计算机网络物理层

关于计算机网络物理层§2.1物理层的基本概念问题的提出：如何在连接各种计算机的传输媒体上透明地传输比特流。（向上屏蔽掉媒体的差异）用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。物理层的主要任务可描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： （1）机械特性：连接器形状，排列，尺寸等。 （2）电气特性：电压的范围。 （3）功能特性：电压的意义。 （4）规程特性：事件顺序。第2页,共77页，2024年2月25日，星期天多车道公路是并行传输……100101110100100111010001011010通信线路上通常都是串行传输第3页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.2数据通信的基础知识一、数据通信系统的模型一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。第4页,共77页，2024年2月25日，星期天二、通信系统有关的基本概念数据、信息与信号数据(Data)是运送信息的实体信息（Information）数据的内容或含义信号(Signal)是数据的电气的或电磁的表现通信系统有关的基本概念信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。第5页,共77页，2024年2月25日，星期天模拟的：连续变化的信号，多见为正/余旋波形数字的：取值仅允许有限的几个离散数值Modulation调制，Demodulation解调调制：将数字数据转换为模拟信号的过程解调：将模拟信号转换为数字数据的过程第6页,共77页，2024年2月25日，星期天数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道数据传输的形式信道:表示向某一个方向传送信息的媒体(注意:逻辑概念,与线路的区别)不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输有4种组合。通信系统有关的基本概念第7页,共77页，2024年2月25日，星期天数字信号的传输方式通信系统有关的基本概念•基带传输：信号按原来的形式通过数字信道进行传输，即：将编码后的数字脉冲信号直接放在信道上传送。

是“直接控制信号状态”的传输方式，例如：以太网•频带传输：将基带信号调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调是“控制载波信号状态”的传输方式，例如：通过电话模拟信道传输•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8页,共77页，2024年2月25日，星期天信道的传输模式(通信方式)通信双方的信息交互方式，按数据流动的方向有三种基本方式：（1）单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。（2）双向交替通信：又称为半双工通信，即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)。（3）双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。通信系统有关的基本概念第9页,共77页，2024年2月25日，星期天码元的含义第10页,共77页，2024年2月25日，星期天比特传输和码元传输第11页,共77页，2024年2月25日，星期天三、信道上的最高码元传输速率

§2.2数据通信的基础知识第12页,共77页，2024年2月25日，星期天奈奎斯特(Nyquist)准则：理想低通信道(带宽为WHz)的最高码元传输速率

=2WBaud

即每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。理想带通信道的最高码元传输速率=WBaud即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。信道上的最高码元传输速率第13页,共77页，2024年2月25日，星期天强调：奈氏准则给出的是个理论上限数值，一个实际的信道所能传输的最高码元速率要明显地低这个值。波特是每秒传送的码元数(即信号传送速率)。又称为调制速率、波形速率或符号速率；而比特是信息量的单位。信道上的最高码元传输速率第14页,共77页，2024年2月25日，星期天M最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps话音级线路(3000Hz)Rbaud=6000baudBit与Baud的关系1Baud=（log2M）bps

其中M是信号的编码级数。也可以写成

Rbit=Rbaudlog2M

一个码元中可以传送多个比特（bit），所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特。信道上的最高码元传输速率第15页,共77页，2024年2月25日，星期天四、信道的极限信息传输速率香农公式

信道的极限信息传输速率可表达为

C=Wlog2(1+S/N)bit/s

其中：W为信道的带宽(以Hz为单位)；

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。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。§2.2数据通信的基础知识第16页,共77页，2024年2月25日，星期天奈氏准则和香农公式的主要区别是什么？这两个公式对数据通信的意义是什么？奈氏准则指出了：码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元是1还是0。

奈氏准则是在理想条件下推导出的。实际条件的最高码元传输速率要小些。研究的任务就是要在实际条件下，找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。但是，奈氏准则并没有对信息传输速率（b/s）给出限制。要提高信息传输速率就必须使每一个传输的码元能够代表许多个比特的信息。这就需要有很好的编码技术。香农公式给出了信息传输速率的极限，该极限是不能够突破的。要想提高信息的传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任何办法。§2.2数据通信的基础知识第17页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.2数据通信的基础知识第18页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.3物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类:导向传输媒体、非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。第19页,共77页，2024年2月25日，星期天一、双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。 从用户电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路(subscriberloop)。§2.3.1导向传输媒体第20页,共77页，2024年2月25日，星期天屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)（以铝箔屏蔽以减少干扰和串音）(双绞线外没有任何附加屏蔽)2.3.1.1双绞线

