第2章 物理层(网络补修).pdf

Computer NetworksComputer Networks 杨巍 yangwei 第二章第二章 物理层物理层 计算机网络计算机网络 COMPUTER NETWORKSCOMPUTER NETWORKS 2 Computer NetworksComputer Networks 第二章 物理层 2 1 数据通信基础 2 2 有线传输媒体 2 3 无线传输媒体 2 4 通信卫星 2 5 物理层标准举例 3 Computer NetworksComputer Networks 物理层基本概念 物理层 以比特Bit为单位 透明的传送比特流 Application Application Transport Transport Network Network Data Link Data Link Physical Physical 4 Computer NetworksComputer Networks 物理层基本概念 物理层基本概念 物理层不是指具体的物理设备或者具体的传 输媒体 物理层的功能是解决如何在媒体上传输数据 的问题 物理层向上屏蔽不同设备的传输细节 物理层规程 procedure 物理层协议 5 Computer NetworksComputer Networks 物理层基本概念 物理层的任务是确定与传输媒体的接口特征 Mechanical characteristics 机械特征 接口所用接线器的形状和尺寸 引线数目和排列等等 Electrical characteristics 电气特征 接口电缆的电压范围 Functional characteristics 功能特征 某条线上电压的意义 Procedural characteristics 规程特征 不同的各种事件的出现顺序 6 Computer NetworksComputer Networks 第二章 物理层 2 1 数据通信基础数据通信基础 2 2 有线传输媒体 2 3 无线传输媒体 2 4 通信卫星 2 5 物理层标准举例 7 Computer NetworksComputer Networks 2 1 1 信息 数据和信号 Information 信息 信息的载体是数字 文字 语音 图形和图 像等 为了传送信息 必须对信息中所包含的每一个字 符进行编码 用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是编 码 024 83681822 NumbersText SoundGraphics Images 8 Computer NetworksComputer Networks 2 1 1 信息 数据和信号 Data 数据 网络中传输的二进制代码 运送信息的实体 数据仅涉及事物的表示形式 信息则涉及到 这些数据的内容和解释 数据分类 模拟数据 Analogous Data 声音曲线 数字数据 Digital Data 整数序列 9 Computer NetworksComputer Networks 2 1 1 信息 数据和信号 Signal 信号 数据在传输过程中的电气或电磁表现 信号分类 模拟信号 Analog Signals 连续变化的 数字信号 Digital Signals 表示取值仅允许为 有限的几个离散数值 10 Computer NetworksComputer Networks 2 1 2 信道 Channel 信道 向某一方向传输信息的媒体 通信信道 发送信道 接收信道 信道在信息交互方式上的分类 单工simplex 半双工half duplex 全双工full duplex 11 Computer NetworksComputer Networks 2 1 2 信道 Simplex 单工单工 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互 需要一条信道 12 Computer NetworksComputer Networks 2 1 2 信道 Half duplex 半双工半双工 通信的双方都可以发送信息 但不能双方同时 发送或接收信息 需要两条信道 每个方向各一条 13 Computer NetworksComputer Networks 2 1 2 信道 Full duplex 全双工全双工 通信的双方可以同时发送和接收信息 需要两条信道 每个方向各一条 14 Computer NetworksComputer Networks 2 1 2 信道 信道按传送的信号分类 模拟信道 传送模拟信号的信道 数字信道 传送数字信号的信道 数字信号在经过数模变换后可以在模拟信道 上传送 模拟信号在经过模数变化后可以在数字信道 上传送 15 Computer NetworksComputer Networks 2 1 2 信道 信道上传送的信号 Baseband signals 基带信号 基带信号 将数字信号1或0直接用两种不同的电 压来表示 Broadband signals 宽带信号 宽带信号 将基带信号进行调制后形成的频分复 用模拟信号 16 Computer NetworksComputer Networks 2 1 3 带宽 模拟信道的带宽bandwidth 通信线路允许通过的信号频带范围 单位是赫 或千赫 兆赫等 在传统的通信线路上传送的电话信号的标准 带宽是3 1KHz 话音的频率范围300Hz到3 4kHz 17 Computer NetworksComputer Networks 2 1 3 带宽 数字信道的带宽Bandwidth 30万公里万公里 18 Computer NetworksComputer Networks 2 1 3 带宽 Bandwidth 带宽 带宽 是数字信道所能传送的 最高数据率最高数据率 单位是 比特每秒 或 b s bit s 带宽都是有限的带宽都是有限的 传输介质的物理特性和目前技术的发展所共同决 定的 19 Computer NetworksComputer Networks 2 1 4 时延 Delay时延 传输延迟 The process time of sender and receiver 发 送接收处理时间 The response time of the signal 电信号响 应时间 The transfer time over the medium 介质中 转时间 20 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 