1页,人民邮电出版社,第2章 网络接口层,2页,2.1物理层,2.1.1数据传输介质 数据传输介质也称为数据传输媒体，它是数据信号在传输过程中的物理载体，起在物理上将网络中计算机相互连接起来的作用。 传输介质分可为两大类，一类是有线传输介质，另一类是无线传输介质。有线传输介质一般使用铜芯导线或光纤，它是一种导向型传输介质，信号以电磁波的形式在介质中传播。常用的有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光缆。无线传输介质是空间，信号以电磁辐射的形式在空间中传播。,3页,2.1物理层,1. 同轴电缆 同轴电缆是一种以硬铜线为芯，外包保护套、屏蔽金属网和塑料绝缘层的传输介质。 广泛使用的同轴电缆有两种：一种是特征阻抗为75 ，直径为1cm的同轴电缆，一般叫粗同轴电缆（简称粗缆），主要用于有线电视系统中CATV信号的传输；另一种是特征阻抗为50 ，直径为0.5cm的同轴电缆，一般叫细同轴电缆（简称细缆），主要用于计算机网络中数字信号的传输。 同轴电缆的结构使其具有较高的带宽和抭噪性能，因此其优点是信号的传输距离较远，覆盖的地域范围较大，且技术非常成熟。其缺点是电缆较硬，折曲困难，重量重等。同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线。,4页,2.1物理层,2.双绞线 双绞线是一种使用最为广泛的信号传输介质，有无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted-Pair, UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted-Pair, STP）两种。计算机网络中常用的是无屏蔽双绞线，它将两条铜芯直径为1mm左右，相互绝缘的导线绞合在一起形成。 EIA586（电子工业协会）标准将无屏蔽双绞线分为几类，3类双绞线每一对轻轻绞合在一起，一般在塑料保护套内有4对这样的双绞线，它的带宽为16MHz，用于10Mb/s的计算机网络布线中。4类双绞线的带宽为20MHz，双绞线每一对绞合较紧。5类和增强型5类（也称为超5类）双绞线每一对绞合得更紧，在较长的距离通信时，信号质量更好，是目前使用的主流双绞线，其带宽为100MHz，用于通信速率为100Mb/s的计算机网络布线中。6类双绞线的带宽为可达250 MHz。 无屏蔽双绞线使用RJ-45连接器（工程中常称为水晶头）将传输介质与计算机网卡、HUB等设备连接起来。 无屏蔽双绞线的优点是价格低廉、尺寸小、重量轻、易于安装和维护，因此它是目前局域网中最常用的传输介质，UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线。无屏蔽双绞线的缺点是抗干扰能力较弱，传输距离比较短。,6页,2.1物理层,4.无线传输 无线传输是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，与有线传输方式相比，利用无线方式来构建家庭内部局域网络有着非常明显的优势。 第一，它不破坏家居装饰，没有复杂连线；第二，如果遇到线路故障，能够迅速确定问题的所在；第三，无论你家的结构是怎么样的，只要在无线覆盖的范围内都可以实现自由的漫游。常用的无线介质有微波、超短波、红外线以及激光等。 美国电气及电子工程师学会（IEEE）于1990年11月成立802.11委员会，着手制定无线局域网标准。802.11b是如今普及最广和应用最多的无线局域网中。802.11b工作在与无绳电话、微波炉等一样无需申请的2.4GHz频段，可以在相距50至100米的距离内实现设备间的通信。此外，基于802.11b的WLAN产品还具有抗障碍物能力强，可以在公众WLAN接入服务中使用，产品价格低等特点，也正是这些因素推动了无线局域网的发展。802.11b最大数据传输速率为11Mb/s。,7页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 1.模拟信号与数字信号 数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是指在某个区间内产生的连续值，例如，声音、视频图像、温度和压力等都是连续变化的值。数字数据是指一些离散值，例如，文本信息和整数等。在数据被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号，信号（Signal）是数据的电磁波表示形式，它可是模拟信号，也可以是数字信号。模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参量，如幅度、频率或相位等可以表示要传送的信息。 传统的电话机送话器输出的语音信号，电视摄像机产生的图像信号以及广播电视信号等都是模拟信号。数字信号是离散信号，如计算机通信所用的由二进制代码“0”和“1”组成的信号。模拟信号和数字信号的波形图如图2-6所示。,8页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 1.模拟信号与数字信号,9页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 2.通信系统模型 点到点的通信是通信系统的基础，这种通信系统的模型如图2-7所示。,10页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 2.通信系统模型 信道即信号的通道，它是任何通信系统中最基本的组成部分。信道的定义通常有两种，即狭义信道和广义信道。 所谓的狭义信道是指传输信号的物理传输介质。对信道的这种定义虽然直观，但从研究消息传输的观点来说，对信道的这种定义，其范围显得很狭窄，因而人们引入了范围扩大了的信道定义，即第二种信道定义广义信道。 所谓的广义信道是指通信信号经过的整个途径，它包括各种类型的传输介质和中间相关的通信设备等。对通信系统进行分析时常用的一种广义信道是调制信道。调制信道是从研究调制与解调角度定义的，其范围从调制器的输出端至解调器的输入端，由于在该信道中传输的是已被调制的信号，故称其为调制信道，如图2-8所示。另一种常用到的广义信道是编码信道，如图2-8所示。编码信道通常指由编码器的输出到解码器的输入之间的部分，实际的通信系统中并非要包括其所有环节，如下节所要讲的基带传输系统中就不包括调制与解调环节。,11页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 2.通信系统模型,12页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 3.数据传输方式 （1）模拟传输 模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。当传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。如图2-9所示，其中（a）图为当信源为模拟数据时的模拟传输，（b）图为当信源为数字数据时的模拟传输。