计算机网络课程PPT(2)

计算机网络,任课教师：吴慧韫电子邮箱:wu_hui_yun学时：64学时（理论48+实验16）,2,2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.3物理层下面的传输媒体2.4模拟传输与数字传输2.5信道复用技术2.7物理层标准举例,第二章物理层,3,物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是连接计算机的物理设备或具体的传输媒体。物理层规程(procedure)机械特性：电气特性：功能特性：规程特性：,2.1物理层的基本概念,4,2.2数据通信的基础知识,2.2.1数据通信系统的模型,两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。,如图,一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。,数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。“模拟的”：表示是连续变化的“数字的”：表示取值是离散的将数字数据转换为模拟信号的过程叫调制。将模拟信号转换为数字数据的过程叫解调.,6,一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此有以下四种情况：,（1）模拟数据、模拟信号。（2）模拟数据、数字信号。（3）数字数据、模拟信号。（4）数字数据、数字信号。,7,从通信的双方信息交互的方式来看：(1)单向通信：单工通信；(2)双向交替通信：半双工通信；(3)双向同时通信：全双工通信。,2.2.2有关信道的几个基本概念,模拟信道：适合传输模拟信号，如电话线数字信道：适合传输数字信号，如光纤基带(baseband)和宽带(broadband)信号基带信号：由计算机产生的数字信号1或0不经过任何变换直接传输宽带信号：将数字信号加载在模拟载波信号上传输。,8,信道的数据速率：（B）码元速率：单位时间内传输的码元个数单位：波特（Band）波特率：单位时间信号状态变化的次数（C）数据传输率：单位时间传输的二进制位数。单位：比特/秒(b/s),关系：C=Blog2LL:一个码元所取的离散值的个数当L=2时C=B（即当一个码元携带的一位二进制数时）当L=8时C=3B（即当一个码元携带的3位二进制数时）,9,10,2.2.3信道上的最高码元传输速率,奈氏(Nyquist)准则：(1924年提出，是基于无噪声的信道即理想低通信道）最高码元传输率B=2WW-理想低通信道的带宽，单位为赫。最大数据传输率C=2Wlog2L强调两点(1)实际使用的信道与理想化的信道有很大差别，其能传输的最高码元速率要低得多。(2)波特和比特是两个不同的概念：码元传输率也称为调制速率、波形速率或符号速率，单位Baud-码元/秒。比特是信息量单位，b/秒。,11,2.2.4信道的极限信息传输率,香农(Shannon)公式(1948年提出，是基于有噪声的信道)最大数据传输率C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽(以Hz为单位)S/N称为信噪比注意：实际应用中常告诉信噪比为多少分贝（dB），则此时指的是10log10S/N信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率越高。,例题1,一个数字信号通过两种物理状态经信噪比为20db的3KHZ信息传送，其速率不会超过多少？解：由条件:L=2W=3KHZ10lgS/N=20S/N=100由奈式公式：C=2Wlog2L=2*3Klog22=6Kb/s由香农公式：C=Wlog2(1+S/N)=3log2(1+100)=18Kb/s注意：要取两者中较小的值，所以最大速率为6Kb/s,13,例题2,若要在一条50KHz信道上传输1.544Mb/s的T1载波，信噪比至少要多大？解：由条件W=50KHzC=1.544Mb/s香农公式C=Wlog2(1+S/N)1.544*103K=50Klog2(1+S/N)S/N=230信噪比10lgS/N=10lg230(分贝),14,传输媒体是数据传输系统中在发送器和接受器之间的物理通道，即指传送信息的载体。1、导向传输媒体(有线传输介质)双绞线（TwistedPair）同轴电缆（CoaxialCable）光缆(OpticalFiber)2、非导向传输媒体(无线传输介质)无线、微波、卫星通信、红外线通过空气来进行信号的传播。,2.3传输媒体(传输介质),15,双绞线,把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。,屏蔽双绞线(STP)：具有屏蔽能力。非屏蔽双绞线（UTP）：不具有屏蔽能力。有5类UTP标准，常用的是第3类和第5类。双绞线面临的主要问题：衰减和近端串扰,16,同轴电缆,同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成,17,（1）50同轴电缆（2）75同轴电缆,50同轴电缆又称为基带同轴电缆。在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。75同轴电缆又称为宽带同轴电缆。在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。,18,常用的编码方法,曼彻斯特:每位周期中间跳变，1：由高到低0：由低到高差分曼彻斯特:每位周期中间跳变，1前不跳变，0前跳变,1,0,0,0,1,0,0,1,1,1,基带数字信号,曼彻斯特编码信号,差分曼彻斯特编码信号,19,光纤,由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8100m。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角,入射角足够大会反全射.,特点：通信容量大,带宽在25000GHz30000GHz传输损耗小抗雷电和电磁干扰性能好无串音干扰，保密性能好体积小，重量轻,多模光纤:不同角度入射的光线在一条光纤中传输单模光纤:光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导使光线一直向前传播，而不会产生多次反射,21,模拟传输技术数字传输技术,2.4模拟传输与数字传输,模拟信道,模拟信号数字信号,模拟信号数字信号,调制解调,数字信道,数字信号模拟信号,数字信号模拟信号,编码解码,22,2.4.2调制解调器,1调制解调器的作用解决失真的办法在模拟信道两端各加上一个调制解调器把模拟信道改造为数字信道调制解调器(modem)由调制器(MOdulator)和解调器(DEModulator)组成调制器的主要作用就是个波形变换器，解调器的作用就是个波形识别器。