计算机网络课件：第三章物理层VIP

1、第三章 物理层3.1物理层与物理层协议的基本概念3.1.1物理层的基本服务功能注意问题：1.物理层与数据链路层的关系发送端应用层-数据链路层（帧）-物理层物理层的主要任务：保证比特流通过传输介质的正确传输，为数据链路层提供数据传输服务2传输介质与信号编码的关系不同类型的传输介质，对于被传输的信号要求也不同。物理层的一个重要功能是根据所使用传输介质的不同制定相应的物理层协议，规定数据信号的编码方式、传输速率，以及相关的通信参数。3.设置物理层的目的屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务3.1.2物理层协议的类型计算机网络使用的通信线路分

2、为两类:点-点通信线路和广播通信线路。因此，物理层协议可以分为两类：基于点-点通信线路的物理层协议与基于广播通信线路的物理层协议1基于点-点通信线路的物理层协议早期流行的物理层协议标准时EIA-232-C标准，1969年制定。它是基于点-点电话线路的串行、低速、模拟传输设备的物理接口标准。随着接入技术的发展，家庭接入主要通过ASDL调制解调器，通过线缆调制解调器与有线电视同轴电缆接入，通信技术的变化引起物理层协议的变化2.基于广播通信线路的物理层协议广播通信线路又可分为有线通信线路与无线通信线路两类（1）最早的Ethernet是在共用总线的同轴电缆上用广播的方式发送和接收数据。因此Ethern

3、et的802.3标准要针对不同的传输介质、传输速率制定多个物理层协议，如针对非屏蔽双绞线的10BASE-2：2表示最大传输距离185米（近似200米 ）10BASE-5：5表示最大传输距离不超过500米 10BASE-T：T表示采用双绞线 BASE指基带传输，即未经过调制，不能复用的传输 10BASE-2使用细同轴电缆,10BASE-T使用双绞线,10BASE-5使用粗同轴电缆)10Base-2、10Base-5、10Base-T都是以太网的技术标准，传输速率为10Mbps 快速以太网802.3u标准的物理层协议包括100BASE-T、100BASE-TX,以及正对光纤介质的各种物理层标准（2

4、）无线网络采用广播式发送和接收数据。无线局域网802.11标准，无线城域网802.16标准，以及无线个人区域网802.15.4标准，制定了多种物理层协议标准3.1.3物理层向数据链路层提供的服务理解基于点-点通信线路的物理协议时，需要注意以下两个问题：（1）点-点通信线路的物理层比特流传输过程（2）点-点通信线路的物理层的通信过程与高层协议层的关系网络层选择下一跳主机3.2数据通信的基本概念3.2.1信息、数据与信号1信息、数据与信号的基本概念（1）信息信息的载体可以使文字、语音、图形、图像或视频。传统的信息主要指文字或数字类信息。（2）数据计算机为了存储、处理和传输信息，首先要将表达信息的字

5、符、数字、语音、图形、图像或视频等用二进制数据表示。计算机存储与处理的是二进制代码（3）信号在通信系统中，二进制代码0、1比特序列必须变成用不同电平或频率变化的信号之后，才能够通过传输介质进行传输2信息与编码目前应用最广泛的是美国信息交换标准编码ASCII码。它被用于计算机内码，也是数据通信中的编码标准3信息、数据与信号的关系3.2.2数据通信方式发送数据的一方叫做“信源”、“源主机”、“发送端”或“发送主机”，接收数据的一方叫做”信宿“、”目的主机“、”接收端“或”接收主机“计算机网络中两台主机通信过程可以看成是由多段点-点通信线路连接的计算机之间的数据通信问题1数据传输类型物理层需要根据传

6、输介质与传输设备来确定，表示数据的二进制比特序列采用哪一种信号编码的方式传输。在传输介质上传输的信号类型有两种：模拟信号与数字信号在研究数据通信技术时，首先要讨论数据在传输过程中的表示方式与数据传输类型问题2数据通信方式在设计一个数据通信系统时，需回答以下三个问题：串行通信与并行通信，单工、半双工与全双工，同步技术（1）串行通信与并行通信远程通信中一般采用串行通信方式（2）单工、半双工与全双工通信（3）同步技术A同步的基本概念同步是数字通信中必须解决的一个重要问题。同步是要求通信双方在时间基准上保持一致的过程数据通信的同步包括以下两种类型：位同步、字符同步B位同步要求接收端根据发送端发送数据的

