网络传输协议第二章

第2章物理层北京邮电大学网络教育学院本章学习的主要内容：2.1数据发送和接收2.2物理层介质特性2.3中继器的工作原理2.4集线器的工作原理2.5拨号上网2.6ADSL上网北京邮电大学网络教育学院2.1数据通信基础2.1.1数据表示和传输2.1.2模拟通信和数字通信2.1.3多路复用2.1.4交换技术北京邮电大学网络教育学院2.1

数据通信基础通过计算机网络可以获取各种信息，这些信息在网络上的表现形式是数据。信息的获取，实质就是获取数据，也就是数据通信，它是计算机网络的基础。北京邮电大学网络教育学院2.1.1数据表示和传输模拟信号是指信号的变化是连续的，中间不会有间断。如图2-1(a)所示。数字信号是指信号的变化过程是间断的，通常情况下是等间隔的，也就是每隔一个固定时间信号发生改变。如图2-1(b)所示，图中的高电平表示数据“1”，低电平表示“0”。图2-1模拟信号和数字信号北京邮电大学网络教育学院2.1.1数据表示和传输基带传输与宽带传输的比较基带传输宽带传输传输数字信号传输模拟信号（需用调制解调器）占用整个频段可采用频分复用双向传输单向传输总线型结构总线型或树型结构几km范围几十km范围北京邮电大学网络教育学院2.1.1数据表示和传输基带漂移基带传输过程中，数字信号被直接发送到传输介质上，由于介质本身的特性和干扰信号，接收端收到的信号会衰减和变形。接收端的滤波器上装有交流耦合，只有直流才允许通过，这样就不能维持电压等级，造成脉冲下垂，如图2-2所示。图2-2基线漂移示例北京邮电大学网络教育学院2.1.1数据表示和传输编码时钟同步在发送端有一个时钟，信号是根据时钟周期性的改变，接收端必须能够和发送端的时钟同步，否则采样获得的数据就会错误。图2-3曼彻斯特编码北京邮电大学网络教育学院2.1.2模拟通信和数字通信模拟通信系统普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信，其通信模型如图2-4所示。图2-4模拟通信系统北京邮电大学网络教育学院2.1.2模拟通信和数字通信信源：发生原始模拟信号。调制器：用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。信道：用来传输信号的介质或通路，可以是双绞线、同轴电缆、光缆、微波以及卫星链路等。噪声源：在进行信号传输的时候，可能产生的各种干扰，如脉冲噪声和随机噪声。解调器：实现上述过程逆变换的设备。北京邮电大学网络教育学院2.1.2模拟通信和数字通信模拟信号系统模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。信道带宽：信道所能传输的信号的最高频率与最低频率之差。信号带宽：信号所占据的频率范围。信道的最大传输速率：数据传输速率都有最大值，单位是bit/s，即比特每秒。信道的吞吐量：而把信道在单位时间内成功传输的信息量称为，单位也是bit/s。信道利用率：信道的吞吐量和最大数据传输速率之比。北京邮电大学网络教育学院2.1.2模拟通信和数字通信数字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，其通信模型如图2-5所示。图2-5数字通信系统北京邮电大学网络教育学院2.1.2模拟通信和数字通信数字通信系统的主要特点如下：（1）抗干扰能力强（2）可实现高质量的远距离通信（3）能适应各种通信业务（4）能实现高保密通信（5）通信设备的集成化和微型化北京邮电大学网络教育学院2.1.3多路复用在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，称为多路复用（Multiplexing）。（1）频分多路复用（2）波分多路复用（3）时分多路复用北京邮电大学网络教育学院2.1.3多路复用频分多路复用利用频率变换或调制的方法，将若干路信号搬移到频谱的不同位置，相邻两路的频谱之间留有一定的频率间隔，这样排列起来的信号就形成了一个频分多路复用信号。北京邮电大学网络教育学院2.1.3多路复用频分多路复用图2-6频分多路复用北京邮电大学网络教育学院2.1.3多路复用波分多路复用在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种就是波分多路复用（Wave-lengthDivisionMultiplexing，WDM）。北京邮电大学网络教育学院2.1.3多路复用波分多路复用图2-6波分多路复用北京邮电大学网络教育学院2.1.3多路复用时分多路复用对于数字通信系统，主干网的复用都采用时分多路复用技术。