网络故障诊断与实训第3章物理层维护

1、第三 章 物理层维护,本章学习目标,了解物理层在整个网络体系结构中的功能与作用。 正确识别物理层的网络组件，重点掌握网络物理层的传输介质、传输设备的特性。 掌握物理层网络设备的组网标准与规范，常用的测试方式与故障排除。,本章要点内容,计算机网络体系结构中物理层的主要功能； 物理层的主要网络组件及组网规范； 物理层故障诊断与维护。,本章学前要求,对网络体系结构有清楚的理解。 已经掌握局域网组网工程方面的知识。 对常用的组网传输介质与设备的使用方法比较了解。,3.1 物理层的功能,物理层的主要功能为定义了网络的物理结构及互联标准，传输的电磁标准，比特流的编码及网络的通信同步等。其决定了网络连接类型

2、（端到端或多端连接）及物理拓扑结构。简单地说，这一层主要负责实际的信号传输，物理层最终实现网络上的二进制位流的透明传输。 3.1.1 OSI模型中的物理层的功能 物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层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。其主要的功能定义为三个方面： 1）为数据端设备提供传送数据的通路。 2）传输数据。 3）完成物理层的一些管理工作。 3.1.2 网络互联的物理接口标准 物理层协议规定了建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能的和规程的方面的特性。其作用是确保比特流能在物理信道上传输。,3.1 物理层的

3、功能,1定义DTE和DCE之间互联规则 OSI模型的物理层所做的定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。比特流传输可以采用异步传输，也可以采用同步传输完成。另外，CCITT在X.25建议书第一级（物理级）中也做了类似的定义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。这里的DTE(Date Terminal Equipment)指的是数据终端设备，是对属于用户所有的连网设备或工作站的统称，它们是通信的信源或信宿，如计算机、终端等；DCE(Date Cir

4、cuit Terminating Equipment 或 Date Communications Equipment)，指的是数据电路终接设备或数据通信设备，是对为用户提供入接点的网络设备的统称，如自动呼叫应答设备、调制解调器等。,3.1 物理层的功能,DTE-DCE的接口框如图3-2所示，物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题。物理层协议规定了标准接口的机械连接特性、电气信号特性、信号功能特性以及交换电路的规程特性，这样做的主要目的，是为了便于不同的制造厂家能够根据公认的标准各自独立地制造设备，使各个厂家的产品都能够相互兼容

5、。,图3-2 DTE-DCE接口框图,3.1 物理层的功能,2网络互联的接口标准举例 EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口，下面以此为例来讨论网络互联的接口标准在整个网络组建中的功能与作用。 RS-232标准提供了一个利用公用电话网络作为传输媒体，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。远程电话网相连接时，通过调制解调器将数字转换成相应的模拟信号，以使其能与电话网相容；在通信线路的另一端，另一个调制解调器将模拟信号逆转换成相应的数字数据，从而实现比特流的传输。图

6、3-3(a)给出了两台远程计算机通过电话网相连的结构图。从图中可看出，DTE实际上是数据的信源或信宿，而DCE则完成数据由信源到信宿的传输任务。RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系。,3.1 物理层的功能,RS-232C标准接口也可以如图3-3(b)所示用于直接连接两台近地设备，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。由于这两种设备必须分别以DTE和DCE方式成对出现才符合RS-232C标准接口的要求，所以在这种情况下要借助于一种采用交叉跳接信号线方法的连接电缆，使得连接在电缆两端的DTE通过电缆看对方都好象是DCE一样，从而满足RS

7、-232C接口需要DTE-DCE成对使用的要求。这种使用方式目前被广泛采用。,图3-3 RS-232C的远程连接和近地连接,3.1 物理层的功能,RS-232C的功能特性定义了25芯标准连接器中的20根信号线，其中2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线、剩下的5根线做备用或末定义。表3-1给出了其中最有用的10根信号线的功能特性。,表3-1 RS-232C引脚功能特性,3.2 物理层的组件,物理层对所设计的网络的可靠性、高效能有着重要的影响。网络的传输介质与设备的选择、安装及测试在决定网络能否满足用户现在以及将来的信息系统需要的过程中起着至关重要的作用。 3.2.1 物理层组件概述

