第3章物理层课件

第3章物理层3.1物理层的基本概念3.2传输介质3.3物理层接口协议

3.4常用的物理层接口标准3.5物理层网络互连设备3.6数据传输技术思考题与习题3.1物理层的基本概念由前述可知，物理层是OSI体系结构中的最低一层。它向上毗邻数据链路层，向下直接与传输介质相连接。它起着数据链路层和传输介质之间的逻辑接口作用。

ISO/OSI参考模型对物理层的描述是：物理层为传送二进制比特流数据而激活、维持、释放物理连接所提供的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。这种物理连接可以通过中继系统，每次都在物理层内进行二进制比特流数据的中继传输。这种物理连接允许进行全双工或半双工的二进制比特流传输。物理层服务数据单元(即二进制比特流)的传输可通过同步方式或异步方式进行。由此可见，物理层接口协议的主要内容是：①提供物理连接的四种特性，即机械特性、电气特性、功能特性、规程特性。这些特性约定了使用什么样的物理信号来表示数据“1”和“0”；一位信号的持续时间多长；物理层与传输介质的连接接口(插头和插座)有多少针以及各针的功能和动作时序。②为传送物理层服务数据单元——非结构化的比特流确定通信方式、同步方式和编码规则。物理层为数据链路层提供的主要服务是：①物理连接，即为数据链路层的实体之间进行透明的位流传输建立联系。物理连接的建立将涉及到连接方式(即点对点连接或多点连接)和传输方式(包括通信方式、同步方式等)的选择、资源(如物理传输介质、中继电路、缓冲区等)的分配等问题。②确定服务质量参数，比如误码率、传送速度、传输延迟、服务可用性等。物理连接的质量是由组成它的传输介质、物理设备等决定的。从服务质量参数可得出物理连接为数据链路层所提供的服务质量。需要强调是，凡是具备上述协议和服务定义的层，即为物理层。物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特流，而不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输介质。我们知道，现代计算机网络中的物理设备和传输介质的种类繁多，而通信手段也越来越丰富，物理层在数据链路层和传输介质之间起了屏蔽和隔离作用，使数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输介质是什么。与OSI参考模型的其他层相比，物理层标准是不完善的。因为它没有提到物理实体、服务原语、物理层协议数据单元等概念，而是经常讲物理层的服务数据单元——比特流、物理连接等。其原因是，早在ISO／OSI参考模型提出之前，许多属于物理层的接口协议就已经制定出来了，而且在物理层采用这些接口协议的物理设备也被大量产业化，并广泛应用于数据通信领域。在这样的实现背景下，如果ISO在制定物理层标准时，仍像其他层那样，提出严格的服务定义和协议规范，硬性地制定一套OSI参考模型物理层的标准，势必很难得到应用和推广。况且，已经存在的物理层规范还是比较成功的。因此，ISO对OSI参考模型物理层的标准化工作并没有像其他层那样严格定义，只是提出了如上所述的描述。3.2传输介质传输介质是为数据传输提供物理的通路，并通过它把网络中的各种设备互连在一起。在现有的计算机网络中，用于数据传输的物理介质有很多种，每一种介质的带宽、时延、抗干扰能力和费用以及安装维护难度等特性都各不相同。本节将介绍计算机网络中常用的一些传输介质及其有关的通信特性。3.2.1有线介质1.双绞线双绞线又称为双扭线，它由若干对铜导线(每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合在一起)组成。采用这种绞合起来的结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰的能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层。根据是否外加屏蔽层，双绞线又可分为屏蔽双绞线STP(ShieldTwistedPair)和非屏蔽双绞线UTP(UnShieldTwistedPair)两类(如图3-1所示)。非屏蔽双绞线的阻抗值为100Ω，其传输性能适应大多数应用环境要求，应用十分广泛，是建筑物内结构化布线系统主要的传输介质。屏蔽式双绞线的阻抗值为150Ω，具有一个金属甲套，对电磁干扰EMI(ElectromagneticInterference)具有较强的抵抗能力。因其使用环境要求苛刻，以及产品价格成本等原因，目前应用较少。图3-1双绞线结构示意图双绞线既可用于模拟信号传输，也可用于数字信号传输，其通信距离一般为几到十几公里。导线越粗，通信距离越远，但导线价格也越高。由于双绞线的性能价格比相对其他传输介质要好，所以使用十分广泛。随着局域网上数据传输速率的不断提高，美国电子工业协会的远程通信工业分会(EIA/TIA)在1995年颁布了新的“商用建筑物电信布线标准”EIA/TIA-586-A。此标准规定了5个种类的UTP标准(从1类线到5类线，见表3-1)。最常用的UTP是3类线和5类线。5类线与3类线的主要区别是：前者大大增加了每单位长度的绞合次数；其次，在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度上都经过了精心的设计，并在生产中加以严格的控制，使干扰在一定程度上得以抵消，从而提高了线路的传输特性。目前，在结构化布线工程建设中，计算机网络线路普遍采用100Ω的5类或者超5类(5e)的非屏蔽双绞线系列产品作为主要的传输介质。EIA/TIA-586标准会随着技术的发展而不断修正和完善，例如，在1998年4月已有6类双绞线的草案问世。表3-1EIA/TIA-A标准双绞线适用范围1类双绞线电话传输2类双绞线电话和低速数据传输(最高4Mb/s)3类双绞线10Mb/S的10Bas-T以太网数据传输4类双绞线16Mb/s的令牌环网5类双绞线100Mb/s的100Base-TX和100Base-T4快速以太网2.同轴电缆同轴电缆由内导线铜质芯线、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以及保护塑料外层所组成(如图3-2所示)。同轴电缆的这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性，并且可在共享通信线路上支持更多的站点。按特性阻抗数值的不同，同轴电缆又分为两种，一种是50Ω的基带同轴电缆；另一种是75Ω的宽带同轴电缆。图3-2同轴电缆结构示意图(1)基带同轴电缆。一条电缆只支持一个信道，传输带宽为1～20Mb/s。它可以10Mb/s的速率把基带数字信号传输1～1.2km远。所谓“基带数字信号传输”，是指按数字信号位流形式进行的传输，无需任何调制。它是局域网中广泛使用的一种信号传输技术。(2)宽带同轴电缆。宽带同轴电缆支持的带宽为300～450MHz，可用于宽带数据信号的传输，传输距离可达100km。所谓“宽带数据信号传输”是指可利用多路复用技术在宽带介质上进行多路数据信号的传输。它既能传输数字信号，也能传输诸如话音、视频等模拟信号，是综合服务宽带网的一种理想介质。同轴电缆的类型如表3-2所示。表3-2同轴电缆的类型电缆类型网络类型电缆电阻/端接口器(口)RG-810Base5以太网50RG-1110Base5以太网50RG-58A/U10Base2以太网50RG-59/UARCnet网，有线电视网75RG-62A/UARCnet网933.光纤光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲的出现表示“1”，不出现表示“0”。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其他各种传输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成(如图3-3所示)。芯是光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都有它自己的封套。这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯低，从而使光波保持在芯内。环绕一束或多束封套纤维的外套由若干塑料或其他材料层构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等伤害。