第3章计算机网络物理层..ppt

2020/6/14,page1,第3章物理层,3.1物理层的基本概念物理层主要考虑如何能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不关心连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体，即尽可能屏蔽掉现有计算机网络中种类繁多的物理设备和传输媒体，比如使用的是什么传输介质，在传输介质上如何进行数据传输等，使物理层上层的数据链路层感觉不到差异，为其提供一个物理连接，以透明的传送比特流。物理层本身并不是物理设备或物理媒体，它定义了建立、维护、拆除物理链路的规范和协议，同时定义了物理层接口通信的标准，包括机械的、电器的、功能的和规程的特性。,2020/6/14,page2,物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的特性：（1）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。这很象平时常见的各种规格的电源插头都是标准尺寸一样。（2）电气特性：指明在接口电缆的哪条线上出现的电压的范围。即说明哪根线上出现的电压应为什么范围。（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示的意义。即说明某根线上出现的某一电平的电压代表何种意义，如“+5V”表示“1”，“0V”表示“0”。（4）规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,2020/6/14,page3,注意：传输媒体不是是物理层！传输媒体在物理层的下面。由于物理层是体系结构的第一层，因此，有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。也就是说，传输媒体不知道所传输的信号什么时候是1什么时候是0。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。,2020/6/14,page4,数据在物理连接上的传输方式：1并行传输方式采用并行传输方式，可以一次传输多个比特。相应地，从发送端到接收端的信道需要若干根传输线。例如，计算机的并行口常用于连接打印机，每次并行输出8个比特，如图所示。,发,送,端,接,收,端,信,道,1,信,道,2,信,道,3,信,道,4,信,道,5,信,道,6,信,道,7,信,道,8,2020/6/14,page5,2串行传输方式串行传输是一个一个比特按照时间顺序传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可,如图所示。（远距离数据传输常用）,2020/6/14,page6,2020/6/14,page7,3.2数据通信的基础知识数据通信的几个基本概念：,数据通信：依照一定的协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。数据(Data)：传递（携带）信息的实体。模拟(Analog)数据：用连续变化形式表示的数据。数字(Digital)数据：用不连续变化形式表示的数据。信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），是数据的电气或电磁表现，数据以信号的形式传播。模拟信号：是指随时间连续变化的信号，时间上连续，包含无穷多个值。数字信号：是指其值用离散状态（即所谓的“二进制信号”）表示的信号。时间上离散，仅包含有限数目的预定值。,2020/6/14,page8,基带信号：将数字信号1或0直接用不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。经过调制的基带信号的频谱被搬移到不同的频段，因而可以作到在一条电缆中同时传输多路数字信号而不会发生相互干扰，提高了线路的利用率。,2020/6/14,page9,非周期信号,用电平的高低分别表示0或1,信号种类图示：,2020/6/14,page10,模拟与数字的特点,模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；,数字：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；,2020/6/14,page11,3.2.1数据通信系统的模型,2020/6/14,page12,源站：源站设备产生需要传输的数据；发送器：将源站产生的数据通过编码使其能够在传输系统中进行传输。接收器：接收传输系统传来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。目的站：目的站设备从接收器获取传送来的信息。在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可能是连接在两系统间复杂的网络系统。,2020/6/14,page13,3.2.2有关信道的几个基本概念信道是指信息传输的通道，即信息进行传输时所经过的一条通路。一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，信道和电路并不能等同。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。一般分为数字信道和模拟信道：数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。,2020/6/14,page14,数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。,2020/6/14,page15,2020/6/14,page16,模拟传输与数字传输（1）模拟数据在模拟信道上传输典型的例子是话音信号在普通的电话系统中传输。一般人的语音频率范围是3003400Hz，为了进行传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。在这个传输过程中：语音信号以3003400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。,2020/6/14,page17,（2）数字数据在模拟信道上传输计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数字数据，而电话系统只能传输模拟信号，所以这个数字数据要进入到模拟信道以前要有一个变换器进行数字信号到模拟信号的转换，以便它能在模拟信道上传输，这样的一个变换过程叫调制（注意：这个调制过程并不改变数据的内容，仅是把数据的表示形式进行了改变）。这个变换器又叫做调制器(MOdulator)。调制器也即波形变换器,它将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。而当调制后的模拟信号传到接收端以后，在接收端也有一个变换器再对这个信号进行反变换，即又把它变回数字信号，这样的一个变换过程叫解调。这个变换器又叫解调器(DEModulator)。解调器也即波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。