计算机网络教学课件 PPT 作者 杨心强 第2章+物理层

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1、1,21世纪高等学校 计算机规划教材精品系列之一 计算机网络 课 件 杨心强制作 人民邮电出版社，2010 年 6 月,2,课件制作人声明,本课件是“21世纪高等学校计算机规划教材”精品系列之一计算机网络的配套服务资料。 本课件共有9个Powerpoint文件(每章一个)。教师可根据教学需要，自行修改或增删此课件内容，但不能自行出版销售。 对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。 课件制作人的电邮地址：yang_。 课件制作人 杨心强 2010年6月,3,计算机网络 第 2 章 物理层,4,第 2 章 物理层,教学目的 掌握物理层的基本概念和接口特性 掌握数据通信的基本

2、知识 了解计算机网络使用的传输媒体 掌握主要的传输技术 掌握SONET和SDH的基本知识 掌握宽带有线接入技术,学习内容 物理层概述 数据通信基础知识 传输媒体 主要传输技术 同步光纤网SONET和同步数字序列SDH 宽带有线接入技术,5,第 2 章 内容提纲,*2.1 物理层概述 *2.2 数据通信基础知识 2.3 传输媒体 *2.4 主要传输技术 *2.5 同步光纤网SONET 和同步数字序列SDH *2.6 宽带有线接入技术,6,2.1 物理层概述,物理层是网络体系结构中的最低层，但它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媒体，而是指在连接开放系统的物理媒体上为

3、上一层(指数据链路层)提供传送比特流的一个物理连接。 物理层的主要功能为它的服务用户(即数据链路层的实体)在具体的物理媒体上提供“透明”传输比特流的能力。 物理层的作用尽可能屏蔽计算机网络使用的物理设备、传输媒体和通信方式的差异，使得数据链路层不必去考虑物理设备和传输媒体的具体特性，而只要考虑完成本层的协议和服务。,7,2.1 物理层概述(续1),物理层的协议与具体的物理设备、传输媒体及通信手段有关。用于物理层的协议也常称为规程。 物理层的许多协议是在OSI/RM公布以前制定的，不可能运用OSI术语进行描述，只能将物理层实现的主要功能描述为与传输媒体接口有关的四个重要特性： 机械特性 (mec

4、hanical characteristics) 电气特性 (electrical characteristics) 功能特性 (functional characteristics) 规程特性 (procedural characteristics),8,2.1 物理层概述(续3),物理层协议实际上是DTE与DCE之间的一组约定。这组约定规定了DTE与DCE之间标准接口特性。,9,2.1 物理层概述(续4),DTE(Data Terminal Equipment) 数据终端设备的英文缩写，它是一种具有一定的数据处理和转发能力的设备。DTE可以是一台计算机、终端或各种I/O设备。 DCE(Da

5、ta Circuit-Terminating Equipment) 在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的设备。典型的DCE，如调制解调器。 DTE/DCE接口是标准化的。它具有机械、电气、功能和规程四个方面的特性。,10,2.1 物理层概述(续5),机械特性 主要定义物理连接的边界点，即接线器物理结构。规定所用接线器的形状和尺寸、插针或插孔的数目和排列次序、固定和锁定装置等。 常用的标准接口 ISO 2110 25芯接线器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A ISO 2593 34芯接线器，V.35宽带MODEM ISO 4902

6、37芯和9芯接线器，EIA RS-449 ISO 4903 15芯接线器，X.20、X.21、X.22,11,2.1 物理层概述(续6),ISO标准化的部分接线器,12,2.1 物理层概述(续7),电气特性 指明在接口电缆的各条线上电气连接及有关电路特性，包括信号电平范围、阻抗、负载、速率和距离限制等。 早期的标准定义在边界点上的电气特性，例如EIA RS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接收器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。 CCITT 标准化的电气特性标准，涉及CCITT V.10/X.26、CCITT V.11/X.27、CCITT V.28、 CCITT X

7、.21/EIA RS-449等建议的电气特性。,13,2.1 物理层概述(续8),DTEDCE标准接口的电气连接的三种方式 非平衡方式 差动接收的非平衡方式 平衡方式,14,2.1 物理层概述(续9),功能特性 主要对各接口信号线作出确切的功能定义以及相互间的操作关系。 对接口线按具有的功能多少，通常采有一线一义法和一线多义法。 信号线按其功能一般可分为四大类型： 数据线 控制线 定时线 接地线 常用的接口功能特性的标准有：EIA RS-232-C，EIA RS-449，ITU-T V.24等。,15,2.1 物理层概述(续10),规程特性 主要规定接口各信号线之间的相互关系、动作顺序以及维护

8、测试操作等内容。反映了在数据通信过程中，通信双方可能发生的各种可能事件。 描述规程特性最好采用状态变迁图。 目前，用于物理层规程特性的标准有：ITU-T V.24、V.25、V.54、X.20、X.20bis、X.21、X.21bis、X.22、X.150等。 表5-4给出了EIA、ITU-T和ISO有关DTE/DCE主要接口标准及其兼容关系。,16,第 2 章 内容提纲,*2.1 物理层概述 *2.2 数据通信基础知识 2.3 传输媒体 *2.4 主要传输技术 *2.5 同步光纤网SONET 和同步数字序列SDH *2.6 宽带有线接入技术,17,2.1 数据通信基础知识 2.1.1 通信系

9、统模型,18,2.1.1 通信系统模型(续1),源系统 源点 它是生成数据的设备。如计算机输出的数字比特流。 发送器 通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够成为在传输系统中进行传输的电磁信号。典型的发送器是调制器，它将计算机输出的数字比特流转换成可在电话网上传输的模拟信号。 传输系统 传输线或网络系统。 目的系统 接收器 接收来自传输系统的信号，并将其转换成终点可处理的信息。典型的接收器是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，还原出发送端产生的数字比特流。 终点 获取来自接收器数据的设备。,19,2.2.2 信息、数据和信号,1、信息 1975年有人曾对信息的定义做过统计，共有39

