计算机网络课程-第02章-物理层

物理层基本概念,物理层位于计算机网络体系结构的最底层。,物理层作用：屏蔽各种传输媒体和通信手段的差异，使其上层的数据链路层感觉不到这些差异。,物理层传送的是一个一个的比特（比特流）。,物理层为数据链路层提供透明传输比特流的服务。,物理层与传输媒体接口有关的特性,物理层为了能够向数据链路层提供透明传输比特流的服务，必须确定以下4类与传输媒体接口有关的特性：,物理层常用物理层接口,RS232中规定的DB9接口,RJ45接口,通用串行总线USB接口,物理层物理层协议种类众多,由于物理连接方式很多（例如，点对点，多点连接或广播连接），并且传输媒体种类众多（例如，架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆以及各种波段的无线信道等），这就造成了物理层协议的种类众多。,本章仅简单介绍一个物理层协议RS232的应用，目的在于说明与传输媒体接口有关的4个特性（机械特性、电气特性、功能特性和过程特性）。,对于物理层的学习，应将重点放在基本概念上。例如：物理层为其相邻上层（数据链路层）提供“透明传输比特流”的服务。,物理层物理层协议种类众多RS232应用举例,DB9公头,机械特性：外形尺寸、引脚数量、锁定装置等。,电气特性：逻辑“1”为-3到-15V；逻辑“0”为+3到+15V。,功能特性：引脚1载波检测(CD)引脚2接收数据（RXD）引脚3发送数据（TXD）引脚4数据终端准备好（DTR）引脚5信号地（GND）引脚6通信设备准备好（DSR）引脚7请求发送（RTS）引脚8允许发送（CTS）引脚9响铃指示（RI）,物理层物理层下面的传输媒体,传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。,传输媒体主要分为以下两大类：,导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。,非导引型传输媒体：自由空间（包括空气和真空）。电磁波在自由空间的传输常称为无线传输。,物理层电信领域使用的电磁波的频谱,低频,中频,高频,甚高频,特高频,超高频,极高频,至高频,物理层导引型传输媒体双绞线,无屏蔽双绞线UTP电缆,由4对相互绝缘的导线两两绞合(一般按逆时针)：,蓝和蓝白,橙和橙白,绿和绿白,棕和棕白,绞合的作用：,抵御部分来自外界的电磁波干扰,减少相邻导线的电磁干扰,屏蔽双绞线STP电缆,物理层导引型传输媒体双绞线（续1）,常用双绞线类别、带宽和典型应用,物理层导引型传输媒体双绞线（续2）,使用网线钳剥掉双绞线电缆的外皮，会看到以下4对（共8根）不同颜色的导线：,双绞线电缆,T568A标准,T568B标准,物理层导引型传输媒体双绞线（续3）,直通线：网线两端均为T568B标准。,直通线的连接场合：,电脑,ADSL猫,直通线,电脑,ADSL路由器,直通线,ADSL猫,直通线,ADSL路由器,电脑,直通线,集线器或交换机,物理层导引型传输媒体双绞线（续4）,交叉线：网线一端为T568A标准，另一端为T568B标准。,交叉线的连接场合：,电脑,交叉线线,电脑,集线器,交叉线线,集线器,交换机,交叉线线,交换机,物理层导引型传输媒体双绞线（续5）,物理层导引型传输媒体同轴电缆,内导体,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘保护套层,同轴电缆主要分以下两类：,宽带同轴电缆：75，用于模拟传输。目前主要用在有线电视CATV。,基带同轴电缆：50，用于数字传输。在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体，后来被双绞线取代。,粗缆：10Base5，10Mbps，500m，100站点,细缆：10Base2，10Mbps，185m，30站点,物理层导引型传输媒体同轴电缆（续1）,使用同轴电缆连接的局域网,物理层导引型传输媒体同轴电缆（续2）,使用同轴电缆连接的局域网,物理层导引型传输媒体光纤、光缆,室外四芯光缆,光缆内部结构,纤芯直径：,多模光纤：50m、62.5m,单模光纤：9m（810m）,包层直径：125m,工作波长：,850nm（衰减较大）,1310nm（衰减较小）,1550nm（衰减较小）,物理层导引型传输媒体光纤、光缆（续1）,纤芯,包层,纤芯：非常透明的石英玻璃拉成细丝，直径8至100m。,包层：在纤芯外面包裹的一层折射率比纤芯低的玻璃封套，直径为125m。,法线,当光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。,因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。,物理层导引型传输媒体光纤、光缆（续2）,包层（低折射率）,纤芯（高折射率）,光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,物理层导引型传输媒体光纤、光缆（续3）,由于色散（牛顿“三棱镜”）原因，光在多模光纤中传输时会逐渐展宽。,因此，多模光纤只适合近距离传输（建筑物内）。,单模光纤制造成本高、对光源要求高。,单模光纤衰减小。