Ch1-2傳輸網絡技術

2023/2/611.2傳輸網絡的基本理論與技術直接鏈路互連編碼與成幀信道共享數(shù)據(jù)交換差錯控制2023/2/621.2.1點到點直接鏈路技術NodeAdaptorAdaptorNode發(fā)收信號部件比特流2023/2/63電磁波譜與媒介傳輸媒介：導向媒介：電磁波被固體媒體導向傳播（金屬線或光纖）非導向媒體：自由空間球面?zhèn)鞑ィ７Q為無線傳輸10010210410610810101012101410161018102010221024f(Hz)無線電伽瑪射線X射線紅外微波UV可見光1041051061071081091010101110121013101410151016雙絞線同軸電纜低頻波AM無線電FM無線電TV衛(wèi)星地面微波光纖f(Hz)波段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF2023/2/642023/2/65WiFi頻率Wi-Fi技術被IEEE802.11b/g/n定義被操作在2.4GHz的頻率中，在其中這個2.4GHz頻譜被劃分為14個交疊的、錯列的20MHz無線載波信道，它們的中心頻率分別為5MHz。802.11a/n被操作在有更多信道的5.0GHz頻譜中。一些微波爐也同在2.4G頻段內，其功率有在千瓦以上，這已經是Wi-Fi的萬倍數(shù)量級了2023/2/66WiFi頻率太陽光功率密度約是1.3千瓦/平方米，GSM手機，最大發(fā)射功率為2瓦，而平均發(fā)射功率僅為125毫瓦。當周圍信號較好時，手機能夠比較輕易的獲得信號，所以發(fā)射功率就會減小，此時輻射也比較小。當周圍信號不好時，手機就會加強輻射強度，以便接受更多的信號，輻射強度也就隨之增強。WiFi等效全向輻射功率（EIRP）在歐盟被限制為20dBm的（100mW）2023/2/67主干線路帶寬OC：OpticalCarrier;SDH:SynchronousDigitalHierarchySTS:SynchronousTransportSignal2023/2/68點到多點無線鏈路無線介質（信號在大氣或外層空間自由傳播）電磁波或光波攜帶信息優(yōu)缺點：無需物理有線連接，適用于長距離或不便布線場合易受干擾，反射，為障礙物所阻隔主要類型：紅外線、無線電、短波地面微波通信衛(wèi)星無線短波f100MHz靠電離層反射質量差，數(shù)傳率低x10--x100bps無線微波300Mf300GHz，主要2-40G直線轉播，主要有地面接力和衛(wèi)星通信，一般50Km,100m天線塔時可達100Km衛(wèi)星通信：用36000Km高空同步衛(wèi)星作中繼轉發(fā)，跨度18000Km覆蓋1/3地表，數(shù)傳率50Mbps,上行5.925--6.425GHz,下行3.7--4.2GHz，頻寬500M。2023/2/69無線電基站與終端之間通信采用無線鏈路應用領域：移動通信、無線局域網（WLAN）BS基站覆蓋的無線電區(qū)域BS基站