在双绞线电缆(也称双扭线电缆)内,不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说，扭绞长度在38.1cm至14cm内，按逆时针方向扭绞，相邻线对的扭绞长度在12.7cm以上。

第21页,共77页，2024年2月25日，星期天双绞线型号1、一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。

2、二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧令牌网。

3、三类:该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。

4、四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。

5、五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。2.3.1.1双绞线第22页,共77页，2024年2月25日，星期天超五类电缆(EnhancedCat5)：它是在对现有的UTP五类双绞线的部分性能加以改善后出现的系统，不少性能参数，如近端串扰(NEXT)、衰减串扰比(ACR)等都有所提高，但其传输带宽仍为100MHz。六类电缆(Cat6)：它是一个新级别的电缆系统，除了各项参数都有较大提高之外，其带宽将扩展至200MHz或更高。

在双绞线电缆的外面包皮上一般印有“AMPSYSTEMSCABLE……24AWG……CAT5”的字样，表示该双绞线是AMP公司(最具声誉的双绞线品牌)的五类双绞线，其中24AWG表示是局域网中所使用的双绞线，CAT5表示为五类。

2.3.1.1双绞线第23页,共77页，2024年2月25日，星期天RJ-45连接器2.3.1.1双绞线RJ-45连接器包括一个插头（水晶头）和一个插孔。插孔安装在机器上或布线设备上，而插头和双绞线相连。EIA/TIA制定的布线标准规定了8根针脚的编号。第24页,共77页，2024年2月25日，星期天制作双绞线的压线钳2.3.1.1双绞线第25页,共77页，2024年2月25日，星期天双绞线的两端的连接：直通线（也称正线、平行线）EIA/TIA568B白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕

棕

１2345678白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕

棕

１2345678EIA/TIA568BRX+RX-TX+未使用未使用TX-未使用未使用TX+TX-RX+未使用未使用RX-未使用未使用2.3.1.1双绞线

在10/兆比秒和100Mb/s以太网中只使用两对导线。也就是说，只使用4根针脚（1,2,3和6），1和2用于发送，3和4用于接收第26页,共77页，2024年2月25日，星期天⑴直通线缆水晶头两端都是遵循EIA/TIA568A或EIA/TIA568B标准，每组绕线是一一对应的。适用场合：交换机（或集线器）UPLINK口<----

交换机（或集线器）普通端口交换机（或集线器）普通端口

<-----

计算机（终端）网卡2.3.1.1双绞线第27页,共77页，2024年2月25日，星期天双绞线的两端的连接：交叉线（也称反线）EIA/TIA568B１2345678１2345678EIA/TIA568ATX+TX-RX+未使用未使用RX-未使用未使用TX+TX-RX+未使用未使用RX-未使用未使用2.3.1.1双绞线白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕

棕

白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕

棕

第28页,共77页，2024年2月25日，星期天⑵交叉线缆水晶头一端遵循EIA/TIA568A，而另一端遵循EIA/TIA568B标准。即两个水晶头的连线交叉连接，A水晶头的1，2对应B水晶头的3，6；而A水晶头的3，6对应B水晶头的1，2。适用场合：交换机（或集线器）普通端口

--

交换机（或集线器）普通端口计算机网卡（终端）

---

计算机网卡（终端）2.3.1.1双绞线第29页,共77页，2024年2月25日，星期天二、同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。§2.3.1导向传输媒体第30页,共77页，2024年2月25日，星期天

通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类： （1）50

同轴电缆

50

同轴电缆又称为基带同轴电缆。一条电缆只用于一个信道，用于数字传输。 在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。后面的图画的是未经编码的原基带数字信号和在计算机网络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。2.3.1.2同轴电缆第31页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.1.2同轴电缆第32页,共77页，2024年2月25日，星期天