,发送光源：发光二极管；接收检测：光电二极管,发送光源：激光发生器；接收检测：激光检波器,物理层导引型传输媒体光纤、光缆（续4）,高带宽（通信容量非常大）,传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。,抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。,无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。,体积小，重量轻。,单向传输,光纤接口价格昂贵,制作工艺复杂,安装技术复杂,物理层导引型传输媒体光纤、光缆（续5）,物理层导引型传输媒体光纤、光缆（续6）,物理层导引型传输媒体光纤、光缆（续7）,物理层非导引型传输媒体自由空间（空气和真空）,物理层非导引型传输媒体短波通信,短波通信（又称高频HF通信）是波长在100米10米之间，频率范围3兆赫30兆赫的一种无线电通信技术。,短波主要是靠电离层的反射（天波）进行长距离（几千公里）通信。,短波也可以像长、中波一样靠地波进行短距离（几十公里）通信。地波传播形式的频率范围大约是1.5兆赫5兆赫。,几十公里内,VLF/LF/MF,电离层反射（天波）,HF/VHF,物理层非导引型传输媒体短波通信缺点,电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，所以短波通信的稳定性较差，噪声较大。,电离层反射产生多径效应：同一个信号经过不同的反射路径到达同一个接收点，但各反射路径的衰减和时延都不相同，使得最后得到的合成信号失真很大。,随着技术进步，特别是自适应技术、猝发传输技术、数字信号处理技术、差错控制技术、扩频技术，超大规模集成电路技术和微处理器的出现和应用，使短波通信进入了一个崭新的发展阶段。,短波通信受带宽限制，信道非常拥挤，信道之间的相互干扰十分严重，而且现有短波通信无法抵御窃听和各种有意的干扰。,物理层非导引型传输媒体短波通信优点,电离层这个天然的“中继系统”不易遭人为破坏，更不易长期破坏；电离层这个的“中继系统”因自然条件、人为条件造成的“中断”时间也是短暂的。,短波是唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段，一但发生战争或灾害，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击。无论哪种通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波通信都是无可比拟的。,在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波进行通信。,与卫星通信相比，短波通信不用支付话费，运行成本低。,进行远距离通信（传输距离更可达数千公里而不需要转发），仅需要不大的发射功率和适中的设备费用。,物理层非导引型传输媒体短波通信应用,在卫星通信出现以前，短波在国际通信、防汛救灾、海难求援以及军事通信（始终是军事指挥的重要手段之一）等方面发挥了独特的重要作用。,海上通信：潜艇、水面战舰、远洋商船、渔轮和科考船队通常都配备短波电台与外界建立通信联系。,机载短波：机载短波、超短波通信是航空通信的重要手段，特别当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又缺乏现代预警机与机载卫星通信系统时，机载短波通信成为了唯一的通信渠道。,跳频短波通信的出现大大增强了通信的安全性，可以说跳频短波通信比卫星通信更为可靠，因为卫星服务受到所属国政府的控制，而短波通信则是完全自主的。在涉及国家安全和社会安全的场合，跳频短波通信的地位无可取代。,物理层非导引型传输媒体微波通信,微波通信是波长在1米10厘米之间，频率范围300MHz300GHz（主要使用240GHz的频率范围）的一种无线电通信技术。,微波在空间主要是直线传播。,微波会穿透电离层进入宇宙空间，而不像短波那样可以经过电离层反射传播到地面上很远的地方。,由于地球表面是个曲面，而微波在空间是直线传播，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。如果采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km。,为实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，这称为“地面微波接力”。大多数长途电话业务使用46GHz频率范围。,由于微波会穿透电离层进入宇宙空间，因此可以利用微波进行卫星通信。,物理层非导引型传输媒体地面微波接力通信,微波传送塔,微波传送塔,微波传送塔,微波传送塔,视距LOS50100km,视距LOS50100km,视距LOS50100km,地面微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。,地面微波接力通信链路的传播时延为光速（每秒30万公里）,物理层非导引型传输媒体地面微波接力通信优缺点,微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。