计算机网络基础项目化教程（第2版）课件 单元3 物理层与传输介质；单元4 数据通信基础

单元3

物理层与传输介质《计算机网络基础》课程Computernetworktechnology单元3物理层与传输介质-内容列表《计算机网络基础》课程3.1物理层接口与协议3.2物理层介质3.3数据通信技术3.4数据交换技术物理层接口与协议《计算机网络基础》课程Computernetworktechnology物理层定义与作用《计算机网络基础》课程物理层是OSI参考模型中的最底层，它负责在通信设备之间传输原始比特流。作用物理层通过物理介质（如电缆、光纤等）实现设备之间的连接，确保数据的可靠传输。它处理与传输介质相关的所有细节，包括电压、电流、线缆规格和连接器等。定义物理层定义与作用《计算机网络基础》课程位置物理层位于OSI参考模型的第一层，紧邻数据链路层。它是所有其他层次的基础，为上层提供透明的比特流传输服务。物理层功能《计算机网络基础》课程

物理连接的建立与终止物理层负责在通信设备之间建立、维护和终止物理连接，确保数据的可靠传输。数据传输物理层通过传输介质（如电缆、光纤等）实现数据在通信设备之间的传输。电气特性规定物理层规定了通信设备的电气特性，包括电压范围、信号幅度、阻抗匹配等，以确保设备之间的兼容性和数据传输的稳定性。物理层接口类型及标准《计算机网络基础》课程电气特性接口定义了物理层上设备之间的电压、电流、阻抗等电气特性，确保设备间能够正常通信。信号的功能特性接口描述了物理层接口所具备的功能，如传输速率、传输距离、传输模式等，以满足不同应用场景的需求。机械特性接口规定了物理连接器的形状、尺寸、引脚数等机械特性，保证设备之间的物理连接稳定可靠。规程特性接口定义了物理层接口在通信过程中的各种规程，包括信号的电平表示、信号的同步方式等，确保通信双方能够正确解析信号。物理层协议《计算机网络基础》课程RS-232协议是一种常见的串行通信协议，广泛应用于计算机与外设之间的通信。它定义了电气特性、机械特性、功能特性等方面的规范，支持点对点通信。USB协议是一种通用的串行总线标准，用于连接计算机与外设。USB协议定义了物理层、数据链路层和传输层的规范，支持热插拔和即插即用功能。是一种高清数字视频和音频传输标准，广泛应用于电视、显示器、投影仪等多媒体设备之间。HDMI协议定义了物理层、数据链路层和传输层的规范，支持高清视频和音频的传输。是一种基于共享信道的局域网通信技术，定义了物理层和数据链路层的规范。Ethernet协议支持多种传输速率和传输模式，广泛应用于局域网和广域网中。HDMI协议Ethernet协议物理层传输介质《计算机网络基础》课程Computernetworktechnology传输介质种类《计算机网络基础》课程双绞线（TwistedPair）由两根相互绝缘的铜导线组成，通过螺旋状扭绞在一起，以减少电磁干扰和信号衰减。常用于低速、短距离通信，如以太网等。同轴电缆（CoaxialCable）由内导体、绝缘层、外导体和护套组成，具有较高的带宽和抗干扰能力。常用于有线电视、宽带网络等。光纤（FiberOpticCable）由纤芯、包层和护套组成，利用光的全反射原理进行信号传输。具有传输速度快、距离远、抗干扰能力强等优点。常用于高速、长距离通信，如主干网、城域网等。双绞线《计算机网络基础》课程非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）屏蔽双绞线需要一层金属箔（即覆盖层）把电缆中的每对线包起来，覆盖层和屏蔽层有助于吸收环境干扰。非屏蔽双绞线原先是为模拟语言通信而设计的，现在同样支持数字信号，特别适合较短距离的信息传输屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）双绞线《计算机网络基础》课程EIA/TIA为双绞线电缆定义了5种不同规格的型号。一类线：主要用于传输语音，不用于数据传输。二类线：传输频率为1MHz，用于语音和最高速率为4Mbit/s的数据传输。三类线：传输频率为16MHz，用于语音及最高传输速率为10Mbit/s的数据传输，主要用于10Base-T网络。四类线：传输频率为20MHZ，用于语音及最高传输速率为16Mbit/s的数据传输，主要用于10/100Base-T网络。五类线及超五类线：该类电缆增加了绕线谜底，外套一种高质量的绝缘材料，传输速率为100Mbit/s，用于语音及最高传输速率为100Mbit/s的数据传输，主要用于10/100Base-T网络，短距离传输也可达到1Gbit/s。五类非屏蔽双绞线是最常见的以太网电缆。六类线：传输性能高于五类、超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。双绞线《计算机网络基础》课程双绞线有两种接线标准：EIA/TIA568A标准和EIA/TIA568B标准T568A:T568B:12345678白橙白绿橙绿蓝白蓝白棕棕白绿白橙绿橙蓝白蓝白棕棕直通线：两端线序相同；交叉线：两端线序不同。同轴电缆《计算机网络基础》课程同轴电缆是局域网中较早使用的传输介质，以单根铜导线为内芯（内导体），外面包裹一层绝缘材料（绝缘层），外覆盖密集网状导体（外屏蔽层），最外面是一层保护性塑料（外保护层）。