用戶計算機和終端Bluetooth:2.45GHz,10m距離1Mbps，可用于工作站、打印機、手機、便攜和投影儀等的近距離連接2023/2/610地面微波通過地面站之間接力傳送接力站之間距離：50-100km速率：每信道45Mb/s地球地面站之間的直視線路微波傳送塔2023/2/611地球同步衛(wèi)星與地面站相對固定位置使用3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球傳輸延遲時間長（≈270ms）廣播式傳輸應用領域：電視傳輸長途電話專用網絡廣域網35,784公里地球2023/2/612點到多點以太總線集線器（HUB）總線共享，線障隔離，使用方便帶寬受限，廣播風暴，單工傳輸，通信效率低交換機（Switch）目的：減少沖突；隔離廣播;構成VLAN;獨立帶寬實現(xiàn)方法直接交換方式存儲轉發(fā)方式改進直接交換方式。共享總線的集線器集線器網卡工作站網卡工作站網卡工作站雙絞線2023/2/6131.2.2編碼與成幀技術信號：表示信息的物理量模擬信號：一組特別的數(shù)據(jù)點之間及所有可能點之間都是連續(xù)的信號數(shù)字信號：離散點構成的信號為什么要編碼？克服信號傳輸中遇到的能量損耗、變形、攜帶信息量、有效高效接收識別等問題信號的物理層編碼模擬模擬；模擬數(shù)字；數(shù)字數(shù)字；數(shù)字模擬。比特的邏輯層編碼4B/5B8B/10B64B/66B文本、聲音圖象等編碼文本、聲音圖象等數(shù)字模擬信息信號調制：用各種電量（幅度、頻率和相位）及其組合形式來標示和攜帶數(shù)據(jù)信息的過程2023/2/614信號的理論基礎傅立葉變換任何正常周期為T=1/f的函數(shù)g(t)都可寫成即已知T、振幅an和bn可得時間函數(shù)g(t)；f=1/T可把持續(xù)時間有限的0到T的數(shù)據(jù)信號（所有信號都如此）想象成重復該模式，0-T=T-2T任何g(t)，對上式兩邊同乘sin(2πnft)，或cos(2πnft)后從0--T積分可得振幅an或bn傳輸字符“b”的8bit01100010的電壓信號，此信號的Fourier系數(shù)為2023/2/615低次諧波幅度的√an+bn1T123456789012345T/us01100010T010101T11個諧波T122個諧波011T12344個諧波1T123456788個諧波01011000102023/2/616模擬信號的周期、頻率和相位0度270度180度90度2023/2/617時域和頻域幅度頻率幅度時間Tf=1/T時域頻域02023/2/618頻譜和帶寬信號頻譜：信號的頻域圖中包含的正旋頻率集信號帶寬：信號頻譜的寬度或頻率構成的范圍幅度10005000帶寬=最高5000-最低1000=4000Hz頻率2023/2/619數(shù)字信號的周期、頻率和相位位間隔和比特率位間隔：發(fā)送1比特信號所需要的時間或數(shù)字信號的周期比特率：每秒的位間隔數(shù)或每秒比特數(shù)10110001位間隔1秒=8bit位間隔，比特率=8bps時間幅度2023/2/620時域和頻域信號f3f5f7ff3f5f7ff3f5f7f時域頻域2023/2/621數(shù)字信號的頻譜僅有1次諧波有無限次諧波有1、3、5、7次諧波有1、3、5次諧波2023/2/622無限帶寬和有效帶寬幅度構成信號的無限帶寬幅度傳輸信號的有效帶寬幅度太小的低頻成分幅度太小的高頻成分2023/2/623媒體帶寬和信號帶寬傳輸媒體有一個有限帶寬，即僅能傳輸某一范圍內的頻率信號的有效頻譜接收到的頻譜媒體的有效帶寬計算機通信線路計算機2023/2/624載體帶寬和數(shù)據(jù)率:信道容量比特率與信號帶寬的關系信號的有效帶寬隨比特率的增加而增加。即當比特率增加時，信號要有更寬的帶寬，同時需要傳輸載體也有更寬的帶寬。故媒體的帶寬成了比特率的限制若1000bps對應200Hz;則2000bps對應400Hz載體的（信道）容量：媒體能夠傳輸?shù)淖畲蟊忍芈嗜萘咳Q于編碼技術和信/噪比（載體的物理特性）2023/2/625比特率與帶寬的關系1000bps3000bps2000bps帶寬=xHz帶寬=3xHz帶寬=2xHz2023/2/626用模擬信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)10101010數(shù)字數(shù)據(jù)比特率=8bps頻率=4Hz模擬信號1秒在最壞情況下，數(shù)據(jù)由交替的0和1組成，這時需要最大的帶寬2023/2/627比特率與帶寬之例每幅圖由25個象素構成，并設象素是黑白交替每個象素用1比特發(fā)送，若每秒10幅圖.解：則要發(fā)送250bit/s的相應帶寬=250/2=125Hz電視每屏由525行×700列=367500象素，30屏/s解：30屏×367500象素/屏=11,025,000象素所需相應帶寬=11025000/2=5,512,500Hz≈6MHz商用電視TV是每個信道Channel為6MHz2023/2/628數(shù)字→數(shù)字的編碼無極性：有直流，功耗大無接收同步信號單極性RZNRZ：非正即負NRZ-L：信號電平取決于比特的狀態(tài)1:高NRZ-I：碰到1信號就反向10110001數(shù)字→數(shù)字編碼10110001雙極性：BiphaseManchesterDifferentialManchester其它AMI:AlternateMarkInversionB8ZS:Bipolar8-ZeroSubstutuon:略HDB3:HighDensityBipolar3B8ZS和HDB3在北美使用較多2023/2/62901001110NRZ-L因下一位是1而跳變NRZ-I01001110RZ10110001無極性01001110曼碼0101001110差分曼碼“0”位開始時跳變010011101按高低交換出現(xiàn)timeAMI2023/2/630基帶傳輸常用數(shù)字到數(shù)字編碼未經調制的電脈沖信號呈方波形式，所占頻寬從直流和低頻開始。近距離內，基帶的功率衰減不大RS-232/Ethernet/TokenRingADBCE

