计算机网络课件第2章.ppt

计算机网络 主讲人 贾瑞生E mail jia ruisheng 第2章物理层 本章的主要内容 2 1物理层的基本概念 2 2数据通信的基础知识 2 3传输媒体2 4信道复用技术 2 5数字传输技术 2 6宽带接入技术 2 1物理层的基本概念 1 物理层的主要任务和功能物理层是网络系统的最低层 也是实现网络通信的不可缺少的最基本的层次 它的主要任务是通过信号 实现计算机和通信结点之间的数据比特流的传输 为了实现数据的移动 物理层应首先在数据的发送和接收端建立一条传输通道 并在发送端具备把数据比特转换成信号 而在接收端具备把信号转换成数据比特的功能 2 1物理层的基本概念 2 物理层协议的主要内容物理层协议描述的主要内容如下 机械特性 指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 电气特性 指接口电缆的各条线上出现的电压的范围 功能特性 指线路上的某一电平的电压表示何种意义 过程特性 指对于不同功能的各种事件的出现顺序 1 数据通信系统的模型 2 2数据通信的基础知识 2 物理层常用的几个术语数据 信息的具体表示形式 在计算机中 采用 0 和 1 的组合表示各种信息 信号 数据的电气的或电磁波的表现形式 物理实验表明 最简单的信号是一个单一频率的正弦波 复杂的信号可有多个不同频率不同幅度的正弦波组成 2 2数据通信的基础知识 模拟信号 信号的取值是连续的 数字信号 信号的取值是离散的 基带信号 来自信源的基本频带信号 计算机和电话直接输出的数据信号均为基带信号 2 2数据通信的基础知识 3 信号的数学表示与分析1 付氏级数任何一个周期为T的函数f t 都可用付氏级数表示为 f t c 2 ansin 2 tnft bncos 2 nft 其中 f 1 T c 2 T f t dt an 2 T f t sin 2 nft dtbn 2 T f t cos 2 nft dtan bn分别是n次谐波的正弦和余弦波的振幅值 2 周期信号的数学表示一个周期为T的信号可以看作为一个周期为T的时间函数 因此 任何一个周期为T的信号 都可以用付氏级数表示 由信号的付氏级数表示可见 任何一个信号都含有有限或无限个不同频率成分的正弦或余弦波 其信号的波形有所含频率成分的正弦或余弦波叠加而成 一般讲 对于一个模拟信号 其所含的频率的成分是有限的 而对于一个数字信号 其所含的频率成分是无限的 2 2数据通信的基础知识 3 信号的频谱分析示例下面以方波为例 并用图形分解的方法来说明数字信号是如何由无数个正弦或余弦波形叠加而成的 对于右图所示的方波信号 其付氏级数的函数表达式如下 上述公式说明 对称的方波是由多个奇次谐波组成的 下面分别给出1 3 5 7次等谐波及其叠加的图形 2 2数据通信的基础知识 2 2数据通信的基础知识 码元 是一个波形和长度固定的独立信号 在通信中可用其表示一个或多个比特 3 有关信道的几个基本概念信道指的是用来传输信息的通道 一条通信线路上可以包含多个通信信道 从通信的双方交互的方式来看 可以把信道分成以下几种形式 单向通信 单工通信 只能有一个方向的通信 双向交替通信 半双工通信 通信的双方都可发送信息 但不能同时发送 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 2 2数据通信的基础知识 4 信号的基本调制方法基带信号中往往包含有较多的低频成分 而许多信道并不能传输这种低频分量 需要对基带信号进行适当调制后再进行传输 最基本的调制方法有调幅 AM 调频 FM 和调相 PM 和混合调制几种 各种调制方法的做法如下 一个最基本的电磁波信号 其幅度随时间变化的关系 可以用一个正弦函数表示 即 E Amsin 2 ft 调幅 AM 就是对最基本的电磁波信号取不同的Am值 如取Am 1 表示数据 1 取Am 2 表示数据 0 等 2 2数据通信的基础知识 混合调制 就是就是对最基本的电磁波信号采用上述三种方法的组合进行信号的调制 其中采用振幅与相位的组合进行调制的方法称为 正交振幅调制 QuadratureAmplitudeModulation QAM 2 2数据通信的基础知识 调频 FM 就是就是对最基本的电磁波信号取不同的f值 如取f f0 表示数据 1 取f f1 表示数据 0 等 调相 PM 就是就是对最基本的电磁波信号取不同的 值 如取 0 表示数据 1 取 表示数据 0 等 