计算机网络物理层.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机网络物理层,多车道公路是并行传输,通信线路上通常都是串行传输,2.2 数据通信的基础知识,一、数据通信系统的模型,一个数据通信系统可划分为三大部分，即,源系统,(或,发送端,)、,传输系统,(或,传输网络,)和,目的系统,(或,接收端,)。,二、通信系统有关的基本概念,数据、信息与信号,数据(Data)是运送信息的实体,信息（Information）数据的内容或含义,信号(Signal)是数据的电气的或电磁的表现,通信系统有关的基本概念,信息,数据,信号,在介质上传输,信号,数据,信息,把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。,模拟的：连续变化的信号，多见为正/余旋波形,数字的：取值仅允许有限的几个离散数值,Mo,dulation调制，,Dem,odulation解调,调制：将数字数据转换为模拟信号的过程,解调：将模拟信号转换为数字数据的过程,数据：模拟数据、数字数据,信号：模拟信号、数字信号,信道：模拟信道、数字信道,数据传输的形式,信道:表示向某一个方向传送信息的媒体,(注意:逻辑概念,与线路的区别),不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输有4种组合,。,通信系统有关的基本概念,数字信号的传输方式,通信系统有关的基本概念,基带传输：,信号按原来的形式通过数字信道进行传输，即：将编码后的数字脉冲信号直接放在信道上传送。,是“直接控制信号状态”的传输方式，例如：以太网,频带传输：,将基带信号调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调,是“控制载波信号状态”的传输方式，例如：通过 模拟信道传输,宽带信号：,是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,信道的传输模式(通信方式),通信双方的信息交互方式，按,数据流动的方向,有三种基本方式：,（1）单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。,（2）双向交替通信：又称为半双工通信，即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)。,（3）,双向同时通信,：又称为,全双工通信,，即通信的双方可以同时发送和接收信息。,通信系统有关的基本概念,码元的含义,比特传输和码元传输,三、信道上的最高码元传输速率,2.2 数据通信的基础知识,奈奎斯特(Nyquist)准则：,理想低通信道(带宽为,W,Hz)的最高码元传输速率=,2,W,Baud,即每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。,理想带通信道的最高码元传输速率=,W,Baud,即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。,信道上的最高码元传输速率,强调：,奈氏准则给出的是个理论上限数值，一个实际的信道所能传输的最高码元速率要明显地低这个值。,波特是每秒传送的码元数(即信号传送速率),。,又称为调制速率、波形速率或符号速率；而比特是信息量的单位。,信道上的最高码元传输速率,M 最大数据率(C),2 6000 bps,4 12000 bps,8 18000 bps,话音级线路(3000 Hz),R,baud,=6000 baud,Bit与Baud的关系,1 Baud=（log,2,M）bps,其中M是信号的编码级数。也可以写成,R,bit,=R,baud,log,2,M,一个码元中可以传送多个比特（bit），所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特。,信道上的最高码元传输速率,四、信道的极限信息传输速率,香农公式,信道的极限信息传输速率可表达为,C,=,W,log,2,(1+,S,/,N,)bit/s,其中：,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，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。,2.2 数据通信的基础知识,奈氏准则和香农公式的主要区别是什么？,这两个公式对数据通信的意义是什么？,奈氏准则指出了：码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元是1还是0。,奈氏准则是在理想条件下推导出的。实际条件的最高码元传输速率要小些。研究的任务就是要在实际条件下，找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。,但是，奈氏准则并没有对信息传输速率（b/s）给出限制。要提高信息传输速率就必须使每一个传输的码元能够代表许多个比特的信息。这就需要有很好的编码技术。,香农公式给出了信息传输速率的极限，该极限是不能够突破的。要想提高信息的传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任何办法。,2.2 数据通信的基础知识,2.2 数据通信的基础知识,2.3 物理层下面的传输媒体,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、非导向传输媒体。,在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。,一、双绞线,把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。,从用户 机到交换机的这段线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。,2.3.1 导向传输媒体,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）,(双绞线外没有任何附加屏蔽),2.3.1.1 双绞线,在双绞线电缆(也称双扭线电缆)内,不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说，扭绞长度在38.1cm至14cm内，按逆时针方向扭绞，相邻线对的扭绞长度在12.7cm以上。