计算机网络（第 4 版）课件第 2 章 物理层郭庆北Ise_guoqbujn.edu.cn2008-02-25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2.2.1 数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的极限信息传输速率 2.2.4 数据编码技术 2.2.5 同步异步传输基本概念 2.3 物理层下面的传输媒体2.3.1 导向传输媒体2.3.2 非导向传输媒体 2.4 模拟传输与数字传输2.4.1 模拟传输系统第 2 章 物理层（续）*2.4.2 调制解调器 *2.4.3 数字传输系统*2.5 信道复用技术2.5.1 频分复用、时分复用2.5.2 波分复用*2.6 同步光纤网SONET（自学内容） 2.7 物理层标准举例2.7.1 EIA-232-E接口标准2.7.2 RS-449接口标准 2.8 物理层设备介绍-中继器和集线器2.1 物理层的基本概念n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： n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。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。n规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型 传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器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 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机几个术语n数据(data)运送信息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。 模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器 2.2.2 有关信号的几个基本概念n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。n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)。n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)信号和宽带(broadband)信号 n基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 n宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 2.2.3 信道的极限信息传输速率 n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。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s nW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明 n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。 n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。 n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。n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。 2.2.4 数据编码技术n一、数据通信编码作用一、数据通信编码作用n在通过通信媒体发送信息之前，信息必须被编码形成信号。n在数据通信中，编码的作用是用信号来表示数字信息。n二、常见数据通信编码二、常见数据通信编码n单极性编码、极化编码、双极性编码等。单极性编码的名称就是指它的电压只有一极。因此，二进制的两个状态只有一个进行了编码，通常是1。另一个状态，通常是0，由零电压或是线路空闲态来代表。极化编码采用两个电压值：一个正电压，一个负电压。双极性编码，像归零编码(RZ)一样，也是用三个电平值：正电平、负电平和零。但是与归零RZ编码不同的是，电平值0在双极性编码中是代表二进制0的。正负电平交替代表比特1。 2.2.5 同步异步传输基本概念n由传输介质联接起来进行数据交换的两台设备，其工作必须密切配合。每次经过介质发送的各位数据，其定时对发送机和接收机必须是相同的，即相互是同步的。n传输数据的同步方式有两种：异步传输与同步传输。 异步传输注意：异步传输特点异步传输（续）n在异步传输方式中，每次传送一个字符（5-8位），都在每个字符代码前加一起始位，表示该字符代码的开始。在字符和校验码后加一停止位，以示该代码的结束。所以又称起止式同步，起始位编码为0，持续一位时间，停止位编码为1持续l2位。当不发送数据时，发送端连续地发送停止码1。接收端一旦接收到从1到0信号跳变，便知道要开始新字符的发送，利用这种极性的改变便可启动定时机构，实现同步。当接收到停止位，就将定时机构复位，准备接收下一个字符代码。在异步传输中不需要传输时钟脉冲。由于这种方式的字符发送是相互独立的，故称为异步方式。异步传输（续）n异步通信设备易于安装，维护简单且价格便宜；但异步方式由于每一个字符都引入起始和停止位，所以开销大、效率低、速率低，常用于低速传输，如1200b/s或更低的速度。 同步传输注意：同步传输特点(b) 同步传输中面向比特的帧(a) 同步传输中面向字符的帧同步传输（续）n在这种方式中，利用时钟的同步使发送和接收装置之间的定时不发生误差。使时钟保持同步的方法之一，是在接收装置和发送装置之间采用单独的时钟信息，称为同步法。另一种方法是将定时信号包含在数据信号中发送，直接从数据波形本身中提取同步信号，称自同步法。如数字信号利用曼彻斯特编码时，规定传送“0”信号时是先正后负，传送“1”信号时是先负后正。同步传输（续）n由于数据信号都是由二进制码按预定规律编排而成，它包含位、字、句及帧。数据传输的代码结构是由若干位组成字，由若干字组成句，由若干句组成帧，传输时不仅位需要同步，其余字、句、帧都要同步，这就叫群同步。只有做到群同步，接收端才能正确识别字、句、帧等码群。如果只有位同步而无群同步，收到的信号将是一串无意义的码元序列。为使接收装置能确定数据块的开始和结束，每一数据块前、后用同步数据块加上同步定界符等控制信息的组合，常称为帧。帧的实际格式，常取决于传输方案，是面向比特（位）的，还是面向字符方式的。 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(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 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n双绞线n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆双绞线连接器双绞线连接器（续）光纤光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯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输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光纤连接器n光纤接口 FC 圆型带螺纹(配线架上用的最多) ST 卡接式圆型 SC 卡接式方型(路由器交换机上用的最多)n截面工艺 PC 微球面研磨抛光 APC 呈8度角并做微球面研磨抛光 MT-RJ 方型,一头双纤收发一体( 华为8850上有用)n在表示尾纤接头的标注中，我们常能见到“FC/PC”，“SC/PC”等，其含义如下： “/”前面部分表示尾纤的连接器型号 “/”后面表明光纤接头截面工艺，即研磨方式 2.3.2 非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广。