计算机网络基础版李志球电子教案PPT课件.ppt

1 第2章物理层 本章要点 了解数据通信的基本概念和主要技术指标 了解数据通信系统的组成 掌握数字和模拟数据的编码和调制方法 了解数据并行和串行传输方式 掌握同步和异步传输技术 掌握FDM TDM和WDM三种多路复用技术 了解有线传输介质和无线传输技术 掌握物理层的作用 特性和协议 2 第2章物理层 目录2 1数据通信的基本概念2 2数据编码和调制2 3数据传输方式2 4同步传输和异步传输2 5多路复用技术2 6传输介质2 7物理层作用与协议 3 计算机网络由通信子网和资源子网组成 OSI RM中 通信子网包括物理层 数据链路层和网络层三层 计算机网络中的数据通信是为了实现计算机之间的数据交换 因此计算机网络本质上是数据通信的问题 物理层主要研究二进制比特在网络中传输时所采用的技术 如曼彻斯特编码 串 并传输 同步 异步传输 多路复用等技术 传输介质虽然不属于物理层 但它是物理层传输光 电信号的数据传输通道 所以本章也介绍传输介质的概念 第2章物理层 4 2 1数据通信的基本概念 物理层考虑如何将数据转换成适合信道传输的电 光 信号 模 数转换 采用何种技术传输等问题 这些都是数据通信要考虑的 5 2 1数据通信的基本概念 2 1 1数据通信基本概念 1 数据分为模拟数据和数字数据两种 2 信息以某种格式组织起来的数据 3 信号是数据的具体物理表现 分为模拟信号和数字信号两种 如图所示 模拟信号是连续的曲线波 由振幅 频率和周期三要素 数字信号是离散 有限个数 的方波 6 2 1数据通信的基本概念 2 1 1数据通信基本概念 4 信道传输信息时信号沿发送端到接收端的通路 模拟信道适于模拟信号传输模拟信号 时间和幅度连续数字信道适于数字信号传输数字信号 时间和幅度离散 例如声音 振幅大则音量大 频度高则是女高音 7 2 1数据通信的基本概念 2 1 1数据通信基本概念 5 通信和数据通信通信是信息的传输与交换 数据通信是以传送数据为业务的通信 6 数据通信网是数据通信系统的网络形式 7 码元和码字码元是一个信号编码单元 码字由若干码元组成的字符串序列 8 数据分组把较大的数据块分成较小的数据段 不同的网络或层中 分组名称也不同 如帧 frame 信元 cell IP数据报等 通常数据分组也称为数据包 8 2 1数据通信的基本概念 2 1 1数据通信基本概念 9 基带传输 频带传输和宽带传输1 基带传输通信系统中的基带传输是指在传输信号时 用表示信息的原有信号形式进行 计算机网络中 数字信号 基带信号 所占频率简称基带 基带传输是数字数据直接在信道中用数字信号传输 2 频带传输频带传输是将基带信号变换为较高频率范围的频带信号 模拟信号 如音频 然后在模拟信道中传输 例如利用Modem将数据数据调制成模拟信号 3 宽带传输宽带在电信界是指带宽大于语言级信道 4kHz 的信道 另外当网络的传输速率超过2Mbps时 称为宽带网 9 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 1 比特 bit 率S指单位时间内所传送的二进位序列的位 bit 数 是度量通信系统每秒传送的信息量 用每秒比特数 bit s或bps 表示 常用的单位换算关系如下 1Kbps 210 1024bps 1Mbps 220 1024Kbps 1Gbps 230 1024Mbps 1Tbps 240 1024Gbps 10 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 2 波特 Baud 率B指数字信号经过调制后的传输速率 或者是说每秒传输的脉冲 波形 信号个数 通过信道传输的码元数 B 1 T 其中 T为每个脉冲 波形 信号的持续时间 单位为秒 比特率和波特率的关系 S B log2n3 误码率Pe指数据位被传错的概率 也称出错率 Pe Ne N N 11 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 4 信道容量指物理信道能达到的最大传输能力 用比特率S表示 注意 描述数字信道的容量用信道的数据速率表示 如以太网使用双绞线时为100Mbps 模拟信道的容量用带宽描述 如电话线的带宽为1MHz 语音模拟信号的频率范围为 300Hz 3400Hz 12 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 5 带宽 Bandwidth 指信道所能传送的信号的频率宽度 也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差 单位是Hz 赫 kHz 千赫 MHz 兆赫 和THz 兆兆赫 等 常用的单位换算关系为 