计算机网络理论与实践 教案 第2章 物理层

课题名称第1章物理层计划课时8课时内容分析本章主要介绍了物理层的功能、作用与特性，讲述了数据通信的基础知识，描述了数据通信的三种方式。详细讲述了数据交换的三种基本方式。描述了物理层之下的传输媒体并且介绍了每种传输介质的分类、特点以及性能参数指标。最后描述了同步光纤网与同步数字系列的概念和特点。教学目标及基本要求理解数据通信基础知识 了解常见的传输媒体理解同步光纤网与同步数字系列概念和特点教学重点数据通信基础知识常见传输媒体教学难点数据通信基础知识教学方式以PPT讲授为主，并结合多媒体进行教学教学过程2.1数据通信的基础知识（4课时）对数据通信相关的基本概念，基本原理和技术进行描述。127292.1.1数据通信系统模型通信系统包括发送系统、传输系统和接收系统。发送系统：包括信源和发送器。信源即产生数据的设备，比如计算机或者其他终端设备。接收系统：包括接收器和信宿。接收器即进行信号译码的设备，通常为调制解调器，译码使用其中的解调功能。信宿即最终接收数据的终端设备，比如计算机等设备。2.1.2数据通信基本概念数据通信的基本概念包括信息、数据、信号和信道。信息（information）：数据通信主要目的是信息交换，信息是数据经加工处理后得到的有意义的符号序列。数据（data）：数据是信息的载体，分为模拟数据和数字数据。计算机内部存储的二进制数据是数字数据，是由离散的电信号所表示的。当采用电波表示数据时，则为模拟数据。信息与数据既有联系，又有区别。数据是信息的表现形式和载体，而信息是数据的内涵，信息是数据加工处理后得到的，对数据做出具有含义的解释。信号：信号是数据的电子或电磁表现形式，分为模拟信号和数字信号。信道：信道是通信双方以传输媒介为基础的传输信息的通道，表示某一个方向上传送信息的媒体。174792.1.3模拟信号数字化模拟信号转换为数字信号，即模拟信号的数字化编码。模拟数据数字化编码的常用方式是脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM）。它在卫星通信，数字微波通信、光纤通信等领域得到广泛应用。模拟信号数字化流程包括采样、量化以及编码三个环节。（1）采样（Sample）：采样作为模拟信号数字化的首要环节。每隔一定的时间，把连续变化的模拟信号所对应的电平幅度值抽取出来，作为样本基数，再根据样本基数将原信号表示出来，这个过程称为采样。（2）量化（Quantizing）：即采样获得的样本幅度，依据量化级别进行取值的全过程，即取整。该环节完成之后，脉冲序列就转化为数字信号。（3）编码（Encoding）：量化后，采样的样本用二进制码表示。编码是将一种数字信号转换为另一种数字信号。调制需要载波，载波把基带信号的频率范围提升到较高频段，将数字信号转换成模拟信号。常用的编码方式有归零码、不归零码、曼彻斯特、差分曼彻斯特编码。常用的调制方法有调幅、调频和调相。2.1.4编码与调制技术编码是将一种数字信号转换为另一种数字信号。调制需要载波，载波把基带信号的频率范围提升到较高频段，将数字信号转换成模拟信号。常用的编码方式有归零码、不归零码、曼彻斯特、差分曼彻斯特编码。（1）归零码（ReturntoZero，RZ）：通过编码在发送“0”或“1”时，单位码元时间内返回初始状态（零）的编码方式，正脉冲表示1，负脉冲表示0。（2）不归零码（Non-ReturntoZero，NRZ）：通过编码在发送“0”或“1”时，单位码元时间内，不返回初始状态（零）的编码方式。用正电平表示1，负电平表示0。（3）曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）：即自同步码，是指用通过编码发送信息时，时钟同步信号一并传输。按照位周期中心的跳变方向表示0还是1。如向上跳变表示0，向下的跳变表示1。（4）差分曼彻斯特编码（DifferentManchesterEncoding）：是曼彻斯特编码的一种变形。该编码方式在每一位中心保持跳变，位起始边界有跳变表示0，位起始边界没有跳变表示1。常用的调制方法有调幅、调频和调相。（1）（2）调频(FM)：载波信号的频率伴随着基带信号的变化而变化。0或1分别对应不同的频率。（3）调相(PM)：载波信号的初始相位随基带信号的变化而变化。例如0或1分别对应相位0度或180度。221992.1.5信道的极限容量信道容量是衡量信道传输数字信号能力的重要指标，是单位时间内，理论上信道传输数据的最大值，单位是b/s。奈奎斯特（Nyquist）（简称奈氏）提出信道无噪声干扰的情况下，码元传输速率的最高值与信道带宽的关系进而给出表示信道传输数据能力的奈奎斯特公式：C=2×W×log2N