波特率B 码元速率 码元传输速率 波形速率 信号值每秒钟的变化次数 比特 bit 率b 每秒钟传送的bit数 单位缩写为bps 数据的传输速率 比特每秒 信号的传输速率 波特 21 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 波特率与比特率的关系 0 7 2电平 每个信号携带信息量为电平 每个信号携带信息量为1比特 比特 8电平 每个信号携带信息量为电平 每个信号携带信息量为3比特 比特 如果 波特率为 如果 波特率为B 电平数为 电平数为V 则 比特率为 则 比特率为 b B log2V 0 1 22 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 The Maximum Data Rate 信道容量 信道传输数据能力的极限 奈奎斯特定理Nyquist 奈氏准则 理想低通信道 Shannon s theorem 香农定理 有噪声的信道 23 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 奈奎斯特定理Nyquist 奈氏准则 在理想低通信道下的最高码元传输速率 理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率 2W Baud 理想低通信道是理想化的信道 W是理想低通信道的带宽理想低通信道的带宽 单位为赫Hz 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率 是每秒2个码元 24 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 奈奎斯特定理Nyquist 奈氏准则 理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率 2W Baud C 2 W log2V b B log2V 信道容量也表示为信道的最大数据传输速率信道容量也表示为信道的最大数据传输速率 25 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 奈氏准则 在具有理想理想带通矩形特性的信道下的最高码 元传输速率 理想带通信道的最高码元传输速率理想带通信道的最高码元传输速率 W Baud W是带通信道的带宽带通信道的带宽 单位为赫Hz 每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率是每 秒1个码元 26 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 数据通信系统的基本结构 信源信宿 通信信道 干扰 27 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 实际的信道 带宽受限 有噪声 干扰和失真 输入信号波形输出信号波形 失真不严重 输入信号波形 实际的信道 带宽受限 有噪声 干扰和失真 输出信号波形 失真严重 28 Computer NetworksComputer Networks 2 1 5 信道容量 Shannon s theorem 香农定理 C Wlog2 1 S N bps S 信号平均功率 N 噪声平均功率 S N 信噪比 10 log10S N 1db decibels 分贝 W 带宽 29 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 数据分类 模拟数据 例如声音曲线 数字数据 例如整数序列 信号分类 模拟信号 数字信号 30 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 模拟数据用模拟信号发送 Carrier wave 载波 Sine waves 31 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 数字数据用模拟信号发送 Encoding 编码 square waves 0100 Encoding 32 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 模拟数据用数字信号发送 Sampling 采样 PCM Pulse Code Modulation脉冲调制 T 0010110010010011 33 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 模拟数据用数字信号发送 Sampling 采样 PCM Pulse Code Modulation脉冲调制 IP Gateway PCM 34 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 数字数据用模拟信号发送 Modulation 调制 0100 Modem 35 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 voice Telephone Analog Digital Modem Analog Analog CODEC Digital Digital Digital Transmission Digital Analogous data Analog signals Digital data Analog signals Digital data Digital signals Analogous data Digital signals 36 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 Encoding Modulation EncoderDecoder ModulatorDemodulator g t m t fc s f x t t ffc analog g t digital m t digital x t analog s t 37 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 Modulation 调制 Amplitude 振幅 波形信号强度的度量 Frequency 频率 波形重复的频度 Phase 相位 该波形相对于参照波形信号的位 置关系 Amplitude Frequency Phase 