7、时钟频率与比特流的起始时刻，校正自己的始终频率与接收数据的起始时刻，这个过程称为位同步。实现位同步的方法主要有以下两种：外同步法与内同步法外同步法：在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收端根据收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双发的同步内同步法：从自含时钟编码的发送信号中提取同步时钟的方法。曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟编码方法C字符同步保证收发双方正确传输字符的过程就叫做字符同步实现字符同步的方法主要有两种：同步传输、异步传输采用同步方式进行数据传输称为同步传输。每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN采用异步方式进行数据传

8、输称为异步传输Modem同步传输也称为同步通信，异步传输也称为异步通信3.2.3传输介质的主要类型与特性传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线与卫星信道1双绞线的主要特性双绞线是局域网中最常用的传输介质。双绞线可以由一对2对或4对相互绝缘的铜导线组成。一对导线可以作为一条通信线路。局域网中所使用的双绞线分为两类：屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）。双绞线常见的有3类线，5类线和超5类线，6类以及最新的7类线，前者线径细而后者线径粗，详介如下：1）一类线：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前

9、的电话线缆），不同于数据传输2）二类线：传输频率为1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输3）三类线：该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输主要用于10BASE-T。4）四类线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输主要用于基于令牌的局域网和 10BASE-T/100BASE-T。5）五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。6）超五类

10、线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值(ACR)和信噪比(Structural Return Loss)、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。 7) 六类线：1000Mbps 目前正逐步普及。 8) 七类线有很多标准现在还没有完全规范，还在修订中，是一种全新的标准，而且也不再使用我们常见的RJ水晶头了。2同轴电缆的主要特性同轴电缆由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外部保护层组成抗干扰能力强3光纤的主要特性（1）光纤结构与传输原理光纤的纤芯是一种直径为8-100um的柔软、能传导光波的玻璃或塑料，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的纤芯

11、传输损耗最低。在折射率较高的纤芯外面，用折射率较低的包层包裹起来，外部在包裹涂覆层，这样就构成了一条光纤，多条光纤构成一条光缆。由于光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层的界面上的全反射光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号（2）光纤传输系统的结构在发送端，使用发光二极管(LED)或注入型激光二极管（ILD）作为光源。在接收端，使用光电二极管PIN检波器将光信号转换成电信号。光载波调制方法采用振幅键控ASK调制方法，即亮度调制。光纤传输速率可以达到Gbps的量级（3）单模光纤与多模光纤多模光纤是指光信号与光纤成多个可分辨角度的多路光载波传输。单模光纤是指光信

12、号与光纤成单个可分辨角度的单路光载波传输单模光纤的性能优于多模光纤光纤信号衰减极小，最大传输距离可以达到几十千米。光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，在长距离，高速率的传输中保持低误码率（4）对光纤物理层标准的理解注意问题：A影响光纤传输距离的因素主要是传输模式、光载波的频率及光线的尺寸B计算机产生的电信号需要在传输时变换成光载波信号在光纤上传输C在物理层协议中，用于从计算机向交换机传送信号的光纤称为上行光纤，用于从交换机向计算机传送信号的光纤称为下行光纤。D物理层协议规定的物理参数主要包括：传输模式、上行与下行光纤的光载波的频率、光纤的尺寸、光接口，以及最大光纤传输距离（5）光缆结构把多根光纤

13、与其他高强度保护材料组合起来构成光缆，以增加线路宽度，同时也能适应各种工程环境的要求典型的光缆是由缆芯、中心加强芯与护套三部分构成无线与卫星通信技术（1）电磁波谱与通信类型描述电磁波的参数有三个：波长、频率和光速电磁波传播方式有两种：一种是无线方式，一种是有线方式（2）移动通信的基本概念移动物体与固定物体、移动物体与移动物体之间的通信都属于无线通信两个注意问题：A工业、科学医药专用ISM频段的问题ISM(Industrial Scientific Medical) Band 三个频段902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz 、 5725-5850 MHz ，发送功率小于规定值，

