计算机网络原理及应用：第三章物理层技术

1、计算机网络与应用具有五层协议的体系结构 OSITCP/IP五层协议的体系结构 运输层 网络层 数据链路层 物理层 表示层 会话层 应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 应用层运输层网际层网络接口层第 3 章 物理层技术3.1 物理层的基本特性3.2 数据通信的理论基础3.3 通行方式与交换方式3.4 多路复用技术3.5 计算机网络的传输技术3.1 物理层的基本特性物理层考虑的是怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常多，并且通信手段也有许多不同的方式，物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使物理层上面

2、的数据链路层感觉不到这些差异物理层协议(protocal)也称为物理层规程(procedure)由于物理连接方式很多，传输媒体种类很多，因此物理层的协议种类很多。物理层的主要任务 (1)物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定。 物理层的主要任务 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进制位流时线路上信号电压高低、传输速率和距离的限制等功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

3、规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 (2)传输速率：定义每个比特的持续时间。(3)传输方式：对单工、半双工和全双工的选择。(4)位同步：必须使收发双方的时钟保持同步。(5)线路配置：点到点连接或点到多点连接。物理层的主要任务(6)拓扑结构的选择: 计算机网络的拓扑结构，即是指网上计算机或设备与传输媒介形成的结点与线的物理构成模式. 计算机网络的拓扑结构主要有：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、网形拓扑和混合型拓扑物理层的主要任务3.2 数据通信的理论基础 1.几个术语 信息：是一种抽象的概念。通信的目的是交换信息。信息的载体可以是多媒体，包含语音、音乐、图形图像、文字

4、和数据等。计算机的终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字或括号用二进制代码表示。目前常用的二进制代码有国际5号码（IA5）、扩充的二、十进制交换码EBCDIC码和信息交换用标准代码 ASCII码等。数据：被传输的二进制代码。信号：是数据在传输过程中的电信号的表示形式。“模拟信号”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 “数字信号”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。 码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一

5、种代表1状态。2.数据通信系统基本结构数据通信系统的基本通信模型：产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路(信道)进行通信； 在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统。计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。 噪声按其产生的原因可以分为外部噪声和内部噪声。 外部噪声即指系统外部干扰以电磁波或经电源串进系统内部而引起的噪声。如电气设备，天体放电现象等引起的噪声。 内部噪声一般包括由光和电的基本性质所引起的噪声，电器的机械运动产生的噪声，器材材料本身引起的噪声，

6、系统内部设备电路所引起的噪声。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 输入汉字显示汉字数据通信系统模型源系统目的系统传输系统输出信息PC 机3.通信信道的分类 信道：是信号传输的通道。通信信道包括传输媒体和通信设备。传输媒体可以是有形媒体，如电缆、光纤等，也可以是无形媒体，如传输电磁波的空间。信道可以按不同的方法分类：有线信道与无线信道；模拟信道与数字信道；专用信道和公用信道；信道按所使用的传输介质分类，可以分为有线信道与无线信道； 有线信道使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信道

7、。有线信道包括电话线、双绞线、同轴电缆和光缆等；无线信道以电磁波在空间传播方式传送信息的信道称之为无线信道。无线信道包括无线电、微波、红外线和卫星通信信道等。按传输信号的类型分类，信道可以分为模拟信道与数字信道；模拟信道能传输模拟信号的信道称为模拟信道。模拟信号的电平随时间连续变化。语音信号是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。数字信道能传输离散数字信号的信道称为数字信道。数字信号的电平随时间离散变化。离散的数字信号在计算机中指由“0”和“1”的二进制代码组成的数字序列。数字信道传输数字信号时不需要进行变换，但需要进行数字编码。信道

8、按使用方式可以分为专用信道和公用信道：专用信道专用信道是一种连接于用户设备之间的固定电路，它可以由用户自己架设或向电信部门租用。公用信道也称公共交换信道，它是一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的信道。数据通信的技术指标 数据通信速率（传输速率）：传输率是指数据在信道中传输的速度。数据通信速率分为两种：码元速率和信息速率。码元速率RB：每秒中传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率；码元：表示信息基本单位。M：表示信息的取值范围。信息速率Rb：每秒中传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），又称为比特率；Rb=RBlogM2 误码率和误比特率 误码率和误比特率是衡量数据传

9、输系统正常工作状态下传输可靠性的重要参数。误码率是指码元在数据传输系统中被传错的概率，误比特率是指在传输中出错比特的概率。信道带宽与信道容量 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽一般是由信道的物理特性决定的。（声音：300-3400Hz）信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失真。 数据的编码和调制技术 通信信道分为模拟信道和数字信道，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据。因此，

