计算机网络CH2b

1、1Part 物理层接口及其协议物理层接口及其协议2主要内容主要内容1 物理层的定义和功能2 物理层的特性3 典型的物理层标准接口3.1 EIA RS-232-C3.2 EIA RS-449/422-A/423-A3.3 CCITT X.214 传输介质5 其它网络传输技术31 物理层的定义和功能（物理层的定义和功能（1）物理层的定义-ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层的功能-在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。研究内容

2、-物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。41 物理层的定义和功能（物理层的定义和功能（2）几点说明- 连接方式（点到点，点到多点）- 通信方式（单工，半双工，全双工）- 位传输方式（串行，并行）物理层的四个重要特性- 机械特性 (mechanical characteristics)- 电气特性 (electrical characteristics)- 功能特性 (functional characteristics)- 规程特性 (procedural characteristics)52 物理层的特性（物理层的特性（1）机械特性机械特性- 主要定义物理连接的边界点，即接插装

3、置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。- 常用的标准接口 ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A；用于音频MODEM、公用数据网络的接口中 ISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449；用于音频和宽带MODEM ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22；用于公用数据网络的接口中62 物理层的特性（物理层的特性（2）电气特性电气特性- 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。- 早期的标准是在边界点定义电气特性，例如

4、EIA RS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。 - CCITT 标准化的电气特性标准 CCITT V.10/X.26：新的非平衡型电气特性，EIA RS-423-A CCITT V.11/X.27 ：新的平衡型电气特性，EIA RS-422-A CCITT V.28：非平衡型电气特性，EIA RS-232-C CCITT X.21/EIA RS-44972 物理层的特性（物理层的特性（3）功能特性功能特性- 主要定义各条物理线路的功能。- 线路的功能分为四大类： 数据 控制 定时 地规程特性规程特性- 主要定义各条物理线路的工作

5、规程和时序关系。83 典型的物理层标准接口（典型的物理层标准接口（1）3.1 EIA RS-232-C1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。机械特性- 25芯连接器，DTE为插头，DCE为插座。电气特性- 采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+4V为 “0”，最大 20Kbps，最长15m。- 非平衡传输（unbalanced transmission）：所有电路共享一个公用的地线。- 平衡传输（balanced transmission）：每个主

6、要电路需要两根线，没有公用的地线。93 典型的物理层标准接口（典型的物理层标准接口（2）功能特性- 定义了21条线，许多子集，基本与CCITT V.24兼容。- Fig. 2-21(3rd edition)规程特性- 对不同的功能子集，有不同的规程。- RS-232-C 有14种不同的接口类型，适合于：单工，半双工，全双工，同步，异步 RS-232-C的不足与改进- 不足 传输性能低，距离短，速率低。- 改进 重新设计，X.21； 以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。1011Caption: RS-232 connectors, showing wiring for th

7、ree-wire connection. 123 典型的物理层标准接口（典型的物理层标准接口（3）3.2 EIA RS-449/422-A/423-AEIA RS-449 是为替代RS-232-C而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。主要改进- 改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率；- 增加了新的接口功能，例如，回送检查；- 解决了机械接口问题。机械特性- 37芯或9芯连接器。电气特性- 与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性 RS-423-A，20Kbps以下- 其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A 和RS-423-A，20Kbps 2Mbps133

8、典型的物理层标准接口（典型的物理层标准接口（4）功能特性- 定义了30条功能线。规程特性- 基本上以RS-232-C为基础。3.3 CCITT X.21X.21：在公共数据网PDN中进行同步操作的DTE/DCE之间的通用接口。1980年的X.21由两部分组成：- “通用接口”：真正的物理层部分；- 用于电路交换网络的呼叫控制规程，用于DTE之间的连接，涉及到许多数据链路层和网络层的功能。143 典型的物理层标准接口（典型的物理层标准接口（5）机械特性- 15针连接器，ISO 4903。电气特性- 采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。- 传输速率：600，2400，4800，9600，4800

9、0bps- DTE使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；DCE使用平衡型电气特性功能特性- 定义了8条功能线。规程特性- 分成四个工作阶段：空闲，呼叫控制，数据传送，清除154 传输介质（传输介质（1）-双绞线双绞线磁介质- magnetic tape, floppy disk, hard disk- “Never underestimate the bandwidth of a station wagon full of tapes hurtling down the highway.”1616双绞线即Twisted Pair是目前结构化布线中最常用的传输媒体是由两根相互绝缘的铜导线按照一定