模拟传输的主要优点是信道的利用率较高，但是传输过程中信号会衰减，会受到噪声干扰，且信号放大时噪声也会同时被放大。,13页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 3.数据传输方式 （2）数字传输 数字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。当传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器编码，变换为数字信号。如图2-10所示，其中（a）图为当信源为数字数据时的数字传输，（b）图为当信源为模拟数据时的数字传输。数字传输的主要优点是数字信号只取离散值，在传输过程中即使受到噪声的干扰，只要没有畸变到不可辨识的程度，均可用信号再生的方法进行恢复，即信号传输不失真，误码率低等。但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多，因此数字传输的信道利用率较低。,14页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 3.数据传输方式 （2）数字传输,15页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 4.串行通信与并行通信 串行通信指数据流一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可，其优点是易于实现。并行通信是一次同时传送一个字节（字符），即8个码元。并行传送传输速率高，但传输设备要增加7倍，一般用于近距离范围内，要求快速传送的地方，如计算机与输出设备打印机的通信一般采用并行传送。串行传送虽然速率低，但节省设备，是目前主要采用的一种传输方式，特别是在远程通信中一般采用串行通信方式。 在串行通信中，收、发双方存在着如何保持比特与字符同步的问题，而在并行传输中，一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符同步问题。串行通信的发送端要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构。,16页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 5. 数据通信方式 根据通信双方是否可以同时传输数据，可以分为单工、半双工与全双工通信三种通信方式： （1）单工通信方式。在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收，接受方不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工传送的例子。 （2）半双工通信方式。在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。航空和航海无线电台以及对讲机等都用这种方式通信。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力，又有双向传送信息的能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工便宜。在要求不很高的场合，多采用这种通信方式。 （3）全双工通信方式。这是一种可同时进行信息的传递的通信方式。现代的电话通信都是采用这种方式。其要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽，所以全双工通信设备较昂贵。,17页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 5. 数据通信方式 在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持步调一致，亦即同步，才能准确的传送信息。解决的方法时，要求接收端根据发送数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时间基准与时钟频率。这个过程叫位同步或码元同步。在传送由多个码元组成的字符以及由许多字符组成的数据块时，通信双方也要就信息的起止时间取得一致，这种同步作用有两种不同的方式，因而也就对应了两种不同的传输方式。,18页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 5. 数据通信方式 （1）异步传输 异步传输即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，如图2-11所示。,19页,2.1物理层,2.1.2数据传输方式 5. 数据通信方式 （2）同步传输 异步传输不适合于传送大的数据块，例如磁盘文件。同步传输在传送连续的数据块时比异步传输更有效。按这种方式，发送方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，随后双方以同一频率工作，直到传送完指示数据结束的控制字符。这种方式仅在数据块前加入控制字符SYN，所以效率更高，但实现起来较复杂。在短距离高速数据传输中，多采用同步传输方式。,20页,2.1物理层,2.1.3数据编码技术 数据编码是将数据表示成适当的信号形式，以便数据的传输和处理。在数据传输系统中，主要采用三种数据编码技术：数字数据的模拟信号编码、数字数据的数字信号编码和模拟数据的数字信号编码。 1.数字数据的模拟信号编码 这种编码方式是将数字数据调制成模拟信号进行传输。通常采用三种模拟信号的载波特性(即振幅、频率和相位)之一来表示被调制的数字数据，并由此产生三种基本调制方式，如图2-12所示。,21页,2.1物理层,2.1.3数据编码技术 （1）幅移键控法(ASK) 幅移键控法(Amplitude Shift Keying，ASK)是使用载波频率的两个不同振幅来表示二进制值，如图2-12（a）所示。在一般情况下，用振幅恒定载波的存在与否来表示两个二进制位。ASK方式编码的特点是效率较低，容易受增益变化的影响，抗干扰性较差。在音频电话线路上，一般只能达到1200 b/s的传输速率。 （2）频移键控法(FSK) 频移键控法 (Frequency Shift Keying，FSK)是使用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值，如图2-12（b）所示。FSK比ASK的编码效率高，不易受干扰的影响，抗干扰性较强。在音频电话线路上的传输速率可以大于1200 b/s。,22页,2.1物理层,2.1.3数据编码技术 （3）相移键控法(PSK) 相移键控法(Phase Shift Keying，PSK)是使用载波信号的相位移动来表示二进制数据，如图2-12(c)所示。在PSK方式中，信号相位与前面信号序列同相位的信号表示0，信号相位与前面信号序列反相位的信号表示1。PSK方式也可以用于多相的调制，例如在四相调制中可把每个信号序列编码为两位。P