计算机网络B第2章 物理层.ppt

Computernetworks 本章重点与学习目标 掌握模拟数据与数字数据的特点与区别 掌握信道极限传输速率公式 掌握双绞线与光纤的特点与应用范围 Computernetworks 2 1案例需求 在鲁中学院校园网中 首先要考虑的问题是如何采用传输媒体 把计算机与网络设备连接成网络 接下来要考虑选用哪种类型的媒体 室内媒体与室外媒体是否应该不同 连接计算机与网络设备的媒体使用什么样的连接头 还要考虑一些理论上的问题 如0与1如何在媒体中以光与电的形式传输 媒体传输速率有没有上限 同一媒体是否可以同时传输多路数据 Computernetworks 2 2信道2 2 1有关信道的基本概念 1 单工通信当数据只能单向传输 即一方发送 另一方只能接收而不能发送时 称为单工通信 2 半双工通信数据能够双向传输 但在同一时刻每一方只能发送或接收 称为半双工通信 通信双方都不能同时发送与接收 3 全双工通信通信双方都可以同时发送与接收 互不影响 两人可以同时说话 也不用按任何按钮 使用起来非常方便 信道 channel 表示向某一方向传送数据的媒体 从数据的传输方向与方式看 一个信道可有以下3种通信方式 Computernetworks 概念 数据 data 是运送信息的实体 信道中传输的电或光则称为信号 signal 是数据的电或光的表现 无论是数据还是信号 都有模拟的 analog 与数字的 digital 之分 模拟的指取值可以连续变化 数字的则指取值只能取有限的几个离散值 Computernetworks 模拟与数字信号可以相互转换 模拟转换为数字称为模 数 A D 转换 数字转换为模拟称为数 模 D A 转换 网络信道中传输的信号一般是数字的 只有0与1 如何用数字信号来表示数字数据 数字信号可取多个离散值 最简单的情况是只取两个值 电信号就是低电压与高电压 光信号则是有光与无光 Computernetworks 模拟 数字数据转换为模拟 数字信号 Computernetworks 电信号表示时 用高电压表示1 用低电压表示0 但这种方法在遇到连续多个0或1时信号将不会变化 接收时可能出现错误 因此计算机网络中并不采用此法 广泛使用的是曼彻斯特编码 克服以上缺点 由低电压跳变到高电压表示0 由高电压跳变到低电压表示1 Computernetworks 数字信号优点 与模拟信号相比 数字信号最大的优点是抗干扰性好 GSM数字手机的语音质量比老式的模拟手机高得多 硬盘上的数字音乐与数字电影无论复制多少遍都与原版一样 磁带上的模拟音乐与录像带上的模拟电影复制几次就无法与原版相比了 道理非常简单 一个信号值从5V被干扰变成4V 如果是模拟信号就再也变不回5V 如果是数字信号却仍能分辨出它是高电压 代表1 并且复制时再把它变回5V Computernetworks 2 2 2信道的数据传输速率 数据传输速率的基本单位是b s 位 秒 因此若要按字节计算速率就必须除以8 bit s也可写为bps bitpersecond 需要注意的是 在计算机世界 K M G T的含义有两种 另一种是 1Kbps 103bps1Mbps 106bps1Gbps 109bps1Tbps 1012bps 1K 210 10241M 220 10485761G 230 10737418241T 240 硬盘厂家声明硬盘容量是250GB 可是用某些软件查看时容量却不到240GB 目前 双绞线的数据传输速率有10Mbps 100Mbps等几种 光纤的速率高得多 有2 5Gbps 10Gbps等几种 无线信道的速率较低 有11Mbps 54Mbps等几种 Computernetworks 香农 Shannon 公式 一个信道的数据传输速率越高越好 但是速率高到一定程度 信号的失真 衰减会变得非常严重 接收方就不能正确接收 1948年香农指出 对于一个带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道 存在一个极限传输速率 当低于此速率传输数据时 可以做到不产生差错 Computernetworks 香农公式 这个极限速率由以下确定 C Wlog2 1 S N 香农公式 其中 C为信道的极限传输速率 单位是bps W为信道的带宽 单位是赫兹 Hz S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯白噪声的功率 S N称为信噪比 带宽 bandwidth 