计算机网络概述的物理层[上学期]

(共68张PPT)
计算机网络
第 2 章 物理层
第 2 章 物理层
*2.1 物理层的基本概念
*2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型
2.2.2 有关信道的几个基本概念
2.2.3 信道的最高码元传输速率
2.2.4 信道的极限信息传输速率
2.3 物理层下面的传输媒体
2.3.1 导向传输媒体
2.3.2 非导向传输媒体
第 2 章 物理层（续）
2.4 模拟传输与数字传输
2.4.1 模拟传输系统
*2.4.2 调制解调器
*2.4.3 数字传输系统
*2.5 信道复用技术
2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
2.5.2 波分复用
2.5.3 码分复用
*2.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH
2.7 物理层标准举例
2.7.1 EIA-232-E接口标准
2.7.2 RS-449接口标准
2.1 物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型
传输
系统
输入信息
输入数据
发送
的信号
接收
的信号
输出数据
源点
终点
发送器
接收器
调制解调器
PC 机
公用电话网
调制解调器
数字比特流
数字比特流
模拟信号
模拟信号
正文
正文
数据通信系统
源系统
目的系统
传输系统
输出信息
PC 机
几个术语
数据(data)——运送信息的实体。
信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
“模拟的”(analogous)——连续变化的。
“数字的”(digital)——取值是离散数值。
调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。
解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。
模拟的和数字的数据、信号
模拟数据
模拟信号
放大器
调制器
模拟数据
数字信号
PCM
编码器
数字数据
模拟信号
调制器
数字数据
数字信号
数字
发送器
2.2.2 有关信号的几个基本概念
单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）——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)。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带(baseband)信号和
宽带(broadband)信号
基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。
2.2.3 信道的最高码元传输速率
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
数字信号通过实际的信道
失真不严重
失真严重
实际的信道
（带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输入信号波形
输出信号波形
(失真不严重)
输入信号波形
实际的信道
（带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输出信号波形
(失真严重)
奈氏(Nyquist)准则
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。
Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
不能通过
能通过
0
频率(Hz)
W (Hz)
另一种形式的奈氏准则
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。
理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud
W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)
不能通过
能通过
0
频率(Hz)
W (Hz)
不能通过
要强调以下两点
实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。
波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。
波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。
比特是信息量的单位。
要注意
信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。
若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。
若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则
M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。
2.2.4 信道的极限信息传输速率
香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C = W log2(1+S/N) b/s
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。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
奈氏准则和香农公式
在数据通信系统中的作用范围
源系统
传输系统
目的系统
传输
系统
源点
终点
发送器
接收器
输入信息
输出信息
输入数据
输出数据
发送的
信号
接收的
信号
码元传输速率受
奈氏准则的限制
信息传输速率受
香农公式的限制
2.3 物理层下面的传输媒体
无线电
微波
红外线
可见光
紫外线
X射线

射线
双绞线
同轴电缆
卫星
地面微波
调幅
无线电
调频
无线电
海事
无线电
光纤
电视
(Hz)
f
(Hz)
f
LF
MF
HF
VHF
UHF
SHF
EHF
THF
波段
104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016
100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024
移动
无线电
电信领域使用的电磁波的频谱
2.3.1 导向传输媒体
双绞线
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
同轴电缆
50 同轴电缆
75 同轴电缆
光缆
各种电缆
铜线
铜线
聚氯乙烯 套层
聚氯乙烯
套层
屏蔽层
绝缘层
绝缘层
外导体屏蔽层
绝缘层
绝缘保护套层
内导体
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
同轴电缆
光线在光纤中的折射
折射角
入射角
包层
（低折射率的媒体）
包层
（低折射率的媒体）
纤芯
（高折射率的媒体）
