第2章物理层(1)

1、1第第2章章 物理层物理层 本章讲述的主要内容：本章讲述的主要内容： 一一.物理层的基本概念物理层的基本概念 二二.物理层的特性物理层的特性 三三.物理层标准物理层标准2一一.物理层的基本概念物理层的基本概念31.物理层的目的物理层的目的 物理层的目的是在两个网络物理设备之间提供透明物理层的目的是在两个网络物理设备之间提供透明的二进制位流传输。的二进制位流传输。2.物理层作用物理层作用 物理层向数据链路层提供服务。计算机网络中的物物理层向数据链路层提供服务。计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正

2、是要尽可能地屏蔽掉这些多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使数据链路层感觉不到这些差异，而只需考虑如差异，使数据链路层感觉不到这些差异，而只需考虑如何完成本层的协议和服务。何完成本层的协议和服务。 4二二.物理层的特性物理层的特性 为了使为了使DTE（数据终端设备）和（数据终端设备）和DCE（数据端接（数据端接设备）之间相互协调、相互理解，必须规定它们之间设备）之间相互协调、相互理解，必须规定它们之间的接口标准（即：物理层协议）。物理层接口协议实的接口标准（即：物理层协议）。物理层接口协议实际上是际上是DTE和和DCE或其它通信设备之间的一组约定，或其它通信设备之间的一组约定

3、，主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题。主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题。 协议规定了标准接口的四个特性：机械特性、电协议规定了标准接口的四个特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。这样做的主要目的，气特性、功能特性和规程特性。这样做的主要目的，是为了便于不同的制造厂家能够根据公认的标准各自是为了便于不同的制造厂家能够根据公认的标准各自独立地制造设备。使各个厂家的产品都能够相互兼容。独立地制造设备。使各个厂家的产品都能够相互兼容。 5 机械特性规定了物理连接时对插头和插座的几何机械特性规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插空芯数及其排列方式、锁定装置的形尺寸、插针或

4、插空芯数及其排列方式、锁定装置的形式。式。6 电气特性的规定包括接收器和发送器电路特性的电气特性的规定包括接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电说明、表示信号状态的电压压/电流电平的识别、最大数电流电平的识别、最大数据率的说明、以及与互联电缆相关的规则。据率的说明、以及与互联电缆相关的规则。 DTEDTE与与DCEDCE接口的各根导线（也称电路）的电气连接口的各根导线（也称电路）的电气连接方式有非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式接方式有非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种。和平衡方式三种。 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-7例例1如何

5、区分不同的连接类型的接口如何区分不同的连接类型的接口AUI 连接器是连接器是DB15ISO 8877 (RJ-45) 连接器和插孔比电话连接连接器和插孔比电话连接器器RJ-11和插孔略大和插孔略大光纤连接器接口光纤连接器接口 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-8Unshielded Twisted Paired(UTP)RJ-45 连接器连接器188线对线对4 R41234567线对线对T 代表发送代表发送R 代表接收代表接收线对线对2 T2线对线对2 R2线对线对3 T3线对线对1 R1线对线对1 T1线对线对3 R3线对线对4 T4针针 例例2以太网以太网EI

6、A/568-B端接标准端接标准 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-9(1)UTP实现直连线实现直连线两端的线序相同两端的线序相同针针 线线1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC直连直连10BaseT/100BaseT针针 线线1TD+2TD-3RD+4NC5NC6RD-7NC8NC服务器服务器/路由器路由器8 1棕棕白白蓝蓝白白棕棕蓝蓝绿绿绿绿白白橙橙橙橙白白18直连线直连线81集线器集线器/交换机交换机8 1棕棕白白蓝蓝白白棕棕蓝蓝绿绿绿绿白白橙橙橙橙白白 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-10(2)UTP实现交叉