8、 物理层组件包括网络传输介质、连接器、接插面板以及网卡、集线器、收发器、介质转换器等设备。 铜缆可以分为两种类型：同轴电缆与双绞线。在以太网中使用比较广泛的同轴电缆类型是细电缆和粗电缆。双绞线双被分为5类，其中只有从种类3到种类5的电缆可以应用于局域网组网之中。 现在新设计的网络中已经不再使用同轴电缆，但是在已经安装网络中仍然在使用同思电缆。它的带宽为10Mbps，由于具有总路线式的拓扑结构，因此在解决故障的过程中会遇到很多困难。同轴电缆的主要优点是分段长度较长且抗干扰能力强。 五类非屏蔽双绞线（5E）是现在的标准铜质线缆，它所支持的带宽最高可以达到1000Mbps,最大分段长度为100米，但

9、是可以通过使用转发器来扩展。由于缺乏抗电磁能力，所以必须特别注意双绞线的正确终端联结方式。,3.2 物理层的组件,如果一台以太网设备不能处理某种介质信号时就必须使用收发器。收发器是一种相对简单的设备，而且也不易出现故障。但是如果一台具有收发器的设备不能正常工作时，还是应该对其进行检查。 介质转换器可以将一种介质产生的信号转换为另一种所需的信号类型。假设现在计划将两栋建筑物用光缆连接起来，但是交换机、集线器以及路由器等设备的接口为双绞线，在这种情况下就可以使用介质转换器。 网络物理层组件的正确选择、配置和安装，可以为网络的可靠性提供坚实的基础。由于网络中其他各层都依赖于物理层的正确配置，所以对物

10、理层的正确设计、组件的正确选择和安装可以有效防止以后可能发生的各种难以解决的故障。,3.2 物理层的组件,3.2.2 网络传输介质 网络传输介质是网络中传输数据、连接各网络站点的实体。网络信息还可以利用无线电系统、微波无线系统和红外技术等传输。目前常见的网络传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等。当构建网络时存在多种网络介质可供选择。彻底地了解各种介质的功能、特点、安装事项、测试需求以及故障排除的方法等对正确地选择网络介质至关重要。下面我们主要讨论的是铜质电缆以及光纤介质。 1双绞线 1）双绞线概述。双绞线(TP:Twisted Pairwire)是网络综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线

11、由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。图3-6和图3-7所示为两种常见的双绞线类型。,3.2 物理层的组件,双绞线一般由两根2226号绝缘铜导线相互缠绕而成。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。在双绞线电缆内,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,相临线对的扭绞长度在12.7cm以上。与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制,但价格较为低廉。目前,双绞线可分为非屏

12、蔽双绞线(UTP:Unshilded Twisted Pair)和屏蔽双绞线(STP:Shielded Twisted Pair)。,图3-6 非屏蔽双绞线,图3-6屏蔽双绞线,3.2 物理层的组件,2）双绞线的规格型号。EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五类。 双绞线分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线两大类。在这两大类中又分100欧姆电缆、双体电缆、大对数电缆、150欧姆屏蔽电缆。具体型号有多种,如图3-7所示：,图3-7常用双绞线分类,3.2 物理层的组件,3）双绞线的性能指标。对于双绞线,用户最关心的是表征其性能的几个指标，这些指标包括衰减、近

13、端串扰、阻抗特性、分布电容、直流电阻等。 (1)衰减 衰减(Attenuation)是沿链路的信号损失度量。衰减与线缆的长度有关系,随着长度的增加,信号衰减也随之增加。衰减用db作单位,表示源传送端信号到接收端信号强度的比率。由于衰减随频率而变化,因此,应测量在应用范围内的全部频率上的衰减。 (2)近端串扰 串扰分近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT),测试仪主要是测量NEXT,由于存在线路损耗,因此FEXT的量值的影响较小。近端串扰损耗是测量一条UTP链路中从一对线到另一对线的信号耦合。对于UTP链路,NEXT是一个关键的性能指标,也是最难精确测量的一个指标。随着信号频率的增加,其测量难

