第二章物理层和数据链路层

第二章物理层和数据链路层【教学目标】1.了解：数据通信基本概念；

2.掌握：传输介质类型及其主要特征；

3.掌握：数据编码类型和基本方法；

4.掌握：差错控制方式和多路复用原理；

5.理解：数据交换方式，熟练掌握分组交换两种形式；

6.了解：常用物理层接口；

7.掌握两种数据链路层流量控制协议；

8.熟悉：HDLC组成和PPP协议。

【重点】差错控制方式，数据交换方式，流量控制协议【难点】流量控制协议分析，数据编码方法【教学过程】第二章物理层和数据链路层§2.1数据通信基础知识§2.2多路复用§2.3数据交换§2.5数据链路层

本章主要讨论数据通信的一些基本概念、原理和技术，物理层和数据链路层相关协议。§2.4物理层第二章物理层和数据链路层§2.1基本概念一、数据通信的定义及特点1.数据通信的定义指按照一定的通信协议，将数据以某种信号的方式，通过数据通信系统来完成数据信息的传输、交换、存储和处理的过程。辨析：信息、数据、信号、数字通信与数据通信。2.数据通信的质量指标（1）有效性：指在给定的信道中单位时间内能传输信息量的多少，即用传输信息的速率来衡量。信息速率，也称信息传输速率（或称比特率），用Rb来标记，它表示单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（b/s或bps）。码元速率，也称码元传输速率（或称调制速率、波特率），用Rs标记，它表示单位时间内信道上实际传输码元个数或脉冲个数（可以是多进制），单位是波特（Baud）。（2）可靠性：指接收信息的准确程度，可用错误率（差错率）来度量。误比特率（误信率）:误码元率（误符号率）:二、数据通信系统的模型数据通信系统是指以计算机为中心，通过通信线路连接分布在远程的数据终端设备而传输数据信息的通信系统。从系统结构来看，数据通信系统主要由数据终端设备（DTE，DataTerminalEquipment）、数据电路终接设备（DCE，DataCircuit-terminatingEquipment）和传输信道三个主要部分构成。数据通信系统模型数据通信系统模型(课本P32)数据通信系统实例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数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机三、信道及技术参数

1.信道的定义狭义信道、广义信道狭义信道和广义信道(课本P33)2.信道类型（1）有线信道和无线信道（2）模拟信道和数字信道（3）专用信道和公共信道（4）物理信道和逻辑信道（5）前向信道和反向信道3.信道技术参数（1）带宽（2）频带利用率（3）信道容量数字信号通过实际的信道有失真，但可识别失真大，无法识别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形四、物理层下的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)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱（1）双绞线(课本P36)（2）同轴电缆

（3）光纤

单芯光缆多芯光缆（4）微波（6）红外线

（5）无线电波两者的区别：无线电波是一个广义的概念，从含义上讲，无线电波是全向传播，而微波是定向传播。常用传输介质的比较传输介质传输方式速率/工作频带传输距离性能价格应用双绞线宽带基带≤1Gb/s模拟:10km数字:500m较好低模拟/数字信号传输50Ω同轴电缆基带10Mb/s<3km较好较低基带数字信号75Ω同轴电缆宽带≤450MHz100km较好较低模拟电视、数据及音频光纤基带40Gb/s20km以上很好较高远距离高速数据传输微波宽带4-6GHz几百km好中等远程通信卫星宽带1-10GHz18000km很好高远程通信五、数字基带传输编码(课本P40)例1六、传输方式1.并行传输和串行传输请举例2.单工、半双工和全双工通信能否举例说明！3.同步传输和异步传输(课本P42)同步传输(SynchronousTransmission)异步传输(AsynchronousTransmission)七、传输形式1.基带传输在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。2.频带传输对原始基带信号进行调制后送入模拟信道传输，这种利用模拟信道传输数据信号的方法就是频带传输。基带与频带举例说明应用？§2.2多路复用与差错控制一、多路复用原理(课本P44)

二、频分多路复用(FDM)

是指按照频率参量的差别来分割各路信号的。在发送端使各复用信号的频谱互不重叠，在接收端用滤波器把各路信号区分开。(回忆？)CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用信号f复用器三、时分多路复用(TDM)

按照时间参量的差别来分割各路信号。将信道工作时间划分为周期T，每一周期又再划分为若干时间间隔，在一个周期内每一路信号占用一个时间间隔（通常称为时隙）。1.时分多路复用原理A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流时隙号1231D3D2D1时间片12时间片2D1时隙D2复用器t3.统计时分复用(STDM)(课本P46)ABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片1时间片2同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片1时间片2统计TDM可用带宽C2四、波分复用(WDM)

波分复用即为频分复用运用于光纤信道，实质就是光的频分复用(理由？)，与FDM的区别仅在于WDM使用光复用器和光分用器。F2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤棱柱/衍射光栅五、码分复用(CDM)码分复用是蜂窝移动通信中发展的一种信号处理方式。码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每1个比特时间划分为m个短的间隔(一般m=64或m=128),码片(chip)。每个站被指派一个惟一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列二进制反码。例如，S站的8bit码片序列是00011011。发送比特1时，就发送序列00011011，发送比特0时，就发送序列11100100。S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)任一个码片向量和该码片向量自己的归一化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的归一化内积值是–1。两个不同站的正交码片序列归一化内积是0。原理说明(课本P48)归一化内积公式：S站的码片序列S110ttttttm

