信息科学计算机网络

信息科学与技术学院网络通信技术实验室张新有Email xyzhang Phone 87600745 604 计算机网络ComputerNetworking ComputerNetwork 2 2020 4 16 第二章 物理层 ComputerNetwork 3 2020 4 16 第二章物理层 物理层的特性机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸 引线数目和排列 固定和锁定装置等等 电气特性指明电压范围 传输的波形或编码 功能特性指明某一电平的电压表明何种意义 规程特性各种事件的出现顺序 ComputerNetwork 4 2020 4 16 主要内容第一节数据通讯基础第二节传输介质第三节模拟传输与数字传输第四节物理层接口标准第五节物理层互连设备习题 ComputerNetwork 5 2020 4 16 第一节数据通讯基础 一 基本概念1 信号分类基带 baseband 信号将数字1或0直接用不同信号表示 送到线路传输 宽带 broadband 信号将基带信号进行调制后形成的多路复用模拟信号 2 宽带的概念 ComputerNetwork 6 2020 4 16 3 信道分类 信号传输方向和时间的关系 可分 单工 单向通信 半双工 双向交替通信 全双工 双向同时通信 ComputerNetwork 7 2020 4 16 4 同步 synchronous 通信和异步 asynchronous 通信在计算机网络中 同步 的意思很广泛 它没有一个简单的定义 在很多地方都用到 同步 的概念 例如在协议的定义中 协议的三个要素之一就是 同步 在网络通信编程中常提到的 同步 则主要指某函数的执行方式 即函数调用者需等待函数执行完成后才能进到下一步 数据通信中的同步通信与异步通信的目的 都是为了收发同步 不出现差错 但实现方式有很大区别 ComputerNetwork 8 2020 4 16 1 异步通信 字符同步异步通信是一种很常用的通信方式 异步通信在发送字符时 所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的 当然接收端必须时刻做好接收的准备 发送端可以在任意时刻开始发送字符 因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志 即加上开始位和停止位 以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来 异步通信的好处是通信设备简单 便宜 但传输效率较低 因为开始位和停止位的开销所占比例较大 ComputerNetwork 9 2020 4 16 帧同步 异步通信也可以帧作为发送单位 接收端随时准备接收帧 这时帧首部必须设有一些特殊的比特组合 使得接收端能够找出一帧的开始 称为帧定界 帧定界还包含确定帧的结束位置 有两种方法 在帧的尾部设有某种特殊的比特组合来标志帧的结束 或者在帧首部中设有帧长度的字段 注意 在异步发送帧时 并不是说发送端对帧中的每一个字符都必须加上开始位和停止位后再发送出去 而是说发送端可以在任意时间发送一个帧 而帧与帧之间的时间间隔也可以是任意的 一帧中的所有比特是连续发送的 发送端不需要在发送一帧之前和接收端进行协调 即不需要先进行比特同步 ComputerNetwork 10 2020 4 16 异步通信示例 要点 字符或帧发送时间任意 时间间隔任意 ComputerNetwork 11 2020 4 16 2 同步通信指通信双方必须先建立同步 即双方时钟要调整到同一频率 收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流 有两种不同的同步方式 一是使用全网同步 用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步 另一种是使用准同步 各结点时钟之间允许有微小误差 然后采用其他措施实现同步传输 同步通信中也有帧同步的概念 如PCM中帧同步 其实现方式与异步通信中帧同步的概念不同 两种通信方式的共同之处在于 使接受方能正确接受发送方发出的数据 以字符或帧为单位进行处理 ComputerNetwork 12 2020 4 16 3 比特同步 帧同步 字符同步数据通信中最基本同步方式是 比特同步 位同步 比特是数据传输最小单位 比特同步是指接收端时钟已经调整到和发送端时钟完全一样 接收端收到比特流后 就能够在每一个比特的中间位置进行判决 如下图 比特同步的目的是为了将发送端发送的每一个比特都正确地接收下来 