,因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（甚高频）通信小得多，因而微波传输质量较高。,与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。,相邻站之间必须直视（常称为视距LOS（LineOfSight），不能有障碍物。易被建筑物阻挡。,多经衰减,频率在4GHz以上的微波易被雨水吸收。,与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。,对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。,物理层非导引型传输媒体人造同步地球卫星通信,人造同步地球卫星,人造同步地球卫星,人造同步地球卫星,发射的微波能覆盖三分之一地球面积,只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。,为了避免干扰，卫星之间相隔如果不小于2度，则整个赤道上空只能放180个。,利用不同频段进行通信，总的通信容量还是很大的。,国际电信联盟ITU规定，空间无线频谱/轨道资源的分配机制为“先登先占”的抢占方式。,物理层非导引型传输媒体人造同步地球卫星通信（续1）,人造同步地球卫星,人造同步地球卫星,人造同步地球卫星,发射的微波能覆盖三分之一地球面积,截止2012年，已有十几个国家和组织发射了100多颗同步卫星。1984年4月，中国的同步卫星发射成功。,我国的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星（同步卫星）和30颗非静止轨道卫星组成。,物理层非导引型传输媒体人造同步地球卫星通信（续2）,人造同步地球卫星,人造同步地球卫星,人造同步地球卫星,发射的微波能覆盖三分之一地球面积,卫星通信的传播时延很大。,一个地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250300ms之间。一般取270ms。这与这两个地球站的地面距离无关（与天线仰角有关）。,物理层非导引型传输媒体人造同步地球卫星通信（续3）,人造同步地球卫星,人造同步地球卫星,人造同步地球卫星,发射的微波能覆盖三分之一地球面积,卫星通信非常适合于广播通信，因为它的覆盖面很广。,卫星通信通信系统的保密性较差。,卫星成本和发射卫星的火箭造价都很高。,受电源和元器件寿命的限制，同步卫星的使用寿命一般为1015年。,卫星地球站的技术较复杂，价格较贵。,物理层非导引型传输媒体低轨道卫星通信系统,低轨道LEO（LowEarthorbit）卫星相对于地球不是静止的。,低轨道卫星的轨道高度低，传播时延短，路径损耗小。,多个LEO卫星组成的星座（卫星群）可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效。,由于低轨道卫星离地球很近（7001500km），因此轻便的手持通信设备都能够利用卫星进行通信。,LEO系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。,物理层非导引型传输媒体低轨道卫星通信系统（续1）,美国先后发射了上百颗低轨移动通信卫星，组建了包括铱星、全球星在内的星座通信系统，并在商业和军事等领域广泛应用。,美国Motorola公司提出的铱星系统（66颗卫星）带来了人类通讯技术上的划时代变革。由于巨大的研发费用和系统建设费用，铱星背上了沉重的债务负担，整个铱星系统耗资达50多亿美元，每年光系统的维护费就要几亿美元。,铱星在市场发展上也被认为是失败的。铱星手机价格每部高达3000美元，加上高昂的通话费用。它开业的前两个季度，在全球只发展了1万用户，用户最多时才5.5万。而据估算，它必须发展到50万用户才能赢利。,1998年11月份投入商业服务的铱星系统，2000年3月即宣布破产。,物理层非导引型传输媒体低轨道卫星通信系统（续2）,2014年10月26日，清华大学与信威集团联合宣布：我国首颗低轨移动通信卫星灵巧通信试验卫星（以下简称“灵巧”）已完成全部在轨测试试验，工程任务取得圆满成功。,清华大学和信威集团力争在三年左右完成“一箭四星”的发射任务，在2019年发射多颗低轨移动通信卫星，初步建成我国自主可控、可持续发展的星座通信系统。,一定要吸取“铱星系统”的教训！,灵巧通信试验卫星在轨运行示意图,物理层非导引型传输媒体无线电频谱管理,要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。,我国无线电频谱管理机构：工业和信息化部无线电管理局（国家无线电办公室）,美国无线电频谱管理机构：美国联邦通讯委员会FCC。,也有一些无线电频段是可以自由使用的，称为ISM（Industrial，Scientific，Medical）频段。,物理层非导引型传输媒体红外通信,红外线波长范围为0.70m1mm，其中300m1mm区域的波也称为亚毫米波。,红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。