是通信技术中的概念 信号的带宽指该信号所占据的频率范围 例如 某信号的频率范围是1000 9000Hz 那么它的带宽就是8000Hz Computernetworks 2 3信道复用技术 信号在信道中传输时 最简单的是一条信道传输一路信号 为提高效率 考虑在一条信道上同时传输多路信号 信道复用 multiplexing 技术就是在发送端将多路信号进行组合 然后在一条信道上传输 接收端再将组合信号分离出来 利用复用技术 一条信道好像划分成了多条信道 彼此之间互不影响 复用技术中最关键的问题是如何划分信道而不出现混乱 根据划分信道技术的不同 复用技术主要分为三大类 频分复用 时分复用与码分复用 Computernetworks 2 3 1频分复用 在频分复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 技术中 划分信道的依据是频率 信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段 每路信号占用其中一个频段 因而在接收端可以采用适当的设备将多路信号分开 从而恢复出所需要的信号 Computernetworks 2 3 2时分复用 在时分复用 TimeDivisionMultiplexing TDM 技术中 划分信道的依据是时间 将时间划分成若干时间片 也称为时隙 并将这些时间片分配给每一个发送方 发送方把数据拆分 在自己的时间片内独占信道的整个带宽传输 接收方再把收到的不连续的数据还原成原始数据 Computernetworks 2 3 3码分复用 频分复用是各用户占用全部的时间与部分的带宽 时分复用是各用户占用部分的时间与全部的带宽 如果各用户都占用全部的时间与全部的带宽会怎么样 一般情况下这会造成混乱 接收方无法正确分离各路信号 但是利用码分复用 CodeDivisionMultiplexing CDM 技术 可以让各用户占用全部的时间与全部的带宽 同时接收方可以正确分离各路信号 码分复用也称为码分多址 CodeDivisionMultipleAccess CDMA Computernetworks 码分复用 码分复用的每一个用户都有一个地址码 当要发送1时 就发送自己的地址码 当要发送0时 就发送自己地址码的反码 1变0 0变1 假如地址码是1010 当要发送1时 就发送1010 当要发送0时 就发送0101 所有用户可以同时占用全部带宽发送数据 接收方如何分离出自己想要接收的数据 当某一接收方要接收S用户发送的数据时 它必须知道S的地址码 利用S的地址码对接收到的混合信号加以处理 就能分离出S发送的数据 Computernetworks 地址码显然是码分复用技术的关键 地址码长度一般是64位或128位 各用户唯一 不能重复 不是任意二进制位串就能充当地址码 地址码必须符合严格的数学关系 码分复用具有抗干扰能力强 话音质量好 发射功率低 保密性好等优点 所以最初用于军事通信 码分复用已广泛运用于民用通信中 如电信的CDMA手机 第三代移动通信 3G 的几种国际标准中 都使用了码分复用技术 Computernetworks 三种信道复用技术经常综合运用 最后需要指出的是 以上三种信道复用技术经常综合运用 例如 GSM手机综合运用了频分复用与时分复用技术 在我国提出的第三代移动通信国际标准TD SCDMA中 综合运用了频分复用 时分复用与码分复用这三种技术 Computernetworks 2 4传输媒体 传输媒体也叫做传输介质 传输媒体分为导向传输媒体与非导向传输媒体两类 前者包括同轴电缆 双绞线 光纤等 后者就是指空间 无线电波可以在空间中传播 不需要任何物理线路 Computernetworks 2 4 1同轴电缆 同轴电缆 coaxialcable 的得名与它的结构有关 它有内外相互绝缘的两个同轴心导体 内导体为铜线 外导体多为编织网与铝塑复合带组合 内外导体之间有一绝缘层 使内外导体绝缘 内外导体相当于电路的正负极 构成一个完整的电回路 同轴电缆根据其直径大小可以分为粗同轴电缆与细同轴电缆 Computernetworks 2 4 2双绞线 同轴电缆被淘汰后 双绞线 twisted pairwire 成为现在计算机网络中最常用的传输媒体 双绞线由几对或几十对具有绝缘层的铜导线组成 具有4对导线的双绞线最常见 每一对导线都绞在一起 这样可以抵御外界干扰 更主要的是能够降低自身信号的对外辐射量 以增大传输距离 每一根导线都有不同的颜色以便区分 