38 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 00110100010 ASK Amplitude Shift Keying FSK Frequency Shift Keying PSK Phase Shift Keying A binary signal 39 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 Modulation 调制 为了达到更高的信息传输速率 必须采用技 术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制 方法 Quadrature Amplitude Modulation正交振幅 调制 基于调相和调幅的组合 载波的幅度和相位都带有信息 40 Computer NetworksComputer Networks 2 1 6 模拟传输与数字传输 Encoding 编码 01001100011 clock NRZ Manchester Encoding 曼彻斯特曼彻斯特 Differential Manchester Encoding 差分曼彻斯特差分曼彻斯特 41 Computer NetworksComputer Networks 第二章 物理层 2 1 数据通信基础 2 2 有线传输媒体有线传输媒体 2 3 无线传输媒体 2 4 通信卫星 2 5 物理层标准举例 42 Computer NetworksComputer Networks 2 2 有线传输媒体 Networking media The purpose of the physical layer is to transport a raw bit stream from one machine to another Various physical media can be used for the actual transmission Three primary types of guided transmission media Twisted pair Coaxial cable Fiber optic cable 43 Computer NetworksComputer Networks 2 2 1 双绞线 Twisted pair 双绞线 把两根相互绝缘的铜导线绞合 twist 起来 内导体芯线 绝缘 箔屏蔽 铜屏蔽 外套 44 Computer NetworksComputer Networks 2 2 1 双绞线 双绞线的分类 屏蔽双绞线 Shielded Twisted Pair STP 非屏蔽双绞线 Unshielded Twisted Pair UTP 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 非屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP 45 Computer NetworksComputer Networks 2 2 2 同轴电缆 Coaxial Cable 同轴电缆 保护套 绝缘层 铜芯 外导体 屏蔽层 46 Computer NetworksComputer Networks 2 2 2 同轴电缆 同轴电缆分类 Baseband Coaxial Cable 基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道 一般用于二进制数据 信号的传输 多用于计算机局域网 传输速率10Mb s 50 Broadband Coaxial Cable 宽带同轴电缆 主要用于高带宽数据通信 支持多路复用 传输速率150Mb s 75 47 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 全反射原理 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 入射角足够 大 就会出现全反射 折射角 入射角 低折射率的媒体 高折射率的媒体 48 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 Optical Fiber光纤 把以光形式出现的能量约束在波导内 并引 导光沿着轴线平行的方向传播 49 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 Optical Fiber 光纤 光纤所用材料为玻璃 外层有包层和缓冲涂 覆层 光纤分类 玻璃光纤 纤芯及包层均用玻璃 损耗小 成本高 用于远距离宽带传输 塑料光纤 纤芯为玻璃 包层为塑料 损耗 大 成本低 短距离基带传输 50 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 光纤分类 单模光纤 芯径小 只有一个入射角 光源 必须用激光 成本高 带宽宽 多模光纤 芯径大 多个入射角 成本低 51 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 光纤分类 Multimode Single or mono mode 52 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 光纤特点 依靠光波承载信息 衰减少 传输距离远 带宽宽 传输速率高 传输能力强 不受电磁干扰 抗干扰能力强 无辐射 保密 性好 重量轻 容量大 十分适合多媒体通信 53 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 缺点 Two way communication requires either two fibers or two frequency bands on one fiber Optical transmission is inherently unidirectional Be damaged easily by being bent too much Fiber interfaces cost more than electrical interfaces 光纤断裂的检测和修复都很困难 54 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 Fiber optic