,红外通信的特点如下：,直线传输,不能穿越任何障碍物,短距离传输,物理层非导引型传输媒体激光通信,激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。,按传输媒质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。大气激光通信是利用大气作为传输媒质的激光通信。光纤通信是利用光纤传输光信号的通信方式。,激光通信的优点：,通信容量巨大（同时传送1000万路电视节目和100亿路电话）。,保密性强（可采用不可见光）,结构轻便，设备经济。天线可以做到直径几十厘米，重量仅几公斤。而类似功能的微波天线，以吨、十吨计。,激光通信的弱点：,通信距离限于视距（数公里至数十公里范围）。,易受气候影响，在恶劣气候条件下甚至会造成通信中断。,瞄准困难。激光束有极高的方向性。,物理层非导引型传输媒体激光通信（续）,太空宽带是指利用极为细小的激光束传输数据，速率可比现有基于无线电波的通信方式提高10倍到1000倍。,2014年6月6日，美国航天局宣布，该机构利用激光束把一段高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成一种可能根本性改变未来太空通信的技术演示。这一通信试验名为“激光通信科学光学载荷”（OPALS）。,据美国航天局发布的消息，在5日进行的技术演示中，一段时长37秒的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒50兆，而传统技术下载需要至少10分钟。,物理层数据通信的基础知识数据通信系统的模型,PC,PC,数据通信系统,源系统,目的系统,传输系统,信源,发送器,接收器,信宿,物理层数据通信的基础知识消息、信号,模拟信号（连续信号）数字信号（离散信号）,物理层数据通信的基础知识信道,信道（Channel）：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。,物理层数据通信的基础知识信息交互方式,物理层数据通信的基础知识串行传输、并行传输,物理层数据通信的基础知识基带信号及其调制方式,基带信号：信源发出的未经调制（进行频谱搬移和波形变换）的原始电信号（例如人说话的声波就是基带信号）。,根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号。,由于基带信号包含较多的低频成分（甚至有直流成分），因此很多信道不能传输这种低频分量或直流分量。为解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。,物理层数据通信的基础知识基带调制,基带调制：仅对数字基带信号的波形进行变换，使它能与信道特性相适应，变换后的信号仍然是数字基带信号。,由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此也被称为编码（Coding）。,零电平,物理层数据通信的基础知识常用基带调制（编码）,不归零制,+电平,-电平,曼彻斯特,差分曼彻斯特,归零制,正脉冲,负脉冲,零电平时刻不存在,物理层数据通信的基础知识带通调制,带通调制：使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号仅在一段频率范围内能通过信道，因此使用载波调制称为带通调制。,载波：又称载频（载波频率），是一个物理概念，其实就是一个特定频率的无线电波，单位Hz。是被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。,正弦波：y=Asin(x+),A：振幅,：角频率,：初始相位,物理层数据通信的基础知识基本的带通调制方法,无载波输出,有载波输出,有载波输出,无载波输出,无载波输出,频率f1,频率f2,频率f1,频率f1,频率f2,初相位0度,初相位180度,初相位0度,初相位0度,初相位180度,物理层数据通信的基础知识混合调制,为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）,正交振幅调制使用两个相同频率的载波，但是相位相差90度。两种被调制的载波在发射时已被混和。到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。,可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。,由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。,物理层数据通信的基础知识信道的极限容量,码元传输速率的上限,比特传输速率的上限,物理层数据通信的基础知识奈氏准则,奈奎斯特（Nyquist），1889年出生在瑞典的尼尔斯比。1976年在德克萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献（抽样定理、奈氏准则）。,奈氏准则（1924年）：在任何信道中，码元传输速率不能超过其上限，否则会出现严重的码间串扰问题，使接收端无法对码元进行判决（即识别）。