数据通信与网络协议 第3章 物理层功能与标准

第三版 ) 第 3章 第 1页 第 3章 物理层功能与标准 本章概述 本章的学习目标 主要内容 第三版 ) 第 3章 第 2页 本章概述 物理层是网络体系结构的最低层，它所涉及的实体是最直观的，看得见、摸得着的硬件通信设备。物理层所定义的协议是实现计算机网络的连通性的根本，是网络体系中唯一不需要接收其他层次提供服务的功能层，并为其他高层结构提供服务的原始服务提供者，是计算机网络所有功能实现的基础。 本章全面研究物理层的功能和标准，简述传输介质、信号、编码相关技术。 第三版 ) 第 3章 第 3页 本章的学习目标 掌握物理层基本特性 理解传输介质分类与特点 掌握数字数据传输原理与方法 理解接口的分类与功能特点 掌握信号的类型 理解数据调制与编码技术 第三版 ) 第 3章 第 4页 主要内容 物理层特性 传输介质 数字数据传输与接口 信号 数据调制与编码 本章小结 第三版 ) 第 3章 物理层特性 物理层是网络体系结构的最低层，它所涉及的实体是最直观的，看得见、摸得着的硬件通信设备。物理层所定义的协议是实现计算机网络的连通性的根本，是网络体系中唯一不需要接收其他层次提供服务的功能层，并为其他高层结构提供服务的原始服务提供者，是计算机网络所有功能实现的基础。 第 5页 第三版 ) 第 3章 物理层四个特性 机械特性指硬件接口的连接 技术 。 电气特性确定了传输速率和传输距离。 功能特性说明接口信号引脚的功能和作用，反映电路功能 。 过程特性是在功能特性基础上，说明事件发生的可能顺序。 这些特性提供在设备之间建立、维持和拆除物理连接。 第 6页 第三版 ) 第 3章 第 7页 主要内容 物理层特性 传输介质 数字数据传输与接口 信号 数据调制与编码 本章小结 第三版 ) 第 3章 输介质 由此传输介质可以分为两大类：有线和无线传输介质。 第 8页 第三版 ) 第 3章 有线介质 有线介质提供了一种从一个结点到另一个结点的有形的物理导体作为信号传输的通道，它包括双绞线电缆，同轴电缆，以及光缆和多芯线缆。 双绞线电缆有非屏蔽和屏蔽的两种类型。 由 电子工业联合会（ 据电缆的质量划分的 六类， 1是最低档的， 6是最高档的。 各种同轴电缆根据它们的无线电波管制（ 别来归类。 光纤 分为 多模传播和单模传播。而多模传播可以进一步分成两种类型：阶跃模式和渐变模式。 第 9页 第三版 ) 第 3章 线介质 无线介质，不使用物理导体来传输电磁波，而是将信号通过空气（或者通过水）广播出去，从而使任何一个具有接收设备的人都能接收它。 无线的电磁波频段被分成 12部分，称作波段，每个波段都由政府机构管理。这些波段级别从极低频（ 极高频（ 无线电波通过五种不同的传播方式进行传输：球面传播，对流层传播，电离层传播，视线传播，以及空间传播 。 第 10页 第三版 ) 第 3章 第 11页 主要内容 物理层特性 传输介质 数字数据传输与接口 信号 数据调制与编码 本章小结 第三版 ) 第 3章 数字数据传输与接口 数字数据传输 从一个通信设备向另一个设备发送数据主要考虑的是配线方式。对于配线问题主要考虑的因素是数据流。我们是否一次只发送一个比特，或是将比特成组发送以及如何成组 ?通过链路传输二进制数据可以采用并行模式或串行模式。 在并行模式中，在每个时钟脉冲到来时多个比特被同时发送。在串行模式中，每个时钟脉冲只发送一个比特。尽管只有一种发送并行数据的方法，串行传输却有两个子类：同步方式和异步方式。 第 12页 第三版 ) 第 3章 在这里必须首先分清计算机网络中的两个重要概念：数据终端设备（ 数据电路终接设备（ 在数据通信中经常涉及到四个基本功能单元：两端各有一个 数据终端设备（ 生数据，并连同必要的控制字符一起传送给数据电路终接设备（ 数据电路终接设备（ 信号转换成适用于传输介质的形式并将它发送到网络链路中。当信号到达另一端时，相反的过程将发生。 第 13页 第三版 ) 第 3章 14页 数 据 终 端 设 备数 据 电 路终 接 设 备数 据 终 端 设 备数 据 电 路终 接 设 备D T E - D C E 标 准 提 供 了 设 备 连 接 的 机 械 、 电 气 和 功 能 特 性第三版 ) 第 3章 定义了 气特性，机械特性，功能特性和过程特性。