物理层传输媒体与拓扑结构

第7讲物理层之四,传输媒体与拓扑结构,传输数据的传输媒体连接各种设备的拓扑结构共享资源的媒体访问控制方法,光子是光的基本构成单元。光纤在长距离的玻璃纤维里将光信号当作通信媒体使用。,一、传输媒体,1.什么是媒体?,媒体是用于负载传输信息的物理性媒体。,保真度：表示将接收到的信号与发出的信号进行比较，两者之间的差异有多大。,铜,光纤和铜线都需要一根线缆连接计算机,玻璃,无线电波可穿透墙壁到达任何线缆达不到的地方。,红外线,利用红外线技术，可通过空气顺利地收发数据。,红外线是一种“视线”技术。红外光信号不能穿透墙壁。,无线电,微波,微波是频率较高的无线电波。,无线电波向各个方向传播；微波传送集中于某个方向、可以防止他人截取信号;,传输媒体(通信媒体)计算机用以收发电子信号的物理路径。,电磁频谱及在通信中的使用,2.传输媒体的特点,媒体的容量用带宽来衡量。传输特性包括使用模拟信号还是数字信号发送、调制技术。,连通性表明点到点还是多点连接；最大距离指网上各站点间的最大距离。,费用,每种媒体的费用应与它提供的性能及可用的资源进行权衡。,安装,不同媒体的安装不尽相同。,容量及传输特性,衰减,电磁信号的强度在传输过程中会逐渐减弱。在媒体中经过的时候，要么被吸收，要么传向错误方向(辐射)。,电磁干扰(EMI),连通性与最大距离,“噪声(即电磁干扰)”、“窃听”,3.传输媒体的分类,引导性媒体(有线媒体),电磁波沿着一个固态媒体传播例如：金属导体、玻璃或plastic）。,提供了传输电磁信号的手段，但不加以引导。,非引导性媒体(无线媒体),例如大气层、外层空间。,双绞线使用一对或多对缠线在一起的铜芯电线传输信号。,外套,导线,绝缘材料,箔屏蔽,编织带屏蔽,4.双绞线,1类、2类3类4类5类,非屏蔽双绞线(UTP，UnshieldedTwistedPair),UTP的类别,数据传输率4Mbps最高传输率为16Mbps数据传输率达20Mbps数据级电缆,UTP的连接,Hub,费用安装传输特性节点容量衰减EMI,UTP的特点,很易受到电磁干扰的影响。,可传输模拟、数字信号；数据传输率1155Mbps；每段电缆最长为100m;,信号通过铜芯电线传输衰减很快。,比同轴电缆和光纤低,安装简单,取决与连接设备,费用安装传输特性节点容量衰减EMI,屏蔽双绞线(STP，ShieldedTwisted-Pair),在电线与外部塑料套之间有一个屏蔽层。以便减少干扰和串音。,UTP的特点,比UTP和细同轴电缆高，但低于粗同轴电缆。,可传模拟、数字信号；理论速度达到500Mbps；单段电缆最长100m；,降低了由EMI造成的影响。无法彻底排除EMI的影响。,5.同轴电缆(Coaxialcable),两种导体共享同一根中心轴：铜芯、绝缘层、屏蔽层、塑料外套。,同轴电缆的分类,电阻(亦称阻抗)：引导或改变电流的能力。,50，RG-850，RG-5875，RG-6/RG-1175，RG-59,基带传输,宽带传输,网卡收发器(transceiver)连接单元接口(AUI)电缆终止器,粗同轴电缆,收发器,终止器,以太网粗缆,AUI电缆,包含一个电阻连接着电缆中的中心线与屏蔽物。当电子信号到达终止器时，这个信号被丢弃。,包含处理通信数字方面的电路（差错检测和地址确认）,把信号从NIC送到媒体，并从媒体接收信号到NIC。,安装及运行比粗缆便宜不需要AUI电缆连接网卡与通信媒体不需要外部收发器。使用BNC连接器直接连接每台计算机,以太网细缆,BNC连接器,细同轴电缆,费用安装传输特性节点容量衰减EMI,同轴电缆特点,同轴电缆传送的信号仍会衰减，但衰减的速度比双绞线慢。,细缆段最多节点数为30，单段电缆最长185m；粗缆段最多节点数为100，单段电缆最长500m；,50电缆仅用于数字传输；曼彻斯特编码；数据率10M；有线电视电缆可发模拟和数字信号；,采用终止措施；,细缆STP和第五类UTP；粗缆STP和第五类UTP；但均光纤；,Core、封套、塑料外套、光源,6.