同軸電纜（最長500米）同軸電纜終端器連接栓收發(fā)器電纜（最長50米）2023/2/631模擬→數(shù)字編碼模擬→數(shù)字編碼10110001PAM:PulseAmplitudeModulationPCM:PulseCodeModulation是一個重要的模擬到數(shù)字的傳換方法2023/2/632從模擬到數(shù)字(PCM)0001100000100110001100…

+24+38PAM二進制編碼數(shù)字/數(shù)字編碼量化+127-12700011000…+24+382023/2/633數(shù)字→模擬編碼10110001數(shù)字→模擬編碼數(shù)字到模擬編碼ASKQAMPSKFSKASK:AmplitudeShiftKeyingFSK:FrequencyShiftKeyingPSK:PhaseShiftKeyingQAM:QuadratureAmplitudeModulation2023/2/6348(23)(22相位*21幅度)—QAM3bit3bit3bit3bit3bit3bit3bit3bit101100001000010011110111比特率=24

波德率=81baud1baud1baud1baud1baud1baud1baud1baud1秒2023/2/635比特率與波德率比特率BitRate：bps=bit/s每秒內傳輸?shù)谋忍財?shù)。波德率BaudRate:Buad每秒內為表示某些比特而需要的信號單元數(shù)（或碼元數(shù)）當僅當一個信號單元表示一比特時，比特率才等于波德率。BitRate=log2(BitUnits)×BaudRate2023/2/636模擬→模擬編碼模擬→模擬編碼模擬到模擬編碼AMPMFM2023/2/637幅度調制AM-載波的F&P不變載波頻率待調制信號（聲音）載波頻率FM信號AM信號幅度調制AM-載波的F&P不變頻率調制FM-載波的A&P不變cos(wct+c)cos(wct+c)待調制信號（聲音）f(t)f(t)cos(wct+c)2023/2/638邏輯層：mBnB編碼方式目的保障傳輸?shù)慕涣魈匦裕乐乖诨鶐?shù)據(jù)中過多的0碼流或1碼流，任何一方過多的碼流均造成直流特性。將mbits的基帶數(shù)據(jù)映射成nbits數(shù)據(jù)發(fā)送。當n>m時，在發(fā)送側就產生了冗余性。4B/5B：FDDI，每個5B碼至少2個1，至少兩次改變先4位變成5位編碼/再NRZI編碼數(shù)據(jù)率100Mbps-->125Mbps若用曼碼則100Mbps-->200Mbps8B/10B：1G光傳輸64B/66B:10G光傳輸，最長傳輸距離40公里。標準:10GBASE－X/R/W三種類型10GBASE－X，

8B/10B編碼，特緊湊包裝，4個接收器和4個在1300nm波長附近以大約25nm為間隔工作的激光器，每一對發(fā)送器/接收器在3.125Gbps速度（數(shù)據(jù)流速度為2.5Gbps）下工作。每端口應是3.125/2.5G=1/0.810GBASE－R64B/66B編碼，數(shù)據(jù)流為10Gbps，時鐘速率為10.3Gbps。10GBASE－W是廣域網接口，與SONETOC-192兼容，其時鐘為9.953Gbps,數(shù)據(jù)流為9.585Gbps。2023/2/639幀的生成（Framing）點到點鏈路間的一塊有界數(shù)據(jù)問題：幀的編址NodeAAdaptorAdaptorNodeB幀比特流2023/2/640什么是幀(Frame)?Frame是一個在具體網絡（與類型和廠家有關）第二層上實現(xiàn)的、與硬件有關的特殊分組。是網上傳輸?shù)淖钚?shù)據(jù)單元。Frame＝數(shù)據(jù)部分＋發(fā)送和接收站點的物理地址＋處理控制部分。SOH幀的內容EOT幀頭幀尾2023/2/641面向字節(jié)的協(xié)議編幀最老的方法是字面向符終端協(xié)議BISYNC:BinarySynchronousCommunicationMessageProtocol，面向字節(jié)的協(xié)議由IBM開發(fā)DDCMP，DigitalDataCommunicationMessageProtocol，用于DECNET都支持ASCII,EBCDIC,IBM’s6位傳輸碼這兩個協(xié)議是不同幀技術的例子PPP/SLIP8888816