,2020/6/14,page18,由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，因此在数据通信的双方既有用于发送信号的调制器又有用于接收信号的解调器，所以把这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器（Modem）。调制解调器就是使用一条标准话路（3.1kHz的标准话路带宽）提供全双工的数字信道。,2020/6/14,page19,通常情况下，将实现调制与解调的设备称为调制解调器(modem)，俗称猫。,电话线,RS232电缆线,COM1或COM2串行口,2020/6/14,page20,2020/6/14,page21,调制解调器最基本的调制方法有以下几种（在图中给出了这几种波形传输数据的波形的示意图）：（1）调幅（AM）即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，而1对应于有载波输出。（2）调频（FM）即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。（3）调相（PM）即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0度，而1对应于180度。,2020/6/14,page22,（3）模拟数据在数字信道上传输用数字信道传输模拟数据时，需要对模拟数据进行脉冲编码调制（PCM）。PCM最初并不是为传送计算机数据所设计的，它的目的是为了能使电话局之间的一条中继线不只传送一路电话而是可以同时传送几十路电话所设计的。PCM是将模拟电话信号转变为数字信号.,2020/6/14,page23,（4）数字数据在数字信道上传输这种方式最典型的例子是在两个装有Windows98操作系统的计算机上，利用Windows98中自带的“直接电缆连接”功能把两个计算机通过串行口或并行口直接相连。在这种情况下通信的双方发出的数据和接收的数据以及在信道上所传输的全部都是数字信号。,2020/6/14,page24,IP电话的原理,话音编码,装成分组,分组缓存,话音解码,因特网,2020/6/14,page25,IP电话的几种连接方法,IP电话网关是传统电话与IP电话的接口设备,2020/6/14,page26,IP电话的质量,TCP协议的重传技术会产生时延。打电话是实时通信，不允许过大的时延。因此IP电话不使用TCP协议，而是使用UDP协议。IP电话宁可把出错的分组丢弃，也不要迟到的、没有差错的分组。因此，IP电话的质量目前还不如传统电话的质量（分组丢失、时延、时延抖动）。为了提高IP电话的质量，有的ISP在IP电话网关之间使用专用的宽带线路。,2020/6/14,page27,高速(56Kbps)MODEM,上行仍需模数(A/D)转换，速率最高为35kbps；下行则可达56Kbps,至因特网(数字信号),交换机,2020/6/14,page28,构成：本地回路、交换局、干线,公用电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork),2020/6/14,page29,本地回路,编码解码器Codec,编码解码器Codec,Modem,Modem,端局,端局,长途局,数字干线,模拟线路（本地回路）,模拟线路（本地回路）,绝大多数为模拟线路计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过多次变换：数字模拟数字模拟数字,2020/6/14,page30,按照通信双方信息在传输链路上的传送方向，可分为：（1）单工通信：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。如广播，电视。单工通信只需要一条信道。,2020/6/14,page31,（2）半双工通信：信息的传递可以是双向的，但不能双方同时发送。如对讲机。,发,送,设,备,接,收,设,备,发,送,设,备,接,收,设,备,数,据,流,通,信,连,接,2020/6/14,page32,（3）全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息。双向交替或同时通信都需要两条信道，往返各一条。双向同时通信的传输效率最高。如：电话。,发,送,设,备,接,收,设,备,接,收,设,备,发,送,设,备,数,据,流,通,信,连,接,2020/6/14,page33,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。导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。传输媒体非导向传输媒体：通常是指自由空间，电磁波的传输常称为无线传输。3.3.1导向传输媒体1.双绞线(屏蔽STP、非屏蔽UTP),3.3物理层下面的传输媒体,2020/6/14,page34,-螺旋绞合的双导线，1mm-每根4对、25对、1800对-典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头-优缺点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短,模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到几十公里。距离太长时需采用放大器将衰减的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加中继器以将失真的数字信号进行整形（对于数字传输）。导线越粗，其通信距离越远，导线价格越高。,2020/6/14,page35,屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP),以铝箔屏蔽以减少干扰和串音,3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽,2020/6/14,page36,2020/6/14,page37,2.同轴电缆按电缆的直径分：细同轴-50，D=1.02cm，10Mbps-185m、4中继、5段（925m）-优缺点：价格低安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力强距离短可靠性差粗同轴-50，D=2.54cm，10Mbps-500m、4中继、5段（2500m）-优缺点：价格稍高安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强距离中等可靠性好,2020/6/14,page38,按特性阻抗数值的不同：,基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带同轴电缆一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,2020/6/14,page39,BNCT型接头,BNC桶型连接器,BNC终结器（50欧）,2020/6/14,page40,2020/6/14,page41,“5-4-3规则”，是指在10M以太网中中，网络总长度不得超过5个区段，4台网络延长设备，且5个区段中只有3个区段可接网络设备。