计算机网络课程PPT(2).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,*,计算机网络,任课教师：吴慧韫,电子邮箱:,wu,_,hui,_,yun,sina,.com,学 时：,64,学时（理论,48+,实验16）,1,2.1,物理层的基本概念,2.2,数据通信的基础知识,2.3,物理层下面的传输媒体,2.4,模拟传输与数字传输,2.5 信道复用技术,2.7 物理层标准举例,第二章,物理层,2,物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的,传输媒体,上传输数据的,比特流,，而不是连接计算机的物理设备或具体的传输媒体。物理层,规程,(,procedure),机械特性：,电气特性：,功能特性：,规程特性：,2.1 物理层的基本概念,3,2.2,数据通信的基础知识,2.2.1,数据通信系统的模型,两个,PC,机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。,如图,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,)。,4,数据,(,data),是运送信息的实体，而,信号,(,signal),则是数据的电气的或电磁的表现。,无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。,“,模拟的,”：表示是连续变化的,“,数字的,”：表示取值是离散的,将数字数据转换为模拟信号的过程叫,调制,。,将模拟信号转换为数字数据的过程叫,解调.,5,一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此有以下四种情况：,（,1）,模拟数据、模拟信号,。,（2）,模拟数据、数字信号,。,（3）,数字数据、模拟信号,。,（4）,数字数据、数字信号,。,6,从通信的双方信息交互的方式来看：,(1)单向通信：单工通信；,(2)双向交替通信：半双工通信；,(3)双向同时通信：全双工通信。,2.2.2 有关信道的几个基本概念,模拟信道：适合传输模拟信号，如电话线,数字信道：适合传输数字信号，如光纤,基带(,baseband,),和宽带(,broadband),信号,基带信号：由计算机产生的数字信号1或0不经过任何变换直接传输,宽带信号：将数字信号加载在模拟载波信号上传输。,7,信道的数据速率：,（,B）,码元速率：,单位时间内传输的码元个数 单位：波特（,Band）,波特率：单位时间信号状态变化的次数,（,C）,数据传输率,：,单位时间传输的二进制位数。,单位：比特/秒(,b/s),关系：,C=Blog,2,L,L:,一个码元所取的离散值的个数,当,L=2,时,C=B（,即当一个码元携带的一位二进制数时）,当,L=8,时,C=3B（,即当一个码元携带的3位二进制数时,）,8,9,2.2.3 信道上的最高码元传输速率,奈氏(,Nyquist,),准则：(1924年提出，是基于无噪声的信道 即理想低通信道）,最高码元传输率,B=2W,W-,理想低通信道的带宽，单位为赫。,最大数据传输率,C=2Wlog,2,L,强调两点,(1)实际使用的信道与理想化的信道有很大差别，其能传输的最高码元速率要低得多。,(2)波特和比特是两个不同的概念：,码元传输率也称为调制速率、波形速率或符号速率，单位,Baud-,码元/秒。,比特是信息量单位，,b/,秒。,10,2.2.4 信道的极限信息传输率,香农(,Shannon),公式(1948年提出，是基于有噪声的信道,),最大数据传输率,C=W log,2,(1+S/N)b/s,W,为信道的带宽(以,Hz,为单位),S/N,称为信噪比,注意：实际应用中常告诉信噪比为多少分贝（,dB），,则此时指的是,10log,10,S/N,信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率越高。,11,例题1,一个数字信号通过,两种物理状态,经信噪比为20,db,的,3KH,Z,信息传送，其速率不会超过多少？,解：,由条件:,L=2 W=3KH,Z,10lgS/N=20,S/N=100,由奈式公式：,C=2Wlog,2,L=2*3Klog,2,2=6Kb/s,由香农公式：,C=W,log,2,(1+S/N)=3 log,2,(1+100)=18Kb/s,注意：要取两者中较小的值，所以最大速率为,6Kb/s,12,例题2,若要在一条50,KHz,信道上传输1.544,Mb/s,的,T1,载波，信噪比至少要多大？,解：,由条件,W=50KHz C=1.544Mb/s,香农公式,C=Wlog,2,(1+S/N),1.544*10,3,K=50K,log,2,(1+S/N),S/N=2,30,信噪比,10lgS/N=10lg 2,30,(,分贝,),13,传输媒体是数据传输系统中在发送器和接受器之间的物理通道，即,指传送信息的载体。,1、,导向传输媒体(,有线传输介质),双绞线,（,Twisted Pair,）,同轴电缆,（,Coaxial Cable,）,光缆,(,Optical Fiber,),2、,非导向传输媒体(,无线传输介质),无线、微波、卫星通信、红外线,通过空气来进行信号的传播。