其中，N表示作为数据载体的码元实际能够取得的离散值的个数，要想提高信道的最高传输率C值，可以提高信道带宽，或者提高每个码元能够取得的离散值的个数，即N值。1948年，信息论创始人香农（Shannon）在奈奎斯特的工作基础上，把奈奎斯特提出的无噪声干扰信道的传输容量，扩展到受噪声干扰情况下，信道的极限信息传输速率，即香农公式C=Wlog2其中，W为信道带宽(以Hz为单位）；S为信道内传输信号的奈氏准则和香农公式的主要区别：奈氏准则规定了码元传输速率是有限的，无法任意提高，不然会由于码元之间的干扰，接收方无法正确识别码元。奈氏准则没有给出信息传输速率（b/s）的具体上限值，只是说明了要想提高信息传输速率，就需要设计更好的编码技术，使得每一个传输中的码元可以携带更多的比特信息，即离散值，从而提高传输速率。平均功率；N为信道内部高斯噪声功率；S/N为信噪比，单位为分贝；C为信道的极限信息传输速率。265702.1.6信道复用技术数据通信中，物理信道能提供的通信资源往往远大于通信双方的实际需求，可以采用多路复用技术来提高通信能力。多路复用技术包括：频分复用、时分复用、波分复用和码分复用。频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）：频分复用是将一条物理信道的总带宽划分成若干频带宽度，每条频带宽度形成一条逻辑信道时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）：将共享信道的占用时间，划分成等长时间片，轮流供不同信道使用。波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）：光纤作为新型传输媒体，不同信道在不同波长的子信道中传输数据。码分复用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）：每个信道在相同时间，占用相同频带进行通信。不同用户以不同码型通信，用户之间不会干扰。2.1.7数据通信方式数据通信方式有三种：单向通信、双向交替通信和双向同时通信。单向通信：又称单工通信，即发送方与接收方之间是一条单向通信信道，数据只能沿一个方向传输。双向交替通信：又称半双工通信。指数据信号可在两个方向传输，通信双方都可以发送数据，但在某一分组交换个时刻数据仅能沿一个方向传输。双向同时通信：又称全双工通信，指同时可在两个方向上传输数据。2.1.8数据交换技术计算机网络中，数据从源站到目的站，要经过中间节点（如交换机、路由器等）的转发才能实现。这种转发过程就是数据交换过程。从通信资源分配的角度看，交换的本质是按照某种方式动态分配传输线路资源。常见的数据交换方式有电路交换和存储交换，存储交换又分为报文交换和分组交换。电路交换是传统电话网络使用的数据交换技术。报文交换是电报系统使用的数据交换技术。分组交换是计算机网络使用的数据交换技术。2.2传输媒体（2课时）277712.2.1双绞线电缆双绞线电缆（TwistedPairwire，TP）是网络通信中常见的导引型传输媒体，比如平常使用的网线，也称为对称双绞电缆、双扭绞线电缆或者平衡电缆。按双绞线电缆是否包裹有金属屏蔽层分类，双绞线电缆分为非屏蔽双绞线电缆和屏蔽双绞线电缆。（2）按双绞线电缆性能（带宽）指标分类：双绞线电缆分为1类、2类、3类、5类、6类、7类、8类双绞线电缆。（3）按双绞线电缆特征阻抗（是一种双绞线电气性能指标）分类：有100欧姆、120欧姆、150欧姆等几种。（4）按双绞线电缆所包含的双绞线对数分类：有电话通信中常用的1对、2对双绞线电缆。计算机网络通信常用的是4对，以及25对、50对、100对等大对数双绞线电缆。双绞线的电气性能指标如下：特征阻抗直流环路电阻衰减近端串音近端串音功率和衰减串音比值远端串扰等电平远端串音等电平远端串音功率和回波损耗（ReturnLoss，RL）传播时延传播时延偏差插入损耗2.2.2同轴电缆传统的有线电视又称为闭路电视，传输媒体使用的是同轴电缆。