图3-3光纤结构示意图在数据传输中，最重大的突破之一就是实用光纤通信系统的成功开发。含有光纤的传输系统一般由三个部分组成：光源、光纤传输介质和检测器。其中，光源是发光二极管或激光二极管，它们在通电时都可发出光脉冲；检测器是光电二极管，遇光时，将产生电脉冲。它的基本工作原理是：发送端用电信号对光源进行光强控制，从而将电信号转换为光信号，然后通过光纤介质传输到接收端，接收端用光检波检测器再把光信号还原成电信号。实际上，如果不是利用一个有趣的物理原理，光传输系统会由于光纤的漏光而变得没有实际价值。当光线从一种介质穿过另一种介质时，如从玻璃到空气，光线会发生折射，如图3-4(a)所示。当光线在玻璃上的入射角为α1时，则在空气中的折射角为β1。折射的角度取决于两种介质的折射率。当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时，光纤将完全反射回玻璃，而不会漏入空气。这样，光纤将被完全限制在光纤中，而几乎无损耗地传播，如图3-4(b)所示。根据传输数据的模式不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤意指光在光纤中的传传播可能是有多条不同入射角度的光线在一条光纤中同时传播(如图3-5所示)。这种光纤所含纤芯的直径较粗。单模光纤意指光在光纤中的传播没有反射，沿直线传播(如图3-6所示)。这种光纤的直径非常细，细到只有一个光的波长，就像一根波导那样，可使光线一直向前传播。这两种光纤的性能比较见表3-3。图3-4光折射原理图图3-5多模光纤传送模式图3-6单模光纤传送模式表3-3单模光纤与多模光纤的比较项目单模光纤多模光纤距离长短数据传输率高低光源激光发光二极管信号衰减小大端结较难较易造价高低光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、高速率的数据传输，而且具有很好的保密性能。但是，光纤的衔接、分岔比较困难，一般只适应于点到点或环形连接。FDDI(光纤分布数据接口)就是一种采用光纤作为传输介质的局域网标准。最后要提一下，在有线介质中，还有一种是架空明线。这是在20世纪初就已经大量使用的方法，即在电线杆上架设的一对对互相绝缘的明线。架空明线安装简单，但通信质量差，受气候环境等影响较大。所以，在发达国家中早已淘汰了架空明线，在许多发展中国家中也已基本停止了架设架空明线。但目前我国在一些农村和边远地区或受条件限制的地方仍有不少的架空明线使用着。3.2.2无线介质如果经过一些高山、岛屿或偏远地区时，用有线介质铺设通信线路就非常困难，尤其在信息时代，很多人需要利用笔记本电脑、袖珍计算机随时、随地与社会或单位保持在线联系，获取信息。对于这些移动用户，有线介质无法满足他们的要求，而无线介质可以帮助他们解决上述问题。无线介质是指信号通过空气载体传播，而不被约束在一个物理导体内。常用的无线介质有无线电波、微波和卫星通信等。1.无线电波大气中的电离层是具有离子和自由电子的导电层。无线电波通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射，或电离层与地面的多次反射而到达接收端的一种远距离通信方式，如图3-7所示。由于大气层中的电离层高度在距地面数十公里至百余公里以上，可分为各种不同的层次，并随季节、昼夜以及太阳活动情况而发生变化。除此之外，无线电波还受到来自水、自然物体和电子设备的各种电磁波等的干扰。因而无线电波通信与其他通信方式相比，在质量上存在不稳定性。图3-7无线电波的传播无线电波被广泛地用于室内通信和室外通信，因为无线电波很容易产生，传播距离很远，并很容易穿过建筑物，而且它可以全方向传播，使得无线电波的发射和接收装置不必要求精确对准。无线电波通信使用的频率一般在3MHz～1GHz。它的传播特性与频率有关。在低频段，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减；在高频段，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡。2.微波频率在100MHz以上并且其能量集中于一点并沿直线传播的无线电波即为微波。微波通信就是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式。由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确地定位对准，这种高度定向性使得成排的多个发射设备与成排的多个接收设备相互并行通信而不发生串扰。最常见的微波天线是抛物线曲面“圆碟”(形状类似卫星接收天线)，典型的直径大约为3米。它可将微波的能量集中于一小束，从而可获得极高的信噪比。微波天线通常设置在地面之上较高的位置，以便加大收发两个天线之间的距离，同时能够排除天线之间障碍物的干扰。为实现微波远程传输，需要建立一系列微波中继塔站——转发器，以构成微波接力信道(如图3-8所示)。转发器之间的距离大致与天线塔高度的平方成正比，在没有任何干扰障碍物的情况下，两个天线之间的最大距离由下列公式确定：(3-1)式中，为两个天线之间的距离，以为单位；为天线高度，以为单位；是调整因子。引入主要考虑以下事实：微波会随着地球表面的弯曲而弯曲和折射，因此微波要比光学上的可见直线距离传播得更远。一个好的经验法则是。图3-8地面微波接力示意图微波广泛用于远程通信。按所提供的传输信道可分为模拟微波和数字微波两种类型。目前，模拟微波通信主要采用频分多路复用技术和频移键控调制方式，其传输容量可达30～6000个电话信道。数字微波通信目前大多采用时分多路复用技术和频移键控调制方式，和数字电话一样，数字微波的每个话路的数据传输率为64Kb/s。在传输质量上，微波通信相对无线电波通信要稳定。微波通信常用的工作频率为2GHz、4GHz、8GHz、12GHz。所用的频率越高，潜在的带宽就越宽，因而潜在的数据传输速率也就越高。表3-4给出了一些典型数字微波系统的带宽和数据传输速率。表3-4典型工作频率的数字微波性能工作频率带宽(MHz)数据传输速率(Mb/s)271263090114090182202703.卫星微波通信卫星实际上是一个微波中继站，卫星用来连接两个或多个基于地面的微波发射/接收设备。卫星接收某一频段(上行链路)的发射信号，然后放大并用另一频段(下行链路)转发它。图3-9给出了通过卫星微波传播的通信系统示意图。图3-9通过卫星微波传播的通信系统示意图为了有效地工作，通常要求通信卫星处在相对于地面静止的位置上，否则，它就无法保持在任何时刻都处在它的各个地面站的视域范围之内。为此，要求通信卫星的旋转周期必须等于地球的自转周期，以保持相对的静止状态。卫星满足上述要求的匹配高度是35784km。如果使用相同或十分接近频段的两个卫星，则将会相互产生干扰。为了避免出现干扰问题，一般要求在4～6Ghz频段上有(从地球上测量出的角位移)的间隔，在12～14GHz频段上有的间隔。这使得能在地球静止轨道上设置的通信卫星数量十分有限。卫星最重要的应用领域包括电视转播、远程电话传输、企业应用网络等。由于卫星的广播特性，使得它特别适合用于广播服务网。卫星技术在电视转播方面的最新应用是直播卫星，它可把卫星视频信号直接发射到家庭用户中。除了上述的无线介质外，还有无导向的红外线、激光等通信介质，前者广泛地用于短距离通信，如电视、录像机、空调器等家用电器使用的遥控装置都利用了红外线装置，它们有方向性，便宜且易于制造；后者可用于建筑物之间的局域网连接，因为它具有高带宽和定向性好的优势，但是，它易于受天气、热气流或热辐射等影响，使得它的工作质量存在不稳定性。表3-5列出了常用介质的传输特性。最后需要说明的是，传输介质与信道之间是有区别的，前者是指传输数据信号的物理实体；而后者是为传送某种信号提供所需的带宽，更强调了介质的逻辑功能。也就是说，一个信道既可能由多个传输介质级联而构成，一个传输介质也可能同时提供多个信道，多路复用技术正是利用了这个特性。表3-5常用介质的传输特性传输介质传输速率传输距离抗干扰性价格适用范围双绞线模拟：300～3400Hz;数字：10～100Mb/s几十千米一般(对电磁干扰比较敏感)低局域网(模拟信号传输、数字信号传输)50欧姆同轴电缆10Mb/s1km内较好一般局域网(基带数字信号传输)75欧姆同轴电缆300～900MHz100km较好较高CATV(模拟传输(可采用频分多路复用技术划分多个信道))光纤100M～10Gb/s30km很好较高长话线路、主干网(远距离高速传输)无线电波30MHz～1GHz全球相对较差较低广播(远程低速通信)微波4～40GHz几百千米