1kHz 103 1000Hz 1MHz 106 1000kHz 1GHz 109 1000MHz 1THz 1012 1000GHz 13 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 5 带宽 Bandwidth l带宽定义 模拟信道所传输的信号频率范围称为该信道的带宽 信道的带宽是由传输媒体和有关附加设备与电路的频率特性决定的 l计算带宽 用信号的最高频率减去信号中的最低频率 例 语音信号带宽3 1Hz 300Hz 3400Hz 103 104Hz间的带宽为9000Hz 若电话信道占据3kHz 则在此范围内可划出3个信道 1000 4000 4000 7000 7000 10000 3路信号通过调制可复用一根传输介质 14 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 6 带宽 数据传输速率和信道容量的区别带宽和数据传输速率都是用来度量实际传输能力的 带宽一般用来表示传输介质和模拟信道的传输能力 如电话网传输音频信号的频带范围为300 3400Hz 则其信道的带宽是3100Hz 而数据传输速率表示数字通信系统的传输能力 如百兆位以太网的数据传输速率为100Mbps 一个物理信道既可以作为模拟信道 也可作为数字信道 因此 信道的带宽大 信道容量也大 传输速率相应也高 15 比特间隔和比特率数字信号序列不能像模拟信号那样使用周期和频率来描述 而是采用比特间隔 对应于周期 和比特率 对应于频率 来描述 比特间隔是发送一个比特所需要的时间 而比特率是每秒发送的比特位数 用bps作为单位 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 16 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 计算机网络中 度量传输一个二进制数据位或模拟信号的周期时间单位一般用s 秒 ms 毫秒 s 微秒 ns 纳秒 和ps 皮秒 等表示 常用的时间换算单位为 1ms 10 3s 1 s 10 6s 1ns 10 9s 1ps 10 12s 同样 度量长度的单位有米 微米 纳米等 17 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信的主要技术指标 7 延迟 抖动 呑吐量和丢包率l延迟指将一个比特从一端传输到另一端所花费的时间 l抖动指在同一条路由上发送数据包之间的时间差异 l呑吐量是指网络发送数据包的速率 l丢包率是指在发送数据包时丢失数据包的最高比率 上述四个参数都是服务质量QoS的主要度量参数 18 2 1数据通信的基本概念 2 1 3数据通信系统1 数据通信系统基本模型 2 模拟通信系统和数字通信系统数字通信系统是比模拟通信系统费用低 抗干扰能力强 不易失真 但数字信号比模拟信号易衰减 模拟信号比数字信号传输距离要远 3 信号衰减的克服数字信号衰减的克服办法是使用中继器 19 2 2数据编码和调制 数字数据 数字信号模拟数据数字数据 模拟信号模拟数据 编码 调制 转换为数字信号的称为编码转换为模拟信号的称为调制 20 2 2数据编码和调制 2 2 1数字数据的数字信号编码 数据编码成信号时用到的概念单极性和双极性编码编码时只使用一种电压的称为单极性编码 而使用两种电压的称为双极性编码 归零和不 非 归零编码每一个表示 0 或 1 的电压在信号中部变为零电压时 称为归零编码 双相位编码信号的中间将电压变为相反 注意不是归零 而是由正电压变为负电压 或由负电压变为正电压 21 2 2数据编码和调制 2 2 1数字数据的数字信号编码 2 双极性不归零码 BNRZ 用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0 正和负的幅值相等 1 单极性不归零编码 NRZ 单极性不归零编码只使用一个电压值 用高电平表示1 没电压表示0 22 2 2数据编码和调制 3 双极性归零编码 BRZ 使用了正 负和零三个电平 信号本身携带同步信息 解决了同步问题 缺点是编码一个比特 需要两次信号变化 增加了占用带宽 且线路上的平均电压值还不为零 2 2 1数字数据的数字信号编码 23 2 2数据编码和调制 4 双相位编码 biphaseencoding 信号在每个比特内部的中间发生改变 但不归零而是将电压变为相反 曼彻斯特编码 Manchesterencoding 差分曼彻斯特编码 differentialManchesterencoding 2 2 1数字数据的数字信号编码 重要概念重点掌握 负电压变为正电压表示0正电压变为负电压表示1 注意红色标记位置有无跳变 有为0 无则为1 24 2 