计算机网络第3章 物理层

1、2022/6/3page 1 物理层主要考虑如何能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流，如使用什么传输介质，在传输介质上如何进行数据传输等，为数据链路层提供一个物理连接，以透明的传送比特流。 在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层由于规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。 物理层本身并不是物理设备或物理媒体。 2022/6/3page 2 注意：传输媒体不是是物理层！ 传输媒体在物理层的下面。由于物理层是体系结构的第一层，因此，有时称传输媒体为0层。 2022/6/3page 3 数据在物理连接上的传输方式： 1并行传输方式 发送端到接收端

2、信道需要若干条，一次传输多个比特。发送端接收端信道1信道2信道3信道4信道5信道6信道7信道82022/6/3page 42串行传输方式 发送端到接收端只要一根传输线，一个一个比特按照时间顺序传送。（远距离数据传输常用）发送端并串转换12345678串并转换接收端123456781 2 3 4 5 6 7 82022/6/3page 52022/6/3page 63.2 数据通信基础知识基本概念： 数据通信：依照一定协议，利用数据传输技术在两个终端之 间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。 数据(Data)：传递（携带）信息的实体。 模拟(Analog)数据：用连续变化形式表示的数据。 数字

3、(Digital)数据：用不连续变化形式表示的数据。 信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），是数据 的电气或电磁表现，数据以信号的形式传播。 模拟信号：是指随时间连续变化的信号，时间上连续，包 含无穷多个值。 数字信号：是指其值用离散状态（即所谓的“二进制信号”） 表示的信号。时间上离散，仅包含有限数目的 预定值。2022/6/3page 7 基带信号：将数字信号1或0直接用不同的电压来表示，然后送 到线路上去传输。 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 经过调制的基带信号在不同频段，可以在一条电缆 中同时传输多路信号而不会发生相互干扰，提高 线路利用率。2

4、022/6/3page 8tta) 模拟信号b) 数字信号ttTTTTTT周期信号非周期信号用电平的高低分用电平的高低分别表示别表示0或或1信号种类图示：2022/6/3page 9模拟与数字的特点模拟： 波动性； 持续变化； 反映事物的本质； 在电信业已经被广泛使用数字： 离散性； 跃变性； 设备性能先进，成本低 2022/6/3page 10 3.2.1 数据通信系统的模型 传输系统输入信息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 正文正文源系统目的系统传输系统输出信息PC 机2022/6/3page

5、 113.2.2 有关信道的几个基本概念 信道是指信息传输的通道，即信息进行传输时所经过的一条通路。用来表示向某一个方向传送信息的媒体。 一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。 一般分为数字信道和模拟信道： 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。 2022/6/3page 12 数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合。2022/6/3page 13话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字调制器调制器模拟模拟模拟模拟CODEC数字数字数字数字数

6、字发送器数字发送器数字数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号101010102022/6/3page 14 模拟传输与数字传输 （1）模拟数据在模拟信道上传输 话音信号电话系统中传输。人的语音频率范围是3003400Hz，为了进行传输，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。语音信号以3003400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。电话机电

7、话机模拟信号语音模拟信号语音多路复用器多路复用器2022/6/3page 15 （2） 数字数据在模拟信道上传输 计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数字数据，而电话系统只能传输模拟信号，所以这个数字数据要进入到模拟信道以前要有一个变换器进行数字信号到模拟信号的转换，以便它能在模拟信道上传输，这样的一个变换过程叫调制（注意：这个调制过程并不改变数据的内容，仅是把数据的表示形式进行了改变）。这个变换器又叫做调制器(MOdulator)。 调制器也即波形变换器,它将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。 而当调制后的模拟信号传到接收端以后，在接收端也有一个变换器再对这个信号

8、进行反变换，即又把它变回数字信号，这样的一个变换过程叫解调。这个变换器又叫解调器(DEModulator)。 解调器也即波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。2022/6/3page 16 由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，所以把这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器（Modem）。 调制解调器提供全双工的数字信道。 调制器调制器解调器解调器数据数据数据数据2022/6/3page 17电话线RS232电缆线COM1或COM2串行口2022/6/3page 18 调制解调器最基本的调制方法：（1）调幅（AM） 即载波的振幅随基带数字信号而变化。例

9、如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。（2）调频（FM） 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。（3）调相（PM） 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于180度。2022/6/3page 19 （3）模拟数据在数字信道上传输 用数字信道传输模拟数据时，需要对模拟数据进行脉冲编码调制（PCM）。它的目的是为了能使一条中继线不只传送一路电话而是可以同时传送几十路电话所设计的。 PCM是将模拟电话信号转变为数字信号. （4） 数字数据在数字信道上传输 利用Windows 系统中自带的“直接电缆连接”功能把两个计算机通