低于同容量、同长度的电缆电视(远程通信)卫星1GHz～10GHz

费用与距离无关电视、电话、广域网(远程通信)3.3物理层接口协议物理层接口主要指数据终端设备DTE(DataTerminalEquipment)和数据传输电路端接设备DCE(DataCircuit-terminalEquipment)之间的接口。这里DTE就是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备，它可以是一台计算机或一个终端，也可以是各种的I／O设备等。由于数据终端设备的数据传输能力是很有限的。直接将相隔很远的两个终端设备连接起来是无法进行通信的。必须在数据终端设备和传输线路之间加上一个中间设备——DCE，它的作用就是在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，它可以是指多路复用器、集中器、调制解调器等。

DTE与DCE之间的接口一般都有若干条并行线，包括各种信号线和控制线。DCE将DTE传过来的数据按比特流顺序逐个发往传输线路，或者反过来，从传输线路上接收串行的比特流，然后再交给DTE。显然，这些操作的完成需要DTE与DCE间接口信号线的高度协调工作。为了减轻数据处理设备的负担，就必须对DTE和DCE的接口进行标准化。这种接口标准也就是所谓的物理层接口协议。因此，物理层接口协议是用于定义DTE与DCE之间的物理接口，并为物理接口规定了机械连接特性、电气信号特性、信号功能特性以及信号规程特性。3.3.1机械特性机械特性规定了DTE与DCE(或DTE与DSE或DSE与DSE)之间的连接器形状、大小、尺寸，各个接线引脚的引脚数目和排列，固定和锁定措施等。这一特性如同我们常见的各种规格电源插座、插头的形状和大小都有严格的规格。ISO物理层的机械特性的标准如下：(1)ISO2110：为25针插头的DTE-DCE接口的连接器。它与美国的EIARS-232C、EIARS-366A兼容。常用于串行和并行的音频调制解调器、公共数据网接口、自动呼叫设备接口等。(2)ISO2593：为32针插头的DTE-DCE接口的连接器。用于CCITTV.35建议的宽带调制解调器。(3)ISO4092：为37针插头的DTE-DCE接口的连接器。它与美国的EIARS-449兼容。常用于串行音频调制解调器，宽带调制解调器。(4)ISO4093：为15针插头的DTE-DCE接口的连接器。常用于CCITTX.20，X.21，X.22建议所规定的公共数据网接口。3.3.2电气特性电气特性规定了DTE-DCE接口电缆上传送信号的电压大小，即信号1和信号0的电压值；传号和空号的电压识别等；最大数据传输率的说明；发送端与接收端间电路特性的说明等。ISO物理层采用的电气特性的标准如下：(1)CCITTV.10／X.26建议：在数据通信中，通常与集成电路一起使用的新型的非平衡式接口电路的电气特性。它与EIARS-423A兼容。(2)CCITTV.11／X.27建议：在数据通信中，通常与集成电路一起使用的新型的平衡式接口电路的电气特性。它与EIARS-422A兼容。(3)CCITTV.28建议：非平衡式接口电路的电气特性。它与EIARS-232C兼容。(4)CCITTV.35建议：平衡式接口电路的电气特性。图3-10给出了几种接口电路的电气特性。图3-10常见的电气特性3.3.3功能特性在DTE-DCE接口，规定了每一信号引脚线的功能分配和确切定义。比如数据线、控制线、定时线(同步信号用线)、地线等。ISO物理层采用的功能特性的标准如下：(1)CCITTV.24建议：DTE-DCE接口定义表，它提出了100系列接口和200系列接口。与100系列兼容的有EIARS-232C、RS-449，与200系列兼容的有EIARS-366A。我国的国家标准GB3454-82与V.24兼容。(2)CCITTX.24建议：DTE-DCE接口定义表，它是在X.20、X.21和X.22的基础上发展而成的，用于公共数据网。

