第4章 物理层课件

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1、北京化工大学北方学院信息院 ,主要内容： 物理层的基本概念 物理层下面的传输介质（同轴电缆、双绞线、光纤） 物理层设备（中继器，集线器） 描述如何制作和测试线缆,第4章 物理层,北京化工大学北方学院信息院 ,4.1.1物理层的功能 物理层实现在计算机网络中的各种硬件设备和传输介质上传输数据比特流，将一个一个比特从一个结点移动到下一个结点，而不是指具体的网络设备和传输介质。 大家知道，计算机网络中的硬件设备和传输介质的种类非常繁多，而通信手段也有不同的方式。物理层的作用是尽可能地屏蔽掉这些差异，使上层的数据链路层感觉不到这些差异。这样使得数据链路层只需考虑本层的协议和服务如何完成，而不必考虑网络

2、的硬件设备和传输介质是什么。,4.1 物理层的基本概念,北京化工大学北方学院信息院 ,4.1.2物理层协议及其特性 物理层主要任务可以看成是确定与传输介质的接口有关的一些特性。物理层的协议即物理层接口标准，也称为物理层规程。在“协议”这个名词出现前人们就先使用了“规程”这一名词。 在物理层中的协议是与物理连接方式、实际硬件设备和传输介质相关的。具体的物理层协议较多，这是因为物理连接的方式很多（如可以采用点对点连接、多点连接或广播连接），传输介质种类也很多。物理层协议实际上是规定与传输介质接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。,4.1 物理层的基本概念,北京化工大学北方学院信息院 ,4.

3、1.2物理层协议及其特性 1.机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列方式、接口机械固定方式等。机械特性决定了网络设备与通信线路在形状上的可连接性。 2.电气特性 指明接口引脚中的电压范围，即用多大电压表示“1”或“0”。电气特性决定了数据传输速率和信号传输距离。 3.功能特性 指明某条线上出现某一电平表示何种意义，即接口信号引脚的功能分配和确切定义。 4.过程特性 指明利用信号线进行比特流传输的操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。,4.1 物理层的基本概念,北京化工大学北方学院信息院 ,4.1.3常用的物理层接口 RS-232和RJ-45 ：计算机网络系统中广泛使用，都是

4、串行通信接口。 RJ-11接口 ：电话线结构 RS-449 ：比RS-232-C传输速率高、通信距离长。 通用串行总线（Universal Serial Bus, USB）接口,4.1 物理层的基本概念,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,有线传输介质,传输介质,无线传输介质,双绞线 同轴电缆 光纤,无线电波 红外线 激光,将信号约束在一个物理导体之内,不能将信号约束在某个空间范围之内，故又被称为无界介质、非导向传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,1. 双绞线电缆概述,4.2.1 双绞线电缆,双绞线可以用于模拟传输或数字传输。,北京化工大学北方学院信息院 ,2

5、. 双绞线电缆的分类,双绞线,非屏蔽双绞线（UTP）： 传输距离一般为100米由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。,屏蔽双绞线（STP）： 抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离 可以达到十几公里。但成本较高，所以一直未广泛使用。,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,非屏蔽双绞线有1、2、3、4、5五类，常用的是3类线和5类线，5类线既可支持100 Mbps的快速以太网连接，又可支持155 Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。,3.非屏蔽双绞线分类,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,1类线：用于电话传输，但不适合数据传输。 2类线：用于

6、电话传输和最高为4Mbit/s的数据传输。 3类线：用于最高为10Mbit/s的数据传输，常用于10BaseT以太网。 4类线：用于16Mbit/s的令牌环网和大型10BaseT以太 网。 5类线：用于100Mbit/s的快速以太网。 超5类：用于1000Mbit/s以太网，4对双绞线都能实现全双工通信。 6类线：6类系统铜线的直径为0.210.25英寸，在0.5英寸的长度上拥有更紧密的线缆缠绕圈数，可以最大限度地阻止线对之间的串扰噪音。,3.非屏蔽双绞线分类,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,4对UTP电缆的4对线具有不同的颜色标记，每个线对都有两根导线。其中一根导线的颜色为线

7、对的颜色加一个白色条纹，另一根导线的颜色是白色底色加线对颜色的条纹。,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,制作标准与跳线类型,T568-A与T568-B标准,T568B标准接线,T568A标准接线,北京化工大学北方学院信息院 ,4. 连接器件,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,AVAYA（亚美亚） 美国安普（AMP） 美国IBM公司 西蒙（SIEMON）公司 美国泛达Panduit综合布线系统 法国阿尔卡特（ALCATEL）公司 大唐电信科技股份有限公司 TCL国际电工,5. 双绞线的主要品牌,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2.2 同轴电缆,4.

