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1、计算机网络 第二章 物理层 阮晓龙13938213680 rxl 河南中医学院管理信息工程学科河南中医学院网络信息中心2017 9 1 本章教学计划 物理层的基本概念数据通信的基础知识传输媒体信道复用技术数字传输系统宽带接入技术 2 基础知识 数字通信技术 1 物理层的基本概念 物理层位于OSI参考模型的最底层 它直接面向实际承担数据传输的物理媒体 即通信通道 物理层的传输单位为比特 bit 即一个二进制位 0 或 1 实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体 但是 物理层不是指具体的物理设备 也不是指信号传输的物理媒体 而是指在物理媒体之上为上一层 数据链路层 提供一个传输原始比特流的物理
2、连接 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流 而不是讨论具体的传输媒体 3 1 物理层的基本概念 物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口的一些特性 主要包括的有 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 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围 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 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序 4 1 物理层的基本概念 数据在计算机中多采用并行传输方式 数据在通信线路上多采用串行传输方式 物理层还必须要完成传输方式的转换工作 5 2 数据通信基础 6 2 1数据通信
3、系统的模型 两台计算机通过普通电话线连接 基于公共电话网进行通信 2 数据通信基础 数据通信系统可划分为三个部分 源系统 又称为发送端 发送方 传输系统 又称为传输网络 目的系统 又称为接收端 接收方 7 2 1数据通信系统的模型 2 数据通信基础 8 2 1数据通信系统的模型 2 数据通信基础 数据通信系统可划分为三个部分 源系统 又称为发送端 发送方 源系统一般包括两个部分 源点 Source 和发送器 源点设备产生要传输的数据 发送器将源点生成的数字比特流在传输系统中进行传输 典型的发送器就是调制器 传输系统 又称为传输网络 目的系统 又称为接收端 接收方 9 2 1数据通信系统的模型
4、2 数据通信基础 数据通信系统可划分为三个部分 源系统 又称为发送端 发送方 传输系统 又称为传输网络 目的系统 又称为接收端 接收方 目的系统一般包括两个部分 接收器和终点 destination 接收器接收传输系统传送过来的信号 并把它转换为能够被目的设备处理的信息 典型的接收器就是调制解调器 终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流 然后把信息输出 10 2 1数据通信系统的模型 2 数据通信基础 数据通信系统可划分为三个部分 源系统 又称为发送端 发送方 传输系统 又称为传输网络 传输系统可能是简单的传输线 也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统 目的系统 又称为接收端 接收
5、方 11 2 1数据通信系统的模型 2 数据通信基础 数据通信系统中的几个常用术语 消息 message 通信的目的就是传送消息 数据 data 运送消息的实体 通常是有意义的符号序列 信号 signal 数据的电气的或电磁的表现离散的 12 2 1数据通信系统的模型 2 数据通信基础 数据通信系统中的几个常用术语 模拟的 analogous 代表消息的参数的取值是连续的 数字的 digital 代表消息的参数的取值是离散的 码元 code 在使用时间域 或简称为时域 的波形表示数字信号时 代表不同离散数值的基本波形 13 2 1数据通信系统的模型 2 数据通信基础 信道一般都是用来表示向某一
6、个方向传送信息的媒体 信道是传送信息的物理性通道 信息是抽象的 但传送信息必须通过具体的媒质 例如二人对话 靠声波通过二人间的空气来传送 因而二人间的空气部分就是信道 物流的信道是指运载工具及其经过的设施和道路 无线电话的信道就是电波传播所通过的空间 有线电话的信道是电缆 每条信道都有特定的信源和信宿 一条通信电路通常包含一条发送信道和一条接收信道 14 2 2有关信道的几个基本概念 2 数据通信基础 从通信的双方信息交互的方式来看 可以有三种基本信道 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
7、能同时接收 双向同时通信 全双工通信 通信的双方可以同时发送和接收信息 15 2 2有关信道的几个基本概念 2 数据通信基础 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 基带信号往往包含有较多的低频成分 甚至有直流成分 而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量 因此必须对基带信号进行调制 modulation 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 16 2 2有关信道的几个基本概念 2 数据通信基础 调制分为两大类 基带调制 仅仅对基带信号的波形进行变
8、换 使它能够与信道特征相适应 变换后的信号仍然是基带信号 通常把这个过程叫做编码 coding 带通调制 使用载波 carrier 进行调制 把基带信号的频率范围搬移到较高的频段 并转换为模拟信号 这样就能够更好地在模拟信道中传输 经过载波调制后的信号称为带通信号 17 2 2有关信道的几个基本概念 2 数据通信基础 18 2 2有关信道的几个基本概念 2 数据通信基础 19 2 2有关信道的几个基本概念 2 数据通信基础 20 2 2有关信道的几个基本概念 2 数据通信基础 任何实际的信道都不是理想的 在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰 码元传输的速率越高 或信号传输的距离越远 在信