10、数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。数字编码(NRZ、曼彻斯特等)数字数据数字信号(数字信道)调制(ASK、FSK、PSK等)数字数据模拟信号(模拟信道)脉冲编码调制PCM模拟数据数字信号(数字信号)调制（AM、FM、PM等）模拟数据模拟信号(模拟信道)数字数据的调制对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控。 Amplitude, Frequency, Fhase 相对调相：0时跳变，1时不变数字数据的编码利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼

11、彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 。不归零编码（Non-Return to Zero，NRZ）曼彻斯特编码（Manchester）差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）数字数据编码的示例不归零编码优点：结构简单缺点：连续发送多个0或多个1时，发送端与接收端不能保持同步。曼彻斯特编码特点：每一位中间均有跳变，该跳变既可作为时钟信号又可作为数据信号；每位编码的前半位表示数据信号的实际取值，后半值与之相反。优点：可保持同步。差分曼彻斯特编码特点：每一位中间有一次跳变，边界的开始处存在跳变代表“0”，不存在跳变代表“1”。优点：有良好的自同步和抗干扰能力。曼彻斯特编码差分曼彻斯特编

12、码0110010100010111题：在基带传输中，数字数据信号的编码方式主要有哪几种(只写出名称)？试画出三种编码方式对数据“01001011”进行编码。基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。 模拟数据的调制 模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，需要对信号进行调制，将信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息，比如无线电广播。

13、主要技术：调幅、调频、调相模拟数据的编码 脉冲编码调制(Pulse Code Modulation, PCM)技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。数字化语音数据传输速率高、失真小，可以存储在计算机中，进行必要的处理。因此在网络与通信的发展中语音数字化成为重要的部分。PCM的工作原理脉冲编码调制包括三部分：采样、量化和编码。采样每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值做为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。量化量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化级可以分

14、为8级、16级，或者更多的量化级，这取决于系统的精确度要求。PCM的工作过程采样量化编码幅度幅度.011010001010010110001010011.模拟数据数字信号量化级+127-1270121.5124.4126.2124.6123.2122124125125123样本幅度值量化取整量化值编码采样话音信号编码编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。PCM用于数字化语音系统，将声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示，再使用1个比特进行差错控制，采样速率8000次秒，因此，一路话音的数据传输速率为88000 bps64kbps。3.3.1 信道的通信方式单工通信，半

15、双工通信和全双工通信单工方式指通信信道是单向信道：数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。无线电广播和电视都属于单工通信。 3.3通信方式与交换方法 主机显示器发送端接收端数据的单方向性半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换。半双工信道适合于会话式通信，比如公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。发送端/接收端发送端/接收端不同时刻的数据

16、双向传输对讲机对讲机全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输。比如，电话通话。电话机发送端接收端任何时刻的数据双向传输电话机3.3.2同步传输与异步传输 3.3.3 数据交换技术12435ADEBCF123连接请求连接响应断连请求断连响应电路交换技术交换网报文交换原理：以报文为数据传输单位，将报文连同目标的地址等辅助信息采用“存储-转发”交换技术向前转发。优点：1. 通信时不用建立一条专用通道。 2.无需建立和拆除电路的等待时间和延时。 3. 电路利用率高。节点可根据电路情况选择不用的速度传输，能高效地传输数据。 4.数据传输的可靠性高。每个节点都会差错控制即纠错和检错。缺点：1.

17、对整个报文存储/转发，每个节点都要对报文完整的接收、存储、检错、纠错和转发，节点延时较大，所以不适合交互式通话（电话）。 2.如果报文长度很长，传输报文时可能要长时间占用两节点之间的链路，不利于交互通信。12435ADEBCF报文交换技术12435ADEBCF123分组交换技术1233.4信道复用技术 信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。四种信道复用方式：频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用。 多路复用器多路复用器一条传输线路传输多路信号计算机计算机频分多路复用FDM码分多路复用码分多路复用又称为码分多址CDMA (Coding Division

18、 Multiplexing Access)。CDMA也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用基于码型的分割信道方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。3.5 计算机网络的传输介质双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 屏蔽层网线有两种做法，一种是交叉线，一种是平行线 交叉线的做法是：一头采用568A标准，一头采用568B标准 平行线的做法是：两头同为568A标准或568B标准568A标准：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕 568B标准：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕 如果连接的双方地位不对等的，则使用平行线，例如电脑连接到路由器或交换机 如果连接