北京邮电大学网络教育学院2.1.3多路复用以电话系统为例说明时分多路复用的工作原理对于带宽为4kHz的电话信号，每秒采样8000次就可以完全不失真地恢复出话音信号，这种技术被称为脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM）。图2-8数字电话系统采用周期北京邮电大学网络教育学院2.1.3多路复用时分多路复用允许多个T1线路复用到更高级的线路上，更高速下线路多路复用的T1流如图2-9所示。图2-9更高速下线路多路复用的T1流北京邮电大学网络教育学院2.1.4交换技术数据交换技术（1）电路交换（2）报文交换（3）分组交换。北京邮电大学网络教育学院2.1.4交换技术电路交换图2-10电路交换北京邮电大学网络教育学院2.1.4交换技术电路交换的优缺点优点：传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟；一旦线路建立，便不会发生冲突。缺点：建立物理线路所需的时间比较长。北京邮电大学网络教育学院2.1.4交换技术报文交换（messageswitching）又称为包交换。报文交换不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它将把要发送的数据当做一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环，直至将数据发送到目的节点。电报系统使用的是报文交换技术。在报文交换中，一般不限制报文的大小，这就要求各个中间节点必须使用磁盘等外设来缓存较大的数据块。北京邮电大学网络教育学院2.1.4交换技术分组交换（packetswitching）技术是报文交换技术的改进。分组交换的过程如图2-11所示。分组交换比报文交换优越：在具有多个分组的报文中，中间交换机在接收第二个分组之前，就可以转发已经接收到的第一个分组，即各个分组可以同时在各个结点对之间传送，这样减少了传输延迟，提高了网络的吞吐量。图2-11分组交换北京邮电大学网络教育学院2.1.4交换技术电路交换和分组交换对比电路交换分组交换呼叫建立需要不需要专用物理路径是不是每个分组同样路由是不是分组按顺序到达是不是一个交换机故障造成交换失败是不是所用带宽固定动态出现拥塞时间连接建立阶段每个分组可能浪费带宽是不是存储转发不是是透明传输是不是计费方式时间流量北京邮电大学网络教育学院2.2OSI的物理层1．物理层功能2．物理层接口特性3．物理层介质北京邮电大学网络教育学院2.2OSI的物理层1．物理层功能（1）为数据端设备提供传送数据的通道（2）在数据通道上传输数据北京邮电大学网络教育学院2.2OSI的物理层根据设备的功能，把它们分成两类DTE和DCE。数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备。数据电路端接设备（DataCircuit-terminatingEquipment，DCE）。DCE的作用就是在DTE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连接。北京邮电大学网络教育学院2.2OSI的物理层2．物理层接口特性物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其他通信设备之间的一组约定，主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题，协议包括了4个方面：（1）机械特性（2）电气特性（3）功能特性（4）规程特性北京邮电大学网络教育学院2.2OSI的物理层3．物理层介质物理层介质包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。在计算机网络中应用的物理电缆主要有同轴电缆、双绞线和光纤，而无线信道则主要是自由空间。这两种介质通常称之为“导向媒体”和“非导向媒体”两类。北京邮电大学网络教育学院2.2OSI的物理层物理层的一些重要标准ISO2110：称为“数据通信-25芯DTE/DCE接口连接器和插针分配”。它与EIA（美国电子工业会）的RS-232-C基本兼容。ISO2593：称为“数据通信-34芯DTE/DCE接口连接器和插针分配”。ISO4092：称为“数据通信-37芯DTE/DEC接口连接器和插针分配”，与EIA的RS-449兼容。CCITTV.24：称为“数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备之间的接口电路定义表”，其功能与EIA的RS-232-C及RS-449兼容。北京邮电大学网络教育学院2.3

