ 编码设计者以mBnL区分这些编码类型，这里m是二进制模式的长度，B表示二进制数据,n是信号模式的长度，L是信号中的电平数。一般用字母L替换:L= 2是用B表示(二元)、L=3时用T(三元)、L= 4时用Q(四元)。注意前两个字母定义了数据模式，后两个字母定义了信号模式。

2B1Q

​ 2B1Q我们讨论的第一个mBnL方案，两个二元一个四元(two binary，one quaternary ,2B1Q)使用长度为2的2位数据模式编码成一个4电平信号元素。在这个编码类型中，m=2,n=1、L=4。图4.10显示了2B1Q的一个例子。

​ 2B1Q的平均信号速率是S=N/4。这意味着是用2B1Q发送数据可以比NRZ-L快2倍。但是，2B1Q使用4个不同的信号电平，意味着接收方需要辨别4个不同的阈值。降低的带宽带来了成本的提高。因为2^2=4,所以这个方案中没有多余的信号模式。

8B6T

​ 8B6T一个很有趣的方案是8个二元、6个三元(eight binary，six ternary,8B6T)。这个编码用于100BASE-4T电缆。这个方案是把8位模式编码成6个信号元素模式，每个信号有3个电平(三元的)。我们可以有$2^8=256$个不同的数据模式和$3^6=478$个不同的信号模式。附录D给出了映射表。有478-256=222个冗余的信号元素用来提供同步和差错检测。其中一部分还用来提供DC平衡。每个信号模式有0或+1的DC值的平衡量。这意味着没有平衡量为-1值的模式。为了DC整个流实现DC-平衡，发送方必须关注平衡量。如果两个平衡量为+1的组紧接着，第一个组保持原状发送，而接着的第二个组全部取反使得平衡量为-1。

4D-PAM5

​ 4D-PAM5 我们在这个类别中讨论的最后一个信号方案称为4维5级脉冲振幅调制(four-dimensional five-level pulse amplitude modulation，4D-PAM5)。4D表示数据同时通过4条线路发送。它使用5个电平:-2、-1、0、1和2。但是电平0只用于发送差错检测(在第10章讨论)。如果假定编码是一维的，4个电平产生类似于8B4Q方案的编码。换言之，一个8位码字转换成一个4电平的信号元素。这个假想一维版本的最差信号速率是N×4/8或N/2。

​ 设计4D-PAM5技术用来通过4个通道（4条线路）发送数据。这意味着信号速率可以降低到N/8，大幅度的改进。所有8个位会同时进入一条线路通过使用1个信号元素发送。关键点在于4个信号元素组成1个信号组，并通过四维环境同时发送。图4.12给出了假想的一维和实际的四维实现。吉位LAN是用这个技术来通过4条铜线电缆（能处理125Mbd）发送1Gbps数据。这个方案的信号模式有很大的冗余，因为$2^8$个数据模式匹配$4^4=256$个信号模式。额外的信号模式可以用于诸如差错检测等其他目的。

多线路传输 MLT-3

这部分好多好烦，开摆了😭😭😭

小结

类别	方案	带宽（平均）	特性
单极	NRZ	B=N/2	成本高,0或1的长序列没有自同步,DC
极性	NRZ-L	B=N/2	全0或全1的长序列没有自同步，DC
	NRZ-I	B=N/2	全0的长序列没有自同步,DC
	双相	B=N	自同步,没有DC,高带宽
双极	AMI	B=N/2	全0的长序列没有自同步，DC
多电平	2B1Q	B=N/4	相同双位的长序列没有自同步
	8B6T	B=3N/4	自同步,没有DC
	4D-PAM5	B=N/8	自同步,没有DC
多线路	MLT-3	B=N/3	全0的长序列没有自同步

脉冲码调制 PCM

先这样吧，小摆两天

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Chapter 5 模拟传输

数字到模拟的转化

​ 数字到模拟转换(digital-to-analog conversion)是指根据数字数据中的信息而改变模拟信号的某种特性的过程。图5.1说明了数字信息、数模调制过程和最终模拟信号之间的关系。

四种方式：

• 幅移键控（ASK）
• 频移键控（FSK）
• 相移键控 (PSK)
• 正交振幅调制(QAM)

