计算机网络原理——物理层.ppt

1、1,计算机网络技术,第3章 物理层,2,第3章 物理层,3.1 物理层接口与协议 3.2 物理传输介质 3.3 数据通信技术 3.4 数据编码 3.5 数据交换技术,3,3.1 物理层接口与协议,物理层是网络层次模型中的最低层。 向下是物理设备之间的接口，直接与传输介质连接，使二进制位流通过该接口，从一台设备传送给相邻的另一台设备； 向上为数据链路层提供位流传输服务。 物理层上的协议也称为接口,4,3.1 物理层的定义,物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间二进制比特传输的物理链路提供机械的、电气的、功能的和过程的特性。 物理链路的连接可以通过中继系统，允许进行全双工或半双工的二进制比特流的

2、传输。 物理层的数据服务单元是比特，它可以通过同步或异步方式进行传输。,5,注：,物理层并不是指物理设备或物理传输介质，而是有关物理设备通过物理传输介质进行互连的描述与规定。 物理层的作用就是要屏蔽各种物理设备、传输介质及通信方式上的差异，使上层协议感觉不到这些差异，按照各层的功能协同完成网络服务功能。,6,3. 物理层的功能,通过制定物理设备和传输介质之间的接口技术规范，实现物理设备之间的比特流的透明传输。 建立、维持和释放物理连接； 在物理链路上透明地传输比特流。,7,3.1.2 物理层的功能和提供的服务,物理层协议从四个方面对物理设备和传输介质之间的接口进行定义。 机械特性： 电气特性：

3、 功能特性： 规程特性：,定义接口部件的形状、尺寸、引脚数目和排列方式、接插件的锁紧方式等。,定义引线上传输信号的码型结构、电平高低、阻抗大小、传输速率等。 DTE和DCE的电气连接方式有非平衡方式、差动接收的非平衡方式、平衡方式。,定义接口部件的各信号线的用途（数据线、控制线、定时线等）。,定义建立、维持、释放物理连接和传输比特流等功能事件的实现顺序。,8,数据终端设备DTE （Data Terminal Equipment）是具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据能力的设备。 数据电路端接设备DCE （Data Circuit terminating Equipment）在DTE与传输介

4、质之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、维护和释放物理连接。,DTE与DCE,9,物理层协议定义了物理设备和传输介质之间的接口规范。 局域网的物理层规范 10Base-T、100Base-T、100Base-TX/FX、1000Base-T、1000Base-SX/LX 广域网的物理层规范 EIA/TIA 232标准 CCITT V.24标准、V.35标准,3.1.3 物理层协议举例,10,1. RS-232C接口标准,RS-232C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）1969年颁布的标准。与CCITT制定的国际数据通信接口标准V.2

5、4一致。 RS-232C定义了DTE与DCE之间的接口。,11,RS-232-C的机械特性,RS-232-C可以直接用作DTE与DCE的物理连接。它规定采用DB25或DB9接插件，并对每根针的排列位置做了明确规定。 通常DCE侧用孔状接插件，DTE侧用针状接插件。 9针串行口(DB-9)插针示意图 25针串行口(DB-25)插针示意图,12,RS-232-C的电气特性,RS-232-C采用负逻辑。它规定逻辑“0”的电平高于+3V，逻辑“1”的电平低于-3V。正负电平的幅值均不超过25V。 实际上，RS-232-C驱动电路提供+5V+15V的电压，用来表示逻辑“0”，而逻辑“1”用-15V-5V

6、的电压表示。标准的余地用来防止噪声和传输衰减。 注意：逻辑“0”代表数据“0”或控制线的接通“ON”状态；逻辑“1”代表数据“1”或控制线的断开“OFF”状态。 最大传输速率 20kbps，最大传输距离15m。,13,RS-232-C的电气特性,RS-232-C规定发送器和接收器采用非平衡电路： 每个信号用单线传输，所有信号公用一根地线。 信号驱动器的输出阻抗应小于300，接收器的输入阻抗应在37k之间。 DTE与DCE都必须使用相同的电压电平表示。,14,RS-232-C的功能特性,RS-232-C定义了DB25连接器的20个引脚的功能。 在通常的应用中只需使用主要的35根即可（如：发送数据