SYNSYNSOHHeaderSTXETXCRCBodyBISYNC幀格式2023/2/642面向比特協(xié)議（HDLC）不關心字節(jié)的邊界把幀看著比特的集合可能是ASCII碼、圖像的象素值、指令、操作數(shù)或IP電話的聲音值SDLC:SynchronousDataLinkControlProtocolDevelopedByIBM,waslaterStandardizedbyOSIasHDLC2023/2/643HDLC幀格式頭尾標志是01111110零比特插入技術，5個連續(xù)‘1’插‘0’發(fā)送時插入01111111=011111011接收時刪除011111011=

01111111816

168BeginningsequenceEndingsequenceHeader

BodyCRC816168HDLC幀格式2023/2/644基于時鐘的幀（SONET）SynchronousOpticNetwork標準1984年前各公司有自己專用光纖的TDM系統(tǒng)1984年后AT&T分解，本地公司須與多個不同標準的長途公司連接1995ProposedBellCommunicationsResearch開始標準化，DevelopedbyANSIfordigitaltrans.Fiber,Adapted&standardizedbyITU-T，Clock-basedframing1989產生SONET和平行的CCITT的SDH，二者只有細微差別SDH:SynchronousDigitalHierarchyinChinaandEuropeforSONETSONET所有級別都使用字節(jié)交叉的多路復用，線路速率都是STS-1=51.84Mbps的整數(shù)倍，幀頭開銷3.3%2023/2/645SONETSTS-1幀同步基本SONET幀每125us產生810字節(jié)，有無數(shù)據(jù)都同步發(fā)送，故每秒8000幀9x90=810Bytes/sx8000＝51.84Mbps,構成基本SONET信道每幀前3列留作系統(tǒng)管理信息當特別位模式正確重復出現(xiàn)足夠多次時，接收方就認為這是同步狀態(tài)，并能正確解釋幀

OverheadPayload90columns9rows前3行頭是段開銷后6行是線路開銷有效載荷＝87列×9行×8b×8000幀/s=50.112Mbps幀頭的開銷＝3.3%PDH解決的問題實現(xiàn)了光傳輸實現(xiàn)接口標準PDH存在的瓶頸未實現(xiàn)全球統(tǒng)一時分機制復雜維護管理能力差2023/2/646光傳輸發(fā)展史2023/2/647SDH解決的問題統(tǒng)一標準和幀結構同步復用和兼容PDH強大的保護機制很大的管理能力SDH存在的瓶頸最高傳輸速率受限智能化保護機制受限多業(yè)務接口受限WDM解決的問題大容量傳送帶寬按光波透明復用平滑擴容兼容多業(yè)務接入WDM存在的瓶頸保護機制簡單業(yè)務調度能力差監(jiān)控能力較差2023/2/648MSTP/ASON解決的問題對SDH硬件設備升級實現(xiàn)多業(yè)務接入智能保護OTN：OpticalTransportNetwork以波分復用為基礎，在光層組織網絡的傳輸網。OTN解決的問題以波長/子波長為單位進行業(yè)務調度、組網，有很好的保護；傳統(tǒng)SDH+WDM/DWDM人工跳纖來完成光波的調度2023/2/649OTN幀結構2023/2/650OTN光傳輸網絡現(xiàn)狀目前IPoverSDH/IPoverWDM不能適應大粒度IP分組業(yè)務傳送OTN網絡特點光層組網可管理性類似SDH體系、幀結構及開銷面向未來、面向IP基于DWDM的大顆粒業(yè)務更加智能基于ASON的智能協(xié)議多業(yè)務接入和交換類似MSTP多類接口、二層交換功能大容量和高可靠性基于DWDM的大容量、類似SDH的多種保護方式多用于干線和本地城域網骨干層。2023/2/6511.2.3信道共享技術信道：Channel是通信中傳遞信息的通道，它由發(fā)送與接收信息的設備及傳輸介質組成。信道有獨占或共享兩種使用方式資源共享的基本原理大數(shù)定理：用戶數(shù)n越大，其平均值就越趨近期望值。單用戶需求分別突發(fā)隨機產生，整體用戶的資源要求變得相當平滑、較穩(wěn)定和可預測。規(guī)模經濟原理：一定產量范圍內，當產量或用戶增加時，平均成本不斷降低的事實。因定產內，固定成本基本不變，而新增產品就可分擔更多固定成本，故總成本下降。AB···信息源獨占信道···信息源獨占信道共享信道2023/2/652在一個單物理鏈路上復用多個邏輯流L1L2L3R1R2R3Switch1Switch22023/2/653把多個源交換復用到一共享鏈路…復用：把共享信道劃分成多個子信道，每個子信道傳輸一路數(shù)據(jù)復用方法時分復用TDM