包层
纤芯
光纤的工作原理
高折射率
(纤芯)
低折射率
(包层)
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
输入脉冲
输出脉冲
单模光纤
多模光纤与单模光纤
输入脉冲
输出脉冲
多模光纤
2.3.2 非导向传输媒体
无线传输所使用的频段很广。
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
微波在空间主要是直线传播。
地面微波接力通信
卫星通信
2.4 模拟传输与数字传输
2.4.1 模拟传输系统
长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式
FDM (Frequency Division Multiplexing)
目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。
2.4.2 调制解调器
数据经过模拟传输系统后会出现差错。
出现差错
0
1
0
0
1
0
1
0
0
还原后
的数据
t
接收到的
失真信号
0
1
0
0
1
1
1
0
0
t
发送的
基带信号
t
采样时刻
调制解调器的作用
调制解调器(modem)包括：
调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。
解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。
本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器。
调制解调器的作用（续）
调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形
解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。
若识别不正确，则产生误码。
在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。
几种最基本的调制方法
调制就是进行波形变换（频谱变换）。
最基本的二元制调制方法有以下几种：
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
对基带数字信号的几种调制方法
0
1
0
0
1
1
1
0
0
基带信号
调幅
调频
调相
一种正交调制 QAM
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
r

(r, )
可供选择的相位有 12 种，
而对于每一种相位有 1 或
2 种振幅可供选择。
由于4 bit 编码共有16 种不同的
组合，因此这 16 个点中的每个
点可对应于一种 4 bit 的编码。
若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行
解调时要正确识别每一种状态就越困难。
调制解调器的速率
目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。
要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。
在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。
产生量化噪声的地方
（经过 A/D 变化的地方）
A
2/4
A/D
A/D
D/A
D/A
数字信号
数字信号
交换机 1
交换机 2
V.34 33.6 kb/s
调制解调器
B
D/A
A/D
4/2
V.34 33.6 kb/s
调制解调器
产生量化噪声
产生量化噪声
使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s）
产生量化噪声
产生量化噪声
用户环路
模拟信号
用户环路
模拟信号
产生量化噪声的地方（续）
（经过 A/D 变化的地方）
使用 V.90 调制解调器（56 kb/s）
A
2/4
A/D
A/D
交换机
因特网服务提供者
V.90 56 kb/s
调制解调器
D/A
V.90 56 kb/s
调制解调器
数字信号
数字信号
至因特网
（数字信号）
用户环路
模拟信号
仅在此处
产生量化噪声
仅在此处
产生量化噪声
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时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。
异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。
异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。
2.4.3 数字传输系统
现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。
采样周期 T
t
信号
t
采样
1001
0011
1100
0010
t
编码
t
解码
t
还原
时分复用
为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。
中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。
美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。
E1 的时分复用帧
2.048 Mb/s
传输线路
CH0
CH16
CH17
CH15
CH15
CH16
CH17
CH31
CH31
CH0
CH1
CH1
…
…
…
…
时分复用帧
T
CH0
CH1
CH2
…
CH15
CH16
CH17
CH30
CH31
CH0
…
8 bit
t
时分复用帧
时分复用帧
T = 125 ms
15 个话路
15 个话路
2.5 信道复用技术
2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
频分复用
频率
时间
频率 1
频率 2
频率 3
频率 4
频率 5
时分复用
频率
时间
B
C
D
B
C
D
B
C
D
B
C
D
A
A
A
A
在 TDM 帧中的位置不变
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
…
TDM 帧
时分复用
频率
时间
C
D
C
D
C
D
A
A
A
A
B
B
B
B
C
D
在 TDM 帧中的
位置不变
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
…
TDM 帧
时分复用
频率
时间
B
D
B
D
B
D
A
A
A
A
B
C
C
C
C
D
在 TDM 帧中的
位置不变
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
…
TDM 帧
时分复用
频率
时间
B
C
B
C
B
C
A
A
A
A
B
C
D
D
D
D
在 TDM 帧中的
位置不变
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
…
TDM 帧
