计算机网络基础任务教程模板-项目2 物理层与数据通信技术

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1教学目标了解计物理层的基本概念，物理层使用的传输介质及其特性掌握网络结构化布线技术理解并掌握几种典型的数据传输技术123认识几种常用的物理层标准4Page

2教学内容任务1了解物理层任务2认识传输介质任务3掌握网络结构化布线技术任务4了解数据通信技术任务5了解数据交换技术任务6认识几种常用的物理层标准任务1了解物理层Page

3物理层：物理层处于计算机网络OSI参考模型的最低层，是整个开放系统的基础，为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。比特是信息量的度量单位，即一个二进制位，同时也是物理层的数据传输单位。物理层的主要功能：为网络提供物理连接，该层将信息从一台主机通过传输介质送往另一台主机，实现主机之间的比特流传送。为数据端设备提供传送数据的通路。传输数据。完成物理层的一些管理工作。任务1了解物理层Page

4物理层的媒体和互连设备：物理层的媒体主要包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等设备。DTE与DCE之间的接口任务1了解物理层Page

5物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。机械特性。也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点。ISO标准化DCE连接器：ISO-2110、ISO-2593、ISO-4902、ISO-4903、RJ-45。电气特性。物理层的电气特性说明了数据交换信号以及有关电路的特性。国际电信联盟（ITU）定义DTE/DCE接口的各根导线的电气连接方式有采用差动接收器的新型非平衡方式（V.10/X.26）、新型平衡方式（V.11/X.26）和非平衡方式（V.28）三种。任务1了解物理层Page

6功能特性。物理层的功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其他信号之间的关系，也就是物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。规程特性。物理层的规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，依据这些控制步骤的实施，可以使比特流的传输顺利完成。任务2认识传输介质Page

7传输介质：是指数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，它又称为传输媒体或传输媒介。计算机网络中采用的传输介质可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。导向传输媒体。在两个通信设备之间实现的物理连接部分，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，从一个设备传输到另一个设备。非导向传输媒体。指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传播。任务2认识传输介质Page

8同轴电缆：同轴电缆是由绕在同一轴线上的一对导体组成，导体因按“同轴”形式构成一组线对，故得名同轴电缆。具有更高的带宽和极好的噪声抑制特性，并具有连接简单、屏蔽性较好、有较强的抗干扰能力、在更高速度上可以传输得更远的特点。同轴电缆结构任务2认识传输介质Page

9同轴电缆分类。按照特性阻抗数值：基带同轴电缆。宽带同轴电缆。根据其直径大小：粗同轴电缆。细同轴电缆。常用的同轴电缆：50Ω──RG-8、RG-11、RG-58；75Ω──RG-59；93Ω──RG-62。任务2认识传输介质Page

10双绞线：由一对或者一对以上的相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕（一般以逆时针缠绕）在一起而制成的一种传输介质，属于信息通信网络传输介质。双绞线结构双绞线实物任务2认识传输介质Page

11双绞线的分类。按照与外层绝缘封套之间是否有金属屏蔽层来区分：非屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair，UTP)。屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair，STP)。根据其电气性能划分：

一类线（CAT1）；二类线（CAT2）

三类线（CAT3）；四类线（CAT4）

五类线（CAT5）；超五类线（CAT5e）

六类线（CAT6）；超六类或6A（CAT6A）

七类线（CAT7）双绞线类型数字越大，版本越新，技术越先进，带宽也越宽，但同时价格也越贵。任务2认识传输介质Page

12光缆：光缆是为了满足光学、机械或环境的性能规范而制造的，它是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组件。光缆的基本结构任务2认识传输介质Page

13光缆的传输原理。光纤的一端的发射装置使用发光二极管（LED）或一束激光通过将电信号变为光信号，使光脉冲传送至光纤，在另一端由光接收装置使用光敏元件检测脉冲接收光纤上传来的光信号，并把它变为电信号，经解码后再处理。光缆的分类：光缆传输的光源可以采用两种不同类型的发光管：发光二极管LED。（多模光纤）注入型激光二极管ILD。（单模光纤）任务2认识传输介质Page

14无线传输：无线传输是指可利用无线电波在自由空间的传播实现多种无线通信，而不需要架设或铺埋电缆或光缆。无线电技术的原理在于导体中电流强弱的改变会产生无线电波。微波。微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波在自由空间沿直线传播，不会被大气电离层反射回地面而直接进入宇宙空间，在使用微波进行长距离的通信时，目前主要采取两种方式：任务2认识传输介质Page

15地面微波接力通信。特点：通信信道容量大。微波传输质量高。建设投资少，见效快。缺点：易失真。恶劣气候影响。隐蔽性和保密性较差。耗费人力物力。地面微波接力通信示意图任务2认识传输介质Page