比特率和波特率

​ $S=N\ast \frac{1}{r}\mathrm{波}\mathrm{特}$

这里N是数据速率 (bps)，r是一个信号元素携带的数据元素个数。模拟传输中r值为$r=lo{g}_{2}L$，这里L是信号元素类型，而不是电平个数。

例：

频移键控（ASK）

在幅移键控方式中，通过改变载波信号的振幅来生成信号元素。只有振幅变化而频率和相位保持不变。

二进制ASK（BASK）

ASK带宽

虽然承载信号只是一个简单正弦波，但调制处理后产生一个非周期性复合信号。正如第3章讨论的，这个信号有一个连续频谱。正如我们期望的，带宽与信号速率（波特率）成正比。但是，通常涉及另一个因子称为d，它取决于调制和过滤处理。d值在0和1之间。这意味着能用如下公式表示带宽。

​ $B=(1+d)\ast S$

例：

多电平ASK

频移键控（FSK）

二进制FSK (BFSK)

理解二进制FSK(或BFSK)的一个方法是考虑两个载波频率。在图5.6中，已经选择了两个载波频率:f和f。如果数据元素是0，使用第一个载波，如果数据元素是1则使用第二个载波。注意:这是只用于说明而不是实际的例子。通常这两个载波频率很高，它们的差很小。

BFSK带宽

图5.6还给出了FSK的带宽。两个载波信号还是简单正弦波，但是调制产生一个具有连续频谱的非周期复合信号。我们可以把FSK看做两个ASK信号，每一个有自己的载波频率（$f_1$或$f_2$)。如果两个频率的差是$2\mathrm{\Delta }f$，那么BFSK要求的带宽是 $B=(1+d)\ast S+2\mathrm{\Delta }f$

相移键控（PSK）

二进制PSK(BPSK)

最简单的PSK是BPSK，只用两个信号元素。一个相位是0°，一个相位是180°。二进制PSK和二进制ASK一样简单，但是PSK比起ASK不易受噪声影响。在ASK中，位检测的标准是信号振幅;在PSK中则是相位。换句话说，PSK比ASK更不易受噪声影响。PSK优于FSK是因为不需要两个载波信号。

带宽

​ 图5.9还说明了BPSK的带宽。这个带宽和二进制ASK一样，但比BFSK少。没有浪费带宽用来分离成两个载波信号。

实现

​ BPSK的实现和ASK一样简单。原因是相位为180*的信号元素可以看成是相位为0°的信号元素的互补波形（基于时间轴对称)。这为如何实现BPSK提供了线索。我们使用用于ASK相同的想法，但这里是极性NRZ信号而不是单极NRZ信号，如图5.10所示。极性NRZ信号乘以载波频率。位1(正电平)表示成相位从0°开始，位0(负电平)表示成相位从180°开始。

正交PSK(QPSK)

​ BPSK的简单性促使设计者在每个信号元素中一次使用2位，因此减小了波特率和所需带宽。这个方案称为正交PSK或QPSK，因为它使用两个独立的BPSK调制;一个是同相的，另一个是正交的(异相)。进入的2个位先经过串行到并行的转换，它发送一个位给一个调制器，发送下一个位给另一个调制器。如果进入信号中的每个位的持续时间是T，发送相应BPSK信号的每个位持续时间就是2T。这意味着每个BPSK信号中位的频率是原始信号的一半。图5.11说明了这个概念。

​ 由每个乘法器产生各自的复合信号是频率相同，但相位不同的正弦波。当这两个复合信号相加时，其结果是另一个正弦波，相位可能是45°、-45°、135°和-135°中之一。输出信号有4种信号元素(L=4)，使得每个信号元素可以发送2位 （r=2)。

星座图

ASK FSK PSK的星座图

模拟信号调制

• 调幅（AM）
• 调频（FM）
• 调相（PM）

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Chapter 6 带宽利用

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只要连接两台设备的介质带宽比设备间传输的要求的带宽高时，该链路就可以被共享。

复用

​ 在复用的系统中，n条线路共享一条链路的带宽。图6.1说明了复用系统的基本形式。左侧的4条线路将它们的传输流量送到复用器（multiplexer,MUX)，复用器将这些流量组成一个单独的传输流（多对一)。在接收端，这个传输流量被分离器(demultiplexer，DEMUX)接收，并分解成原来几个独立的传输流(一对多)，并直接发送到对应的线路上。图6.1中的链路(link)一词是指的是物理通路。通道(channel)一词是指在给定一对设备之间传送传输信号的链路的那部分。一条链路可能有多个(n)通道。