,双绞线型号,1、一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的 线缆），不用于数据传输。2、二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧令牌网。3、三类:该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。4、四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。5、五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。,2.3.1.1 双绞线,超五类电缆(Enhanced Cat 5)：它是在对现有的UTP五类双绞线的部分性能加以改善后出现的系统，不少性能参数，如近端串扰(NEXT)、衰减串扰比(ACR)等都有所提高，但其传输带宽仍为100MHz。,六类电缆(Cat 6)：它是一个新级别的电缆系统，除了各项参数都有较大提高之外，其带宽将扩展至200MHz或更高。,在双绞线电缆的外面包皮上一般印有“AMP SYSTEMS CABLE24AWGCAT5”的字样，表示该双绞线是AMP公司(最具声誉的双绞线品牌)的五类双绞线，其中24AWG表示是局域网中所使用的双绞线，CAT5表示为五类。,2.3.1.1 双绞线,RJ-45连接器,2.3.1.1 双绞线,RJ-45连接器包括一个插头（水晶头）和一个插孔。插孔安装在机器上或布线设备上，而插头和双绞线相连。EIA/TIA制定的布线标准规定了8根针脚的编号。,制作双绞线的压线钳,2.3.1.1 双绞线,双绞线的两端的连接：直通线（也称正线、平行线）,EIA/TIA568B,白橙,橙,白绿,蓝,白蓝,绿,白棕,棕,2,3,4,5,6,7,8,白橙,橙,白绿,蓝,白蓝,绿,白棕,棕,2,3,4,5,6,7,8,EIA/TIA568B,RX+,RX-,TX+,未使用,未使用,TX-,未使用,未使用,TX+,TX-,RX+,未使用,未使用,RX-,未使用,未使用,2.3.1.1 双绞线,在10/兆比秒和100 Mb/s以太网中只使用两对导线。也就是说，只使用4根针脚,（1,2,3和6），1和2用于发送，3和4用于接收,直通线缆,水晶头两端都是遵循EIA/TIA568A或EIA/TIA568B标准，每组绕线是一一对应的。,适用场合：,交换机（或集线器）UPLINK口-,交换机（或集线器）普通端口,交换机（或集线器）普通端口 -,计算机（终端）网卡,2.3.1.1 双绞线,双绞线的两端的连接：交叉线（也称反线）,EIA/TIA568B,2,3,4,5,6,7,8,2,3,4,5,6,7,8,EIA/TIA568A,TX+,TX-,RX+,未使用,未使用,RX-,未使用,未使用,TX+,TX-,RX+,未使用,未使用,RX-,未使用,未使用,2.3.1.1 双绞线,白橙,橙,白绿,蓝,白蓝,绿,白棕,棕,白橙,橙,白绿,蓝,白蓝,绿,白棕,棕,交叉线缆,水晶头一端遵循EIA/TIA568A，而另一端遵循EIA/TIA568B标准。即两个水晶头的连线交叉连接，A水晶头的1，2对应B水晶头的3，6；而A水晶头的3，6对应B水晶头的1，2。,适用场合：,交换机（或集线器）普通端口,-,交换机（或集线器）普通端口,计算机网卡（终端）,-,计算机网卡（终端）,2.3.1.1 双绞线,二、同轴电缆,同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。,2.3.1 导向传输媒体,通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：,（1）50,同轴电缆,50,同轴电缆又称为基带同轴电缆。,一条电缆只用于一个信道，,用于数字传输。,在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。后面的图画的是未经编码的原基带数字信号和在计算机网络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。,2.3.1.2 同轴电缆,2.3.1.2 同轴电缆,（2）75,同轴电缆,75,同轴电缆又称为宽带同轴电缆。在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。,一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，,用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器,双电缆系统的示意图如图(a)所示。头端(headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上收到发送给它们的信息。,图(b)为单电缆系统。,2.3.1.2 同轴电缆,2.3.1.2 同轴电缆,三、光纤,光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 100,m。正是这个纤芯用来传导光波。其特点是：,2.3.1 导向传输媒体,-,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,光纤传输原理,-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。,-纤芯的折射率高、玻璃包层的折射率低,-有光脉冲-1，无光脉冲-0,2.3.1.3 光纤,2.3.1.3 光纤,2.3.1.3 光纤,光纤收发问题,光电转换器,光电转换器,电信号,电信号,光信,号,光纤传输系统组成：光源，传输介质，监测器,光源分：激光和发光二极管,典型的光缆,玻璃封套,塑料外套,玻璃内芯,单芯光缆,多芯光缆,玻璃内芯,塑料外套,玻璃封套,外壳,2.3.1.3 光纤,多芯光纤结构,芯,封套,外套,加强芯,光纤,外鞘,加强芯,光纤束,2.3.1.3 光纤,光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：,（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。,（2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。,（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。,（4）体积小，重量轻。