外保护层外屏蔽层绝缘层内导体由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较好的抗干扰特性（特别是高频段），适合高速数据传输。光纤《计算机网络基础》课程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。纤芯很细，直径为8－100um，且折射率较高，包层相对折射率较低，多根光纤构成光缆。折射角入射角

包层（低折射率的媒体）

纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光纤《计算机网络基础》课程多模光纤：多条不同入射角光线在一条光纤中传输。单模光纤：直径只有一个光波长大小，直线传输。输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光纤接头《计算机网络基础》课程光纤接头端接于光纤末端，接头种类众多，主要区别在尺寸和机械耦合方式。常用的三种接头是直通式（ST）接头、用户接头（SC）和朗讯（LC）接头。ST接头：广泛用于多模光纤的老式卡扣式接头。SC接头：有时称方形接头或标准接头，广泛用于LAN和WAN。LC接头：有时称小型或本地接头，尺寸更小，用于单模光纤。无线传输介质《计算机网络基础》课程电磁波按频率从低到高可以分为无线电波、微波、红外线。IEEE802.11标准：无线LAN（WLAN）技术，通常称为Wi-Fi（Wi-Fi不是标准，是Wi-Fi联盟的商标）。IEEE802.15标准：无线个域网（WPAN），通常称为蓝牙，采用设备配对过程进行距离1～100m的通信。IEEE802.16标准：微波接入全球互通（WiMax），采用点到多点拓扑，提供无线宽带接入。移动电话和卫星通信也可以提供数据网络连接。数据通信技术《计算机网络基础》课程Computernetworktechnology数据通信《计算机网络基础》课程数据通信的定义01数据通信是指在不同的计算机或设备之间传输数据的过程，涉及到数据的传输、处理、存储和呈现等方面。数据与信息的区别02数据是信息的载体，信息是数据所表达的含义。数据可以是文字、数字、图像、音频、视频等形式，而信息则是对这些数据进行解释和理解后所得到的有意义的内容。通信系统模型《计算机网络基础》课程数据通信系统组成：数据终端设备（DTE）：简单数据终端、中央计算机系统数据电路终接设备（DCE）：信号转换设备（模拟、数字）信道：模拟信道、数字信道数据电路：信道＋两端DCE（物理链路）数据链路：数据电路加上DTE中的通信控制功能（逻辑链路）数据传输速率《计算机网络基础》课程所谓数据传输速率（DataTransferRate），是指每秒能够传输的二进制信息位数，单位为比特/秒（BitsPerSecond），记作bps或者bit/s。常用的数据传输速率单位有：千比每秒（Kbps）、兆比每秒（Mbps）、吉比每秒（Gbps）与太比每秒（Tb/s），目前最快的以太局域网理论传输速率（也就是所说的“带宽”）可以达到10Gbit/s。其中：1Kbps=1000bps1Mbps=1000Kbps1Gbps=1000Mbps1Tbps=1000Gbps数据传输速率《计算机网络基础》课程数据传输速率计算公式S=(1/T)×log₂N(bps)例题：采用四相调制方式，即N=4，且T=8.33×10-4秒，求该信道的比特率和波特率。解答：S=(1/T)×log₂N(bps)