这就要求接受方在正确时刻对收到的电平根据事先已约定好的规则进行判决 ComputerNetwork 13 2020 4 16 但仅有比特同步还不够 因为数据要以帧为单位进行发送 若某个帧有差错 以后就重传这个出错的帧 因此一个帧应当有明确的界限 也就是说要有帧定界符 接收端在收到比特流后 必须能够正确地找出帧定界符 以便知道哪些比特构成一个帧 接收端找到帧定界符并确定帧准确位置 就完成了 帧同步 framesynchronization 字符同步 在以字符为单位的异步通信中 由于每一个字符只有8个比特 因此只要收发双方的时钟频率相差不太大 在开始位的触发下 这8个比特的比特同步很容易做到 因此不需要采取其他措施来实现比特同步 ComputerNetwork 14 2020 4 16 二 信道最大传输率 1 奈奎斯特定理采样定理模拟信号经F频率采样成为离散信号 能够通过数字信道传送无失真恢复 则要求F 2f f是模拟信号的最高频率 奈氏公式 理想信道 C 2Hlog2LH 低通信道的带宽 Hz L 某给定时刻数字信号可能取的离散值个数 码元波形状态 C 该信道的最大数据传输率信息传输速率 b s ComputerNetwork 15 2020 4 16 奈氏准则是在理想条件下推导出的 在实际条件下 最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值还要小些 电信技术人员的任务就是要在实际条件下 寻找出较好的传输码元波形 将比特转换为较为合适的传输信号 奈氏准则并没有对信息传输速率 bps 给出限制 要提高信息传输速率就必须使每一个传输的码元能够代表许多个比特的信息 这就需要有很好的编码技术 ComputerNetwork 16 2020 4 16 例 若某低通信道带宽为4KHz 任何时刻数字信号可取0 1 2和3四种电平值之一 求最大传输率 解 C 2Hlog2L 2 4kHz log24 16kb s ComputerNetwork 17 2020 4 16 2 Shannon定理 有噪声信道的最大数据传输率为 C Hlog2 1 S N H 为带宽S N 为信道噪声比 信道噪声比常用分贝为计量单位 分贝数 10log10s n 如30db对应于1000 1的信噪比 例 求信噪比为30db 带宽为3000Hz的信道最大的数据传输率 解 C Hlog2 1 S N 3000Hz log2 1 1000 30Kbps ComputerNetwork 18 2020 4 16 香农公式给出了信息传输速率的极限 即对于一定的传输带宽 以赫兹为单位 和一定的信噪比 信息传输速率的上限就确定了 这个极限是不能够突破的 要想提高信息的传输速率 或者必须设法提高传输线路的带宽 或者必须设法提高所传信号的信噪比 此外没有其他任何办法 至少到现在为止 还没有听说有谁能够突破香农公式给出的信息传输速率的极限 ComputerNetwork 19 2020 4 16 3 比特率与波特率的关系 波特率B 每秒信号调制次数 次 秒 或称码元率 线路信号速率 也称调制速率 或符号速率 以波形每秒的振荡数来衡量 为了提高信息传输率 必须设法使每个码元能携带更多比特的信息 称多元制 比特率C 每秒传送的位数 bit s bps 二者关系 C Blog2L例1 开关键控 每个符号传送一个逻辑比特 B C ComputerNetwork 20 2020 4 16 例2 2B1Q 二比特一组四电平码 四级振幅用于二位编码 使每个符号传更多的比特 下例中6个符号传12比特110110001101 可以看出 C Blog24 2B ComputerNetwork 21 2020 4 16 例3 同理 采用16元制 有16种信号 一个码元 信号 携带4bit信息 C Blog216 4B可以想象 要使每个符号传输k位比特 就需要级电平 在提高数据传输速率的同时 也增加了接收机判别电平的难度 问题 下述编码是否满足公式 C Blog2L 为了提高网络传输速率 还有更高的编码 如局域网采用的nBmB 它是把原始信息流中n位比特的二进制码作为一组 变为m比特的二进制新码组 其中m n 由于新码组中有种多余的组合 可在种组合中选择个有利于传输的代码 如百兆以太网采用5B6B编码 千兆以太网采用8B10B编码 ComputerNetwork 22 2020 4 16 三 数据调制与编码 1 分类网络中待传输的数据来源有模拟和数据之分 传输信道 介质 有模拟 电话线 TVCable 无线 和数字信道 同轴电缆 双绞线 光纤 1 模拟数据的模拟信号调制 频分复用 