[課程講義]計算機網絡_第二章_物理層

1、第二章 物理層主要內容一案例引入二物理層的基本概念三數據通信的基礎知識四傳輸介質與常見的傳輸系統(tǒng)五日常生活中的網絡接入技術案例引入 背景Alice和Bob在不同的城市，在計算機上，通過QQ軟件聊天。 問題Alice的消息是怎樣傳輸到Bob的？案例引入案例引入 分析：1、Alice的筆記本通過網線連接到互聯(lián)網，Bob的筆記本通過宿舍里的WIFI連接到互聯(lián)網。2、當Alice在QQ軟件里輸入消息后，QQ軟件將消息進行處理，并在操作系統(tǒng)的幫助下，最后通過網卡、網線，把消息傳輸出去。3、消息在網絡中經過一番傳輸后，最終通過Bob宿舍里WIFI的電磁波到達他的筆記本，在操作系統(tǒng)的幫助下，消息最終被QQ軟

2、件接收，并顯示出來。案例引入案例引入 思考： 整個通信過程中，最底層的支持是什么？網卡、網線/（無線）網卡、電磁波 網卡、網線、電磁波到底做了些什么事情？網卡把計算機中需要傳輸的信息轉換成能夠在物理介質上傳輸的物理信號；或者一個相反的過程。 按照什么規(guī)則來轉換？在網絡通信過程中引入物理層，由物理層的協(xié)議來規(guī)定案例引入案例引入 結論 在網絡通信中需要物理層，來解決數據如何在傳輸媒介上傳輸的問題主要內容一案例引入二物理層的基本概念三數據通信的基礎知識四傳輸介質與常見的傳輸系統(tǒng)五日常生活中的網絡接入技術物理層的基本概念 目標屏蔽底層物理媒介的差異性，為上層提供透明的比特流傳輸服務。物理層的基本概念

3、任務確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即 機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。 電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。 功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。 規(guī)程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 主要內容一案例引入二物理層基本概念三數據通信的基礎知識四傳輸介質與常見的傳輸系統(tǒng)五日常生活中的網絡接入技術數據通信的基礎知識數據通信系統(tǒng)的模型把Alice和Bob的通信過程進行抽象，得到一個數據通信的模型課件制作人：謝希仁傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數據發(fā)送的信號接收的信號輸出數據源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC 公用

4、電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數據通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信號種類1. 模擬信號：是連續(xù)的信號，用電流或電壓的大小直接模擬被測量2. 數字信號：是離散的信號，一般指二進制數字信號，即分別用兩個不同的參量代表0和13. 基帶信號：來自信源的信號不經過調制，直接進行傳輸4. 帶通信號：把基帶信號經過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道通信的工作模式1單工通信2半雙工通信3全雙工通信數據通信的基礎知識

5、數據通信的基礎知識 常用的編碼模式不歸零制 正電平代表1，負電平代表0歸零制 正脈沖代表1，負脈沖代表0曼徹斯特編碼 位周期中心的向上跳代表0，位周期中心的向下跳代表1。差分曼徹斯特編碼 在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有調代表1。數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信號種類010011100基帶信號調幅調頻調相曼切斯特編碼和差分曼切斯特編碼 數據通信系統(tǒng)的模型案例： 根據基帶信號畫出曼切斯特編碼和差分曼切斯特編碼。110010100基帶信號數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道傳輸速率1. 任何實際的信道都不是

6、理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。 實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形 有失真，但可識別數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道傳輸速率2 .碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。 發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形 失真大，無法識別數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道傳輸速率 信道上傳輸的周期信號的波形。 碼元的傳輸速率即信號的波形速率，單位為波特（Baud）。 1波特 = 1碼元/秒碼 元1碼元數據通信的基礎知識數據通信的

7、基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道傳輸速率奈奎斯特(Nyquist)定理理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道傳輸速率香農(Shannon)定理香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為 C = W log2(1+S/N) b/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；nS 為信道內所傳信號的平均功率；nN 為信道內部的高斯噪聲功率。

8、 數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道傳輸速率源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點終點發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數據輸出數據發(fā)送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農公式的限制數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道傳輸速率 碼元傳輸速率受尼奎斯特定理的制約； 采用多元制調制方法，以設法使每一個碼元能攜帶更多個比特的信息量，可提高信息的傳輸速率。 但無論如何調制，都不可能超過香農極限。 結論數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道復用技術復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。 +

9、( )+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a) 使用單獨的信道復用分用數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道復用技術FDM 在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同（或略寬）的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用（Frequency Division Multip1exing，F(xiàn)DM）。 數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道復用技術TDM(1)若傳輸介質能達到的位傳輸速率超過傳輸數據所需的數據傳輸速率，可采用時分多路復用（Time-Divi

10、sion Multiplexing，TDM）技術，即將一條物理信道按時間分成若干個時隙，輪流地分配給多個信號使用，每一時隙由一路信號占用。這樣，利用每路信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多路信號。數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道復用技術TDM(2) 時分多路復用可細分為同步時分復用和異步時分復用兩種。 1同步時分復用數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道復用技術TDM(3) 2異步時分復用(統(tǒng)計時分復用) 異步時分多路復用技術允許動態(tài)地按需分配使用時隙，以避免出現(xiàn)空閑時隙。數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型

