程序员面试干货:漫谈计算机网络:物理层 ----- 双绞线&光纤?,从最底层开始了解计算机网络

计网很枯燥? 听说你学习 计网 每次记了都会忘? 不妨抽时间和我一起多学学它 深入浅出,用你的空闲时间来探索计算机网络的硬核知识!

博主的上篇连载文章《初识图像处理技术》

图像处理技术:数字图像分割 —— 图像分割、边界分割(边缘检测)、区域分割 – slowlydance2me – 博客园 (cnblogs.com)

 

漫谈计算机网络的上一章节:漫谈计算机网络:概述 —— 从起源开始到分层协议结构,初识究竟什么是计算机网络? – slowlydance2me – 博客园 (cnblogs.com)

2022/11/27

  众所周知,计算机网络在程序员的学习以及面试中占据十分重要的位置,同时它也是我们开启互联网世界的钥匙。

  因此,从今天开始更新《漫谈计算机网络》一文,读者们可以跟着博主一起深入浅出,了解计算机网络知识,学习计算机网络的应用。

  博主仍在不断学习进步中,在本文中对于计算机网络的理解与认识尚浅,如有错误之处烦请批评指正。

  如有疑问欢迎评论区留言。

 

以下为正文:

 

首先我们来看看

物理层在协议体系结构的位置:

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2.1 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输
数据比特流,而不是指具体的传输媒体。 作用:尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。 l用于物理层的协议也常称为物理层
规程 (procedure)。  

物理层的主要任务

确定与传输媒体的
接口的一些特性。4 个特性:   
机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定 和锁定装置等。   
电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。   
功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。   
过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

重点从这里开始

2.2 数据通信的基础知识

  2.2.1 数据通信系统的模型

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  常用术语:     l 消息(message):如话音、文字、图像、视频等。     l 数据 (data): 运送消息的实体。有意义的符号序列。     l 信号 (signal):数据的电气的或电磁的表现。       模拟信号 (analogous signal):代表消息的参数的取值是连续的。       数字信号 (digital signal):代表消息的参数的取值是离散的。     l 码元:在使用时间域(简称为时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。       使用二进制编码时,只有两种不同的码元:0 状态,1 状态。

  2.2.2 有关信道的几个基本概念

    l 信道:

      一般用来表示向某一个方向
传送信息的媒体

    l 单向通信(单工通信):

      只能有
一个方向的通信,没有反方向的交互。

    l 双向交替通信(半双工通信):

      通信的双方都可以发送信息,但双方
不能同时发送(当然也就不能同时接收)。

    l 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。

    l 基带信号(即基本频带信号)

      来自信源的信号。       包含有较多的低频成分,甚至有直流成分。

    l 调制

      
基带调制:仅对基带信号的波形进行变换,把
数字信号转换为另一种形式的
数字信号。把这种过程称为
编码 (coding)。       
带通调制:使用
载波 (carrier)进行调制,把基带信号的频率范围
搬移到较高的频段,并
转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为
带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。  

(1) 常用编码方式

l 不归零制:正电平代表 1,负电平代表 0。 l 归零制:正脉冲代表 1,负脉冲代表 0。 l 曼彻斯特编码:位周期中心的向上跳变代表 0,位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。 l 差分曼彻斯特编码:在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0,而位开始边界没有跳变代表 1。   结合图片更好理解呀:

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编码术语:

  l 信号频率:     曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。   l 自同步能力:     不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率(这叫做没有自同步能力)。     曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。  

(2) 基本的带通调制方法

  l 基带信号往往包含有较多的
低频成分,甚至有
直流成分,而许多信道并不能传输这种
低频分量
直流分量。   l 必须对基带信号进行
调制 (modulation)。   l 最基本的调制方法有以下几种:     1. 调幅(AM):载波的
振幅随基带数字信号而变化。     2. 调频(FM):载波的
频率随基带数字信号而变化。     3. 调相(PM) :载波的
初始相位随基带数字信号而变化。 如图:
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正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

