《计算机网络教学课件 PPT 作者 张玉英 梁光华 第4章 物理层》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机网络教学课件 PPT 作者 张玉英 梁光华 第4章 物理层（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 物理层,物理层是计算机网络的最低层。本章首先讨论物理层的基本概念，强调物理层不是指具体的传输介质。然后介绍物理层下面的各种传输介质。在介绍中继器和集线器两种物理层设备后，最后讲解双绞线RJ-45连接头的制作。,第4章 物理层,4.1 物理层的基本概念 4.1.1物理层的功能 4.1.2物理层协议及其特性 4.1.3常用的物理层接口 4.1.4物理层协议举例 4.2 物理层下面的传输介质 4.2.1双绞线 4.2.2同轴电缆 4.2.3光缆 4.2.4非导向传输介质,第4章 物理层,4.3 物理层设备 4.3.1中继器 4.3.2集线器 4.4双绞线RJ-45连接头的制作 4.4.1双绞
2、线1236通信规则 4.4.2双绞线联接标准 4.4.3双绞线RJ45头的制作,第4章 物理层,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，而不必考虑网络的硬件设备和传输介质是什么。,4.1 物理层的基本概念,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
3、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,4.1.2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
4、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,4.1.3常用的物理层接口 RS-232和RJ-45 RJ-11接口 RS-449 通用串行总线（Universal Serial Bus, USB）接口,4.1 物理层的基本概念,4.1.4物理层协议举 1.DTE设备与DCE设备 数据终端设备（Data Terminal Equipme
5、nt ，DTE）是具有一定数据处理能力和数据发送接收能力的设备，包括各种I/O设备和计算机。由于大多数的数据处理设备的传输能力有限，直接将相距很远的两个数据处理设备连接起来是不能进行通信的，所以要在数据处理设备和传输线路之间加上一个中间设备，即数据线路端接设备（Data Circuit-terminating Equipment ，DCE）。DCE在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能。,4.1 物理层的基本概念,4.1.4物理层协议举例 2.RS-232接口特性 （1）机械特性 RS-232使用ISO 2110插头座标准。采用25根引脚分为上排13根引脚、下排12根引脚。有时将25芯
6、接口制成专用的9芯接口，供计算机与调制解调器的连接使用，如计算机的COM接口（如图4.2所示）。还规定了插头应安装在DTE设备端，插座应安装在DCE设备端。,4.1 物理层的基本概念,4.1.4物理层协议举例 2.RS-232接口特性 （2） 电气特性 采用负逻辑电平。用-15V-5V表示逻辑“1”电平，用+5V +15V表示逻辑“0”电平。当连接电缆长度不超过15m时，允许数据传输速率不超过20kb/s。,4.1 物理层的基本概念,4.1.4物理层协议举例 2.RS-232接口特性 （3）功能特性 它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚的作用。图4.3 画的是最常用的 10
7、 根引脚的作用，括弧中的数目为引脚的编号。其余的一些引脚可以空着不用。图中引脚 7 是信号地，即公共回线。引脚1是保护地（即屏蔽地），有时可不用。引脚 2 和引脚 3 都是传送数据的数据线。“发送”和“接收”都是对 DTE 而言。有时只用图中的 9 个引脚（将“保护地”除外）制成专用的 9 芯插头，供计算机与调制解调器的连接使用。,4.1 物理层的基本概念,4.1.4物理层协议举例 2.RS-232接口特性 （3）功能特性,4.1 物理层的基本概念,4.1.4物理层协议举例 2.RS-232接口特性 4）过程特性 规定了在DTE和DCE之间所发生事件的合法序列。,4.1 物理层的基本概念,4.
