计算机网络 第2章 物理层

1、计算机网络及应用第二章 物理层主讲：王英物理层并不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的物理传输媒体。物理层协议如何尽可能屏蔽各种物理设备的差异，在连接各种计算机的传输介质上传输数据比特流？物理层的主要任务： 确定与传输媒体的接口的一些特性机械特性 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。过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 本章主要内容1.通信基础2.传输介质3.物理层设备1、通信基础数据通信是指在两点或多点之间通过通信数据通信是指在两点或多

2、点之间通过通信系统以某种数据形式进行信息交换的过程，系统以某种数据形式进行信息交换的过程，它是计算机技术与通信技术结合的产物。它是计算机技术与通信技术结合的产物。数据（data）数据是传送消息的载体。“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 模拟数据“数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。数字数据信号(signal)信号是数据的电气或电磁表现，信号是传输数据的载体。 表示数据的特征参数连续变化的信号。 模拟信号离散信号。数字信号数字比特流模拟信号把模拟语音转换为电信号进行传输，使电信号的幅值与声音大小成正比。把二进制代码的1、0直接用高、低两种电平信号表

3、示，作为传输信号进行传输。幅值只有离散的两种电平幅值连续变化编码与调制数据必须转换成信号进行传输把数据变换为数字信号的过程称为编码。把数据变换为模拟信号的过程称为数字调制。基带传输在数据通信中，用于表示计算机传输的二进制数字信号是典型的矩形电脉冲，其固有频率称为基带。在一条电缆上的基带传输，在任一时刻只能传输一路数字信号。数字数据的数字信号编码数字数据编码用于基带传输，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。 用什么样的数字信号表示0，用什么样的数字信号表示1？编码非归零编码 用低电平表示0，用高电平表示1。 容易实现 连续传输1或0时，难于判断一个码元的开始和结束。曼彻斯特

4、编码 将一个码元分成两个相等间隔，前一个间隔为低电平，后一个间隔为高电平表示码元1；码元0正好相反。 每一个码元的中间出现跳变，既作时钟信号，也作数据信号。差分曼彻斯特编码 若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元电平相同；若为0，则相反。以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换基带信号的调制基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。 调制方法 最基本的二元制调制方法有以下几种：调

5、幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相带通(band pass)信号 带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。 带通信号每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段。可以在一条电缆中同时传送多路数字信号。数据通信系统可划分为三部分： 产生和发送数据的源头。信源 向某个方向传送信息的介质。信道 接收数据的终点。信宿数据通信系统的模型 传输系统输入信息

6、输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机信息交换方式 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 仅需要一条信道。单工通信 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送和同时接收。 需要两条信道。半双工通信 通信的双方可以同时发送和接收信息。 需要两条信道。全双工通信信道的类型传输信号形式模拟信道数字信道传输介质无线信道有线信道信道的极限容量 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信

7、号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 有失真，但可识别失真大，无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形奈奎斯特定理1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间

8、串扰。 香农定理香农(Claude 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。信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 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。 克劳德艾尔伍德香农(Claude Elwood Shannon )香农被尊称为是“信息论之父”。人们通常将香农于1948年10月发表于贝尔系统技术学报上的论文通信的数学原理作为现代信息论研究的开端。香农提出了信息熵的概念，为信息论和数字通信奠定了基础。信噪比（S/N）信号的平均功

9、率和噪声的平均功率之比。C = W log2(1+S/N)香农定理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。 对于一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。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。 C = W log2(1+S/N)同步技术同步是数字通信中必须解决的一个问题，是指要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。同步通信 通信双方必须先建立同步，即双方时钟要调整到同一个频率。 收发双方不间断地发送和接收连续比特流。 实现代价高，通信数据率高。异步