例如:   可供选择的相位有 12 种,而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有 16 种组合,即 16 个码元。   由于 4 bit 编码共有 16 种不同的组合,因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。数据传输率可提高 4 倍。
《程序员面试干货:漫谈计算机网络:物理层 ----- 双绞线&光纤?,从最底层开始了解计算机网络》 不是码元越多越好,若每一个码元表示的比特数越多,则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越难,出错率就增加。

  2.2.3 信道的极限容量

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  l 任何实际的信道都
不是理想的,都
不可能以任意高的速率进行传送。   l 码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,或噪声干扰越大,或传输媒体质量越差,在接收端的波形的
失真就越严重。   l 限制码元在信道上的传输速率的两个因素:

    信道能够通过的频率范围。   

      l 具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多
高频分量往往不能通过信道。       l 码间串扰:接收端收到的信号波形失去了
码元之间的清晰界限

奈氏准则

《程序员面试干货:漫谈计算机网络:物理层 ----- 双绞线&光纤?,从最底层开始了解计算机网络》   在带宽为 W (Hz) 的低通信道中,若不考虑噪声影响,则码元传输的最高速率是 2W (码元/秒)。传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

    信噪比

      信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N,并用分贝 (dB) 作为度量单位。即:       信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)       例如:当 S/N =10 时,信噪比为10dB,而当 S/N =1000 时,信噪比为30dB

香农公式

信道的
极限信息传输速率 C 可表达为。
C = W log2(1+S/N) (bit/s) 其中   W信道的带宽(HZ) S 为信道内所传信号的平均功率; N 为信道内部的高斯噪声功率。   l 信道的带宽或信道中的
信噪比越大,则信息的
极限传输速率就越
。 l 只要
信息传输速率低于信道的
极限信息传输速率,就一定可以找到某种办法来实现
无差错的传输。

提高信息的传输速率的方法

方法:用
编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量
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注意:奈氏准则和香农公式的意义不同:

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2.3 物理层下面的传输媒体

l
传输媒体是数据传输系统中在
发送器和接收器之间的
物理通路。 l 两大类:   导引型传输媒体:
电磁波被导引沿着
固体媒体
铜线
光纤)传播。   非导引型传输媒体:指
自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常 称为
无线传输

电信领域使用的电磁波的频谱(无线电 – 紫外线)

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  2.3.1 导引型(有线的)传输媒体

    1. 双绞线

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      l 最古老但又最常用的传输媒体。       l 把两根
互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合 (twist) 起来就构成了
双绞线。       l 绞合度越高,可用的数据传输率越高。       分为 两 大类:

         无屏蔽双绞线 UTP。

          无屏蔽层。           价格较便宜。
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         屏蔽双绞线 STP。

          带屏蔽层。           都必须有接地线。
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补充:

x/UTP:对整条双绞线电缆进行屏蔽,X不同代表不同的屏蔽层。
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比较F/UTP 与U/FTP 与F/FTP:  

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在抗干扰能力上,U/FTP 比 F/UTP 好,而 F/FTP 则是最好的。  

双绞线标准 EIA/TIA-568

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    2. 同轴电缆

  由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。   特点:   具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数据  

    3. 光缆

  l 光纤是
光纤通信的传输媒体。通过传递
光脉冲来进行通信。   l 其传输带宽
远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。     发送端:要有
光源,在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。       光源:发光二极管,半导体激光器等。     接收端:要有光检测器,利用
光电二极管做成,在检测到光脉冲时还原出电脉冲

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  光波在纤芯中的传播

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光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时,其折射角将大于入射角。如果入射角足够大,就会出现
全反射,光也就沿着光纤传输下去。
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光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射

 

      多模光纤与单模光纤

        多模光纤           可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。           光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽,
造成失真,只适合于
近距离传输。         单模光纤           其直径减小到只有一个光的波长(几个微米),可使光线一直向前传播,而
不会产生多次反射。           制造
成本较高,但衰耗较小。           
光源要使用昂贵的
半导体激光器,不能使用较便宜的发光二极管。   如下图
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    光纤通信中使用的光波的波段

