物理层接口及其协议

1、66-66-1 1第4章物理层接口及其协议66-66-2 2主要内容4.1 物理层的定义和功能物理层的定义和功能4.2 物理层的特性物理层的特性4.3 典型的物理层标准接口典型的物理层标准接口4.4 传输介质传输介质4.5 其它网络传输技术其它网络传输技术66-66-3 34.1 物理层的定义和功能 物理层的定义物理层的定义- ISO/OSI 关于物理层的定义关于物理层的定义：物理层提供机械的、：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种

2、连接可能通过中继系统，在中继系统内的传。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。输也是在物理层的。 物理层的功能物理层的功能- 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。 研究内容研究内容- 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。护管理。66-66-4 44.1 物理层的定义和功能 几点说明几点说明- 连接方式（点到点，点到多点）连接方式（点到点，点到多点）- 通信方式（单工，半双工，全双工）通信方式（单工，半双工，全双工）- 位传输方式（串行，并行）位传输方式（串行，并行） 物

3、理层的四个重要特性物理层的四个重要特性- 机械特性机械特性 (mechanical characteristics)- 电气特性电气特性 (electrical characteristics)- 功能特性功能特性 (functional characteristics)- 规程特性规程特性 (procedural characteristics)66-66-5 54.2 物理层的特性 机械特性机械特性- 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。况。- 常用的标准

4、接口常用的标准接口 ISO 2110，25芯连接器，芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A ISO 2593，34芯连接器，芯连接器，V.35宽带宽带MODEM ISO 4902，37芯和芯和9芯连接器，芯连接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯连接器，芯连接器，X.20、X.21、X.2266-66-6 64.2 物理层的特性 电气特性电气特性- 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。阻抗匹配、传输速率和距离限制。66-66-7 74.2 物理层的特性 功能特性功能特性- 主要定义

5、各条物理线路的功能。主要定义各条物理线路的功能。- 线路的功能分为四大类：线路的功能分为四大类： 数据数据 控制控制 定时定时 地地 规程特性规程特性- 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。66-66-8 8 DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。收数据能力的设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电是数据电路端接设备，它在路端接设备，它在 DTE 和传输

6、线路之间提供信号变换和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。连接。 DTE/DCE 概念66-66-9 9DTE 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用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境66-66-10104.3 典型的物理层标准接口4.3.1 EIA RS-232-C 1960年美国电子工业协会年美国电子工业协会EIA提出提出RS-232，1963年年提出提出RS-232-A，1965年提出年提出RS-232-B，1969年提年提出

7、出RS-232-C。用于。用于DTE/DCE之间的接口。之间的接口。 机械特性机械特性- 25芯连接器，芯连接器，DTE为插头，为插头，DCE为插座。为插座。 电气特性电气特性- 采用非平衡型电气特性，低于采用非平衡型电气特性，低于-3V为为“1”，高于，高于+4V为为 “0”，最大，最大 20Kbps，最长，最长15m。66-66-11114.3 典型的物理层标准接口- 非平衡传输（非平衡传输（unbalanced transmission）：所有）：所有电路共享一个公用的地线。电路共享一个公用的地线。- 平衡传输（平衡传输（balanced transmission）：每个主要）：每个主要

8、电路需要两根线，没有公用的地线。电路需要两根线，没有公用的地线。 功能特性功能特性- 定义了定义了21条线，许多子集，基本与条线，许多子集，基本与CCITT V.24兼容兼容 规程特性规程特性- 对不同的功能子集，有不同的规程。对不同的功能子集，有不同的规程。- RS-232-C 有有14中不同的接口类型，适合于单工，中不同的接口类型，适合于单工，半双工，全双工，同步，异步半双工，全双工，同步，异步66-66-12124.3 典型的物理层标准接口RS-232-C的不足与改进的不足与改进- 不足不足 传输性能低，距离短，速率低。传输性能低，距离短，速率低。- 改进改进 重新设计，重新设计，X.2

9、1； 以以RS-232-C为基础改进，为基础改进，1977年提出年提出RS-44966-66-1313(1) 保护地(2) 发送数据(3) 接收数据(4) 请求发送(5) 允许发送(6) DCE 就绪(7) 信号地(8) 载波检测(20) DTE 就绪(22) 振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器66-66-1414利用虚调制解调器与两台计算机相连 插头插头插座插座计算机虚调制解调器计算机（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（