,理想低通信道的最高码元传输速率2WBaud,理想带通信道的最高码元传输速率1WBaud,W表示信道带宽，单位为HzBaud表示波特，即码元/秒,另一种表达方法：每赫兹带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。,物理层数据通信的基础知识香农公式,克劳德.艾尔伍德.香农(ClaudeElwoodShannon），1916年4月30日出香农公式生于美国密歇根州，于2001年2月24日去世。1948年至1949年间，他先后发表了通讯的数学原理和噪声下的通信，这两篇论文被视为信息论奠基之作。香农也因此一鸣惊人，被誉为“信息论之父”。,信道的极限信息传输速率C=Wlog2（1+S/N）（b/s),W表示信道带宽，单位为Hz,S表示信道内所传信号的平均功率,N表示信道内的高斯噪声功率,S/N表示信噪比,香农公式的意义：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。但香农没有给出具体的实现方法。,物理层数据通信的基础知识奈氏准则和香农公式的关系,奈氏准则给出了码元的最高传输速率（码元/秒）,香农公式给出了信息的极限传输速率（比特/秒）,不能！仅当1个码元只包含1个比特时可以划等号。,如果给定一条具体的信道（带宽就确定了），则可算出码元最高传输速率为M码元/秒；,如果再给定信号发送功率，则可算出信息极限传输速率为C比特/秒。,一般而言，MC。这就促使研究人员设法提高码元包含的比特数量。,自从香农公式发表以后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。,物理层数据通信的基础知识信道复用技术,一条信道的带宽足以满足3对用户通信，可以采用信道复用技术实现。,3对用户共享该信道,物理层数据通信的基础知识常用信道复用技术,物理层数据通信的基础知识频分复用FDM,频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频带资源并行通信。,频分复用是目前模拟通信中最主要的一种复用方式，特别是在有线、微波通信系统及卫星通信系统内广泛应用。,隔离频带,物理层数据通信的基础知识时分复用TDM,将一条物理信道的传输时间分割成许多个短的时隙。,将若干个时隙组成时分复用帧。,时分复用帧中的各时隙轮流给多路信号使用。,每路信号（提供一对用户通信）轮流在其相应时隙内占用该物理信道的全部带宽。,物理信道的传输时间,时隙A,时隙B,时隙C,时隙A,时隙B,时隙C,时隙A,时隙B,时隙C,时隙A,时隙B,时隙C,时隙A,时隙B,时隙C,传输信号A,传输信号B,传输信号C,传输信号A,传输信号B,传输信号C,传输信号A,传输信号B,传输信号C,传输信号A,传输信号B,传输信号C,传输信号A,传输信号B,传输信号C,注意：当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就导致复用后的信道利用率不高。,物理层数据通信的基础知识统计时分复用STDM,a,b,c,a,b,c,各用户有了数据就随时发往智能复用器的输入缓存。,t,智能复用器按顺序依次扫描缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。,STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息。,短时隙（用户地址信息）,注意：输出线路上的数据率小于各输入线路数据的总和，因此智能复用器能正常工作的前提是各输入用户都是间歇地工作。,物理层数据通信的基础知识波分复用WDM,光分用器,多路光载波1310nm2.5Gb/s,光复用器,20Gb/s,波分复用就是光的频分复用。,掺铒光钎放大器EDFA不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大。两个EDFA之间的最大距离可大120km。,在地下铺设光缆是耗资很大的工程。因此在一根光缆中放入尽可能多的光纤（例如100根以上），然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。,物理层数据通信的基础知识码分复用CDM,常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess),系统内的每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。,各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。,CDMA具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。最初用于军事。,物理层数据通信的基础知识码分复用CDM（续1）,将每一个比特时间划分为m（64或128）个短的间隔，称为码片序列。,每个站被指派一个唯一的码片序列。,发送比特1：发送码片序列,发送比特0：发送码片序列的二进制反码,例如：指派给某站的码片序列为00011011,发送比特1时，就发送00011011,发送比特0时，就发送11100100,为了后续描述问题方便，将码片序列中的1记为“+1”、0记为“-1”，则该站的码片序列为：（-1-1-1+1+1-1+1+1）,物