2 物理层 谢希仁 计算机网络 华科考研复试 习题.ppt

第二章物理层 第二章物理层 1物理层的基本目标是什么 物理层考虑怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流 而不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体 回顾 计算机网络的网络协议体系结构 2物理层协议该如何定义 第二章物理层 3物理层以什么理论为研究基础 4常用的传输介质有哪些 2 1物理层的目标 物理层需考虑的问题 保证发送的信号0和1的正确性以及发送与接收的一致性 bit以何种方式传输 传输速度 传输持续时间 信号失真 接口设计 引脚的数量 规格 功能等 信号传输规程 如何合理安排传输过程及事件的发生顺序 2 1物理层的目标 物理层提供机械的 电气的 功能的 规程的特性 目的是建立 维持和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接 2 1物理层的概念 物理层的四个重要特性机械特性 MechanicalCharacteristics 主要定义物理连接的边界点 即接插装置 规定物理连接时所采用的规格 引脚的数量和排列情况 常用的接口标准 ISO2110 25芯连接器 EIARS 232 C EIARS 366 AISO2593 34芯连接器 V 35宽带MODEMISO4902 37芯和9芯连接器 EIARS 449ISO4903 15芯连接器 X 20 X 21 X 22 2 1物理层的概念 电气特性 ElectricalCharacteristics 规定传输二进制位时 线路上电信号的产生方式 信号的电压高低 编码 阻抗匹配 传输速率和距离限制等与电信号有关的功能特性 CCITT标准化的电气特性标准CCITTV 10 X 26 新的非平衡型电气特性CCITTV 11 X 27 新的平衡型电气特性CCITTV 28 非平衡型电气特性 2 1物理层的概念 功能特性 FunctionalCharacteristics 主要定义各条物理线路的功能 线路的功能分为四大类 数据 控制 定时 地规程特性 ProceduralCharacteristics 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系 反映了能够利用接口进行比特流传输的全过程及事件发生的可能顺序 它涉及到信号的传输方式 单工 半双工 全双工 第二章物理层 2物理层协议该如何定义 2 2物理层协议的内容 物理层协议在两个网络设备之间提供透明的比特流传输在数据终端设备 数据通信和交换设备等设备之间完成对数据链路的建立 保持和拆除操作 物理信道是模拟信道时 RS 232C RS 449 与RS 232兼容 V系列 V 24 V 35 物理信道是数字信道时 X 21等 2 2物理层协议的内容 RS 232 C用于DTE DCE之间的接口DTE 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 如计算机 DCE 数据电路端接设备 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 如MODEM 2 2物理层协议的内容 物理层与其它层次的关系 物理层 1010100000000101 L2Data 来自数据链路层 物理层 1010100000000101 L2Data 到数据链路层 2 3数据通信基础 物理层研究基础理论 1基本概念2给一个具体物理通信信道 它的最大传输速率是多少 无限大吗 3数据如何变成相应的信号 信号又以何种方式在具体物理通信信道上传输 4为了节省通信设备与费用 常常需要在一条物理通道上传输多台计算机通信信息 该如何在一条物理通道上传输多台计算机通信信息呢 2 3 1基本概念 数据 信息和信号1 数据数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号 它是信息的载体 可以是数字 文字 语言 图形和图像等 2 信息信息是数据的集合 含义与解释 数据与信息的比较 数据相对具体 信息相对抽象概括 两者相对存在 有时可以将二者等同起来 3 信号数据的物理量编码 通常为电编码 数据以信号的形式在介质中传播 信号可以分为模拟信号与数字信号两种 模拟信号是随时间连续变化的信号 数字信号是离散信号 2 3 1基本概念 模拟信号和数字信号模拟信号时间上连续 包含无穷多个信号值模拟信号能在数字信道上传输吗 数字信号时间上离散 仅包含有限数目的信号值 最常见的是二值信号数字信号能在模拟信道上传输吗 2 3 1基本概念 有关信道的一些概念信道信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体 信道和电路并不等同 信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类 信道上传送的信号还有基带信号和宽带信号之分基带信号 将数字信号1和0用两种不同的电压表示 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 2 3 1基本概念 无论是模拟数据还是数字数据 在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式 在模拟信道中传输的是模拟信号 在数字信道中传输的是数字信号 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 