9、道的输出端的波形的失真就越严重 21 2 3信道的极限容量 2 数据通信基础 22 2 3信道的极限容量 有失真 可识别 失真大 不识别 2 数据通信基础 信道能够通过的频率范围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 23 2 3信道的极限容量 2 数据通信基础 信噪比噪声存在于所有的电子设备
10、和通信信道中 由于噪声是随机产生的 它的瞬时值有时会很大 噪声会使接收端对码元的判决发生错误 例如把1判为0或0判为1 噪声对通信的影响是相对的 如果信号的强度很大 那么噪声的影响就会相对很小 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比 常记作S N 并用分贝 dB 作为度量单位 信噪比 dB 10log10 S N dB 24 2 3信道的极限容量 2 数据通信基础 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可表达为C Wlog2 1 S N b sW为信道的带宽 以Hz为单位 S为信道内所传信号
11、的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率 香农的理论说明 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 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 25 2 3信道的极限容量 2 数据通信基础 信噪比香农的理论说明 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
12、的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少 26 2 3信道的极限容量 2 数据通信基础 在极限中提升传输速率对于频带宽度已经确定的信道 如果信噪比也不能够再提高 并且码元传输速率也达到了上限值 是否就没有办法来提升信息的传输速率呢 用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量 提升信息传输速率的方式很多 例如提升码元的传输速率 提升信噪比 使用更有效率的信息编码算法等 27 2 3信道的极限容量 3 传输媒体 传输媒体也称为传输介质或传输媒介 它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路 传输媒体可分为两大类 引导型传输媒体 电磁波被沿着固定媒体传播 非引导型传输媒体 传输媒体就是自由
13、空间 在非引导型传输媒体中电磁波的传输被称为无线传输 28 3 传输媒体 29 电信领域使用的电磁波的频谱 3 传输媒体 双绞线是最常用的传输媒体 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起 然后用规则的方法绞合 twist 起来 就构成了双绞线 绞合的目的在于减少每根线缆对相邻导线的电磁干扰 双绞线使用最广泛的就是电话系统 几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机 这段线缆被称为用户线或用户环线 subscriberloop 30 3 1双绞线 31 3 传输媒体 双绞线分为两种 无屏蔽双绞线 UTP UnshieldedTwistedPair UTP无金属屏蔽材料 只有一层绝缘胶皮包裹 价格相对便
14、宜 组网灵活 除某些特殊场合 如受电磁辐射严重 对传输质量要求较高等 在布线中使用STP外 一般情况下都采用UTP 屏蔽双绞线 STP ShieldedTwistedPair STP外面由一层金属材料包裹 以减小辐射 防止信息被窃听 同时具有较高的数据传输速率 但价格较高 安装也比较复杂 32 3 1双绞线 3 传输媒体 33 3 1双绞线 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 无屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 3 传输媒体 34 3 1双绞线 3 传输媒体 35 3 1双绞线 3 传输媒体 36 3 1双绞线 3 传输媒体 同轴电缆由内导体铜质芯线 绝缘层 网状
15、编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成 由于外导体屏蔽层的作用 同轴电缆具有很好的抗干扰特性 被广泛用于传输较高速率的数据 同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆 即网络同轴电缆和视频同轴电缆 同轴电缆分50 基带同轴电缆和75 宽带同轴电缆两类 基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆两类 基带电缆仅仅用于数字传输 数据率可达10Mbps 37 3 2同轴电缆 3 传输媒体 38 3 2同轴电缆 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 同轴电缆 3 传输媒体 光缆 opticalfibercable 是为了满足光学 机械或环境的性能规范而制造的 它是利用置于包覆护套中的一根或多根
16、光纤作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组件 光缆主要是由光导纤维 细如头发的玻璃丝 和塑料保护套管及塑料外皮构成 光缆内没有金 银 铜铝等金属 一般无回收价值 39 3 3光缆 3 传输媒体 光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心 外包有护套 有的还包覆外护层 用以实现光信号传输的一种通信线路 光缆由光纤 光传输载体 经过一定的工艺而形成的线缆 光缆的基本结构一般是由缆芯 加强钢丝 填充物和护套等几部分组成 另外根据需要还有防水层 缓冲层 绝缘金属导线等构件 40 3 3光缆 3 传输媒体 41 3 3光缆 3 传输媒体 42 3 3光缆 光线在光纤中的折射 3 传输媒体 43 3 3光缆 光纤的工作原理 3 传输媒体 44 3 3光缆 多模光纤的工作原理 单模光纤的工作原理 3 传输媒体 45 3 3光缆 光纤剖面的示意图 3 传输媒体 光纤现在广泛应用在因特网 电信网和有线电视网的主干网络中 因为它提供了很好的带宽 而且性价比很高 在高速局域网中 通常也采用光纤作为传输介质 例如FC SAN的网络中 46 3 3光缆 3 传输媒体 在引导型传输媒体中 除了双绞线 同轴电缆