,缺点：对接复杂,当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。,T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。,2.3.1.3 光纤,有源的T形接头实际上就是一个有源转发器(如图所示)。,2.3.1.3 光纤,2.3.2 非导向传输媒体,1短波通信：高频、电离层反射、通信质量差、速率低,2地面微波接力通信,其主要特点是：,微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；,因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高；,与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设 少，见效快。,2.3.2 非导向传输媒体,两个地面站之间传送,距离：50-100 km,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,2.3.2 非导向传输媒体,微波接力通信,缺点：,相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真；,微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；,与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；,对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。,3卫星通信,卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。,广播式通信、保密差、技术复杂、成本高。,卫星通信的另一特点就是具有,较大的传播时延,。,2.3.2 非导向传输媒体,与地面站相对固定位置,使用3个卫星覆盖全球,传输延迟时间长,地球,2.3.2 非导向传输媒体,常用传输媒体的比较,2.4 模拟传输与数字传输,2.4.1 模拟传输系统,早期 系统，可用FDM技术提高线路利用率,2.4.2 调制解调器（数字数据的模拟传输）,1调制解调器的作用,若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。,调制解调器(modem)就是由调制器(MOdulator)和解调器(DEModulator)这两个字各取其字头合并而成的。,调制器的主要作用就是：在一条标准的二线模拟话路(3.1kHz)上提供全双工的异步数字通信。调制进行波形变换、解调进行波形识别。,2.4 模拟传输与数字传输,2几种最基本的调制方法,所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于模拟信道传输的频谱。最基本的二元制调制方法有以下几种：,（1）调幅(AM)：,载波的振幅随基带数字信号而变化,（2）调频(FM)：,载波的频率随基带数字信号而变化,（3）调相(PM)：,载波的初始相位随基带数字信号而变化,2.4 模拟传输与数字传输,调频又称为移频键控,FSK(Frequency Shift Keying)而调相又称为,移相键控,PSK(Phase Shift Keying),。移相键控还可再分为绝对移相键控和相对移相键控(DPSK差分码，抗干扰性好)。,为了达到更高的信息传输速率，可以采用技术上更复杂的多元制振幅相位混合调制方法。后面为正交调制,QAM(Quadrature Amplitude Modulation),的星座图。,2.4 模拟传输与数字传输,可以看出，若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多)，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,2.4 模拟传输与数字传输,3关于调制解调器的速率,图(a)表示两个计算机用户A和B通过V.34调制解调器(33.6 kbit/s)进行通信。,由于大部分的ISP都使用租用数字专线接入到 交换机，因此用户与ISP之间的通信信道是图(b)所示的那样。,2.4 模拟传输与数字传输,经数模转换后到用户环路，只有在模拟信号到达用户的调制解调器后才进行数模转换，这时才产生量化噪声。,信号电平：-15-5V，表示逻辑“1”；,这就需要有很好的编码技术。,它是 电子工业协会EIA制定的著名物理层标准。,信息数据信号在介质上传输信号数据信息,信号电平：-15-5V，表示逻辑“1”；,Rbit=Rbaud log2M,2 数据通信的基础知识,通信系统有关的基本概念,将基带信号调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调,二、通信系统有关的基本概念,4 模拟传输与数字传输,它使用集中器，按需动态地分配时隙。,即每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。,同步通信和异步通信,PCM(Pulse Code Modulation)体制,纤芯很细，其直径只有8 100 m。,4 模拟传输与数字传输,理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud,2 数据通信的基础知识,4调制解调器使用异步通信方式,问题：,接收端如何确定判决的时刻,同步通信和异步通信,同步通信,就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等(这常称为收发双方的时钟是同步的)，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的,。,当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度的一半时(本来判决点应当处于每一个码元的中间)，就要产生差错(比特重读或漏读)，这就是所谓的滑动(slip)。,准同步方式是各有关信号使用一些独立的、具有相同的频率标称值的时钟源，但这些频率的实际数值允许有微小的误差(在容许范围之内)。可降低成本和复杂度,2.4 模拟传输与数字传输,2.4 模拟传输与数字传输,异步通信,在发送端将欲发送的数据以字节(8个比特)为单位进行逐个字节的封装，增加起停位。可用廉价时钟，仅要求10bit不偏移即可。,以字节为单位传送，字节内要求精确时钟，字节间可间隔任意长时间。