8、1.4物理层协议举例 2.RS-232接口特性 4）过程特性 DTE-A要向DTE-B发送数据的主要过程。 （1）当DTE-A要进行通信时，就将引脚20“DTE就绪”置为ON，同时通过引脚2“发送数据”向DCE-A传送电话号码信号。 （2）DCE-B将引脚22“振铃提示”置为ON，表示通知DTE-B有入呼叫信号到达。DTE-B就将其引脚20“DTE就绪”置为ON。DCE-B接着产生载波信号，并将引脚6“DCE就绪”置为“ON”，表示已做好准备接收数据。,4.1 物理层的基本概念,4.1.4物理层协议举例 2.RS-232接口特性 4）过程特性 （3）DCE-A检测到载波信号时，将引脚8“载波检
9、测”和引脚6“DCE就绪”都置为“ON”，以便使DTE-A知道通信线路已经建立。DCE-A还可通过引脚3“接收数据”向DTE-A发送在其屏幕上显示的信息。 （4）DCE-A接着向DCE-B发送载波信号，DCE-B将其引脚8“载波检测”置为“ON”。,4.1 物理层的基本概念,4.1.4物理层协议举例 2.RS-232接口特性 4）过程特性 （5）当DTE-A要发送数据时，将其引脚4“请求发送”置为“ON”。DCE-A响应将其引脚5“允许发送”置为“ON”。然后DTE-A通过引脚2“发送其数据”。DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送过去。 （6）DCE-B将收到的模拟信号转换为数字
10、信号，经过引脚3“接收数据”向DTE-B发送。,4.1 物理层的基本概念,传输介质也称为传输媒体或传输媒介，它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输介质是传输信息的载体。 传输介质的种类很多，但基本可以分为两类。一类是导引型传输介质，包括双绞线、同轴电缆、光纤等。对于导引型传输介质，电磁波沿着固体传输介质被导引；另一类是非导引型传输介质，非导引型传输介质就是指自由空间。在非导引型传输介质中，电磁波在空气或外层空间中传播。图4.5是电信领域使用的电磁波频谱。,4.2 物理层下面的传输介质,图4.5是电信领域使用的电磁波频谱。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.1双绞线 双绞线是
11、最便宜并且最为普遍的导引型传输介质。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后规则地绞合（twist）起来就构成了双绞线。通常是由4对按螺旋结构排列的铜导线所构成的双绞线电缆。把各个线对扭在一块儿可使导线之间的电磁干扰最小，这样可减少串扰及信号放射影响的程度，每根导线在导电传输中放出的电波会被另一根线上发出的电波所抵消。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.1双绞线 双绞线一般分为非屏蔽双绞线（unshielded twisted pair，UTP）和屏蔽双绞线（shielded twisted pair，STP）两种。 1、非屏蔽双绞线电缆 非屏蔽双绞线电缆是由多对双绞线和一个塑料外皮构成，
12、如图4.6所示。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.1双绞线 1、非屏蔽双绞线电缆,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.1双绞线 2、屏蔽双绞线电缆 屏蔽双绞线电缆的内部与非屏蔽双绞线电缆的内部一样是双绞铜线，在双绞铜线的外面加上用金属丝编织的屏蔽层，这样可以提高双绞线的抗电磁干扰性能，如图4.7所示。 屏蔽双绞线相对来讲具有较高的传输速率，要贵一些，它的安装要比非屏蔽双绞线电缆难一些，类似于同轴电缆。它必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.2同轴电缆 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，同轴电缆的结构形
13、式如下图4.8所示。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。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.2同轴电缆 常见的同轴电缆有以下几种： 1)RG-58A/u 阻抗50，直径0.18英寸，用于传输基带数据信号，又称为“细同轴电缆”，简称“细缆”。 2)RG-11 阻抗50，直径0.4英寸，也用于传输基带数据信号，又称为“粗同轴电缆”，简称“粗缆”，粗缆相对于细缆抗干扰能力更强，传输距离也更长，但相应地连接复杂，价格略高。 3)RG-59u 阻抗75，直径0.25英寸，常用于有线电视电缆线，也可作为宽带数据传输线。 4
14、)RG-62u 阻抗95，直径0.25英寸，是专用同轴电缆。用于IBM终端，ARCnet等。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.3光缆 1.光纤通信的原理 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 物理层下面的传输介质,4.2.3光缆 1.光纤通信的原理 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
15、构成。实用的光缆外部还须有一个保护层，如图4.9所示。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。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.3光缆 2.多模光纤和单模光纤 光纤有多模和单模之分。 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可产生全反射。若光纤的纤芯较粗（1075um），光波以不同入射角度在一条光纤中以不同路径（非轴路径）进行传输。这种光纤就称为多模光纤,如图4.11所示。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失
16、真，因此多模光纤只适合于近距离传输。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.3光缆 2.多模光纤和单模光纤 光纤有多模和单模之分。 当光纤的纤芯直径减小到与光波波长大致相同，则光信号基本沿轴线以一条途径向前传输，而不会产生多次反射,如图4.12所示。这样的光纤称为单模光纤，其直径只有几个微米，制造成本较高。,4.2 物理层下面的传输介质,4.2.3光缆 2.多模光纤和单模光纤 由于光纤很细，连包层一起的直径也不到0.2mm，因此需要做成很结实的光缆。一根光缆可以包括一根至数百根光纤，再加上加强芯和填充物，必要时光缆内还有电源线，最后再加上包带层和外护套。 3.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。,4.2 物理层下面的传输
