计算机网络第6章数据通信与物理层协议

1、第第6章章 数据通信数据通信与物理层协议与物理层协议v 物理层协议主要功能物理层协议主要功能v 信息、数据、信号之间关系信息、数据、信号之间关系v 传输介质类型及主要特征传输介质类型及主要特征v 数据编码的类型和基本方法数据编码的类型和基本方法v 数据通信速率和带宽的定义数据通信速率和带宽的定义v 数据传输技术、多路复用技术基本概念数据传输技术、多路复用技术基本概念6.1 物理层的基本概念物理层的基本概念6.1.1 物理层的主要服务功能物理层的主要服务功能v 处于网络体系结构最底层，向数据链路层提供比特流传输服务v 数据链路通过物理层接口传送比特流数据v 将比特流进行编码，信号通过传输介质传输

2、给下一个结点物理层物理层主要功能：物理层主要功能：v 物理连接建立v 维护与释放v 比特流传输6.1.2物理层协议的类型物理层协议的类型1点点-点通信线路物理层协议点通信线路物理层协议v 为建立、维护、释放数据链路之间比特传输的物理连接（机械、电气、功能、规程）v EIA-232-C标准规定了计算机串行通信接口与调制解调器之间物理接口（机械、电气、功能、规程）具体参数与工作流程v 家庭接入通过ADSL物理层协议（上行/下行传输速率标准、传输信号编码格式、电平、同步方式、连接接口等内容）v 线缆调制解调器（有线电视线缆接入）物理层标准有：“线缆数据业务接口规范DOCSIS”、IEEE802.14

3、物理层标准6.1.2物理层协议的类型物理层协议的类型2广播通信线路物理层协议广播通信线路物理层协议v 广播通信线路：有线、无线v 有线传输介质（以太网802.3协议）包括多个物理层协议v 无线局域网（IEEE802.11）物理层标准：跳频扩频、直接序列扩频v 无线个人区域网（IEEE802.15.4）物理层标准：无 线信道频段、调制方式、信号编码方式、发射与接收功率、同步方式 6.3 数据编码技术数据编码技术6.3.1 数据编码类型数据编码类型数据与数据编码关系6.3.2 模拟数据编码方法模拟数据编码方法v 移幅键控ASKv 移频键控FSKv 移相键控PSKl 绝对调相l 相对调相l 多相调制

4、模拟数据信号编码方法6.3.3 数字数据编码方法数字数据编码方法数字编码方法6.3.4 脉冲编码调制方法脉冲编码调制方法PCM的工作原理6.3.4 脉冲编码调制方法脉冲编码调制方法采样采样、量化、编码、量化、编码6.4 数据通信系统结构与通信方式数据通信系统结构与通信方式6.4.1 数据通信系统结构数据通信系统结构数据通信系统基本结构6.4.2 数据通信方式数据通信方式1串行通信与并行通信串行通信与并行通信v 串行通信：收发双方建立一条信道v 并行通信：收发双方建立多条信道串行通信与并行通信6.4.2 数据通信方式数据通信方式2单单工工、半双工、半双工、全双工通信全双工通信6.4.2 数据通信

5、方式数据通信方式3同步同步传输、异步传输传输、异步传输同步传输工作原理 异步传输工作原理6.5 传输介质传输介质6.5.1 双绞线的主要特性双绞线的主要特性6.5.2 同轴电缆的主要特性同轴电缆的主要特性v 基带同轴：仅用于数字信号传输v 宽带同轴：用于数字信号和模拟信号传输（频分多路复用）6.5.3 光纤电缆的主要特性光纤电缆的主要特性光纤结构与传输原理光纤传输系统结构6.5.4 无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术1电磁波谱与移动通信电磁波谱与移动通信6.5.4 无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术2无线通信无线通信频段划分频段划分频率范围频率范围低频（LF）30300kHz中频（MF）3

