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1、 计算机网络：物理层 q韩立刚 q458717185 qhanligangedu2act.org 三网 网络功能 网络 互联网 因特网 万维网 RFC文档 C/S P2P 电路交换 报文交换 分组交换 存储转发 速率 带宽 吞吐量 时延 时延带宽积 往返时间 利 用率 ISO OSI/RM TCP/IP Suite 实体 服务 协议 回顾 指引 2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术 应用层应用层 运输层运输层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 物理层物理层 物理层解决如何在连接各种
2、计算机的传输媒体上传输数据比特流， 而不是指具体的传输媒体。 物理层的主要任务描述为:确定与传输媒体的接口的一些特性，即 ： 机械特性: 例接口形状，大小，引线数目 电气特性：例规定电压范围(-5V到+5V) 功能特性：例规定-5V表示0，5V表示1 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步 骤 2.1 物理层的基本概念 机械特性: 接口形状，大小，引脚数目 2.1 物理层的基本概念 指引 2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术 应用层应用层 运输层运输层 数据链路层
3、数据链路层 网络层网络层 物理层物理层 传输 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点终点发送器接收器 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 输入 汉字 显示 汉字 数据通信系统 源系统目的系统传输系统 输 出 信 息 PC 机 2.2 数据通信的基础知识 典型的数据通信模型 通信的目的是传送消息。 数据(data)运送消息的实体。 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 “模拟信号”代表消息的参数的取值是连续的。 “数字信号”代表消息的参数的取值是离散的。 码元(code) 在使用时间域的波形
4、表示数字信号时，则代表不同离散数值的 基本波形就成为码元。 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间 隔内的信号称为二进制码元。 而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit 的信息量 相关术语 2.2 数据通信的基础知识 有关信道的几个基本概念 信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条 发送信息的信道和一条接收信息的信道。 单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）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)。 双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同
5、时发送和接收信息。 2.2 数据通信的基础知识 基带(baseband)信号和带通(band pass)信号 基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机输出的代表各 种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表 达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号 带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的 频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。 因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式由于在近距离范围 内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近 时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算
6、机到监视器、打印机等外设 的信号就是基带传输的。 2.2 数据通信的基础知识 几种最基本的调制方法 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化 。 2.2 数据通信的基础知识 对基带数字信号的几种调制方法 010011100 基带信号 调幅 调频 调相 2.2 数据通信的基础知识 常用编码 单极性不归零码 只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0. 双极性不归零码 用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。 双极性归零码 正负零三个电平，信号本身携带同步信息。 曼彻斯特
7、编码 差分曼彻斯特编码 2.2 数据通信的基础知识 单极性不归零码 双极性不归零码 2.2 数据通信的基础知识 单极性归零码 双极性归零码 2.2 数据通信的基础知识 曼彻斯特编码 bit中间有信号低-高跳变为0 0 1 bit中间有信号高-低跳变为1 采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个 bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit 但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输 差分曼彻斯特编码 bit中间有信号跳变， bit与bit之间也有信号跳 变，表示下一个bit为0 bit中间有信号跳变， bit与bit之间无信号跳 变，表示下一个bit为1 1 100 差分曼彻斯特编码与曼彻斯
8、特编码相同，但抗 干扰性能强于曼彻斯特编码 将1000100111进行曼彻斯特和差分曼彻斯特编码 2.2 数据通信的基础知识 信道的极限容量 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 发送信号波形 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 接收信号波形 2.2 数据通信的基础知识 奈氏准则 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给 出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率 的上限值。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间 串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识
9、别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那 么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。 2.2 数据通信的基础知识 奈氏准则 理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud W是理想低通信道的带宽，单位为HZ。 Baud是波特，是码元传输速率的单位 2.2 数据通信的基础知识 波特与Bit的区别 波特 在调制解调器中经常用到波特这个概念 Bit是信息量 如果一个码元含有3个Bit信息量 1波特=3Bit/s 信噪比 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽 受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差 错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达
10、为 C = W log2(1+S/N) b/s 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。 2.2 数据通信的基础知识 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。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就 一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信 道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限 传输速率低不少。 2.2 数据通信的基础知识 奈氏准则和香浓公式的应用范围 传输
11、 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点终点发送器接收器 输 出 信 息 码元传输速率受奈氏准则的限制 信息传输速率受香农公式的限制 指引 2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术 应用层应用层 运输层运输层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 物理层物理层 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 (Hz)f (Hz)f LFMFHFVHF UHF
12、 SHFEHFTHF 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 2.3 物理层下面的传输媒体 导向传输媒体 导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。 双绞线 屏蔽双绞线 STP 无屏蔽双绞线 UTP 同轴电缆 50 同轴电缆 用于数字传输，由于多用于基带 传输，也叫基带同轴电缆； 75 同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆。 光缆 2.3 物理层下面的传
13、输媒体 各种电缆 铜线 铜线 聚氯乙烯 套层 聚氯乙烯 套层 屏蔽层绝缘层 绝缘层 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP 同轴电缆 2.3 物理层下面的传输媒体 实际图片 无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP 同轴电缆 光纤实图 2.3 物理层下面的传输媒体 光线在光纤中的折射 折射角 入射角 包层 （低折射率的媒体） 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 （高折射率的媒体） 包层 纤 芯 2.3 物理层下面的传输媒体 光纤的工作原理 高折射率 (纤芯) 低折射率 (包层) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 2.3 物理层下面的传输媒体 多模光纤与
14、单模光纤 输入脉冲 输出脉冲单模光纤 输入脉冲 输出脉冲 多模光纤 2.3 物理层下面的传输媒体 单模光纤指只能传输一种电磁波模式，多模光纤只可以传输多个电磁波模式，实际上 单模光纤和多模光纤之分，也就是纤芯的直径之分。单模光纤细，多模光纤粗。在有 线电视网络中使用的光纤全是单模光纤，其传播特性好，带宽可达10GHZ，可以在一 根光纤中传输60套PALD电视节目。 非导向传输媒体 非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称 为无线传输。 无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量 较差。 微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信 2.3
15、 物理层下面的传输媒体 物理层设备-集线器 工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网 络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力 最大传输距离：100m 集线器是一个大的冲突域 2.3 物理层下面的传输媒体 指引 2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输技术 2.6 宽带接入技术 应用层应用层 运输层运输层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 物理层物理层 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 共享信道 信道 A1A2 B1B2 C1C2 信道 信道 A1A2 B1B2 C1
16、C2 复用分用 (a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术 2.4 信道复用技术 频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用 这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请 注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率） 。 频率 时间 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5 2.4 信道复用技术 频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 2.4 信道复用技术 频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 2.4 信道复用技术 频分复用