7、线实现交叉线部分线序交叉部分线序交叉8 1交叉连接交叉连接10BaseT/100BaseT针针 线线1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC针针 线线1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC交叉线交叉线181881集线器集线器/交换机交换机集线器集线器/交换机交换机棕棕白白棕棕蓝蓝绿绿绿绿白白橙橙白白蓝蓝白白橙橙棕棕白白橙橙白白蓝蓝白白棕棕绿绿橙橙绿绿白白蓝蓝 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-11(3)反转线反转线(console线线)用于将计算机连接到交换机或路由器的控制端用于将计算机连接到交换机或路由器的控制端(console

8、口口) 此时计算机所起的作用相当于交此时计算机所起的作用相当于交换机或路由器超级终端换机或路由器超级终端. 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-12UTP直连线与交叉线对比直连线与交叉线对比两个端口均标有或均没标有两个端口均标有或均没标有“X”时用交叉线时用交叉线. 有且仅有一个端口标记有有且仅有一个端口标记有“ X”时使用直连线时使用直连线.1x 2x 3x 4x 1x 2x 3x 4x 1x 2x 3x 4x 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-13(4)连接典型网连接典型网 决定使用决定使用10mb或或100mb的物理介质的物理介质

9、指明需要使用什么线类指明需要使用什么线类 确认面板上的端口，查看是否标记确认面板上的端口，查看是否标记“ X”指明需要使用交叉线或直连线指明需要使用交叉线或直连线100 Mbps5类交叉线类交叉线10 Mbps3, 4, 5类交叉线类交叉线100 Mbps 5类直连线类直连线10 Mbps3, 4, 5类直连线类直连线10 Mbps3, 4, 5类直连线类直连线14 3)平衡方式。采用集成集成电路技术设计的平衡接平衡方式。采用集成集成电路技术设计的平衡接口，使用平衡式发送器和差动式接收器，每个电路采用口，使用平衡式发送器和差动式接收器，每个电路采用两根导线，构成各自完全独立的信号回路，使得串扰

10、信两根导线，构成各自完全独立的信号回路，使得串扰信号减至最小。这种方式的信号速率号减至最小。这种方式的信号速率=10Mbps，传输距，传输距离为离为10m（10Mbps时）时）-1000m(=100kbps时）。时）。CCITT V.11/X.27建议采用这种电气连接方式，建议采用这种电气连接方式，EAI RS-423标准与之兼容。标准与之兼容。 功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口上信号线一般可分为数据信号线、和确切定义。物理接口上信号线一般可分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线。控制信号线、定时信号线和接地线

11、。 规程特性定义了利用信号线进行二进制位流传输的规程特性定义了利用信号线进行二进制位流传输的一组操作过程，即各信号线的工作的规定和先后顺序。一组操作过程，即各信号线的工作的规定和先后顺序。15三三.物理层标准物理层标准 物理层协议有：物理层协议有：EIA RS-232-E、EIA RS-449、X21等等1V24/EIA-232-E（RS-2332-C） EIA1962年（最早）制订的物理层的标准是年（最早）制订的物理层的标准是RS-232，1969年修订为年修订为RS-232-C。1987年修订为年修订为EIA-232-D，1991年修订为年修订为EIA-232-E。用于电话线路。用于电话线

12、路。 EIA-232是是DTE与与DCE之间的接口标准。之间的接口标准。 （1） 机械规范说明：机械规范说明： ISO2110。25针接插件。针接插件。16 （2） 电气规范说明：采用非平衡型的电气特性。相对公用电气规范说明：采用非平衡型的电气特性。相对公用接地而言，接地而言，-3伏以下的电压解释为二进制伏以下的电压解释为二进制“1”，+3伏以上的电伏以上的电压解释为二进制压解释为二进制“0”。即采用负逻辑。其传输速率不能超过。即采用负逻辑。其传输速率不能超过20Kb/s,电缆长度最长不能超过电缆长度最长不能超过15米。（和米。（和CCITTV.28建议相兼建议相兼容）容） 17 控制和时序控