3.3.4规程特性规程性特性定义了DTE-DCE接口进行二进制比特流传输过程的一组操作序列，即各信号引脚线的工作规程和时序关系。ISO物理层采用的规程性特性的标准如下：(1)CCITTX.20建议：公共数据网上起止式操作的DTE-DCE接口规程。

(2)CCITTX.21建议：公共数据网上同步工作的DTE-DCE接口规程。(3)CCITTX.22建议：公共数据网上多路时分复用的DTE-DCE接口规程。(4)CCITTV.24建议：交换电路之间建立起相互联系需要提供的标准规程性特性。它与EIARS-232C和RS-449具有相同的规程性特性。(5)CCITTV.25建议：在普通电话交换网上使用自动呼叫应答设备的线路接线控制规程。

最后，需要说明的一点是，具体的物理层协议是相当复杂的。这是因为物理连接的方式很多(例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接)，而传输介质的种类也非常之多(如架空明线、同轴电缆、光导纤维、双绞线，以及各种无线介质等)。因此，在学习物理层时，应将重点放在掌握基本概念上。3.4常用的物理层接口标准物理层接口主要涉及各种传输介质和传输设备的接口。由于传输介质和传输设备的种类繁多，所以物理层接口的标准也非常多。这里将扼要介绍一下常用的物理层接口标准。3.4.1EIARS-232CRS-232C是美国电子工业学会(EIA)制定的物理接口标准，这里“RS”表示EIA的一种“推荐标准”，“232”是个编号。它最初是为促进利用公共电话网络进行远程数据通信而制定的。图3-11是利用RS-232C接口实现远程数据通信的一个连接示意图。后来，当计算机之间使用RS-232C接口直接相连时，引入了一种虚调制解调器的电缆，以解决在不使用调制解调器的情况下，RS-232C接口需要DTE-DCE成对使用的问题。图3-12是利用RS-232C接口实现计算机或终端之间近距离数据通信的连接图。图3-11利用公共电话交换网实现远程连接图3-12计算机或终端之间的直接RS-232C连接

RS-232C标准是用于DTE-DCE之间的串行二进制通信，数据传输速率为0～20kb/s，电缆长度限制在30m之内。它的不足之处是：传输性能低，距离短，速率低。最后改进设计了X.21标准。目前，RS-232C接口不仅广泛用于公共电话网的远程数据通信中，而且也被广泛用于计算机之间或计算机与终端之间的近距离数据通信中。

RS-232C的接口特性见表3-6；功能特性见表3-7。表3-6RS-232-C接口特性类别特性机械特性使用ISO2110的标准，即25芯连接器，DTE为插头，DCE为插座电气特性与CCITTV.28建议书一致。采用非平衡型电气特性，逻辑“1”或传号状态的电压范围为－15～－5V；逻辑“0”或空号状态的电压范围为15～5V，所允许的线路电压降为2V。非平衡传输，其所有电路共享一个公共的地线。平衡传输是每个主要电路需要两根地线，没有公共的地线功能特性与CCITTV.24建议书一致。定义了21条线和许多子集，基本与CCITTV.24兼容。具体内容见表3-7所示规程特性规定了控制信号在不同的情况下有效(接通状态)和无效状态(断开状态)的顺序和相互关系。对不同的功能子集，有不同的规程。RS-232C有14种不同的接口类型，适合于单工、半双工、全双工、同步、异步表3-7RS-232C功能特性电路名称方向说明引脚号地线AA保护地线

1AB信号地线与公共返回线

为所有的交换电路建立公共返回参考点7数据BA发送数据DTE→DCE向通信信道传输数据信号2BB接收数据DTE←DCE接收来自通信信道的数据信号3CA请求发送DTE→DCE请求向通信信道发送数据4CB准备发送DTE←DCE指出DCE是否已准备好发送数据5CC数传机准备好DTE←DCE指出DCE是否处在数据方式6CD数据终端准备好DTE→DCE控制DCE与通信们道间的信息交换20CE振铃指示DTE←DCE指出DCE是否开始接收“环信号”22CF接收线路信号检测DTE←DCE指出DCE是否正在接收信道上的信号8CG信号质量检测DTE←DCE指出在接收数据中发生错误的概率21CH数据信号速率选择(DTE源)DTE→DCE发送数据信号速率的选择23CI数据信号速率选择(DTE源)DTE←DCE指出一种信号发送速率18定时DA传输信号元件定时(DTE源)DTE→DCE为数据传输提供定时信号24DB发送信号元件定时(DTE源)DTE→DCE同上15DD接收信号元件定时(DTE源)DTE←DCE为接收数据提供定时信号17次级信道SBA次级信道发送数据DTE→DCE与BA等同(应用在次级信道)