7、TD、接收数据RD、请求发送RTS、允许发送CTS等）、信号地SG 。,15,RS-232-C的功能特性,由于RS-232-C只控制DTE与DCE之间的通信，与两个DCE之间的通信线路无关。 所以相距很近的两台电脑可以使用空MODEM的直接电缆连接方式。,16,DB-9和DB-25主要引脚对照,17,RS-232-C的规程特性,过程特性指RS-232-C的各条控制线在下列不同情况下接通（ON，逻辑0）和断开（OFF，逻辑1）的顺序： 建立物理连接 传输数据比特流 释放物理连接,18,建立物理连接,当DTE-A要与DTE-B通信时，将DTR(20)置为ON ，同时通过TD(2)向DCE-A发送电

8、话号码信号，请求与对方建立物理连接； DCE-B将RI(22)置为ON，通知DTE-B有呼叫到达。DTE-B将DTR(20)置为ON，DCE-B接着产生载波信号，并将DSR(6)置为ON ，表示已准备好； 当DCE-A检测到载波信号，将DCD(8)及DSR(6)置为ON ，通知DTE-A通信线路已经连接好； DCE-A向DCE-B发送载波信号，DCE-B将DCD(8)置为ON 。,19,传输数据比特流,当DTE-A要发送数据时，将RTS(4)置为ON ； DCE-A在做好发送准备之后，将CTS(5)信号置为ON ； DTE-A通过TD(2)发送比特流；DCE-A将数据调制后通过网络发给DCE-

9、B； DCE-B将信号解调后通过RD(3)传送给DTE-B； 若对方的DTE要发送数据，应采用同样的交互过程。,20,释放物理连接,当双方的通信过程结束时，DTE通过释放DTR(20)信号来通知所连接的DCE； DTE将释放RTS(4)，DCE则释放CTS(5)； 双方DCE执行Modem内部协议，释放DCD (8) ，结束一次物理连接。,21,2. RS-449接口标准,RS-449相当于CCITT的V.35，由 3 个标准组成，即： RS-449，规定的接口的机械特性、功能特性和规程特性。采用37根引脚的接插件。 RS-423-A，采用非平衡电路规范，每个信号用单线传输，所有信号公用一根地

10、线。当传输距离为90米时最大速率可达100kbps。 RS-422-A ，采用平衡电路规范，每个信号使用两线传输，双端发送、双端接收，不设地线。传输距离为10米时，最大速率可达10Mbps。,22,3.2 物理传输介质,传输介质又称为传输媒体，是物理信号的传输通路。 传输介质的分类： 有线传输介质（导向传输介质）： 信号的电磁波沿着固定媒体（铜线或光纤）传播。 双绞线（twisted pair）：UTP、STP 同轴电缆（coaxial cable）：细缆和粗缆 光纤（fiber）：单模和多模 无线传输介质（非导向传输介质）： 信号的电磁波在自由空间中传播。 无线电波（wireless rad

11、io）：微波、红外线、激光、卫星线路。,23,双绞线TP(Twisted-Pair),双绞线电缆是最简单最经济的一种传输介质，由几对扭绞在一起的“线对”组成，一个“线对”为一条通信链路，既可传输模拟信号，也可传输数字信号。,24,同轴电缆(Coaxial Cabel),同轴电缆由外绝缘层、外导体、内绝缘层和内导体四个部分组成，绝缘效果较好，误码率较低，是早期局域网中广泛使用的一种传输介质。,25,光纤,光纤主要由纤芯和包层组成的双圆柱体（双圆柱体直径不到0.2mm ）外加塑料护套构成。 一根光缆可以包含二至几百根光纤。光缆由光纤、加强芯和填充物加上外套构成。,26,电信领域使用的电磁波的频谱：