16卫星通信。特点：通信范围大。可靠性高。开通电路迅速。多址特点。电路设置灵活。多址联接。卫星通信系统示意图任务2认识传输介质Page

17红外线。红外通信主要是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。原理。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉冲信号转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。特点：容量大、保密性强、抗电磁干扰性能好、设备结构简单、体积小、重量轻、价格低。缺点：大气信道中传输时易受气候影响，不能穿透坚实的物体。任务2认识传输介质Page

18激光。激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。激光通信就是一种利用激光传输信息的通信方式。特点：通信容量大。保密性强。结构轻便，设备经济。通信距离限于视距，易受气候影响。瞄准困难。任务3掌握网络结构化布线技术Page

19布线系统两种模式：传统布线模式结构化布线模式弊端：在线路路由上存在过多的牵制，管理错综复杂。重复施工造成材料和人员的浪费。各子系统独立，互不兼容。不具备开放性和灵活性。难于维护和管理。难于扩展。特点：实用性。灵活性。开放性。模块化。扩展性。经济性。任务3掌握网络结构化布线技术结构化布线系统的组成。结构化布线系统的组成任务3掌握网络结构化布线技术工作区子系统。工作区子系统由终端设备连接到信息插座的连线组成，是一个从信息插座延伸至终端设备的区域。该子系统包括水平配线系统的信息插座、连接信息插座和终端设备的跳线以及适配器。工作区子系统示意图任务3掌握网络结构化布线技术水平布线子系统。水平布线子系统是指从工作区子系统的信息点出发，连接管理子系统的通信中间交叉配线设备的线缆部分，也叫分支干线子系统或水平干线子系统。水平布线子系统示意图任务3掌握网络结构化布线技术水平布线子系统传输介质：特性阻抗为100欧姆的非屏蔽双绞线电缆（UTP）。特性阻抗为150欧姆的屏蔽双绞线电缆（STP）。62.5/125微米光缆。水平布线子系统布线类型：直接埋管线槽方式。先走线槽再分管方式。地面线槽方式。任务3掌握网络结构化布线技术管理子系统。结构化布线系统的管理子系统也叫配线系统，主要由交接间的线缆、配线设备及输入/输出设备等设施组成，所用设备多设置于每层配线设备的房间内，可实现垂直干线子系统和水平布线子系统之间的有效连接。交接设备连接方式的选用，应符合如下规定：交接线连接方式主要应用于对楼层上的线路进行较少修改、移位或重新组合的情况。插接线连接方式主要应用于经常需要重组线路情况。在交接场地之间应留出空间，以便容纳未来扩充的交接硬件。任务3掌握网络结构化布线技术设备间子系统。设备间子系统是建筑物内多个系统、多种设备的集中化设备区，主要用于安置系统公共设备，如程控交换机、核心交换机、主机、服务器、配线连续设备及建筑自动化和保安系统，它通过垂直干线子系统连接至管理子系统，使用电缆或光缆接收建筑物内所有楼层传输过来的数据信息，是结构化布线系统最主要的管理区域。设备间子系统的设计既要遵守有关标准和技术规范，根据选用设备及安装要求进行设计和规划，又要满足采光、防尘、隔音等工作环境的要求。设备间应尽量满足以下三个方面的要求：电源；防火；防雷任务3掌握网络结构化布线技术建筑群子系统。建筑群子系统也叫户外子系统、楼宇管理子系统，它是将一个建筑物中的电缆延伸到建筑群的另外一些建筑物中的通信设备和装置上。建筑群子系统的主要特点和设计原则：建筑群子系统中，各种设施及设备受客观环境和建设条件影响较大。不应只以局部的需要为基点，使全程全网的传输质量有所降低。必须按照本地区通信线路的有关规定办理。缆线铺设应符合远期发展规划，且与近期需要和现状相结合，使传输线路建设后能长期稳定，安全可靠地运行。避免重复建设，节省工程投资。任务3掌握网络结构化布线技术结构化布线系统中的传输媒体。结构化布线系统中的传输媒体，就是指连接布线系统网络中各个信息节点的物理通道，是各种数据信息能够在布线系统中正确、快速传输的物质保障。同轴电缆。在现在多数的局域网环境中，同轴电缆基本已被双绞线所取代。双绞线。双绞线是一种价格便宜、安装方便、可靠性较高的传输媒体。光纤电缆。一般主干线都由光纤电缆组成。任务3掌握网络结构化布线技术结构化布线系统中的连接部件。结构化布线系统中的配线架或各种接续设备和各种传输媒体的连接硬件，都属于布线系统的连接部件。配线架。双绞线连接设备。同轴电缆连接设备。光缆连接设备。中继器。集线器。收发器。任务3掌握网络结构化布线技术结构化布线系统标准。进行结构化布线系统的设计和施工作业时，应严格遵守国家和行业有关部门制定的各项标准和规范，主要的标准和规范有：EIA/TIA568商业建筑电信布线标准。ISO/IEC11801建筑物通用布线的国际标准。EIA/TIATSB-67非屏蔽双绞线系统传输性能验收规范EIA/TIA569民用建筑物通信通道和空间标准。EIA/TIA606商业及建筑物电信基础结构的管理标准。EIA/TIA民用建筑中有关通信接地标准。EIA/TIA民用建筑通信管理标准。任务3掌握网络结构化布线技术GB/T50311-2000建筑与建筑群综合布线工程系统设计规范。GB50311-2007综合布线系统工程设计规范。GB/T50312-2000建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范。CECS72:97建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范。CECS82:97建筑与建群综合布线系统工程施工与验收标准JGJ/T16-92民用建筑电气设计规范。GBJ232-82电气装置安装工程施工及验收规范。YD/T2008-93城市住宅区和办公楼电话通信设施设计标准电气及电子工程师学会IEEE802标准。任务4了解数据通信技术信号与信道。信号。信号是数据在传输过程中的电磁波的表示形式，是与实际对应的、以电磁形式表示的连续或者离散的数据根据信号的表示方式不同，信号分为模拟信号和数字信号两种。模拟信号和数字信号任务4了解数据通信技术信道。在数据通信系统中，信道是信息从发送端到接收端所经过的传输介质，是传送信号的通路。信道的最大传输率还与线路所受电磁干扰强弱有关，实际信道数据传输率的上限值、即信道容量的香农(Shannon)公式为：公式中：C--信道容量，即信道最大传输率bps。 B--信道频带Hz。 S--信道中信号功率。 N--信道中电磁噪声功率。

