第三讲 物理层

1、2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK1v教学目的：教学目的：掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：掌握：数据通信的基本概念。数据通信的基本概念。了解：无线与卫星通信技术的基本概念。了解：无线与卫星通信技术的基本概念。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK2v教学重难点：教学重难点：物理层与物理层协议的基本概念。物理层与物理层协议的基本概念。数据通信的基本概念。数据通信的基本概念。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK33.1 物理层与物理层协议的基本概念3.1.1 物理层的基本概念 通信

2、子网分为点通信子网分为点- -点通信线路通信子网与点通信线路通信子网与广播信道通信子网广播信道通信子网; ;广域网主要采用点到点通信线路，局域广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道网与城域网一般采用广播信道; ;在物理层和数据链路层协议上出现了两在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点个分支，一类是基于点- -点通信线路，另点通信线路，另一类是基于广播信道。一类是基于广播信道。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK43.1.2 物理层基本服务功能物理层设计时主要考虑的是如何在连接物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输

3、各种数据的开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流。比特流。计算机网络设计物理层的主要目的是向计算机网络设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性。数据链路层屏蔽通信技术的差异性。数据链路实体通过与物理层的接口，将数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。路实体。 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK53.1.3 物理层向数据链路层提供的服务 物理连接的建立、维护与释放物理连接的建立、维护与释放 ；物理连接分为点物理连接分为

4、点-点连接与多点连接点连接与多点连接 ；数据传输分为全双工、半双工与单工方式数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ；数据传输分为串行传输方式与并行传输方式数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ；串行传输方式的物理数据服务单元是位；串行传输方式的物理数据服务单元是位； 并行传输方式的物理数据服务单元是并行传输方式的物理数据服务单元是N位，位，N为并行连接的物理通道数。为并行连接的物理通道数。 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK63.2 数据通信的基本概念3.2.1 信息、数据与信号1.信息的基本概念信息的基本概念通信的目的是交换信息，通信的目的是交换信息， 信息的载体

5、可信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合。语音、图形或图像的组合。 为了传送这些信息，首先要将字母、数为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示。数据来表示。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK7为了传输二进制代码的数据，必须为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方将它们用模拟或数字信号编码的方式表示。式表示。数据通信是指在不同计算机之间传数据通信是指

6、在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制送表示字母、数字、符号的二进制代码代码0、1比特序列的模拟或数字信比特序列的模拟或数字信号的过程。号的过程。 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK8信息编码标准信息编码标准ASCII 码用于计算机内码，也用做码用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准数据通信中的编码标准;ASCII码采用码采用7位二进制比特编码，位二进制比特编码，可以表示可以表示128个字符个字符;字符分为图形字符与控制字符两类。字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。号、商用符号等。

7、2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK9多媒体网络应用多媒体网络应用利用数字通信系统来实现多媒体信息的利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一；传输是通信技术研究的重要内容之一；与文本、图形信息传输相比较，语音、与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性；速率与低延时的特性；多媒体技术在网络中的应用，将对数据多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出更高的要求。通信系统提出更高的要求。 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK102.信号的概念信

8、号的概念 信号是数据在传输过程中电信号的表示形信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；式；模拟信号（模拟信号（analog signal）的信号电平）的信号电平是连续变化的；是连续变化的；数字信号（数字信号（digital signal）是用两种不）是用两种不同的电平去表示同的电平去表示0、1比特序列的电压脉比特序列的电压脉冲信号表示；冲信号表示；按照在传输介质上传输的信号类型，通信按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。种。 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK11模拟信号波型模拟信号波型数字信号

9、波型数字信号波型0V(t)V(t)t t0V(t)V(t)t t2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK123.2.2 数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程网络中两台计算机的通信过程 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK13网络通信系统设计中要解决的几个基本问题数据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信数据通信方式数据通信方式 串行通信、并行通信串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信2021年10月30日星期六COMPUTER N

10、ETWORK14串行通信与并行通信串行通信与并行通信 发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK15单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK16同步通信与异步通信同步通信与异步通信SYNSYN.一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符终止位(逻辑“0”)起始位(逻辑“1

11、”)tb0b1b2b3b4b5b6字节5字节4字节3 字节2字节12021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK173.2.3 传输介质的主要类型双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光纤电缆光纤电缆无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK18传输介质是在数据传输系统中位于发送设备和接收设备之间的物理通路。数据传输的特征和质量是由介质的特征和信号的特征两个方面决定的。在现实的世界中，有多种物理介质可用于实际的传输，每一种物理介质在带宽、延迟、成本和安装维护难度上都不相同。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK19

12、1. 双绞线的主要特性双绞线的主要特性 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a）屏蔽双绞线（a）屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b）非屏蔽双绞线（b）非屏蔽双绞线2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK20双绞线TP(Twisted Pair)无论是传输模拟数据还是传输数字数据，最普通的传输介质是双绞线。双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路的电气干扰。双绞线最常见的应用是电话系统。几乎所有的电话都通过双绞线连接到电话局。双绞线传输信号可以几公里不需要放大