2 2数据通信的基础知识 若每一个码元可表示的比特数越多 则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难 正交振幅调制 QAM 举例 2 2数据通信的基础知识 5 信道的极限容量任何实际的信道在传输信号时都会受到干扰 使输出的信号产生失真 码元传输的速率越高 或信号传输的距离越远 信道输出波形的失真就越严重 2 2数据通信的基础知识 信道的数据传输速率与带宽的关系可由尼奎斯特定律和香农定律表明 尼奎斯特定律 对于一个无噪声的信道 其最大的数据传输速率为 C 2HLog2L b s 其中 H为信道的带宽 以Hz为单位 L表示给定时刻数字信号的可能取的离散值的个数 C是信道的最大数据传输速率 2 2数据通信的基础知识 尼奎斯特定律表明 对于一个无噪声的信道 其最大可能的数据传输速率由该信道的带宽和信号可能取的状态值的个数决定 当数据的传输速率超过这个上线时 信道中的的码元就会出现码间串扰 接收端就不能对码元进行确切的区分 香浓定律 对于一个有噪声的信道 其最大的数据传输速率为 C HLog2 1 S N b s 其中 H为信道的带宽 以Hz为单位 S为信道内信号的平均功率 N为信道内干扰信号的功率 2 2数据通信的基础知识 香浓定律表明 对于一个有噪声的信道 其最大可能的数据传输速率由该信道的带宽和信噪比决定 一个实际的信道总是包含有一定的噪声的 当信道的带宽一定时 可以采用降信道低噪声和提高信号功率的方法来提高信道的数据传输速率 通常在实际的信道中 其信噪比的值比较大 常采用分贝 dB 为单位进行表示 S N dB 10Log10 S N dB 6 信道的数据传输速率与波特率的关系码元的速率B和数据的传输速率C在数值上也有一定的关系 其关系为 C BLog2L在许多场合 通常信号只取两种状态 L 2 此时 码元的速率B和数据的传输速率C在数值上就相等 码元的速率也称为波特率 从上面的讨论 可以看出 对于带宽一定的信道 如果信噪比和码元的传输速率都不能再提高了 此时 还可通过编码的方法来提高信道的数据传输速率 即设法产生多种状态的码元 这样就可让一个码元代表多位比特 2 2数据通信的基础知识 2 3物理层采用的传输媒体 传输媒体是信号传输的物理通道 可分为有线和无线两种 有线媒体主要有双绞线 同轴电缆和光纤等 无线媒体为宇宙空间 下图是电信领域使用的电磁信号的频谱 1 有线传输媒体双绞线 是在电缆的内部由若干对两两绞在一起的相互绝缘的金属导线组成 采用两两相绞的绞线技术可以抵消相邻线对之间的电磁干扰和减少近端串扰 双绞线既可以传输模拟信号 又能传输数字信号 双绞线又可以分为非屏蔽双绞线 UTP 和屏蔽双绞线STP 屏蔽双绞线是在非屏蔽双绞线的外面加上一个用金属编制的屏蔽层 用于防止外界电磁信号对其内部信号的干扰 2 3物理层采用的传输媒体 到目前为止 美国电子工业协会 EIA 和电信工业协会 TIA 已颁布了六类双绞线标准 一类 适用于电话和低速数据通信 二类 适用于综合业务网ISDN等 速率可达16MB S 三类 适用于10Base T或100Base T4等局域网 速率高达20MB S 四类 适用于100Base TX和100Base T4等局域网 速率高达100MB S 五类 适用于100Base TX 100Base T4 1000Base TX等局域网 支持高达1000MB S的数据通信 六类 适用于1000Base TX局域网 支持高达1000MB S的数据通信 2 3物理层采用的传输媒体 同轴电缆 其结构是一个外部圆柱形空心导体围裹着一个内部导体 内部导体可以是单股实心线也可以是多根绞合线 外部导体可以是单股线也可以是编织线 内外导体中间用规则间隔的绝缘环或者用固体绝缘材料将两者隔开 2 3物理层采用的传输媒体 按内部导体的阻抗特性可分为50 75 93 等几种 其中50 的同轴电缆用于计算机局域网等数字信号的传输 75 和93 的同轴电缆用于电视网等模拟信号的传输 按内部导体的直径可分为粗同轴电缆和细同轴电缆两种 粗同轴电缆的阻抗特性为一般为75 或93 细同轴电缆阻抗特性一般为50 同双绞线相比 同轴电缆对信号的衰减小 对外辐射小 抗干扰能力强 更有利于高频信号的传输 2 3物理层采用的传输媒体 光纤 是一种可以传输光的导体 纤芯的光折射率略高于包层 包层的折射率为常数 纤芯和包层的直径约50 120 m 脆弱易断 需要在包层外再加上敷层 垫层和壳层 敷层用固化塑料 