第三章 物理层

1、第 3 章 物理层 n3.1 物理层的接口与协议 n3.2 传输介质 n3.3 数据通信技术 n3.4 数据编码 n3.5数据交换技术 3.1 物理层接口与协议 概述 物理层位于传输媒体（传输介质）之上 作用：屏蔽差异，为上层（数据链路层）提供统一的服务物理 连接。 它既不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的介质。 物理层的定义：在物理信道实体之间合理地通过中间系统， 为比特传输所需的物理连接的激活、保持、和去除提供机械 的、电气的、功能的和规程性的手段。 （以上是ISO对OSI模型的物理层所作的定义识记P29） 物理层定义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在 DTE 和DCE之间实现

2、对物理信道的建立、保持和拆除功能。 （以上是ITU组织在X.25协议中对物理层所作的定义识记P29) n DTE(Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是 对属于用户所有的联网设备或工作站的总称，是通信的 信源和信宿。如计算机、终端等。 n DCE (Data Communication Equipment 或Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路终接设备或 通信设备，是对为用户提供入网连接点的网络设备的统 称如调制解调器、交换机、集线器。 DTE 和 DCE(识记P29) 2.11 物理层标准举例 物理层的主要任务是确定与

3、传输媒体的接口的一些特性， 即： n机械特性机械特性 指明采用的连接器的几何尺寸、插件的引脚及 分布位置。 n电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 n功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种 意义。 n规程特性规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 n例：EIA-232-C接口标准 EIA RS-232-C接口标准 EIA RS-232-C是由美国电子工业协会在1969年颁布的一种目前 使用最广泛的串行物理接口标准。 RS(Recommended Standard)的意思是“推荐标准”； 232是标识号码； 后缀“C”则表示该推荐标准已被

4、修改过的次数。 物理层的主要功能是通过物理信道在相 邻网络节点正确的收发比特流信息。 机械特性 指明采用的连接器的几何尺寸、插件的引脚及分 布位置。 n 电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、 最大传输速率、互联电缆的相关规则。 DTE与 DCE接口的各根导线的电气连接情况有以下三种方式： 非平衡方式：1根导线/电路，收发共用1 根地线，较大串扰. 信号速率=20Kbps 传播距离=15米 差动接收器的非平衡方式，发送器使用非平衡式，但接收器使用 差动接收器，独立的地线，串扰小，信号速率300Kbps ， 传播距离101000米 平衡方式：使用平衡发生器和差动接收器， 2

5、根导线/电路，构成 各自完全独立的信号回路，串扰信号减至最小，信号速率 EBCDIC 报文交换的缺点 n不能满足实时交互的通信要求，报文经过网络的 延迟时间长且不定。 所以，不能用于语音连接， 也不适合交互式终端到计算机的连接 n有时节点收到过多的数据而无存储空间或不能及 时转发时，就不得不丢弃报文 n发出的报文不能按顺序到达目的地 3.5.2 报文交换 n计费一般时根据通信的流量和时间来计 算 n报文交换已不再使用 3.5.3 分组交换 n分组交换将一个报文分成若干个分组，分组中包 括数据和目的站地址数据和目的站地址，每个分组的长度有一个上 限，典型的最大长度时数千位 n使每个节点所需的存储

6、能力降低了 n分组可以存在内存，而不是硬盘上，提高了交换速度 n分组交换适用于交互式通信 n分组交换的具体过程可以分为虚电路交换和数据 报交换 1. 虚电路方式 n为进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间 先要建立一条逻辑通路逻辑通路 n每个分组包括数据和一个虚电路标识符 n在路径上的每个节点根据虚电路标识符转发数据， 不再需要路由选择判定 n数据传输结束后，由某一个站用清除请求分组来 结束这次连接 1. 虚电路方式 n无论何时，一个站都能和任何站建立多个虚 电路，也能与多个站建立虚电路。因为这条 电路不是专用的，所以叫虚电路 n每条虚电路支持两个端点之间的数据传输， 两个端点之间也可以有多

7、条虚电路为不同的 进程服务，这些虚电路的实际路由可以相同， 也可能不同 虚电路方式的特点 n在数据传送之前先建立站与站之间的一 条路径 n这条路径不是专用的，分组在每个节点 上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队 等待输出 2.数据报方式 n当某一个站点要发送一个报文时，先把报文分成 若干个带有序号、数据和地址序号、数据和地址信息的分组，每个 分组被称为数据报。各个数据报被依次送到网络 节点上 n一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地 址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适 的出路，把数据报发送到下一个节点 n各节点随时根据网络流量、故障等情况选择路由， 各数据报所走的路径可能不相同，也不

8、一定按发 出顺序到达目的地，有的可能会在途中丢失 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 H1 向 H5 发送分组 H2 向 H6 发送分组 路径可能变化 网络随时接受主机发送的分组（即数据报） 网络为每个分组独立地选择路由。 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 网络尽最大努力地将分组交付给目的主机， 但网络对源主机没有任何承诺。 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 网络不保证所传送的分组不丢失 也不保证按源主机发送分组的先后顺序 以及在

