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1、* *第3章 物理层 1* *3.1 物理层的基本概念n功能：n在物理媒体上传输原始的比特流n传输的数据单位：比特流n规定与传输媒体之间的机械、电气、功能和规程的特性n不是传输媒体n为数据链路层提供服务2* *四个特性n机械特性n规定了DTE和DCE之间的连接方式，说明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列等n电气特性n规定了DTE和DCE之间接口电路上信号发生器与接收器之间的电气特性，正负逻辑，电平，速率3* *n功能特性nDTE和DCE之间包括数据传送、控制、定时和接地等几类引线的功能n规程特性n规定了DTE和DCE之间接口电路所使用的规程。即信号时序的应答关系和操作过程的规则4* *
2、3.2 数据通信的基础知识n数据及计算机通信术语n数据(Data)：传递(携带)信息的实体。n信息(Information)：是数据的内容或解释。n信号(Signal)：数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。 n模拟信号与数字信号n基带(Base band)与宽带(Broad band)5* *n信道(Channel)：传送信息的线路(或通路)n比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。n码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元6* *t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始同步脉冲也可位于码元
3、的中部一个码元也可有多个同步脉冲相对应7* *n波特(Baud)：码元传输的速率单位。波特率为每 秒传送的码元数(即信号传送速率)。n1 Baud = log2M (bit/s)其中M是信号的编码级数。也可以写成Rbit = Rbaud log2M上式中：Rbit-比特率，Rbaud-波特率n一个信号往往可以携带多个二进制位， 所以在固定的信息传输速率下，比特率往往 大于波特率。n换句话说，一个码元中可以传送多个比 特。n例如，M=16，波特率为9600时，数据 传输率为38.4kbit/s8* *n误码率：信道传输可靠性指标，是概率值n信息编码：将信息用二进制数表示的方法。n数据编码：将数据
4、用物理量表示的方法。n例如：字符A的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001，其数据编码可能为01000001t9* *n带宽n带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。n在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：Kb/s，Mb/s，Gb/sn一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。10* *n时延n信息从网络的一端传送到另一端所需的时间n时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延n处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒
5、）n排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间n发送时延=数据位数/信道带宽n传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度光速11* *n时延带宽乘积n某一链路所能容纳的比特数n时延带宽乘积=带宽传播时延n例如，某链路的时延带宽乘积为100 万比特，这意味着第一个比特到达目的端 时，源端已发送了100万比特。链路带宽传播时延体积=时延带宽乘积12* *n往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)n从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间nRTT2传播时延n传输可靠性n两个含义：n数据能正确送达n数据能有序送达(当采用分组交换时)13* *通信系统模型n通信的三个要素：信
6、源、信宿和信道噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统数据通信系统的构成： 传输系统(传输线路和传输设备) 源系统(信源+发送器)和目的系统(信宿+接收器)14* *n信息通过数据通信系统传输n把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。n信息和数据(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。n编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错n调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位n解调：接收波形数字信号n解码：数字信号原始数据信息数据信号在信道上传输信号数据信息数据编码调制解调数据解码15* *数据通信基本过程n包含两项内容：数据传输和通信控制过程 与打电话的对比n建立物理连接
7、 拨号，拨通对方 n建立逻辑连接 互相确认身份n数据传送 互相通话n断开逻辑连接 互相确认要结束通话n断开物理连接 双方挂机16* *信道及其主要特征n数字信道和模拟信道n数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。n模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。 17* *n模拟信号和数字信号n模拟信号n时间上连续，包含无穷多个信号值n数字信号n时间上离散，仅包含有限数目的信号值。 最常见的是二值信号ta) 模拟信号tb) 数字信号18* *n周期信号和非周期信号n周期信号n信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）n非周期信号n信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。ttTT
8、TTTT 周期信号 19* *n数字通信与模拟通信n数字通信n在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输n模拟通信n在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输20* *n数字通信的优点n抗噪声（干扰）能力强n可以控制差错，提高了传输质量n便于用计算机进行处理n易于加密、保密性强n可以传输语音、数据、影像，通用、灵活n计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。21* *通信方式数据流动的方向n单工：数据单向传输（无线电广播）n半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）n全双工：数据可以双向同时传输（电话）n或者具有两条物理上独立的传输线路n或者具有一