12、,无线传输介质,地表,对流层,电离层,27,微波通信,视线传播 微波、红外线等更高频率的信号通过地面中继站接力传播。 空间传播 微波信号通过卫星中继进行传播。,地球表面,28,卫星通信,卫星通信是以人造地球卫星作为中继站和地面站之间的微波通信。,29,蜂窝无线通信,采用多址接入方法： 频分多址接入（FDMA） 时分多址接入（TDMA） 码分多址接入（CDMA）,30,3.3 数据通信技术,1.数据传输速率 1)数据传输速率-每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。计算公式: S=1/T*log2N(bps).式中 T为一个数字脉冲信号的宽度 N为一个码元所取的离散值个数。通

13、常 N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。 N=2时，S=1/T，表数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。 2)信号传输速率-单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式: B=1/T (Baud) .式中 T为信号码元的宽度，单位为秒信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。由、式得：S=B*log2N(bps) .或B=S/log2N(Baud).,31,例1,采用四相调制方式，即N=4，且T=833x10-6秒，则S=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400 (bps)B=1/T=1/(833x10-6)=1200 (Baud)

14、,32,2.信道容量,1)信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps)信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。 2)离散的信道容量奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：B=2*H (Baud).奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式：C=2*H*log2N (bps).式中 H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz； N为一个码元所取的离散值个数。,33,例2,普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值B=2*H=2*3k=6kBaud ；若码元的离散

15、值个数N=16，则最大数据传输速率C=2*3k*log216=24kbps。,34,3)连续的信道容量香农公式-带噪信道容量公式：C=H*log2(1+S/N) (bps) .式中 S为信号功率， N为噪声功率， S/N为信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)分贝(dB)。,35,例3,已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。 10lg(S/N)=30 S/N=1030/10=1000 C=3klog2(1+1000)30k bps,36,误码率-二进制数据位传输时出错的概率。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低

16、于10-6，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。误码率公式： Pe=Ne/N 式中 Ne为其中出错的位数； N 为传输的数据总数。,3.误码率,37,4 通信方式,通信方式有两种： 并行通信方式 和串行通信方式,38,图2.3 并行数据传输,这种方法的优点是传输速度快，处理简单。 发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。,1.并行通信方式,39,图 串行数据传输,串行数据传输的速度要比并行传输慢得多 ；数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的

17、计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用,2.串行通信方式,40,3.串行通信的方向性结构,串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。,41,1.几个术语的解释1)数据定义为有意义的实体。数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。2)信号是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适当的参量来表示要传输的数据。3)信息是数据的内

18、容和解释。4)信源通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。5)信宿通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。6)信道信源和信宿之间的通信线路。,3.3.2 模拟数据通信和数字数据通信,42,2.模拟信号和数字信号的表示 模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表示：,图2.1 模拟信号、数字信号的表示,43,模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都可以用适合于信道传输的某种信号形式来传输。 1)模拟数据可以用模拟信号来表示。 2)数字数据可以用模拟信号来表示。 3)模拟数据也可以用数字信号来表示。 4)数字数据可以用数字信号来表示

19、。,3.模拟数据和数字数据的表示,44,1)模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输(如图2.2)；,图 模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示,4.数据通信的长距离传输及信号衰减的克服,45,2)模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。 3)数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为0、1的标准电平后继续传输。,4.数据通信的长距离传输及信号衰减的克服,46,注：,数字传输无论在价络还是质量方面，都优于模拟传输，数字传输是数据通信的发展方向。,47

20、,多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。,3.3.3 多路复用技术,48,1.频分多路复用 FDM技术原理 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是步分多路复用。,(a)频分多路复用,49,2.时分多路复用 TDM技术原理 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用 TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。,图2.12 频分