=1/（8.33×10-4）×log24

=2400（bps）B=1/T=1/（8.33×10-4）=1200（baud）数据信道容量《计算机网络基础》课程码元速率的极限值B与信道带宽W的关系B=2×W（Baud）奈奎斯特公式C=2×W×log2N（bps）其中，N表示码元可能取得离散值得个数，C表示信道的最大数据传输速率例题：普通电话线路带宽约为3000Hz，求码元速率极限值。若码元的离散数值个数N=8，求最大数据传输速率。解答：B=2×W=2×3k=6kbaud

C=2×W×log2N（bps）=2×3k×log28=18kbps数据交换技术《计算机网络基础》课程Computernetworktechnology电路交换技术《计算机网络基础》课程电路交换是一种通信传输方式，其核心概念是通过建立一条物理路径（即电路）来划分和保持通信资源，实现点对点的数据传输。在电路交换中，通信双方需要先建立连接，交换机会为双方专门划分一个物理电路，数据在这个电路上进行传输，直到关闭连接。交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换技术特点《计算机网络基础》课程电路建立独占资源实时性强效率低01020304在通信双方之间建立一条专用的通信电路，该电路在通信期间始终保持连接状态。通信双方在通信期间独占分配给他们的通信资源，其他用户无法使用该电路。适用于实时性要求较高的通信场合，如电话通信。电路空闲时的资源浪费较大，且不同速率、不同编码格式的用户之间难以进行通信。报文交换《计算机网络基础》课程在报文交换中，信息被划分为若干个报文段，每个报文段都是一个独立的数据单元。报文通常包括报头（Header）和报体（Body）两部分。报头包含有关报文传输的控制信息，如目的地址、源地址、报文长度等；报体则包含了实际的数据内容。报文报头报文报头报文报头报文报头存储转发存储转发存储转发报文交换《计算机网络基础》课程报文交换采用存储转发的传输方式，将报文暂时存储在交换设备中，待信道空闲时再转发到下一个节点。存储转发报文交换不需要建立专用的通信电路，可以提高信道的利用率。无需专用电路报文交换可以进行差错控制和流量控制，提高数据传输的可靠性。可靠性高由于报文需要暂存和排队等待转发，因此报文交换的延迟较大，不适用于实时性要求较高的场合。延迟较大报文报文报文报文ABCDEt分组交换《计算机网络基础》课程分组交换（PacketSwitching）是一种数据通信技术，它将用户要发送的数据划分成若干个更小的等长数据段，每个数据段称为一个“分组”。在每个数据段前会加上控制信息，构成一个完整的分组，这个控制信息被称为“首部”，包含了该分组发送的地址等信息。报文11010001101010101101010111000100110100101100101010110101报文较长不便于传输分组交换《计算机网络基础》课程数据数据数据报文首部首部首部分组