光纤,传输的是光信号，而不是电信号。,发光二极管(LED)和激光.,一条光纤包含了多种电磁波模式,光纤分类,单模光纤,一条光纤只包含了一种电磁波模式。,多模光纤,接收到光脉冲后，由PIN二极管或光电管将其变回电子信号。,光电信号的转换,发送端,接收端,单模式光纤用“注入型激光二极管(ILD)”生成光脉冲；多模式光纤用“发光二极管(LED)”生成光脉冲；,费用安装传输特性节点容量衰减EMI,特点,“色散”问题,抗衰能力强。,不易受到电磁干扰；不会向外泄漏信号。,在多模光缆中，不同波长(频率)的光波在玻璃纤维里按不同的方式传输；不同光脉冲在线缆里传送时，它们的特性会有所变化，即“色散”。,类似于彩虹的效果白光分散出了不同的颜色。,可全方向广播，也可定向广播。,7.无线电,频率范围在10kHz1GHz之间。射频信号的能量可由天线和收发器决定。,基站覆盖的无线电区域,基站,能穿透墙壁，也可到达普遍网络线无法到达的地方。,受雪、雨天气的干扰小。,特点,使用与其他无线电相同的频率。但不是只使用一个频率，而是同时使用多个频率。,无线电的分类,低能/单频,单频收发器只能在一个频率下工作。典型的低能设备作用范围在2030m之间。,高能/单频,与低能/单频传输类似，可覆盖更大的范围。可在长途室外环境下作用。传输率与低能差不多，只是可传送更远的距离。,扩展频谱,地面系统利用定向抛物线在较低的GHz范围内收发信号。,地球,50km,50km,8.微波,微波通信利用了电磁频谱的较低GHz级频率(1GHz1THz)。,卫星微波系统在定向抛物线和天线之间传输信号。,uplink,downlink,50000km,“传送延迟”,优点,9.红外线,利用红外光波传送信号。采用电磁频谱的THz（1012）范围。发光二极管或激光二极管用于发射信号；光电管则能接收信号。,信号不能穿透墙壁或其他物体；易受强烈光源的影响。,能获得高数据吞吐量；可使信号在墙壁和天花板上漫射；无需得到无线电管制委员会的批准。,缺点,红外线光束可高度集中，并朝特定的方向发射；,）,）,）,传输方式,点点,广播,将信号扩展到一个更广的区域，允许信号由几个接收器同时接收。,）,）,）,影响选择媒体的因素：成本、数据速率每个站可以发送信息的大小或时间长短由控制站决定;,媒体访问控制策略,每个站随机地试图访问媒体。这是分布式控制策略。典型代表为CSMA/CD,竞争技术(contention),轮询(polling),分布式轮询这是一种tokenpassing。token：特殊格式的编码字。只有拥有token的站才能发信息。,传输技术,同轴电缆的LAN传输技术,基带(baseband)宽带(broadband),数字信令模拟信令全部带宽被单个信号可FDM多个信道占用无FDM用于数据、音频和视频双向单向总线拓扑总线或树型拓扑范围可达几公里范围可达几十公里,基带系统,包被双向传送,包被吸收,包被吸收,曼彻斯特或差分曼彻斯特编码；不能频分复用；传输是双向的；总线拓扑；,基带指以信号原有的形式，不经调制进行传输。,基带同轴电缆系统使用特定的50电缆。,10BASE510BASE2,数据速率10Mbps10Mbps段的最大长度500m185m网络覆盖范围2500m1000m每段的节点数10030节点间的间隔2.5m0.5m电缆直径0.4in0.25in,IEEE802.3关于10Mbps基带同轴电缆LAN总线的规范,中继器,物理上的星型，逻辑上的总线,宽带能比基带达到更大的距离(数十公里)；单向媒体，加入媒体的信号只能沿一个方向传播；,宽带系统,宽带指具有比话音信道(4KHz)带宽更宽的信道。一般指有能力进行FDM传输的系统。,需要两条数据通路，这两条通路在网络的某一点上被连接在一起，该点称之为头端(headend)。,所有站沿着一条指向头端(入站)的通路上发送；头端将传来的信号沿另一条背离头端(出站)的通路传播；所有站都在该出站通路上进行接收；,分频(Split)宽带系统：入站和出站通路是同一电缆上的不同频带。