《计算机网络与通信》PPT课件

1,数据通信与计算机网络,第三章网络体系结构,2,第3章物理层,主要学习内容：3.1物理层基本概念3.2物理传输介质3.3物理层协议举例,3,3.1物理层基本概念,物理层是OSI模型中的最低层。向下是物理设备之间的接口，直接与传输介质连接，使二进制位流通过该接口，从一台设备传送给相邻的另一台设备；向上为数据链路层提供位流传输服务。,4,3.1物理层基本概念,3.1.1基本概念物理层定义物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间二进制比特传输的物理链路提供机械的、电气的、功能的和过程的特性。物理链路的连接可以通过中继系统，允许进行全双工或半双工的二进制比特流的传输。物理层的数据服务单元是比特，它可以通过同步或异步方式进行传输。,5,物理层的概念,物理层并不是指物理设备或物理传输介质，而是有关物理设备通过物理传输介质进行互连的描述与规定。物理设备与传输介质的种类很多，而且在通信上可以采用不同的方法。物理层的作用就是要屏蔽这些差异，使上层协议感觉不到这些差异，按照各层的功能协同完成网络服务功能。,6,物理层的概念,物理链路是一条无源的点到点的物理线路段，简称链路(link)。链路中间没有任何其他的交换结点。网络中两台计算机之间的通信链路（简称通路）往往由多条链路串接而成。,7,物理层的概念,物理层功能通过制定物理设备和传输介质之间的接口技术规范，实现物理设备之间的比特流的透明传输。建立、维持和释放物理连接；在物理链路上透明地传输比特流。,8,在物理层，实体间的物理数据单元的传输是在相邻的通信设备上进行的。通信设备分为DTE和DCE两类：数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）是具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据能力的设备。数据电路端接设备DCE（DataCircuitterminatingEquipment）在DTE与传输介质之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、维护和释放物理连接。,DTE与DCE,9,广域网的物理层,10,物理层的概念,物理层考虑下列问题：定义物理设备和传输介质之间的接口特性，以及传输介质的类型。数据比特的物理表示：信号编码问题。数据速率：每秒发送的比特数，即一个比特的持续时间。位同步：收发双方的时钟同步。线路配置：点到点连接或多点连接。物理拓扑：物理设备之间的连接形式。通信方式：单工通信、半双工通信和全双工通信。,11,物理层的概念,3.1.2物理层协议物理层从四个方面对物理设备和传输之间的接口进行定义。机械特性：电气特性：功能特性：规程特性：,定义接口部件的形状、尺寸、引脚数目和排列方式、接插件的锁紧方式等。,定义引线上传输信号的码型结构、电平高低、阻抗大小、传输速率等。,定义接口部件的各信号线的用途（数据线、控制线、定时线等）。,定义建立、维持、释放物理连接和传输比特流等功能事件的实现顺序。,12,3.2物理传输介质,3.2.1传输介质的特性传输介质又称为传输媒体，是物理信号的传输通路。传输介质的特性对数据传输的质量有决定性的影响。（1）物理特性：介质的物质构成、几何尺寸、机械特性、温度性能、化学性能和物理性质。（2）传输特性：衰减特性、频率特性和适用范围。（3）连通特性：允许点-点连接或多点连接。（4）抗干扰特性及干扰性：对外界噪声的承受能力和影响。（5）地理范围：保证信号不失真的最大传输距离。（6）相对价格：传输介质的性能与制造成本。,13,传输介质的分类,传输介质可分为两大类：有线传输介质（导向传输介质）：信号的电磁波沿着固定媒体（铜线或光纤）传播。常用的有线传输介质有：双绞线、同轴电缆和光纤。无线传输介质（非导向传输介质）：信号的电磁波在自由空间中传播。微波、红外线、激光、卫星线路。