2.2.3光缆在通信领域，信息传输的速率提高的非常快，从20世纪70年代的56Kbit/s（使用铜线）提高到现在的数百Gbit/s（使用光纤），并且这个速率还在不断提高。所以光纤通信已经成为现代通信技术中的一个十分重要的领域。光纤即光导纤维的简称，光导纤维是一种质地非常纤细并且非常柔韧的介质，它可以是一根玻璃丝或塑胶纤维。光纤非常细，连包层一起的直径也不到0.2mm，因此需要将光纤做成很结实的光缆。光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。光纤的结构由纤芯、包层和涂覆层组成。按制作光纤的材料可以分为：玻璃光纤、胶套硅光纤以及塑料光纤。按光在光纤中的传输模式可分为：多模光纤和单模光纤。按光纤横截面上的折射率分布，可以分为均匀光纤和非均匀光纤两种。按光纤的工作波长分类，有短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。影响光纤的传输性能的因素主要有光源与光纤的耦合程度、光纤的数值孔径、光纤损耗、光纤的模式带宽、光纤的色散和截止波长。2.2.4无线传输利用无线电波在自由空间中传播的特性，实现灵活通信即无线传输。常见无线传输方式有无线电波、微波、卫星通信、红外线、激光等。2.3同步光纤网与同步数字系列（1课时）早期数字传输系统有两个主要的缺点：（1）基于光纤的数据传输在国际范围内难以实现。（2）非同步传输。为了降低传输成本，在过去相当长的一段时间内，各国数字网络主要采用的是准同步传输方式。这种准同步系统中，各支路信号的时钟频率会有偏差，这样给复用和分用带来麻烦。在高速率数据传输时，发送方和接收方的时钟同步问题难以解决。为了解决上述问题，美国在1988年制定出数字传输标准，即同步光纤网（SynchronousOpticalNetwork，SONET）2.4实验（1课时）实验1：制作双绞线实验2：交换机初始配置及其Console端口配置159502.5本章小结本章主要介绍了物理层的功能、作用与特性，即机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。讲述了数据通信的基础知识，包括数据通信系统基本模型、信息与数据的概念；模拟数据数字化、编码与调制技术。信道的三种复用方式，即频分复用技术、时分复用技术、波分复用技术和码分复用技术。讲述了数据通信的三种方式，包括单工通信、半双工通信和全双工通信。详细说明了数据交换的三种基本方式，包括电路交换，报文交换和分组交换。具体讲述了计算机网络采用的数据交换方式，即分组交换。详细描述了物理层之下的传输媒体，包括有线传输媒体：双绞线、光纤、同轴电缆；无线传输媒体：无线电波、微波、卫星通信等。而后介绍了每种传输介质的分类、特点以及性能参数指标。最后介绍了同步光纤网与同步数字系列的概念和特点。思考题和习题习题一、选择题1.在下列传输媒体中，采用RJ-45连接头作为连接器件的是（）。 A．同轴电缆 B．单模光纤 C．4对8根UTP D．电话线2.在下列传输媒体中，哪一个受到电磁干扰最小（）。 A．屏蔽双绞线 B．通信卫星 C．细同轴电缆 D．光纤3.利用载波信号频率的不同来实现信道复用的方法有（） A．频分复用 B．时分复用 C．波分复用 D．码分复用4.局域网中常使用的传输介质为双绞线，UTP和STP分别表示（）。 A．五类双绞线与七类屏蔽双绞线 B．屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线 C．光纤与同轴电缆 D．非屏蔽双绞线与屏蔽双绞线5.（）技术，适用于电视广播系统通信。 A．码分多路复用 B．频分多路复用 C．波分多路复用D．时分多路复用6.以下用以实现电信号与光信号之间相互转换的设备为（）。A．调制解调器 B．交换机 C．光纤收发器 D．ADSL7.在同一个通信信道中，同一个时刻可以进行双向数据发送的信道是（）。A．全双工 B．半双工 C．单工 D．报文通信8.家用音响常使用的传输媒体为（）。A．双绞线 B．玻璃光纤 C．胶套硅光纤 D．塑料光纤9.下列关于数据交换，不正确的叙述是（）。 A．电路交换是面向非连接的不可靠的数据传输方式。 B．分组交换比报文交换具有更好的传输效率。 C．报文交换采用存储转发方式。 D．分组交换是计算机网络采用的数据转发方式。9.通过分割信道的占用时间来实现多路复用的技术称为（）。 A．频分复用技术 B．波分复用技术 C．码分复用技术 D．时分复用技术1