1分组

2分组

3分组交换将报文分割成若干个较小的分组进行传输，每个分组独立选择路由进行转发。分组传输分组交换可以对每个分组进行流量控制，避免网络拥塞和数据丢失。分组交换《计算机网络基础》课程数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3当交换机收到分组后，会根据首部中的地址信息将分组转发到目的地。分组交换的特点是高效利用线路，误码率低，通信质量高，适用于数据通信和计算机之间的通信。分组交换的思想来源于报文交换，但报文交换是以整个报文为单位进行传输和交换，而分组交换则是将报文划分成多个分组进行传输和交换。谢谢观看《计算机网络基础》课程单元4数据通信基础《计算机网络基础》课程Computernetworktechnology单元4数据通信基础-内容列表《计算机网络基础》课程4.1数据链路层功能4.2MAC编址与数据帧封装4.3高级数据链路控制协议4.4点对点协议数据链路层功能《计算机网络基础》课程Computernetworktechnology数据链路层《计算机网络基础》课程数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物理层和网络层之间。作用数据链路层负责建立和管理节点间的数据链路，提供可靠的数据传输服务。数据链路层接收来自物理层的比特流，将其组装成帧并传递给网络层；同时，它也接收来自网络层的数据包，将其拆分成帧并传递给物理层进行传输。定义数据链路层功能《计算机网络基础》课程帧同步数据链路层负责实现帧同步，确保接收方能够正确地识别每一个数据帧的起始和结束。流量控制数据链路层通过流量控制机制，防止发送方过快地发送数据而导致接收方无法及时处理，从而避免数据丢失或损坏。差错控制数据链路层通过采用各种差错控制技术（如CRC校验等），确保数据传输的准确性和可靠性。访问控制在多个节点共享同一物理信道的情况下，数据链路层通过访问控制机制（如CSMA/CD等）协调各节点的数据传输，避免发生冲突和碰撞。帧同步《计算机网络基础》课程帧同步是指接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止，以确保数据的完整性和准确性。在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数，以此确定帧的界限。字符计数法字节填充法使用一些特定的字符来定界一帧的开始和结束，转义字符用于填充可能出现的特殊字符，以避免与帧定界符混淆。比如，采用特定模式01111110，则如果信息为中的任何连续出现6个“1”，发送方自动在其后插入一个“0”，而接收方则做该过程的逆操作，即每接收到连续6个“1”，则自动删除其跟在后面的“0”，以恢复原始数据。0102字段01111110字段A字段B字段•••数据帧校验序列01111110帧起始帧结束差错控制原因《计算机网络基础》课程差错分类根据差错的性质和产生原因，可以将其分为随机差错和突发差错两类。随机差错是随机独立地发生的，而突发差错则是连续多个比特位发生错误。传输过程中的噪声干扰由于信道中存在各种噪声，如热噪声、交叉干扰等，这些噪声可能导致传输的数据发生错误。信号衰减与失真随着传输距离的增加，信号可能会逐渐衰减并产生失真，从而导致接收端无法正确识别数据。设备故障或缺陷网络设备和传输介质可能存在故障或缺陷，如接口松动、线路老化等，这些问题也可能导致数据传输错误。差错控制方法《计算机网络基础》课程自动重传请求（ARQ）01当接收端检测到错误时，会向发送端发送一个重传请求，要求发送端重新发送出错的数据帧。这种方法适用于对实时性要求不高的场合。前向纠错（FEC）02在发送端对数据进行编码，添加冗余信息，以便接收端能够利用这些冗余信息来纠正错误。这种方法适用于对实时性要求较高的场合，但会增加数据传输的开销。混合纠错（HEC）03结合了ARQ和FEC的优点，当错误在可纠正范围内时，使用FEC进行纠正；当错误无法纠正时，则使用ARQ进行重传。这种方法能够在保证数据传输可靠性的同时，降低重传的开销。流量控制方法《计算机网络基础》课程010203流量控制原理为了防止发送端向接收端发送过多的数据而导致接收端缓冲区溢出或处理不过来，需要对发送端的数据流量进行控制。流量控制是一种通信控制机制，用于防止较快的发送者向较慢的接收者发送过多的数据，以使接收者来得及处理。停止等待协议这是最简单的流量控制协议。发送方发送一帧数据后，必须等待接收方的应答信号后才能发送下一帧。