SBB次级信道接收数据DTE←DCE与BB等同(同上)

SCA次级信道请求数据DTE→DCE与CA等同(同上)

SCB次级信道清除数据DTE←DCE与CB等同(同上)

SCF次级信道接收线路信号检测DTE←DCE与CF等同(同上)

下面针对图3-11的远程通信例子，说明DTE-A要向DTE-B发送数据所要经过的规程或步骤：(1)当DTE-A要和DTE-B进行通信，就将引脚20“DTE就绪”置为ON，同时通过引脚2“发送数据”向DCE-A传送电话号码信号。(2)DCE-B将引脚22“振铃指示”置为ON，表示通知DTE-B有(某人的)呼叫信号到达(在振铃的间隙以及其他时间，振铃指示均为OFF状态)。DTE-B就将其引脚20“DTE就绪”置为ON。DCE-B接着产生载波信号，并将引脚6“DCE就绪”置为ON，表示已准备好接收数据。(3)当DCE-A检测到载波信号时，将引脚8“载波检测”和引脚6“DCE就绪”都置为ON，以便使DTE-A知道通信电路已经建立。DCE-A还可通过引脚3“接收数据”向DTE-A发送在其屏幕上显示的信息。接着DCE-A向DCE-B发送载波信号，DCE-B将其引脚8“载波检测”置为ON(至此，完成了传输信道的物理连接建立)。(4)当DTE-A要发送数据时，将其引脚4“请求发送”置为ON。DCE-A作为响应将引脚5“允许发送”置为ON(这一过程是实现传输信道的逻辑连接建立)。

(5)DTE-A通过引脚2“发送数据”向对接的远端DTE-B发送数据。首先由DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送过去，然后，DCE-B将收到的模拟信号转换为数字信号经过引脚3“接收数据”向DTE-B传递。(6)当DTE-A发送完数据后，首先通过引脚4、5断开数据链路的逻辑连接。随后，再通过引脚6、8、20断开数据链路的物理连接。

RS-232C的其他引脚作用是：选择数据的发送速率，测试调制解调器，传送数据的码元定时信号，以及从另一个辅助信道反向发送数据等。但是这些引脚在实际中很少使用。3.4.2EIARS-449/422A/423ARS-449也是EIA的接插件规格，它是在RS-232C的基础上发展起来的，并有取而代之的倾向。RS-449是EIA于1977年11月公布的，主要改进体现在：改善了性能，加大了接口电缆距离，提高了数据传输率；增加了新的接口功能，例如回送检查；解决了机械接口问题。实际上，RS-449由3个标准组成。(1)RS-449：规定了接口的机械特性、功能特性和过程特性。RS-449采用37根引脚的插座。在CCITT的建议书中，RS-449相当于V.35。(2)RS-423A：规定在采用非平衡传输时(即所有的电路共用一个公共地)的电气特性。当连接电缆长度为10m时，数据的传输速率可达300kb/s。(3)RS-422A：规定在采用平衡传输时(即所有的电路没有公共地)的电气特性。它可将传输速率提高到2Mb/s，而连接电缆长度可超过60m。当连接电缆长度更短时(如10m)，传输速率还可以更高些(如达到10Mb/s)。

通常RS-232／V.24用于标准电话线路(一个话路)的物理层接口，而RS-449／V.35则用于宽带电路(一般都是租用电路)，其典型的传输速率为48～168kb/s，都是用于点到点的同步传输。它的接口特性如表3-8所示。表3-8RS-449接口特性类别特性机械特性37芯或9芯连接器电气特性与RS-232C相连，采用非平衡型电气特性RS-423A，速率为20Kb/s以下。其他情况，采用平衡型电气特性RS-422A和RS-423A，速率为20Kb/s～2Mb/s功能特性定义了30条功能线。保留了在RS-232C中定义的基本交换电路的功能规程特性基本上以RS-232C为基础

RS-449标准的接口电路可分为5类：地或公共电路、数据电路、控制电路、定时电路和辅助信道电路。它除了在电气特性及机械特性方面与RS-232C标准不同之外，还有以下主要不同点：(1)RS-449新定义了10个接口电路。其中包括3个用于测试状态的电路；2个用于控制DCE在辅助信道传输的电路；1个在DTE控制下提供终止使用功能的接口电路；1个提供新信号功能的电路和1个对DCE进行频率选择的电路。RS-449还定义了2个为每个方向传输提供公共参考的接口电路。(2)有3个RS-232C的接口电路(即引脚1、9、10)在RS-449中没有定义。它们是保护地和两个留作测试用的接口电路。(3)对电路功能的某些定义作了改变。如，将RS-232C中的DSR(数据设备就绪)引脚名改为DM(数据方式)，相应功能也发生了改变。(4)RS-449标准中的所有电路标识名都和RS-232C的电路标识名不同，其主要目的是防止它们之间相互混淆。图3-13给出的是RS-449／V.35的一些主要控制信号，包括发送、接收数据的接口。在DTE和DCE之间的连线上注明的“2”字，表明它们都是一对线。图中所示的几对线，在DTE方标注的是该线的英文缩写名称，而在DCE方还有对应的中文名称。

图3-13RS-499/V.35的信号定义3.4.3EIARS-530RS-530也是EIA的接插件规格。它是1987年颁布的，作为对RS-449标准的改进建议。RS-530是RS-232C、RS-422A和RS-423A的结合物，它支持的数据传输率的范围从20Kb/s～2Mb/s，因此不能取代RS-232C。EIARS-530的接口特性如下：(1)机械特性：EIARS-530采用了标准的25芯连接器。(2)电气特性：EIARS-530的电气特性遵循RS-422A标准，但有些细微的差别；其诊断电路则遵循RS-423标准。(3)功能特性：包括RS-232C中的所有重要功能和电路，如TxD、RxD、DTR、DSR、RTS、CTS、CD以及3个时钟电路。EIARS-232C中的诊断电路也包括在内。(4)规程特性：与RS-232C基本类似。3.4.4CCITTX.21