传输介质2.3.1双绞线2.3.2同轴电缆2.3.3光纤2.3.4无线北京邮电大学网络教育学院2.3.1双绞线双绞线可以用来传输模拟信号和数字信号。铜线的直径和距离决定了它的带宽。在几km的范围，传输速率可达几Mbit/s。网络中使用的双绞线根据其性能分成多个等级，现在常用的是5类非屏蔽双绞线。以前还有3类、4类等，以后会有6类、7类，或者更高。等级越高表示带宽也越大。图2-12所示说明了它们的不同之处。图2-12分组交换北京邮电大学网络教育学院2.3.1双绞线在网络中使用的双绞线，需要在两端接插头或者插座，才能和别的设备连接，图2-13所示是实际使用的产品外观。图2-13双绞线和RJ－45插头和插座北京邮电大学网络教育学院2.3.1双绞线网络设备中的插座（如网卡上的插座），也需要定义出发送和接收引脚的排列，这些都是物理层标准定义的，如图2-14所示图2-14中的Tx+和Tx-是发送数据的一对引脚，Rx+和Rx-是一对接收引脚。网卡的T连接集线器的R，网卡的R连接集线器的T，收发需要相互对应。图2-14网卡和集线器上的插座引脚定义北京邮电大学网络教育学院2.3.1双绞线在标准EIA/TIA-568中规定了两种网线的连接标准，即EIA/TIA-568A和EIA/TIA-568B，这两种标准的连接方法如图2-15所示.图2-15中上方的折线表示这两根针脚连接的是一对双绞线。图2-15EIA/TIA-568标准线序北京邮电大学网络教育学院2.3.1双绞线T568A规定的连接方法1—白–绿（就是白色的外层上有些绿色，表示和绿色的是一对线）；2—绿色；3—白–橙（就是白色的外层上有些橙色，表示和橙色的是一对线）；4—蓝色；5—白–蓝（就是白色的外层上有些蓝色，表示和蓝色的是一对线）；6—橙色；7—白–棕（就是白色的外层上有些棕色，表示和棕色的是一对线）；8—棕色。北京邮电大学网络教育学院2.3.1双绞线T568B规定的连接方法1—白–橙；2—橙色；3—白–绿；4—蓝色；5—白–蓝；6—绿色；7—白–棕；8—棕色。北京邮电大学网络教育学院2.3.2同轴电缆同轴电缆用来传递信息的一对导体是按照一层圆筒式的外导体套在内导体（一根细芯）外面，两个导体间用绝缘材料互相隔离的结构制选的，外层导体和中心轴芯线的圆心在同一个轴心上，所以叫做同轴电缆，其结构如图2-16所示。图2-16同轴电缆结构北京邮电大学网络教育学院2.3.2同轴电缆同轴电缆分为有多种类型，宽带同轴电缆和基带同轴电缆。有线电视用的是宽带同轴电缆，可以同时传输不同频率的多路模拟信号，特性阻抗为75，带宽为300～450MHz，传输距离为100km，需要放大器支持。基带同轴电缆只用于一个信道，特性阻抗为50，用于数字传输，是计算机网络曾经普遍使用的一种传输介质。北京邮电大学网络教育学院2.3.2同轴电缆基带同轴电缆分为两种，细缆和粗缆。细

缆粗

缆阻抗5050直径传输速率10Mbit/s10Mbit/s单段距离中继数44网段数量55站点最远距离2

每个干线最大节点数30100特点价格低安装方便抗干扰能力强距离短可靠性差价格稍高安装方便抗干扰能力强距离中等可靠性好表2-3

细缆和粗缆的比较北京邮电大学网络教育学院2.3.3光纤光纤传输系统主要由三部分组成：光源（又称光发送机），传输介质和检测器（又称光接收机），如图2-17所示。图2-17光纤通信系统的基本构成北京邮电大学网络教育学院2.3.3光纤光纤由石英制成，跟玻璃成分一样，只是纯度极高，透明性极好。光纤的结构和同轴电缆相似，如图2-18所示。图2-18光纤结构北京邮电大学网络教育学院2.3.3光纤根据光纤传输数据模式的不同，分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤：光在光纤中有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播，这种光纤直径较粗。单模光纤：光在光纤中的传播没有反射，而沿直线传播。这种光纤的直径非常细，使光线沿直线向前传播。图2-19两种光纤传输示意图北京邮电大学网络教育学院2.3.3光纤单模光纤和多模光纤的特性差别很大，在企业中基本都使用多模光纤。表2-4所示说明了它们的差别。表2-4