​ 信号可以通过三种基本技术进行多路复用:频分复用，波分复用和时分复用。前两种技术用于模拟信号，第三种技术用干数字信号

频分复用(frequency-division multiplexing ,FDM)

​ 频分复用(FDM)是一种模拟技术,在链路带宽(以Hz为单位)大于要传输的信号的带宽之和时采用。在FDM中,每个发送设备生成的信号用于调制不同的载波频率。调制后的信号再被合并为一个可以通过链路传输的复合信号。载波频率之间的频率差必须能够容纳调制信号的带宽。

可以大概理解为高速公路分好几条路供多个车道一起同行。

波分复用 (wave-division multiplexing,WDM）

​ 波分复用 （ Wavelength-division multiplexing，WDM)用于具有高数据速率传输能力的光缆。光缆的数据速率比金属传输介质的数据速率高。将光缆用作单一线路浪费了可用带宽。复用允许将多条线路连接为一条线路。

时分复用(time-divisionmultiplexing，TDM)

同步时分复用 （*）

​ 时分复用(time-division multiplexing，TDM)是一个数字化过程，它允许多个连接共享一条高带宽链路，与FDM共享一部分带宽不同的是，TDM是在时间上共享，每个连接占用链路的一个时间段。图6.12给出了TDM的示意图。注意:同一条链路都用于FDM,但是这里表示的链路分割是时间上而不是频率上的。在时分复用图中，信号1、2、3和4依次占用链路。

时隙和帧

​ 在同步TDM中，每个输入连接的数据流被划分为多个单元，其中每个输人占用一个输入时隙。一个单元可以是一位，一个字符或一个数据块。每个输入单元成为一个输出单元，占用一个输出时隙。然而，每个输出单元的持续时间是输入单元持续时间的n分之一。如果输入时隙是T秒，则输出时隙是T/n秒，其中n是连接数。换言之，输出连接单元具有较短的持续时隙，输出速率更快。图6.13显示了 同步TDM一个实例,其中n为3。在同步TDM中，每个输入连接的全部数据单元组成一个帧(不久我们将会看到其理由)。如果有n条连接线，则一帧划分成n个时隙，一个时隙分配给每个单元。如果输入单元持续T秒，则每个时隙持续时间是T/n，而每个帧持续时间是T (除非帧携带其他信息，这不久我们将会看到)。

​ 输出的链路的数据速率必须是单个连接的数据速率的n倍，以确保数据流动。在图6.13中,链路数据速率是一条连接的数据速率的3倍。同样，一条连接中的一个单元的持续时间是时隙(链路中一个单元的持续时间)的3倍。图中，将复用之前的数据表示为复用后数据大小的3倍。这只是表达一种思想，即每个单元在复用之前的持续时间是复用后的3倍。

同步TDM中，链路速率是数据速率的n倍，并且比单元持续时间短n倍

例：

交替

​ TDM可以看作是两个快速旋转的开关，一个位于复用一侧，另一个位于信号分离一侧。两个开关是同步的，以相同的速度旋转，但是方向相反。在复用一侧，当开关在一个连接前打开时，连接即有机会向通路上发送一个单元。这个过程称为交替(interleaving)。在信号分离一侧，当开关在某个连接前打开时，连接即有机会从通路中接收一个单元。

​ 图6.15画出了图6.13所示连接的交替过程。图中暂时不考虑切换，假定来自复用器一端的第一个连接的数据传输到信号分离器―端的第一个连接中。

例：

复用器用2位的时隙合并4个100kbps的通道。试画出任意4种输入的输出结果。帧速率、帧持续时间、比特率、位持续时间是多少？

个人浅薄理解：
复用过程中有四个通道，所以相当于把比特率提高了四倍，所以比特率为400kbps。一个帧是8位，即帧速率是50kbps。

数据速率管理

• 多级复用

  • 当一条输入数据线的数据速率是其他一些输入数据线数据速率的整倍数时
  • 

• 多时隙复用

  • 有时在一个帧中允许对一条输入线分配多个时隙更为有效率。
  • 

• 脉冲填充

  • 脉冲填充有时源输入线的比特率不是其他每个输入线比特率的整数倍，上面两种技术都不能使用，此时解决办法是选取输入线最高速率作为主要速率，然后将所有低速率的输入线添加虚位。这种技术称为脉冲填充，或位填充。
  • 