2数据编码和调制 2 2 2模拟数据的数字信号编码1 脉冲振幅调制 PAM 对原始的模拟信号每间隔一个相等的时间进行采样一次 2 脉码调制 PCM 将PAM采样结果修改成完全数字化的信号 3 采样频率是原始的有效信号中最高频率分量或其带宽的 倍 例如 语音最高频率是3400Hz 那么需要每秒6800次的采样频率 实际应用中采样频率放大为每秒8000次 语音视频等数据 需要转换为数字信号 再传输 25 2 2数据编码和调制 2 2 3数字数据的模拟调制1 幅移键控法 ASK 2 频移键控法 FSK 3 相移健控法 PSK 4 正交调幅 QAM a 3振幅 12相位 b 4振幅 8相位 c 2振幅 8相位 例如利用电话线入网时 利用用Modem将数据数据调制成模拟信号后再传输 26 2 2数据编码和调制 普通电灯开关只有 开 和 关 两种状态 能表示数字 0 和 1 一种状态只能表示一位数 有的电风扇开关有 0 1 2 3 四种状态 能表示数字 00 01 10和11 所以一种状态能表示两位数 假如开关有 0 7 八种状态 则一种状态能表示三位数 000 001 111 正交调幅就是让一种状态能表示更多位数的一种调制技术 Modem就采用这种技术 左图每个方案都有16种状态 每一种状态能表示四位数 0000 0001 1111 如果相位或振幅变化太多 则信号反差小 可读性就差 27 2 2数据编码和调制 2 2 4模拟数据的模拟调制1 调幅 2 调频 3 调相 在调相传输技术中 原始模拟载波信号的相位随调制信号电压 振幅 的改变而调整 振幅和频率 保持不变 调相技术和调频技术的分析类似 例如收音机 电视信号 电话系统等都先将数据调制 再多路复用线路传输 调幅 调频等技术主要用于模拟通信 主要目的是多路复用 例如一根CATV线能容纳几十个电视 台 信号 24个电话线路信号通过调制后利用一根线传输 广播电台也将多路电台信号通过调制在空气中传输 收音机通过中波 短波等多个波段接收 28 2 3数据传输方式 2 3 1并行传输 并行传输是指数据以成组方式在多个并行的信道上同时传输 相应地需要若干根传输线 一般用于计算机内部或近距离设备的数据传输 如计算机和打印机之间的通信 一次传送一个字节的信号 所以传输信道需要 根数据线 同时还需要其它的控制信号线 优缺点 并行传输优点是速度快 缺点是费用高 因为并行传输需要一组传输线 所以并行传输一般用在短距离范围且传输速度要求高的场合 29 2 3数据传输方式 2 3 2串行传输 串行传输是指数据在信道上一位一位的逐个传输 从发送端到接收端只需一根传输线 成本少 易于实现 计算机网络普遍采用 采用串行传输方式时 发送端需要通过并 串转换装置将并行数据位流变为串行数据位流 然后送到信道上传输 在接收端再通过串 并转换 还原成 位并行数据流 PC机和外界进行串行通信是通过串行端口 COM 完成的 串行传输可以用两种方式同步传输和异步传输进行 计算机网络主要采用串行传输方式 30 2 3数据传输方式 2 3 2串行传输 1 单工通信 双线制 单工通信只允许传送的信息始终向一个方向流动 例如广播 电视系统 BP机 道路交通单行道 2 半双工通信 双线制 开关 半双工通信允许信息流向两个方向的都可传输 但同一时刻只能朝一个方向传输 例如 无线电对讲机就是半双工通信 3 全双工通信 四线制 全双工通信是指在同一时刻能同时进行双向通信 例如 常用的电话系统就是全双工通信 31 2 4同步传输和异步传输 2 4 1同步传输 同步传输方式是将一大串数据一起发送 传输时 需要在数据块前放上两个或以上的同步信号字符SYN 在数据块结束加上后同步信号 同步传输线路利用率高 多用于字符信息块的高速传送 但这种方式收发双方控制复杂 2 4 2异步传输 异步传输也叫做起止式传输 它以字符为单位 在每个字符前增加一个起始位 字符代码后增加 1 5 位停止位 它允许码字之间存在不确定的空闲时间 异步传输设备简单 费用不高 但速率较低 计算机网络主要采用同步传输 32 2 5多路复用技术 2 5 1频分多路复用技术 FDM FDM把信道的频谱分割成若干个互不重叠的子信道 每个子信道传送一路信号 频分多路工作过程 频分多路复用flash动画演示 注意动画文件路径 33 2 5多路复用技术 2 5 2时分多路复用 TDM TDM将物理信道按时间分成许多等长的时间片 轮流 交替地分配给多路信源 分为同步和异步TDM两种 34 2 5多路复用技术 2 5 3波分多路复用 WDM WDM的原理同FDM相似 用于光纤通信 光信号用波长而不是频率来表示所使用的光载波 WDM和FDM不同之处是光波频率很高 它是利用不同波长的光 通过共享光纤远距离传输多路信号 WDM技术中 利用光学系统中的衍射光栅 来实现多路不同频率光波信号的合成与分解 