13、制和时序18（4） 过程过程规范规范说明说明19（3） 功能规范说明：功能规范说明：(和和CCITT V.24建议兼容）建议兼容） 20步骤步骤1 1：显示传输之前接口的准备工作。：显示传输之前接口的准备工作。 两个接地线，两个接地线，1 1脚和脚和7 7脚，在计算机调制解调器对之间发送和脚，在计算机调制解调器对之间发送和接收数据时都是被激活的。接收数据时都是被激活的。步骤步骤2 2：保证所有四个设备都已就绪，可以传输。：保证所有四个设备都已就绪，可以传输。 首先发送方的首先发送方的DTEDTE设备激活自己的设备激活自己的2020脚将一个脚将一个DTEDTE设备就绪信号设备就绪信号发送给它连接

14、的发送给它连接的DCEDCE设备。设备。DCEDCE设备通过将设备通过将6 6脚激活通知脚激活通知DTEDTE设备设备DCEDCE设备就绪。在远端，同样的过程被重复。设备就绪。在远端，同样的过程被重复。步骤步骤3 3：在发送和接收调制解调器之间建立物理连接。：在发送和接收调制解调器之间建立物理连接。 这一步可以视为传输过程的启动。这是涉及到网络的第一步。这一步可以视为传输过程的启动。这是涉及到网络的第一步。首先发送端首先发送端DTEDTE设备激活设备激活4 4脚并向它的脚并向它的DCEDCE设备发送一个发送请求。设备发送一个发送请求。这个这个DCEDCE设备向远端处于空闲态的接收方调制解调器发

15、送一个载波设备向远端处于空闲态的接收方调制解调器发送一个载波信号。当接收方调制解调器检测到这个载波信号后，它激活针脚信号。当接收方调制解调器检测到这个载波信号后，它激活针脚8(8(接收线路信号检测接收线路信号检测) )通知与它相连的计算机一次传输即将开始。通知与它相连的计算机一次传输即将开始。发送载波信号后，发送方发送载波信号后，发送方DCEDCE设备激活针脚设备激活针脚5 5向它的向它的DTEDTE设设备发送备发送21一个清除发送消息（表示一个清除发送消息（表示DCEDCE已准备好接收已准备好接收DTEDTE来的数据）。远端计来的数据）。远端计算机与调制解调器也完成同样的过程算机与调制解调器

16、也完成同样的过程。步骤步骤4 4：是数据传输过程。：是数据传输过程。 起始方计算机将数据流连同时钟信号分别通过起始方计算机将数据流连同时钟信号分别通过2 2号线和号线和2424号线号线同时传送到调制解调器。调制解调器将数据转换成模拟信号并通过同时传送到调制解调器。调制解调器将数据转换成模拟信号并通过网络发送出去。响应方调制解调器接收模拟信号，将它还原为数字网络发送出去。响应方调制解调器接收模拟信号，将它还原为数字数据并连同时钟脉冲一起分别通过数据并连同时钟脉冲一起分别通过3 3号线和号线和2424号线传送给相连的计号线传送给相连的计算机。响应方调制解调器将回应数据转换成模拟信号，然后加载到算机

17、。响应方调制解调器将回应数据转换成模拟信号，然后加载到自己的载波信号上通过网络发送出去。起始方调制解调器接收信号，自己的载波信号上通过网络发送出去。起始方调制解调器接收信号，将它还原成数据，并连同时钟信号分别通过将它还原成数据，并连同时钟信号分别通过3 3号线和号线和1717号线传送给号线传送给计算机。计算机。步骤步骤5 5：断开连接。：断开连接。 当双方都完成传输时，两边的计算机都撤消它们的请求发送信当双方都完成传输时，两边的计算机都撤消它们的请求发送信号，调制解调器关闭载波信号接收线路信号检测（再没有信号需要号，调制解调器关闭载波信号接收线路信号检测（再没有信号需要检测的了）以及它们的清除