垫层用硅橡胶等低弹性材料 壳层用尼龙等高强度材料 结构如下图 a 所示 把数根光纤纽绞在一起 外缠塑料绑带和铅皮 再包上塑料或用钢带裹装 既称为光缆 如图 b 所示 2 3物理层采用的传输媒体 光的传播原理 当光从一种介质斜射到另一种介质时 在两种介质的交界处 光的传播方向将不一致 这种现象被称为光的折射 根据光的折射定律 当光的折射角大于90度时 即发生全反射 光线全部反回到第一种介质中 光在光纤中的传播路径如下图所示 2 3物理层采用的传输媒体 光纤的分类 按照光在光纤中传播的路径不同 可将光纤分为多模和单模型 多模光纤的纤芯的直径较大 通常为50 120 m 而单模光纤的纤芯的直径很小 通常为50 m以下 在多模光纤中 不同波长的光线所走的路径不同 在单模光纤中 不同波长的光线所走的路径几乎相同 2 3物理层采用的传输媒体 光纤通信系统 长距离光纤通信系统由光信号发信机 光纤线路 中继器和光信号接收机组成 如下图所示 利用光纤进行数字通信 当传输的信号为 1 时 让光发信机产生光脉冲 为 0 时 发信机不产生光脉冲 光纤通信的特点 通信容量大 中继距离长 抗干扰能力强 不容易被窃听等 2 3物理层采用的传输媒体 无线电传输 通常把频率低于1012的电磁波称为无线电波 无线电波可在地表面 大气层 电离层和真空中传播 不同的环境对不同频率的电波的吸收 透射和干扰的程度不同 因此其传播的路线和速度亦不同 例如地表面进行通信 通常采用长波和中波 在大气层中进行通信 通常采用短波 2 无线传输媒体在自由空间利用电磁波传输数据就是无线传输 按频率可将无线传输分为无线电 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线和r射线等 2 3物理层采用的传输媒体 2 3物理层采用的传输媒体 微波 微波是在空间直线传播 传输的频率为4GHz 6GHz和21GHz 23GHz 无线电视转播网就是一个典型的利用微波进行通信的系统 卫星通信通常也采用微波 2 3物理层采用的传输媒体 2 3物理层采用的传输媒体 激光通信 激光具有带宽高 方向性好 保密性能好等优点 激光沿直线传播 不能穿透植物 雨 雪和雾 多用于短距离的信息传输 红外线 不受一般电磁的干扰 沿直线传播 小范围的计算机网络也可以使用红外线进行数据通信 家庭电器使用的遥控器就是用红外线进行通信的 2 4信道复用技术 一个信道可用于两个终端的通信 也可用于两个以上终端的通信 当用于两个上的终端通信时称其是可复用的 1 频分多路复用将一条线路的可用频带分成若干个互不相交的频段 一个信道占用一个频段 当发送端有多个用户需要同时传输数据时 可为每个用户分配一个信道 发送端将传输数据的信号调制到所占用信道的频带内进行发送 在接收端用适当的滤波器将信号分开 频分多路复用举例 如一根电话线的带宽为268KHz 而一部电话占用的带宽只需4000Hz 因此 可把一条电话线的信道划分成67个子信道 一个子信道可分配给一个用户打电话用 这样在一条电话线上可同时允许最多67个用户打电话 由于相同频率的信号同时在一条线路上传输时会产生能量的叠加 而每个用户电话的基本频率均为0 4KHz 因此 需要把不同用户的语音数据搬移到不同的子信道上去 搬移的方法是对每个话音产生的基本信号叠加一个不同的搬移频率的信号 搬移频率fi 4000i i 0 1 2 N 把话音信号搬移到不同的子信道的过程称为载波 2 4信道复用技术 2 时分多路复用如果传输介质的最大传输速率超过单一信源要求的数据传输速率 可以采用时分多路复用技术 TDM 时分多路复用技术将一条线路的工作时间进行周期划分 对每一周期再划分成若干时间片t1 t2 t3 tn 轮流分配给多个信源来使用公共线路 在每一周期的每一时间片ti内 线路供一对终端使用 2 4信道复用技术 时分多路复用举例 E1系统是CCITT制定的一个时分多路复用系统 被广泛的应用欧洲的公用电话通信系统中 它有32路语音信号 8bit 路 125微秒 周期 传输速率为 32 8 106 125 2 048Mbps E1系统示意图如下 2 4信道复用技术 时分多路复用又可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种形式 异步时分多路复用 异步时分多路复用允许动态地分配时间片 如果某个终端不发送信息 则其他的终端可以占用该时间片 异步时分多路复用也称统计时分多路复用 同步时分多路复用 