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1、计算机网络原理,第3章 物理层,3.1 物理层接口与协议 3.2 传输介质 3.3 数据通信技术 3.4 数据编码 3.5 数据交换技术,第3章 物理层,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传输介质（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”）。 物理层不是指具体的物理设备，也 不是指信号传输的物理介质，而是指在物理介质之 上为上一层（数据链路层）提供一个传输原始比特 流的物理连接。,物理层建立在物理通信介质的基础上，为设备之间的数据通信提供传输介质及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。 物理层考虑的是如何才能在连接各种计算机
2、的传输介质上传输比特流，而不必考虑连接各种计算机的具体物理设备和传输介质。,3.1 物理层接口与协议,3.1.1 物理层接口 物理层上的协议也称为接口。它规定了与建立、维持及断开物理信道有关的特性。,3.1.2 物理层的功能和提供的服务 （1）为数据端设备提供传送数据的通路。数据通路可以是 一个物理介质，也可以是多个物理介质连接而成.一次完整的数 据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓 激活，就是不管有多少物理介质参与，都要在通信的两个数据 终端设备间连接起来，形成一条通路。 （2）传输数据。物理层要形成适合数据传输需要的实体， 为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，
3、二是要 提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特数），以减 少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多 点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。 （3）完成物理层的一些管理工作。网络节点的物理层控制 网络节点与物理通信通道之间的物理连接。,DTE和DCE DTE（数据终端设备）又称物理设备，如计算机、终端等. DCE（数据电路端接设备）是对为用户提供入接点的网络设备的统称，如自动呼叫应答设备、调制解调器等。由于数据终端设备的数据传输能力有限，因此，必须在DTE和传输线路之间加上DCE，DCE的作用是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并负责建立、保持和释
4、放数据链路的连接。,物理层的主要任务描述为确定与传输介质的接口的一些特性，即： 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。 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,3.1.2 物理层的功能和提供的服务,3.1.2 物理层的功能和提供的服务,机械特性(mechanical characteristics) 机械特性规定了DTE和 DCE实际的物理连接。规定物理连接器的规格尺寸、插针或插孔的数量和排列情况、相应通信介质的参数和特性等。,常
5、用的被ISO标准化的机械接口有： ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C， EIA RS-366-A ISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22,1.机械特性(mechanical characteristics),（1） ISO-2110。数据通信用25针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。EIA RS-232C和EIA RS-366A等均是与ISO-2110相兼容的标准, 可用于音频调制解调器、公用数据网络的接口中。,RS-232C,EI
6、A RS-232C是一种目前使用最广泛的串行物理 接口，主要机械特性： 建议使用25针连接器(DB-25)。 在DTE一侧采用孔式插座形式，DCE一侧采用 针式插头形式，并对连接器的尺寸、针或孔芯的 排列位置等都作了确切的规定。,。,图3.4 DTEDCE接口图,ELA RS-232C接口标准 EIA RS-232是美国电子工业协会在1969年颁布串行物理 接口标准。RS（Recommended Standard）的意思是“推荐 标准”，232是标识号码，“C”表示该推荐标准被修改过的次数,RS-232C的机械接口分为9针、15针和25针三种类型。标 准的RS-232C接口使用25针的DB连接
7、器（Database Bus Connector）。RS-232采取不平衡传输方式，即单端通讯。 其传输距离最大约为15m，最高速率为20kbps，且只能支持 点对点通信。 RS-232C标准接口也可以用于直接连接两台近地设备，如 图3.5所示，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。,图3.5 DTE和DCE的近地连接,（2） ISO-2593。数据通信用34针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。可用于CCITT V.35建议的宽带调制解调器中。,（3）ISO-4902。数据通信用37针和9针DTE/DCE接口连接器。可用于音频和宽带调制解调器中, 与EIA RS-449相兼容。,（4）IS
8、O-4903。数据通信用15针DTE/DCE接口连接器。可用于由CCITT X.20、X.21及X.22建议中所指定的公用数据网络的接口中。,2.电气特性,电气特性规定了在链路上传输二进制比特流有关的电路特性，如信号电压的高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等，通常包括发送器和接收器的电气特性以及与互连电缆相关的有关规则等。 物理层电气特性分3类：非平衡型、新型非平衡型和平衡型。,几种CCITT 标准化的电气特性标准是： CCITT V.10/X.26：新型非平衡式电气性能。与之相兼容的标准有EIA RS-423A等。 CCITT V.11/X.27 ：新型平衡型电气特性。与之相兼容的标准有EI