其主要优点在于信道的利用率较高 但是其在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放大 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 其主要优点信号传输不失真 误码率低 能被复用和有效地利用设备 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 数据的传输方式 计算机网络通信系统依其传输介质的频带宽度可分为两类 基带系统和宽带系统 两者的差别是传输介质的带宽不同 允许的数据传输速率也不同 基带系统只传输一路信号 既可以是数字信号也可以是模拟信号 但通常是数字信号 宽带介质实际上可划分为多条基带信道 由于数字信号的频带很宽 故不能在宽带系统中直接传输 必须将其转化为模拟信号方可在宽带系统中传输 宽带系统通常传输的是模拟信号 数据的传输方式 基带传输所谓基带指的是基本频带 也就是数据编码电信号所固有的频带 这种信号可称为基带信号 所谓基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输 它将占用线路的全部带宽 也可称为数字基带传输 宽带 频带 传输宽带的概念来源于电话业 指的是比4KHz更宽的频带 宽带传输系统使用标准的有线电视技术 可使用的频带高达300MHz 常常到450MHz 宽带系统可分为多个信道 每个信道可用于模拟电视 CD质量声音 1 4Mb s 或3Mb s的数字比特流 数字化趋势 1 目前计算机绝大部分是数字机 而数字机只能对数字数据进行存储和处理 因此 文字 声音 视频 图像等模拟数据 必须变换为数字数据后才能存入计算机 才能进行处理 2 数字信号只取有限个离散值 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认的程度 就可以用信号再生的方法进行恢复 所以 数字传输能使信号不失真地正确传送 传输质量优于模拟传输 这就是数字电话比传统的模拟电话更清晰的原因 并且在传输工程中 数据信号还可以进行压缩 加密 这样就可以提高传输的效率和安全性 3 计算机等数字设备的主要器件是集成电路 芯片 其造价越来越低 综上所述 所以人们使用数字设备是大势所趋 2 3 1基本概念 串行传输 SerialTransmission 使用一条线路 逐个传输所有比特适用于长距离通信并行传输 ParallelTransmission 可以同时传输一组比特 每一比特使用单独的线路适用于近距离通信 2 3 1基本概念 从通信双方信息交互的方式看 通信可分为 单工 SimplexCommunication 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互 无线电广播 有线电广播以及电视广播就属于该类型 半双工 Half DuplexCommunication 通信的双方都可以发送信息 但不能双方同时发送 当然也不可能同时接收 全双工 Full DuplexCommunication 通信的双方可以同时发送和接收信息 2 3数据通信基础 物理层研究基础理论 1基本概念2给一个具体物理通信信道 它的最大传输速率是多少 无限大吗 3数据如何变成相应的信号 信号又以何种方式在具体物理通信信道上传输 4为了节省通信设备与费用 常常需要在一条物理通道上传输多台计算机通信信息 该如何在一条物理通道上传输多台计算机通信信息呢 2 3 2数字信道特性 一个数字脉冲称为一个码元 如字母A的ASCII码是1000001 可用7个脉冲来表示 亦可认为由7个码元组成 码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定 若码元取0和1两个离散值 则一个码元携带1比特 bit 的信息 若码元可取4个离散值 则一个码元携带2比特信息 一般的 一个码元携带的信息量n 比特 与码元取的离散值个数N具有如下关系 n log2N 2 3 2数字信道特性 波特率 baudrate 和比特率 bitrate 的关系波特率 信号每秒钟变化的次数 也称为调制速率 码元速率 1波特为每秒传送1个码元 比特率 每秒钟传送的二进制位数 波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系若每个信号值可表示3位 则比特率是波特率的3倍若每个信号值可表示1位 则比特率和波特率相同 2 3 2数字信道特性 信道容量单位时间内信道上所能传输的最大bit数 用bps表示 频带宽信道所允许通过频率的范围 最大频率 最小频率 单位Hz 如 人可以听到的声波频率为20HZ 20kHZ则听觉系统的带宽为19980Hz 2 3 2数字信道特性 数据通信系统中的著名理论奈奎斯特定律 1 理想低通信道下的最高码元传输速率 2HBaud这里H是理想低通信道的频带宽 单位为赫 Hz 即 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 2 理想带通信道的最高码元传输速率 HBaud即 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 2 3 2数字信道特性 解 由奈奎斯特定律得理想低通信道下的最高码元传输速率 2HBaud所以最高码元传输速率为2 3100 6200 例 一个标准电话话路的频带为300 3400Hz 即频带宽为3100Hz 则在理想低通信道下的最高码元传输速率是多少 2 3 2数字信道特性 香农公式 信道的极限信息传输速率C可表示为 H 信道频带宽 