,将模拟信号恢复成数字数据，然后再在新的频带上发送这种经过“净化”(再生)的数据。,变频器,模拟装置（frequencytranslator）,将信号转换到一个新的频带上再发送。,数字装置（remodulator）,头端频率转换器,在f2上接收,在f1上发送,入站和出站通路都是单独的电缆；头端只是连接两根电缆的无源连接器；站的发送和接收都在相同的频率上进行。,无源头端,在f1上接收,在f1上发送,双电缆(Dual)宽带系统：,只需很短的电缆长度；,可靠性高,易于扩充,总线是无源元件，从硬件的观点看，十分可靠。,增加新的站点，只需在总线的任何点将其加入；如需增加长度，可通过中继器加上一个附加段。,总线拓扑的优点,减少了安装费用，易于布线和维护；可构建简单、可靠的小型网络，易于使用和掌握；,网络过载将放慢网络的速度BNC连接器削弱电子信号故障诊断困难故障隔离困难中继器配置终端必须是智能的,总线拓扑的缺点,2.环形拓扑(RingTopology),环,共享媒体,中继器,每个站点通过中继器与网络连接；,中继器,工作原理,当一帧绕环通过其他站点时，目标站点识别出自己的地址将帧拷贝至自己的缓冲区；该帧继续绕环传送，回到源站点，被移出环。,单向的，并且都沿同一方向（顺时针或逆时针）。,逐位地从一条链路上接收数据；并以同样的速率把数据传送到另一条链路上。,链路,帧的传送,“有源”网络无需“终止”措施,特点,例：C给A发送一帧,A,(a)C发送,(b)B忽略,A,B,B,C,C,A,A,(c)A拷贝,(d)C吸收,A,C,A,C,A,B,B,A,数据插入中继器作为数据插入的设备连接点。数据接收根据帧包含的目标地址确定是否拷贝。数据清除由目的站清除由发送站清除,环的基本功能,好处：第一允许自动确认，第二允许组播；缺点：浪费环的频带。,中继器的功能和状态,把所有经过的数据向下传递为连接的站点发送和接收数据提供访问点,监听态发送态旁路态,环中只有一个token在循环发送；任何一个站要发送数据必须等待循环的token经过该站；从环中删除数据可在目的站进行，或者在发送站进行。,媒体访问控制策略,令牌环(TokenRing)：“令牌传递(tokenpassing)”机制。,Token：一个特殊的短报文，它围绕环传递。直至到达希望向其他站点发送信息的某个站点。,相关问题,当站点获得token后能发送的报文数目控制token的形式和位置发送站何时将token释放给下一站点,例如：C给A发送一帧,token,(a)C等待token的到来,(b)C发送帧,A,token,C,A,C,A,B,B,(c)A拷贝,(d)C吸收并释放token,A,token,A,token,token在直径为200m环内每秒可循环10000圈,B,B,C,A,C,A,例1：FDDI(fiberdistributeddatainterface),自恢复网络,反旋转环,公平性稳定性传输距离长所需电缆长度短适用于光纤媒体多样性容易解决地址冲突差错隔离和故障恢复简单,优点,可靠性差难以进行故障诊断不易重新配置网络规模受到限制初始化和恢复时延抖动,缺点,优化环结构,软件,“装满钥匙的口袋”:需要对每个节点进行检测才能找到故障点,锁相环弹性缓冲,所有计算机都通过线缆连到一个中心位置，在这个中心位置用一个设备（星形耦合器）将所有线缆连接起来。,转发给其他计算机(广播式星形网络)物理上星形逻辑上总线,3.星形拓扑(StarTopology),Hub、switch、repeater,工作原理,只发给目标节点(交换式星形网络),有源Hub(ActiveHub)“多端口中继器”能重新生成电子信号，把它发给与己连接的所有机器。有源Hub和交换机需要电源才能工作。,集线器的分类,智能Hub(Intelligenthub)自带微处理器除了普通的信号再生功能外，还提供网络管理和智能路由选择功能。,无源Hub(passiveHub)