8、2 传输介质,同轴电缆由铜质内芯、绝缘层、网状编织金属屏蔽层以及保护塑料外皮组成。 这种结构中的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁波，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号，具有较好地抗干扰特性。,北京化工大学北方学院信息院 ,1. 同轴电缆的结构,中央铜导线,绝缘层,网状金属屏蔽层,塑料保护外皮,传输电磁信号,将铜线与金属屏蔽物隔开,屏蔽噪声、 隔离外来的电信号,结构,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,2. 同轴电缆的分类,粗缆,细缆,细缆多用于与用户桌面连接，级连使用可支持800米的传输距离，,多用于局域网主干，支持2500米的传输距离，可以连接数千台设备，但其价格较高,

9、一般用于二进制数据信号的传输，多用于计算机局域网,4.2 传输介质,同轴电缆,宽带同轴电缆,基带同轴电缆,主要用于高带宽数据通信，支持多路复用,北京化工大学北方学院信息院 ,细缆终端电阻,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,3. 连接器 （1）粗缆连接器,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,（2）细缆连接器,BNC连接器,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,光纤是光纤通信的传输介质。光纤传播的是光脉冲信号，当有光脉冲信号则相当于“1”，而没有光脉冲信号则相当于“0”。 在发送端可以采用发光二极管或半导体激光器作为光源，它们在电脉冲的作用下产生光脉冲。 在接收

10、端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲信号时可还原出电脉冲。,4.2 传输介质,4.2.3 光纤,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,光缆的组成 光纤通常采用非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成的双层通信圆柱体。二者由两种光学性能不同的介质构成。实用的光缆外部还须有一个保护层。,4.2.3 光纤,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,包层由较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的纤芯射向低折射率的包层时，其折射角大于入射角。当入射角足够大，就会发生全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。光线不断发生全反射，光就沿着光纤传输下去。,北京化工大学北方学院信息

11、院 ,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,2. 光纤的分类,均匀光纤（突变型光纤）,非均匀光纤（渐变型光纤）,照折射率分布不同来分,按照传输的总模数来分,单模光纤,多模光纤,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,3光纤通信系统,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,4光纤连接器,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,5 与光纤连接的设备 （1）光纤收发器,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,（2）光接口网卡,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,（3）带光纤接口的交换

12、机,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2 传输介质,光纤的特点 （1）低衰减，中继距离长，通信容量非常大，对远距离传输特别经济。 （2）电磁隔离、抗干扰性能好，无串音干扰，保密性好，数据也不易被窃听和截取。 （3）体积小，重量轻，耐腐蚀。 （4）将两根光纤精确地进行连接需要专用设备。目前光电接口还较贵。,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2.4 无线传输介质,4.2 传输介质,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2.4 无线传输介质,4.2 传输介质,微波通信的主要特点是： 只能进行可视范围内的通信； 大气对微波信号的吸收与散射影响较大。 微波通信主要用于几公里范围内，不适合铺设有线传输介质的情

13、况，而且只能用于点到点的通信，速率也不高，一般为几百Kbps。 方向性强，直线传输（视距传输）。 收发两端使用抛物面天线。 常用频段：2G-6G。 距离远时使用中继站。 一般用于电视、电话业务，受天气影响较大。,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2.4 无线传输介质,4.2 传输介质,卫星通信是指利用人造卫星进行中转的通信方式。 特点： 适合与很长距离的传输，如国际之间、洲际之间； 传输延时较大，一般为500ms左右； 费用较高。,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2.4 无线传输介质,4.2 传输介质,红外线通信是利用红外线来传输信号，在发送端设有红外线发送器，接收端有红外线接收器。 发送器

14、和接收器可以任意安装在室内或室外，但它们之间必须在可视范围内，中间不允许有障碍物。 红外线信道有一定的带宽，当传输速率为100Kbps时，通信距离可大于16km，传输速率为1.5Mbps时，通信距离降为1.6km。 红外线具有很强的方向性，很难窃听、插入和干扰，但传输距离有限，易受环境(如雨、雾和障碍物)干扰。,北京化工大学北方学院信息院 ,4.2.4 无线传输介质,4.2 传输介质,激光通信是利用激光束来传输信号，即将激光束调制成光脉冲，以传输数据，因此激光通信与红外线通信一样是全数字的，不能传输模拟信号。 激光通信必须配置一对激光收、发器，而且要安装在视线范围内。激光的频率比微波更高，因而

15、可获得更高的带宽。激光具有高度的方向性，因而难于窃听、插入数据和进行干扰，但同样易受环境的影响，而且传播距离不会很远。 激光通信与红外线通信的不同之处在于激光硬件会发出少量射线而污染环境，故只有经过特许后才能安装。,北京化工大学北方学院信息院 ,4.3 物理层设备,为了解决信号远距离传输所产生的衰减和变形问题，需要一种能在信号传输过程中对信号进行放大和整形的设备以拓展信号的传输距离、增加网络的覆盖范围。将这种具备物理上拓展网络覆盖范围功能的设备称为网络互连设备。 在物理层主要有两种类型的网络互连设备，即中继器(repeater)和集线器(Hub)。,北京化工大学北方学院信息院 ,4.3 物理层

16、设备,4.3.1 中继器（Repeater） 4.3.2 集线器（HUB）,北京化工大学北方学院信息院 ,4.3.1 中继器（Repeater）,中继器又称重发器。 中继器具有对物理信号进行放大和再生的功能，将其从输入接口接收的物理信号通过放大和整形再从输出接口输出。 中继器具有典型的单进单出结构，所以当网络规模增加时，可能会需要许许多多的单进单出结构的中继器作为信号放大之用。,北京化工大学北方学院信息院 ,1. 中继器的功能 中继器主要负责在两个结点之间双向转发工作，对接收信号进行再生和发送，从而扩展网络连接距离。 中继器是最简单的网络连接设备，主要完成物理层的功能，负责在两个结点的物理层上按位传递信息，完成信号地复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。,北京化工大学北方学院信息院 ,2.中继器的使用原则 使用中继器应遵守以下两条原则： 一是用中继器连接的网段不能形成环型网； 另一个