任务4了解数据通信技术信息在信道上的通信方式。通信线路上传输的数据信息是有方向的，根据数据信息在信道上传输的方向，可把数据通信方式分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种。

三种通信方式任务4了解数据通信技术带宽与时延。带宽的定义。带宽有两种不同的意义：在计算机网络系统，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。指信号具有的频带宽度，信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，带宽在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。通常，信道容量和信道带宽具有正比的关系，带宽越大，容量越高，所以要提高信号的传输率，信道就要有足够的带宽。任务4了解数据通信技术信道带宽。信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。

带宽模拟通信系统或传输介质中数字通信系统中信号频率的通频范围,单位为赫兹数字系统中数据的传输速率，其表示单位为比特/秒(bit/s)或波特/秒(Baud/s)任务4了解数据通信技术时延。在计算机网络中，时延是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一个端所需要的时间。由发送时延、传输时延和处理时延三个部分组成：发送时延是结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间，其计算公式为：发送时延=数据块长度/信道带宽传输时延是电磁波在信道中需要传输一定的距离而花费的时间，其计算公式为：传输时延=信道长度/电磁波在信道上的传输速率处理时延是数据在交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所需要的时间。传输数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延=发送时延+传输时延+处理时延任务4了解数据通信技术数据通信方式。计算机网络通信系统中有两种基本的通信：并行通信。并行通信同时传输多个数据位，一般至少有8个数据位同时在两台设备之间传输，一个码字的所有码元并排，同时传输。串行通信。串行通信是指通信时的数据流以串行方式在信道上传输。串行传输是一位一位地传送，即同时只传输一个比特位，从发送端到接收端只需一根传输线即可。任务4了解数据通信技术同步方式。在串行通信中，通信双方的收发数据序列必须取得一致，这样才能使接收方准确地区分和接收发送方发送来的每一位数据，保证接收的数据与发送的数据相同，这就是通信中的同步。异步传输。异步传输方式以字符为单位传输数据，并且同一个字符内相邻两位的间隔是固定的，而两个字符间的间隔是不固定的，即字符内同步，字符间异步。任务4了解数据通信技术异步传输特点：每个字符代码前后的起始和停止位标识字符的开始和结束。起始和停止位兼做线路两端的同步时钟，不再需要额外时钟同步字符之间间隔任意。速率较低，适合于误码率高及对数据速率要求低的线路。异步传输任务4了解数据通信技术同步传输。同步传输不是以字符为单位而是以数据帧为单位传输的。同步传输方式的传输效率比较高，开销小，但如果在传输的数据中有一位出错，就必须重新传输整个数据块，而且控制也比较复杂。同步传输任务4了解数据通信技术基带传输与数字信号编码。基带传输。在数字通信信道上，基带传输就是对基带信号不加调制而直接在通信线路中进行传输，它将占用线路的全部带宽，也就是数字数据被转换成电信号时，利用原有电信号的固有频率和波形在线路上传输，故也可称为数字基带传输。数字信号的基带传输。在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传送，我们称之为数字信号的基带传输。任务4了解数据通信技术数字数据的数字信号编码。数字数据的数字信号编码，就是要解决数字数据的数字信号表示问题，即通过对数字信号进行编码来表示数据。表示二进制数字的码元的形式不同，便产生不同的编码方案，主要有如下几种：不归零编码（Non-ReturntoZero，NRZ）曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）差分曼彻斯特编码（DifferenceManchesterEncoding）任务4了解数据通信技术频带传输与模拟信号编码。