两种光纤性能比较单模光纤多模光纤距离长短数据传输速率高低光源激光发光二极管信号衰减小大端接较难容易造价高低北京邮电大学网络教育学院2.3.4无线无线传输介质通过自由空间传输，不需要架设或铺埋电缆或光纤。虽然使用的是自由空间，但它也有几种不同的传输方式：无线电传输、微波传输、地球卫星通信、激光传输和红外线传输等几种。北京邮电大学网络教育学院2.3.4无线1．无线电短波传输无线电和光波一样都是电磁波，是电场和磁场相互叠加而形成的。无线电波很容易产生，也可以传输很长的距离，具有较强的穿透能力，所以无线电波被广泛应用于通信领域。在无线电传输中，短波通信应用最广，它的波长为10～100m（频率为3～30MHz）。短波通信也存在一些不足，主要是无法抵御窃听和各种有意的干扰。北京邮电大学网络教育学院2.3.4无线2．地面微波传输微波的频率范围为300MHz～300GHz，在这个范围内，它在空中主要沿直线传播，可经电离反射到很远的地方。微波通信如图2-20所示。图2-20微波通信北京邮电大学网络教育学院2.3.4无线地面微波接力通信的主要优点：（1）容量大（2）质量高（3）投资小微波接力通信的缺点：（1）容易失真（2）易受环境因素影响（3）安全性差（4）维护难度大北京邮电大学网络教育学院2.3.4无线3．卫星通信图2-21卫星通信北京邮电大学网络教育学院2.3.4无线卫星通信的主要优点:（1）通信范围大：只要卫星发射的波束覆盖的范围均可进行通信。（2）不易受陆地灾害影响。（3）建设速度快，通信容量大，通信距离远。（4）易于实现广播和多址通信。（5）电路和话务量可灵活调整，且通信费用与通信距离无关。（6）同一信道可用于不同方向和不同区域。卫星通信的主要缺点:（1）信号到达有延迟。（2）10GHz以上频带受天气的影响。（3）天线受太阳噪声的影响。（4）安全保密性较差，造价高。北京邮电大学网络教育学院2.3.4无线4．激光传输大气激光通信系统主要由大气信道、光发送机、光接收机、光学天线（透镜或反射镜）、电发送机、电接收机、终端设备、电源等组成，有的还备有遥控、遥测等辅助设备。激光的频率单一，能量高度集中，波束非常细密，波长在微波到红外之间。北京邮电大学网络教育学院2.4物理层传输设备2.4.1中继器2.4.2集线器北京邮电大学网络教育学院2.4.1中继器中继器是连接网络线路的一种装置，用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互连设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。“5-4-3规则”:指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，使用4个中继器，最多只能有3个子网段连接PC，其他两个用来延长距离，不能连接PC。现在，已经很难见到中继器，中继器已被其他的设备取代。北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器集线器一般会有多个端口，也就是RJ-45插座。还可能会有光纤口或者同轴电缆接口，但这种接口，现在基本上很少在集线器上出现。图2-22所示是一个很小的集线器。图2-22集线器的外观北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器1．集线器工作原理在集线器内部只有一条数据总线，数据的发送和接收共用这一条总线。当两个计算机同时发送数据时就会出现信号碰撞现象，集线器需要处理这种总线冲突。集线器属于纯硬件网络底层设备，采用广播方式发送。图2-23广播方式数据发送北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器1．集线器工作原理这种广播发送数据方式有以下方面不足：（1）用户数据包向所有节点发送，很可能带来数据通信的不安全因素，因为这些数据网络上的所有主机都能收到；（2）由于所有数据包都是向所有节点同时发送，加上共享带宽，更加降低了数据传输速率；（3）集线器的同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信，不能满足大型网络通信需求。北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器2．集线器之间的连接（1）堆叠方式堆叠方式是指将多台集线器的堆叠端口使用电缆连接起来，以实现单台集线器端口数的扩充，这种方式只能用在有堆叠端口的集线器上。一个可堆叠集线器中一般同时具有“UP”和“DOWN”堆叠端口，如图2-24所示。图2-24集线器堆叠口北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器2．集线器之间的连接（2）级联方式级联是另一种集线器端口扩展方式，这种方式通过集线器的普通或特定端口来进行连接。北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器①使用Uplink端口级联大多数集线器都有Uplink级联端口，如图2-27所示的就是一款带有Uplink端口的集线器。当使用集线器提供的专门用于上行连接的Uplink端口时，可利用直连线将该端口连接至其他集线器上除Uplink端口外的任意端口，如图2-28所示。图2-27集线器的级联口图2-28集线器级联口连接北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器②使用普通端口级联有些集线器使用一个普通端口兼作Uplink端口，并利用一个开关（MDI/MDI-X转换开关）在两种类型间进行切换，如图2-29所示。图2-29集线器的切换开关北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器集线器间除了可以使用级联端口级连外，还可以通过集线器的普通端口进行级联。不过，这时所用的连接双绞线是交叉线，如图2-30所示。图2-30集线器通过普通端口连接北京邮电大学网络教育学院2.4.2集线器集线器间的级联除了能够增加集线器的端口数量外，还有一个重要作用就是延伸局域网络的范围，同时也扩展了集线器的端口数量。如图2-31所示。图2-31扩展网络范围北京邮电大学网络教育学院2.5