14、可以不用申请B信号频率、功率与覆盖范围问题（3）无线通信（4）微波通信频率在100MHZ10GHZ的信号称为微波微波信号传输的特点A只能进行视距传播，因为微波不能绕射B大气对微波信号的吸收与散射影响较大，特别适用于卫星通信（5）蜂窝无线通信将一个大区划分为多个小区，在每个小区设立一个基站，用户手机通过小区基站接入移动通信网（6）卫星通信3.2.4数据编码分类计算机内的二进制数据分为模拟信号和数字信号模拟数据编码：振幅键控ASK、移频键控FSK和移相键控PSK数字数据编码：外同步(NRZ)编码和内同步编码（曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码）3.3频带传输技术3.3.1模拟数据编码方法1模拟通信信道

15、的特点传统的电话线路是为传输语音信号而设计的，只适用于传输音频范围（300-3400HZ)的模拟信号，无法直接传输二进制数字信号2调制解调器的作用3模拟数据信号编码方法三个电参量：振幅、角频率和相位（1）振幅键控实现容易、技术简单，但抗干扰能力较差（2）移频键控实现容易、技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一（3）移相键控A绝对调相B相对调相C多相调制正交相移键控四相调制：00、01、10、11靶向调制：000、001、010、011、100、101、110、1113.3.2波特率的概念（1）波特率的定义调制速率：描述通过模拟线路传输模拟数据信号过程中，从调制解调器输出的调制信号

16、每秒钟载波调制状态改变的值。单位1/s，称为波特，调制速率也称为波特率波特率描述的是码元传输的速率（2）比特率的定义数据传输速率：在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps，又称为比特率2波特率与比特率的关系习题1在采用电信号表达数据的系统中，数据有（数字）数据和（模拟）数据两种3.4基带传输技术3.4.1基带传输的定义在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字信号是典型的矩形脉冲信号，人们将矩形脉冲信号称为基带信号。在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码3.4.2数字编码方法1非归零码低电平表示数字0,用高电平表示数字1有时存在直流

17、分量2曼彻斯特编码（1）曼彻斯特编码的规则A每比特的周期T分为前T/2和后T/2两部分B前T/2传送该比特的反码C后T/2传送该比特的原码（2）曼彻斯特编码的特点每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T,利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号自含钟编码信号（3）讨论曼彻斯特编码需要注意的问题IEEE802.3标准规定编码规则：数据与时钟进行异或运算，因此造成每比特前T/2取该比特的反码，后T/2传送该比特的原码。不同的教科书表述可能有所不同3差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码和曼彻斯特编码的不同（1）每比特的中间跳变仅做同步使用（2）每比特的值根据其开始边界是否跳变来

18、决定（3）每个比特开始处如果发生跳变，则表示传输二进制0；不发生跳变表示传输二进制1研究差分曼彻斯特编码的原因：从电路角度，差分曼彻斯特编码要比曼彻斯特编码解码更容易实现3.4.3脉冲编码调制方法1脉冲编码调制的基本概念脉冲调制（PCM）是模拟数据数字化的主要方法语音信号频率：在300-3400HZ的模拟信号通过PCM编码器和PCM解码器2脉冲编码调制的工作过程采样、量化与编码（1）采样采样频率f应为f=2B，其中B为通信信道带宽或f=1/T=2fmax, fmax为信道允许通过的信号最高频率图3-24（2）量化量化是将样本幅度按量化级取值的过程。根据精度要求可以分为8级或16级（3）编码编码

19、是用相应位数的二进制代码表示量化后的样本的量级如果有k个量化级，则二进制的位数是log2K常用语音数字化系统通常采用128个量级，需要7位编码缺点：二进制编码位数较多，编码效率低3调制器、曼彻斯特编码器与PCM编码器的比较（1）调制器用于频带传输之中，通过调制器可以将计算机产生的二进制数字信号转化成模拟信号，通过模拟线路传输（2）曼彻斯特编码器用于基带传输中，将计算机产生的二进制比特序列转换成适应数字通信系统传输的数字数据信号（3）PCM编码器用于在基带传输系统中传输语音信号，将模拟信号转化为数字信号3.4.4比特率的定义数据传输速率在数值上等于每秒钟传输的二进制比特数，单位比特/S，记做bp