从最早在 1962年以 考标准）名字发布以来， 第 15页 第三版 ) 第 3章 第 16页 辅 助 数据 传 输辅 助 数据 接 收本 地回 馈D T E 设备 就 绪振 铃指 示D T E 设 备 到D C E 设 备发 送 方 信 号基 准 时 钟D C E 设 备 到D T E 设 备发 送 方 信 号基 准 时 钟D C E 设 备 到D T E 设 备接 收 方 信 号基 准 时 钟辅 助发 送请 求远 程回 馈 和信 号 质量 检 测数 据 信 号速 率 选 择测 试模 式信 号接 地清 除发 送数 据接 收接 地保 护数 据传 输发 送请 求辅 助 清除 发 送接 收 线信 号检 测 器D C E 设备 就 绪辅 助 接 收信 号检 测 器保 留（ 测 试 ）保 留（ 测 试 ）未 定 义1 31 4 1 51 81 71 62 32 21 9 2 02 1 2 4 2 51 25431 096 78 1 1 1 2第三版 ) 第 3章 在 25个插脚的 个电路都能在连接 些功能被分成以下四大类：接地，数据，控制和定时。 第 17页 第三版 ) 第 3章 他接口标准 号有效传输距离）都有限制，数据速率最大到 20缆最长只能到 50英尺（ 15米左右）。为满足需要更高数据速率和更远传输趴离的刚户的要求， 第 18页 第三版 ) 第 3章 1以太网接口类型 以太网接口常用有双绞线接口（俗称电口）和光纤接口（俗称光口） 2种。另外还有早期的同轴电缆接口。 第 19页 第三版 ) 第 3章 2. 以太网接口针脚 我们常用的网线有两种：不带交叉网线和带交叉网线。 平时所说的网线名称与 标准中的直连网线（ 带交叉，主要用于交换机或集线器与工作站或能直接连接两台 第 20页 第三版 ) 第 3章 标准直连网线针脚 第 21页 插头 1针脚 插头 2针脚 信号 芯 线颜色 备注 1 1 发送 双绞线 2 2 3 接收 双绞线 6 6 4 双向 双绞线 5 5 7 双向 双绞线 8 8 第三版 ) 第 3章 交叉网线针脚 第 22页 插头 1针脚 插头 2针脚 信号 芯 线颜色 备注 1 3 发送 绞线 2 6 1 接收 双绞线 6 2 4 双向 双绞线 5 5 7 双向 绞线 8 8 第三版 ) 第 3章 自协商功能允许一个网络设备能够将自己所支持的工作模式信息传达给网络上的对端，并接受对方可能传递过来的相应信息。它使用修订过的10传递信息，自协商功能完全由物理层芯片设计实现，因此并不使用专用数据包或带来任何高层协议开销。 第 23页 第三版 ) 第 3章 脉冲序列中的第一个脉冲为时钟脉冲，并在其后每隔 125据脉冲出现的位置在相邻两个时钟脉冲的中点上（偏差 +/且以正脉冲表示逻辑 1，无脉冲表示逻辑 0。 一个 7个时钟脉冲， 16个数据脉冲（如果数据比特位都是 1的话）， 16个数据比特位的编码见后面。 只是在没有数据帧发送时每隔 16+/ 第 24页 第三版 ) 第 3章 单一快速连接脉冲（ 形 第 25页 时 钟 脉 冲T 2T 3T 1 首 位 脉 冲数 据 位编 码1 1 0 1 D 0 D 1 D 2 D 3 T 1 ： 1 0 0 n s T 2 ： 6 2 . 5 u s T 3 ： 1 2 5 u 第三版 ) 第 3章 连续的快速连接脉冲（ 普通连接脉冲（ 波形 第 26页 F L P 脉 冲N L P ： 1 6 m ： 2 m 第三版 ) 第 3章 2. 协商技术中的信息编码 快速连接脉冲（ 信息编码可以分为两类，一类是基本连接码字（基本页），支持基本的信息的交换。另一类是下一页码字，以支持附加信息页的交换。 第 27页 第三版 ) 第 3章 基本页的信息编码图 第 28页 N A 2 A 3 A 4 A 5S 0 S 1 S 2 S 3 S 4 A 0 A 6 A 7 R F A c 5D 6 D 7 D 8 D 9 D 1 0D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 1 1 D 1 2 D 1 3 D 1 4选 择 域 技 术 能 力 域第三版 ) 第 3章 与自协商功能有关的寄存器为寄存器 4们分别是自协商公告寄存器（地址 0自协商能力寄存器（地址 0自协商扩展寄存器（地址 0自协商下一页传送寄存器（地址 0 （ 1）自协商公告寄存器（地址 0 （ 2）自协商能力寄存器（地址 0 （ 3）自协商扩展寄存器（地址 0 （ 4）自协商下一页传送寄存器（地址 0 第 29页 第三版 ) 第 3章 100000示对其中的内容进行修改。