6、00kHz3MHz高频（HF）330MHz甚高频（UHF）30300MHz特高频（VHF）300MHz3GHz超高频（SHF）3-30GHz极高频（EHF）30GHz6.5.4 无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术3微波通信微波通信高频无线电波的传播路径6.5.4 无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术4蜂窝无线通信蜂窝无线通信v 第一代移动通信（模拟方式），语音信息以模拟信号传输v 第二代移动通信2G（数字方式），GSM、TDMA等数字制式，手机接入互联网v 第三代移动通信3G，实现互联网无缝漫游，处理音乐、图像、视频、网页浏览，电子商务活v 第四代移动通信4G，高速上网，已经商用6.5.4

7、无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术5卫星通信卫星通信卫星通信的工作原理6.6 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与信道速率的极限6.6.1 数据传输速率的定义数据传输速率的定义v 数据传输速率：S=1/T（T 发送每个比特所需时间），网络系统重要标志v 每秒传输数据代码比特数（bit/s，bps）注意几点：注意几点：v 指结点向传输介质发送数据速率，即为发送速率v 计算速率使用十进制，1kbps = 1000bps 1024bps（存储计算用二进制）v 比特率B（波特）：用于模拟信号传输（每秒载波调制变化数，1/s）数据传输速率S（bps）、波特率B（baud）关系S =

8、Blog2 k6.6.1 数据传输速率的定义数据传输速率的定义波特率（baud）多相调制的相数数据传输速率（bps）1200二相调制（k=2）12001200四相调制（k=4）24001200八相调制（k=8）36001200十六相调制（k=16）4800第第9章章 物理层与物理层协议物理层与物理层协议6.6.2 信道带宽与香农定理信道带宽与香农定理香农定理：香农定理：在有随机热噪声信道中传输数据信号，传输速率Rmax为：Rmax=Blog2(1+S/N)（bps）B：信道带宽（Hz）、S/N：信噪比v 香农定理给出有限带宽、有热噪声信道的最大传输速率极限值v 最大传输速率与带宽之间存在明确关

9、系，可以用“带宽”表示“传输速率”6.7 多路复用技术多路复用技术6.7.1 多路复用的基本概念多路复用的基本概念1多路复用与通信信道多路复用与通信信道多路复用系统的结构与功能6.7.1 多路复用的基本概念多路复用的基本概念2多路复用技术多路复用技术1）频分多路复用FDM：设置互不重叠多个频率信道，传输多路信号2）波分多路复用WDM：光纤上复用多路光载波信号（光频分复用）3）时分多路复用TDM：为多个信道分配互不重叠时间片，传输多路信号4）码分多路复用CDM：3G手机移动通信共享信道方法（CDMA）5）正交频分多路复用OFDM：一种特殊的多载波传输技术6.7.2 时分多路复用时分多路复用1时分

10、多路复用的分类时分多路复用的分类v 同步时分多路复用将时间片预先分配给各个信道，时间片固定不变，各个信道发送和接收必须同步v 统计时分多路复用异步时分多路复用，允许动态地分配时间片6.7.2 时分多路复用时分多路复用 同步时分同步时分6.7.3 频分多路复用频分多路复用v 在一条通信线路上设置多个信道v 每个信道中心频率不同，各信道频率范围互不重叠v 一条通信线路可以同时传输多路信号6.7.4 波分多路复用波分多路复用v 一根光纤上复用多路光载波信号（光的频分多路复用）v 共享光纤远距离传输10.2 无线局域网与无线局域网与802.11协议协议10.2.1 无线局域网无线局域网概述概述一、一、

11、无线局域网无线局域网定义定义 计算机网络与无线通信技术相结合的产物，指采用无线传输介质的计计算机网络与无线通信技术相结合的产物，指采用无线传输介质的计算机局域网。算机局域网。 利用无线电和红外线等无线方式，提供对等或点对点连通性的数据通利用无线电和红外线等无线方式，提供对等或点对点连通性的数据通信信 利用无线多址信道和带宽调制技术提供统一的物理层平台，以支持节利用无线多址信道和带宽调制技术提供统一的物理层平台，以支持节点间的数据通信，为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供可能点间的数据通信，为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供可能10.2 无线局域网与无线局域网与802.11协议协议10.2