20、s数据传输速率：S=1/T(bps)常用的数据传输速率的单位：Kbps、Mbps、Gbps、Tbps注意问题（1）数据传输速率是指主机向传输介质发送数据的速率（2）计算二进制数据长度时，1K=1024，而在计算通信速率时，使用的是10进制3.4.5奈奎斯特准则与香农定理人们常用带宽表示信道的数据传输速率，带宽与速率几乎是同义词1奈奎斯特准则的基本内容1924年，奈奎斯特推导出具有理想低通矩形特性的信道，在无噪声情况下的最高速率与带宽的公式：Rmax=2B（bps)2香农定理描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系：Rmax=BXlog2(1+S/N)信

21、噪比:S/N表示该信道上信号功率与噪声功率之比3.5多路复用技术3.5.1多路复用的基本概念1多路复用与通信信道为什么要研究多路复用：（1）充分利用通信线路容量，节省成本（2）网络中传输介质的容量一般都会超过单一信道所需要的带宽使用多路复用技术，可以在一条物理线路上建立多条通信信道发送端通过复用器汇集接收端通过分用器将数据分离2多路复用技术的分类（1）时分多路复用（TDM）（2）频分多路复用（FDM）通过设置多个频带互不重叠的信道，达到同时传输多路信号的母的（3）波分多路复用（WDM)（4）码分多路复用（CDMA)与正交频分复用（OFDM)码分多路复用：手机正交频分多路复用：蜂窝移动通信，一种

22、特殊的多载波传输技术3.5.2时分多路复用1时分多路复用的基本概念将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每位用户分的一个时间片，用户在其占有的时间片内使用信道的全部带宽T1载波：将24路音频PCM编码器信号复用在一条通信新路分为同步时分多路复用和统计时分多路复用2同步时分多路复用（STDM)优点：方法简单，易于实现缺点：由于将时间片固定的分配给信道，而不考虑是否有数据需要传送，有可能出现很多时间空闲片，造成信道资源的浪费2统计时分多路复用（ATDM）帧3.5.3频分多路复用频分多路复用是在一条通信线路上设置多个信道，每个信道的中心频率不同，各个信道的频率范围互不重叠如带宽96KHZ,每个信道

23、4KHZ,则可复用24个信号3.5.4波分多路复用波分复用是光波段的频分多路复用，每个信道光载波频率互不重叠目前可以复用80路或更多路的光载波信号（密集波分复用DWDM)。3.6同步光纤网(SONET)与同步数字体系（SDH）1985年，美国贝尔实验室首先提出了SONET的概念，以解决光接口标准规范问题ITU-T在SONET的基础上，制定同步数字体系标准，从而统一了国际通信传输速率、接口标准体系，适用于光纤、微波、卫星传输体系3.6.2基本速率标准的制定1T1载波速率针对脉冲编码调制PCM的时分多路复用设计的通过PCM编码器复用24路数字语音信道，每个信道8位数字（7数据位，1校验位）则每一帧

24、长度：24x8=192bit,加上1位帧开始标志位，共193位一秒钟传送8000帧，发送一帧的时间为1/8000=125us因此，T1载波的数据传输速率为：T1=(193/125)X1000000=1.544(Mbps)2E1载波欧洲标准，30路PCM数字语音信号，2路控制信号，一帧要传送的数据为：（30+2）X8=256bitE1载波的数据传输速率为E1=(256/125)x1000000=2.048Mbps3.6.3SDH速率体系1SDH的复用结构图3-312SDH速率体系理解同步数字体系SDH的复用结构，需注意以下问题（1）STS速率、OC速率与STM速率STS（SONET）：数字电路结