即：一个网段最多只能分5个子网段；一个网段最多只能有4个中继器；一个网段最多只能有三个子网段含有PC。5-4-3规则的采用与网络所允许的最大延迟有关。计算机发送数据后，如果在一定的时间两没有得到回应，那么，将认为是数据发送失败，而不断地重复发送，但对方却永远无法收到。,2020/6/14,page42,3.光缆,依靠光波承载信息速率高，通信容量大传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便（1公里长的1000对双绞线约重8000kg，而同样长度但容量大的多的一对光纤仅重100kg）光纤传输原理利用了光的反射光从一种介质(高折射率)入射到另一种介质（低折射率）时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低光传输系统：光源:发光二极管/激光二极管介质:光纤光检测器:光电二极管PIN/雪崩二极管APD,2020/6/14,page43,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,2020/6/14,page44,单向传输，双向需两根光纤光纤传送模式：MMF、SMF,2020/6/14,page45,典型的光缆,常见规格：玻璃内芯50um缓变型MMF62.5um缓变/增强型MMF8.3um突变型SMF玻璃包层125um,2020/6/14,page46,2020/6/14,page47,2020/6/14,page48,高密度多芯光缆剖面结构,2020/6/14,page49,2020/6/14,page50,2020/6/14,page51,2020/6/14,page52,2020/6/14,page53,3.3.2非导向传输媒体,使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰,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,2020/6/14,page54,1.无线传输,固定终端点（基站）和终端之间是无线链路,基站,用户计算机和终端,基站覆盖的无线电区域,F1,F2,F3=使用的频率,GSM(GroupSpecialMobile),2020/6/14,page55,2.地面微波接力通信,两个地面站之间传送距离：50-100km通信容量大受干扰小成本较有线通信小相邻站间必须无障碍易受天气干扰隐蔽、保密性差维护成本高,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,2020/6/14,page56,3.卫星通信,与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球通信容量大信号手干扰小传输延迟时间长（270ms）保密性差成本高,2020/6/14,page57,常用传输媒体的比较,2020/6/14,page58,多路复用技术就是将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来。这样使一条物理信道资源被多路信号共享。（Multiplexing）。,3.5信道复用技术,复用多个信息源共享一个公共信道为何要复用？线路成本,2020/6/14,page59,多路复用的方法主要有以下几种：1.频分多路复用（Frequency-DivisionMultiplexing,FDM）频分多路复用FDM是利用传输介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽这一优点。频分多路复用FDM是把整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道，频率通道之间留有防护频带，即信号的带宽不会相互重叠，然后在传输介质上进行传输，这样在传输介质上就可以同时传输许多路信号。如：无线电广播、电视。FDM的所有用户在同一时间占用不同的带宽资源。,2020/6/14,page60,频分多路复用(续),2020/6/14,page61,频分多路复用带宽分配例,f,A,2020/6/14,page62,FDM多路复用过程例,FDM多适用于模拟信号传输,2020/6/14,page63,FDM解多路复用过程例,2020/6/14,page64,FDM中的移频与叠加（频谱）,2020/6/14,page65,FDM多路复用与解复用全过程例,2020/6/14,page66,FDM分层多路复用,群,超群,主群,巨群,2020/6/14,page67,2.时分多路复用（Time-DivisionMultiplexing,TDM）当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时，可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用，每一路信号在自己的时间片内独占信道传输，这就是时分多路复用。时分多路复用TDM利用每个信号在时间上交叉，将物理信道按时间分成时间片，供多个信源轮流使用。可以在一个传输通路上传输多个数字信号。TDM的所有用户在不同的时间占用同样的带宽资源。时分多路复用TDM多用来传输数字信号，但并不局限于传输数字信号，有时也可以用来分时传输模拟信号。,2020/6/14,page68,2020/6/14,page69,时分多路复用(续),TDM多适用于数字信号传输,2020/6/14,page70,时分多路复用(续),2020/6/14,page71,统计(异步)TDMSTDM,TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：使用统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空时间片就将数据放入。,统计TDM,各数据之前要附有该路地址，以便接收方能分出各路信号,2020/6/14,page72,3.统计分时复用STDM,FDM、TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。动态地按照需要来分配时隙的多路复用方式。,2020/6/14,page73,TDM和STDM的比较,2020/6/14,page74,4.波分多路复用（Wave-DivisionMultiplexing,WDM）目前一根单模光纤的传输速率可达到2.5Gb/s，如能采用色散补偿技术解决光纤传输中的色散问题(指光脉冲中由于不同频率分量传输速率不同导致信号失真产生误码的现象)，则一根单模光纤的传输速率可达到10Gb/s，这已是当前单个光载波信号传输的极限值。,2020/6/14,page75,波分多路复用(续),波分多路复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）是光的频分复用。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜（或衍射光栅）合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。这样复用后，可以使光纤的传输能力成几倍几十倍的提高。,2020/6/14,page