10、6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示66-66-1515RS232接头接头66-66-16164.3 典型的物理层标准接口4.3.2 EIA RS-449/422-A/423-A EIA RS-449 是为替代是为替代RS-232-C而提出的物理层标准而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。接口。实际上是一体化的三个标准。 主要改进主要改进- 改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率；传输率；- 增加了新的接口功能，例如，回送检查；增加了新的接口功能，例如，回送检查；- 解决了机械接口问题。解

11、决了机械接口问题。 机械特性机械特性- 37芯或芯或9芯连接器。芯连接器。66-66-17174.3 典型的物理层标准接口 电气特性电气特性- 与与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性相连，采用非平衡型电气特性 RS-423-A，20Kbps以下以下- 其他情况，采用平衡型电气特性其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A ，20Kbps 2Mbps 功能特性功能特性- 定义了定义了30条功能线。条功能线。 规程特性规程特性- 基本上以基本上以RS-232-C为基础。为基础。66-66-18184.3 典型的物理层标准接口4.3.3 CCITT X.21 X.21：在公共数据网：在公

12、共数据网PDN中进行同步操作的中进行同步操作的DTE/DCE之间的通用接口。之间的通用接口。 机械特性机械特性- 15针连接器，针连接器，ISO 4903。66-66-19194.3 典型的物理层标准接口电气特性电气特性- 采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。- 传输速率：传输速率：600，2400，4800，9600，48000bps- DTE使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；DCE使用平衡型电气特性使用平衡型电气特性功能特性功能特性- 定义了定义了8条功能线。条功能线。规程特性规程特性- 分成四个工作阶段分成

13、四个工作阶段: 空闲，呼叫控制，数据传送，空闲，呼叫控制，数据传送，清除清除66-66-20204.4 传输介质 磁介质磁介质- 磁带，软盘，硬盘磁带，软盘，硬盘- “Never underestimate the bandwidth of a station wagon full of tapes hurtling down the highway.” 双绞线双绞线- 既可用于模拟传输，也可用于数据传输；既可用于模拟传输，也可用于数据传输；- 带宽依赖于线的类型和传输距离；带宽依赖于线的类型和传输距离；- 3类线，类线，5类线，增强型类线，增强型5类线、类线、6类线、类线、7类线类线 - 非

14、屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair），屏蔽双绞线，屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair） 66-66-2121带有带有RJ45接头的双绞线接头的双绞线66-66-2222具有以太网卡的计算机背面具有以太网卡的计算机背面66-66-2323一个一个10/100M双绞线以太网接口，指示灯的状态显示接口双绞线以太网接口，指示灯的状态显示接口连接在一个连接在一个10M以太网上以太网上66-66-24244.4 传输介质 基带同轴电缆基带同轴电缆- 50欧姆，用于数据传输；欧姆，用于数据传输； 宽带同轴电缆宽带同轴电缆- 75欧姆，用于模

15、拟传输，欧姆，用于模拟传输，- Cable TV技术，技术，300MHz或或450MHz66-66-25254.4 传输介质 光纤光纤- 目前，在实验室中光纤带宽超过目前，在实验室中光纤带宽超过50Tbps；8 2.5 Gbps，8 10 Gbps ，32 10 Gbps的光纤传输的光纤传输已经实用；已经实用；- 光纤分类：单模光纤和多模光纤光纤分类：单模光纤和多模光纤 光源发出的光进入光纤后，入射角度小的光被光源发出的光进入光纤后，入射角度小的光被反射，并沿着光纤传播，其他光被周围介质吸反射，并沿着光纤传播，其他光被周围介质吸收，收，能够反射的角度有多个能够反射的角度有多个，这种形式的传播，

16、这种形式的传播称为多模。多模光纤适于短距离传输。称为多模。多模光纤适于短距离传输。66-66-2626输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤66-66-27274.4 传输介质 当光纤半径减小到波长的数量级时，当光纤半径减小到波长的数量级时，只有一个只有一个角度（或者一个模式）的光线可以进入角度（或者一个模式）的光线可以进入，这种，这种形式的传播称为单模。单模光线适于长距离传形式的传播称为单模。单模光线适于长距离传输。输。 单模和多模都支持同时传输几个不同波长的光单模和多模都支持同时传输几个不同波长的光线，支持波分复用。线，支持波分复用。 66-66-28284.4