在 1000 第 30页 第三版 ) 第 3章 第 31页 主要内容 物理层特性 传输介质 数字数据传输与接口 信号 数据调制与编码 本章小结 第三版 ) 第 3章 号 拟和数字 传输介质是计算机网络在物理层连通的硬件，在其中传输的数据信息是以信号的形式存在的。 数据信息和表示数据信息的电磁信号都可以采取模拟形式或是数字形式。模拟意味着是连续的量， 一组具体的数据点和它们之间所有可能的数据。数字意味着是离散的量。 第 32页 第三版 ) 第 3章 期性和非周期性信号 1周期性信号 数字信号和模拟信号都可以有两种形式：周期的和非周期的（无周期的）。 一个信号能在一个可测量的时间内，完成一种称作周期的模式，并且在随后的同样长短的周期内不断重复这种模式，这个信号就是周期性的。完成一个完整的模式称作一个波形循环。 一个周期被定义为完成一个波形循环所需要的时间（用秒计算）。周期的长短，用 于每个信号可以不同，但是对任意给定的周期性信号却是固定的。 第 33页 第三版 ) 第 3章 模拟和数字周期信号 第 34页 T T 值 信 号 值时 间时 间第三版 ) 第 3章 2 非周期性信号 一个非周期（或是无周期）信号在随时间不断变化过程中，没有任何固定的模式和波形循环。一个非周期，或是无周期的信号没有重复的模式。 第 35页 第三版 ) 第 3章 拟信号 拟信号 正弦波是所有周期信号中最基本的一种。看起来象上下振荡的曲线一样，它在一个循环中的变化是光滑和平稳的，是一个连续起伏的流。 正弦波可以由以下三个要素完全描述：振幅，周期或频率，以及相位。 第 36页 第三版 ) 第 3章 正弦信号 第 37页 第三版 ) 第 3章 时域和频域 一个正弦波通过它的振幅、频率和相位得到了完整的定义。我们已经见过在称为时域图的图形中所描绘的正弦波。时域图显示了信号振幅随时间的改变（它是振幅 而相位和频率并未在图中显式地表现出来。为了表现三种要素（振幅、频率、相位）之间的关系，我们可以使用一种称为频域图的图表 。 有两种类型的频域图：最大振幅 频率图 。 第 38页 第三版 ) 第 3章 时域和频域图 第 39页 频 率振 幅时 间振 幅第三版 ) 第 3章 不同信号的时域和频域图 第 40页 时 间时 间时 间频 率频 率频 率55555581 61 s1 s1 第三版 ) 第 3章 到目前为止，我们只关注了简单周期信号（正弦波）。但除正弦波以外的周期信号呢 ?许多有用的信号并不是仅仅在最大振幅值和最小振幅之间变化的简单平滑曲线，它们可能发生跳变滑动，摆动，出现尖峰和低谷。但是只要这些不规律性在一个个波形循环中是一致的，这个信号就仍然是周期性的，并且从逻辑上来说应该使用和描述正弦波一样的术语来描述它。实际上，不管多么复杂的周期信号，都可以分解为一系列振幅、频率和相位都可度量的正弦波的组合形式。 第 41页 第三版 ) 第 3章 在频域图中，与按整个信号方式描述复合信号的时域图不同的是，复合信号被表现为一系列分量频率，而不是每个分量对其他分量的影响 。 尽管时域图对于理解两个信号相互的影响很有用，频域图中的垂直方块条却给出了关于一个复合信号各个正弦分量的更精确描述。 为合成一个数字信号，我们需要无穷多的奇次谐波信号（ 1倍频， 3倍频， 5倍频， 7倍频， 9倍频,2每个信号都有自己的振幅，为了分解合成一个复合信号 。 第 42页 第三版 ) 第 3章 复合波形图 第 43页 时 间频 率3 f3 频 率频 率5 f5 7 7 时 间7 f5 f3 第三版 ) 第 3章 信号频谱是它所包含的所有分量信号的频率集合并通过频域图表示。带宽是频谱的宽度。也就是说，带宽指分量频率的范围，而频谱指在这个范围内的元素。为计算带宽，需要从频率范围内将最高频率减去最低频率。如果一个周期信号分解为多个频率 B= 第 44页 第三版 ) 第 3章 数字信号 1概念 模拟周期信号的三个特性（振幅、频率和相位）虽然也适用于数字信号，为描述周期性数字信号我们进行重新定义。 