13、，更远的距离就要使用中继设备了。当有许多双绞线并行走线太长时，例如在一座公寓里连往电话局的所有导线应扎成束，并包封在护套中。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK21双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输距离，但在许多情况下，几公里范围内的传输速率可以达到几兆bps，由于其性能较好又价格便宜，双绞线很有可能还要被持续使用多年。双绞线可以分为两种：非屏蔽和屏蔽。非屏蔽双绞线电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成。非屏蔽双绞线(UTP)易受外部干扰，包括来自环境噪音与附近的双绞线；但由于其价格低廉且易于安装和使用，所以应用非常广泛。在建筑物内部，作为局域网传输介质而被普遍使用的UTP

14、电缆的最大长度一般限制在100米之内。 双绞线的连接器也已标准化，最常用的是RJ（Registered Jack）11(3 pairs)和RJ45(4 pairs)，如图2.6所示 图2.6 RJ 45和RJ 112021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK232021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK24Categories of Unshielded Twisted PairTypeUseCategory 1Voice Only (Telephone Wire)Category 2Data to 4 Mbps (LocalTalk)Category 3Da

15、ta to 10 Mbps (Ethernet)Category 4Data to 20 Mbps (16 Mbps Token Ring)Category 5Data to 100 Mbps (Fast Ethernet)Category 5eData to 1000 Mbps (Gigabit Ethernet)Category 6Data to 1000 Mbps (Gigabit Ethernet)Category 7?The EIA/TIA (Electronic Industry Association/Telecommunication Industry Association)

16、 has established standards of UTP. 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK251991年，美国电子工业协会(EIA)颁布了EIA-568标准，即商业大楼的通信布线标准。EIA-568-A有三种UTP电缆。3类：UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为16MHZ。4类：UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为20MHZ。5类：UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为100MHZ。 3类UTP电缆对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆；在有限的距离内，经过适当的设计，数据速率可以达到16Mbps。 5类是数字级电缆，现正成为新建大楼的预装设施；

17、在一定的范围内，经过适当的设计，5类电缆可以达到100Mbps速率。 3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5类旋得较紧，一般为每英寸3-4转，而3类则一般是每英尺3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK26棕白棕白兰白橙白绿绿兰橙8765432187654321BrownWhite/BrownGreenWhite/BlueBlueWhite/GreenOrangeWhite/Orange568B:Connection standard: 568A/568B2021年10月30日星期六COMPUTER NETW

18、ORK27实际上标准接法T568A/T568B二者并没有本质的区别，只是颜色上的区别 ，用户需要注意的只是在连接两个水晶头时必须保证： 1,2 线对是一个绕对 3,6 线对是一个绕对 4,5 线对是一个绕对 7,8 线对是一个绕对 ，这是关键。T568B顺序为：1白橙，2橙，3白绿，4蓝，5白蓝，6绿，7白棕，8棕。T568A顺序为：1白绿，2绿，3白橙，4蓝，5白蓝，6橙，7白棕，8棕。服务器服务器-HUB: 一端用一端用T568A 一端用一端用T568B(接接UPDATA口口)工作站工作站-HUB:两端都用两端都用T568B(一端接一端接HUB数据数据口口,一端接网卡一端接网卡)2021年

19、10月30日星期六COMPUTER NETWORK282. 同轴电缆的主要特性同轴电缆的主要特性分类：基带同轴电缆、宽带同轴电分类：基带同轴电缆、宽带同轴电缆缆内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK29同轴电缆基带同轴电缆（Baseband Coax）：阻抗匹配为50，用于数字传输，1公里电缆可达12Gbps的传输速率。又分为：粗缆（Thick）：10Base-5，AUI，单段长度500米，最长5段达2.5公里。细缆（Thin）：10Base-2，BNC，单段长度185米，最长5段达925米。宽带同轴电缆（Broadband Coax）：阻抗

20、匹配为75，用于电视信号的模拟传输（CATV），带宽可达800MHz以上，采用FDM技术。传输数字信号时，要使用Cable MODEM这样的特殊设备，现在综合有线电视网络已成为MAN的一种形式。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK302021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK31粗、细同轴电缆的比较2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK323. 光纤电缆的主要特性光纤电缆的主要特性光纤芯包层外部保护层(a)(a)保护层包层光纤芯(b)(b)2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK33光纤光纤由传导光波的高纯石英