12、.1 无线局域网无线局域网概述概述一、一、无线局域网无线局域网定义定义10.2.1 无线局域网无线局域网概述概述二、无线局域网的特点二、无线局域网的特点（1）移动性。网络和主机迁移方便，通信范围不再受线路环境的限制，扩大了覆盖范围，为便携式设备提供有效的网络接入功能，用户可随时随地获取信息。（2）灵活性。安装简单，组网灵活，可将网络延伸到线缆无法连接的地方（3）可伸缩性。添加接入点AP，或扩展点EP可扩展组网。（4）经济性。可用于难以物理布线的环境，节省线缆、快速组网，可低成本快速组建临时性网络。10.2.1 无线局域网无线局域网概述概述三三、无线局域网、无线局域网分类分类10.2.1 无线局

13、域网无线局域网概述概述四四、无线局域网、无线局域网应用应用（1）作为传统的局域网的扩充（2）建筑物之间的互联（3）漫游访问10.2.2无线局域网层次结构与组成无线局域网层次结构与组成一、无线局域网的组成一、无线局域网的组成1. 站点 通常包括终端用户设备、无线网络接口、网络软件三部分 站点之间的通信距离由于天线辐射能力有限和应用环境不同而受到限制2. 无线介质 站点与AP间通信的传输介质，由物理层标准定义3. 无线接入点 移动通信网络的基站BS，固定不动。具有无线网络接口的网络设备4分布式系统将多个BS通过DS连接，形成一个扩展服务区ESA10.2.2无线局域网层次结构与组成无线局域网层次结构

14、与组成二二、无线局域网、无线局域网拓扑结构拓扑结构1. 分布对等式拓扑分布对等式拓扑10.2.2无线局域网层次结构与组成无线局域网层次结构与组成二二、无线局域网、无线局域网拓扑结构拓扑结构2.基础架构集中式拓扑基础架构集中式拓扑10.2.2无线局域网层次结构与组成无线局域网层次结构与组成二二、无线局域网、无线局域网拓扑结构拓扑结构3. ESS网络拓扑网络拓扑 多个BSA通过DS连接形成的扩展区域，范围可达数千米。同一ESA的所有站组成ESS。在ESA中，AP除完成基本功能外，还可确定一个BSA的地理位置。ESS是一种由多个BSS组成的多区网，每个BSS都有一个BSS标识（BSSD）。如果网络由

15、多个ESS组成，每个ESS也有一个ESSID，所有ESSID组成一个网络标识（NID）以区分不同网络。4. 中继或桥接型拓扑中继或桥接型拓扑 两个或多个网络（LAN或WLAN）或网段可通过无线中继器、网桥或路由器等连接和扩展10.2.3 无线局域网层次模型结构无线局域网层次模型结构一、一、IEEE802.11的层次结构模型的层次结构模型IEEE802.11协议标准协议标准协议名称发布时间说 明IEEE802.111997年2.4GHz微波和红外线标准，速率为1Mbps和2MbpsIEEE802.11a1999年5GHz微波标准，速率为54MbpsIEEE802.11b1999年2.4GHz微波

16、标准，速率为5.5Mbps和11MbpsIEEE802.11c2000年IEEE802.11网络和普通以太网之间互通IEEE802.11d2000年国际间漫游规范IEEE802.11e2005年服务质量控制，包括数据包脉冲IEEE802.11f2003年服务访问点间通信协议IEEE802.11g2003年2.4GHz微波标准，速率为54MbpsIEEE802.11h2003年5GHz微波频谱管理（欧洲）IEEE802.11i2004年增强安全机制IEEE802.11j2004年微波频谱扩展（日本）IEEE802.11k2008年微波测量规范IEEE802.11n2009年2.4G/5GHz使用