10、的规格互相缠绕在一起而成的网络传输介质，外部包裹屏蔽层或塑橡外皮而构成它的原理是：如果外界电磁信号在两条导线上产生的干扰大小相等而相位相反，那么这个干扰信号就会相互抵消17Twisted Pair(a) Category 3 UTP.(b) Category 5 UTP.1818四对（或两对）放在一起，而且每对线使用不同颜色以便区分，在每对中的两根线也有不同颜色的区别是一种价格便宜、安装方便和可靠性高的传输媒体，适用于短距离传输分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线两种19UTPUTP、STPSTP示意图示意图铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP20

11、20集中多对双绞线，外面包一层塑料增强保护层形成抗干扰能力较差，误码率高，但价格便宜、安装方便。其特性阻抗为100EIA为非屏蔽双绞线定义了6种质量级别：- 第1、2类：电话通信中的语音和低速数据线，其最高传输速率为4Mb/s- 第3类：计算机网络中的数据线，其最高传输速率为10Mb/s- 第4类：计算机网络中的数据线，其最高传输速率为16Mb/s- 第5类：使用最多的一类，其最高传输速率为100Mb/s- 第6类：具有200MHz以下的传输特性，最高传输速率1000Mb/s2121有8个线槽分别与4对双绞线相对应RJ-45连接实际就是与双绞线的连接非屏蔽双绞线的塑料保护层内有4对线，其中-

12、白-橙色和橙色为一交扭对- 白-绿色和绿色为一交扭对- 白-蓝色和蓝色为一交扭对- 白-棕色和棕色为一交扭对2222(a)EIA/TIA 568A连接标准 (b)EIA/TIA 568B连接标准 1 2 3 4 5 6 7 8 RJ-45针序号白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕 双绞线对顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 RJ-45针序号白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕 双绞线对顺序 2323EIA/TIA568A标准标准直通方式：联线两边都是568A标准，或者568B标准适用场合：主机与交换机相连EIA/TIA 568A连接标准 针号： 1 2 3 4 5 6 7 8 一端：白绿

13、 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕 另端：白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕 (a)采用EIA/TIA 568A连接标准的直通方式 2424EIA/TIA568A标准标准交叉方式：联线一边是568A标准，另一边568B标准适用场合：两主机或交换机直接相连针号： 1 2 3 4 5 6 7 8一端：白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕 另端：白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕 (b)采用EIA/TIA568A连接标准交叉方式 EIA/TIA568A连接标准 25Caption: The end of a twisted pair Ethernet cable with an RJ-45

14、 connector. 26Caption: The back of a personal computer with an Ethernet network interface card. The card is located in the far right slot and has connectors for twisted pair, thick and thin Ethernet type cabling. 27Caption: A 10/100 megabit twisted pair Ethernet interface in a personal computer. The

15、 link indicator is illuminated indicating that the interface is connected to an active Ethernet network. The 10 Mbit/s indicator is lit, while the 100 Mbit/s indicator is not. This shows that the network is operating in the slower 10 megabit mode. 28Caption: Punch-down connections for 10Base-T on a

16、patch panel that allows flexible interconnections between 10Base-T twisted-pair cables. 29Caption: A closeup of the three Ethernet patch cables. The blue cabling is twisted pair Ethernet cable. 30Caption: A closeup of four copper twisted pair to fiber optic converters. These devices allow a twisted

17、pair network to extend to distances further than copper twisted pair cabling allows by converting the electrical signals to optical signals. 31Caption: Cables running through conduit; individual cables can be added, replaced or removed without disturbing other cables or the building walls and floors

18、; one conduit can carry more than one type of cable such as thick Ethernet, voice telephone, 10Base-T and optical fiber. 324 传输介质（传输介质（2）-同轴电缆同轴电缆基带同轴电缆- 50欧姆，用于数据传输； - Fig. 2-4宽带同轴电缆- 75欧姆，用于模拟传输，- Cable TV技术，300MHz或450MHz33344 传输介质（传输介质（3）-光纤光纤光纤- 目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；8 2.5 Gbps，8 10 Gbps ，32 10 G

19、bps的光纤传输已经实用；- 光纤分类：单模光纤和多模光纤- 模式（mode）：是一个与很多参数有关的量，可以简单地理解为偏振方向，单模光纤可以传输多种波长，但每个波长只能有一种模式。- 常用的三个波长窗口（光纤波段）Fig. 2-6 0.85um：衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，但价格便宜； 1.30um：衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）； 1.55um：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（最坏情况）35光线在光纤中的折射光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体

20、） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯36光纤的工作原理光纤的工作原理高折射率(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37输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤383940- 光缆 Fig. 2-7- 光网络 组网方式Y点到点：四根线（两根用于保护倒换）Y环：两根线（一根用于保护倒换） 中继器：光 电 光，全光 Fig. 2-9 全光网，光因特网论坛 OIF414243Fiber Optic NetworksFig. 2-10 A passive star connection in a fiber optics network.

