计算机网络第二章

1、 201012.1 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.2 物理层的基本概念物理层的基本概念* *2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体 2.3.1 导向传输媒体导向传输媒体 2.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体2.4 信道复用技术信道复用技术2.5 xDSL技术技术2.6 物理层标准举例物理层标准举例 201022.1.1 数据通信模型2.1.2 有关的几个基本概念2.1.3 信道的极限容量 20103输输出出数数据据发发送送信信号号接接收收信信号号源点源点发送器发送器信道信道接收器接收器终点终点输输入入数数据据噪声源噪声源输输入入信信息息输输出出信信息息源系统源系统目的系

2、统目的系统传输传输系统系统(1)(2)(3)调制解调调制解调器器PC 机机公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字比特流数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 输入输入汉字汉字显示显示汉字汉字数据通信系统数据通信系统PC 机机 20104基带信号和基带信号和基带信号基带信号-将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 带通信号带通信号-将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 20105(续1)通信方式：通信方式：根据信号在信道上的传送方向与时间的关系区别。单向通信单向通信(单工通信单工通信) 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交

3、替通信双向交替通信(半双工通信半双工通信) 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信双向同时通信(全双工通信全双工通信)通信的双方可以同时发送和接收信息。 20106(续2)并行与串行并行与串行并行通信并行通信-指将一个字节或一个字的各位同时进行传输的一种通信方式。采用多根数据线并行采用多根数据线并行传输信息传输信息，不要求有固定的格式，通信速度快，传输的信息率高，适合于近距离、高速信息传送。串行通信串行通信-指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传送。使用串口通信时，发送和接收到的每一个字符实际上都是一次一位传送一次一位传送的，每

4、一位为1或者为0。串行通信可以分为同步通信同步通信和异步通信异步通信两类。 20107(续3)同步通信和异步通信同步通信和异步通信同步通信同步通信-是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。异步通信异步通信-有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。数据通常以字符字符或者字节字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。 20108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。限制码元在信道上的

5、传输速率的因素信道能够通过的频率范围信噪比 20109信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围奈奎斯特准则奈奎斯特准则给出了在假定的理想条件下，为避免码间串扰，码元传输速率的上限值。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码间串扰的问题，使接收端不能识别码元。信道的频带越宽，那么就可用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。实际的信道所能传输的最高码元速率最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值。 (续1) 201010(续2)香农香农(Shannon)定理：定理：在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中，计算信道的极限、无差极限、无差错的错的信息传输速率C的理论公式为：

6、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。 201011(续3)香农公式表明香农公式表明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； 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限；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得多。 201012(续4)对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比信噪比不能再提高，并且

7、码元传输速率码元传输速率也达到上限值，那么还要提高信息的传输速率，就需要用编码的方法编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 201013物理层主要任务物理层主要任务：从四个方面对物理设备和媒体之间的接口进行定义。机械特性：机械特性：指明接口部件的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等；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等；功能特性：功能特性：指明某条信号线（数据线、控制线、定时线等）上出现的某一电平的电压表示何种意义；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。物理层协议：也称为通信规程，与具体的物理设备物理设备、传输介质传输介质及通信手

8、段通信手段有关。 201014(续)特点：特点：不是指连接计算机的具体设备，或负责信号传输的具体物理介质；通过规定物理设备和物理介质之间的接口技术，实现物理设备之间的比特流透明传输。物理层服务物理层服务：建立、维持和释放物理连接，并在物理连接上透明传输比特流。 201015传输媒体：传输媒体：指通信传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。导向传输媒体：电磁波沿着某一固定的媒体导向传输；非导向传输媒体：指自由空间，它提供传输电磁波的手段，通常也称为无线传输。 201016双绞线双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded T

9、wisted Pair) u3类、 4类、 5类、5e类、6类UTP 采用双绞线的以太网标准采用双绞线的以太网标准10Base-T双绞线，UTP3，最大长度100米IEEE 803.3u： u100Base-T4，UTP3，4对，最大长度100米u100Base-TX，UTP5，2对，最大长度100米IEEE803.3ab：1000Base-T，UTP5或5e类，4对，25米 201017(续1)同轴电缆：同轴电缆：基带同轴电缆u粗缆：粗缆：标准为10BASE-5，无中继传输距离500米，10Mbps；u细缆：细缆：标准为10BASE-2，无中继传输距离185米，10Mbps。宽带同轴电缆-

10、特征阻抗75 ，传送模拟信号，距离可达100km，是有线电视系统CATV中的标准传输电缆。一条电缆可同时传输不同频率的几路模拟信号。 201018(续2)各种电缆铜线铜线铜线铜线聚氯乙烯聚氯乙烯 套层套层聚氯乙烯聚氯乙烯套层套层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层外导体屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘保护套层绝缘保护套层内导体内导体无无屏蔽双绞线屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP同轴电缆同轴电缆 201019(续3)光缆光缆-通信应用极为广泛，如市话中继、干线通信、电视传输、专用系统通信等领域，特别适合远距离干线通信。光纤的工作原理光纤的工作原理-光线在纤芯中传输的方式是不断光线

