第二章物理层和数据链路层

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1、第二章 物理层和数据链路层,【教学目标】 1.了解：数据通信基本概念； 2.掌握：传输介质类型及其主要特征； 3.掌握：数据编码类型和基本方法； 4.掌握：差错控制方式和多路复用原理； 5.理解：数据交换方式，熟练掌握分组交换两种形式； 6.了解：常用物理层接口； 7. 掌握两种数据链路层流量控制协议； 8.熟悉：HDLC组成和PPP协议。 【重 点】差错控制方式，数据交换方式，流量控制协议 【难 点】流量控制协议分析，数据编码方法 【教学过程】,第二章 物理层和数据链路层,2.1 数据通信基础知识,2.2 多路复用,2.3 数据交换,2.5 数据链路层,本章主要讨论数据通信的一些基本概念、原

2、理和技术，物理层和数据链路层相关协议。,2.4 物理层,第二章 物理层和数据链路层 2.1 基本概念 一、数据通信的定义及特点,1.数据通信的定义 指按照一定的通信协议，将数据以某种信号的方式，通过数据通信系统来完成数据信息的传输、交换、存储和处理的过程。 辨析： 信息、数据、信号、数字通信与数据通信。,2.数据通信的质量指标 （1）有效性：指在给定的信道中单位时间内能传输信息量的多少，即用传输信息的速率来衡量。 信息速率，也称信息传输速率（或称比特率），用Rb来标记，它表示单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（b/s或bps）。 码元速率，也称码元传输速率（或称调制速率、波特率），用R

3、s标记，它表示单位时间内信道上实际传输码元个数或脉冲个数（可以是多进制），单位是波特（Baud）。,（2）可靠性：指接收信息的准确程度，可用错误率（差错率）来度量。,误比特率（误信率）:,误码元率（误符号率）:,二、数据通信系统的模型 数据通信系统是指以计算机为中心，通过通信线路连接分布在远程的数据终端设备而传输数据信息的通信系统。 从系统结构来看，数据通信系统主要由数据终端设备（DTE，Data Terminal Equipment）、数据电路终接设备（DCE，Data Circuit-terminating Equipment）和传输信道三个主要部分构成。,数据通信系统模型,数据通信系统模

4、型(课本P32),数据通信系统实例,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,PC 机,三、信道及技术参数,1.信道的定义 狭义信道、广义信道,狭义信道和广义信道(课本P33),2.信道类型 （1）有线信道和无线信道 （2）模拟信道和数字信道 （3）专用信道和公共信道 （4）物理信道和逻辑信道 （5）前向信道和反向信道,3.信道技术参数 （1）带宽 （2）频带利用率 （3）信道容量,数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别 失真大，无法识别,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）,发送信号波形,接收信号波形,四、物理层下的传输介

5、质,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅 无线电,调频 无线电,海事 无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移动 无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,（1）双绞线(课本P36),（2）同轴电缆,（3）光纤,单芯光缆,多芯光缆,（4）微波,（6）红外线,（5）无线

6、电波,两者的区别：无线电波是一个广义的概念， 从含义上讲，无线电波是全向传播，而微波是定向传播。,常用传输介质的比较,五、数字基带传输编码(课本P40),例1,六、传输方式,1.并行传输和串行传输,请举例,2.单工、半双工和全双工通信,能否举例说明！,3.同步传输和异步传输(课本P42),同步传输(Synchronous Transmission),异步传输(Asynchronous Transmission),七、传输形式,1.基带传输 在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。,2.频带传输 对原始基带信号进行调制后送入模拟信道传输，这种利用模拟信道传输数据信号的方法就是频带传输。,

7、基带与频带举例说明应用？,2.2 多路复用与差错控制 一、多路复用原理(课本P44),二、频分多路复用(FDM) 是指按照频率参量的差别来分割各路信号的。在发送端使各复用信号的频谱互不重叠，在接收端用滤波器把各路信号区分开。 (回忆？),CH2,CH1,CH3,原带宽,CH1,CH2,CH3,移频后带宽,CH1,CH2,CH3,带宽复用信号,f,复用器,三、时分多路复用(TDM) 按照时间参量的差别来分割各路信号。将信道工作时间划分为周期T，每一周期又再划分为若干时间间隔，在一个周期内每一路信号占用一个时间间隔（通常称为时隙）。,1.时分多路复用原理,3.统计时分复用(STDM) (课本P46

8、),四、波分复用(WDM) 波分复用即为频分复用运用于光纤信道，实质就是光的频分复用(理由？)，与FDM的区别仅在于WDM使用光复用器和光分用器。,五、码分复用(CDM) 码分复用是蜂窝移动通信中发展的一种信号处理方式。 码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。 每1个比特时间划分为 m 个短的间隔(一般m=64或m=128),码片(chip)。 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。