21、玻璃纤维和保护层（jacket）构成，其中纤芯（core）的折射率大于包裹着它的包层（cladding）折射率，这样光信号就被保持在纤芯中不会散播出去。经常将多根光纤封装在坚固的外壳（sheath）中，形成所谓的多芯光缆。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK34光纤电缆是一种新技术,它将电信号转换成光信号, 通过玻璃纤维传输,到达终点后再重新转换为电信号.光纤电缆是由3个同心层构成:中间的核心是光纤,光就是从这里传输的。再外面的覆盖层充满了材料,这些材料的折射率比中间的要低,这对在中间传输的光起了一个限制的作用,最外面的“保护层”,也可以说是“缓冲器”,对里面的中间层和

22、覆盖层起到保护作用。光纤电缆同时也去除了使用铜质电缆所头疼的距离和分配问题。光纤电缆还可以避免电磁干扰,近端串扰,无线电频率干扰,阻抗不匹配,回路及传输频率出现偏差等问题。同时光纤电缆很稳定,也可以实现特定的优先传输,而这些在使用铜制电缆的时候总是出现问题。当遇到特别操作模式的时候,光纤电缆亦具备特别的能力来应付带宽需求。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK35光发射系统：光源、传输介质、检测器有两种光源可用于信号源：LED（发光二极管）和ILD（注入型激光二极管）。以光信号的有和无来表示二进制的“1”和“0”。接收端由光电二极管构成的光检测器将光信号转换成电信号。光纤

23、的连接：机械式：快速，一般不需特殊设备，新技术和连接器改善了接合的损耗（有些 0.1 dB），适合于小数量和应急的应用。熔结：需要昂贵的特殊设备，极低的损耗（有的可达 0.05 dB），长距离链路的唯一方法。光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信号2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK36光纤的类型多模光纤:多模光纤电缆容许不同光束于一条电缆上传输，由于多模光缆的芯径较大，故可使用较为廉宜的偶合器及接线器，多模光缆的光纤直径为50至100米。SI型梯度型（ Multimode step-index fiber ）：GI型引导型单模光纤（Single mo

24、de fiber）单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，从成本角度考虑，由于光端机非常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤电缆的成本高。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK37Optical Fiber Transmission Modes2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK38fiber optic multimodestep-indexfiber optic multimodegraded-indexfiber optic single modeFiber Optic Signals2021年10月30日星期六COMPUTER NETW

25、ORK39实际的光纤2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK402021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK41一、双绞线：具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、价格低廉等许多优点。 二、同轴电缆（有粗缆和细缆）：优点：安装费用低，维护成本低，安装简单，扩充方便。 缺点：速度太慢。1） 同轴电缆本身受气候变化影响大，图象质量受到一定影响；2） 同轴电缆较粗，在密集监控应用时布线不太方便；3）同轴放大器还存在着调整困难的缺点 4） 同轴电缆抗干扰能力有限，无法应用于强干扰环境； 三、光纤：优点：不受杂讯、串音、电磁波等之干扰。频宽高，信号损益低，传输距离远。

26、机密性高，不易被窃听。重量轻、柔性佳，体积小。对环境的容忍性较大。 缺点：价位高。需由专业人员安装，且新节点安装不易。 四、无线介质有：无线电、短波、微波、卫星、光波。 优点：使用电磁波或光波携带信息，无需物理连接，适用于长距离或不便布线的场合。 缺点：易受干扰 2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK424. 无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术电磁波的传播有两种方式：电磁波的传播有两种方式： 以无线方式一种是在自由空间中传播；以无线方式一种是在自由空间中传播； 以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。传输。目前目前以无线方式进行以无

27、线方式进行通信的主要有：通信的主要有： 无线（无线（radio）:在LF、MF沿着地面传播；在HF、VHF由电离层反射。 微波（微波（microwave）:能量集中，天线必须对准。 红外（红外（infrared）:不能穿透障碍物，适用于室内 可见光（可见光（visible light）:不能穿透雨或浓雾。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK43无线电波2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK44红外线与毫米波有方向性，便宜，穿透能力差，传输距离短。如：遥控器，防盗报警等2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK45微波传输在100M

28、Hz以上，微波通过抛物状天线把能量集中于一小束，具有极高的信噪比，沿直线实现可视距传输。在地面因地表弯曲，需中继站接续微波信号，100米高的塔可接续约80公里。天气和频率的影响可造成多路减弱。开放的波段：2.4 GHz 2.484 GHz，即工业/科学/医学波段。地面微波接力在物理线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；在物理线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响；通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响；两个地面站之间传送，距离为两个地面站之间传送，距离为50 -100 km；微波接力的特点 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信

29、信道的容量很大。 微波通信受外界干扰比较小，传输质量较高。 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。 微波接力通信也存在如下的一些缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物（”视距通信”）。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。2021年10月30日星期六COMPUTER NETWORK48Terrestrial Microwave Communications卫星通信卫星卫星（satellite）通信：一种特殊的微波通信与一般地面微波通信的不同在于使用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号图2.14 卫星通信国际上卫星可使用的频段：C波段 使用3.74.2 GHz的频段作为上行信道，5.9256.425 GHz的频