11、在纤芯中传输的方式是不断地全反射地全反射高折射率高折射率( (纤芯纤芯) )低折射率低折射率( (包层包层) ) 201020非导向传输媒体以自由空间为传输电磁波的手段，常称为无线传输无线传输，所用的工作频段很广(如图2-3所示)。目前，可用于通信的频段是：无线电波、微波、红外线及可见光几个频段；微波微波在空间主要是直线传播在数据通信中有重要地位。 地面微波接力通信卫星通信 201021两个地面站之间传送两个地面站之间传送距离：距离：50 -100 201022使用微波使用微波使用转发器接收和转发使用转发器接收和转发C波段波段 4/6 GHz 上行上行 5.925 - 6.425 GHz 下行

12、下行 3.7 - 4.2 GHz KU波段波段 11/14 GHz 上行上行 14 - 14.5 GHz 下行下行 11.7 - 13.1 GHzKa波段波段 20/30GHz 上行上行 27.5-30.5 下行下行 17.7- 201023与地面站相对位置固定与地面站相对位置固定使用使用3个卫星覆盖全球个卫星覆盖全球 201024信道复用技术信道复用技术(multiplexing)：是一种将若干彼此无关的信号合并成一路复合信号，并在一条公共的信道上传输，到达接收端后再进行分离的技术；包括信号复合信号复合、传输传输和分离分离等3方面的内容。频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用、时分复用和统

13、计时分复用 频分复用：频分复用：所有用户在同一时间占用不同的带宽资源。时分复用：时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。 201025(续1)按频率划分不同的子信道供用户同时使用用户分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频率频率时间时间频分复用频分复用 201026(续2)将时间划分为一段段等长的时分复用帧时分复用帧，每一个用户所占用的时隙是周期性地出现。周期性地出现。每个时分复用用户在每个TDM帧中占用固定序号固定序号的时隙。故可能会造成线路资源的浪费故可能会造成线路资源的浪费。时间BBBBCCCCDDDDAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TD

14、M 帧TDM 帧TDM 帧在 TDM 帧中的位置不变在 TDM 帧中的位置不变在 TDM 帧中的位置不变 201027(续3)波分复用 WDM：就是光的频分复用。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器 201028xDSL

15、技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。xDSL 技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用留给用户上网使用。x DSL前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。xDSL 的几种类型(P57) 201029ADSL 的极限传输距离ADSL 的极限传输距离与数据率数据率以及用户线的线用户线的线径径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。ADSL 的特点上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到 ISP，而

16、下行指从 ISP 到用户。ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。 201030DMT 技术：采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道个子信道用于上行信道，而249个子信道个子信道用于下行信道。每个子信道占据 4 kHz 带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行并行地地传送数据。 201031DM

17、T 技术的频谱分布频谱频谱频率频率上行信道上行信道(25个个)传统电话传统电话04下行信道下行信道(249个个)(kHz) 201032ADSL 的数据率ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL 不能保证固定的数据率。通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。 201033ADSL 的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线 电话分离器 区域

18、宽带网区域宽带网至 ISP居民家庭基于 ADSL 的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接单元接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端代表远端 Remote） 电话分离器电话分离器 PS (POTS Splitter) 201034第二代 ADSLADSL2(G.992.3 和 G.992.4)、ADSL2+(G.992.5)ADSL2 要求至少应支持下行

19、8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 下行速率可达 16 Mb/s (最大传输速率可达25 Mb/s)，而上行速率可达 800 kb/s。采用无缝速率自适应技术无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。 201035DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施EIA-232/ V.24接口EIA-232/ V.24接口 201036(续1)EIA-232标准标准：是DTE和DCE之间的

20、接口标准：使用25引脚的DB-25插头座，即ISO 2110关于插座的标准。 201037(续2)电气特性电气特性：与V.28建议书一致，采用负逻辑表示；连接线缆=15m时，最大数据传输率为20kb/s；功能特性功能特性：与V.24建议书一致，规定电路与引脚的连接及其作用；u如：地(信号地、保护地)、数据(发送、接收)、控制(RTS、CTS、DCR、DTR等)、定时(发送定时、接收定时)uDB-25中最简单的具有双向握手功能的9条信号线(见下页)，并制成9芯插头。规程特性规程特性：规定了在DTE和DCE之间所发生事件的合法顺序(如DTE-A向DTE-B发送数据的6个主要步骤)，与CCITT的V.24建议书一致。缺点缺点：最大数据传输率20kb/s，连接线缆最长15m。 201038(续3)EIA-232/V.24的信号定义，其余引脚保留未用的信号定义，其余引脚保留未用(1) 保护地保护地(2) 发送数据发送数据(3) 接收数据接收数据(4) 请求发送请求发送(5) 允许发送允许发送(6) DCE 就绪就绪(7) 信号地信号地(8) 载波检测载波检测(20) DTE 就绪就绪(22) 振铃指示振铃指示DTEDCE计算机计算机或或终端终端调制解调器调制解调器 201039(续4)