计算机网络---物理层

1、第3章 物理层本章学习要求：掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：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。掌握：数据编码的类型和基本方法。了解：基带传输的基本概念。掌握：频带传输的基本概念。掌握：多路复用的分类与特点。掌握：广域网中的数据交换技术。掌握：同步数字体系SDH的基本概念。3.1 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 通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网;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;由于技术上存在较大的差异，因此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-点通信线路另一类是基于广播信

2、道。3.1.2 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开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流；计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，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，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。 解决的核心问题是:上一层在实现时不需要考虑物理传输设备和传输介质的差异. 3.1.3 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 ；物理连接分为点-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 ；数据传输分为串行传输方式与并行传输方式

3、；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N位，N为并行连接的物理通道数。 3.2 数据通信的基本概念3.2.1 信息、数据与信号计算机网络的任务：能在发送和接收主机间正确的传送表示这些信息的比特流。达到不同传输数据的不同传输质量要求（速度、准确率）。计算机系统：关心信息用什么样的编码体制表示出来。1.信息的基本概念通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合； 为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示； 为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟

4、或数字信号编码的方式表示；数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。 信息编码标准ASCII 码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO 646，又称为国际5号码;它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准;ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符;ASCII 码的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、运算符号、商用符号等。 参看:p60表3-1 数据与信息的区别：数据:数据是用二进制比特序列表示的文本、数字、语音、图象、图形与视频。信息：是对数据在二进制比特序列所表示意义的解释。多媒体网络应

5、用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；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，将对数据通信系统提出更高的要求。 2.信号的概念 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的；数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；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种。 模拟信号波型数字信号波型3.2.2 数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程

6、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：通信信道所允许传输的信号类型模拟通信数字通信数据通信方式串行通信、并行通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式同步通信异步通信串行通信与并行通信 单工、半双工与全双工通信 同步通信与异步通信3.2.3 传输介质的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道1. 双绞线的主要特性 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线UTP双绞线：电话线2. 同轴电缆的主要特性同轴电缆：有线电视线同轴电缆和计算机连接3 光纤（光纤通讯一定是单向通讯，否则会有损失）光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 1

7、00 mm。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角(如图3-10)。光纤电缆的主要特性光纤通信系统的基本构成光源是光波产生的根源光纤是传输光波的导体光发送机的功能是产生光束,将电信号转变成光信号,再将光信号导入光纤光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号,并将它转变成电信号,经解码后再作相应处理光纤光纤是数据传输中最有效的一种传输介质,它有以个优点：频带较宽电磁绝缘性能好衰减较小中继器的间隔较大多模光纤：只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线

8、在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。单模光纤与多模光纤的比较 常见光纤接头4. 无线与卫星通信技术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；以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。目前以无线方式进行通信的主要有：无线（radio）；微波（microwave）；红外（infrared）；可见光（visible light）。 无线通信无线电波：传输数据速度为2-6Mbps，适用于短距离微波：地面微波的速度为4-6GHz，卫星微波为11

9、-14GHz红外线：一个方向16Mbps，多个方向不超过1Mbps （1）微波通信 视距传播电离层反射（2） 蜂窝无线通信 伪继站不能打电话多址接入方法：频分多址接入（FDMA）时分多址接入（TDMA）码分多址接入（CDMA） （3）卫星通信 3.3 数据编码技术3.3.1 数据编码类型3.3.2 模拟数据编码方法 传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适用于传输音频范围（300Hz3400Hz）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号；为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制，

10、将调制设备称为调制器（modulator）；将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调，将解调设备称为解调器（demodulator）；同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器（modem）。在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：u（t）= umsin（t+0）3个可以改变的电参量： 振 幅 um 角频率 相 位 可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。 1. 振幅键控（amplitude shift keying , ASK） 振幅键控ASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。 2.移频键控（ freque

11、ncy-shift keying ，FSK ） 移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。 3.移相键控（phase-shift keying，PSK） 绝对调相 移相键控可以分为：绝对调相 相对调相 二相调相 多相调相 3.3.3 数字数据编码方法基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率与系统效率;在基带传输数字数据信号的编码方式主要有：非归零码NRZ； 曼彻斯特（manchester）编码；差分曼彻斯特（difference manchester）编码。3.3.4 脉冲编码调制方法 采样采样频

12、率决定不同质量的声音传输至少是最高频率的两倍，否则无法应对突变量化量化的精度越高，精细度多高编码PCM用于数字语音系统：声音分为128个量化级；每个量化级采用7位二进制编码表示；采样速率为8000样本/秒；平均采样数据传输速率应达到7位8000/秒 =56kb/s；如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位8000/秒 = 64kb/s。采样频率最好的是CD， 接近人声3.4 基带传输技术 与宽带向相对应3.4.1 基带传输的定义在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫

13、做基带信号;在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输;在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号;基带传输是一种最基本的数据传输方式。 3.4.2 通信信道带宽对基带传输的影响 通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大；信道带宽越宽，信号传输的失真越小。3.4.3 数据传输速率的定义与信道速率的极限数据传输速率的定义：数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一；数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做b/s；常用的数据传输速