25、构的电信号传输速率STM（SDH）：电话主干线路的数字信号速率标准OC（光载波）：光纤上传输的光信号速率STS-1复用了810路数字语音信道，其速率=810 x8000 x8=51.840M（2）OC、STS与STM速率对应关系SONET定义的线路速率标准是以第一级同步传输信号STS-1(51.840Mbps）为基础的，与其相对应的是第一级光载波OC-1SDH信号中最基本的模块是STM-，对应STS-3，速率为51.840X3=155.520Mbps3.7接入技术3.7.1接入技术的分类用户接入有家庭接入、校园接入、机关与企业接入接入技术科分为有线接入与无线接入两大类本节主要介绍数字用户线XD

26、SL技术、光纤同轴电缆混合网HFC技术、光纤接入技术3.7.2ADSL接入技术1数字用户线XDSL的基本概念DSL将为语音通信的电话线路改造为能够上网的线路数字用户线是指从用户家庭、办公室到本地电话交换中心的一对电话线。用数字用户线实现通话与上网有多种技术方案：非对称数字用户线(ADSL)、高速数字用户线（HDSL）、甚高速数据用户线（VDSL），统称为XDSL非对称：向Internet发送称为上行信道，从Internet下载称为下行信道，家庭用户需要上行信道与下行信道的带宽是不对称的2ADSL接入技术的特点（1）ADSL在电话线上同时提供电话与Internet接入服务分路器（2）ADSL提供

27、的非对称带宽特性在电话线路上划分出三个信道：语音信道、上行信道与下行信道5000米范围内上行信道的速率为16-640K,下行信道的速率为1.5-9.0M（3）ADSL用户端结构分路器：一组滤波器，低通滤波器，将低于4000Hz的语音信号传送到电话机高通滤波器，将数据信号传送到ADSL Modem（4）本地电话局端结构入口可以用分路器将语音信号接入电话交换机，多路计算机的数据信号由ADSL复用器处理3ADSL标准ADSL标准是物理层的协议标准研究目标：1.5M9M的ADSL标准分路器给ADSL的推广带来了障碍牺牲用户的下行带宽，将下行速率降到1.5M,这样就可以再ADSL Modem的接口处内嵌

28、一个简单的滤波器（G.992.2标准）3.7.3HFC接入技术1光纤同轴电缆混合网的研究背景与技术特征光纤同轴电缆混合网解决有线电视网提供网络服务的问题注意问题（1）本质是用光纤取代有线电视网络中的干线同轴电缆（2）在光纤传输线路上采用波分复用技术，形成上行和下行信道（3）从头端向用户传输的信道称为下行信道，从用户向头端传输的信道称为上行信道（4）有线电视网覆盖面广，经济、便捷2HFC接入技术的特点（1）HFC上行信道与下行信道频段划分有多种方案，既有对称方案也有对称方案（2）用户端的电视机和计算机分别接到线缆调制解调器，然后与入户的同轴电缆连接（3）头端：又称为电缆调制解调器终端系统（4）小

29、区光纤节点将光纤干线和同轴电缆相互连接（5）HFC对上行信道和下行信道的管理是不相同的。下行信道只有一个头端，是无竞争的上行信道由连接到同一个同轴电缆的多个Cableodem共享3.7.4光纤接入技术1ADSL与HFC技术特点的比较（1）相同之处：主干线路都采用了光纤 不同之处：ADSL用户接入使用电话线,HFC用户接入使用同轴电缆（2）尽管同轴电缆的带宽远大于电话线，但是连接ADSL Modem的电话线是一家用户专用的，一般不会手接入用户数量的影响（3）ITU的G.992.2标准已经广泛使用，更高速的标准正在制定之中2光纤接入技术发展的背景无论哪种接入技术，铜缆带宽的瓶颈问题很难克服。光线的带宽远大于铜线、同轴电缆或无线技术，光纤传输信号的安全性好3.7.5移动通信接入技术1空中接口与3G/4G标准移动通信主要概念:接口、信道、移动台与基站手机与基站通信的接口称为空中接口所有通过空中接口与无线通信网络通信的设备称为移动台基站与手机是通过广播方式、点-多点方式连接，一个基站需要多个空中接口接收多个手机的信号3G/4G主要是指不同的空中接口标准2000年5月ITU正式公布3G标准：IMT-2000标准正在使