导线外面是绝缘护套 Computernetworks 屏蔽双绞线 上述双绞线称为非屏蔽双绞线 UnshieldedTwisted Pairwire UTP 除此之外还有屏蔽双绞线 ShieldedTwisted Pairwire STP 屏蔽双绞线在导线与护套之间增加了一个金属屏蔽层以提高性能 屏蔽双绞线价格较贵 而非屏蔽双绞线已经能够满足要求 因此得到了广泛使用 Computernetworks 双绞线的连接头 双绞线的连接头是RJ 45头 俗称水晶头 用专用的压线钳把双绞线与RJ 45头连接在一起非常简单 熟练时一分钟就可完成 两端都有RJ 45头的短双绞线在工程上称为跳线 用来近距离连接设备 Computernetworks 2 4 3光纤 计算机网络室内媒体的最佳选择是双绞线 室外媒体的最佳选择则是光纤 fiberoptics 1977年 世界上第一条光纤速率仅为45Mbps 现在光纤的传输速率已经达到10Gbps 因特网的骨干线路已经全部使用光纤 如何用光来表示数据呢 可以用光的强弱来表示不同的数据 最简单的办法是有光代表1 无光代表0 光纤由非常透明的石英玻璃拉制而成 像头发一样细 有圆柱形的内外两层 内层叫做纤芯 外层叫做包层 光纤有两种 多模光纤与单模光纤 Computernetworks 光缆 光纤很细 非常脆弱 在实际应用中把几根几十根甚至几百根光纤包装在一起 再加上钢丝 润滑膏等填充物 外面包上硬质护套 做成 这样做成的光缆非常适合用作室外传输媒体 Computernetworks 光端机 当光纤进入室内时 一般接入光端机 光端机实际上就是光电转换器 实现双绞线中的电信号与光纤中的光信号的转换 如图所示 图中光端机有两个光纤接口 一个双绞线接口 两条光纤一收一发 可以进行全双工通信 Computernetworks 光纤的优点 1 速率高 一根单模光纤传输一束光线时 传输速率可以是2 5Gbps 利用更好的技术可以达到10Gbps 10Gbps的速率对于局域网已经足够了 但是还不能满足因特网骨干线路的需要 因特网的骨干线路使用密集波分复用技术 同时增加光缆中光纤的数量 2 传输距离远 光纤用作局域网室外媒体时 距离可达几千米 一根双绞线最长只能是100m 光纤用作骨干线路媒体时 距离可达100Km 超过这个距离时 就要使用放大器 3 抗干扰性和保密性好 光虽然也是电磁波 但波长比无线电波短得多 因此很难被干扰 保密性也很好 Computernetworks 光纤的缺点 光纤的缺点 价格高于双绞线 直接连接光纤的光设备费用高于连接双绞线的电设备 光纤最大的问题是连接困难 把RJ 45头连接在双绞线上只需要一分钟时间 在光纤上安装连接头却很困难 连接两根光纤同样非常困难 必须使用专门的光纤熔接机 现在的发展趋势是全部采用光纤通信 这就是所谓的光纤到桌面 Computernetworks 2 4 4无线传输 很多情况下很难架设这些物理线路 随着笔记本电脑的迅速增多 随时随地找到网线接口上网变得越来越困难 利用不需要线缆的无线电波可以很好地解决这些问题 微波在计算机网络中最为常用 微波在远距离传输时有两种方式 即地面微波接力通信与卫星通信 从理论上讲 只需3颗同步卫星就可以覆盖全球 卫星通信不需要众多的中继站 但卫星及其发射的成本较高 Computernetworks 无线传输应用 中国移动 中国联通 中国电信等运营商都提供无线上网的服务 无线局域网在今天已经发展得非常成熟 很多单位都已建立了无线局域网 使用价格低廉的无线设备 家庭中也可以很容易地组建无线局域网 因特网改变了人们的生活方式 以手机为代表的无线通信同样也改变了人们的生活方式 iphone把因特网与无线通信结合起来会怎么样呢 这就是移动因特网 在任何时间都可以连入因特网 Computernetworks 2 4 5结构化综合布线 结构化综合布线可以简称为综合布线 也可以简称为结构化布线 所谓综合布线 就是指建筑群内的线路布置标准化 简单化 统一化 综合布线主要包括以下内容 1 选择合适的线路与设备 2 所有线路统一布设 3 要安全可靠 4 要容易扩展 5 要维护方便 Computernetworks 2 5物理层协议简介 物理层协议的内容主要包括各类媒体连接头的形状与尺寸 高低电压的范围 光信号强弱的范围 媒体的传输速率等 实际上物理层协议与计算机技术并无太大的关系 而与通信技术关系密切 在局域网中 物理层协议规定了可以使用的媒体 数据传输速率 数据编码方式等内容 Compute