波分多路复用最初只能在一根光纤上复用两路光载波信号 而现在可以在一根光纤上复用80路或更多路数的光信号 这就是密集波分多路复用DWDM DenseWDM 35 2 5多路复用技术 2 5 4三种复用技术的比较 FDM适合于传输模拟信号 TDM适合于传输数字信号 而WDM传输光波信号 TDM和FDM相比 抗干扰能力强 可以逐级再生整形 避免干扰的积累等优点 计算机通信中广泛使用TDM和WDM TDM和FDM的性能比较如下 1 TDM设备比FDM设备易于实现 2 TDM比FDM传输速率高 3 FDM中每路信号均需要一个MODEM 4 FDM通常需要模 数转换设备 5 TDM比FDM会产生较多的时间延迟 36 2 6传输介质 二进制比特流通过物理层处理 编码 调制 串行同步 多路复用等 后 需要在传输介质上传输 传输介质是数据传输的物理通道 需要注意的是 传输介质不属于物理层 物理层只是定义如何在这些介质上实现数据传输 物理层直接和它有关 传输介质是构成信道的主要部分 信号的传输质量不但与传输的数据信号和收 发特性有关 而且与传输介质的特性有关 37 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 1 双绞线 TP 双绞线也称为双扭线 价格便宜 易于安装 是最常用的传输介质 性能 传输距离 带宽和数据速率等 较光纤要差 一对绝缘铜导线扭绞在一起 形成有规则的螺旋形后 可减小一根导线中电流能量对另一根导线的干扰 也减少其他导线信号干扰这对导线 当两根导线靠得很近但相互垂直时 一根导线中的电流变化几乎不会在另一根导线上产生电流 所以 一对导线旋绞或不扭绞 扭绞时扭矩多少 效果都大不一样 扭绞得越密价格越贵 性能也越好 38 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 1 双绞线 TP 分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP两种 计算机网络中主要使用UTP 39 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 1 双绞线 TP STP外面环绕一圈保护层 可提高抗干扰能力 但增加了成本 而UTP易受各种电信号的干扰 但成本较低 电话系统使用的双绞线一般是一对双绞线 而计算机网络使用的双绞线一般是四对 最常用的UTP是3类 5类和超5类线 5类线与3类线的主要区别就是一方面增加了每单位长度的绞合次数 另一方面在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度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 40 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 剥双钳 测试仪 RJ 45 41 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 信息模块 RJ 45工具包 42 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 1 双绞线 TP 10Base T 100Base Tx常用5类或超5类双绞线电缆 但只使用4对双绞线中的2对线 1 2用于发送数据 3 6用于接收数据 100Base T4使用3类双绞线的全部4对线 1000Base T使用超5类双绞线的全部4对线 每一段UTP的长度都在100m以内 UTP连接到网络设备 Hub Switch 的连接器 是类似电话插口的咬接式插头 称为RJ 45 俗称水晶头 43 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 直通线连接示意图 交叉线连接示意图 是将发送端的1 2接到接收端的3 6 44 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 2 同轴电缆同轴电缆能够传输比双绞线更宽频率范围的信号 具有较高的抗干扰能力 中心是实心硬质铜缆 包上一根圆柱形的绝缘皮 外导体为硬金属 金属箔 或金属网 它既作为屏蔽层又作为导体的一部分来形成一个完整的回路 外导体外还有一层绝缘体 最外面是一层塑料皮包裹 45 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 2 同轴电缆同轴电缆根据无线电波控制 RG 级别分类 RG 8 用于粗缆以太网 RG 9 用于粗缆以太网 RG 11 用于粗缆以太网 RG 58 用于细缆以太网 RG 75 用于电视系统 同轴电缆具有较高的抗干扰能 