21、44Caption: Optical fiber cables connected to an ATM switch. 45Caption: Optical fiber connections into an ATM NIC; this computer also has an AUI Ethernet connection just below the orange optical fiber cable. 46Caption: Optical fiber and connectors; the small black covers protect the end of the connec

22、tor when the connector is not in use. 475 其它网络传输技术（其它网络传输技术（1）5.1 无线传输无线传输（Wireless Transmission）电磁频谱无线电传输微波传输红外线和毫米波光波传输48The Electromagnetic SpectrumThe electromagnetic spectrum and its uses for communication.49Radio Transmission(a) In the VLF, LF, and MF bands, radio waves follow the curvature of

23、 the earth.(b) In the HF band, they bounce off the ionosphere.50Politics of the Electromagnetic SpectrumThe ISM (Industrial/Scientific/Medical) bands in the United States.51Lightwave TransmissionConvection currents can interfere with laser communication systems. A bidirectional system with two laser

24、s is pictured here.525 其它网络传输技术（其它网络传输技术（2）5.2 电话系统电话系统目前，电话系统的基本构成：局部回路（双绞线，模拟信号传输）中继（光纤或微波，数字信号传输）交换局53Public Switched Telephone SystemStructure of the Telephone SystemThe Politics of TelephonesThe Local Loop: Modems, ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) and WirelessTrunks and MultiplexingSwi

25、tching54Structure of the Telephone System(a) Fully-interconnected network.(b) Centralized switch.(c) Two-level hierarchy.55Structure of the Telephone System (2)A typical circuit route for a medium-distance call.56Major Components of the Telephone SystemLocal loopsAnalog twisted pairs going to houses

26、 and businessesTrunksDigital fiber optics connecting the switching officesSwitching officesWhere calls are moved from one trunk to another57The Politics of TelephonesThe relationship of LATAs, LECs, and IXCs. All the circles are LEC switching offices. Each hexagon belongs to the IXC whose number is

27、on it.58The Local Loop: Modems, ADSL, and WirelessThe use of both analog and digital transmissions for a computer to computer call. Conversion is done by the modems and codecs.59ADSL ADSL技术是一种不对称数字用户线实现宽带接入互连网的技术，ADSL充分利用现有的铜线资源，在一对双绞线上提供上行640kbps下行8Mbps的带宽，从而克服了传统用户在“最后一公里”的“瓶颈”，实现了真正意义上的宽带接入。 1989

28、年ADSL在贝尔实验室诞生。 60ADSL的原理的原理 传统的电话系统使用的是铜线的低频部分（4kHz以下频段）。而ADSL采用DMT（Discrete Multitone, 离散多音频）技术，将原先电话线路0Hz到1.1MHz频段划分成256个频宽为4.3kHz的子频带。其中，4kHz以下频段仍用于传送POTS（传统电话业务），20kHz到138kHz的频段用来传送上行信号，138kHz到1.1MHz的频段用来传送下行信号。DMT技术可根据线路的情况调整在每个信道上所调制的比特数，以便更充分地利用线路。一般来说，子信道的信噪比越大，在该信道上调制的比特数越多。如果某个子信道的信噪比很差，则弃

29、之不用。目前，ADSL可达到上行640kbps、下行8Mbps的数据传输率。 由上可看到，对于原先的电话信号而言，仍使用原先的频带，而基于ADSL的业务，使用的是话音以外的频带。所以，原先的电话业务不受任何影响。 61Digital Subscriber LinesBandwidth versus distanced over category 3 UTP for DSL.62Digital Subscriber Lines (2)Operation of ADSL using discrete multitone modulation.63Digital Subscriber Lines (