前述的接口标准都是支持模拟信道的远程数据通信。CCITTX.21是为支持数字信道的远程数据通信而制定的接口标准，即关于公共数据网PDN同步工作的DTE-DCE数字化接口标准。(1)机械特性：X.21建议的机械接口为15芯的DTE-DCE接口连接器。X.21的机械接口采用了最新技术，如插头屏蔽技术，机械特性齐全、可靠。它增加了对交换电路中连接器插头数量的分配功能，这种功能允许交换电路向多对互联电缆提供连接。因此，每个交换线路都是成对操作的，它特别为每一个交换线路提供了两根引线，这样能省略插头连接的接口线。(2)电气特性：X.21建议的数据速率为600b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、48000b/s。为了增加DTE按多种速率设计的灵活性，允许DTE使用新的平衡或非平衡的电气性能，即CCITTX.26建议。但为了保证数据传输的高可靠性，48kb/s的传送速率仅使用于平衡电气性能的系统中。(3)功能特性：图3-14给出了X.21的基本交换线路的信号定义。图中的发送线路、接收线路用来传送用户数据；网络控制信息由控制线路和指示线路承担；电路的定位由信号计时线路提供；二进制计时线路传递字节定时信息。此外还有公共地线和信号用地线。这些交换线路的详细定义在CCITTX.24建议中作了说明。(4)规程特性：X.21的规程特性可分为三个阶段。图3-14X.21接口的基本引脚信号定义①空闲或静止阶段：在此阶段中，接口不工作，类似电话网中电话挂起。②控制阶段(即呼叫建立与清除阶段)：呼叫建立是指通过控制线路和指示线路信号来建立DTE与远程DTE间的物理连接，类似电话系统中拨电话号码连通线路；呼叫清除是指通过控制线路和指示线路信号来断开DTE与远程DTE间的物理连接，相当于电话系统中通话结束后挂机。

③数据传输阶段：在此阶段，通信双方利用发送线路和接收线路彼此交换数据，类似电话系统中双方通话。表3-9给出了利用X.21接口实现DTE与远程DTE间的一次通信的工作过程。表3-9X.21接口的工作过程步骤C线I线电话中类似事件DTE在T上发送DCE在R上发送0断断线路空闲T=1R=11通断DTE摘机T=0

2通断DCE给出拨号音

R=“++++…+”3通断DTE拨电话号码T=地址

4通断远地电话振铃

R=呼叫进行5通通远地DTE摘机

R=16通通对话T=数据R=数据7断通DTE说再见T=0

8断断DCE说再见

R=09断断DCE挂机

R=110断断DTE挂机T=1

其具体过程如下：第0步：当接口空闲时，4条信号线T，C，R和I都传送“1”码(即约定为“断”)。第1步：当DTE要发出呼叫时，它将T线置为“0”，并置C线为“0”码(即约定为“通”)。这类似于某人摘机要打电话的情形。第2步：当DCE连入线路准备接收时，它开始经R线连续发出ASCII字符“+”，告诉DTE可以拨地址码。这相当于电话线路畅通，可以拨电话号码。第3步：当DTE收到“+”字符后，就开始经T线逐位发送远程DTE的地址码(一串ASCII字符)。这类似于某人拨电话号码。第4、5步：当DCE接到地址码后，返回远地DTE对呼叫的响应结果。根据CCITT规定，呼叫结果由二位十进制数字组成，第一位表示呼叫结果的一般类型，第二位数字表示详细情况。一般类型包括呼叫连通；请再试(比如对方忙)。呼叫失效可再试，但也会失败(如通路阻塞、远地DTE不工作或DCE不兼容等)。如果呼叫成功，则线路被接通。DCE置I线为“0”，以表明全双工数字线路已连接完成，可以开始传输数据。第6步：双方分别利用T线和R线进行数据交换。这类似于双方通电话。第7步：当通信结束时，两个DTE中的任何一个都可置自己一侧的C线为“1”，说明自己的数据传送完，但仍必须继续接收对方发来的数据，直到对方DTE结束数据发送为止。断开连接一般由主叫方进行。主叫DTE先说“再见”，置C为“1”，置T为“0”。第8、9步：若远程对方也不再发送数据，则DCE也置I线为“1”，R线为“0”，通知DTE它不再发送数据，同时DCE断开与线路的连接(类似挂起电话)，置R=1。第10步：当DTE收到R=1后，即置T为1作为应答，亦挂起电话，使接口又恢复到原来空闲的状态。为了保证各线路信号的准确检测，X.21要求DTE和DCE在发送这些信号时，每个发送周期至少要有24比特的间隔。

X.21与V.24比较，接口线大为减少，方便了连接，接口的电气性能也有所改善。原来与V系列标准的调制解调器相连接的DTE设备，现可通过X.21bis的交换接口机构，连接到基于X.21的数字数据网上。因为X.21bis可以起到从模拟信道过渡到数字信道的转换作用。3.5物理层网络互连设备3.5.1传输介质互连设备1.T型连接器与BNC接插件

T型连接器与BNC接插件都是细同轴电缆的连接器，它对网络的可靠性有着至关重要的影响。同轴电缆与T型连接器是依赖于BNC接插件(如图3-15(a))进行连接的，BNC接插件有手工安装和工具型安装之分，用户可根据实际情况和线路的可靠性进行选择。终端匹配器(也称终端适配器)安装在同轴电缆(粗缆或细缆)的两个端点上，它的作用是防止电缆无匹配电阻或阻抗不正确。无匹配电阻或阻抗不正确，则会引起信号波形反射，造成信号传输错误。图3-15物理层的互连设备(a) BNC接插件(b) RJ-45连接器(c)调制解调器2.RJ-45非屏蔽双绞线连接器