（2）75

同轴电缆

75

同轴电缆又称为宽带同轴电缆。在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器 双电缆系统的示意图如图(a)所示。头端(headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上收到发送给它们的信息。 图(b)为单电缆系统。2.3.1.2同轴电缆第33页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.1.2同轴电缆第34页,共77页，2024年2月25日，星期天三、光纤

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8~100

m。正是这个纤芯用来传导光波。其特点是：§2.3.1导向传输媒体-依靠光波承载信息-速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）-传输损耗小，适合长距离传输-抗干扰性能极好，保密性好-轻便第35页,共77页，2024年2月25日，星期天光纤传输原理-光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。-纤芯的折射率高、玻璃包层的折射率低 -有光脉冲-1，无光脉冲-02.3.1.3光纤第36页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.1.3光纤第37页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.1.3光纤光纤收发问题光电转换器光电转换器电信号电信号光信号光纤传输系统组成：光源，传输介质，监测器光源分：激光和发光二极管第38页,共77页，2024年2月25日，星期天典型的光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳2.3.1.3光纤第39页,共77页，2024年2月25日，星期天多芯光纤结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束2.3.1.3光纤第40页,共77页，2024年2月25日，星期天

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。（2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。（4）体积小，重量轻。缺点：对接复杂

当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。

T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。2.3.1.3光纤第41页,共77页，2024年2月25日，星期天有源的T形接头实际上就是一个有源转发器(如图所示)。2.3.1.3光纤第42页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.3.2非导向传输媒体第43页,共77页，2024年2月25日，星期天1．短波通信：高频、电离层反射、通信质量差、速率低2．地面微波接力通信

其主要特点是：

微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；

因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高；

与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。§2.3.2非导向传输媒体第44页,共77页，2024年2月25日，星期天两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔§2.3.2非导向传输媒体第45页,共77页，2024年2月25日，星期天微波接力通信缺点：

相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真；

微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；

与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；

对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。3．卫星通信 卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。广播式通信、保密差、技术复杂、成本高。 卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。§2.3.2非导向传输媒体第46页,共77页，2024年2月25日，星期天与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长地球§2.3.2非导向传输媒体第47页,共77页，2024年2月25日，星期天常用传输媒体的比较第48页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.4模拟传输与数字传输§2.4.1模拟传输系统早期电话系统，可用FDM技术提高线路利用率§2.4.2调制解调器（数字数据的模拟传输）1．调制解调器的作用第49页,共77页，2024年2月25日，星期天

若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。 调制解调器(modem)就是由调制器(MOdulator)和解调器(DEModulator)这两个字各取其字头合并而成的。 调制器的主要作用就是：在一条标准的二线模拟话路(3.1kHz)上提供全双工的异步数字通信。调制进行波形变换、解调进行波形识别。§2.4模拟传输与数字传输第50页,共77页，2024年2月25日，星期天2．几种最基本的调制方法 所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于模拟信道传输的频谱。最基本的二元制调制方法有以下几种：（1）调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化（2）调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化（3）调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化§2.4模拟传输与数字传输第51页,共77页，2024年2月25日，星期天第52页,共77页，2024年2月25日，星期天

调频又称为移频键控FSK(FrequencyShiftKeying)而调相又称为移相键控PSK(PhaseShiftKeying)。移相键控还可再分为绝对移相键控和相对移相键控(DPSK差分码，抗干扰性好)。

为了达到更高的信息传输速率，可以采用技术上更复杂的多元制振幅相位混合调制方法。后面为正交调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)的星座图。§2.4模拟传输与数字传输第53页,共77页，2024年2月25日，星期天可以看出，若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多)，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。§2.4模拟传输与数字传输第54页,共77页，2024年2月25日，星期天3．关于调制解调器的速率 图(a)表示两个计算机用户A和B通过V.34调制解调器(33.6kbit/s)进行通信。 由于大部分的ISP都使用租用数字专线接入到电话交换机，因此用户与ISP之间的通信信道是图(b)所示的那样。

§2.4模拟传输与数字传输第55页,共77页，2024年2月25日，星期天

经数模转换后到用户环路，只有在模拟信号到达用户的调制解调器后才进行数模转换，这时才产生量化噪声。第56页,共77页，2024年2月25日，星期天4．调制解调器使用异步通信方式问题：接收端如何确定判决的时刻