（TimeDivisionMultiplexing）-統(tǒng)計時分復用STDM按時間劃分不同的信道，目前應用最廣泛頻分復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）按頻率劃分不同的信道，如CATV系統(tǒng)波分復用WDM（WaveDivisionMultiplexing：DWDM/CWDM）

按波長劃分不同的信道，用于光纖傳輸碼分復用CDM（CodeDivisionMultiplexing）按地址碼劃分不同的信道，如手機2023/2/654FDM/TDM/STDM的比較tf頻分復用f時分復用tABCDAA…

……

…4個用戶數(shù)據(jù)包周期出現(xiàn)BBCCDDTDM幀TDM幀TDM幀ABDaabbccCdab#1#3#2#4bccad時分復用：復用器按ABCD順序依次掃描，然后構成一個時分復用幀，每個幀有4個時隙，可見當某用戶暫無數(shù)據(jù)時，會有空時隙ab#1#3#2#4bccad統(tǒng)計時分復用：每個STDM幀中的時隙小于集中器上的用戶數(shù)，本例＝2<4，各用戶有數(shù)據(jù)后發(fā)往集中器的緩沖，順序掃描裝幀，沒用就跳過。裝滿后發(fā)送出去2023/2/655WDM--DWDMDenseWavelengthDivisionMultiplexingAccess1波長channel.分少波長CoarseWDM，高密度DenseWDM是FDMA在光纖上的一個變種。因頻率很高而用波長表示最初只能2路復用CWDM80路而稱密集波分復用DWDMλ3信號2λ2能量信號1λ1能量信號3能量信號λ3能量λ1λ2信號2λ2能量信號1λ1能量信號3能量棱柱或衍射光柵多波共享光芯共享光芯上的信號2023/2/6波分傳輸網絡Txl1MULTIPLEXERTxl2Txl3Txl4Txl5Txl6Txl7Txl8DATAINDATAINDATAINDATAINDATAINDATAINDATAINDATAINDEMUXRxRxRxRxRxRxRxRxDATAOUTDATAOUTDATAOUTDATAOUTDATAOUTDATAOUTDATAOUTDATAOUTl1l2l3l4l5l6l7l8LineTerminalEquipmentLineTerminalEquipmentIn-lineAmplifierSl+lsupervisoryOpticalsupervisorychannelRxTxProvidingcorrectpowersandwavelengthsCombininginsidethesamefibreallthewavelengthsAmplifyingsimultaneouslyallthechannelsOfferingmaintenancecapabilitiesofin-lineamplifiers(:newnetworkelements)TxlsupSystemcontrolprocessorNetworkmanagementNetworkmanagementRxlsupSystemcontrolprocessorSelectingonechannelperoutputfibre2023/2/657波分容量與協(xié)議歷史與發(fā)展1966英籍華人高錕博士發(fā)表“用石英玻璃光學纖維作為通信媒質”，開創(chuàng)光纖通信天地，77年開始在芝加哥使用

早期850-1310-1550nm三個窗口，波間隔約1nm；現(xiàn)在L波段，全光S波段：1280-1625nm當前光復用：商業(yè)273波，研究1022，理論15000波；復用提高速率，放大增長距離；2.5G-10G-40G—100Gbps/單波波分協(xié)議每個WDM點分配2個波信道：窄控制，寬數(shù)據(jù);信道分多個時片，0時片特殊標記以區(qū)別后繼，全局時鐘同步；每站點2個發(fā)送端+2個接收端可調波選擇發(fā)出控制幀；固定波接收控制幀固定波發(fā)出數(shù)據(jù)幀；可調波選擇接收數(shù)據(jù)幀方式：每站偵聽自己的控制信道，看是否有請求發(fā)生，并將接收端的波長調整為發(fā)送端的波長，以收到數(shù)據(jù)2023/2/658幾種共享技術的形象比喻－室內一群參加宴會人們的交流TDMA：在同一空間、不同時間T1、T2、T3分別和一群人交流

PeopleABCT1T2T3TDMA示意圖2023/2/659FDMA在分割后的不同空間、一對一分別同時交流

ABCFDMA示意圖2023/2/660CDMA在同一空