,传送基带信号失真的原因：(1)基带信号的某些频率成分丢失。(2)信号的衰减和时延。(3)传送线路中存在噪声和各种干扰信号。,23,2几种最基本的调制方法所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。最基本的二元调制方法：（1）调幅(AM)（2）调频(FM)（3）调相(PM)正交幅度调制QAM,24,0时无载波输出1时有载波输出0时f不变1时f变大1时改变相位,上述的对数字信号的调频和调相，分别称为移频键控FSK(FrequencyShiftKeying)移相键控PSK(PhaseShiftKeying)-绝对移相键控-相对移相键控(DPSK)为了达到更高的信息传输速率，采用更为复杂的多元的振幅相位混合调制方法：正交调制QAM,四种r,四种表示16种状态，那么一个信息位有16种状态，即4位二进制C=Blog2LL=16-C=4B采用QAM多元调制可提高数据传输率,26,4调制解调器使用异步通信方式数据通信可分为同步通信和异步通信两大类。同步通信:要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等(这常称为收发双方的时钟是同步的)，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。异步通信:在发送端将欲发送的数据以字节(8个比特)为单位进行逐个字节的封装,对每一个字节增加一个起始比特和停止比特.异步通信是通过增加通信开销(每发送10个比特就有两个比特的额外开销，因而数据的有效传输速率就降低了)使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。,27,2.4.3数字传输系统,解决问题：模拟信号在数字信道上传输入实现方法：脉码调制PCM(PluseCodeModulation)技术三个步骤：1）采样：采样频率=2倍信号频率根据取样定理，只要取样频率不低于模拟信号最高频率的2倍，就可以从取样脉冲信号无失真地恢复除原来的信号。2）量化：振幅0-255，分128个等级0，2），2，4），4，6）254,255)0121273）编码：对每个已量化的值进行7位二进制编码,28,2.5信道复用技术,用一对传输线同时传送几路信息，称为多路复用,1.频分多路复用FDM,2.时分多路复用TDM3.波分多路复用WDM4.码分多路复用CDM,29,频分多路复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing),多路信号同时使用一个信道的不同频段适用于模拟信号应用：广播电视电缆电视数字数据传输：需要将数字信号转换为模拟信号,30,31,时分多路复用TDM(TimeDivisionMultiplexing),多个信号分时地使用一个信道的一个频段,即时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频道宽度。-同步时分多路复用-异步时分多路复用（统计时分多路复用STDM）在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。,当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时(例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息)，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。见下图：,统计时分复用STDM(StatisticTDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。下图是统计时分复用的原理图。,STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此统计时分复用可以提高线路的利用率。,34,波分多路复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing),波分复用技术主要用于全光纤网组成的通信系统,将是计算机网络系统今后的主要通信传输复用技术之一.将信道分成多个波段,相当与频分复用中的频段,35,码分多路复用CDM(CodeDivisionMultiplexing),更常用的是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess):每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。目前是一种用于移动通信系统的新技术,PDA、HPC等移动性计算机的连网用到码分复用技术。,36,CDMA的复用原理是基于码型分割信道。每个用户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠，其特点是频率和时间资源均为共享。,37,2.7物理层标准举例,2.7.1EIA-232-E接口标准EIA-232-E是美国电子工业协会制订的物理层标准。1962年制订为RS-232，1969年修订为RS-232-C，1981修订为EIA-232-D，1991年修订为EIA-232-E。DTE(DataTerminalEquipment)-数据终端设备DCE(DataCircuit-terminationEquipment)-数据电路端接设备CUS/DSU(ChannelServiceUnit/DataServiceUnit)-信道服务单元/数据服务单元,38,机械性特性采用25针连接器(DB-25)其中22针已经指定用途与ISO2110标准一致对DB-25的机械尺寸及每根针的排列位置均作了明确规定，保证通用性电器性接口：与CCITTV.28建议一致在数据线上：Mark(传号)-3V或更低逻辑1Space(空号)+3V或更高逻辑0在控制线上：ON(通)逻辑0OFF(断)逻辑1,39,功能性接口：与CCITTV.24建议书一致,40,41,EIA-232接口标准有两个较大的弱点，即：数据的传输速率最高为20kbit/s；连接电缆的最大长度不超过15m。1997年又制定了RS-449，由3个标准组成。（1）RS-449规定接口的机械特性、功能特性和过程特性。RS-449采用37根引脚的插头座。（2）RS-423-A规定在采用非平衡传输时(即所有的电路共用一个公共地)的电气特性。（3）RS-422-A规定在采用平衡传输时(即所有的电路没有公共地)的电气特性。它可将传输速率提高到2Mbit/s，而连接电缆长度可超过60m。,42,作业一：1）P662-022）一个用于发送二进制信号的3KHz信道，其信噪比为20dB,可以取得的最大数据速率是多少？3)画出1010110011的基带数字信号