2 数字数据的模拟信号调制 Modem Cablemodem 3 数字数据的数字信号编码 曼彻斯特编码 4 模拟数据的数字信号编码 PCM 在同一系统中 根据需要上述调制与编码方式可混用 ComputerNetwork 23 2020 4 16 2 数字数据的数字信号编码1 要求 使数字信号 包含比特 位 同步信息 减少直流分量 编 解码方法简单 编码效率高 2 方法 双极性 单极性归零 不归零 曼彻斯特编码 一个周期T 分前后T 2 前高后低为1 前低后高为0 差分曼彻斯特编码 一个周期T 分前后T 2 前半个码元的电平与上个码元的后半个码元一样为1 反之为0 四种组合 不能完全满足要求 ComputerNetwork 24 2020 4 16 3 曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 4 特点 C AB 编码效率为50 A B C ComputerNetwork 25 2020 4 16 第二节传输介质 传输介质并不是物理层 但和传输介质密切相关 传输介质在物理层的下面 由于物理层是体系结构的第一层 因此有时称传输介质为0层 在传输介质中传输的是信号 传输介质并不知道所传输的信号代表什么意思 但物理层由于规定了电气特性 因此能够识别所传送的比特流 ComputerNetwork 26 2020 4 16 一 有线传输介质 1 双绞线屏蔽双绞线STP ShilededTwistedPair 非屏蔽双绞线UTP UnshilededTwistedPair 3类 规定为16MHz4类 规定为20MHz5类 5E类 规定为100MHz6类 规定为250MHz7类 规定为600MHz ComputerNetwork 27 2020 4 16 双绞线应用 IEEE双绞线组网标准 10BASE T 采用三类非屏蔽双绞线UTP容量10Mbps衰减限制距离100米 采用曼彻斯特编码 100BASE T 采用五类非屏蔽双绞线UTP容量100Mbps衰减限制距离100米 采用4B 5B编码 1000BASE T 采用超五类非屏蔽双绞线四对 容量1000Mbps衰减限制距离25米 采用8B 10B编码 采用六类双绞线的以太网标准 容量1000Mbps距离将达到100米 ComputerNetwork 28 2020 4 16 EIA TIA568B线序 橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕EIA TIA568A线序 绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕 RJ 45 水晶头 制作 两种标准 ComputerNetwork 29 2020 4 16 对不同用途的网线 每端的水晶头按不同标准制作 规则如下表 在实际施工过程中 双绞线的制作要遵守上述的EIA TIA568B或EIA TIA568A标准 在一个工程中选用同一种标准 这不仅仅是为了施工者自己及以后的网络管理人员维护方便 更重要的是这样制作的网线 才符合性能指标 ComputerNetwork 30 2020 4 16 2 同轴电缆 50 同轴电缆 粗 细 基带同轴电缆 传送基带数字信号 10Mb s速率可传送1km 75 同轴电缆宽带同轴电缆 是有线电视CATV的传输电缆 主要用于传输模拟信号 频率可达300 450MHz 传输距离可达100km ComputerNetwork 31 2020 4 16 双缆系统两条并排铺设的电缆 电缆1用于发送 电缆2用于接收 单缆系统使用不同频段 双向放大器 ComputerNetwork 32 2020 4 16 50 同轴电缆使用 50 细同轴电缆连接 ComputerNetwork 33 2020 4 16 50 粗同轴电缆连接 ComputerNetwork 34 2020 4 16 3 光纤 光纤优点 传输频带非常宽 或传输的数据率非常高 传输损耗小 中继距离长 抗雷电和电磁干扰性能好 无串音干扰 保密性好 体积小 重量轻 传输特点 单模光纤 8 3 m芯 125 m外层 注入式激光二极管ILD InjectionLaserDiode 多模光纤 62 5 m芯 125 m外层 发光二极管LED LightEmittingDiode ComputerNetwork 35 2020 4 16 纤芯用来传导光波 包层有较低的折射率 当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时 其折射角大于入射角 若折射角够大 就会出现全反射 