10、过串行口或并行口直接相连。在这种情况下通信的双方发出的数据和接收的数据以及在信道上所传输的全部都是数字信号。2022/6/3page 202022/6/3page 21公用电话网IP 电话 网关 因特网PC普通电话 因特网PCPCIP 电话的几种连接方法电话的几种连接方法公用电话网公用电话网IP 电话 网关因特网普通电话普通电话分组交换电路交换电路交换（市内电话）（市内电话）2022/6/3page 22lTCP 协议的重传技术会产生时延。l打电话是实时通信，不允许过大的时延。 因此 IP 电话不使用 TCP 协议，而是使用 UDP 协议。lIP 电话宁可把出错的分组丢弃，也不要迟到的、没有差

11、错的分组。l因此，IP 电话的质量目前还不如传统电话的质量（分组丢失、时延、时延抖动）。l为了提高 IP 电话的质量，有的 ISP 在 IP 电话网关之间使用专用的宽带线路。2022/6/3page 23A/DA/DD/A V.90(56kbps)ISP数字数字数字数字模拟模拟上行仍需上行仍需模数模数(A/D)转换转换，速率最高为，速率最高为35kbps；下行则可达；下行则可达56Kbps至因特网至因特网(数字信号数字信号)交换机交换机2022/6/3page 24构成：本地回路、交换局、干线端局端局端局端局长途局长途局中心局中心局长途局长途局本地回路本地回路准长途干线准长途干线高带宽长高带宽

12、长途干线途干线准长途干线准长途干线本地回路本地回路光纤、微波、同轴光纤、微波、同轴双绞线双绞线双绞线双绞线公用电话交换网PSTN(Public Switched Telephone Network) 2022/6/3page 25 按照通信双方信息在传输链路上的传送方向，可分为： （1）单工通信：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 如广播，电视。 单工通信只需要一条信道。发 送 设 备接 收 设 备数据流通信连接单工2022/6/3page 26 （2）半双工通信：信息的传递可以是双向的，但不能双方同时发 送。如对讲机。 发 送 设 备接 收 设 备发 送 设 备接 收 设 备数据流半

13、 双 工通信连接2022/6/3page 27（3）全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息。 双向交替或同时通信都需要两条信道，往返各一条。双向同时通信的传输效率最高。如：电话。 发 送 设 备接 收 设 备接 收 设 备发 送 设 备数据流全双工通信连接2022/6/3page 28 传输媒体也称为传输介质或传输媒介,它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。 导向传输媒体 ：电磁波被导向沿着固体媒体（铜线 或光纤）传播。 传输媒体 非导向传输媒体：通常是指自由空间，电磁波的传 输常称为无线传输。 2022/6/3page 29内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏

14、蔽外套外套-螺旋绞合的双导线，螺旋绞合的双导线， 1mm-每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点： 成本低成本低 密度高、节省空间密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率）平衡传输（高速率） 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离较短连接距离较短 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到几十公里。导线越粗，其通信距离越远，导线价格越高。3.3.1 导向传输媒体1. 双绞线(屏蔽STP、非屏蔽UTP)2022/6/3page 30l以铝箔屏蔽以减少

15、 干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽2022/6/3page 312022/6/3page 322. 同轴电缆同轴电缆 按电缆的直径分：按电缆的直径分： 细同轴细同轴 -50 -50 ，D=1.02cm，10Mbps -185m-185m、4 4中继、中继、5 5段（段（925m925m） -优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator） 抗干扰能力强 距离短 可靠性差 粗粗同轴同轴 -50 -50 ，D=2.54cm，10Mbps - -500m m、4 4中继、中继、5 5段（段（2500m2500m） -优缺点：价

16、格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好 2022/6/3page 33l基带同轴电缆基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输l宽带同轴电缆宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75 ，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套2022/6/3page 34 BNC T型接头型接头 BNC 桶型连接器桶型连接器 BNC 终结器（终结器（50欧）欧）2022/6/3page 352022/6/3page 36 “5-4-3规则”，是指在10M

17、以太网中中，网络总长度不得超过5个区段，4台网络延长设备，且5个区段中只有3个区段可接网络设备。即：一个网段最多只能分5个子网段；一个网段最多只能有4个中继器；一个网段最多只能有三个子网段含有PC 。 5-4-3规则的采用与网络所允许的最大延迟有关。计算机发送数据后，如果在一定的时间没有得到回应，那么，将认为是数据发送失败，而不断地重复发送，但对方却永远无法收到。 2022/6/3page 37l依靠光波承载信息l速率高，通信容量大传输损耗小，适合长距离传输l抗干扰性能极好，保密性好l轻（1公里长的1000对双绞线约重8000kg，而同样长度但容量大的多的一对光纤仅重100kg）光纤传输原理利

18、用了光的反射l光从一种介质(高折射率)入射到另一种介质（低折射率）时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。l光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低l光传输系统：光源:发光二极管 / 激光二极管 介质: 光纤 光检测器: 光电二极管PIN/雪崩二极管APD2022/6/3page 38折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体）包层纤芯高折射率(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2022/6/3page 39 l l单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲2022/