,14,3.2物理传输介质,3.2.2有线传输介质双绞线TP(Twisted-Pair)双绞线电缆是最简单最经济的一种传输介质，由几对扭绞在一起的“线对”组成，一个“线对”为一条通信链路，既可传输模拟信号，也可传输数字信号。,15,双绞线电缆,双绞线进行绞合的目的是减少相邻导线之间的电磁干扰，绞合的密度越大抗干扰能力越强。双绞线分为有屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）两种。STP在数据传输时可减少外界的电磁干扰，相对稳定性较高。EIA/TIA568标准中制定了有屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线的技术规范,16,STP双绞线,17,UTP双绞线,18,UTP双绞线和RJ-45连接器,19,EIA/TIA的UTP布线标准,EIA/TIA为UTP制定了包括5个类的布线标准：1类线：用于电话传输；2类线：含4对双绞线，可用于电话传输和最高为4Mbps的数据传输；3类线：含4对双绞线，可用于最高为10Mbps的数据传输，适用于10BaseT网络；4类线：含4对双绞线，可用于最高为16Mbps的数据传输，适用于TokenRing网络和10BaseT网络；5类线：含4对铜芯双绞线，可用于100Mbps的高速以太网。,20,EIA/TIA568布线标准,双绞线与RJ-45接口的连接顺序：注意：1、2是一对，用于发送数据(DTE)，3、6是一对，用于接收数据(DTE)。,21,双绞线的性能指标,近端串扰（NEXT，Near-EndcrossTalk）：指一对导体的信号在另一对导体上发生的耦合现象。近端串扰与线缆类别、连接方式、信号的频率等有关。衰减：信号沿着链路传播损失的能量（dB）。衰减随着频率的升高而增大。特性阻抗：链路在规定的工作频率范围内呈现的电阻。链路的特性阻抗与标准值之差不得超过20。,22,同轴电缆(CoaxialCabel),同轴电缆同轴电缆是一种外绝缘层包裹着中央导体的电缆线，绝缘效果较好，误码率较低，是早期局域网中广泛使用的一种传输介质。局域网中主要使用50和75两种。后者带宽高，既可传输数字信号，又可传输模拟信号，可以分频；前者用于基带传输，分为细缆和粗缆两类。,23,同轴电缆的特点,24,光纤电缆（FiberOpticalCabel),光缆光纤电缆由许多细如发丝的光导玻璃纤维或塑胶纤维，外加绝缘护套组成，能将外在的干扰彻底隔绝。传输质量稳定，带宽极高，其传输速率远远高于双绞线和同轴电缆，但价格极为昂贵。,25,光纤的特性,物理特性光纤主要由纤芯和包层组成的双圆柱体（双圆柱体直径不到0.2mm）外加塑料护套构成。一根光缆可以包含二至几百根光纤。光缆由光纤、加强芯和填充物加上外套构成。,26,光纤的工作原理,纤芯为高密度介质，包层为低密度介质。当入射角足够大时，就会发生全反射。,27,单模光纤,多模光纤与单模光纤,多模光纤,光纤分为多模和单模两种：多模光纤采用发光二极管（LED）作为光源，价格便宜，传输距离近。单模光纤采用激光（ILD）作为光源，价格昂贵，传输距离远。,28,光纤的特性,传输特性光纤传输的是光信号，只能单向传输。光信号的频率高、频带宽、传输速率高（能超过KMbps），信道容量大。连通性光纤通常采用点-点的连接方式。传输距离光纤传输衰减小，中继距离远(2Km)，覆盖范围广。,29,光纤的特性,抗干扰性光纤电磁绝缘性能好，不受外界的电磁干扰与噪声的影响；光纤无串音干扰，不易被窃取，安全性好。光纤误码率低，在10-510-6之间。价格光纤价格远高于其他线缆。,30,光纤的特性,不同光源的光纤性能比较：,31,3.2.3无线传输介质电信领域使用的电磁波的频谱：,3.2物理传输介质,地表,对流层,电离层,32,无线电波的传播形式,地表传播低频的长波信号沿着地表曲线传播。对流层传播中波信号通过对流层传播。电离层传播高频的短波信号通过电离层反射进行传播。视线传播微波、红外线等更高频率的信号通过地面中继站接力传播。空间传播微波信号通过卫星中继进行传播。