,2.3 传输媒体(传输介质,),14,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。,屏蔽双绞线(,STP)：,具有屏蔽能力。,非屏蔽双绞线（,UTP）：,不具有屏蔽能力。,有5类,UTP,标准，常用的是第3类和第5类。,双绞线面临的主要问题：,衰减和近端串扰,15,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,16,（1）50,同轴电缆,（2）75,同轴电缆,50,同轴电缆又称为,基带同轴电缆,。在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法,曼彻斯特,(,Manchester),编码,和,差分曼彻斯特编码,。,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,。,17,常用的编码方法,曼彻斯特:,每位周期中间跳变，1：由高到低 0：由低到高,差分曼彻斯特:,每位周期中间跳变，1前不跳变，0前跳变,1,0,0,0,1,0,0,1,1,1,基带,数字信号,曼彻斯特,编码信号,差分,曼彻斯特,编码信号,18,光纤,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。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角,入射角足够大会反全射.,19,特点：,通信容量大,带宽在25000,GHz30000GHz,传输损耗小,抗雷电和电磁干扰性能好,无串音干扰，保密性能好,体积小，重量轻,多模光纤:,不同角度入射的光线在一条光纤中传输,单模光纤:,光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导使光线一直向前传播，而不会产生多次反射,20,模拟传输技术,数字传输技术,2.4,模拟传输与数字传输,模拟信道,模拟信号,数字信号,模拟信号,数字信号,调制 解调,数字信道,数字信号,模拟信号,数字信号模拟信号,编码 解码,21,2,.4.2 调制解调器,1调制解调器的作用,解决失真的办法,在模拟信道两端各加上一个调制解调器,把模拟信道改造为数字信道,调制解调器(,modem),由调制器,(,MOdulator,),和,解调器,(,DEModulator,),组成,调制器的主要作用就是个,波形变换器,，解调器的作用就是个,波形识别器,。,传送基带信号失真的原因：,(1)基带信号的某些频率成分丢失。,(2)信号的衰减和时延。,(3)传送线路中存在噪声和各种干扰信号。,22,2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在模拟信道中传输的频谱。,最基本的二元调制方法：,（1）,调幅,(,AM),（2）,调频,(,FM),（3）,调相,(,PM),正交幅度调制,QAM,23,0时无载波输出,1时有载波输出,0,时,f,不变,1时,f,变大,1时改变相位,24,上述的对数字信号的调频和调相，分别称为,移频键控,FSK(Frequency Shift Keying),移相键控,PSK(Phase Shift Keying)-,绝对移相键控,-,相对移相键控,(,DPSK),为了达到更高的信息传输速率，采用更为复杂的多元的振幅相位混合调制方法：,正交调制,QAM,四种,r,四种,表示16种状态，那么一个信息位有16种状态，即4位二进制,C=Blog,2,L,L=16 -C=4B,采用,QAM,多元调制可提高数 据传输率,25,4调制解调器使用异步通信方式,数据通信可分为,同步通信,和,异步通信,两大类。,同步通信,: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。,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,对每一个字节增加一个起始比特和停止比特.,异步通信是通过增加通信开销,(每发送10个比特就有两个比特的额外开销，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,。,26,2.4.3数字传输系统,解决问题：模拟信号在数字信道上传输入,实现方法：脉码调制,PCM(,Pluse,Code Modulation),技术,三个步骤：,1）采样：采样频率=2倍信号频率,根据取样定理，只要取样频率不低于模拟信号最高频率的2倍，就可以从取样脉冲信号无失真地恢复除原来的信号。,2）量化：振幅0-255，分128个等级,0，2），2，4），4，6）254,255),0 1 2 127,3）编码：对每个已量化的值进行7位二进制编码,27,2.5 信道复用技术,用一对传输线同时传送几路信息，称为多路复用,1.频分多路复用,FDM,2.,时分多路复用,TDM,3.波分多路复用,WDM,4.码分多路复用,CDM,28,频分多路复用,FDM,(Frequency Division Multiplexing),多路信号同时使用一个信道的不同频段,适用于模拟信号,应用：,广播电视,电缆电视,数字数据传输：需要将数字信号转换为模拟信号,29,30,时分多路复用,TDM,(Time Division Multiplexing),多个信号分时地使用一个信道的一个频段,即时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频道宽度。