9、A RS-422A等。 CCITT V.28：非平衡型电气特性。与之相兼容的标准有EIA RS-232C。 CCITT X.21/EIA RS-449平衡型电气特性,传统非平衡型采用单信号传输线和公共地线，信号发送器和接收器都是非平衡型工作方式。非平衡型电气特性电气性能比较好，但信号线间易产生干扰。,3. 功能特性,功能特性是指接口的信号根据其来源、作用以及与其它信号之间的关系而各自所具有的特性功能，即DTE-DCE之间各信号线的信号含义。 通常信号线可分为四类：数据线、控制线、同步线和接地线。,4. 规程特性,规程特性就是协议。规程特性说明了交换电路进行数据交换的一组操作序列, 由这些规程来
10、完成位传输功能。规程特性定义DTE和DCE通过接口连接时，各信号线进行二进制位流传输的一组操作规程（动作序列），如，怎样建立、维持和拆除物理连接，全双工还是半双工操作等等。 RS-232-C/CCITT V.24与X.21是两个著名的物理层协议实例。,典型的物理层接口标准 EIA RS-232-C,EIA RS-232C是美国电子工业协会(Electronic Industry Association, EIA)1969年修订的物理接口标准。RS(Recommended Standard)的意思是“推荐标准” ，232是一个标识号码, C表示该标准已被修改过的次数。,RS-232C标准,电缆长
11、度30m（20kbps） 传输速率20Kbps 异步口 用于用户线路为模拟线路时，用户端DTE和DCE的连接。或者两个邻近数据处理设备之间的低速接口。,RS-232C机械特性,RS-232C没有规定固定的接口外观 25针 9针,RS-232C机械特性,RS-232C电气特性,RS-232C功能特性,RS-232C功能特性,TXD-Transport DATA RXD-Received Data RTS-Request to Send CTS-Clear to Send DSR-Data Set Ready DCD-Carrier Detect DTR-Data Terminal Ready R
12、I-Ringing Indicator GND-GrouND SG-Singnal Ground,RS-232C规程特性,X.21标准,使用数字线路连接公用数据网时，用户端DTE和DCE的接口。 同步接口 速率：10Mbps 电缆长度：300m,X.21机械特性,3.2 传输介质,传输介质的种类,传输介质,软介质（无线）,硬介质（有线）,双绞线,同轴电缆,光纤,微波,卫星,3.2 传输介质,3.2.1 双绞线 双绞线（Twisted-Pair）它由四组两两緾绕在一 起的8根绝缘的铜线组成，典型直径为1毫米。两根线 绞接在一起是为了防止其电磁感应在邻近线对中产生 干扰信号。在8根线中，计算机网络
13、使用12、36 两组线对分别来发送和接收数据。双绞线接头为具有 国际标准的RJ-45插头和插座。双绞线分为屏蔽 （Shielded）双绞线STP和非屏蔽（Unshielded） 双绞线UTP，非屏蔽双绞线的线缆外皮作为屏蔽层， 适用于网络流量不大的场合中。,表3.1 UTP电缆的常见类型,双绞线,分类： 屏蔽双绞线，简称STP 无屏蔽双绞线，简称UTP 种类： UTP标准（1，2，3，4，5，超5，6类线） 常用：5类线,以箔屏蔽以减少 干扰和串音,3类、5类 双绞线外没有任何附加屏蔽,屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线(UTP),UTP,3类UTP和5类UTP绞合密度不同,Category
14、 3 UTP.,Category 5 UTP,局域网常用双绞线EIA/TIA标准UTP类,局域网常用双绞线,双绞线线序及RJ-45接口,双绞线线序 EIA/TIA T568A标准 T568B 标准,T568A 白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕 T568B 白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕,3.2.2 同轴电缆 两种： 电阻50同轴电缆，用于数字信号的传输，即 基带同轴电缆； 另一种是电阻为75同轴电缆，用于宽带模拟信号的传 输，即宽带同轴电缆。 同轴电缆以单根铜导线为内芯，外裹一层绝缘材料，外覆 密集网状导体，最外面是一层保护性塑料。金属屏蔽层能将磁 场反射回中心导体，同时也使中心
15、导体免受外界干扰，故同轴 电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。 两种接法： 直径为0.4cm的RG-11粗缆采用凿孔接头接法； 直径为0.2cm的RG-58细缆采用T型头接法。 粗缆符合10Base-5介质标准，单根最大长度为500m，最 多可接100台计算机，两台计算机的最小间距为2.5m。细缆按 10Base-2介质标准连到网卡的T型头上，单段最大长度185 m，最多可接30个工作站，最小站间距为0.5m。,同轴电缆,同轴电缆,3.2.3 光纤 光导纤维（Optical Fiber）是软而细的、利用内部全反 射原理来传导光束的传输介质，有单模（只提供单路光通 道）和多模（提供多
16、路光通道）之分。单模（模即Mode， 入射角）光纤多用于通信行业。多模光纤多用于网络布线系 统。 光纤为圆柱状，由3个同心部分组成纤芯、包层和 护套，每一路光纤包括两根，一根接收，一根发送。用光纤 作为网络介质的LAN技术主要是光纤分布式数据接口 （Fiber Distributed Data Interface，FDDI）。在光纤一头 的发射器使用LED光发射二极管（Light Emitting Diode） 或激光（Laser）来发射光脉冲，在光纤另一头的接收器使 用光敏半导体管探测光脉冲。,图1.6 几种常见有线介质,光纤通信的优点,传输频带宽、通讯容量大。 信号损耗低、中继距离长。 不受电磁波干扰、抗腐蚀、抗辐射、无电火花、可绕性好、泄露小、保密性强。 线径细、重量轻、原料为石英，节省金属材料。 资源丰富。,缺点 质地脆，机械强度低 易碎不易接续，切断连接技术复杂,光纤,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层