11、 信道復用技術WDM在同一根光纖中同時讓兩個或兩個以上的光波長信號通過不同光信道各自傳輸信息，這種方式稱為光波分復用技術，通常稱波分多路復用（Wave Division Multiplexing，WDM）。數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 信道復用技術CDM碼分多路復用也是一種共享信道的方法，常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進行通信，但使用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，抗干擾能力強。 碼分多路復用技術主要

12、用于無線通信系統(tǒng)，特別是移動通信系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 移動通信系統(tǒng)簡介AMPSTACSNMT其它GSMCDMA IS95第一代 80年代模擬第二代 90年代數字第三代 IMT-2000WCDMACDMA2000模擬技術數字技術語音業(yè)務寬帶業(yè)務TD-SCDMADAMPS第2.5代20世紀初 GPRSCDMA1X數據業(yè)務數據數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 移動通信系統(tǒng)簡介(續(xù))第三代 IMT-2000WCDMACDMA2000寬帶業(yè)務TD-SCDMA第四

13、代LTE-AdvancedIEEE 802.16m多媒業(yè)務IMT-Advanced體數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 數據通信系統(tǒng)的模型 移動通信系統(tǒng)簡介速 度主要內容一案例引入二物理層基本概念三數據通信的基礎知識四傳輸介質與常見的傳輸系統(tǒng)五日常生活中的網絡接入技術傳輸介質 常見的傳輸介質有導向傳輸介質 無導向傳輸介質傳輸介質 有導向傳輸介質同軸電纜護套層絕緣層導體導體網n 較雙絞線有更好的屏蔽特性和傳輸距離，但價格比雙絞線高。n早期局域網中最常用的傳輸介質。傳輸介質 有導向傳輸介質同軸電纜l 基帶同軸電纜u 用于傳輸數字信號。u 在傳輸過程中，信號占用整個信道。u 在同一時間內，僅能傳送

14、一種信號。傳送不同頻率的信號。u 各信號通過調制技術調制到各自不同的正弦載波頻率上。u 應用頻分多路復用技術使各種信號同一時間內在不同的頻道中被傳送。u 性能比基帶電纜好，但要附加信號處理設備，安裝較困難，主要用于有線電視系統(tǒng)。 l 寬帶同軸電纜傳輸介質 有導向傳輸介質同軸電纜 細纜 BNC頭 端接器 T形頭 連向網卡 n 兩類基帶同軸電纜l 粗纜u 傳輸距離遠，安裝難度大，總體成本高， 應用不廣泛。l 細纜u 安裝比較簡單，應用廣泛。傳輸介質 有導向傳輸介質雙絞線 外層護套絞合在一起的雙絞線對n 雙絞線在傳輸距離、信道帶寬和數據傳輸速度等方面均受到一定限制，但價格較為低廉。n由兩根有絕緣保護

15、層的銅導線相互絞合而成。是目前最常由兩根有絕緣保護層的銅導線相互絞合而成。是目前最常用和最廉價的傳輸介質。用和最廉價的傳輸介質。 傳輸介質 有導向傳輸介質雙絞線n 兩類雙絞線 屏蔽雙絞線（STP） 屏蔽層可屏蔽電磁波干擾，也可防止電磁波泄漏。 價格較貴，安裝較復雜，應用不廣泛 非屏蔽雙絞線（UTP） 沒有金屬屏蔽層 傳輸速率不高，傳輸距離有限 價格便宜，易于安裝，應用廣泛傳輸介質 有導向傳輸介質雙絞線u 1 1類線用于類線用于19801980年代初之前的電話線纜。年代初之前的電話線纜。u 2 2類線曾用于舊令牌網。帶寬為類線曾用于舊令牌網。帶寬為1MHz 1MHz u 3 3類線主要用于類線主

16、要用于10Base-T10Base-T。帶寬為。帶寬為16MHz 16MHz u 4 4類線主要用于基于令牌的局域網和類線主要用于基于令牌的局域網和10Base-T/100Base-T10Base-T/100Base-T。20MHz 20MHz u 5 5類和超類和超5 5類線主要用于類線主要用于100Base-T100Base-T和和10Base-T10Base-T網絡。帶寬網絡。帶寬100MHz 100MHz u 6 6類線用于類線用于 速率為速率為1Gbps1Gbps及以上的數據傳輸。帶寬及以上的數據傳輸。帶寬200-250MHz200-250MHz 6類和超6類線目前使用最為廣泛。7類

17、線性能更好,如近端串擾、衰減串擾比、回波損耗、帶寬傳輸等都有所提高 。n 六種規(guī)格的雙絞線u 1類線（Category 1 或 CAT1）到6類線（CAT6）u 其中，5類線又分為普通5類線(CAT5)和超5類線(CAT5E)n 不同規(guī)格的雙絞線有不同的傳輸特性7類線標準雙屏蔽、兩種接口、帶寬超過500MHz，已經投入市場，價格較昂貴傳輸介質 有導向傳輸介質光纖w抗電磁干擾能力強抗電磁干擾能力強w傳送速率高傳送速率高w傳輸距離遠傳輸距離遠塑料護套層纖芯(高折射率玻璃)包層(低折射率玻璃)l 結構光纜：多根光纖(4芯、8芯、12芯甚至更多)扎在一起，外 面用堅韌的外殼保護起來就形成光纜。 n目前