比特间隙和比特率 比特间隙是发送一比特所需要的时间，但不是周期。比特率是一秒钟内的比特间隙数，也不是频率。 比特率是每秒发送的比特数，经常用 特 /秒）做单位。 第 45页 第三版 ) 第 3章 比特率和比特间隙图 第 46页 振 幅0 0001 111比 特 间 隙1 s = 8 个 比 特 间 隙比 特 率 = 8 b p 第三版 ) 第 3章 2数字信号分解 在学习模拟复合信号时，我们了解了一个数字信号可以被分解成无穷多个被称为谐波的简单正弦波，每个谐波都有不同的振幅、频率和相位。 第 47页 第三版 ) 第 3章 数字信号的谐波图 第 48页 时 间时 间时 间时 间只 有 一 次 谐 波一 、 三 、 五 次 谐 波一 、 三 、 五 、 七 次 谐 波无 穷 多 次 谐 波第三版 ) 第 3章 奈奎斯特定理指出，以每秒位数表示的最大数据传输速率 D = 2 奈奎斯特定理给出了一个实际无法达到的绝对最大值。实际上，工程师们已经观察到实际通信系统总是被一些称为噪声（ 背景干扰所限制，而这些噪声使得达到理论极限传输速率成为不可能。 第 49页 第三版 ) 第 3章 信道的最大数据传输速率 1948年，香农（ 广了奈奎斯特的结果，指出了在噪声影响下传输系统所能达到的最大数据传输速率。香农的结果即香农定理可以描述为： C = B 1+S/N） 其中 常信噪 S/程师大多使用数值 10，它的单位为分贝（缩写为 如，如果 S/应分贝值则为 20 S/应分贝值则为 30 第 50页 第三版 ) 第 3章 4. 网络带宽和时延 在计算机网络中传输数据信息的传输性能有两种基本衡量方法：带宽（ 时延（1也称延迟（ 网络的带宽是在一段特定的时间内网络所能传送的比特数。例如，一个网络带宽为 10味着每秒能传送 1000万个比特。有时候，按传送每个比特所花时间长短来看带宽也是很有用的。例如在一个 10们可以通过信号的特征参数，验证之前章节个涉及的概念。 第 51页 第三版 ) 第 3章 总时延 总时延 播延迟 传输延迟 排队时延 传播时延 传播距离 介质 传播速度 传输时延 传输量 宽 52页 第三版 ) 第 3章 信道容量（延迟和带宽的乘积） 讨论这两种度量的乘积也是很有用的，通常叫做延迟和带宽的乘积（ 直观地说，如果我们将一对进程之间的信道看成一个中空的管道，时延相当于管道的长度，带宽相当于管道的直径，那么延迟和带宽的乘积就是管道的容积，即它所能容纳的比特数。 第 53页 第三版 ) 第 3章 换一种说法，如果时延（用时间衡量）相当于管道的长度，那么给定每个比特的宽度（也用时间衡量），你可以计算出管道中能放多少比特。例如，一条贯穿全国的信道单向时延为 20用线路的带宽为 2它能够容纳 20 2 106b/s=40 103b。 第 54页 第三版 ) 第 3章 第 55页 主要内容 物理层特性 传输介质 数字数据传输与接口 信号 数据调制与编码 本章小结 第三版 ) 第 3章 据调制与编码 制与编码原理 模拟数据 取电信号形式的模拟数据可以原封不动地传输出去，也可以在较高频率下进行调制，以便满足各种带宽需要。 数字数据 拟传输早在提出数字数据这一设想很久之前就已得到发展。因此，必须开发调制器，以便把数字数据变换成能在现有模拟线路上传输的模拟信号。 第 56页 第三版 ) 第 3章 数字数据 字信号可以按照其原来形式通过数字通信线路进行传输，也可以编码成不同类型的数字信号，即代表两个不同二进制值的数字信号。 模拟数据 了使模拟信号能在数字通信线路上传输，已开发出能将模拟信号变换成数字信号的方法。 第 57页 第三版 ) 第 3章 字 在许多数字 们只讨论对数据通信最有用的编码机制。它们可以归为三大类：单极性编码，极化编码和双极性编码。 单极性编码很简单，在实际使用中只有一种技术。极化编码有三个子类，非归零型，归零型和双相位型，其中两种各自有许多变形。第三种双极型编码，有三个变型： 第 58页 第三版 ) 第 3章 拟 模拟 模拟 这种技术是通过接收模拟信号，对它进行采样，然后根据采样结果产生一系列脉冲。术语“采样”是指每隔相等的时间间隔就测量一次信号振幅。 在 管如此， 重要模拟 第 59页 第三版 ) 第 3章 字 在数字 们只讨论对数据通信最常用的部分。 波的三个特性中的任意一个都可以以这种方式