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吴功宜吴功宜 编著编著计算机网络（第2版）第1页2第第3章章 物理层物理层第2页3本章学习要求本章学习要求：v掌握：物理层与物理层协议基本概念掌握：物理层与物理层协议基本概念v了解：了解：数据通信基本概念数据通信基本概念v了解：传输介质类型及主要特征了解：传输介质类型及主要特征v了解：了解：无线与卫星通信技术基本概念无线与卫星通信技术基本概念v掌握：数据编码类型和基本方法掌握：数据编码类型和基本方法v掌握：基带传输基本概念掌握：基带传输基本概念v掌握：频带传输基本概念掌握：频带传输基本概念v掌握：多路复用分类与特点掌握：多路复用分类与特点v掌握：同时数字体系掌握：同时数字体系SDH基本概念基本概念第3页43.1 物理层与物理层协议基本概念 3.1.1 物理层基本概念物理层基本概念 v通信子网分为点通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信点通信线路通信子网与广播信道通信子网道通信子网;v广域网主要采取点到点通信线路，局域网与城域广域网主要采取点到点通信线路，局域网与城域网普通采取广播信道网普通采取广播信道;v因为技术上存在较大差异，所以在物理层和数据因为技术上存在较大差异，所以在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。点通信线路，另一类是基于广播信道。第4页53.1.2 物理层基本服务功效v物理层设计时主要考虑是怎样在连接开放系统传物理层设计时主要考虑是怎样在连接开放系统传输介质上传输各种数据比特流；输介质上传输各种数据比特流；v计算机网络能够利用物理传输介质与传输设备存计算机网络能够利用物理传输介质与传输设备存在着很大差异，设计物理层主要目标是向数据链在着很大差异，设计物理层主要目标是向数据链路层屏蔽通信技术差异性；路层屏蔽通信技术差异性；v数据链路实体经过与物理层接口，将数据传送给数据链路实体经过与物理层接口，将数据传送给物理层，经过物理层按比特流次序，将信号传输物理层，经过物理层按比特流次序，将信号传输到另一个数据链路实体。到另一个数据链路实体。第5页63.1.3 物理层向数据链路层提供服务 v物理连接建立、维护与释放物理连接建立、维护与释放；v物理连接分为点物理连接分为点-点连接与多点连接点连接与多点连接；v数据传输分为全双工、半双工与单工方式数据传输分为全双工、半双工与单工方式；v数据传输分为串行传输方式与并行传输方式数据传输分为串行传输方式与并行传输方式；v串行传输方式物理数据服务单元是位；串行传输方式物理数据服务单元是位；并行传输方式物理数据服务单元是并行传输方式物理数据服务单元是N位，位，N为并行为并行连接物理通道数。连接物理通道数。第6页73.2 数据通信基本概念 3.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号1.信息基本概念信息基本概念v通信目标是交换信息，通信目标是交换信息，信息载体能够是数字、文字、信息载体能够是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生信息普通是字母、数语音、图形或图像，计算机产生信息普通是字母、数字、语音、图形或图像组合；字、语音、图形或图像组合；v为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码数据来表示；形或图像用二进制代码数据来表示；v为了传输二进制代码数据，必须将它们用模拟或数字为了传输二进制代码数据，必须将它们用模拟或数字信号编码方式表示；信号编码方式表示；v数据通信是指在不一样计算机之间传送表示字母、数数据通信是指在不一样计算机之间传送表示字母、数字、符号二进制代码字、符号二进制代码0、1比特序列模拟或数字信号过比特序列模拟或数字信号过程。程。第7页8信息编码标准vASCII 码被国际标准化组织码被国际标准化组织ISO接收，成为国际接收，成为国际标准标准ISO 646，又称为国际又称为国际5号码号码;v它用于计算机内码，也用做数据通信中编码标准它用于计算机内码，也用做数据通信中编码标准;vASCII码采取码采取7位二进制比特编码，能够表示位二进制比特编码，能够表示128个字符个字符;v字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包含数字、字母、运算符号、商用符号等。含数字、字母、运算符号、商用符号等。第8页9多媒体网络应用v利用数字通信系统来实现多媒体信息传输是通利用数字通信系统来实现多媒体信息传输是通信技术研究主要内容之一；信技术研究主要内容之一；v与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统含有高速率与低延时息传输要求数据通信系统含有高速率与低延时特征；特征；v多媒体技术在网络中应用，将对数据通信系统多媒体技术在网络中应用，将对数据通信系统提出更高要求。提出更高要求。