以Hz为单位S 信道内所传信号的平均功率N 信道内部的高斯噪声功率S N 信噪比 单位 db 分贝 对单位db的说明 当S N 10时 信噪比为10db当S N 1000时 信噪比为30db 2 3 2数字信道特性 香农公式的意义 信道的带宽或信道中的噪声比越大 则信息的极限信息传输速率就越高 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限速率低不少 这是因为香农公式并没有考虑信号在传输过程中受到的损失 2 3 2数字信道特性 例 对于3 1kHz带宽的标准电话信道 如果信噪比S N 2500 那么信息的传输速率可以达到50kb s吗 解 将H 3 1kHz S N 2500代入香农公式 可得信息传输的极限数值为35kb s 所以不可能达到50kb s 若想达到这个数值 只能设法提高信道中的信噪比 或者提高信道的传输带宽 2 3数据通信基础 物理层研究基础理论 1基本概念2给一个具体物理通信信道 它的最大传输速率是多少 无限大吗 3数据如何变成相应的信号 信号又以何种方式在具体物理通信信道上传输 4为了节省通信设备与费用 常常需要在一条物理通道上传输多台计算机通信信息 该如何在一条物理通道上传输多台计算机通信信息呢 编码与调制 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况 模拟传输和数字传输所使用的技术 编码与调制的区别编码 用数字信号承载数字或模拟数据调制 用模拟信号承载数字或模拟数据 Encoder Decoder 数字或模拟数据 数字信号 x t g t 数字或模拟数据 编码与解码 数字信道 发送方 接收方 g t 编码 解码 调制与解调 模拟传输和数字传输所使用的技术 2 3 3频带调制技术 数字 模拟信号 频带传输 将数据经过调制后传输 调幅 ASK AmplitudeShiftKeying改变载波信号的振幅来表示数字信号0和1最易受噪声干扰 2 3 3频带调制技术 数字信号 模拟信号调幅 ASK AmplitudeShiftKeying 2 3 3频带调制技术 数字信号 模拟信号调频 FSK FrequencyShiftKeying改变载波信号的频率来表示数字信号0和1 2 3 3频带调制技术 数字信号 模拟信号调相 PSK PhaseShiftKeying改变载波信号的相位来表示数字信号0和1例 相位0 表示0 相位180 表示1 2 3 3频带调制技术 数字信号 模拟信号调相 PSK PhaseShiftKeying例 相位0 表示00 90 表示01 180 表示10 270 表示11 模拟传输和数字传输所使用的技术 2 3 4脉冲编码调制PCM 现在的数字传输系统都是采用脉码调制PCM体制 PCM最初并不是为传送计算机数据用的 它是为了使电话局之间一条中继线不是只传送一路电话而是可以传送几十路的电话 由于历史上的原因 PCM有两个互不兼容的国际标准 即北美的24路PCM 简称为T1 和欧洲的30路PCM 简称为E1 我国采用的是欧洲的E1标准 T1的速率是1 544Mb s E1的速率是2 048Mb s E1和T1标准将在2 3 5数字载波标准节中再做介绍 2 3 4脉冲编码调制PCM PCM PulseCodeModulation 的三个过程采样 按一定间隔对语音信号进行采样量化 对每个样本舍入到量化级别上编码 对每个舍入后的样本进行编码取样定理 只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍 就可以从取样脉冲中无失真地恢复出原来的电话信号 语音信号的数字化语音带宽f2倍语音最大频率 样本量化级数 256级 8bit 每样本 数据率 8000次 s 8bit 64kb s每路PCM信号的速率 64kb s PCM编码过程举例 PCM的工作原理 模拟传输和数字传输所使用的技术 2 3 5数字信号编码技术 数字 数字信号 为什么要编码数字数据为二进制数 0或1 数字信号为高电平或低电平进行传输 所以需要将二进制数转换为高电平或低电平 常用的编码技术 不归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 不归零码 NRZ Nonreturn To Zero 最原始的编码1 高电位0 低电位 2 3 5数字信号编码技术 数字 数字信号 不归零编码 NRZ 用两种不同的电平分别表示二进制信息 0 和 1 低电平表示 0 高电平表示 1 缺点 难以分辨一位的结束和另一位的开始 发送方和接收方必须有时钟同步 若信号中 0 或 1 连续出现 信号直流分量将累加 结论 容易产生传播错误 位同步 目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步 2种同步方法 外同步 发送端发送数据之前发送同步脉冲信号 接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率 自同步 通过特殊编码 如曼彻斯特编码 使数据编码信号中包含同步信号 接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率 2 3 5数字信号编码技术 数字 数字信号 曼彻斯特编码将每一个码元再分成两个相等的间隔 码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平 码元0则正好相反 从低电平变到高电平 这种编码的好处就是可以保证在每一个码元的正中间时间出现一次电平的转换 但是缺点 