数字信号服务（DS）

​ 电话公司通过一种数字信号的层次结构实现TDM，称为数字信号(digital signal,DS)服务或数字层次结构(digital hierarchy)。图6.23说明了每一级支持的数据速率。

• DS-0服务是64kbps的单一数字通道。
• DS-1是一种1.544Mbps的服务。1.544Mbps是24×64kbps加上8kbps的开销得到的。可以用做单一的1.544Mbps传输服务，或者作为24个64kbps通道的多路复用，或者用户需要时,还可以用于适合于1.544Mbps容量的其他服务类型的组合形式。
• DS-2是一种6.312Mbps服务。6.312Mbps是96×64kbps加上168kbps的开销得到的。可以用做单一的6.312Mbps传输服务，或者用做4个DS-1通道的多路复用，或者用做96个DS-0通道,或者用做这些服务类型的组合形式。
• DS-3是一种44.376Mbps服务。44.376Mbps是672×64kbps加上1.368Mbps开销得到的。可以用做单一的44.376Mbps传输服务，或者用做7个DS-2通道的多路复用,或者用做28个DS-1通道，或者用做672个DS-0通道，或者用做这些服务类型的组合形式。
• DS-4是一种274.176Mbps服务，274.176是4 032×64kbps加上16.128Mbps开销得到的。可以用做6个DS-3通道的多路复用，或者用做42个DS-2通道，或者用做168个DS-1通道，或者用做4032个DS-0通道,或者用做这些服务类型的组合形式。

T线路

​ DS-0、DS-1等是服务的名称。为了实现这些服务，电话公司使用T线路(T lines，T-1到T-4)。这些线路的容量与DS-1到DS-4的数据速率是精确匹配的。

统计分时复用

​ 在上面看到，在同步TDM中每个输入在输出帧中都占有一个时隙，如果有些输入线没有数据发送，那么效率就不高。在统计时分复用中，动态地分配时隙以提高带宽的效率。仅当输入线有发送数据，时隙才有意义并在输出帧中给予一个时隙。在统计复用中，每个帧中时隙的个数小于输入线的条数。复用器循环顺序地检测每条输入线，如果输入线有数据发送，则对输入线分配一个时隙,否则跳过这条线检测下一条线。

​ 图2.26表示了一个同步和一个统计TDM的例子，前一个例子由于对应的线没有数据发送，某些时隙是空的。然而在后一个例子中，只要有一条输入线有数据要发送，那么就没有空的时隙。

寻址

​ 图6.26也表明了同步TDM和统计TDM时隙之间的主要差别。在同步TDM中，输出时隙全部由数据占用;而在统计TDM中，输出时隙需要携带数据和目的地址。在同步TDM中不需要寻址，作为输入和输出的地址之间关系是同步的和指定的。例如，我们知道输入线1后转向输入线2，如果复用器与分离器是同步的，这是可以保证的。在统计TDM中，由于输入和输出之间不存在指定或预定的时隙，它们之间没有固定的关系，需要在每个时隙中包含接收方地址以表明将要传送的地方。寻址最高简单形式可用定义N个不同输出线的n位表示,其中$n=\log N$。例如,对于8条输出线,需要3位地址。

时隙大小

​ 因为在统计TDM中时隙携带数据和地址，为了传输的效率，数据长度与地址长度之比率必须合理。例如，每个时隙发送1位数据而地址是3位，这样做效率很低。这就是说开销是百分之三百。在统计TDM中，通常一个数据块有许多字节而地址只有很少字节。

没有同步位

​ 统计TDM与同步TDM还有一个不同，它没有同步位。这是由于此时，它是处于帧级，不需要同步。

带宽

​ 在统计TDM中，链路的容量通常小于每个通道容量之和。统计TDM的设计者按照每条通道负载的统计确定链路的容量。如果输入时隙平均百分之x就认为满了，那么链路的容量反映这一情况。当然,高峰时某些时隙需要等待。