通过增加通信开销(因而数据的有效传输速率就降低了)使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。,问题：模拟数据的数字传输,PCM(Pulse Code Modulation)体制,模拟 信号的数字化，即采样和量化。,采样：根据采样定理，只要采样频率不低于 信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的 信号。,量化：将每个样本用多少二进制表示出来（样本精度）,标准的 信号的最高频率为3.4 kHz，为方便起见，采样频率就定为8 kHz，相当于采样周期为125 s。每个样本用8bit编码，因此数据率为64kbps。,2.4.3 数字传输系统,TDM,(Time Division Multiplexing)体制,目的：提高线路利用率,30路制的线路在欧洲叫做E1远距离数字通信线，重要参数如下：,每一个话路的数据传输率80008=64 kb/s。,16帧组成1复帧(用于同步)。,每帧由32个时间片(信道)组成。,每个信道每次传送8位代码。,每秒钟传送8000帧，每帧125,m,s。,数据传输率：R80003282048 kb/s。,24路制的线路在北美叫做T1远距离数字通信线，重要参数如下：,每一个话路的数据传输率80008=64 kb/s。,12帧组成1复帧(用于同步)。,每帧由24个时间片(信道)和1位同步位组成。,每个信道每次传送8位代码，1帧有2481193bit。,每秒钟传送8000帧，每帧125,m,s。,数据传输率R80001931544 kb/s。,2.4.3 数字传输系统,在2.048 Mbit/s的传输线路两端同步旋转的开关，表示32个时隙中的比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱。,2.4.3 数字传输系统,可以看出如果两个计算机之间的通信线路是模拟、数字交替组成，则不能发挥数字传输的速率高的优越性。,2.4.3 数字传输系统,多路复用的T1流,2.5 信道复用技术,频分复用：,所有用户在同样的时间占用不同的频带宽度资源。,时分复用：,所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,问题：当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，当用户在某一段时间暂时无数据传输时只能让分配给他的子信道空闲着，而其他用户也无法使用其空闲的线路资源。,2.5 信道复用技术,解决办法：统计时分复用STDM(Statistic TDM),又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。它使用集中器，按需动态地分配时隙。能明显地提高信道的利用率，但是增加开销。,2.5 信道复用技术,A,B,C,D,待发数据,t,1,t,2,t,3,A,1,B,1,C,1,D,1,C,2,D,2,A,2,B,2,周期1,周期2,同步 TDM,带宽浪费,A,1,B,1,C,2,B,2,周期1,周期2,统计TDM,可用带宽,2.5.3 码分复用,原理,码分复用,CDM(Code Division Multiplexing),是另一种共享信道的方法。即码分多址,CDMA(Code Division Multiple Access),每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。,码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。,2.5 信道复用技术,方法,在CDMA中，每一个比特时间再划分为,m,个短的间隔，称为码片(chip)。（,m,一般为64或128）,每个站被指派唯一的mbit码片序列，发送时1对应m，0对应m的反码。数据率增加m倍，又称扩频通信。,各站码片两两正交，即：,ST=0 SS=1 SS,反,=1,实现各站同时发送接收，互相不干扰。,2.5 信道复用技术,4个站进行CDMA通信,码片分别为,A:-1-1-1+1+1-1+1+1,B:-1-1+1-1+1+1+1-1,C:-1+1-1+1+1+1-1-1,D:-1+1-1-1-1-1+1-1,现收到码片序列为(-1+1-3+1-1-3+1+1)判断各站发出的数据是0还是1,三、信道上的最高码元传输速率,模拟的：连续变化的信号，多见为正/余旋波形,与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设 少，见效快。,4 模拟传输与数字传输,A:-1-1-1+1+1-1+1+1,每帧由32个时间片(信道)组成。,可以看出如果两个计算机之间的通信线路是模拟、数字交替组成，则不能发挥数字传输的速率高的优越性。,6 kbit/s)进行通信。,+5+15V，表示逻辑“0”；,A:-1-1-1+1+1-1+1+1,其中：W为信道的带宽(以Hz为单位)；,为了达到更高的信息传输速率，可以采用技术上更复杂的多元制振幅相位混合调制方法。,二、通信系统有关的基本概念,卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。,RS-232-C规定：,2.7 物理层接口标准,它是 电子工业协会EIA制定的著名物理层标准。,EIA-232是DTE与DCE之间的接口标准。,DTE(Data Terminal Equipment)数据终端设备：数据处理及收发,DCE(Data Circuit-terminating Equipment)数据电路端接设备。作用是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。,RS-232-C接口特性如下：,1）机械特性,RS-232-C为25芯连接器。,2）电气特性,RS-232-C规定：,信号电平：-15-5V，表示逻辑“1”；+5+15V，表示逻辑“0”；,传送距离：15m；,速率：20Kbps,3）功能特性,定义21根接口线，分五类：地线、数据线、控制线、定时线、辅助信号线。,DTE/DCE连接方法,4）规程特性,整个过程：主叫端拨号，建立连接过程；,被叫端向主叫发送数据；,主叫端向被叫端发送数据；,线路拆除。,2.7 物理层接口标准,2.7 物理层接口标准,EIA-232接口标准有两个较大的弱点，即：数据的传输速率最高为20 kbit/s；连接电缆的最大长度不超过15 m。,2.7 物理层接口标准,