个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx归一化内积S

Sx归一化内积S

Tx数据码元比特发送端接收端CDMA正交原理分析§2.3数据交换数据交换本身不关心传输数据的内容，仅执行交换的动作，经历电路交换、报文交换、分组交换和快速交换几个阶段。一、电路交换(线路交换)(课本P50)

主机A

主机B

结点1

结点2

结点3

比特流

二、报文交换基本思想：存储-转发(store-and-forwardexchanging)

主机B

主机E

结点

主机A

主机C

主机D

主机F

结点

结点

结点

结点

结点

结点

三、分组交换报文交换的一种改进形式。分组交换有两种管理数据分组的方法：数据报和虚电路。1.数据报方式(课本P52)

主机B

主机E

结点

主机A

主机C

主机D

主机F

结点

结点

结点

结点

结点

结点

123213213重新排序112132.虚电路方式

主机B

主机E

结点

主机A

主机C

主机D

主机F

结点

结点

结点

结点

结点

结点

2

1

3

1213顺序到达11122223333传输过程(课本P53)信号流程四、数据交换方式比较(课本P54)§2.4物理层

物理层实际是设备之间的物理接口，它定义了传输线的机械的、电气的、功能的和规程特性，以便于将不同厂家生产的物理设备连接成网，实现数据链路实体之间的比特流透明传输。一、物理层功能及服务(了解)1.物理层功能2.物理层提供的服务二、物理层接口基本特性分析物理层接口协议是用于定义DTE与DCE之间的物理接口，并为物理接口规定了标准的四个特性。1.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。

2.电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。（语法）3.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。（语义）4.规程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。（同步）三、几种常用的物理层接口简介1.EIARS-232(应用场合？)2.EIARS-449、RS-422和RS-423举例：EIA-232/V.24的信号定义(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§2.5数据链路层数据链路是构成逻辑信道的一段结点-结点间的数据通路，是在一条数据电路基础上通过数据链路层协议建立起来的，具有它自己的数据传输格式（帧）和传输控制功能的结点-结点间的逻辑连接。一、数据链路层功能及服务1.数据链路层功能

数据链路层在物理层提供的服务的基础上，将网络层递交来的数据在邻接的两结点之间，实现透明的、高可靠的传输。2.数据链路层服务数据链路层最基本的服务是将源主机中网络层送来的数据可靠地传输给目的主机的网络层。（1）无确认无连接服务（2）有确认无连接服务（3）有确认面向连接服务二、数据链路层流量控制协议如果发送方发送能力比接收方能力强时，即使传输过程中毫无差错，也会发生帧丢失的现象。因此需要有某种机制来查获接收方当前尚有多少缓冲空间可利用。1.停止-等待协议

数据帧传输的几种情况(课本P62)

特点：协议简单，信道利用率较低，只适合半双工通信。2.连续ARQ协议

基本思想：在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。如果收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。3.选择重传ARQ协议基本思想：只重传出现差错的数据帧或计时器超时的数据帧。发送端接收端ACK0ACK1NAKACK2ACK3(a)连续方式ACK0ACK1NAKACK2ACK6(b)选择重发方式ACK3ACK4ACK5丢弃重传重传01234523456012345234560123452678901234526789发送端接收端丢弃连续工作方式连续方式选择重发方式如果连续发送的帧过多，则需重传的帧也会增多，使效率降低；序号用帧头中的字段表示，比特数是有限的；因此，必须限制连续发送的帧数；此时协议的运转表现为“滑动窗口”的形式，可认为发送端和接收端分别设定了发送窗口和接收窗口。4.滑动窗口协议(课本P64)

（a）初态（b）发送0号帧（c）发送1号帧（f）发送2号帧（d）接收0号帧（e）接收确认0号帧（g）接收1号帧（h）接收确认1号帧发送方接收方01234567012发送窗口WT不允许发送这些帧允许发送5个帧(a)01234567012不允许发送这些帧还允许发送4个帧WT已发送(b)01234567012不允许发送这些帧WT已发送(c)01234567012不允许发送这些帧还允许发送

3个帧WT已发送

已发送并已收到确认(d)不允许接收这些帧01234567012WR准备接收0号帧(a)不允许接收这些帧01234567012WR准备接收

1号帧已收到(b)不允许接收这些帧01234567012WR准备接收4号帧已收到(c)接收窗口三、面向比特的链路控制规程HDLC

为了实现数据链路层数据的可靠传输，通信双方必须遵循基于某种传输与控制机制而建立的一定协议和准则，这些约定的协议或准则，称之为数据链路控制规程（DLCP：DataLinkControlProcedure）。HDLC帧结构(课本P67)

数据链路层的数据传送是以帧（Frame）为单位的。F(Flag):固定格式—01111110

作用：①帧同步

②传输数据的透明性(零比特插入与删除)A(Address):地址C(Control):帧的类型、帧的编号、命令与控制信息I(Information):网络层数据，Nmax