  常用的三个波段的中心

  • 850 nm
  • 1300 nm
  • 1550 nm

所有这三个波段都具有25000~30000 GHz 的带宽,通信容量非常大。
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光缆(光纤太细啦!你个细o.O?)

  l 必须将光纤做成很结实的光缆。

  1. 数十至数百根光纤,
  2. 加强芯和填充物,
  3. 必要时还可放入远供电源线,

    4. 最后加上包带层和外护套。

  l 使抗拉强度达到几公斤,完全可以满足工程施工的强度要求。  

光纤优点

  (1) 通信
容量非常大   (2) 传输
损耗小,中继距离长,对
远距离传输特别经济。   (3)
雷电和电磁
干扰性能好。   (4) 无串音干扰,
保密性好,不易被窃听或截取数据。   (5)
体积小
重量轻。   现在已经非常广泛地应用在计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中。

  2.3.2 非导引型(无线的)传输媒体

     利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信,因此将自由空间称为“非导引型传输媒体” 。     无线传输所使用的频段很广:LF ~ THF (30 kHz ~ 3000 GHz)
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无线电微波通信

  占有特殊重要的地位。   微波频率范围:     300 MHz~300 GHz(波长1 m ~ 1 mm)。     主要使用:2 ~ 40 GHz。   在空间主要是
直线传播。     地球表面:传播距离受到限制,一般只有 50 km左右。     100 m 高的天线塔:传播距离可增大到 100 km。

多径效应

  基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射,从多条路径、按不同时间等到达接收方。多条路径的信号叠加后一般都会产生
很大的失真,这就是所谓的多径效应。
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误码率(即比特错误率)不能大于可容许的范围

  l 对于给定的调制方式和数据率,
信噪比越大
误码率就越低。   l 对于同样的信噪比,具有
更高数据率的调制技术的误码率也更高。   l 如果用户在进行通信时不断
改变自己的地理位置,就会引起无线信道特性的改变,因而信噪比和误码率都会发生变化。 如图显示了理想无线信道的误码率与信噪比、调制方式、数据率的关系
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远距离微波通信:微波接力(信号塔 、中继卫星)

  微波接力:中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。
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  主要特点:

   (1) 微波波段频率很高,频段范围很宽,其通信信道的
容量很大。    (2) 工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小,微波传输
质量较高。    (3) 与相同容量和长度的电缆载波通信比较,微波接力通信
建设投资少,见效快,易于实施。 

  主要缺点:

  (1) 相邻站之间必须直视(常称为视距 LOS (Line Of Sight)),
不能有障碍物,存在多径效应。   (2) 有时会受到
恶劣气候的影响。   (3) 与电缆通信系统比较,微波通信的
隐蔽性
保密性较差。   (4) 对大量中继站的使用和
维护要耗费较多的人力和物力。

卫星通信

优势:通信容量大,通信距离远,通信比较稳定,通信费用与通信距离无关。 劣势:但
传播时延较大:在 250~300 ms之间。
保密性相对较差。
造价较高。 请注意:“
卫星信道的传播时延较大”并不等于“
用卫星信道传送数据的时延较大” 。
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低轨道卫星通信系统(卫星高度在 2000 公里以下)已开始使用。目前,大功率、大容量、低轨道宽带卫星已开始在空间部署,并构成了空间高速链路。

无线局域网使用的 ISM 频段

无线局域网:使用无线信道的计算机局域网。 无线电频段:通常必须得到无线电频谱管理机构的许可证。 ISM 频段:可以自由使用。
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2.4 信道复用技术

复用 (multiplexing) :允许用户使用一个共享信道进行通信。

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2.4.1 频分复用FDM、时分复用TDM和统计时分复用STDM

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

  最基本的复用技术。   将整个带宽分为多份,用户在分配到一定的频带后,在通信过程中
自始至终都占用这个频带。   所有用户在同样的时间占用
不同的带宽(即频带)资源。 如图:
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时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)