14、率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s，其中：1Kb/s = 1103 b/s1Mb/s = 1106 b/s1Gb/s = 1109 b/s1Tb/s = 11012 b/s信道速率的极限值奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率 Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz）的关系为Rmax=2f（b/s）。香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N的关系为Rmax = Blog2（1+S/N）S/N为信噪比。3.5 频带传输技术3.5.1 电话交换网的结构3.5.2 频带传输的定义 利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传

15、输；调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备；调制解调器的作用是：在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。 3.5.3 调制解调器的基本工作原理 modem实现全双工通信的工作原理3.6 多路复用技术多路复用的基本概念3.6.1 多路复用技术的分类频分多路复用FDM波分多路复用WDM时分多路复用TDM3.6.2 频分多路复用收音机在一条通信线路设计多路通信信道;每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。 3.6.3 波分多路复用 光纤

16、通道（fiber optic channel）技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM;在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM； 目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s 。3.6.4 时分多路复用 时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；每个用户分得一个时间片；在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。 贝尔系统的T1载波24路音频信道复用在一条通信线路上；每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器；编码器每秒取样8000次；24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；每个字节的长度为8位，其中

17、7位是数据位，1位用于信道控制；每帧由248=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有193位；发送一帧需要125毫秒；T1载波的数据传输速率为1.544Mb/s。 时分多路复用的分类 同步时分多路复用 统计时分多路复用 3.7 广域网中的数据交换技术广域网中的数据交换技术线路交换（circuit exchanging）存储转发（store-and-forward exchanging）交换存储转发交换技术报文（message exchanging ）报文分组交换（packet exchanging ）3.7.1 线路交换方式线路交换是面向连接的服务；两台计算机通过通信子网进行数据

18、交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段；线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会话类通信；线路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。 线路交换过程示意图3.7.2 存储转发交换方式存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。 存储转发方式的优点由于通信子网中的通信

19、控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；可以平滑通信量，提高系统效率；分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。 报文与报文分组数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（packet）两种方式；报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规

20、定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。报文和报文分组结构 由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用的是分组交换技术。一旦分组一定存储，可以进行敏感词检测，触发后可以进行录音。网络电话可以存储的，电信局也是可以存储的3.7.3 数据报方式 数据报是分组存储转发的一种形式；在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。数据报方式的工作原

21、理示意图 数据报工作方式的特点同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。不是不能做，是不太好3.7.4 虚电路方式 虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果;数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路;虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三

22、个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。 虚电路方式原理示意图虚电路的特点在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择；通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。 虚电路方式与线路交换方式的不同之处虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接，称为“虚电路”是因为这种电路不是专用的。每个

23、结点到其他结点间可能有无数条虚电路存在；一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路；每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。 讨论题传统广域网使用的交换技术主要有哪些？不同的交换技术适用的场合有何不同？不同交换方式适用的场合线路交换:高负荷持续通信,会话式通信、语音、图象通信；不适合突发性通信。报文交换：适合长报文、无实时要求的通信，不适合会话式通信。数据报：适合灵活的突发性短报文传输，不适合会话式和有实时性要求的通信。虚电路：适合于定时、定对象、长报文通信，也适合会话式通信、语音、图象通信局域网一般不采

24、用报文分组和存储转发技术，为什么？常用的广域网接入技术X.25分组交换网帧中继ISDNADSLATMX.25分组交换网1、X.25是一个对公用分组交换网接口的规约，是面向连接的虚电路服务为基础。X.25规定了DTE（Data Terminal Equipmental )与DCE(Data circuit-terminal equipment)接口的标准。将X.25建议所规定的DTE与DCE接口标准的公用分组交换网叫做X.25网。传输速率较低64Kb/s。帧中继FR帧中继概述帧中继(Frame Relay,FR)技术是一种支持高速交换的网络体系结构的技术。带宽达2Mb /S帧中继减少结点处理时间

25、。只要查出帧的目的地址就开始转发该帧。帧中继仅完成OSI物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、纠错等留给智能终端去完成，大大简化了节点机之间协议，参考 图6-11、图6-12 。出现差错即终止并丢弃传输的帧。帧中继采用虚电路技术，能充分利用网络资源，因而帧中继具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等特点。帧中继特点：载送呼叫控制信令的是在与用户分开的逻辑连接上，中间结点不需维持有关呼叫控制的状态表。逻辑连接的复用发生在第二层。结点间无需差错控制和流量控制，由高层端到端控制。帧中继技术适用于以下三种情况带宽要求为64kbit/s2Mbit/s，而参与通信的各方多于两个的时候。通信距离较长时。当数

26、据业务量为突发性时，由于帧中继具有动态分配带宽的功能，选用帧中继可以有效地处理突发性数据。帧中继面向连接服务：交换虚电路(SVC)永久虚电路 (PVC)帧中继网络虚电路服务过程综合业务数字网ISDNISDN最基本的概念就是在用户和ISDN之间的连线相当于一个数字比特管道。管道中的双向比特流可来自数字电话机或数字传真机等其他终端。这种数字比特管道用时分复用方式可支持多个独立通路 (channel)。ISDN定义了一些标准化的通路，都各用一个英文字母表示。其中最常见的是B通路(64 kbit/s的数字PCM话音或数据通路)和D通路(16k bit/s或64 kbit/s用作带外信令的数字通路)。2