如果接收方没有收到数据或发现数据错误，则会发送一个否定应答信号（NAK），要求发送方重发数据。滑动窗口协议在这种协议中，发送方和接收方都维护一个窗口，窗口内的帧可以连续发送和接收。接收方确认接收到的帧后，窗口会向前滑动，从而允许发送方发送更多的帧。这种协议可以提高数据传输的效率，但实现起来比停止等待协议复杂。介质访问控制方法《计算机网络基础》课程码分多路复用（CDM）每个节点使用不同的编码方式进行通信，通过编码区分不同节点的信号。频分多路复用（FDM）将信道带宽划分为多个互不重叠的频段，每个节点分配一个固定频段进行通信。时分多路复用（TDM）将时间划分为等长的帧，每帧再分为若干时隙，为每个节点分配一个或多个固定时隙进行通信。随机访问介质访问控制节点在需要发送数据时随机占用信道，如ALOHA协议、CSMA协议等。这种方法可能导致冲突和不确定性，但实现简单。轮询访问介质访问控制主节点依次询问每个从节点是否有数据需要发送，从节点在获得询问后才能发送数据。这种方法避免了冲突，但主节点故障可能导致整个系统瘫痪。令牌传递介质访问控制节点之间传递一个令牌，只有获得令牌的节点才能发送数据。这种方法避免了冲突，且每个节点都有平等的机会发送数据，但需要维护令牌传递的顺序和正确性。1.静态划分介质访问控制2.动态划分介质访问控制MAC编址与数据帧封装《计算机网络基础》课程ComputernetworktechnologyMAC地址《计算机网络基础》课程MAC地址（MediaAccessControlAddress）也称为物理地址或硬件地址，是用于在网络中唯一标识一个网络接口的地址。MAC地址通常由6个字节（48位）的二进制数字组成，可以表示为12个16进制数，形式为：XX:XX:XX:XX:XX:XX前三个字节（24位）称为组织唯一标识符（OUI），由IEEE分配给各个网络设备制造商，用于标识厂商身份。后三个字节（24位）由厂商自行分配，用于标识具体的网络接口或设备。001A3FF14CC600-1A-3F-F1-4C-C6MAC地址《计算机网络基础》课程MAC地址的作用是在数据链路层实现数据的传输，包括源MAC地址和目标MAC地址，确保数据能够准确到达目标设备。网络设备在通信时会通过ARP协议等机制获取目标设备的MAC地址，实现数据的传输。通过命令（命令行）：ipconfig/all查看本地网卡具体详细信息。通过图形界面：控制面板/网络和internet查看网络连接详细信息。数据帧封装《计算机网络基础》课程数据帧封装是将上层数据按照特定格式进行组装，添加必要的控制信息，形成适合在物理层传输的数据单元。封装的目的包括：确保数据的完整性和准确性、提供传输过程中的流量控制、实现不同网络层协议之间的数据交换等。帧开始标志地址类型控制数据错误检测帧结束标志帧头数据包帧尾帧头：包含控制信息（如地址信息），位于数据帧的开头位置。数据：包含第三层报头、传输层报头、应用层数据等数据信息。帧尾：包含添加到帧结尾的控制信息，用于检查错误。数据帧封装高级数据链路控制协议《计算机网络基础》课程Computernetworktechnology高级数据链路控制协议《计算机网络基础》课程HDLC（High-LevelDataLinkControl）是一种面向比特的数据链路层协议。HDLC采用零比特填充法来实现数据的透明传输。它具有帧同步、差错控制、流量控制等功能，适用于点对点和多点链路。HDLC支持多种类型的帧，包括信息帧、监控帧和无编号帧等，以满足不同的数据传输需求。高级数据链路控制协议《计算机网络基础》课程

与PPP协议相比，HDLC协议更加灵活，支持多种类型的帧和多种链路配置方式，但实现复杂度也相对较高。与FrameRelay协议相比，HDLC协议具有更强的差错控制和流量控制能力，适用于对数据传输可靠性要求较高的场景。与其他数据链路层协议相比，HDLC协议具有广泛的应用范围和良好的互操作性，是一种成熟、稳定的数据链路层协议。HDLC帧结构《计算机网络基础》课程信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）三种。HDLC帧类型标志字段、地址字段、控制字段、信息字段和帧校验序列字段。组成要素标志F地址A控制C信息I帧校验序列FCS标志F标志字段（F）。标志字段为01111110的比特模式，用以标志帧的起始和前一帧的结束。信息帧（I）监控帧（S）无编号帧（U）第1位是“0”为I帧第1、2位是“10”为S帧第1、2位是“11”为U帧地址字段（A）。地址字段表示链路上站的地址