RJ-45连接器有8根连针(如图3-15(b))，在10BASE-T(意指由双绞线互连的、传输速率可达10Mb/s的基带局域网)标准中，仅使用4根，即第1对双绞线使用第1针和第2针，第2对双绞线使用第3针和第6针(第3对和第4对作备用)。具体使用时可参照厂家提供的说明书。3.调制解调器调制解调器的功能是将计算机的数字信号转换成模拟信号或反之，以便在电话线路或微波线路上传输(如图3-15(c))。调制是把数字信号转换成模拟信号；解调是把模拟信号转换成数字信号，它一般通过RS-232接口与计算机相连。4.网卡网卡(如图3-16所示)的功能类似早期前端处理器的功能，它的作用是负责网络底层的数据通信处理，包括物理信号的检测与收发，数据的串并转换等。图3-16网卡(a)正视图(b)侧视图3.5.2物理层互连设备1.中继器由于信号在网络传输介质中有衰减和噪音，使得有用的数据信号变得越来越弱或变形。因此，为了保证有用数据的完整性，并在一定距离范围内传送，要用中继器把所接收到的数据信号进行整形与恢复，并再生放大，以保持与原数据信号相同。中继器主要用于连接同类型局域网网段，以扩展网段的长度。但是，由于中继器本身存在着衰耗和时延，因此，每个局域网中接入的中继器数量必须加以限制。其详细内容将在第6章节中介绍。2.集线器集线器(或称为HUB)是一种具有多端口的中继器(如图3-17所示)。它是目前最重要的网络连接设备。在每个集线器上都提供若干个端口，每个端口可用来接一台网络设备，所用的传输介质是3类非屏蔽双绞线。网络设备与集线器之间的最大距离是100m。用一个集线器与多个设备相连可构成一个LAN，或者是LAN中的一个网段；几个LAN之间通过集线器用同轴电缆或光纤连接起来，可构成更大距离范围的LAN。

图3-17集线器及连接接口利用集线器来连接网络设备有以下优点：(1)利用屏蔽双绞线UTP取代同轴电缆。当用集线器来连接各网络设备时，可用UTP来取代同轴电缆，这不仅降低了传输介质的费用，而且能使建网更方便、容易，也便于管理和维护。(2)能实现各网段之间的隔离。当把若干个网络设备连接到一个集线器上时，形成了—个网段，可用若干个这样的网段构成一个LAN。集线器可实现各网段之间的隔离，即可以使任何一网络设备的故障只影响该设备所在的网段，并不影响其他网段，从而提高了网络的可靠性。(3)可以增加一系列新的功能。在近年所推出的集线器，大都是智能型的，即在集线器中配备了CPU和内存，这样就可在集线器中增加许多新的功能，如用于将各网段互连的网桥功能，用于管理集线器上所有设备的网络管理功能。从功能上看，集线器可分为无源集线器、有源集线器和智能集线器三种。无源集线器只负责把多段介质连接在一起，不对信号作任何处理。所有的集线器端口都被连接到集线器内部单一网段上(如图3-18(a)所示)。虽然其网络拓扑为星形，但整体上为共享的一个传输介质。目前，大多数价格较便宜的固定式或堆叠式集线器都属于这类集线器。有源集线器类似于无源集线器，但它具有对传输信号进行再生和放大作用，从而扩展介质长度的功能。由于它仅具有信号放大、通过网络传播信号功能，但无过滤、无路径确定或交换功能，常用作网络集中点。图3-18集线器分类智能集线器除具有有源集线器的功能外，还可将网络的部分功能集成到集线器中，如网络管理，选择网络传输线路等。由于集线器技术发展迅速，己出现交换技术(在集线器上增加了线路交换功能)和网络分段方式，提高了传输带宽。这类集线器采用集线器背板，支持多个中继网段，将集线器端口分别连接到集线器内部不同的网段上(如图3-18(b)所示)。每个共享网段组成一个广播域，而不同广播域之间是相互隔离的。在集线器内部配置有一个端口交换阵列，以实现集线器端口和背板上的多个网段之间的自动连接。这种网络配置功能是由网络管理员通过网络管理软件控制的(属于静态交换)。网络管理员可根据负载情况，随时改变集线器段扩充的配置。它的主要优点是可以将网络站点分布在多个中继网段上，以分散每个网段上的信息流量负载。图3-19给出了利用集线器连接主机和网络的示意图。图3-19利用集线器互连的网络从结构上看，集线器可以分为固定式、堆叠式和模块式三种。固定集线器是集线器家族中最简单，也是最便宜的一种，集线器端口固定，共享单一网段，每个集线器都是一个完全独立的网络设备。堆叠式集线器是一种通过外部电缆连接进行扩充的集线器，每个可堆叠式集线器既可以单独使用，也可以堆叠起来使用。堆叠式集线器尽管是由多个分立的集线器组合而成，但在逻辑上仍作为单个集线器使用，共享一个网段。也有些产品是共享多个网段，如CHIPCOM公司的OnsembleStackSystemEthernet集线器最多可堆叠8个集线器，多达200个端口，共享外部四个网段。这种集线器端口扩充方式的端口价格、安装费用都比较低。模块式集线器采用机箱方式，集线器端口通过可热插拔模块板插接上去，模板的数量和类型(即模板所支持的网络协议类型)都可根据用户需求来配置，非常方便灵活。模板之间通过机箱内部的高速总线来连接，整体性能比较好。动态交换式集线器通常都采用这种结构。3.6数据传输技术3.6.1多路复用技术多路复用是将多个终端的多路低速或窄带数据加载到一根高速的通信线上传输的技术(如图3-20所示)。使用多路复用技术的目的是为了充分利用通信信道的容量，降低系统的成本。例如，对于一对电话线来说，它的通信频带一般在100kHz以上，而每一路电话信号的频带一般限制在4kHz以下。此时，信道的容量远大于一路电话的信息传送量。若采用多路复用器，可使多路数据信息共享一路信道。当复用线路上的数据流连续时，这种共享方式可取得良好效果。这样做显然比每台终端各用一根通信线路传送更为经济。多路复用器总是成对使用的，一个连接终端，另一个在主机附近，它的作用是将接收的复合数据流依照信道分解数据，并将它们送到对应的输出线上，故称为解多路复用器。图3-20多路复用示意图当前主要采用的多路复用技术有：频分多路复用FDMA(FrequencyDivisionMultiplexingAccess)、波分多路复用WDMA(Wave-lengthDivisionMultiplexingAccess)、时分多路复用TDMA(TimeDivisionMultiplexingAccess)和码分多路复用CDMA(CodingDivisionMultiplexingAccess)四种。1.频分多路复用FDMA