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Chapter 7 传输介质

有向介质

• 双绞线
• 同轴电缆
• 光纤

双绞线（*）

​ 双绞线由两根导线(通常是铜线）构成，其中的每一根导线都有自己的塑料绝缘层，两者绞在一起,如图7.3所示。

​ 线路中的一条用于将信号传送到接收方，另一条仅用作接地参考点。接收方使用两条线路的电平之间的差值。

​ 除了发送方在线路上发送的信号之外，干扰(噪声)和串扰也可能会影响两条线路并产生有害的信号。

​ 如果两条导线是平行的，这些有害信号的影响在两条线路中就会不同，因为它们相对于噪声或者串扰所处的位置是不同的（例如，一条较近而另一条较远)。这会在接收方产生差值。通过将两条线绞合在一起，可以保持平衡。例如，假定在一个绞合段，一条导线距噪声源较近而另一条导线距噪声源较远,而在下一个绞合段，情况刚好相反。绞合可以使两条线路同等地受到外部影响（噪声或者串扰)。这意味着，接收方不会通过计算两者之间的差值接收到有害信号。从上面的讨论中可以很明显地看出，单位长度（例如，英寸)的绞合数决定了电缆的质量,绞合数越多意味着质量更高。

非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线

​ 通信中使用的最常见的双绞线是指非屏蔽双绞线 (unshielded twisted-pair，UTP)。IBM还生产了一种自己使用的双绞线类型，称为屏蔽双绞线(shielded twisted-pair， STP)。STP电缆有一层金属薄片或者织成网状的包覆材料将每一对带有绝缘层的导体包围起来。尽管金属包装层可以通过防止噪声或者串扰而提高电缆的质量，但是它更加笨重和昂贵。图7.4说明了UTP和STP之间的差别。我们讨论的中心主要是UTP，因为STP除了IBM以外很少使用

应用

​ 双绞线用于电话线路，提供语音和数据的通道。本地环路，即连接用户到中心电话机房的线路,最常用的是非屏蔽双绞线。

​ 电话公司使用DSL线路提供高数据速率连接，这种线路也使用具有高带宽容量的非屏蔽双绞线。

​ 局域网,如10Base-T和100Base-T，也使用双绞线。

同轴电缆

​ 同轴电缆(或者称为同轴）与双绞线相比，可以传输更高频率范围的信号，部分原因是这两种介质的构造有很大的不同。同轴电缆不使用两根电线，而是使用一根位于中央的实心或者多股绞合的核心金属丝导体(通常是铜的),导体封装在绝缘护套中,然后再把它封装在金属箔、金属网或者两者的组合成的外部导体中。外部金属包装既可以屏蔽噪声,又可以作为第二导体,构成回路。外部导体的外面再由绝缘护套封装,最后整条电缆由一层塑料外套保护。

特点：带宽高，衰减快

应用

​ 同轴电缆最初是在模拟电话网络中使用的，单个的同轴电缆网络能够传送10 000路语音信号。后来将它用于数字电话网络中，单个的同轴电缆能够以高达600Mbps的速率传送数据。但是，电话网络中的同轴电缆目前大部分已经被光缆取代了。

​ 有线电视网络也使用同轴电缆。在传统的有线电视网络中，整个网络都使用同轴电缆。但是，后来有线电视提供商用光缆取代了网络中的大部分的同轴电缆，混合网络只是在网络边界、靠近消费者房屋的地方使用同轴电缆。有线电视使用RG-59同轴电缆。

​ 另一种常见的应用是在传统的以太局域网中。由于它的带宽高以及由此产生的高速率，因此在早期的以太局域网中选用同轴电缆进行数字传输。10Base-2或者细缆以太网，使用RG-58同轴电缆和BNC连接器以10Mbps的速率传输数据，传输距离是185m。10Base5或者粗缆以太网，使用RG-11(粗同轴电缆)以10Mbps的速率传输数据，传输距离是5000m。粗缆以太网有专用的连接器。

光纤

光纤使用反射来引导光通过通道。玻璃芯或塑料芯外面环绕着低密度的玻璃的或塑料的包层(cladding)。两种材料的密度差值必须达到如下条件，即通过纤芯传播的一束光必须完全被包层反射,而不发生折射。见图7.11。

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Chapter 8 交换

别急

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Chapter 9 使用电话网和有线电视网进行数据传输

别急