计算机网络第2章物理层

计算机网络

第2章物理层

第2章物理层

2.1数据通信基础

2.2网络介质

2.3利用现有的模拟传输系统作为网络通道

2.4网络信号的数字传输系统

2.5物理接口

2.6网卡

2.7物理层互联设备

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物理层的基本概念

■物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接

口的一些特性，即：

/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、固定和锁定装置等等。

/电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电

压的范围。

/功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压

表示何种意义。

/规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的

出现顺序。

■物理层的传输方式

/串行通信

/并行通信

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2.1数据通信基础

2.1.1信息量

2.1.2通信模型

2.1.3奈奎斯特定理

2.1.4香农定理

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2.1.1信息量

-信息量是事件不确定性的度量

■对于一个以概率Pi，P2，・・.，Pn发出A1，

A2,・・.，An个符号的信息源，其信息量为

〃=一£9bg2P

Z=1

■当Pj=1/n时,H=Hmax=log2n

■以概率pi，p0发出“1”和“0”的信息源

+

H=-(Poiog2PoPiiog2Pi)

■当p产Po=O.5时,其不确定性最大

H=H=log2=1

max25

2.1.2通信模型

数据通信系统

数字比特流模拟信号模拟信号数字比特流

正文^i\l^正文

公用电话网——...

PC机调制解调器调制解调器PC机

源系统传输系统目的系统

终点

一

输

『

出

出

数

信

据

息

6

几个术语

-数据(data)——运送信息的实体。

■信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。

-“模拟的"(analogous)——连续变化的。

-“数字的"(digital)——取值是离散数值。

-调制—把数字信号转换为模拟信号的过程。

・解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。

7

模拟的和数字的数据、信号

模拟数据

模拟数据

数字数据

数字数据

8

2.1.3奈奎斯特定理

■最高频率为f的模拟信号，要无失真恢复

采样频率F必须满足：

F》2f

9

2.1.4香农定理

■香农(Shannon)用信息论的理论推导出了

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的

极限、无差错的信息传输速率。

■信道的最大信息传输速率R可表达为

/?=Hlog2(1+S/A/)b/s

H为信道的带宽(以Hz为单位)；

s为信道内所传信号的平均功率；

N为信道内部的高斯噪声功率。

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着农公式表明

■信道的带宽或信道中的信噪比越大，则

信息的极限传输速率就越高。

■只要信息传输速率低于信道的极限信息

传输速率，就一定可以找到某种办法来

实现无差错的传输。

■若信道带宽H或信噪比S/N没有上限

（当然实际信道不可能是这样的），则

信道的极限信息传输速率R也就没有上

限。

■实际信道上能够达到的信息传输速率要

比香农的极限传输速率低不少。11

网络介质

■电信领域使用的电磁波的频谱

12

网络介质

■双绞线

/屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)

/无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwisted

Pair)

■同轴电缆

,500同轴电缆

/750同轴电缆

■尢山筑少火

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网络介质

无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP

铜线

套层套层绝缘层

同轴电缆

绝缘保护套层外导体屏蔽层绝缘层

D内导体

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光线在光纤中的折射

包层折射角包层

纤4品射率的媒体）

纤芯

（高折射率的媒体）

入射

包层

G赢射率的媒体）

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光纤的工作原理

低折射率高折射率

（包层）（纤芯）

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多模光纤与单模光纤

多模光纤

输入脉冲--------------------------------------------------------输出脉冲

输入脉冲

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无线介质

■无线传输所使用的频段很广。

■短波通信主要是靠电离层的反射，但短

波信道的通信质量较差。

-微波在空间主要是直线传播。

/地面微波接力通信

/卫星通信

/红外通讯

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2.3模拟传输系统作为网络通道

■长途干线最初采用频分复用FDM的传输

方式

/FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)