第9页102.信号概念 v信号是数据在传输过程中电信号表示形式；信号是数据在传输过程中电信号表示形式；v模拟信号（模拟信号（analog signal）信号电平是连续改变；信号电平是连续改变；v数字信号（数字信号（digital signal）是用两种不一样电平是用两种不一样电平去表示去表示0、1比特序列电压脉冲信号表示；比特序列电压脉冲信号表示；v按照在传输介质上传输信号类型，通信系统分为按照在传输介质上传输信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。模拟通信系统与数字通信系统两种。第10页11v模拟信号波型模拟信号波型v数字信号波型数字信号波型第11页123.2.2 数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机通信过程网络中两台计算机通信过程 第12页13网络通信系统设计中要处理几个基本问题：v数据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信 v数据通信方式数据通信方式 串行通信、并行通信串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信v同时方式同时方式 同时通信同时通信 异步通信异步通信第13页14串行通信与并行通信 第14页15单工、半双工与全双工通信 第15页16同时通信与异步通信第16页173.2.3 传输介质主要类型v双绞线双绞线v同轴电缆同轴电缆v光纤电缆光纤电缆v无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道第17页181.双绞线主要特征双绞线主要特征v 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STPv 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP第18页192.同轴电缆主要特征 第19页203.光缆主要特征第20页21单模光纤与多模光纤比较 第21页224.无线与卫星通信技术v电磁波传输有两种方式：电磁波传输有两种方式：以无线方式一个是在自由空间中传输以无线方式一个是在自由空间中传输 以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输v当前当前以无线方式进行以无线方式进行通信主要有：通信主要有：无线（无线（radio）微波（微波（microwave）红外（红外（infrared）可见光（可见光（visible light）第22页23（1）微波通信 v视距传输视距传输v电离层反射电离层反射第23页24（2）蜂窝无线通信 多址接入方法：多址接入方法：v频分多址接入（频分多址接入（FDMA）v时分多址接入（时分多址接入（TDMA）v码分多址接入（码分多址接入（CDMA）第24页25（3）卫星通信 第25页263.3 数据编码技术3.3.1 数据编码类型数据编码类型第26页273.3.2 模拟数据编码方法 第27页28v传传统统电电话话通通信信信信道道是是为为传传输输语语音音信信号号设设计计，只只适适合合用用于于传传输输音音频频范范围围（300Hz3400Hz）模模拟拟信信号号，无无法法直接传输计算机数字信号；直接传输计算机数字信号；v为为了了利利用用模模拟拟语语音音通通信信电电话话交交换换网网实实现现计计算算机机数数字字数数据信号传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；据信号传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；v将将发发送送端端数数字字数数据据信信号号变变换换成成模模拟拟数数据据信信号号过过程程称称为为调制调制，将调制设备称为调制器（将调制设备称为调制器（modulator）；）；v将将接接收收端端模模拟拟数数据据信信号号还还原原成成数数字字数数据据信信号号过过程程称称为为解调解调，将解调设备称为解调器（将解调设备称为解调器（demodulator）；）；v同同时时具具备备调调制制与与解解调调功功效效设设备备称称为为调调制制解解调调器器（modem）。第28页29v在调制过程中，选择音频范围内某一角频率在调制过程中，选择音频范围内某一角频率正（余）正余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号能够写为：弦信号作为载波，该正（余）弦信号能够写为：u（t）=umsin（t+0）v3个能够改变电参量：个能够改变电参量：振振 幅幅 um 角频率角频率 相相 位位 v能够经过改变能够经过改变3个电参量，来实现模拟数据信号编码目个电参量，来实现模拟数据信号编码目标。标。第29页301.振幅键控（amplitude shift keying,ASK）u um msinsin（1 1t+t+0 0）数字数字1 1 u u（t t）=0 0 数字数字0 0v振幅键控振幅键控ASKASK信号实现轻易，技术简单，但抗干信号实现轻易，技术简单，但抗干扰能力较差。