9、发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),任一个码片向量和该码片向量自己的归一化内积都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的归一化内积值是 1。 两个不同站的正交码片序列归一化内积是 0。,原理说明(课本P48),归一化内积公式：,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx + Tx,归一化内积 S Sx,归一化内积 S Tx,数据码元比特,发 送 端,接 收 端,CDMA正

10、交原理分析,2.3 数据交换 数据交换本身不关心传输数据的内容，仅执行交换的动作，经历电路交换、报文交换、分组交换和快速交换几个阶段。,一、电路交换(线路交换) (课本P50),二、报文交换 基本思想：存储-转发(store-and-forward exchanging),三、分组交换 报文交换的一种改进形式。 分组交换有两种管理数据分组的方法：数据报和虚电路。,1.数据报方式(课本P52),2.虚电路方式,传输过程(课本P53),信号流程,四、数据交换方式比较(课本P54),2.4 物理层 物理层实际是设备之间的物理接口，它定义了传输线的机械的、电气的、功能的和规程特性，以便于将不同厂家生产

11、的物理设备连接成网，实现数据链路实体之间的比特流透明传输。,一、物理层功能及服务(了解),1.物理层功能,2.物理层提供的服务,二、物理层接口基本特性分析 物理层接口协议是用于定义DTE与DCE之间的物理接口，并为物理接口规定了标准的四个特性。,1.机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 2.电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。（语法） 3.功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。（语义） 4.规程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。（同步）,三、几种常用的物理层接口简介,1. EIA RS-232 (应用场合

12、？) 2. EIA RS-449、RS-422和RS-423,举例：EIA-232/V.24 的信号定义,2.5 数据链路层 数据链路是构成逻辑信道的一段结点-结点间的数据通路，是在一条数据电路基础上通过数据链路层协议建立起来的，具有它自己的数据传输格式（帧）和传输控制功能的结点-结点间的逻辑连接。,一、数据链路层功能及服务,1.数据链路层功能 数据链路层在物理层提供的服务的基础上，将网络层递交来的数据在邻接的两结点之间，实现透明的、高可靠的传输。,2.数据链路层服务 数据链路层最基本的服务是将源主机中网络层送来的数据可靠地传输给目的主机的网络层。 （1）无确认无连接服务 （2）有确认无连接服

13、务 （3）有确认面向连接服务,二、数据链路层流量控制协议 如果发送方发送能力比接收方能力强时，即使传输过程中毫无差错，也会发生帧丢失的现象。因此需要有某种机制来查获接收方当前尚有多少缓冲空间可利用。,1.停止-等待协议,数据帧传输的几种情况(课本P62),特点：协议简单，信道利用率较低，只适合半双工通信。,2.连续ARQ协议 基本思想：在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。如果收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。,3.选择重传ARQ协议 基本思想：只重传出现差错的数据帧或计时器超时的数据帧。,连续工作方式 连续方式 选择重发方式,如果连续发

14、送的帧过多，则需重传的帧也会增多，使效 率降低； 序号用帧头中的字段表示，比特数是有限的；因此，必 须限制连续发送的帧数； 此时协议的运转表现为“滑动窗口”的形式，可认为发送 端和接收端分别设定了发送窗口和接收窗口 。,4.滑动窗口协议(课本P64),0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,发送窗口,WT,不允许发送这些帧,允许发送 5 个帧,(a),不允许接收这些帧,0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,WR,准备接收 0 号帧,(a),接收窗口,三、面向比特的链路控制规程HDLC 为了实现数据链路层数据的可靠传输，通信双方必须遵循基于某种传输与控制机制而建立的一定协议和准则，这些

15、约定的协议或准则，称之为数据链路控制规程（DLCP：Data Link Control Procedure）。,HDLC帧结构(课本P67) 数据链路层的数据传送是以帧（Frame）为单位的。,F (Flag) :固定格式 01111110 作用：帧同步 传输数据的透明性(零比特插入与删除) A (Address) :地址 C (Control) :帧的类型、帧的编号、命令与控制信息 I (Information):网络层数据，Nmax = 256B FCS (Frame Check Sequence) :校验A、C、I字段的数据,其中，CRC的生成多项式G(X)= X16+X12+X5+1,HDLC帧结构各部分的含义,零比特插入与删除原理,四、Internet的点对点协议PPP (Point-to-Point Protocol),1. PPP帧格式(课本P71),PPP协议RFC 1661有一个 2 个字节协议字段。 当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。 若为0xC021, 则信息字段是 PP