-目前我国长途通信线路已实现了数字化，

因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户

电话机到市话交换机之间的这一段几公里

长的用户线上。

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调制解调器的作用

■调制解调器(modem)包括：

/调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转

换为频率范围在300-3400Hz之间的模拟信

号，以便在电话用户线上传送。

/解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送

来的模拟信号转换为数字信号。

■本书中的调制解调器是指使用在标准的二

线模拟话路(3.1kHz的标准话路带宽)

上的调制解调器。

20

调制解调器的作用（续）

■调制器的主要作用就是个波形变换器，它

把基带数字信号的波形变换成适合于模拟

信道传输的波形

■解调器的作用就是个波形识别器，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。

，若识别不正确，则产生误码。

/在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设

施。

21

调制解调器的速率

■目前调制解调器的信息传输速率已很接近

于香农的信道容量极限了。

■要提高信息传输速率，只能设法提高信噪

比。

■在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟

到数字的模数转换所带来的量化噪声。

22

模拟传输系统作为网络通道

23

2.4网络信号的数字传输系统

■现在的数字传输系统均采用脉码调制

PCM(PulseCodeModulation)体制。

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时分复用

■为了有效地利用传输线路，可将多个话路的

PCM信号用时分复用TDM(TimeDivision

Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后

发送到线路上。

-中国采用欧洲体制，以E1为一次群。

■美国和日本等国采用北美体制，以T1为一

次群。

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E1的时分复用帧

CHOCHO

CH1CH1

CH152.048Mb/sCH15

CH16CH16

CH17传输线路CH17

CH31CH31

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频分复用

频率

27

时分复用

频率

28

时分复用

频率

29

时分复用

频率

30

时分复用

频率

31

波分复用WDM

■波分复用就是光的频分复用。

8x2.5Gb/s

1310nm

0------1550nm1550nm0

1551nm1

1552nm2

复分1553nm3

用

用

器1554nm4

5,1555nm器1555nm5

1556nm6

1557nm7

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2.5物理接口

2.5.1EIA-RS-232-E接口标准

2.5.2RS-449接口标准

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2.5.1EIA・RS・232・E接口标准

■DTE(DataTerminalEquipment)是数

据终端设备，是具有一定的数据处理

能力和发送、接收数据能力的设备。

■DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)

是数据电路端接设备，它在DTE和传输线

路之间提供信号变换和编码的功能，并且负

责建立、保持和释放数据链路的连接。

34

^)TE通过DCE与通信传输线路相连

35

日A-232/V.24的信号定义

(1)保护地[

DTE(2)发送数据二DCE

一(3)接收数据

(4)请求发送

计算机

或(5)允许发送

调制解调器

终端(6)DCE就绪

(7)信号地

(8)载波检测

(20)DTE就绪

(22)振铃指示

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两个DTE通过DCE进行通信的例子

DTE-A

EIA-232/V.24

接口

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利用虚调制解调器与两台计算机相连

插头插座插座插头

(1)保护地(1)保护地

(2)发送/(2)发送.

(3)接收(3)接收

(4)请求发送(4)请求发送

(5)允许发送(5)允许发送

(6)DCE就绪(6)DCE就绪

/(7)信号地(7)信号地

/(8)载波检加T

(8)载波检测■

1(20)DTE病(20)DTE京尤绪

(22)振铃指示\(22)振铃指示

计算机虚调制解调器计算机

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252RS-449接口标准

■RS-449由3个标准组成。即:

/RS-449

，RS-423-A

/RS-422-A

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2.6网卡

■网卡：又称为通信适配器(adapter)或网

络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)。

-网卡的功能

，发送数据：从计算机或网络设备接受帧分成

bit发送到传输介质

/接收数据：从传输介质接受bit组合成帧交给

计算机或网络设备

,竞争介质的发送权

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十算机通过网卡和局域网进行通信

计算机

高

速

至局域网

CPU缓存储器网络接口卡

存（网卡）串行通信

I/O总线并行通信

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>10Mb/s,

>100Mb/s,

>10/1OOMb/s自适应

■吉网卡

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传送方式