27、B+1D宽带综合业务数字网B-ISDN宽带综合业务数字网B-ISDN也是企图将各种业务，如话音、数据、图像以及活动图像都综合在一个网络中传送和交换。B-ISDN与N-ISDN相比，具有以下的一些重大区别：（1）N-ISDN使用的是电路交换，它只是在传送信令的D通路使用分组交换。B-ISDN则使用一种快速分组交换，称为异步传递方式ATM。（2）N-ISDN是以目前正在使用的电话网为基础，其用户环路采用双绞线(铜线)。但在B-ISDN中，其用户环路和干线都采用光缆(但短距离也可使用双绞线)。（3）N-ISDN各通路的比特率是预先设置的。（4）N-ISDN无法传送高速图像，但B-ISDN可以传送。x

28、DSL技术xDSL 概述xDSL是DSL(Digital Subscriber Line)的统称,意即数字用户线路,是以铜电话线为传输介质的点对点传输技术。DSL技术在传统的电话网络(POTS)的用户环路上支持对称和非对称传输模式.1989年有人提出：用普通的电话双绞线传输视频信号、图象以及高清晰度的画面等信息，这些信息需要每秒上兆位的数据传输率。不对称传输:客户服务器结构是客户机从服务器上大量读取信息而相对较少向服务器传送数据的模式，设想以不对称的形式传送信息，下行速率设计为1.5Mbps，上行速率为16kbps或64kbps。下行信道的速率从1.5Mbps上升到了8Mbps，上行信道的速率

29、也升到了640kbps。 xDSL技术原理DSL技术是利用在电话系统中没有被利用的高频信号传输数据，利用了更加先进的调制技术:DMT-将高频段划分为多个频率窗口,每个频率窗口分别调制一路信道, DMT已成为ANSI制订的ADSL应用的调制标准-T1.413。而ADSL采用DMT（离散多音频）技术，将原先电话线路0Hz到1.1MHz频段划分成256个频宽为4.3kHz的子频带。4kHz以下频段仍用于传送传统电话业务；20kHz到138kHz的频段用来传送上行信号；138kHz到1.1MHz的频段用来传送下行信号。xDSL技术分类xDSL中,x代表着不同种类的数字用户线路技术。不同之处,主要表现在

30、信号的传输速率和距离,还有对称和非对称的区别上。对称DSL技术1) HDSL-High-bit-rate DSL(高比特率DSL)HDSL是xDSL技术中最成熟的一种,已经得到了较为广泛的应用。其特点是: 利用两对双绞线传输; 支持N64kbps各种速率,最高可达E1速率;HDSL是T1/E1的一种替代技术,主要用于数字交换机的连接、高带宽视频会议、远程教学、蜂窝电话基站连接、专用网络建立等。 2） SDSL-Single-line DSL，这是HDSL的单线版本，它可以提供双向高速可变比特率连接,速率范围从160Kbps到2.084Mbps。 利用单对双绞线;支持多种速率到T1/E1;用户可

31、根据数据流量,选择最经济合适的速率,最高可达E1速率,比用HDSL节省一对铜线;在0.4mm双绞线上的最大传输距离为3公里以上。 3） IDSL(ISDN数字用户线) 通过在用户端使用ISDN终端适配器和在双绞线的另一端使用与ISDN兼容的接口卡,这种技术可以提供128Kbps的服务。2） VDSL-Very High Data Rate DSL(甚高速数字用户线) 在用户回路长度小于5000英尺的情况下,可以提供的速率高达13Mbps甚至还可能更高,这种技术可作为光纤到路边网络结构的一部分。此技术可在较短的距离上提供极高的传输速率,但应用还不是很多。3.7.5 ATM交换方式ATM (Asy

32、nchronous Transfer Mode) 建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术，它采用定长分组，能够较好地对宽带信息进行交换。ATM特点：采用小的、固定长度53字节的信元作为数据传输单元；能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信；ATM以统计时分多路复用方式动态分配网络带宽，网络传输延时小，适应实时通信的要求；ATM没有链路级纠错与流量控制，协议简单，数据交换效率高；ATM采用两级虚电路机制，增加了虚电路分配的灵活性；ATM的数据传输速率可以在155Mb/s2.4Gb/s。 ATM信元结构ATM是一种高速分组交换技术，交换的基本数据传输单元是信元；在ATM交换方式中，文本、语音、视频等所数据将被分解为长度固定的信元（Cell）；信元有一个5字节的信元头（header）与一个48字节的用户数据（user data），信元长度为53字节。 物理链路（Physical Link）虚通路（VP，Virtual Path）虚通道（VC，Virtual Channel） 虚通路连接与虚通道连接 支持远程教学的ATM网用于多媒体传输的虚通道 3.8 同步数字体系SDH（自学） 3.8.1 SDH发展的背景 早期的数字传输系统与设备在运行过程