同步通信和异步通信同步通信就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等(这常称为收发双方的时钟是同步的)，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。

当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度的一半时(本来判决点应当处于每一个码元的中间)，就要产生差错(比特重读或漏读)，这就是所谓的滑动(slip)。

准同步方式是各有关信号使用一些独立的、具有相同的频率标称值的时钟源，但这些频率的实际数值允许有微小的误差(在容许范围之内)。可降低成本和复杂度§2.4模拟传输与数字传输第57页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.4模拟传输与数字传输异步通信在发送端将欲发送的数据以字节(8个比特)为单位进行逐个字节的封装，增加起停位。可用廉价时钟，仅要求10bit不偏移即可。

以字节为单位传送，字节内要求精确时钟，字节间可间隔任意长时间。通过增加通信开销(因而数据的有效传输速率就降低了)使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。第58页,共77页，2024年2月25日，星期天问题：模拟数据的数字传输PCM(PulseCodeModulation)体制

模拟电话信号的数字化，即采样和量化。采样：根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。量化：将每个样本用多少二进制表示出来（样本精度） 标准的电话信号的最高频率为3.4kHz，为方便起见，采样频率就定为8kHz，相当于采样周期为125

s。每个样本用8bit编码，因此数据率为64kbps。§2.4.3数字传输系统第59页,共77页，2024年2月25日，星期天TDM(TimeDivisionMultiplexing)体制目的：提高线路利用率30路制的线路在欧洲叫做E1远距离数字通信线，重要参数如下：每一个话路的数据传输率＝8000×8=64kb/s。16帧组成1复帧(用于同步)。每帧由32个时间片(信道)组成。每个信道每次传送8位代码。每秒钟传送8000帧，每帧125ms。数据传输率：R＝8000×32×8＝2048kb/s。24路制的线路在北美叫做T1远距离数字通信线，重要参数如下：每一个话路的数据传输率＝8000×8=64kb/s。12帧组成1复帧(用于同步)。每帧由24个时间片(信道)和1位同步位组成。每个信道每次传送8位代码，1帧有24×8＋1＝193bit。每秒钟传送8000帧，每帧125ms。数据传输率R＝8000×193＝1544kb/s。§2.4.3数字传输系统第60页,共77页，2024年2月25日，星期天

在2.048Mbit/s的传输线路两端同步旋转的开关，表示32个时隙中的比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱。§2.4.3数字传输系统第61页,共77页，2024年2月25日，星期天

可以看出如果两个计算机之间的通信线路是模拟、数字交替组成，则不能发挥数字传输的速率高的优越性。§2.4.3数字传输系统第62页,共77页，2024年2月25日，星期天多路复用的T1流第63页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.5信道复用技术频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的频带宽度资源。时分复用：所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。§2.5.1频分复用、时分复用和统计时分复用第64页,共77页，2024年2月25日，星期天问题：当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，当用户在某一段时间暂时无数据传输时只能让分配给他的子信道空闲着，而其他用户也无法使用其空闲的线路资源。§2.5信道复用技术解决办法：统计时分复用STDM(StatisticTDM)又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。它使用集中器，按需动态地分配时隙。能明显地提高信道的利用率，但是增加开销。第65页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.5信道复用技术ABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽第66页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.5.3码分复用原理

码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)是另一种共享信道的方法。即码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。

码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。§2.5信道复用技术第67页,共77页，2024年2月25日，星期天方法 在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。（m一般为64或128） 每个站被指派唯一的mbit码片序列，发送时1对应m，0对应m的反码。数据率增加m倍，又称扩频通信。 各站码片两两正交，即：

S•T=0S•S=1S•S反=1

实现各站同时发送接收，互相不干扰。§2.5信道复用技术第68页,共77页，2024年2月25日，星期天4个站进行CDMA通信,码片分别为A:-1-1-1+1+1-1+1+1B:-1-1+1-1+1+1+1-1C:-1+1-1+1+1+1-1-1D:-1+1-1-1-1-1+1-1现收到码片序列为(-1+1-3+1-1-3+1+1)判断各站发出的数据是0还是1第69页,共77页，2024年2月25日，星期天§2.7物理层接口标准一、EIA-232-E（RS-232-C）V.24标准电话线路接口它是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准