以太网使用二种规格 一种是粗缆的10Base 5 称为标准以太网 另一种是细缆的10Base 5 称为廉价以太网 46 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 3 光纤光纤通信是利用光纤传递光脉冲信号实现的 室外非金属光缆室外金属光缆 室内单芯单模光缆室内多芯多模光缆 47 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 1 光纤的传播模式光纤分为单模光纤SMF Single ModeFiber 和多模光纤MMF Multi ModeFiber 两种 传播模式也分为多模传播和单模传播两种 多模传播模式是可以有多束光线从光源经纤芯通过不同的光路传播 而单模传播是采用高度集中的光源 使得发出的光线限制在非常接近水平的很小范围内 48 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 2 光源为实现数据传输 在发送方需要安装光源 光的信号源可以是一个发光二极管 LED 或是固体激光器 它们有不同的特性 发光二极管较便宜 但只能发射发散的光线 不能控制各种不同入射角度 因此 发光二极管只用于短距离传输信息 激光具有高度的集中性 可以聚集到一个很小的范围内 从而可以控制入射角度的大小 因此激光信号在长距离传播后仍能保持信号的特征 49 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 3 光纤的传输特性光纤中当有光脉冲出现时表示二进制数字 1 没有光脉冲时表示二进制数字 0 通信时 先将源端的电信号转变为光信号 光电转换 由光发送器产生光束 并将光信号导入光纤中传播 接收端由光接收器接收光信号 并将其还原成电信号 4 光纤的优点5 光纤的缺点 50 2 6传输介质 2 6 1有线传输媒体 4 光纤接口光纤收发器是一种电信号和光信号进行互换的传输转换单元 也被称之为光电转换器或光纤模块 ST和SC是指光纤连接器的两种接口类型 10Base F的连接器通常是ST类型的 而100Base FX连接器大部分为SC类型的 ST连接器SC连接器ST适配器SC适配器 51 2 6传输介质 2 6 2无线传输1 无线电波段分配 2 微波通信 3 卫星通信 4 红外通信和激光通信 52 2 7物理层 2 7 1物理层的作用和特性 物理层是通信子网的最底层 其传输单位是比特 bit 向下直接和信道 传输介质 相连接 物理层的作用是在网络节点之间的物理媒体上提供线路的建立 维持和释放 实现二进制位流的透明传输 并进行差错检查等 物理层是对DTE和DCE之间通信接口的描述和规定 如图所示 53 2 7物理层 2 7 1物理层的作用和特性 DTE是信源或信宿 如计算机 终端 路由器等 DCE是网络设备接入点的统称 如交换机 调制解调器等 常见的DTE和DCE之间的接口有PCMODEM之间的接口 RS 232 C 网卡与双绞线连接的接口 RJ 45 等 RJ 45连接头RS232C接口RJ 45接口 54 2 7物理层 2 7 1物理层的作用和特性 1 物理层提供的功能l保证数据按位传送的正确性 同时提供通信接口定义 控制信号 数据传输速率 接口信号电平等 l物理层管理 l建立 维持和释放物理连接 就像打电话过程 建立连接 呼叫 是否占线 没人接听 不在服务区和正常接通等 维持 通话 释放 挂机 55 2 物理层的特性 l机械特性机械特性详细说明了接插式连接器的大小 形状 尺寸 引脚的排列方式锁定装置以及相应通信介质的参数和特性等 l电气特性电气特性规定了信号及有关电路的特性 l功能特性规定了接口信号的来源 作用以及其它信号之间的关系 l规程特性是协议 定义了DTE和DCE接口进行二进制比特流传输前的控制步骤 包括各信号线的工作规程和时序 2 7物理层 2 7 1物理层的作用和特性 56 2 7物理层 2 7 2物理层协议 接口标准 举例1 EIA RS 232C接口标准lEIA RS 232C的机械特性DB25针式 凸插座 DB25引式 凹插座 另有一个9芯标准连接器简化标准 lEIA RS 232C的电气特性逻辑 1 的电平范围是 5 15V 逻辑 0 的电平范围是 5 15V 是双极性不归零编码 57 2 7物理层 2 7 2物理层协议 接口标准 举例1 EIA RS 232C接口标准lEIA RS 232C的功能特性20根信号线 其中2根地线 4根数据线 11根控制线 3根定时信号线 剩下的5根线 9 10 11 18 25 做备用或末定义 58 2 7物理层 2 7 2物理层协议 接口标准 举例1 EIA RS 232C接口标准lEIA RS 232C的功能特性 59 2 7物理层