17、MIMO技术，速率为100MbpsIEEE802.11p2010年车载环境的无线接入10.2.4 802.11的的CSMA/CA工作原理工作原理1. 802.11的的MAC层服务类型层服务类型 MAC层采用CSMA/CA冲突表面方法。 冲突避免CA：要求每个发送结点在发送帧之前先侦听信道。如果信道空闲，结点可以发送帧。 发送结点在发送完一帧之后，必须在等待一个短的时间间隔，检查接受结点是否发回帧的确认(ACK)。如果接受到确认，则索命此次发送没有出现冲突，发送成功。 如果在规定的时间内没有接受到确认，表明出现了冲突，发送失败，重发该帧，知道规定的最大重发次数。10.2.4 802.11的的CS

18、MA/CA工作原理工作原理1. 802.11的的MAC层服务类型层服务类型10.2.4 802.11的的CSMA/CA工作原理工作原理2. CSMA/CA基本工作原理基本工作原理 执行信道载波侦听功能。当确定信道空闲时，源结点在等待DIFS时间之后，信道仍然空闲则发送一帧。 发送结束后，源结点等待接收ACK帧。目的结点在收到正确的数据帧的SIFS时间之后，向源结点发送ACK帧。源结点在规定的时间之内接收到ACK帧，说明没有发送冲突，该帧发送成功。10.2.4 802.11的的CSMA/CA工作原理工作原理退避算法退避算法v 当信道从忙转到空闲时，各站不仅要等待一个DIFS时间，还必须执行退避算

19、法，以进一步减少冲突的概率。v 采用二进制指数退避算法。它与802.3协议不同的地方时第i次退避在22+i个时间片中随机选择一个。v 当一个结点使用退避算法进入争用窗口时，它将启动一个退避定时器，按二进制指数退避算法随机选择退避时间片的值。当退避定时器的时间为0时，结点开始发送。如果此时信道已经转入忙，则结点将退避定时器复位后，重新进入退避争用状态，直到成功发送。10.5 无线传感器网与物联网技术无线传感器网与物联网技术10.5.1无线传感器网络发展背景和特点无线传感器网络发展背景和特点一、传感器和无线传感器网络一、传感器和无线传感器网络v 传感器是指包含了敏感元件和转换元件的检测设备，能将检

20、测和感知的信息变换成电信号，进一步转换成数字信息进行处理、存储和传输v WSN综合了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等技术，能协作地实时监控、感知和采集网络区域内的各种环境或被监测对象的信息，并予以处理和传输，发送给需要的用户v WSN被认为是信息感知和采集的一场革命，在新一代物理中具有非常关键的作用，将会对人类的未来生活方式产生巨大影响10.5.1无线传感器网络发展背景和特点无线传感器网络发展背景和特点二二、无线传感器网络与传统无线网络的区别、无线传感器网络与传统无线网络的区别v 集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大、分布密v 传统无线网络的首要目标是提供高质量服

21、务和高效带宽利用，其次才考虑节能。而WSN的首要目标是能源的高效利用，这也是和传统网络的重要区别之一。三、无线传感器网络的特点（1）网络规模大（2）低速率（3）低功耗（4）低成本（5）短距离（6）可靠性（7）动态性10.5.2 无线传感器网络的基本结构无线传感器网络的基本结构一、一、WSN结点类型结点类型v 三种结点组成：传感器结点，汇聚结点三种结点组成：传感器结点，汇聚结点、管理结点管理结点10.5.2 无线传感器网络的基本结构无线传感器网络的基本结构二二、WSN结点结点结构结构4个个部分组成：部分组成：（1）传感器模块：）传感器模块：负责监控区域内信息采集和数据转换（2）处理器模块：）处理器模块：负责整个传感器结点的操作，存储和处理传感器采集的数据，以及其他结点传送的数据。（3）无线通信模块：）无线通信模块：负责与其他传感器结点进行