n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。n微波在空间主要是直线传播。 n地面微波接力通信n卫星通信 微波传播(a)In the VLF, LF, and MF bands, radio waves follow the curvature of the earth.(b) In the HF band, they bounce off the ionosphere.2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统 n长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式nFDM (Frequency Division Multiplexing)n目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。 2.4.2 调制解调器 n数据经过模拟传输系统后会出现差错。 出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻几种最基本的调制方法 n调制就是进行波形变换（频谱变换）。 n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n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 010011100基带信号调幅调频调相调制解调器使用异步通信方式 n数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：n同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。n异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。 n异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。2.4.3 数字传输系统 n现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。 采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原时分复用 n为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。n中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。n美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 ms15 个话路15 个话路2.5 信道复用技术 n2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 n频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。n时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。 频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5频分复用(续)(a) The original bandwidths.（原来的带宽）(b) The bandwidths raised in frequency.（带宽被升频）(c) The multiplexed channel.（多路复用的通道）时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.5.2 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km2.6 同步光纤网 SONET （自学内容）n旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面： n速率标准不统一。n如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。 n不是同步传输。n在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。 同步光纤网 SONETn同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 SONET 的体系结构 光子层路径层线路层段层线路光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径SONET 标准定义了四个光接口层 n光子层(Photonic Layer)n处理跨越光缆的比特传送。n段层(Section Layer)n在光缆上传送 STS-N 帧。n线路层(Line Layer)n负责路径层的同步和复用。n路径层(Path Layer) n处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。 2.7 物理层标准举例2.7.1 EIA-232-E 接口标准nDTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。nDCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。 DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连 DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境EIA-232/V.24 的信号定义 (1) 保护地(2) 发送数据(3) 接收数据(4) 请求发送(5) 允许发送(6) DCE 就绪(7) 信号地(8) 载波检测(20) DTE 就绪(22) 振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器两个 DTE 通过 DCE进行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/ V.24 接口调制解调器网 络利用虚调制解调器与两台计算机相连 插头插头插座插座计算机虚调制解调器计算机（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示2.7.2 RS-449 接口标准 nRS-449 由 3 个标准组成。即：nRS-449nRS-423-AnRS-422-A 2.8 物理层设备介绍n信号在沿电缆传输时，将产生衰变和变形，如果电缆太长，衰减将使信号无法识别，中继器则使得信号能够传送的更远。n中继器 中继器是如何工作的？ 中继器工作在的物理层工作在的物理层，中继器从一个网段取得衰减的信号，重新生成这个信号，然后传向下一个网络。中继器n为了将数据有效的从一个网段传送到另一个网段，每个网段上的数据包格式和逻辑链路协议每个网段上的数据包格式和逻辑链路协议必须是一样的必须是一样的。即中继器不转换或过滤任何东中继器不转换或过滤任何东西西。n中继器两边的网段必须有同样的访问方法。CSMA/CD和令牌传送，中继器不能将一个使用CSMA/CD的网段连接到另一个使用令牌传送的网段上。也就是说，中继器不能将以太网数据包转换成令牌环数据包。中继器（续）n中继器能够将数据包从一种物理媒介传送到另中继器能够将数据包从一种物理媒介传送到另一种物理媒介一种物理媒介。中继器（续）100BaseTHubEthernetEthernet中继器和集线器1中继器（续）100BaseTHubEthernetToken Ring中继器和集线器2集线器n集线器 集线器类似“多端口的中继器”中继器和集线器n需注意的问题：需注意的问题： 1.没有隔离或过滤, 中继器也把广播风暴从一个网段发送到另一个网段。 2.中继器将每一比特从一个网段发送到另一个网段，即使数据包错误或没有任何用处的数据包，它也一样传送。 3.中继器能够将数据包从一种物理媒介传送到另一种物理媒介本章小结n物理层：进行机械的、功能的、过程的、电气的及光学的接口定义。n通信基本概念，同步与异步传输n传输介质（有线、无线；特性、标准、连接器）n多路复用（优点、频分、时分、光分）n各种接口的定义实例n集线器工作原理和特征