  将时间划分为一段段等长的
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。   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)的。   TDM 信号也称
等时 (isochronous) 信号。   所有用户在不同的时间占用
同样的频带宽度。 如图:
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时分复用的缺点:

时分复用会导致信道利用率不高

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 关键知识补充:

频分多址FDMA与时分多址TDMA

  可让 N 个用户
各使用一个频带,或让更多的用户
轮流使用这 N 个频带。这种方式称为频分多址接入 FDMA (Frequency Division Multiple Access),简称为
频分多址。   可让 N 个用户
各使用一个时隙,或让更多的用户
轮流使用这 N 个时隙。这种方式称为时分多址接入 TDMA (Time Division Multiple Access),简称为
时分多址。 

成对使用的 复用器 (multiplexer) 和分用器 (demultiplexer):

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统计时分复用 STDM (Statistic TDM) (动态高效)

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2.4.2 波分复用WDM(光的频分复用)

波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) :光的频分复用。使用
一根光纤来同时传输
多个光载波信号
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2.4.3 码分复用CDM 与 码分多址CDMA

  每一个用户可以在
同样的时间使用
同样的频带进行通信。   各用户使用经过
特殊挑选的不同码型,因此不会造成干扰。   当码分复用
CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时,就称为码分多址
CDMA (Code DivisionMultiple Access)。

  码分复用CDMA 工作原理

    将
每一个比特时间划分为
m 个短的间隔,称为
码片 (chip)。     为
每个站指派一个
唯一的 m bit 码片序列。       发送比特
1:发送自己的
m bit 码片序列。       发送比特
0:发送该码片序列的
二进制反码。 举例
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码片序列实现了扩频从(1 或 0 到m bits)

要发送信息的数据率 = b bit/s,实际发送的数据率 = mb bit/s, 同时,所占用
频带宽度也提高到原来的 m 倍   扩频通常有 2 大类:   直接序列扩频 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 。   跳频扩频 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。  

码分多址 CDMA 的重要特点

每个站分配的码片序列:各不相同,且必须互相正交 (orthogonal)。 正交:向量 S 和 T 的规格化内积 (inner product) 等于 0:
《程序员面试干货:漫谈计算机网络:物理层 ----- 双绞线&光纤?,从最底层开始了解计算机网络》 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1 。
《程序员面试干货:漫谈计算机网络:物理层 ----- 双绞线&光纤?,从最底层开始了解计算机网络》 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

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CDMA 工作原理图:

规格化内积 相当于 异或操作

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以上为重点

2.5 数字传输系统

   在早期电话网中,从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的
双绞线电缆,而
长途干线采用的是
频分复用 FDM 的模拟传输方式。   与模拟通信相比,数字通信无论是传输质量上还是经济上都有明显的优势。    
目前,大都采用
时分复用 PCM 的数字传输方式。   现代电信网业务括话音、视频、图像和各种数据业务。因此需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络。   在数字化的同时,
光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。

早期数字传输系统的缺点

  多路复用的
传输速率标准不统一。两个互不兼容的国际标准:     北美和日本的 T1 速率(1.544 Mbit/s)     欧洲的 E1 速率(2.048 Mbit/s)。   
不是同步传输。主要采用准同步方式。     各支路信号的时钟频率有一定的偏差,给时分复用和分用带来许多麻烦。  

同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network)

  各级时钟都来自一个非常精确的
主时钟。   为光纤传输系统定义了
同步传输的线路速率等级结构:     传输速率以
51.84 Mbit/s 为基础。对电信信号称为
第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal),对光信号则称为
第 1 级光载波 OC-1 (Optical Carrier)。     现已定义了从 51.84 Mbit/s (即 OC-1) 到 9953.280 Mbit/s (即 OC-192/STS-192) 的标准。

同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

  ITU-T 以美国标准 SONET 为基础制订的国际标准。   与 SONET 的主要不同:SDH 的基本速率为 155.52 Mbit/s,称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module),即STM-1,相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。 SONET 的 OC/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系表
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SONET / SDH 标准的意义