若光纤直径减少到一个光的波长 则光纤就像一根波导一样 光线直线传播 这就是单模光纤 只传输基模 多模光纤可传输高阶模 ComputerNetwork 36 2020 4 16 室内光纤室外光纤 光纤类型 ComputerNetwork 37 2020 4 16 光纤接插器件 ST SC接口 ComputerNetwork 38 2020 4 16 二 无线传输介质 1 无线电微波采用扩频方式通信有902M 928M和2 4GHz ISM 三个频段 容量2 6Mbps 通信距离可达几十到几百公里 WiMax IEEE802 16 工作频段目前已基本确定 即2 5G 3 5G许可频段和5G免许可频段 5G频段由于其免许可 难以保证传输质量 不是特别适合运营 但非常适合行业和集团用户来构建自己的WiMax网络 2 地面微波有两个频段 4 6GHz和21 23GHz 容量为1Mbps 10Mbps 距离为几十上百公里 3 卫星微波同步卫星距地面距离3600公里 通信容量为19 2K到几Mbps ComputerNetwork 39 2020 4 16 Very甚Ultra特Super超Extremly极Tremely 无线电 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线 双绞线 同轴电缆 卫星 地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电 光纤 电视 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 波段 1041051061071081091010101110121013101410151016 10010210410610810101012101410161018102010221024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱 无线微波通信在数据通信中占有中重要地位 微波频率在300M 300GHz 但主要使用2 40GHz ComputerNetwork 40 2020 4 16 Codec Codec 端局 第三节模拟传输与数字传输 Modem调制解调器Codec编码解码器 模拟本地回路 数字终端 Modem 客户端设备 长途数字信道 模拟本地回路 数字终端 Modem 客户端设备 端局 ComputerNetwork 41 2020 4 16 一 数字调制技术 调幅 AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 例如0对应于无载波输出 1对应于有载波输出 如前面讲述的2B1Q 调频 FM 载波的频率随基带数字信号而变化 例如0对应于频率f1 1对应于频率f2 调相 PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 例如0对应于相位0o 1对应于相位180o 调相有可分为相对相移和绝对相移 ComputerNetwork 42 2020 4 16 几种调制方法 基带信号调幅调频调相 ComputerNetwork 43 2020 4 16 16QAM调制 正交幅度调制 QAM是用数字信号调制载波的幅度和相位 使载波的幅度和相位受控于数字信号 常用有16QAM 32QAM 64QAM等 这种调制由于载波的幅度和相位都带有信息 所以能传输的数码率高 下图16QAM的星座图 ComputerNetwork 44 2020 4 16 二 传统调制解调器分类 低速 小于600b s中速 600b s 9600b s高速 大于9600b s ITU T的V 34 33 6kb sITU T的V 90 56kb sITU T的V 92 56kb s A 数字信号 1 对称Modem ComputerNetwork 45 2020 4 16 2 非对称Modem 非对称Modem指的是 用户Modem是模拟式设备 而局端Modem是数字式设备 即用户与局端是非对等设备 并且数据的上行和下载速率也不相同 ComputerNetwork 46 2020 4 16 说明 ITU T的V 34 33 6kb s从A到B的整个传输过程中 最大的噪声来自两次模 数转换所带来的量化噪声 而这个噪声已无法再减小 所以信噪比最大约为2500 根据香农公式得出信道容量的极限值约为35kb s ITU T的V 90 56kb s而用户到ISP 由于ISP租用数字专线接入电话交换机 所以只需一次A D转换 量化噪声减少 因此研制出56kb