同步时分多路复用是指分配给每个终端数据源的时间片是固定的 不管该终端是否有数据发送 属于该终端的时间片都不能被其他终端占用 2 4信道复用技术 3 波分复用WDM在光通信领域 人们习惯按波长而不是按频率来分析光的特性 由于波长 光速 频率 因此 所谓的波分复用 WDM 其本质上也是频分复用而已 2 4信道复用技术 4 码分复用CDMA码分复用 CDMA 是另一种共享信道的方法 它允许多个用户在同一时间内使用同样的频带进行通信 在CDMA系统中 将要传输的一个比特位所占用的时间再划分成m个更短的时间片 称为码片 通常m的值取为64或128 为了便于说明其原理 取m的值取为8 使用CDMA的通信站点被事先指定一个唯一的m位的码片序列 一个站点如要发送比特 1 则就将这个码片序列的二进制变为信号发送出去 如要发送比特 0 则就将这个码片序列的二进制反码变为信号发送出去 假定一个站点要发送b个比特位 而对于CDMA则要发送bm个比特位 这种通信方式被称为扩频 2 4信道复用技术 为了便于区分各站点的发送的数据位 CDMA系统须为每个站点分配一个唯一的码片序列 且相互必须是正交的 令向量S表示站点S的码片序列 用T表示其他站点的码片序列 则两个不同站点的码片序列正交则须满足下列关系 如 站点S的码片序列为 00011011 记为 1 1 1 1 1 1 1 1 站点T码片序列为 00101110 记为 1 1 1 1 1 1 1 1 则S S的计算结果为 1 而一个码片向量与其反码序列的计算结果则为 1 2 4信道复用技术 在实际的系统中 若一个X站点要接收S站点发送的数据 则就必须知道S站的码片序列 X站使用S站的码片序列与接收到的码片序列进行内积运算 X站收到的码片序列通常为各站发码片序列的和 如果各站发送的信号混合后是线性叠加的 且各站使用的码片序列是正交的 则可以证明一个站点与另一个站码片序列的内积的结果 与该站点与其它多个站点发送码片序列之和的内积结果是相同的 当S站发送为 1 时 X站使用S站的码片序列与接收到的信号内积的结果是 1 当S站发送为 0 时 X站使用S站的码片序列与接收到的信号内积的结果是 1 2 4信道复用技术 CDMA的工作原理示意图如下 2 4信道复用技术 数字传输系统是指其中所传输的信号代表的是一位或多位数字数据 因此模拟数据或模拟信号要通过数字系统传输时必须先转换为数字数据 2 5数字传输系统 1 脉码调制 PCM PCM是一种将模拟数据或模拟信号转换为数字数据的一种方法 具体做法如下 采样 对模拟数据或信号进行周期的采样 获得其样点值 量化 对采样值取整 并确定数值的范围 然后对每个取整后的值都减去其中的最小数 编码 对经量化后的采样值进行二进制编码 对模拟数据或模拟信号进行采样时 每秒需要取多少个样点值 才能使接收端能从收到的信号中恢复出与源端一样的信号呢 这是发送端需要认真考虑的一个问题 2 5数字传输系统 尼奎斯特采样定理 即对于一个模拟信号 如果采样率大于或等于该信号带宽的2倍 则就可根据这些采样值恢复出与原来信号一样的信号 对于E1和T1标准 每秒对电话信号采样8000次 采样值经量化后 其值在0 127之间 因此 每个量化后的采样值可采用8位二进制对其编码 一次一部电话需要每秒传输64K比特 脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话 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 T1 和欧洲的30路PCM E1 我国采用的是E1标准 E1的速率是2 048Mb s 而T1的速率是1 544Mb s 2 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH下面先介绍一下异步和同步传输的概念 异步传输 发送设备先将要传输的数据位按固定的长度进行分组 并按组进行串行发送 发送时每个分组的前后各加上一个起始位和结束位 接收设备每收到一个开始位后 按发送端规定的数据发送率对收到的信号进行采样 并将采样结果转换为相应的数据位 异步传输规定的分组长度一般都比较小 通常为5到8位 下图是一个7位分组 1010010 的异步传输数据编码示意图 2 5数字传输系统 同步传输 在异步传输方法中 由于发送端和接收端的各自采用自己的时钟控制数据的发送和接收 通常这两个时钟存在着一定的时差 当发送端一次连续发送多个数据位时 