频带传输。频带传输是指将数字信号调制成模拟信号再发送和传输，到达信宿时再把调制信号解调成原来的数字信号，通常调制解调器就是实现频带传输这种功能的互联网设备。调制方式示意图任务4了解数据通信技术频带传输的调制方式有三种：调幅（ASK）调幅又称振幅键控法ASK（Amplitude-ShiftKeying），是按照数字数据的取值来改变载波信号的振幅。调频（FSK）调频又称为频移键控方式FSK（Frequency-ShiftKeying），即用数字数据的取值去改变载波的频率。调相（PSK）调相又称为相移键控法PSK（Phase-ShiftKeying），是相位调制的简称，它是用载波信号的不同相位来表示二进制数。任务4了解数据通信技术模拟信号数字传输。大多数数据都是连续的模拟数据，对应的是模拟信号，因此首先要转换成为数字信号才能在数字通信网中传输处理。将模拟信号转换成数字信号要经过以下三个步骤：采样。量化。编码。任务4了解数据通信技术多路复用技术。多路复用技术。多路复用技术就是将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来，这样使一条物理信道资源被多路信号共享。多路复用技术的基本原理是：各路数据信号进入同一个传输介质传输之前，就先采用调制技术调制成不会互相混淆干扰的信号，然后再经过传输介质传送到接收端，而接收端通过解调技术将这些数据信号进行处理，使它们转换成原来的数据信号，从而达到多路复用的目的。任务4了解数据通信技术多路复用技术的类型：频分多路复用（FDM）频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing）是指，当传输介质的可用带宽超过各路给定信号所需要的带宽的总和时，可以把多个信号通过调制的方式使之在不同的载波频率上，从而实现在同一传输介质上同时可以传送多路信号的技术。频分多路复用任务4了解数据通信技术多路复用技术的类型：时分多路复用技术（TDM）时分多路复用技术（TimeDivisionMultiplexing）是指各路信号的数据传输速率的综合已经超过传输介质所能达到的数据传输速率时，可以将传输介质按时间分成若干时间片段，轮换地分配给多路数据信号使用，每一路数据信号在自己的时间片段内可独占传输介质进行传输数据，每一个时间片段由复用的一个信号占用，这样利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条传输戒指上传送多个数据信号。时分多路复用技术又分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种。任务4了解数据通信技术多路复用技术的类型：波分多路复用技术（WDM）波分多路复用技术（WavelengthDivisionMultiplexing）是一种光纤传送技术，它在一定的宽度上传输的光信号调制在特定的频率上，然后将调制后的信号复用在一根光纤上，不同的信息发送方使用不同波长的光波来传输数据，各路光波合成一个光束在光纤传输道路上，在信息接收端利用相同的设备将各路光波分开，经过这样的复用技术，可以使光纤的传输能力提高几十倍。码分多路复用技术（CDM）码分多路复用技术的特点是，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行数据传输，这是一种共享传输介质的方法，且通信双方之间不会互相干扰，因而抗干扰能力强。任务5了解数据交换技术电路交换。电路交换（CircuitSwitching）是指在进行通信的两个设备之间建立起一条实际的物理通路，并且要求在整个数据传输过程中，建立的通路为独占通路。电路交换的通信过程。电路建立。数据传输。电路释放。任务5了解数据交换技术电路交换的特点。数据传输可靠、迅速，数据不会丢失并且可以保持原来的序列，且数据传输是实时通信，传输延时比较小。对于发送方和接收方要传输的数据的格式和类型都没有具体的限制，只要发送方和接收方通信类型一致即可。在数据传送开始之前就需要设置一条专用的传输通路，在线路释放之前，这条通路由一对用户完全占用，在两台主机之间已建立的物理线路连接为此次通信专用，因而电路利用率很低，因此这种交换技术适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。电路交换时，由于数据直达，通信子网中的节点不能存储数据，不能改变数据