10、通信 发送数据单元的时间间隔可以是任意的，在数据单元的开始和结束位置加入标志。 接收端时刻做好接收准备。 通信设备简单，便宜，传输效率较低。串行通信 将表示一个字符的二进制代码按从低位到高位顺序依次发送的方式称为串行通信。 收发双方之间建立一条通信信道。并行通信 将表示一个字符的二进制代码同时通过多条并行信道发送，每次发送一个代码的方式称为并行通信。 收发双方之间建立并行的多条通信信道。在远程通信中，人们一般采用串行通信方式。2、传输介质发送设备和接收设备之间的物理通路。传输介质电磁波被导向沿着固定媒介传播。导向传输介质空气、真空或海水等。非导向传输介质电信领域使用的电磁波频谱无线电微波红外线

11、可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 导向传输介质双绞线同轴电缆光缆 双绞线最早使用、最常使用的传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。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 U

12、TP屏蔽双绞线 STP 价格便宜，最常用的传输介质之一。 在局域网和传统电话网中普遍使用。应用 取决于铜线的粗细和传输距离。带宽 可传输模拟信号和数字信号 传输距离为几公里到几十公里。 距离太远时，模拟信号可能衰减；数字信号可能失真。传输距离同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、屏蔽层和塑料外层构成。外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆由于导体屏蔽层的作用，具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。 主要用于传送基带数字信号。 在局域网中广泛应用50 同轴电缆 主要用于传送带通信号。 用于有线电视系统。75 同轴电缆光纤光纤通信就是利用光导纤维（

13、简称光纤）传递光脉冲来进行通信。光纤通信系统带宽范围极大。目前，互联网主干信道传输介质主要是光纤。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） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯当入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层就会折射回纤芯。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非导向传输介质 大气和外层空间是提供电磁信号传播的无线介质，不为信号提供任何导向，这种传播形式称为无线传播。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

14、激光传输红外线通信：遥控器。信道复用(multiplexing)技术一些传输介质的传输带宽很高，为了有效利用通信资源，通常使用复用技术，使得多路信号可以共同使用同一条线路。复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。共享信道多路复用信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术多路复用技术频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing) 时分复用TDM (Time Division Multiplexing) 统计时分复用 STDM (Statistic TDM) 波分复用 WDM

15、(Wavelength Division Multiplexing)码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)频分复用在一条传输介质上使用多个频率不同的载波信号进行多路传输。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5将信道分成若干个相等的频段，每个频段分给不同用户，每一个载波信号形成一个子信道。频分复用主要用于模拟信号传输无线电广播有线电视系统时分复用时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。TDM 信号也

16、称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧在任意时刻整个通路上只有一个特定用户的信号。时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间B CB CB CAAAA

17、 B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 统计时分复用用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用动态分配时隙 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 n

18、m 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分复用在一根光纤上使用不同的波长同时传送多路光波信号。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器码分复用靠不同的编码来区分各路原始信号。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。联通CDMA（Code Division Multiple Access）码分复用的一种方式，称为码分多址。用于3G移动电信系统标准，全球定位系统。3、物理层设备为了解决信号远距离传输

19、所产生的衰减和变形问题，需要设备对信号进行放大和整形，以拓展信号的传输距离，增加网络覆盖范围。中继器（转发器） 将信号整形并放大，再转发出去 消除信号由于经过长距离电缆造成的失真和衰减 使信号的波形和强度达到所需要的要求，来扩大网络传输的距离。信号再生，而不是将衰减的信号放大。 一般情况下，中继器两端连接的是相同的传输介质。 中继器不能连接两个不同速率的局域网。 网络标准中对信号的延迟范围作了具体规定，因此中继器不能无限使用。中继器工作在物理层中继器的局限性不具有差错检查和纠正功能，也不具有隔离冲突的功能，它只负责将一种信号从一个电缆段传输到另一个电缆段上，而不管信号是否正常，即错误的数据经中继器后仍被复制到另一电缆段。由于中继器双向传输电缆段间的所有信息，故很容易形成“广播风暴”，导致网络上的信号拥挤；同时，当某个网段有问题时，会引起网络的中断。中继器还会引起时延，影响网络性能。集线器（Hub）集线器实质上是一个多端口的中继器，也工作在物理层。Hub是一个标准的共享式设备，在网络中只进行信号放大和转发。使用Hub组网Hub主要用于使用双绞线组建共享网络，是解决从服务器连接到桌面最经济的方案。Hub直接与交换机相连