9、时限内必须将分组交付给目的主机 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 当网络发生拥塞时 网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 数据报提供的服务是不可靠的， 它不能保证服务质量。 实际上“尽最大努力交付”的服务 就是没有质量保证的服务。 两种服务的思路来源不同 n虚电路服务的思路来源于传统的电信网。 n电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此 电信网的结点交换机复杂而昂贵。 n数据报服务力求使网络生存性好和使对网 络的控制功能分散，因而只要求网络提供 尽最大

10、努力的服务。 n可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来 保证。 数据报服务与虚电路服务之争 n让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。 n n但技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而让 主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负 担，反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。 n因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供数 据报服务是非常成功的。 数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务 思路 可靠通信应当 可靠通信应当 由网络来保证 由用户主机来保证 连接的建立 必须有 不要 目的站地址 仅在连接建立阶段 每个分组都有 使用，每个分

11、组使 目的站的全地址 用短的虚电路号 数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务 分组的转发 属于同一条虚电路 每个分组独立选择 的分组均按照同一 路由进行转发 路由进行转发 当结点出 所有通过出故障的 故障结点可能丢失 故障时 结点的虚电路 分组，一些路由 均不能工作 可能会发生变化 数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务 分组的顺序 总是按发送顺序 到达目的站时不一定 到达目的站 按发送顺序 端到端的 可以由分组交换网 由用户主机负责 差错处理和 负责也可以由用户 流量控制 主机负责 3.5.4 高速交换 n结合分组交换和电路

12、交换的优势，并与光传输技 术融合是高速交换的趋势 n当前Internet的主干线采用的是SONET(同步光纤) 或SDH（同步数字系列），其本质属于电路交换 技术 n本地网接入采用的是IP路由器，属于分组交换技 术 n所以当前Internet采用的是电路交换技术和分组交 换技术的结合 3.5.4 高速交换 n电路交换技术与光交换技术在本质上极 为相似，随着速度的增长，引入了光传 输技术，通过光电转换技术，实现了高 速交换 1. 微电子机械系统(MEMS)的光交换机 n在入口光纤和出口光纤之间使用微镜阵列 n阵列中的镜元可以在光纤之间任意改变角 度来改变光束传输方向，达到实时对光信 号进行重新选

13、择的目的 n当一路波长光信号照到镜面时，镜面倾斜 以便将其引导到某一特定出口光纤中，从 而实现光路倒换的目的 2. 无交换式光路由器 n使用具有波长发射和控制功能的交换功能 模块取代了传统的外围光开关交换网络 n关键模块是一种自由空间色差校正凹面光 栅，通过它将入射光线阵列中的波长信道 进行发散后，再聚集到出射光纤阵列中相 互独立的单路光纤上，可实现9191的波 长路由器功能 3.阵列波导光栅路由器 n构成阵列波导光栅的是许多长度按L线性递增(即各路光波 的相位差恒定)的光臂，可实现波分复用与解复用以及静 态波长路由功能 n具备双向传输的特性 nWDM信号从一端口输入，经一入射波导到达聚集平面

14、波 导，被衍射耦合到各阵列波导中，各路光经不同的相位延 迟后在出射波导端合成不同波长的光波 n如果输入端只有单路的多波长信号，则构成1N的解复 用器，如果输入端为M路，则构成MN的路由器 光交换的优点 n光信号经过光交换单元时，无须经过光电/电光转换 n不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率 和调制方式透明，可以大大提高交换单元的吞吐量 n光交换技术的费用不受接入端口带宽的影响，因为它在进行 光交换时并不区分带宽，而且不受光波传输数据速率的影响 n在传统的交换技术费用随带宽增加而大幅提高的情况下，光 交换更具吸引力 3.5.5 交换技术的比较 报 文 报 文 报 文 A B C

15、D A B C D 报文交换电路交换 t 连接建立 数据传送 报文 连接释放 3.5.5 交换技术的比较 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 A B C D A B C D 虚电路分组交换 数据报文分组交换 t 虚电路建立 数据传送 P2 P1 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 P2 P1 3.5.5 交换技术的比较 n不同的交换技术适用于不同的场合 n对交互式通信来说，报文交换不合适 n对于较轻和间歇式负载来说，电路交换最合适， 可以通过电话拨号线路来实行通信 n对于较重和持续式负载来说，使用租用的线路以 电路交换方式实行通信是合适的 n对于必须交换中等到大量数据的情况，可用分组 交换 3.5.5 交换技术的比较 三种技术的主要特点 n电路交换 n在数据传送开始之前必须先设置一条专用的 通路 n在线路释放之前，该通路由一对用户完全占 用 n对于猝发式通信，电路交换效率不高 3.5.5 交换技术的比较 n报文交换 n报文从源点传送到目的地采用“存储转发”