扰能力较差。第30页312.移频键控（frequency-shift keying，FSK）u um msinsin（1 1t+t+0 0）数字数字1 1 u u（t t）=u um msinsin（2 2t+t+0 0）数字数字0 0v移频键控移频键控FSK信号实现轻易，技术简单，抗干扰信号实现轻易，技术简单，抗干扰能力较强，是当前最惯用调制方法之一。能力较强，是当前最惯用调制方法之一。第31页323.移相键控（phase-shift keying，PSK）v绝对调相绝对调相 u um msinsin（t+0t+0）数字数字1 1 u u（t t）=u um msinsin（t+t+）数字数字0 0v移相键控能够分为移相键控能够分为：绝对调相绝对调相 相对调相相对调相 二相调相二相调相 多相调相多相调相 第32页333.3.3 数字数据编码方法v基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）情况下直接传输数字信号，能够到达很高数据传情况下直接传输数字信号，能够到达很高数据传 输速率与系统效率输速率与系统效率;v在基带传输数字数据信号编码方式主要有：在基带传输数字数据信号编码方式主要有：非归零码非归零码NRZ 曼彻斯特（曼彻斯特（manchester）编码编码 差分曼彻斯特差分曼彻斯特（difference manchester）编编码码第33页341.非归零码NRZvNRZ码缺点是无法判断一位开始与结束，收发双码缺点是无法判断一位开始与结束，收发双方不能保持同时；方不能保持同时；v为确保收发双方同时，必须在发送为确保收发双方同时，必须在发送NRZ码同时，码同时，用另一个信道同时传送同时信号；用另一个信道同时传送同时信号；v假如信号中假如信号中“1”与与“0”个数不相等时，存在直个数不相等时，存在直流分量流分量。第34页352.曼彻斯特（manchester）编码曼彻斯特编码规则曼彻斯特编码规则：v 每比特周期每比特周期T分为前分为前T/2与后与后T/2两部分；两部分；v 经过前经过前T/2传送该比特反码，经过后传送该比特反码，经过后T/2传送该比特传送该比特 原码；原码；曼彻斯特编码优点曼彻斯特编码优点：v 每个比特中间有一次电平跳变，两次电平跳变时每个比特中间有一次电平跳变，两次电平跳变时 间间隔能够是间间隔能够是T/2或或Tv 利用电平跳变能够产生收发双方同时信号利用电平跳变能够产生收发双方同时信号 v 曼彻斯特编码信号又称做曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码自含钟编码”信号，发送曼信号，发送曼 彻斯特编码信号时无需另发同时信号。彻斯特编码信号时无需另发同时信号。第35页36差分曼彻斯特（difference manchester）编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码改进。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码改进。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不一样点主要是差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不一样点主要是：v每比特中间跳变仅做同时之用；每比特中间跳变仅做同时之用；v 每比特值依据其开始边界是否发生跳变来决每比特值依据其开始边界是否发生跳变来决 定定;v 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不不发生跳变表示传输二进制发生跳变表示传输二进制1。第36页37数字数据编码信号波形第37页383.3.4 脉冲编码 调制方法 v采样采样v量化量化v编码编码第38页39PCM用于数字语音系统用于数字语音系统：v声音分为声音分为128个量化级；个量化级；v每个量化级采取每个量化级采取7位二进制编码表示；位二进制编码表示；v采样速率为采样速率为8000样本样本/秒；秒；v数据传输速率应到达数据传输速率应到达7位位8000/秒秒=56kb/s；v假如每个量化级采取假如每个量化级采取7+1=8位二进制编码表示位二进制编码表示;v数据传输速率应到达数据传输速率应到达8位位8000/秒秒=64kb/s。第39页403.4 基带传输技术 3.4.1 基带传输定义基带传输定义 v在数据通信中表示计算机二进制比特序列数字数据信号在数据通信中表示计算机二进制比特序列数字数据信号是经典矩形脉冲信号是经典矩形脉冲信号;v矩形脉冲信号就叫做基带信号矩形脉冲信号就叫做基带信号;v矩形脉冲信号固有频带称做基本频带矩形脉冲信号固有频带称做基本频带,简称为基带；简称为基带；v在数字信道上直接传送基带信号方法称为基带传输在数字信道上直接传送基带信号方法称为基带传输;v在发送端基带传输数据经过编码器变换变为直接传输基在发送端基带传输数据经过编码器变换变为直接传输基带信号，如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号带信号，如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;v在接收端由解码器恢复成与发送端相同矩形脉冲信号在接收端由解码器恢复成与发送端相同矩形脉冲信号;v基带传输是一个最基本数据传输方式。