  定义了标准光信号,规定了波长为 1310 nm 和 1550 nm 的激光源。  
 在物理层定义了帧结构。   使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一。   已成为公认的新一代理想的传输网体制。   SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

2.6 宽带接入技术

  宽带:标准在不断提高。   美国联邦通信委员会 FCC 定义:
宽带下行速率达 25 Mbit/s,宽带上行速率达 3 Mbit/s。   从宽带接入的媒体来看,划分为 2 大类:        有线宽带接入。     无线宽带接入

2.6.1 ADSL 技术

   非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)技术: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。   ADSL 技术把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。   ADSL 的 ITU 的标准:G.992.1(或称 G.dmt)。   非对称:下行(从 ISP 到用户)带宽
远大于上行(从用户到 ISP)带宽。  

ADSL 调制解调器

  采用
离散多音调 DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。   DMT 调制技术
采用频分复用 FDM 方法。   相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器
并行地传送数据。   ADSL采用自适应调制技术,不能保证固定的数据率。 DMT 技术的频谱分布图
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ADSL 的组成

ADSL 最大好处:

可以利用现有电话网中的用户线(铜线),而
不需要重新布线
数字用户线接入复用器 DSLAM(DSL Access Multiplexer),
用户线和用户家中的一些
设施
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第二代 ADSL:

   包括 ADSL2(G.992.3 和 G.992.4)和 ADSL2+(G.992.5)。   主要改进:     (1) 通过提高调制效率得到了
更高的数据率。      (2) 采用了
无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)。      (3) 改善了
线路质量评测和故障定位功能。 ADSL 并不适合于企业,因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户。

xDSL

  SDSL (Symmetric DSL):对称数字用户线   HDSL (High speed DSL):高速数字用户线    VDSL (Very high speed DSL):甚高速数字用户线   Giga DSL:超高速数字用户线   华为公司于 2012 年首先研制成功样机。   使用时分双工 TDD (Time Division Duplex)和 OFDM 技术

2.6.2 光纤同轴混合网(HFC网)

   HFC (Hybrid Fiber Coax) 网基于有线电视网 CATV 网。   改造:把原
有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤
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我国的 HFC 网的频带划分

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机顶盒与电缆调制解调器(set-top box)

  机顶盒(set-top box):      连接在同轴电缆和用户的电视机之间。      使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号。   电缆调制解调器(cable modem):      将用户计算机接入互联网。      在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息。      不需要成对使用,而只需安装在用户端。     复杂,必须解决共享信道中可能出现的冲突问题。

2.6.3 FTTx 技术

  代表多种宽带光纤接入方式。   FTTx 表示 Fiber To The…(光纤到…),例如:      光纤到户 FTTH (Fiber To The Home):在光纤进入用户的家门后,才把光信号转换为电信号。      光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)      光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)      光纤到小区 FTTZ (Fiber To The Zone)      光纤到办公室 FTTO (Fiber To The Office)      光纤到桌面 FTTD (Fiber To The Desk) 等。  
无源光配线网 ODN (Passive Optical Network)
《程序员面试干货:漫谈计算机网络:物理层 ----- 双绞线&光纤?,从最底层开始了解计算机网络》 光配线网 ODN (Optical Distribution Network):位于光纤干线和广大用户之间。 无源的光配线网常称为无源光网络 PON (Passive Optical Network)。  
光配线网 ODN (Optical Distribution Network)    采用波分复用 WDM,
上行和下行分别使用不同的波长。    2 种最流行的
无源光网络 PON (Passive Optical Network):     以
太网无源光网络 EPON (Ethernet PON)       在链路层使用以太网协议,利用 PON 的拓扑结构实现以太网的接入。       与现有以太网的兼容性好,并且成本低,扩展性强,管理方便。     
吉比特无源光网络 GPON (Gigabit PON)       采用通用封装方法 GEM (Generic Encapsulation Method),可承载多业务,且对各种业务类型都能够提供服务质量保证,总体性能比EPON好。        成本稍高。

    原文作者:slowlydance2me
    原文地址: https://www.cnblogs.com/slowlydance2me/p/16930254.html
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