就会使接收端接收到的数据位的个数与发送端发送的不一致 为了保证收方能准确地从接收到的信号中检测出相应的数据位 发方在将数据转换为规定信号的同时 还应向收方发送一个位同步信号 发送位同步信号的方法有内和外同步两种 2 5数字传输系统 外同步法 在发方与收方之间建立两个信道 一个用于传输数据信号 另一个用于传输位同步信号 外同步法的数据传输原理如下图所示 2 5数字传输系统 内同步法 发送方对传输的数据进行特殊的编码 使编码后的信号中带有接收方可提取的位同步信号 常用的编码方法有曼彻斯特法 差分曼彻斯特法 曼彻斯特法 若发送 1 则其信号的前半周期为高电平 后半周期为低电平 若发送 0 则其信号的前半周期为低电平 后半周期为高电平 具体例子见下图 2 5数字传输系统 为了节省费用 旧的通信系统多采用内同步 准同步 传输方式 内同步方法发送方需要对传输的数据进行特殊的编码 使编码后的信号中带有接收方可提取的位同步信号 给数字信号的复用和分用带来了许多麻烦 2 5数字传输系统 异步传输系统发端与收端各采用自己产生的位同步信号 且两端的位同步信号很难保持高度一致 对于数据传输速率高的系统 位同步信号很小的差异也会给系统带来数据传输的严重差错 因此 现代的高速率的通信系统都采用了外同步方法 即在整个系统中采用一个高精度的标准时钟 对各通信结点的信号进行统一的位同步控制 ITU T以美国标准SONET为基础 制订了一个国际标准同步数字系列 SynchronousDigitalHierarchy SDH SDH的基本速率为155 52Mb s 称为第1级同步传递模块STM 1 相当于SONET体系中的OC 3的速率 旧的数字传输系统存在着许多缺点 其中最主要的是速率标准不统一 传输不是同步的 美国在90年代初期设计了一个同步光纤网 SynchronousOpticalNetwork SONET SONET的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟 第1级同步传送信号STS 1的传输速率是51 84Mb s 对于光信号则称为第1级光载波OC 1 2 5数字传输系统 2 5数字传输系统 3 SONET的体系结构 2 5数字传输系统 SONET的层次及各层的主要功能 2 5数字传输系统 2 6宽带接入技术 1 xDSL技术xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造 使它能够承载宽带业务 xDSL技术把电话线路的0 4kHz的低端频谱留给传统电话使用 而把原来没有被利用的电话线路的高端频谱留给用户上网使用 DSL是英文 DigitalSubscriberLine 的缩写 而其前缀 x 表示在数字用户线上实现的不同的宽带传输方案 2 6宽带接入技术 2 6宽带接入技术 2 ADSLADSL的上行和下行带宽做成不对称的 上行从用户到ISP 而下行指从ISP到用户 一般下行带宽要明显地高于上行带宽 通常下行数据率在32kb s到6 4Mb s之间 而上行数据率在32kb s到640kb s之间 ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器 我国目前采用的ADSL方案是离散多音调调制 DiscreteMulti Tone DMT 技术 DMT调制技术采用频分复用的方法 把40kHz以上一直到1 1MHz的频谱划分为许多子信道 其中25个用于上行信道 而249个用于下行信道 每个子信道占据4kHz带宽 并使用不同的载波进行数字调制 2 6宽带接入技术 由于用户线的具体条件往往相差很大 其距离 线径受到相邻用户线的干扰程度等都不同 因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率 当ADSL启动时 用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率 各子信道受到的干扰情况 以及在每一个频率上测试信号的传输质量 ADSL不能保证固定的数据率 对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL ADSL的组成结构 ATU C 端局接入端接单元 PS 电话分离器 ATU R 远端接入端接单元 2 6宽带接入技术 第二代ADSL ADSL2通过提高调制效率得到了更高的数据率 ADSL2要求至少应支持下行8Mb s 上行800