第二章 物理层

会计学1第二章物理层第2章物理层(一)通信基础1.信道、信号、宽带、码元、波特、速率等基本概念2.奈奎斯特定理与香农定理3.信源与信宿4.编码与调制5.电路交换、报文交换与分组交换6.数据报与虚电路(二)传输介质1.双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质2.物理层接口的特性(三)物理层设备1.中继器2.集线器第1页/共68页2.1通信基础基本概念信源和信宿：信源是信息产生和出现的发源地；信宿是接收信息的目的地。数据通信系统中，信源和信宿可以是各种类型的计算机和终端，简称DTE（DataTerminalEquipment）。信道：用来表示向某一个方向传送信息的媒体。数据(data)：运送消息的实体。信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。第2页/共68页码元(code)：代表不同离散数值的基本波形，是承载信息的基本信号单位。一个码元能够承载信息量的多少由码元信号所能表示的数据有效值状态个数决定。码元在信道上传输速率的单位是波特（Baud），1波特表示每秒传送1个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。第3页/共68页波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。比特是数据量的单位。数据传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上是有关系的:若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mnb/s。第4页/共68页单工通信（单向通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。半双工通信（双向交替通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。全双工通（信双向同时通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。第5页/共68页基带信号

(即基本频带信号baseband)——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(bandpass)——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。带通信号也叫宽带信号，是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。第6页/共68页例：关于信号的叙述正确的是A、电磁波是一种数字信号B、模拟信号是一种电压脉冲序列C、信号是数据的电子或电磁编码D、信号可以分为模拟信号、数字信号和视频信号第7页/共68页例：通常把没有经过调制的原始信号成为A、基带信号B、宽带信号C、频带信号D、带通信号第8页/共68页编码与调制编码：将数字数据转换成数字信号的过程。解码：将数字信号还原为数字数据的过程。调制：将数字数据转换成模拟信号。解调：将调制后的模拟信号还原为数字数据的过程。第9页/共68页常用编码方法归零制：正脉冲代表1,负脉冲代表0,位边界电平恢复为0不归零制：正电平代表1,负电平代表0,位边界直接跳变为下一位的电平曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变表示0,下跳变表示1差分曼彻斯特编码：位的开始边界有跳变表示0,无跳变表示1曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高，但曼彻斯特编码有自同步能力。第10页/共68页第11页/共68页几种最基本的调制方法基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

第12页/共68页对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅调频调相第13页/共68页正交振幅调制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r(r,)可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。举例第14页/共68页信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。第15页/共68页1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，就可以用越高的速率传送码元。实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。奈氏(Nyquist)准则不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)第16页/共68页例：假定一条线路每秒采样16次，传输信号共有16种状态，则传输速率是A、16bit/sB、48bit/sC、64bit/sD、256bit/s第17页/共68页信噪比信噪比就是信号的平均功率与噪声的平均功率之比，记为S/N。S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。信噪比的度量单位是分贝（dB），其定义为：信噪比（dB）

=10log10(S/N)（dB）例如，S/N=1000时，信噪比为30dB。第18页/共68页香农定理香农(Shannon)定理给出的是带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；第19页/共68页香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽

W

或信噪比

S/N

没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率

C

也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。第20页/共68页请注意对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。第21页/共68页例：标准电话信道带宽为300~3400Hz，最大信息传输速率为35kb/s，如要使最大信息传输率增大60%，则信噪比要增大多少倍？35(1+60%)=56kb/s56*1000=(3400-300)log2(1+S/N)可得同样可得最大信息率为35kb/s时的信噪比为由此可得信噪比要增加原来的第22页/共68页例：一个用于发送二进制信号的3kHz信道，其信噪比为20dB，则可以获得的最大数据率是（）A、6kbit/sB、6.66kbit/sC、19.8kbit/sD、20kbit/s第23页/共68页例：下列关于带宽和数据传输速率关系的叙述中错误的是A、中心频率越高，则潜在带宽就越高B、中心频率越高，则数据传输率越低C、数据信号的传输速率越高，则其有效带宽越高D、传输系统的带宽越宽，则能传送的数据速率越高第24页/共68页练习一个带宽为3k的理想低通信道，其最高码元传输速率是多少？若一个码元能携带3bit信息，则其最高传输率是多少？设信号的脉冲周期为0.002s，脉冲信号有效值状态个数为8，问如果用二进制代码表示上述信号，一个脉冲信号需要用几位二进制代码表示用二进制代码表示上述信号，其数据率是多少？第25页/共68页例：在基带传输中采用的编码方式有A、FSKB、移相键控法C、曼彻斯特编码D、正交幅度相位调制法第26页/共68页例：下列调制方式中，支持数据速率最高的是A、调幅B、调频C、调相D、无法确定调幅易受突发干扰影响，通常只用于低速线路，调频抗干扰能力优于调幅，但频带利用率不高，通常也只用于低速线路。调相制占用频带较窄，抗干扰性好，可达到较高数据速率。常用的是调相与调幅结合。第27页/共68页（*11）若某通信线路的数据传输速率为2400bps，采用4相位调制，则该连路的波特率是A、600波特B、1200波特C、4800波特D、9600波特第28页/共68页2.2传输介质导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆第29页/共68页各种电缆铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆第30页/共68页光纤的工作原理高折射率(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第31页/共68页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第32页/共68页非导向传输媒体无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信

第33页/共68页例：下列传输介质中，错误率最低的是A、双绞线B、同轴电缆C、光线D、微波第34页/共68页例：双绞线由两条具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起组成，这样可以A、降低成本B、降低信号的干扰程度C、提高传输速度D、便于铺设安装第35页/共68页物理层接口的4个特性⑴机械特性涉及到网络中的网络设备与传输介质（媒体）之间接口所涉及到的连接器的外形和尺寸、接口引线数目、引线排列方式、固定和锁定装置⑵电气特性涉及到接口引线上信号电平表示，什么电平代表1，什么电平代表0⑶功能特性规定接口某一条引线上出现某一电平表示的含义⑷规程特性规定接口上各种信号线以及各种电平出现的先后顺序，即那根信号线先动作，那根信号线后动作物理层的4个特性可以涵盖网络协议的3个要素：语法；语义；同步的全部内容第36页/共68页例：（*09）在无噪声情况下，若某通信链路带宽为3kHz，采用4个相位、每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是A、12kbit/sB、24kbit/sC、48kbit/sD、96kbit/s第37页/共68页2.3交换技术电路交换：在通话之前，通过用户的呼叫，由网络预先为用户分配传输带宽。若用户呼叫成功，则建立了一条从主叫端到被叫端的物理通路。电路交换的关键点在于，在通话的全部时间内用户始终占用端到段的固定传输带宽。第38页/共68页电路交换的特点电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接这种必须经过“建立连接→通信→释放连接”三个步骤的通信方式称为面向连接的。电路交换必定是面向连接的。在计算机网络中，由于计算机数据具有突发性，使用电路交换传送计算机数据将导致通信线路的利用率很低。优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。第39页/共68页报文交换以报文为数据交换的单位。报文是站点一次性要发送的数据块，长度不定。当一个站点要发送报文时，它将目的地址附加到报文上，网络节点将根据该目的地址，把报文逐节点地转发到目的节点。每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。第40页/共68页报文交换的特点报文携带有目标地址、源地址等信息。基于存储转发原理在源端和目的端进行通信。报文发送前，端与端之间无需先通过呼叫建立连接，因而报文交换是无连接的。在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，报文经过网络的延迟时间长且不定，故报文交换不能满足实时通信的要求。有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文。

第41页/共68页分组交换分组交换是报文交换的一种改进，发送前，发送端首先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。每一个数据段前面添加上首部构成分组。每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网以“分组”作为数据传输单元。结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这种存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。接收端将收到的各分组剥去首部还原为原来的报文。第42页/共68页分组交换的优点高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠

保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。第43页/共68页分组交换带来的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。但通常情况下报文交换的时延较分组交换要长。现在报文交换已经很少使用了。第44页/共68页例：分组交换对报文交换的主要改进是（）A、传输单位更小且有固定的最大长度B、传输单位更大且有固定最大长度C、差错控制更完善D、路由算法更简单高效第45页/共68页例：因特网本质上属于是（）A、电路交换网络B、报文交换网络C、分组交换网络D、信元交换网络第46页/共68页例：在每个中间交换站都要把用户报文存储在磁盘上的交换方式是（）A、电路交换B、报文交换C、分组交换D、磁盘交换第47页/共68页例：根据报文交换的基本原理,可把其交换系统的功能概括为（）A、存储系统B、转发系统C、存储转发系统D、传输控制系统第48页/共68页例：为了使数据在网络中传输时延最小，首选交换方式是（）A、电路交换B、报文交换C、分组交换D、信元交换第49页/共68页例：（*10）在下图所示的采用“存储-转发”方式分组的交换网络中，所有链路的数据传输速度为100mbps，分组大小为1000B，其中分组头大小20B，若主机H1向主机H2发送一个大小为980000B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送到H2接收完为止，需要的时间至少是（）A、80msB、80.08msC、80.16msD、80.24ms第50页/共68页分组大小为1000B，其中分组头大小为20B，可以得出每个分组的数据部分为980B，所以大小为980000B的文件应该分为1000个分组传送。每一个分组1000B，而链路的数据传输速度为100Mbps，所以主机H1传送完一个分组所需的时间为

1000*8/100M=80*10-6（s）H1发送完所有数据需要用的时间为：

80*10-6s*1000=80*10-3s=80ms但此时恰好最后一个分组刚从主机H1出去，还没有到达主机H2。一个分组从主机H1需要经过2次存储转发才能到达主机H2，在不考虑传播时延及处理时延的情况下，需要用时：

2*80*10-3ms=0.16ms总共用时为：80ms+0.16ms=80.16ms，故答案为C。第51页/共68页练习要传送的报文共x（bit），从原到目的共经过k段链路，每段链路的传播时延为d（s），数据率为b(b/s)。在电路交换时电路的建立时间是s（s）。在分组交换时分组长度位p，且各点排队时间忽略不计。问在什么条件下分组交换的时延比电路交换的时延还要小？第52页/共68页解：电路交换的总时延为分组交换的总时延为说明：由于每个数据分组除数据本身外还要添加一个包含有控制信息的分组首部，因此，总的发送时延要大于x/b，但当数据量x很大时，每个分组的数据量也将较大，而每个分组的首部则相对很小，因此，首部所需发送时间在这里可忽略。第53页/共68页解：分组交换的总时延为上式对p求导，可得：。②若每个分组长度为（p+h）（bit），其中p为数据长度，h为分组头，再忽略传播延迟，试计算p取多少时总的时延最小。第54页/共68页2.4数据报和虚电路分组交换网络提供的两个主要服务就是数据报服务和虚电路服务。在数据报分组交换中，分组被称为数据报。每个数据报的传送是被单独处理的。每个数据报自身携带足够的地址信息，一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。第55页/共68页数据报服务的特点网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。网络不保证所传送的分组不丢失，也不保证按源主机发送的先后顺序以及在某给定时限内将分组交付给目的主机数据报提供的服务是不可靠的，不能保证服务质量。第56页/共68页虚电路服务在虚电路分组交换中，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的虚电路上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。通信结束后，由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。虚电路分组交换的主要特点是：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。第57页/共68页虚电路服务与数据报服务的对比对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保证连接的建立必须有不需要目的地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号每个分组都有终点的完整地址分组的转发属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发每个分组独立选择路由进行转发当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化分组的顺序总是按发送顺序到达终点到达终点时不一定按发送顺序端到端的差错处理和流量控制可以由网络负责，也可以由用户主机负责由用户主机负责第58页/共68页例：现代计算机网络采用的交换方式主要是（）A、电路交换B、报文交换C、基于虚电路的分组交换D、基于数据报的分组交换第59页/共68页例：由网络层负责差错控制与流量控制，使分组按序被递交的传输方式是（）A、电路交换B、报文交换C、基于虚电路的分组交换D、基于数据报的分组交换第60