18、發(fā)展最迅速、前景最好的傳輸介質。l 特點傳輸介質 有導向傳輸介質光纖n光纖傳輸利用了兩個物理原理折射原理當光通過一種介質轉入另一種介質時，光線會發(fā)生折射，折射量取決于兩種介質的特性（它們的折射率）。全反射原理如果入射角大于一個臨界值，光線將完全反射，從而被限制在纖芯中，近于無損耗地傳輸。傳輸介質 有導向傳輸介質光纖直徑較大的光纖，可以允許從許多不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。u 纖芯直徑有50、62.5和100m 三種。u 光脈沖損耗大，只適合近距離傳輸。u 傳輸距離通常是300m4km。光纖的直徑減小到只有一個光波的波長（810m）時，光線沿直線傳播，不會產生多次反射，這時，纖芯內只能傳

19、輸一種模式的光線。u 制造成本及其設備價格都較高。u 傳輸損耗低，傳輸距離遠。傳輸介質 有導向傳輸介質光纖l 三個組成部分LED（發(fā)光二極管）或半導體激光器，用于將需要傳送的電信號轉換成光信號。 用于傳輸光脈沖。由光電二極管做成，用于將檢測到的光信號還原成電信號。發(fā)送端光源1光 纖2接收端光檢測器3關于光纖的帶寬 由于可見光的頻率非常高（約為108MHz量級），光纖的信道帶寬遠遠大于目前的其它傳輸介質，可獲得的最大數據傳輸速率完全可以超過50000Gbps（50Tbps），而且還在不斷地尋找更好的材料，目前達到的實際傳輸速率只是受了光電轉換速度的限制。傳輸介質 無導向傳輸介質n 無線通信實現(xiàn)的

20、基本原理1865年，英國著名物理學家麥克斯韋（James Clark Maxwell）預言：電子運動時產生可以自由傳播（甚至在真空中）的電磁波光波就是一種電磁波，光現(xiàn)象就是一種電磁現(xiàn)象。u1887年，德國物理學家赫茲（Heinrich Hertz）利用實驗方法產生了電磁波，證明了麥克斯韋的預言。在電路上加入適當大小的天線，電磁波便可在自由空間中有效地廣播，并被一定距離內的接收器收到。傳輸介質 無導向傳輸介質-微波通信u100MHz以上沿直線傳播以上沿直線傳播:u發(fā)射天線和接收天線必須精確對準。發(fā)射天線和接收天線必須精確對準。u方向性使成排的多個發(fā)射設備可以和成排的多個接收設備方向性使成排的多個

21、發(fā)射設備可以和成排的多個接收設備通信而不會發(fā)生串繞。通信而不會發(fā)生串繞。u不易穿過建筑物不易穿過建筑物u能穿透電離層能穿透電離層進入宇宙空間，使得衛(wèi)星通信成為可能。進入宇宙空間，使得衛(wèi)星通信成為可能。 u 長途電話通信、蜂窩電話u 電視傳播u 計算機網絡通信u 300MHz300GHzu 主要使用240GHz傳輸介質 無導向傳輸介質-微波通信微波通信的缺點：會受到惡劣氣候的影響，導致通信中斷或通信質量下降隱蔽性和保密性較差n由于微波在空間是直線傳播的，傳播距離受限，一般只有50km左右。n為實現(xiàn)遠距離通信，必須在一條微波信道的兩個端點之間建立若干個中繼站 -地面微波接力通信。n使用人造地球衛(wèi)星

22、作為中繼站的微波接力通信。地面微波通信(1)衛(wèi)星通信(2)傳輸介質 無導向傳輸介質-WIFI的原理WIFI（Wireless Fidelity）即802.11b標準，使2.4GHz附近的頻段特性：速度快可靠性高開放性區(qū)域，通訊距離可達305米，封閉性區(qū)域，通訊距離為76米到122米，方便與現(xiàn)有的有線以太網絡整合，組網的成本更低。主要內容一案例引入二物理層基本概念三數據通信的基礎知識四傳輸介質與常見的傳輸系統(tǒng)五日常生活中的網絡接入技術日常生活中的網絡接入技術l xDSL (ADSL、HDSL、VDSL、 ）l FTTX+LANl WLANl HFC (CABLE MODEM)日常生活中的網絡接入技術l xDSL (ADSL、HDSL、VDSL、 ） ADSL：Asymetric Digital Subscriber Loop 采用非對稱數字用戶環(huán)路技術，利用現(xiàn)有的一對電話銅線，為客戶同時提供寬帶通信服務和電話服務 下行速率最高達到8Mpbs，上行速率最高 達到1Mpbs 通過語音分離器將低頻的語音