18、发送信号。检测的了）以及它们的清除发送信号。22主要管脚主要管脚空调制解调器空调制解调器232.RS-422、RS-423和和RS-449 由于由于RS232C标准信号速率低标准信号速率低(20Kbps)、传输距离短、传输距离短(15m)、串扰信号较大等缺点。、串扰信号较大等缺点。1977年底，年底，EIA颁布了一个颁布了一个新标准新标准RS449，次年，这个接口标准的两个电气子标准：，次年，这个接口标准的两个电气子标准：RS-423(采用差动接收器的非平衡方式）和采用差动接收器的非平衡方式）和RS422(平衡方式平衡方式)也相继问世。这些标准在保持与也相继问世。这些标准在保持与RS232C兼

19、容的前提下，重兼容的前提下，重新定义了信号电平，并改进了电路方式，以达到较高的传输新定义了信号电平，并改进了电路方式，以达到较高的传输速率和较大的传输距离。速率和较大的传输距离。 1)RS-449的机械特性的机械特性 采用采用37针和针和9针连针连接器（辅助信道）。接器（辅助信道）。242 2）RS-449RS-449的电气特性的电气特性 RS449RS449标标准的准的电电气特性有两个子气特性有两个子标标准，即平衡式准，即平衡式的的RS422RS422标标准和非平衡式的准和非平衡式的RS423RS423标标准。准。 RS422RS422电电气气标标准是平衡方式准是平衡方式标标准，它的准，它的

20、发发送器、送器、接收器分接收器分别别采用平衡采用平衡发发送器和差送器和差动动接收器，由于采用完接收器，由于采用完全独立的双全独立的双线线平衡平衡传输传输，抗串，抗串扰扰能力大大增能力大大增强强。又由于。又由于信号信号电电平定平定义为义为6 6伏的伏的负逻辑负逻辑故当故当传输传输距离距离为为10m10m时时，速率可达，速率可达10Mbps10Mbps；而距离增；而距离增长长至至1000m1000m时时，速率仍，速率仍可达到可达到100Kbps100Kbps，性能，性能远远优远远优于于RS232CRS232C标标准。准。 25 在平衡模式中，两条线路承载相同的传输，但是它们并不传输相同的在平衡模式

21、中，两条线路承载相同的传输，但是它们并不传输相同的信号。在一条线路上的信号是另一条线路上信号的互补值。此时接收方并不信号。在一条线路上的信号是另一条线路上信号的互补值。此时接收方并不监听其中任何一个实际的信号，而是检测两个信号之间的差值。这种机制使监听其中任何一个实际的信号，而是检测两个信号之间的差值。这种机制使得平衡线路具有比非平衡线路更好的抗噪声干扰能力，并提高了性能。得平衡线路具有比非平衡线路更好的抗噪声干扰能力，并提高了性能。 例如，如果在某时刻第一个信号值为例如，如果在某时刻第一个信号值为5 5伏特，第二个信号值将是伏特，第二个信号值将是55伏特。伏特。额外的歧变使第一个信号值变为额

22、外的歧变使第一个信号值变为7 7伏特，第二个信号为伏特，第二个信号为33伏特。此时伏特。此时7-(-3)7-(-3)仍然是仍然是1010伏特。这种特性有助于中和噪声的影响并使得高速的平衡模式传输伏特。这种特性有助于中和噪声的影响并使得高速的平衡模式传输成为可能。成为可能。2627 RS423 RS423电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器( (即非即非平衡发送器平衡发送器) )和差动接收器。虽然发送器与和差动接收器。虽然发送器与RS232CRS232C标准相同，标准相同，但由于接收器采用差动方式，所以传输距离和速率仍比但由于接收器采用差动方式，所以传输距离和速率仍比RSRS232C232C有较大的提高。当传输距离为有较大的提高。当传输距离为10m10m时，速率可达时，速率可达100Kbps100Kbps；距离增至距离增至100m100m时，速率仍有时，速率仍有10Kbps10Kb