14、度将加大。,3.2 物理层的组件,NEXT并不表示在近端点所产生的串扰值,它只是表示在近端点所测量到的串扰值。这个量值会随电缆长度不同而变,电缆越长,其值变得越小。同时发送端的信号也会衰减,对其它线对的串扰也相对变小。实验证明,只有在40米内测量得到的NEXT是较真实的。如果另一端是远于40米的信息插座,那么它会产生一定程度的串扰,但测试仪可能无法测量到这个串扰值。因此,最好在两个端点都进行NEXT测量。现在的测试仪都配有相应设备,使得在链路一端就能测量出两端的NEXT值。 (3)直流电阻 TSB67无此参数。直流环路电阻会消耗一部分信号,并将其转变成热量。它是指一对导线电阻的和,11801规

15、格的双绞线的直流电阻不得大于19.2欧姆。每对间的差异不能太大(小于 0.1欧姆),否则表示接触不良,必须检查连接点。 (4)特性阻抗 与环路直流电阻不同,特性阻抗包括电阻及频率为1100MHz的电感阻抗及电容阻抗,它与一对电线之间的距离及绝缘体的电气性能有关。各种电缆有不同的特性阻抗,而双绞线电缆则有100欧姆 、120欧姆及150欧姆几种。,3.2 物理层的组件,(5)衰减串扰比(ACR) 在某些频率范围,串扰与衰减量的比例关系是反映电缆性能的另一个重要参数。ACR有时也以信噪比(SNR :Signal-Noice ratio)表示,它由最差的衰减量与NEXT量值的差值计算。ACR值较大,

16、表示抗干扰的能力更强。一般系统要求至少大于10分贝。 ( 6)电缆特性 通信信道的品质是由它的电缆特性描述的。信噪比SNR是在考虑到干扰信号的情况下,对数据信号强度的一个度量。如果信噪比SNR过低,将导致数据信号在被接收时,接收器不能分辨数据信号和噪音信号,最终引起数据错误。因此,为了将数据错误限制在一定范围内,必须定义一个最小的可接收的信噪比。 2同轴电缆 1）同轴电缆概述。同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。有两种广泛使用的同轴电缆。一种是50欧姆电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75欧姆电缆，

17、用于模拟传输，也叫宽带同轴电缆。这种区别是由历史原因造成的，而不是由于技术原因或生产厂家。同轴电缆的结构如图3-8所示：,3.2 物理层的组件,同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。同轴电缆的带宽取决于电缆长度。1km的电缆可以达到1Gbps-2Gbps的数据传输速率。还可以使用更长的电缆，但是传输率要降低或使用中间放大器。目前，同轴电缆大量被光纤取代，但仍广泛应用于有线电视和某些局域网。 2）同轴电缆的规格型号。同轴电缆可分为两种基本类型,基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前基带常用的电缆,其屏蔽线是用铜做成的网状的,特征阻抗为50(如RG-8、RG-58等);宽带同轴电缆常用

18、的电缆的屏蔽层通常是用铝冲压成的,特征阻抗为75(如RG-59等)。,图3-8 同轴电缆的结构,3.2 物理层的组件,计算机网络一般选用RG-8以太网粗缆和RG-58以太网细缆。RG-59 用于电视系统。RG-62 用于ARCnet网络和IBM3270网络。 3）同轴电缆的性能指标。(1)同轴电缆的特性阻抗。 同轴电缆的平均特性阻抗为502,沿单根同轴电缆的阻抗的周期性变化为正弦波,中心平均值3,其长度小于2米。(2)同轴电缆的衰减。 一般指500米长的电缆段的衰减值。当用10MHz的正弦波进行测量时,它的值不超过8.5db(17db/公里);而用5MHz的正弦波进行测量时,它的值不超过6.0db(12db/公里)。(3)同轴电缆的传播速度。 需要的最低传播速度为0.77C(C为光速)。(4)同轴电缆直流回路电阻 电缆的中心导体的电阻与屏蔽层的电阻之和不超过10毫欧/米(在20下测量)。 3光纤 1）光纤概述。光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15m-50m，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8m-10m。芯外面包围着一层折射率比芯的折射率低的玻璃封套，以使光纤保