计算机网络第二章2013

《计算机网络第二章2013》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机网络第二章2013（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、计算机网络第 2 章 物理层第 2 章 物理层2.1 物理层的基本概念2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 提高数据传输速率的途径2.3 物理层下面的传输媒体 2.3.1 导向传输媒体 2.3.2 非导向传输媒体第 2 章 物理层（续）2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用2.4.2 波分复用2.4.3 码分复用 2.5 数字传输系统2.5.1 脉码调制PCM体制 2.5.2 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 2.6 宽带接入技术2.6.1 ADSL技术2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网

2、）2.6.3 FTTx 技术物理层简介物理层它直接面向实际承担数据传输的物理媒体(即信道)。物理层的传输单位为比特。物理层是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始透明比特流的物理连接。注意：物理层既不是指连接计算机的具体物理设备，也不是指负责信号传输的具体物理介质，而是指物理介质上为上一层(数据链路层)提供传输比特流的一个物理连接。2.1 物理层的基本概念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： w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。 w电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现 的电压的范围。 w功能特性 指明某条线上出现的某一电

3、平的 电压表示何种意义。 w过程特性 指明对于不同功能的各种可能事 件的出现顺序。 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 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 机几个术语w数据(data)运送消息的实体。w信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 w“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连 续的。 w“数字的”(digital)代表消息的参数的取

4、值是离散 的。 w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。2.2.2 有关信号的几个基本概 念w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。w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)。w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。 基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号 w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。w基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直

5、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)。 w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）。 几种最基本的调制方法 w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。为了解决这一问题，就必须 对基带信号进行调制(modulation)。 w最基本的二元制调制方法有以下几种：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

6、字信号而 变化。 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正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。 举例2.2.3 信道的极限容量 w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 。 w码元传输的速率越高，

7、或信号传输的距 离越远，在信道的输出端的波形的失真就 越严重。 数字信号通过实际的信道 w有失真，但可识别w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(1)信道能够通过的频率范围w1924 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。 w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。 w如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号 高频

8、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) 信噪比 w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。w信道的极限信息传输速率 C 可表达为w 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。 香农公式表明 w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。 w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。 w若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当

9、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。 w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。 请注意 w对于频带宽度已确定的信道，如果信噪 比不能再提高了，并且码元传输速率也达 到了上限值，那么还有办法提高信息的传 输速率。这就是用编码的方法让每一个码 元携带更多比特的信息量。 2.3 物理层下面的传输媒体w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：导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播。非导向传输媒体：指自由空间，电磁波传播称无线传输。w导向媒体 有线 w非导向媒体 无

10、线电信领域使用的电磁波的频谱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)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024移动 无线电 2.3.1 导向传输媒体w双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded T

11、wisted Pair) w同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆 w光缆 双绞线内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套铜线铜线聚氯乙烯 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无屏蔽双绞线的种类1类线 用于5Mbps传输(适用于语音/低速传输 ) 2类线 用于5Mbps传输(适用于语音/低速传输 ) 3类线 用于16Mbps传输(10M以太网电缆) 4类线 用于20 Mbps传输 5类线 用于100 Mbps传输 超5类线 用于155Mbps传输（最常用的网络电缆） 6类线 用于250Mbps传输 7类线 用于600Mbps传输电缆上通常印有类别标志电缆上通常印有类

12、别标志, ,如如 cat 5 cat 5 或或category 5 (5category 5 (5类类 线线) ) 标准规定计算机网络常用双绞线标准规定计算机网络常用双绞线(UTP)(UTP)每根长度不宜超过每根长度不宜超过 100100米。米。双绞线的特点w其频率范围对于传输数据和语音都适用（现在5 类非屏蔽双绞线的传输频率上限可以达到100MHZ以 上 ） w所以模拟传输（宽带信号）/数字传输（基带信 号）均可使用 w单位价格最低，但每根只能连接一站点，线路总 费用增加 w 抗高频干扰能力较差 w 使用双绞线需在传输速率和传输距离之间作出 选择广泛使用的同轴电缆有两种：一种为50(指沿电缆

13、导体各点的电磁电压对电流之比) 同轴电缆，用于数字信号的传输，即基带同轴电缆；另一种为75同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。基带传输型(主要用于LAN)50 RG-8（粗缆）单段传输距离最远为500米RG-58 (细缆）单段传输距离最远为185米频带传输型(主要模拟传输)75公用天线电视系统(CATV)用同轴电缆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光缆（光导纤维）光纤系统中使用的光源器件有两种类型，皆为施 加电压便可发射光束的半 导体装置。 wLED (发光二极管)价廉，工作温度范围 较大，工作寿命较长，但 只能发射发散的光线，只 在短距离内使用。 wILD (

14、注入式激光二极 管)根据激光原理工作， 光线具有高度集中性，高 效高数据速率长距离光纤通信的原理光是一种电磁波，它在真空中传输速度最快（每秒30 万千米），但传输速度随传输介质密度增大而降低。相对 于其他传输媒介，低损耗、高带宽和高抗干扰性是光纤最 主要的优点。目前光纤的数据传输率已达2.4G甚至更高速 率（20G以上）。根据贝尔实验室测试，当数据速率为 420Mbps且距离为119km无中继器时，其误码率为10-8，可 见其传输质量很好。光的传输特性主要用于：主要用于： 主干网（高速）主干网（高速） 防雷击防雷击 保密（防窃听）保密（防窃听）光线在光纤中的折射 折射角入射角包层 （低折射率的

15、媒体）包层 （低折射率的媒体）纤芯 （高折射率的媒体） 包层 纤 芯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光纤传输原理光纤利用全反射使光线在信道内定向传输。光纤中心是玻璃或塑料的芯材，外面填充着密度相对较小的玻璃或塑料材料（覆层）。两种材料的密度差异必须达到能够使纤芯中的光线只能反射回来而不能折射入覆层的程序。多模光纤是指在给定的工作波长上，能以多个模式同 时传输的光纤。其光纤芯径在50到100m的范围内，多条入 射角度不同的光线可以同时在一条光纤反射式地传播。Multimode Fiber 多模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤单模光纤 Single Modew使用折射率突变型光纤。其芯径被减少到某个波长级， 这样只有一个角度即“模式”的光纤可以通过：轴心光线 。于是所有光线都能“同时”到达，并能无失真地重新组 合，通常用于长距离的传输。输入脉冲输出脉冲单模光纤光纤的应用w容量更大能以数百Gbps的数据率传输几十千米 (比较: 同轴电 缆能以数百Mbps的数据率传输1千米; 双绞线能以几 Mbps 的数据率传输1千米，或以100