cable 光缆 玻璃封套塑料外套玻璃内芯 单芯光缆 多芯光缆 玻璃内芯 塑料外套 玻璃封套 外 壳 55 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 Terrestrial fiber sheaths are normally laid in the ground within a meter of the surface Near the shore transoceanic fiber sheaths are buried in trenches by a kind of seaplow 海犁 In deep water they just lie on the bottom 56 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 光纤传输系统的组成 光源 传输媒体 光缆 光接收器 57 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 光源 Transmitter Tx 12001200 1600 nm1600 nm 500500 1000 nm1000 nm LEDLED 半导体激光 58 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 光接收器 Receiver Rx PIN photodiodes 光敏二极管 59 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 Converter光纤收发器 60 Computer NetworksComputer Networks 2 2 3 光纤 Connectors光纤连接头 SC connector连接头 most commonly used with multimode fiber ST connector连接头 most commonly used with single mode fiber 61 Computer NetworksComputer Networks 第二章 物理层 2 1 数据通信基础 2 2 有线传输媒体 2 3 无线传输媒体无线传输媒体 2 4 通信卫星 2 5 物理层标准举例 62 Computer NetworksComputer Networks 2 3 1 短波通信 短波 频率较低 Using Ionosphere 电离层 63 Computer NetworksComputer Networks 2 3 2 微波通信 微波 微波接力通信 Earth Earth 64 Computer NetworksComputer Networks 2 3 2 微波通信 The Mobile Telephone System GSM Global System for Mobile communication GPRS General Packet Radio Service CDMA Code Division Multiple Access 65 Computer NetworksComputer Networks 2 3 2 微波通信 蓝牙技术 blue tooth 工作在相当于微波的频段 有效距离10米 66 Computer NetworksComputer Networks 2 3 3 红外线 Infrared Waves红外线 用于短距离通信 也可用于无线LAN 缺点 不能穿透固体 67 Computer NetworksComputer Networks 2 3 4 光波 Lightwave光波 用激光发射 接收器直线连接两地 不能穿透雨和浓雾 易受天气影响 U N I V E R S I T YU N I V E R S I T Y 68 Computer NetworksComputer Networks 第二章 物理层 2 1 数据通信基础 2 2 有线传输媒体 2 3 无线传输媒体 2 4 通信卫星通信卫星 2 5 物理层标准举例 69 Computer NetworksComputer Networks 2 4 卫星无线通信系统 卫星无线通信系统 A satellite s period is important The presence of the Van Allen belts 范艾伦带 70 Computer NetworksComputer Networks 2 4 1地球同步卫星 GEO Geostationary Earth Orbit Satellites 地球同步卫星 36 000 36 000 36 000 36 000 kilometers earthearth 71 Computer NetworksComputer Networks 2 4 2 近地卫星 LEO Low Earth Orbit Satellites近地卫星 Iridium 铱计划 77 66 72 Computer NetworksComputer Networks 2 4 3 中间轨道卫星 MEO Medium Earth Orbit Satellites中 间轨道卫星 Currently MEO satellites are not used for telecommunications GPS Global Positioning System 全球定位 系统 18000 kilometers 24颗 73 Computer NetworksComputer Networks 第二章 物理层 2 1 数据通信基础 2 2 有线传输媒体 2 3 无线传输媒体 2 4 通信卫星 2 5 物理层标准举例物理层标准举例 74 Computer NetworksComputer Networks 2 5 1 EIA 232 E EIA 232 E CCITT V 24 美国电子工业协会EIA制定的物理层异步通信接口标准 DTE Data Terminal Equipment 数据终端设备 具有一定数据处理能力及收发数据能力的设备 DCE Data Communications Equipment 数据通信设备 在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能 并负责建立 保持和释放数据链路的连接 network DTEDTE DCEDCE MODEM EIA 232 E标准 75 Computer Networks