17、 传输介质- 常用的三个波长窗口（光纤波段）常用的三个波长窗口（光纤波段） 850 nm：衰减（：衰减（attenuation)大，传输速率和大，传输速率和距离受限制，但价格便宜；距离受限制，但价格便宜； 1310 nm：衰减小，无色散（：衰减小，无色散（dispersion）补）补偿、功率放大情况下，最大传偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情（最坏情况）况） 1550 nm：衰减小，无色散补偿、功率放大情：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传况下，最大传80km（最坏情况）（最坏情况）- 光缆光缆66-66-292966-66-30304.4 传输介质- 光网络光网络 组网方式组

18、网方式Y点到点：四根线（两根用于保护倒换）点到点：四根线（两根用于保护倒换）Y环：两根线（一根用于保护倒换）环：两根线（一根用于保护倒换） 中继器：光中继器：光 电电 光，全光光，全光 全光网，光因特网论坛全光网，光因特网论坛 OIF66-66-313166-66-3232Caption: Optical fiber cables connected to an ATM switch. 66-66-3333接入接入ATM网络接口的光纤网络接口的光纤66-66-3434光纤和连接器，黑色套子在连接器不用的时候保护连接器光纤和连接器，黑色套子在连接器不用的时候保护连接器66-66-3535无线传输

19、介质（无线传输介质（Wireless Transmission） 电磁频谱电磁频谱 无线电传输无线电传输 微波传输微波传输 红外线和毫米波红外线和毫米波 光波传输光波传输(激光激光)4.4 传输介质66-66-36364.4 传输介质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104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014

20、1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 66-66-37374.5 其它网络传输技术4.5.1 电话系统（电话系统（PSTN） 1876，Alexander Graham Bell66-66-38384.5 其它网络传输技术电话系统的基本构成：电话系统的基本构成：- 本地回路（双绞线，模拟信号传输）本地回路（双绞线，模拟信号传输）- 干线（光纤或微波，数字信号传输）干线（光纤或微波，数字信号传输）- 交换局（端局、长途局）交换局（端局、长途局）66-66-39394.5 其它网络传输技术利用Modem拨号通信66-66-40404.5 其它网络传输技术ADSLBandwi

21、dth versus distanced over category 3 UTP for DSL66-66-41414.5 其它网络传输技术ADSLOperation of ADSL using discrete multitone modulation66-66-4242ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线 电话分路器 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 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代

22、表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端 Remote）电话分路器 PS (POTS Splitter) 66-66-43434.5 其它网络传输技术4.5.3 SONET/SDH 标准标准- 1985年，年，Bellcore提出提出SONET（Synchronous Optical NETwork）标准。）标准。- 1989年，年，CCITT提出提出SDH（Synchronous Digital Hierarchy）标准，与）标准，与 SONET 有微小差有微小差别。别。- SONET主要用于北美和日本，主要用于北美和日本，SDH主要用于欧洲主要用于欧洲和中国。和中国。

23、66-66-44444.5 其它网络传输技术4.5.3 SONET/SDH同步数字系列同步数字系列SDH出现以前出现以前 ,沿用的数字传输设备均属准同步数字沿用的数字传输设备均属准同步数字系列系列PDH。PDH已逐渐被已逐渐被SDH全面取代，但在支路全面取代，但在支路155Mbps以下以下的传输上的传输上PDH还具有实用价值。还具有实用价值。STM-1或STM-4线路接口交叉连接PDH支路接口SDH支路接口GF155-05/GF622-09GF155-05/GF622-09同步定时控制和通信开销通道时钟接口F&f网元管理接口Q3网络管理接口辅助接口公务电话线路侧支路侧66-66-454

24、54.5 其它网络传输技术4.5.3 SONET/SDH由由ITU-T的的G.707建议，定义了建议，定义了STM-N，其中，其中N可以为可以为1、4、16、64四种，基本模块四种，基本模块STM-1的速率为的速率为155.520Mbps。其余各高阶模块。其余各高阶模块是将基本模块是将基本模块STM-1逐级同步复用得到的。逐级同步复用得到的。66-66-4646光子层路径层线路层段层线路光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径4.5 其它网络传输技术SONET路径路径: 路径（path），链

25、路（line），段（section）66-66-47474.5 其它网络传输技术4.5.4 窄带窄带ISDN（Narrowband ISDN） 主要目标主要目标- 在原电话系统的基础上，提供模拟和数字多种信在原电话系统的基础上，提供模拟和数字多种信号传输。号传输。 通道类型通道类型-A，B，C，D，E，H- 三种组合三种组合 2B+D，23B+1D或或 30B+1D，1A+ 1C66-66-48484.5 其它网络传输技术4.5.5 宽带宽带ISDN和和ATM B-ISDN基于基于ATM技术，技术，ATM本身是一种分组交换技本身是一种分组交换技术。术。 B-ISDN技术是电路交换和分组交换之间