30、3)A typical ADSL equipment configuration.64Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM) 在ADSL发展之初ATM被认为是下一代网络的核心技术，所以ADSL在链路层也采用了ATM的信元格式。随着Internet的发展IP的应用占据了主导地位，DSLAM也经历了纯ATM结构、ATM内核IP上行、IP内核IP上行三个发展阶段。第一代DSLAM从下行的线路到上行的接口全部采用ATM方式 ，只能使用ATM网络作为其接入与核心网络 ，成本高昂。 第二代DSLAM直接将ADSL接入到IP网络中，是在原有ATM

31、内核DSLAM的基础上经过协议转换提供IP上行的DSLAM产品 。主要问题：在进行ATM与IP转换时需要消耗大量资源，而集中在上行接口板统一处理无疑使上行接口成为了瓶颈，在数据流量较大时很容易导致设备上行端口拥塞。 第三代DSLAM从开始设计就采用了纯IP内核。这样从根本上解决了前两代DSLAM所存在的问题。 65Wireless Local LoopsArchitecture of an LMDS system.665 其它网络传输技术（其它网络传输技术（3-1）5.3 SONET/SDH标准- 1985年，Bellcore提出SONET（Synchronous Optical NETwor

32、k）标准。- 1989年，CCITT提出SDH（Synchronous Digital Hierarchy）标准，与 SONET 有微小差别。- SONET主要用于北美和日本，SDH主要用于欧洲和中国。SONET/SDH，采用TDM技术，是同步系统，由主时钟控制，时钟精度10-9。SONET路径- 路径（path），链路（line），段（section）- Fig. 2-29(3rd edition)67685 其它网络传输技术（其它网络传输技术（3-2）基本SONET帧- 810 字节/125us，所以传输速率为 810 8 /（125 10-6）= 51.84 Mbps- 基本SONET信

33、道称为STS-1（Synchronous Transport Signal-1）- SONET帧格式，Fig. 2-36- 复用 Fig. 2-31(3rd edition) 复用是基于字节的。6970715 其它网络传输技术（其它网络传输技术（3-3） OC-3 与 OC-3c的区别Yc（concatenated）表示级联，非复用；YOC-3 表示一个155.52 Mbps的载波是由三个单独的OC-1载波复用构成的；YOC-3c 表示一个单独的155.52 Mbps的载波。 SONET/SDH复用速率，Fig. 2-37- SONET/SDH结构，Fig. 2-33(3rd edition)

34、7273745 其它网络传输技术（其它网络传输技术（4）5.4 窄带ISDN（Narrowband ISDN）主要目标- 在原电话系统的基础上，提供模拟和数字多种信号传输。ISDN的体系结构ISDN的接口标准通道类型-A，B，C，D，E，H- 三种组合 2B+D，23B+1D或 30B+1D，1A+ 1CISDN的发展趋势- 速度慢，144Kbps（2B + D）可用于目前的Internet访问服务。755 其它网络传输技术（其它网络传输技术（5）5.5 宽带ISDN和ATMB-ISDN基于ATM技术，ATM本身是一种分组交换技术。B-ISDN技术是电路交换和分组交换之间的一种折衷，基于连接的

35、服务。虚电路ATM网络的传输：点到点的连接，随机传输ATM交换机76Caption: Closeups of a Fore ForeRunner ASX-200 ATM switch with both twisted pair copper and fiber optic connections, and a Fore ForeRunner LE155 ATM switch with 12 twisted pair 155 megabit connections 77Caption: An ATM interface card for use with twisted pair cablin

36、g. The silver box on the right edge of the card is an RJ-45 connector. 785 其它网络传输技术（其它网络传输技术（6）5.6蜂窝无线电（Cellular Radio）单方向的寻呼系统- 寻呼过程 打电话给寻呼公司，输入寻呼机号码； 寻呼公司的计算机收到请求，通过线路传到山顶的天线； 天线直接广播信号（本地寻呼），或传递给卫星（异地寻呼），卫星再广播。- 单向系统- 需要很小的带宽- Fig. 2-53(3rd edition)无绳电话79805 其它网络传输技术（其它网络传输技术（7）模拟蜂窝电话- 早期用于军事通信，push-to-talk system，一个信道，半双工；- 60年代，IMTS（Improved Mobile Telephone System），双频，全双工；- 1982年，AMPS（Advanced Mobile Phone System） 使用小的蜂窝（cell）； 在附近（不相邻）的蜂窝中重用传输频率； 发射功率小，设备小而便宜； 当某个蜂窝内的用户超过系统容量时，将蜂窝划分成几个更小的蜂窝，以