计算机网络原理,计算机网络教研室,具有五层协议的体系结构,OSI,TCP/IP,五层协议的体系结构,运输层,网络层,数据链路层,物理层,表示层,会话层,应用层,运输层,网络层,数据链路层,物理层,应用层,应用层,运输层,网际层,网络 接口层,第 2 章 物理层,2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术,2.1 物理层的基本概念,物理层考虑的是怎样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 现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常多，并且通信手段也有许多不同的方式 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异 物理层协议(protocal)也称为物理层规程(procedure) 由于物理连接方式很多，传输媒体种类很多，因此物理层的协议种类很多。,物理层的主要任务,(1)物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 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、固定和锁定装置等等。这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定。,物理层的主要任务,电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进制位流时线路上信号电压高低、阻抗匹配情况、传输速率和距离的限制等 早期的电气特性标准定义物理连接边界点上的电气特性，而较新的电气特性标准定义的都是发送器和接收器的电器特性，同时还给出了互连电缆的有关规定比较起来，较新的标准更有利于发送和接收线路的集成化工作 物理层接口的电气特性主要分为三类：非平衡型，新的非平衡型和新的平衡型,物理层的主要任务,非平衡型的信号发送器和接收器均采用非平衡方式工作，每个信号用一根导线传输，所有信号共用一根地线信号的电平是用+5V+15V，表示二进制“0“，用-5V-15V，表示二进制“1“信号传输速率限于20Kbps以内，电线长度限于15M以内由于信号线是单线，因此线间干扰大，传输过程中的外界干扰也很大,物理层的主要任务,在新的非平衡型标准中，发送器采用非平衡方式工作接收器采用平衡方式工作（即差分接收器）每个信号用一根导线传输所有信号共用两根地线，即每个方向一根地线信号的电平使用+4v+6v表示二进制“0“，用4V6V表示二进制“1“当传输距离达到1000M时，信号传输速率在3kbps以下，随着传输速率的提高，传输距离将缩短在10M以内的近距离情况下，传输速率可达300kbps.由于接收器采用差分方式接收，且每个方向独立使用信号地，因此减少了线间干扰和外界干扰,物理层的主要任务,新的平衡型标准规定，发送器和接收器均以差分方式工作，每个信号用两根导线传输，整个接口无需共用信号就可以正常工作，信号的电平由两根导线上信号的差值表示相对于某一根导线来说，差值在+4V+6V表示二进制“0“，差值在4V6V表示二进制“1“当传输距离达到1000M时，信号传输率在100kbps以下；当在10m以内的近距离传输时，速率可达10Mbps.由于每个信号均使用双线传输，因此线间干扰和外界干扰大大削弱，具有较高的抗共模干扰能力,(2)传输速率：定义每个比特的持续时间。 (3)传输方式：对单工、半双工和全双工的选择。 (4)位同步：必须使收发双方的时钟保持同步。 (5)线路配置：点到点连接或点到多点连接。,物理层的主要任务,(6)拓扑结构的选择.计算机网络的拓扑结构，即是指网上计算机或设备与传输媒介形成的结点与线的物理构成模式.计算机网络的拓扑结构主要有：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、网形拓扑和混合型拓扑,物理层的主要任务,2.2 数据通信的基础知识,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入 汉字,显示 汉字,数据通信系统模型,PC 机,几个术语,数据(data)运送消息的实体。 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 “数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。 码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表“0“状态，另一种代表“1“状态。,2.2.2 有关信号的几个基本概念,单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 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。,基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号,基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。,为什么不直接传输低频信号呢？,低频信号中含有丰富的直流和低频成分，直接传输时可能造成信号的严重失真，因为低频段干扰大，另外低频段信号通道资源少。,几种最基本的调制方法,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或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。 最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,2.2.3 信道的极限容量,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。,数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别失真大，无法识别,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）,发送信号波形,接收信号波形,信道能够通过的频率范围,1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。,(2) 信噪比,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； 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。,香农公式表明,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高。 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。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,请注意,对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。,编码,101011000110111010 每1个码元表示1bit。 若3bit编为一组，则表示8种不同的变化，则携带的信息量大幅度增加了。 推理，nbit编为一组，则表示2n种变化，携带的信息量增加了。,2.3 物理层下面的传输媒体,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅 无线电,调频 无线电,海事 无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF甚高频,UHF 超高频,SHF 超音频,EHF 极高频,THF 至高频,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移动 无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,2.3.1 导向传输媒体,双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair),屏蔽层,2.3.1 导向传输媒体,同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆,2.3.1 导向传输媒体,光缆,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),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,2.3.2 非导向传输媒体,无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信,微波,微波接力通信,卫星通信,共享信道,2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing),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。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,时分复用TDM (Time Division Multiplexing),时分复用则是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）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中 的位置不变,