s的Modem V 90的上行速率仍为33 6K ITU T的V 92 下行56kb s 上行48Kbps 连接建立时间8 10s V 90需30s ComputerNetwork 47 2020 4 16 三 数字传输系统 1 PCM PulseCodeModulation 脉码调制 PCM编码 语音信号最高频率为3 4kHz 由采样定理 常取8kHz a 模拟电话信号 取样 b 取样后脉冲信号 量化 c 编码后数字信号 编码 d 解码后的脉冲信号 e 恢复后的模拟电话信号 ComputerNetwork 48 2020 4 16 PCM应用 为了减少折叠噪声 采样频率比2f稍大一些 为8kHz 采样周期为125us我国PCM采用8位编码 一个码元7 1bit 可知 量化级别为2 7 128个 8kHz 8b 64kbps即一个标准话路的PCM信号速率为64kbps随着话音编码技术的不断发展 可用更低的速率传送同样质量的语音信号 如32kbps 16kpbs 8kbps 但目前非国际标准 故目前仍用64kbps ComputerNetwork 49 2020 4 16 三 数字传输系统 2 1 E1标准 欧洲 中国 E1有32个时隙 CH0 CH31 CH0用作帧同步用 CH16用来传送信令 其余的30个传话路 8kHz 8b 32 2 048Mbps 利用PCM技术同时传输多个话路 以提高线路利用率 国际上有两类标准 E1 T1 通常将多个话路的PCM信号用时分复用的方法组装成帧 Frame 即时分复用帧 然后在线路上一帧接一帧地传输 时隙概念 时分复用后面讲 ComputerNetwork 50 2020 4 16 E1的时分复用帧结构 E1接口 接口码型 HDB3 数字接口物理电气特性符合ITU TG 703建议接口阻抗 平衡性 RJ45 120 不平衡口 BNC 75 线路传输协议 HDLC ComputerNetwork 51 2020 4 16 2 T1标准 北美 共有24个标准PCM话路 每个话路 7bit编码 1bit信令帧同步 24路编码后 1bit速率 24 8 1 b 8kHz 193b 8kHz 1 544Mbps ComputerNetwork 52 2020 4 16 三 数字传输系统 3 四个一次群可构成一个二次群 但速率要多些 因为复用后需要一些同步的码元 下表给出欧洲和北美的高次群的话路数和数据率 日本的一次群用T1 但高次群标准不同 ComputerNetwork 53 2020 4 16 三 数字传输系统 4 3 PDH SONET SDH 同步传输网络 同步光纤网SONET 美国标准 SynchronousOpticalNetwork速率 OC n 电缆速率标准STS SynchronousTransportSignal 1 速率 STS n 其中STS 1为51 84MbpsSTS系列标准是为数字电路的接口上 使用的是铜线 的电信号用的 而OC系列标准是为光纤接口上的光信号用的 但OC n的数据率和STS n的数据率是一样的 同步数字系列SDH ITU标准 SynchronousDigitalHierarchySTM 1 速率155 52mbps 相当于STS 3 OC 3目标 统一全球干线上数据率标准 ComputerNetwork 54 2020 4 16 干线网络常用速率 近似值 STS 3 OC 3 STM 1 155MpbsSTS 12 OC 12 STM 4 622MpbsSTS 48 OC 48 STM 16 2 5GpbsSTS 192 OC 192 STM 64 10GpbsSTM SynchronousTransferModuleSDH SONET定义了标准光信号 1310nm 1550nm SDH与PDH相比有很多优越性 速率统一 多种业务可管理性 灵活性和可靠性 抗毁性等 目前应用广泛 SONET定义了4个光接口层 对SONET只应于OSI的物理层 SDH的块状物理帧结构 ComputerNetwork 55 2020 4 16 第四节物理层标准举例 一 EIA 232 E接口 CCITTV 24 电气指标 0 电平 3v 15v 1 电平 3v 15v数据终端设备DTEDataTerminalEquipment数据电路端接设备DCEDataCircuit terminatingEquipment25针插头座引脚分为上 下两排 上13根 下12根RS 232的缺点 数据的传输速率低和距离短 ComputerNetwork 56 2020 4 16 EIA 232物理接口 ComputerNetwork 57 2020 4 1