时分复用可能会造成
线路资源的浪费
A
B
C
D
a
a
b
b
c
d
b
c
a
t
t
t
t
t
4 个时分复用帧
#1
④
③
②
①
a
c
b
c
d
时分复用
#2
#3
#4
用户
统计时分复用 STDM
用户
A
B
C
D
a
b
c
d
t
t
t
t
t
3 个 STDM 帧
#1
④
③
②
①
a
c
b
a
b
b
c
a
c
d
#2
#3
统计时分复用
1550 nm 0
1551 nm 1
1552 nm 2
1553 nm 3
1554 nm 4
1555 nm 5
1556 nm 6
1557 nm 7
0 1550 nm
1 1551 nm
2 1552 nm
3 1553 nm
4 1554 nm
5 1555 nm
6 1556 nm
7 1557 nm
2.5.2 波分复用 WDM
波分复用就是光的频分复用。
8 2.5 Gb/s
1310 nm
20 Gb/s
复
用
器
分
用
器
EDFA
120 km
2.5.3 码分复用 CDM
常用的名词是码分多址 CDMA
(Code Division Multiple Access)。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
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。
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
码片序列(chip sequence)
每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
CDMA 的重要特点
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
码片序列的正交关系
令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：
(2-4)
码片序列的正交关系举例
令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。
把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
正交关系的另一个重要特性
CDMA 的工作原理
S 站的码片序列 S
1
1
0
t
t
t
t
t
t
m 个码片
t
S 站发送的信号 Sx
T 站发送的信号 Tx
总的发送信号 Sx + Tx
规格化内积 S Sx
规格化内积 S Tx
数据码元比特
发
送
端
接
收
端
2.6 同步光纤网 SONET 和
同步数字系列 SDH
旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：
速率标准不统一。
如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。
不是同步传输。
在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。
同步光纤网 SONET
同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。
光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。
同步数字系列 SDH
ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。
一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。
SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。
线路速率
(Mb/s) SONET
符号 ITU-T
符号 表示线路速率
的常用近似值
51.840 OC-1/STS-1
155.520* OC-3/STS-3 STM-1 155 Mb/s
466.560 OC-9/STS-9 STM-3
622.080* OC-12/STS-12 STM-4 622 Mb/s
933.120 OC-18/STS-18 STM-6
1244.160 OC-24/STS-24 STM-8
1866.240 OC-36/STS-36 STM-12
2488.320* OC-48/STS-48 STM-16 2.5 Gb/s
4876.640 OC-96/STS-96 STM-32
9953.280 OC-192/STS-192 STM-64 10 Gb/s
SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系
SONET 的体系结构
光子层
路径层
线路层
段层
线路
光子层
路径层
线路层
段层
光子层
线路层
段层
光子层
段层
光子层
线路层
段层
光子层
段层
SDH
终端
SDH
终端
复用器
或
分用器
复用器
或
分用器
转发器
转发器
段
段
段
路径
SONET 标准定义了
四个光接口层
光子层(Photonic Layer)
处理跨越光缆的比特传送。
段层(Section Layer)
在光缆上传送 STS-N 帧。
线路层(Line Layer)
负责路径层的同步和复用。
路径层(Path Layer)
处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。
2.7 物理层标准举例
2.7.1 EIA-232-E 接口标准
DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。
DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 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。
DTE 通过 DCE
与通信传输线路相连
DTE
DCE
DCE
串行比特传输
信号线与控制线
用户环境
通信环境
用户设施
通信设施
DTE
信号线与控制线
用户设施
用户环境
EIA-232/V.24 的信号定义
(1) 保护地
(2) 发送数据
(3) 接收数据
(4) 请求发送
(5) 允许发送
(6) DCE 就绪
(7) 信号地
(8) 载波检测
(20) DTE 就绪
(22) 振铃指示
DTE
DCE
计算机
或
终端
调制解调器
两个 DTE 通过 DCE
进行通信的例子
EIA-232/ V.24
接口
调制解调器
DTE-A
DTE-B
DCE-A
DCE-B
EIA-232/ V.24
接口
调制解调器
网 络
利用虚调制解调器
与两台计算机相连
插头
插头
插座
插座
计算机
虚调制解调器
计算机
（1）保护地
（2）发送
（3）接收
（4）请求发送
（5）允许发送
（6）DCE 就绪
（7）信号地
（8）载波检测
（20）DTE 就绪
（22）振铃指示
（1）保护地
（2）发送
（3）接收
（4）请求发送
（5）允许发送
（6）DCE 就绪
（7）信号地
（8）载波检测
（20）DTE 就绪
（22）振铃指示
2.7.2 RS-449 接口标准
RS-449 由 3 个标准组成。即：
RS-449
RS-423-A
RS-422-A