21、多路复用与时分多路复用,50,3.T1载波与E1载波的帧结构 1)T1载波Bell系统的T1载波利用脉码调制PCM和时分TDM技术，使24路采样声音信号复用一个通道。每一个帧包含 193位，每一帧用 125us时间传送。T1系统的数据传输速率为1.544Mbps。,图2.13 T1载波帧结构,51,2)E1载波CCITT建议了一种2.048Mbps速率的 PCM载波标准，称为E1载波(欧洲标准)。它每一帧开始处有8位同步作用，中间有8位作用信令，在组织30路8位数据，全帧包括256位，每一帧用 125us时间传送。可计算出E1系统的数据传输速率为256位/125us=2.048Mbps。,52

22、,1.异步传输方式中，一次只传输一个字符。每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位。接收方根据1至0的跳变来判断一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。2.同步传输时，为使接收双方能判别数据块的开始和结束，还需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧。,3.3.4 异步传输和同步传输,53,1.数字数据的数字信号表示 a)单极性不归零码 b)双极性不归零码 c)单极性归零码 d)双极性归零码,3.4 数据编码,54,2.归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点 不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的

23、开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。,55,1)位同步 位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。,3.同步过程,56,2)群同步 在数据通信中，群同步又称异步传输。是指传输的信息被分成若干“群”。 群同步是靠起始和停止位来实现字符定界

24、及字符内比特同步的。起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比特的同步；而停止位则是作为字符间的间隔位设置的，没有停止位，下一字符的起始位下降沿便可能丢失。,57,群同步传输每个字符由四部组成：1)1位起始位，以逻辑0表示；2)58位数据位，即要传输的字符内容；3)1位奇偶校验位，用于检错；4)12位停止位，以逻辑1表示,用作字符间的间隔。,图2.10 群同步的字符格式,58,1.脉码调制PCM ：对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用有效信号最高频率或其带宽倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。采样定理表达公式:Fs(=1/Ts)2Fmax或Fs2Bs,2 模拟数据

25、的数字信号编码,59,2.模拟信号数字化的三步骤1)采样，以采样频率Fs把模拟信号的值采出；2)量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；3)编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。,图2.11 脉码调制(PCM)原理,60,3.5 数据交换技术,数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。下图为一个交换网络的拓扑结构,图 交换网络的拓扑结构,61,主要交换方法,一、电路交换 二、报文交换 三、分组交换（又分为虚电路分组交换和数据报分组交换）,62,1)电路建立 2)数据传输 3)电路拆除,一、电路交换的工作原理,1.电路交换的三个

26、过程,63,2.电路交换技术的优缺点及其特点,1)优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失，保持原来的序列，顺序发送，顺序接收；时延小，最适合实时通信。 2)缺点：a. 在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费; b.在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况； c.通信较忙时，可能拒绝提供服务 3)特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。,64,1.报文交换原理 报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变；

27、 每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此； 端与端之间无需先通过呼叫建立连接。 一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。,二、报文交换的工作原理,65,2.报文交换的特点1)报文从源点传送到目的地采用“存储-转发”方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。2)在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。 3.报文交换的优点1)电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能

28、力要求较低。2)在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。3)报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。4)报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 4.报文交换的缺点1)不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。2)有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。,66,虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接。 请注意，电路交换的

29、电话通信是先建立了一条真正的连接。因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样。,虚电路是逻辑连接,67,分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限； 有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。 它适用于交互式通信，如终端与主机通信。 分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。 它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。,三、 分组交换的工作原理,68,应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层,应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层,H1,H2,虚电路,H1 发送给 H2 的所有分组都沿着同一条虚电路传送,虚电路服务,69,1.虚电路分组交换原理与特点 （1）在虚电路分组交换中，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。 （2）每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。 （3）它之所以是“虚”电路，是因为这条电路不是专用的。 2、虚电路分组交换的主要特点是：