基带传输是一个最基本数据传输方式。第40页413.4.2 通信信道带宽对基带传输影响 v通信信道带宽对数据信号传输中失真影响很大；通信信道带宽对数据信号传输中失真影响很大；v信道带宽越宽，信号传输失真越小。信道带宽越宽，信号传输失真越小。第41页423.4.3 数据传输速率定义与信道速率极限 数据传输速率定义数据传输速率定义 v数据传输速率是描述数据传输系统主要技术指标之一；数据传输速率是描述数据传输系统主要技术指标之一；v数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输组成数据代码二数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输组成数据代码二进制比特数，单位为比特进制比特数，单位为比特/秒，记做秒，记做b/s；v惯用数据传输速率单位有：惯用数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与与Tb/s，其其中：中：1Kb/s=1103 b/s 1Mb/s=1106 b/s 1Gb/s =1109 b/s 1Tb/s =11012 b/s第42页43信道速率极限值v奈奎斯特准则奈奎斯特准则：二进制数据信号最大数据传输速率：二进制数据信号最大数据传输速率 Rmax与通信信道带宽与通信信道带宽B（B=f，单位单位Hz）关系为关系为Rmax=2f（b/s）；）；v香农定理香农定理：在有随机热噪声信道上传输数据信号时，：在有随机热噪声信道上传输数据信号时，数据传输速率数据传输速率Rmax与信道带宽与信道带宽B，信噪比信噪比S/N 关系为关系为Rmax=Blog2（1+S/N）S/N为信噪比；为信噪比；第43页443.5 频带传输技术第44页453.6 多路复用技术 多路复用基本概念多路复用基本概念第45页463.6.1 多路复用技术分类v频分多路复用频分多路复用FDMv波分多路复用波分多路复用WDMv时分多路复用时分多路复用TDM第46页473.6.2 频分多路复用v在一条通信线路设计多路通信信道在一条通信线路设计多路通信信道;v每路信道信号以不一样载波频率进行调制每路信道信号以不一样载波频率进行调制;v各个载波频率是不重合各个载波频率是不重合,那么一条通信线路就能够同时独立地传输那么一条通信线路就能够同时独立地传输多路信号。多路信号。第47页48贝尔系统T1载波v24路音频信道复用在一条通信线路上；路音频信道复用在一条通信线路上；v每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要经过一个每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要经过一个PCM编码器；编码器；v编码器每秒取样编码器每秒取样8000次；次；v24路路PCM信号每一路轮番将一个字节插入到帧中；信号每一路轮番将一个字节插入到帧中；v每个字节长度为每个字节长度为8位，其中位，其中7位是数据位，位是数据位，1位用于信道控位用于信道控制；制；v每帧由每帧由248=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有所以每帧共有193位；位；v发送一帧需要发送一帧需要125毫秒；毫秒；vT1载波数据传输速率为载波数据传输速率为1.544Mb/s。第48页49 3.6.3 波分多路复用 v光纤通道（光纤通道（fiber optic channel）技术采取了波长分隔多路复用方法，技术采取了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用简称为波分复用WDM;v在一根光纤上复用在一根光纤上复用80路或更多路光载波信号称为密集波分复用路或更多路光载波信号称为密集波分复用DWDM；v当前一根单模光纤数据传输速率最高能够到达当前一根单模光纤数据传输速率最高能够到达20Gb/s。第49页503.6.4 时分多路复用 v时分多路复用是将信道用于传输时间划分为若干个时时分多路复用是将信道用于传输时间划分为若干个时间片；间片；v每个用户分得一个时间片；每个用户分得一个时间片；v在其占有时间片内，用户使用通信信道全部带宽。在其占有时间片内，用户使用通信信道全部带宽。第50页51时分多路复用分类 第51页523.7 同时数字体系SDH SDH发展背景发展背景 早期数字传输系统与设备暴露出固有弱点早期数字传输系统与设备暴露出固有弱点:v数据传输速率不标准数据传输速率不标准,存在着存在着T1 与与E1两个互不两个互不兼容标准，在高次群速率方面，日本又使用了第兼容标准，在高次群速率方面，日本又使用了第三种不兼容标准；三种不兼容标准；v光设备接口标准不规范，光设备接口标准不规范，没有国际标准规范，各没有国际标准规范，各个厂家使用自己标准个厂家使用自己标准 ；v数据传输速率不停提升，处理复用系统中同时问数据传输速率不停提升，处理复用系统中同时问题困难较大。