19、6/3page 402022/6/3page 412022/6/3page 42高密度多芯光缆高密度多芯光缆芯芯封套封套外套加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束2022/6/3page 432022/6/3page 442022/6/3page 452022/6/3page 462022/6/3page 47l使用电磁波或光波携带信息l无需物理连接l适用于长距离或不便布线的场合l易受干扰无线电微波红外线可见光紫外线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 10

20、6 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 2022/6/3page 48l固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端BSF1, F2, F3 = 使用的频率GSM(Group Special Mobile)2022/6/3page 49l两个地面站之间传送l距离：50 -100 kml通信容量大l受干扰小l成本较有线通信小l相邻站间必须无障碍l易受天气干扰l隐蔽、保密性

21、差l维护成本高2022/6/3page 50l与地面站相对固定位置l使用3个卫星覆盖全球l通信容量大l信号手干扰小l传输延迟时间长（270ms）l保密性差l成本高2022/6/3page 51 传传输输媒媒体体 速速率率 传传输输距距离离 性性能能(抗抗干干扰扰性性) 价价格格 应应用用 双双绞绞线线 10-1000Mb/s 几几十十kM 可可以以 低低 模模拟拟/数数字字传传输输 50 同同轴轴电电缆缆 10Mb/s 3kM 内内 较较好好 略略 高高 于于双双绞绞线线 基基带带数数字字信信号号 75 同同轴轴电电缆缆 300-450MHz 100kM 较较好好 较较高高 模模拟拟传传输输电

22、电视视、数数据据及及音音频频 光光纤纤 几几十十Gbps 30kM up 很很好好 较较高高 远远距距离离传传输输 短短波波 50MHz 全全球球 较较差差 较较低低 远远程程低低速速通通信信 地地面面微微波波接接力力 4-6GHz 几几百百kM 好好 中中等等 远远程程通通信信 卫卫星星 500MHz 18000kM 很很好好 与与 距距 离离无无关关 远远程程通通信信 常用传输媒体的比较常用传输媒体的比较2022/6/3page 52 多路复用技术就是将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来3.5 信道复用技术信道复用技术复用 多个信息源共享一个公共

23、信道 为何要复用？线路成本共享信道信道信道信道(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术2022/6/3page 53 多路复用的方法： 1.频分多路复用（Frequency-Division Multiplexing, FDM） 频分多路复用FDM利用传输介质可用带宽超过信号所需的带宽这一特点。 频分多路复用把整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道，频率通道之间留有防护频带，信号的带宽不会相互重叠，然后在传输介质上进行传输。 如：无线电广播、电视。 FDM的所有用户在同一时间占用不同的带宽资源（这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。CH2CH1CH3原带宽原带

24、宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用f2022/6/3page 542022/6/3page 55fAFDM多适用于模拟信号传输多适用于模拟信号传输 2022/6/3page 592022/6/3page 60群群超群超群主群主群巨群巨群2022/6/3page 61 2.时分多路复用（Time-Division Multiplexing, TDM） 物理信道按时间分成若干时间片（时隙）轮换地分配给多路信号使用，每一路信号在自己的时间片内独占信道传输，这就是时分多路复用。（当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和） 时分多

25、路复用利用每个信号在时间上交叉，将物理信道按时间分成时间片，供多个信源轮流使用。可以在一个传输通路上传输多个数字信号。 TDM的所有用户在不同的时间占用同样的带宽资源。 2022/6/3page 62TDM多适用于数字信号传输多适用于数字信号传输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。 2022/6/3page 64统计统计(异步异步)TDM STDMTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该 通道，将会造成带宽浪费。通道，将会造成带宽浪费。改进：改进： 使用统计时分多路复用（

26、使用统计时分多路复用（STDM），用户不固），用户不固 定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计统计TDM可用带宽2022/6/3page 65 统计时分多路复用使用STDM帧传送复用数据，每个帧的时隙数小于连接在集中器上的用户数。 用户不固定占用某个时隙，按需动态分配时隙，有空时隙就将数据放入。某一个用户所占用的时隙并不是周期性出现，因此统计分时复用也称为异步分时复用。统计统计TDM各数据之前要附有该路

27、地址，各数据之前要附有该路地址，以便接收方能分出各路信号以便接收方能分出各路信号2022/6/3page 66ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2可用带宽可用带宽统计统计TDM(数据之前附有该路地址数据之前附有该路地址)2022/6/3page 674.波分多路复用（Wave-Division Multiplexing, WDM） 波分复用就是光的频分复用。 目前一根单模光纤的传输速率可达到 2.5Gb/s，采用色散补偿技术解决光纤传输中的色散问题 ，则一根单模光纤的传输

28、速率可达到10Gb/s。 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2022/6/3page 68 5.码分复用CDM(code division multiplexing) 主要用于移动通信。 CDM是另一种共享信道的方法,即码分多址。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。 原理:每一个比特