26、的一种折衷技术是电路交换和分组交换之间的一种折衷，基于连接的服务。，基于连接的服务。 虚电路虚电路 ATM网络的传输：点到点的连接网络的传输：点到点的连接 ATM交换机交换机66-66-4949ATM交换机：具有双绞铜线和光纤连接交换机：具有双绞铜线和光纤连接66-66-5050ATM接口卡，用于双绞线，使用接口卡，用于双绞线，使用RJ-45接口接口66-66-51514.5 其它网络传输技术4.5.6 蜂窝无线电（蜂窝无线电（Cellular Radio） 单方向的寻呼系统单方向的寻呼系统- 寻呼过程寻呼过程 打电话给寻呼公司，输入寻呼机号码；打电话给寻呼公司，输入寻呼机号码； 寻呼公司的计

27、算机收到请求，通过线路传到高寻呼公司的计算机收到请求，通过线路传到高处（山顶）的天线；处（山顶）的天线； 天线直接广播信号（本地寻呼），或传递给卫天线直接广播信号（本地寻呼），或传递给卫星（异地寻呼），卫星再广播。星（异地寻呼），卫星再广播。- 单向系统单向系统- 需要很小的带宽需要很小的带宽 无绳电话无绳电话66-66-52524.5 其它网络传输技术 模拟蜂窝电话模拟蜂窝电话- 早期用于军事通信，早期用于军事通信，push-to-talk system，一个，一个信道，半双工；信道，半双工；- 60年代，年代，IMTS（Improved Mobile Telephone System），双

28、频，全双工；），双频，全双工；- 1982年，年，AMPS（Advanced Mobile Phone System） 使用小的蜂窝（使用小的蜂窝（cell）；）； 在附近（不相邻）的蜂窝中重用传输频率；在附近（不相邻）的蜂窝中重用传输频率； 发射功率小，设备小而便宜；发射功率小，设备小而便宜；66-66-5353(a) Frequencies are not reused in adjacent cells.(b) To add more users, smaller cells can be used.66-66-54544.5 其它网络传输技术 当某个蜂窝内的用户超过系统容量时，将蜂窝划

29、当某个蜂窝内的用户超过系统容量时，将蜂窝划分成几个更小的蜂窝，以便重用频率，并将发射分成几个更小的蜂窝，以便重用频率，并将发射功率减弱；功率减弱； 在蜂窝中心，有一个基站（在蜂窝中心，有一个基站（base station），基），基站包括一个计算机和与天线相连的收发器；站包括一个计算机和与天线相连的收发器； 所有的基站通过包交换网络与所有的基站通过包交换网络与MTSO（Mobile Telephone Switching Office）或）或MSC（Mobile Switching Center）相连；）相连； MTSO与电话系统相连；与电话系统相连； 安全问题：窃听、盗用。安全问题：窃听、盗

30、用。66-66-55554.5 其它网络传输技术数字蜂窝电话数字蜂窝电话 - D-AMPS- GSMGSM uses 124 frequency channels, each of which uses an eight-slot TDM system66-66-56564.5 其它网络传输技术- CDMA， Qualcomm，机场大厅的谈话，扩频通信，机场大厅的谈话，扩频通信，3G基基础础- GPRS- 3G，IMT2000，2Mbps，384kbps，144kbps，WCDMA（爱立信，欧洲），（爱立信，欧洲），CDMA2000（Qualcomm，北美、日，北美、日本），本），TD-SCDMA（大唐，中国）（大唐，中国）- LTE/4G，高带宽，普适性，与有线网络（，高带宽，普适性，与有线网络（IP网络）的无缝网络）的无缝集成、自适应资源和频谱分配和管理，软件无线电，多媒体集成、自适应资源和频谱分配和管理，软件无线电，多媒体数据的数据的QoS- 顺便说一点，顺便说一点，3G的竞争：的竞争：WiFi/WiMAX/WMN（无线（无线Mesh网络）网络）个人通信服务个人通信服务 PCS/PCN66-66-57574.5 其它网络传输技术4.5.7 通信卫星（通信卫星（Communication S