,-同步时分多路复用,-异步时分多路复用（,统计时分多路复用,STDM,）,在进行通信时，,复用器,(,multiplexer,),总是和,分用器,(,demultiplexer,),成对地使用。,31,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，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时(例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息)，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。见下图：,32,统计时分复用,STDM(Statistic TDM),是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。,集中器,(,concentrator),常使用这种统计时分复用。下图是统计时分复用的原理图。,STDM,帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此统计时分复用可以提高线路的利用率。,33,波分多路复用,WDM,(Wavelength Division Multiplexing),波分复用技术主要用于,全光纤网,组成的通信系统,将是计算机网络系统今后的主要通信传输复用技术之一.,将信道分成,多个波段,相当与频分复用中的频段,34,码分,多路,复用,CDM,(Code Division Multiplexing),更常用的是,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,。目前是一种用于移动通信系统的新技术,PDA、HPC,等移动性计算机的连网用到码分复用技术。,35,CDMA,的复用原理是基于码型分割信道。每个用户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠，其特点是频率和时间资源均为共享。,36,2.7 物理层标准举例,2.7.1,EIA-232-E,接口标准,EIA-232-E,是美国电子工业协会制订的物理层标准。1962年制订为,RS-232，1969,年修订为,RS-232-C，1981,修订为,EIA-232-D，1991,年修订为,EIA-232-E。,DTE(Data Terminal Equipment)-,数据终端设备,DCE(Data Circuit-termination Equipment)-,数据电路端接设备,CUS/DSU(Channel Service Unit/Data Service Unit)-,信道服务单元/数据服务单元,37,机械性特性,采用25针连接器(,DB-25),其中22针已经指定用途,与,ISO 2110,标准一致,对,DB-25,的机械尺寸及每根针的排列位置均作了明确规定，保证通用性,电器性接口：与,CCITT V.28,建议一致,在数据线上：,Mark(,传号)-3,V,或更低,逻辑1,Space(,空号)+3,V,或更高,逻辑0,在控制线上：,ON(,通),逻辑0,OFF(,断),逻辑1,38,功能性接口：与,CCITT V.24,建议书一致,39,40,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。,1997年又制定了,RS-449，,由3个标准组成,。,（1）,RS-449,规定接口的机械特性、功能特性和过程特性。,RS-449,采用37根引脚的插头座。,（2）,RS-423-A,规定在采用非平衡传输时(即所有的电路共用一个公共地)的电气特性。,（3）,RS-422-A,规定在采用平衡传输时(即所有的电路没有公共地)的电气特性。它可将传输速率提高到2,Mbit,/s，,而连接电缆长度可超过60,m。,41,作业一,：,1）,P66 2-02,2）,一个用于发送二进制信号的3,KHz,信道，其信噪比为20,dB,可以取得的最大数据速率是多少？,3)画出1010110011的基带数字信号、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码,42,作业2解答,：,解：单位为,dB,时，10,lgS,/N=20,S/N=100,香农,C=Wlog,2,(1+S/N),=3,log,2,(1+100)=19.,98kb,/s,奈式公式：,C=2Wlog,2,L=2*3log,2,2=6kb/s,最大数据数率是,6kb/s,43,曼彻斯特:,每位周期中间跳变，1：由高到低 0：由低到高,差分曼彻斯特:,每位周期中间跳变，1前不跳变，0前跳变,1,0,1,0,1,1,0,0,1,1,基带,数字信号,曼彻斯特,编码信号,差分,曼彻斯特,编码信号,画出1010110011的基带数字信号、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码,44,作业二,2-03 2-15,45,