由于任何信号只占据一定的带宽，而信道的带宽远远大于信号带宽，因而可以利用频率分隔的方式来实现多路复用。

FDMA是利用频率变换或调制的方法，将若干路信号搬移到频谱的不同位置，相邻两路信号之间留有一定的频率间隔，这样排列起来的信号就形成了一个频分多路复用信号。这种方法起源于电话系统，我们就利用电话系统这个例子来说明频分多路复用的原理。现在每一路电话的标准频带是300～3400Hz，高于3400Hz和低于300Hz的频率分量都将被衰减掉(这对于语音清晰度和自然度的影响都很小，不影响人的听觉)。若在一对带宽为100kHz以上的导线上传输若干路这样的电话信号，接收端将无法把它们分开。如果利用频率变换，将三路电话信号搬到频段的不同位置，就形成了一个带宽为12kHz的频分多路复用信号，如图3-21所示。图中每一路电话信号占有4kHz的带宽。由于每路电话信号占有不同的频带，因此多路复用信号到达接收端后，就可以将各路电话信号用滤波器区分开。由此可见，信道的带宽越大，容纳的电话路数就会越多。随着通信信道质量的提高，在一个信道上同时传送的电话路数会越来越多。目前，在一根同轴电缆上已实现了上千路电话信号的同时传输。频分多路复用系统又称为多路载波系统。按照ITU(InternationalTelecommunicationUnion)的建议，每12个电话话路构成一个基群(Group)，占用60～108kHz的频带；每5个基群在一起构成一个60路的超群(Super-Group)，占用312～552kHz的频带；5个超群构成一个300路的主群(Master-Group)，占用812～2044kHz的频带；3个主群构成一个900路的超主群(Super-Mastergroup)，占用8516～12388kHz的频带；4个超主群构成一个3600路的巨群(Giant-Group)，占用42612～59684kHz的频带。在实现多路载波系统时，需逐级实现频率升高，由低次群组成高次群。目前，有线或无线模拟通信网使用了大量频分多路复用载波系统。因此，频分模拟话路也是当前主要的长距离数据传输信道，每个话路最高数据传输率可达56kb/s。图3-21频分多路复用的示意图2.波分多路复用WDMAWDMA技术主要用于全光纤网组成的通信系统。它将是计算机网络系统今后主要的通信传输复用技术之一。WDMA实际上是频分多路复用的一个变种。图3-22是一种在光纤上获得WDMA的简单方法。在这种方法中，两根光纤连到一个棱柱或衍射光栅，每根光纤里的光波处于不同的波段上，这样两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上，到达目的地后，再将两束光分解开来。它与FDMA的唯一区别就是：在WDMA中使用的衍射光栅是无源的，因此可靠性非常高。图3-22波分多路复用的示意图在使用WDMA的网络中，每个共享信道的主机都分配有两个通道：控制通道和数据通道，前者主要用于其他主机与本主机的联络；后者用于本主机向其他主机发送数据帧。为了进行通信，每个主机至少有一个可调波长发送器和一个可调波长接收器。由于受到目前电／光和光／电转换速度的限制，对于带宽可达25000GHz的光纤来说，目前一般可以利用的数据传输率可达10Gb/s。如采用波分多路复用技术，在一根光纤上可以发送8个波长的光波，假设每个波长可以支持10Gb/s的数据传输率，则一根光纤所能支持的最大数据传输率将达到80Gb/s。这样的波分复用系统已经在实际组网中得到应用。3.时分多路复用TDMATDMA是将信道按时间分成若干个时间片或时间槽，轮流分配给多个信源使用。我们知道，对于一个带宽为X的模拟信号，只需每秒等间隔地传输2X个采样点，接收端就可以根据接收到的数字信号完全恢复出原始的模拟信号。当传输某路模拟信号的采样数据时，整个信道的频带都将被该路信号所占用。如果信道的带宽很宽，则该信道所能支持的数据传输率就可以很高。在采样间隔时间里，传输一个采样数据的时间仅占采样间隔时间的一部分。则其他时间可以被用来传输其他模拟信号的采样数据，或传输其他低速数据。时分复用是利用时间分隔方式来实现多路复用的。对于数字通信系统的主干网复用都采用时分多路复用技术。我们以电话系统作为例子来说明时分多路复用的工作原理。对于带宽为4kHz的电话信号，每秒采样8000次就可以完全不失真地恢复出话音信号。假设每个采样点的值用8位二进制数来表示，那么，一路电话所需要的数据传输率为8×8000＝64kb/s。如果有24路电话，即在每个采样周期(125μs)中要传输24个采样值。首先是第1路电话的8位采样值，然后是第2路电话的8位采样值……直至第24路电话的8位采样值，最后加上1位用于区分或同步每一次的采样间隔，这样，在一个采样周期中主干线路要传输193位二进制数据，即要求主干线路的数据传输率达到193b／125μs=1.544Mb/s。因此，我们可以利用一条数据传输率为1.544Mb/s的信道同时传输24路电话，如图3-23所示，这种24路电话复用一条1.544Mb/s主干线路被称为T1标准。图3-23T1数字电话系统的基群采样周期时分多路复用允许多个T1线路复用到更高级的线路上，如图3-24所示。图中有4个T1信道被复用到T2线路上。在T2及更高级的线路上的多路复用是按比特进行的，而不是构成T1帧的24个话音信道的字节。4个1.54