,地球表面,33,卫星通信,34,蜂窝无线通信,采用多址接入方法：频分多址接入（FDMA）时分多址接入（TDMA）码分多址接入（CDMA）,35,无线介质的特点,红外线和激光方向性强，不受电磁干扰和射频干扰，不易被窃听，安全性好，但易受天气影响，也不具备穿透能力。微波方向性不强，室外全向天线可覆盖1.510公里的半径范围，室内全向天线可覆盖250m5000m的半径范围；对天气的干扰不敏感，传输质量较高；有一定的穿透能力，能穿透几层墙或两层的混凝土楼板；微波频率高、频带宽，信道容量大，但误码率较高。,36,卫星通信的特点,卫星通信是卫星和地面站之间的微波通信，它以地球同步卫星作为中继系统来转发微波信号，覆盖面积大，突破了地面微波通信的距离限制，有其独特之处：无缝隙覆盖能力；灵活性、普遍性及可移动性；宽域复杂网络拓扑构成能力；较好的安全性和可靠性；传播时延较大，对距离不敏感；卫星信道的误码率与气候条件、太阳活动、月亮障碍、地面站的相对方位以及使用的频带宽度有关。,37,3.3物理层协议举例,3.3.1RS-232C接口标准是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustriesAssociation）1969年颁布的标准。RS是推荐标准的英文缩写，232是标准号，C为第三版。与CCITT制定的国际数据通信接口标准V.24一致。RS-232C定义了DTE与DCE之间的接口。,38,RS-232-C的机械特性,RS-232-C可以直接用作DTE与DCE的物理连接。它规定采用DB25或DB9接插件，并对每根针的排列位置做了明确规定。通常DCE设备用孔状接插件，DTE设备用针状接插件。9针串行口(DB-9)插针示意图25针串行口(DB-25)插针示意图,39,RS-232-C的电气特性,RS-232-C采用负逻辑。它规定逻辑“0”的电平高于+3V，逻辑“1”的电平低于-3V。正负电平的幅值均不超过25V。实际上，RS-232-C驱动电路提供+5V+15V的电压，用来表示逻辑“0”，而逻辑“1”用-15V-5V的电压表示。标准的余地用来防止噪声和传输衰减。发送器和接收器采用非平衡电路：每个信号用单线传输，所有信号公用一根地线。信号驱动器的输出阻抗应小于300，接收器的输入阻抗应在37k之间。DTE与DCE都必须使用相同的电压电平表示。最大传输速率20Kbps，最大传输距离15m。,40,RS-232-C的功能特性,RS-232-C定义了DB25连接器的20个引脚的功能。在通常的应用中只需使用主要的35根即可（如：信号地SG、发送数据TD、请求发送RTS、接收数据RD、允许发送CTS等）。,41,RS-232-C的功能特性,由于RS-232-C只控制DTE与DCE之间的通信，与两个DCE之间的通信线路无关。所以相距很近的两台电脑可以使用空MODEM的直接电缆连接方式。,42,DB-9和DB-25主要引脚对照,43,RS-232-C的规程特性,过程特性指RS-232-C的各条控制线在下列不同情况下接通（ON，逻辑0）和断开（OFF，逻辑1）的顺序：建立物理连接传输比特流释放物理连接,44,建立物理连接,当DTE-A要与DTE-B通信时，将DTR(20)置为ON，同时通过TD(2)向DCE-A发送电话号码信号，请求与对方建立物理连接；DCE-B将RI(22)置为ON，通知DTE-B有呼叫到达。DTE-B将DTR(20)置为ON，DCE-B接着产生载波信号，并将DSR(6)置为ON，表示已准备好；当DCE-A检测到载波信号，将CD(8)及DSR(6)置为ON，通知DTE-A通信线路已经连接好；DCE-A向DCE-B发送载波信号，DCE-B将CD(8)置为ON。,45,传输比特流,当DTE-A要发送数据时，将RTS(4)置为ON；DCE-A在做好发送准备之后，将CTS(5)信号置为ON；DTE-A通过TD(2)发送比特流；DCE-A将数据调制后通过网络发给DCE-B；DCE-B将信号解调后通过RD(3)传送给DTE-B；若对方的DTE要发送数据，应采用同样的交互过程。,46,释放物理连接,当双方的通信过程结束时，DTE通过释放DTR(20)信号来通知所连接的DCE。双方DCE执行Modem内部协议，释