题困难较大。第52页53同时光纤网SONETv同时光纤网概念由美国贝尔通信研究所首先提出来；同时光纤网概念由美国贝尔通信研究所首先提出来；v设计同时光纤网目标是处理光接口标准规范问题，定义设计同时光纤网目标是处理光接口标准规范问题，定义同时传输线路速率等级体系，以使不一样厂家产品能够同时传输线路速率等级体系，以使不一样厂家产品能够互连，从而能够建立大型光纤网络；互连，从而能够建立大型光纤网络；v1988年年ITU-T接收了接收了SONET概念，并重新命名为同时数概念，并重新命名为同时数字体系字体系SDH，使之不但仅适合用于光纤，也适合用于微使之不但仅适合用于光纤，也适合用于微波和卫星传输，成为通用性技术体制；波和卫星传输，成为通用性技术体制；vITU-T对对SDH速率、复用帧结构、复用设备、线路系统、速率、复用帧结构、复用设备、线路系统、光接口、网络管理和信息模型等进行了定义，确立了作光接口、网络管理和信息模型等进行了定义，确立了作为国际标准同时数字体系为国际标准同时数字体系SDH；v当前各个发达国家都把当前各个发达国家都把SDH作为新一代传输体系，加紧作为新一代传输体系，加紧对对SDH研究、开发与应用工作。研究、开发与应用工作。第53页54SDH速率体系vSTS-1帧结构帧结构第54页55STM-1参数v总传输速率：总传输速率：89908000=51.840（Mbps）v线路管理消耗带宽线路管理消耗带宽:8398000=1.728（Mbps）vSPE速率速率:89878000=50.112（Mbps）第55页56SDH复用结构第56页57SDH速率体系vSONETOC级级 与与SDHSTM级级 速率对应关系速率对应关系 数据数据传输传输速率（速率（Mb/s）OC级级STS级级STM级级51.840OC-1STS-1155.520OC-3STS-3STM-1466.560OC-9STS-9622.080OC-12STS-12STM-4933.120OC-18STS-181243.160OC-24STS-24STM-81866.240OC-36STS-36STM-122488.320OC-48STS-48STM-169952.280OC-192STS-192STM-64第57页58总结vSONET速率标准是以速率标准是以STS-1速率速率51.840Mbps为基础，而为基础，而SDH速率标准是以速率标准是以STM-1速率速率155.520Mb/s为基础；为基础；v更高等级速率标准更高等级速率标准STM-N是将是将STM-1同时复用同时复用而成；而成；v4个个STM-1组成组成STM-4（622.080Mbps）v16个个STM-1组成组成STM16（2448.320Mbps，即即2.5b/s）v64个个STM-1组成组成STM-64（约（约10Gbps）第58页59SDH主要技术特点vSTM-1统一了统一了T1载波与载波与E1载波两大不一样数字速率体系，载波两大不一样数字速率体系，实现了数字传输体制上国际性标准；实现了数字传输体制上国际性标准；vSDH网还有兼容光纤分布式数据接口网还有兼容光纤分布式数据接口FDDI、分布队列双总分布队列双总线线DQDB，以及以及ATM信元；信元；v采取同时复用方式，各种不一样等级码流在帧结构负荷内采取同时复用方式，各种不一样等级码流在帧结构负荷内排列是有规律，降低了复用设备复杂性；排列是有规律，降低了复用设备复杂性；vSDH帧结构增加网络管理字节，增强了网络管理能力；帧结构增加网络管理字节，增强了网络管理能力；v标准开放型光接口能够在基本光缆段上实现不一样企业光标准开放型光接口能够在基本光缆段上实现不一样企业光接口设备互连，降低了组网成本。接口设备互连，降低了组网成本。第59页60小结v通信目标是交换信息；通信目标是交换信息；v信息载体能够是数字、文字、语音、图形或图像，计算信息载体能够是数字、文字、语音、图形或图像，计算机用二进制代码数据来表示各种信息；机用二进制代码数据来表示各种信息；v数据通信是指在不一样计算机之间传送表示字母、数字、数据通信是指在不一样计算机之间传送表示字母、数字、符号二进制代码符号二进制代码0、1比特序列过程。信号是数据在传输比特序列过程。信号是数据在传输过程中电信号表示形式；过程中电信号表示形式；v物理层在传输介质上传输比特流；物理层在传输介质上传输比特流；v在数据通信技术中，利用模拟通信信道，经过调制解调在数据通信技术中，利用模拟通信信道，经过调制解调器传输模拟数据信号方法称做频带传输；而利用数字通器传输模拟数据信号方法称做频带传输；而利用数字通信信道直接传输数字数据信号方法称做基带传输；信信道直接传输数字数据信号方法称做基带传输；v数据传输速率与误码率是描述数据传输系统主要参数。数据传输速率与误码率是描述数据传输系统主要参数。第60页