9、条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输22* *数字数据的传输方式n基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。n例如：以太网n频带传输：数字信号需调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。n例如：通过电话模拟信道传输n宽带传输：数字信号需调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调n例如：闭路电视的信号传输23* *数据同步方式n目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等)。n有三种同步方法：n位同步n字符同步n帧同步24* *n位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步n外同步发送端发送数据之
10、前发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。n自同步通过特殊编码(如曼彻斯特编码)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。25* *n字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。n每个字符的传输需要：n1个起始位n58个数据位n1，1.5，2个停止位起始位数据位停止位间隔, 不固定26* *n帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧(Frame)是数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块n面向字符的以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧n面向比特的以特殊位序列(7EH，即01111
11、110)来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0 n bit8bit8bit8-32m27* *带填充字符的首尾界符法：以特定的字符序列为控制字段缺点：依赖于字符集，不通用，也无法扩展例： Bisync 帧首同步字符帧尾数据传输帧填充字符SYN SYN DLE STX A DLE DLE B DLE DLE C ETX28* *带填充位的首尾标志法 ：采用统一的帧格式，以特定的位序列进行帧同步和定界物理层编码违例法：IEEE802.5，只适用于在物理媒体的 编码策略中采用了冗余技术的网络优点：无需填充帧首0111111001111101101111100011
12、11110帧尾数据例 ：HDLC填充位 29* *信道最大数据传输率nNyquist 公式：用于理想低通信道nNyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。n例如，话音级线路的带宽为3100Hz，根据上式计算的信道最大数据率如右表所示C = 2W log2 MC = 数据传输率，单位bit/s W = 带宽，单位HzM = 信号编码级数M 最大数据率 (C) 2 6200 bps 4 12400 bps8 18600 bps 16 24800 bps 32 31000 bps30* *n非理想信道n实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。n损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降
13、低。n延迟会使接收端的信号产生畸变。n噪声会破坏信号，产生误码。n持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s) 31* *nShannon公式：有限带宽高斯噪声干扰信道n例：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则C = 3100*log2(1+2000) 34Kbit/s即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/sS/N: 信噪比C = W log2 (1+S/N)32* *Nyquist公式和Shannon公式的比较nC = 2W log2Mn数据传输率C随信号编码级数增加而增加。nC = W log2(1+S/N)n无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公
14、式给出了信道能达到的最高传输速率。n原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。33* *3.3 传输媒体(介质)n双绞线内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套-螺旋绞合的双导线，1mm-每根4对、25对、1800对-典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头-优缺点：成本低组装密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离短34* *屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP)以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音双绞线外无任何屏蔽 层常用的非屏蔽双绞线为3类(16Mbit/s) 和5类(155Mbit/s)两种 35* *n同轴电缆n基带同轴电缆n阻抗50，用于数
15、字传输n宽带同轴电缆n阻抗75 ，用于模拟传输，主要用于CATV铜芯绝缘层外导体 屏蔽层保护套36* *n细同轴nD=1.02cm，10Mbit/sn每段185m、4中继、5段（925m）n优缺点：n价格低n安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）n抗干扰能力较强n可靠性差n粗同轴nD=2.54cm，10Mbit/sn每段500m、4中继、5段（2500m）n优缺点：价格稍高n安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）n抗干扰能力强n连接距离中等n可靠性好 37* *光纤依靠光波承载信息速率高，通信容量大仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便38* *光纤传输原理利用了光的反射 光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。 光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低 亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测器 光源: 850nm/1300
