《计算机网络原理与技术(第二版)》第2章物理层.ppt

1、计算机网络,第二章 物理层,主要内容,数据通信的几个概念 物理介质 编码 调制 多路复用 交换 拓扑结构,1. 数据通信的几个概念,信号速率：指信号的调制状态发生变化的速度，单位为波特（baud）。 信道带宽：信道上所能传输的电信号的频率范围，单位为赫兹。 根据Nyquist定理：带宽为H的信道，其最大信号速率为2H 波特。,数据速率,数据速率：指每秒钟传输的二进制比特数，单位为比特/秒,记作 bps 或b/s。 如果数字传输系统有N种不同的信号波形（或称信号调制状态），则数据速率 S 和信号速率 B 的关系为： S = Blog 2 N,信道容量,信道容量：表征一个信道传输数字信号的能力，用

2、信道所能支持的最大数据速率表示。信道容量只由信道本身的特征（带宽，信噪比）来决定，与具体的通信手段无关。 根据Shannon定理：带宽为H、信噪比为 S/N 的信道的最大数据速率为 Hlog2(1+S/N) bps。 可见，信道带宽越宽，所允许的数据速率就越高。因此通信中常用带宽来指代速率，宽带和窄带分别就是高速和低速的同义词。,误码率,误码率：衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，定义为传输出错的码元数占传输总码元数的比例,即 Pe = Ne / N 误码率是决定数据单元大小的一个重要依据。,2. 物理介质,双绞线 同轴电缆 光纤 无线链路,双绞线,双绞线由两根绝缘铜导线按螺旋状

3、缠绕在一起，一对双绞线形成一条通信链路，可以传输模拟信号和数字信号。 非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。 作用 连接电话机和电话端局，传输模拟信号。 用于住宅因特网接入，如使用普通模拟电话线和拨号调制解调器的住宅接入（56Kb/s）、使用数字用户线的宽带住宅接入(几个Mb/s)。 用于组建计算机局域网 3类双绞线：支持10Mbps。 5类双绞线：支持100Mbps，目前高速局域网连网的主要方式。 超5类双绞线：支持1000Mbps。 .,同轴电缆,同轴电缆由一对导体按照“同轴”的形式构成。 两类同轴电缆： 基带同轴电缆：阻抗为50，一般传输数字信号。传输距离较短，数据速率较低。曾被

4、广泛用作电话系统的长途干线和用于传统局域网的组网，但现在基本上已被光纤和双绞线所替代。 宽带同轴电缆：阻抗为75，一般传输模拟信号。传输距离长，速率高，最常用做有线电视电缆。采用有线电视网络提供因特网接入，是宽带住宅接入的另一种可选方式。,同轴电缆图示,有线电视网提供因特网住宅接入,光纤,光纤由具有不同折射系数的两种石英玻璃纤维构成。 多模光纤：当纤芯直径较大时，光纤内部有多条光线（每条光线称为一个模态）以不同的角度全反射地向前传播。 单模光纤：当纤芯的直径减小到只有几个光波长时，光线在光纤中以直线传播而不发生全反射。 光纤的优点：大容量、长距离、抗干扰，适合作为长途导引型介质及构建主干网。

5、缺点：光设备成本高，阻碍了光纤在短途传输中的应用。,光纤的结构,无线链路,与计算机网络关系密切的无线通信介质： 陆地无线电信道，有两类： 覆盖局部区域，通常跨越数十到几百米，应用在无线局域网中，如802.11。 运行在广域，跨越数十千米，应用在广域无线接入网中，如3G等。 卫星无线电信道 使用人造地球卫星作为中继器转发信号，具有通信容量极大、传输距离远、可靠性高等优点，经常用于电话网和因特网的主干，并为全球移动通信系统（GSM）等提供支持。 短距离内可使用红外线、蓝牙无线电等，距离在10米以内，数据为1Mbps。,3. 编码,不归零码（NRZ）：使用固定的高电平和低电平来表示“1”和“0”，不

6、利于时钟信号的提取。 不归零反转：用当前信号的一个跳变表示“1”，用保持当前信号表示“0”，没有解决连续传输“0”的问题。 曼彻斯特编码：传输NRZ编码数据与时钟的“异或”值使时钟与信号合并。 差分曼彻斯特编码：每个比特信号中间都有一个跳变，用每个比特信号开始时与前一个比特信号的后半部分有无跳变来表示数据，有跳变表示“0”，无跳变表示“1” 。 4B/5B编码：将每4个比特的数据编码为5个比特，降低相同数据速率下的信号速率。,编码示例,4B/5B编码,4. 调制,调制：将基带信号转换成适合在物理线路上传输的某种物理信号形式。 三种基本调制方法：幅移键控，频移键控，相移键控。 为提高数据传输速率

7、，可令每个调制状态携带几个比特信号。 实践中通常将幅移键控和相移键控结合起来使用。,基本调制方法,每个调制状态携带几个比特,5. 多路复用,多路复用：在一条线路上同时传输多路信号，目的是提高线路的利用率。 多路复用技术主要有频分和时分两种。 频分多路复用（FDM）：一条线路的带宽被分成许多子频带，每个子频带用来传输一路信号。FDM使用模拟传输技术。 波分多路复用（WDM）：多条不同波长（频率）的光线在同一条光纤中传输，是FDM的特例。 时分多路复用（TDM）：多路信号在不同的时间使用信道传输。TDM使用数字传输技术。 T1和E1标准,FDM示例,T1线路,6. 交换,数据包从一条线路转发到另一

8、条线路，这个过程称为交换。 电路交换： 传输数据前需要在发送端和接收端之间建立一条实际的物理通路。 优点：保证数据传输的可靠性和顺序，传输延迟短。 缺点： 需要建立和拆除电路，线路利用率低。 分组交换： 以长度受限的数据块（分组）为基本传输单位，采用存储-转发方式传输，传输之前不需要建立实际的物理通路。 优点：线路利用率高，易于实现广播，鲁棒性好。 缺点：传输延迟大且不确定，协议复杂。 总之，电路交换以资源利用率为代价换取较好的传输质量，而分组交换刚好相反。,7. 拓扑结构,星型结构：所有端节点通过点到点链路连接到中心节点，端节点间的通信必须通过中心节点进行。,总线结构,总线结构：所有节点连接到一根公用的通信线路上。,环型结构,环型结构：节点和连接节点的点到点链路组成一个闭合环，