10、种。当时并没有公认、完整、统一的定义。 通信是在源点与终点之间传递信息。信息和消息是两个不同概念的名词。 消息是指能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音和图像等。它具有两个特点为：能被通信双方所理解； 可以相互传递。 信息是指包含在消息中对通信者有意义的内容。消息是信息的载体，消息中可能包含有信息。,20,2.2.2 信息、数据和信号(续1),如何衡量消息中所包含的信息呢？消息中包含信息量与接收者在收到此消息前对某事件存在的不确定性有关。 1948年，香农在通信的数学理论论文中给出了关于信息的度量公式，他把信息定义为熵的减少，即“用来消除不确定性的东西”。 根据香农理论

11、，一条消息包含信息的多少称为信息量。信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关。如消息表示的事件是必然事件(概率为1)，则该消息不含有任何信息量；如消息表示的事件根本不可能发生(概率为0) ，则该消息含有无穷的信息量。,21,2.2.2 信息、数据和信号(续2),香农规定，一条消息所荷载的信息量等于它所表示的事件发生的概率P的倒数的对数。,(2-1),对于一条含有m个符号的消息，每个符号出现的概率不同。当m很大，共出现了 n 次，则它具有的信息量是,22,2.2.2 信息、数据和信号(续3),整条消息所具有的信息量是所有这样的信息量在不同的 i 值时之总和。,(2-2),每个符号包含的平均信息

12、量是,(2-3),平均信息量是每个符号所含信息量的统计平均值，其单位为比特/符号。平均信息量又称为熵。,23,2.2.2 信息、数据和信号(续4),2、数据 数据是对某一事实的不经解释并赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合的原始表达。是消息的一种表示形式，是传达某种意义或信息的实体。 当信息被表示为数据时，数据中就包含了信息。因此，信息可以通过解释数据来产生。 信息强调“处理”和“使用” ，尤为后者。 数据分为模拟数据和数字数据。模拟数据在一段时间内具有连续的值(如声音等)，而数字数据则具有离散的值(如文本等)。,24,2.2.2 信息、数据和信号(续5),3、信号 信号的分类 信号是

13、数据的具体表示形式。目前常用的是电信号。 对数据通信有用的几种分类方法。 (1)模拟信号与数字信号 (2)连续信号与离散信号 (3)随机信号与确定信号 (4)周期信号与非周期信号,25,2.2.2 信息、数据和信号(续6),信号的特性 信号的特性表现在时间特性和频率特性两个方面。 时间特性主要指信号随时间变化的特性。信号随时间变化的表现包含了信号的全部信息量。 频率特性是指信号可用频谱函数来表示的特性。频谱函数表征信号的各频率成分，以及各频率成分的振幅和相位。,26,2.2.2 信息、数据和信号(续7),通信系统的分析 一个通信系统的输入信号，称为激励；而输出信号，称为响应。通信系统的功能和特

14、性是通过怎样的激励而产生怎样的响应来体现的。 通信系统有两种分析方法。 时域分析法是利用信号的时间特性，把激励和响应看成是时间函数的分析方法。 频域分析法是利用信号的频率特性，把激励和响应经过傅立叶变换，将时间变量变换为频率变量进行分析的分析方法。,27,2.2.3 传输信道,1、信道概述 广义信道 将传输媒体和完成各种形式的变换功能的设备都包含在内的信道。根据具体的研究对象和关心的问题，可定义不同类型的广义信道。如调制信道、编码信道等。 狭义信道 仅指传输媒体的信道。,28,2.2.3 传输信道(续1),信道的功能具有两面性：它既为信号提供传输通路，又对信号造成损害(如衰减和畸变)。,数字信

15、号通过实际信道的两种情况 有失真，尚可识别,失真大，无法识别,29,2.2.3 传输信道(续2),信道和电路是两个不同的概念。它是电路的逻辑部件。通常用来表示某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。,30,2.2.3 传输信道(续2),信道分类 (1) 模拟信道和数字信道 按照信道上传输的信号种类分为： 模拟信道 允许传输波形连续变化的模拟信号的信道。其传输特性可用等效的四端网络传输函数 来表示。模拟信道又可分为恒参信道和变参信道。其质量可用失真和输出信噪比来衡量。 数字信道 只允许传输离散取值的数字信号的信道。其质量可用差错率和差错序列的统计特性来衡量。,3

16、1,2.2.3 传输信道(续3),(2) 单工、半双工和全双工信道 按照信道上信号传送方向与时间的关系分为： 单工信道 半双工信道 全双工信道 (3) 专(租)用信道和公用信道 按照使用信道的方法分为： 专用信道 公用信道,32,2.2.3 传输信道(续4),(4) 有线信道和无线信道 按照信道采用传输媒体的不同分为： 有线信道 以有形的导向传输媒体(如双绞线、同轴电缆、光缆)为传输媒体的信道。 无线信道 以非导向传输媒体(如宇宙空间)为传输媒体的信道。 利用现有信道来实现数据传输是一种既经济又可行的方案，但必须了解信道的特点，以及它对传输数据信号的影响和限制。,33,2.2.3 传输信道(续5),2、信道容量 对于给定的信道环境，传输速率与误码率有何关系？或者说，在一定的误码率条件下，传输速率是否存在一个极限值？信息论证明了这个极限值的存在，并称其为信道容量。 信道容量 对于给定的信道环境，在传输差错率(即误码率)趋向零的情况下，单位