拨号上网技术·2.5.1网络结构·2.5.2RS-232-C·2.5.3调制解调器北京邮电大学网络教育学院2.5.1网络结构图2-32拨号上网的网络结构北京邮电大学网络教育学院2.5.2RS-232-CRS-232-C标准（协议）的全称是EIA-RS-232-C标准。RS-232标准把连接设备分为DTE和DCE两种类型。DTE与DCE之间的接口有多条并行线，包括信号线和控制线。DCE将DTE传过来的数据，按比特顺序逐个发往传输线路，或者反过来，从传输线路收下来串行的比特流，然后再交给DTE。这个过程需要高度协调的工作，也需要堆DTE和DCE的接口进行标准化，它就是RS-232-C接口标准，属于物理层协议。北京邮电大学网络教育学院2.5.2RS-232-C1．RS-232-C的机械特性2．RS-232-C的电气特性3．RS-232-C的功能特性4．RS-232-C的过程特性北京邮电大学网络教育学院2.5.3调制解调器1．调制方式2．调制解调器分类3．工作模式北京邮电大学网络教育学院1．调制方式幅移键控法（Amplitude-ShiftKeying，ASK）简称调幅（AmplitudeModulation，AM）频移键控法（Frequency-ShiftKeying，FSK）简称调频（FrequencyModulation，FM）相移键控法（Phase-ShiftKeying，PSK）简称调相（PhaseModulation，PM）正交幅度调制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）北京邮电大学网络教育学院1．调制方式图2-37调制方式北京邮电大学网络教育学院2．调制解调器分类按通信设备对调制解调器进行分类，可将调制解调器分为拨号调制解调器和专线调制解调器。按数据传输方式进行分类，可将调制解调器分为同步调制解调器和异步调制解调器。按通信方式对调制解调器进行分类，可分为单工、半双工和全双工3种。按传输速率进行分类，可将调制解调器分为低速、中速和高速。按调制解调器支持的物理接口的不同，又可将其分为支持RS-232-C接口、RS-449接口、RS-530接口、V.35接口、X.21接口和USB接口等物理接口的调制解调器。北京邮电大学网络教育学院3．工作模式命令模式（commandmode）数据模式（datamode）北京邮电大学网络教育学院2.6ADSL技术·2.6.1网络结构·2.6.2ADSL信道北京邮电大学网络教育学院ADSL技术xDSL系列技术非对称数字用户线环路（AsymmetricalDigitalSubscriberLoop，ADSL）是xDSL家族成员中的一员，被欧美