就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍 优点 克服了NRZ码的不足 每位中间的跳变即可作为数据 又可作为时钟 能够自同步 2 3 5数字信号编码技术 数字 数字信号 差分曼彻斯特编码若码元为1 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样 但若码元为0 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反 不论码元是1或0 在每个码元的正中间的时刻 一定要有一次电平的转换 可以获得较好的抗干扰性能优点 时钟 数据分离 便于提取 差分式曼彻斯特码 DifferentialManchester 1 颠倒上一位电位状态变化方式0 沿用上一位电位状态变化方式同一串码流有两种编码方式 差分式曼彻斯特码 1 不管前一位是1或0 假设前一位由低电位升到高电位 差分式曼彻斯特码 2 不管前一位是1或0 假设前一位由高电位降到低电位 2 3 5数字信号编码技术 数字 数字信号 例 画出信息 001101 的不归零码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码波形图 参考Flash演示 三种编码方式 2 3数据通信基础 物理层研究基础理论 1基本概念2给一个具体物理通信信道 它的最大传输速率是多少 无限大吗 3数据如何变成相应的信号 信号又以何种方式在具体物理通信信道上传输 4为了节省通信设备与费用 常常需要在一条物理通道上传输多台计算机通信信息 该如何在一条物理通道上传输多台计算机通信信息呢 2 3 6多路复用技术 定义 为了节省通信设备与费用 常常需要在一条物理通道上同时传送多路信息 这种技术称为多路复用 Multiplexing 或称为多路共传 常用的方案有 频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM n个输出 n个输入 1条线路 n个通道 2 3 6多路复用技术 1 频分多路复用 FDM 工作原理 在频率上把要传输的几路信息合在一起 形成一个合成的信号后进行传输 信道的可用频率带宽被分成几个互不交叠的频段 每路信号占据一个频段 频分复用中遇到的主要问题 各路信号之间容易产生相互干扰 称为串扰 引取串扰的主要原因是信号频谱间的相互交叉和信号被调制后由于调制系统的非线性而带来的已调信号的频谱展宽 这种已调信号的频谱展宽之后也易发生相互交叉而令信号失真和无法解调接收 解决方法 使用频分复用技术一是要求复用频谱之间有足够大的保护间隔 二是要求调制系统具有很高的线性滤波功能 这就带来设备造价问题 一般应用于模拟信号如语音信号 计算机网络系统一般不使用频分复用 2 3 6多路复用技术 频分多路复用FDM的实现1 通过调制将不同信号的频率调制到不同的频率范围2 将多路信号合成为一路频率范围更大的信号进行发送3 在接收方再通过解调将信号重新还原成多路信号 2 3 6多路复用技术 频分多路复用FDM的应用 广播电视 电缆电视 数字数据传输 需要将数字信号转换为模拟信号 2 3 6多路复用技术 2 时分多路复用 TDM 适用于数字技术 采用分时技术 工作原理 每路分配一个时隙 如果某路终端装置无字符发送 则多路复用器发送一个空字符 以保持序列顺序 时分多路复用工作示意图 2 3 6多路复用技术 TDM的分类同步TDM 时间片固定分配 适合固定速率传输异步TDM 时间片按需分配 适合可变速率传输 TDM的缺点 某用户无数据发送 其他用户也不能占用该时隙 将会造成带宽浪费 改进 用户不固定占用某个时隙 有空时隙就将数据放入 统计 异步 TDM STDM 2 3 6多路复用技术 FDM和TDM的区别 2 3 7时分复用 PCM标准 T 标准北美 日本E 标准欧洲 中国 南美 2 3 7数字载波标准 T1标准线路的带宽计算 以Bell系统的T1载体为例 Bell系统将24个音频通道一起多路传输 按Nyquist定理 频带宽为4KHz的音频通道 只要每秒采样8000次 即125us采一次 就能捕捉其全部信息 每次采样经量化编码产生8bit 7bit数据 1bit控制信号 24条音频通道的一次采样数据放进一个帧中 帧的长度为193bit 每条逻辑通道占8bit 第193bit用于帧同步 T1载体每秒传送8000个这样的帧 故要求物理通道的信道容量大于193 8000bit s 1 544Mbit s 2 3 7数字载波标准 Bell系统的T1载体 125us 32时隙 2 048Mbps 帧同步 信令信道 30路话音数据信道 2路控制信道 E1 帧格式 2 3 7数字载波标准 E1标准线路的带宽计算 每125us为一个时间片 每时间片分为32个通道 供32个用户轮流使用 则每通道占用125us 32 3 90625us每通道一次传送8位二进制数据 即每个二进制位占用3 90625 8 0 48828125us所以E1速率 1 0 48828125 2 048Mb s 第二章物理层 3物理层以什么理论为研究基础 4常用的传输介质有哪些 思考 这么多的传输介质 我们如何选择 参考指标 基带 宽带传输 带宽 速率 通信距离 性价比 2 4传输介质 双绞线 TwistedPair 既可用于模拟传输 也可用于数据传输非屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 双绞线外没有任何屏蔽分1 7类3类 传输特性16MHz 数据速率可达16Mbps5类 传输特性100MHz 数据速率可达100Mbps 2 4传输介质 双绞线 TwistedPair 屏蔽