第2章物理層(1)

1、1第第2章章 物理層物理層 本章講述的主要內(nèi)容：本章講述的主要內(nèi)容： 一一.物理層的基本概念物理層的基本概念 二二.物理層的特性物理層的特性 三三.物理層標準物理層標準2一一.物理層的基本概念物理層的基本概念31.物理層的目的物理層的目的 物理層的目的是在兩個網(wǎng)絡物理設備之間提供透明物理層的目的是在兩個網(wǎng)絡物理設備之間提供透明的二進制位流傳輸。的二進制位流傳輸。2.物理層作用物理層作用 物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供服務。計算機網(wǎng)絡中的物物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供服務。計算機網(wǎng)絡中的物理設備和傳輸媒體的種類非常繁多，而通信手段也有許理設備和傳輸媒體的種類非常繁多，而通信手段也有許多不同方式。物理層的作用正

2、是要盡可能地屏蔽掉這些多不同方式。物理層的作用正是要盡可能地屏蔽掉這些差異，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異，而只需考慮如差異，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異，而只需考慮如何完成本層的協(xié)議和服務。何完成本層的協(xié)議和服務。 4二二.物理層的特性物理層的特性 為了使為了使DTE（數(shù)據(jù)終端設備）和（數(shù)據(jù)終端設備）和DCE（數(shù)據(jù)端接（數(shù)據(jù)端接設備）之間相互協(xié)調(diào)、相互理解，必須規(guī)定它們之間設備）之間相互協(xié)調(diào)、相互理解，必須規(guī)定它們之間的接口標準（即：物理層協(xié)議）。物理層接口協(xié)議實的接口標準（即：物理層協(xié)議）。物理層接口協(xié)議實際上是際上是DTE和和DCE或其它通信設備之間的一組約定，或其它通信設備之間的一組約定

3、，主要解決網(wǎng)絡節(jié)點與物理信道如何連接的問題。主要解決網(wǎng)絡節(jié)點與物理信道如何連接的問題。 協(xié)議規(guī)定了標準接口的四個特性：機械特性、電協(xié)議規(guī)定了標準接口的四個特性：機械特性、電氣特性、功能特性和規(guī)程特性。這樣做的主要目的，氣特性、功能特性和規(guī)程特性。這樣做的主要目的，是為了便于不同的制造廠家能夠根據(jù)公認的標準各自是為了便于不同的制造廠家能夠根據(jù)公認的標準各自獨立地制造設備。使各個廠家的產(chǎn)品都能夠相互兼容。獨立地制造設備。使各個廠家的產(chǎn)品都能夠相互兼容。 5 機械特性規(guī)定了物理連接時對插頭和插座的幾何機械特性規(guī)定了物理連接時對插頭和插座的幾何尺寸、插針或插空芯數(shù)及其排列方式、鎖定裝置的形尺寸、插針或

4、插空芯數(shù)及其排列方式、鎖定裝置的形式。式。6 電氣特性的規(guī)定包括接收器和發(fā)送器電路特性的電氣特性的規(guī)定包括接收器和發(fā)送器電路特性的說明、表示信號狀態(tài)的電說明、表示信號狀態(tài)的電壓壓/電流電平的識別、最大數(shù)電流電平的識別、最大數(shù)據(jù)率的說明、以及與互聯(lián)電纜相關的規(guī)則。據(jù)率的說明、以及與互聯(lián)電纜相關的規(guī)則。 DTEDTE與與DCEDCE接口的各根導線（也稱電路）的電氣連接口的各根導線（也稱電路）的電氣連接方式有非平衡方式、采用差動接收器的非平衡方式接方式有非平衡方式、采用差動接收器的非平衡方式和平衡方式三種。和平衡方式三種。 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-7例例1如何

5、區(qū)分不同的連接類型的接口如何區(qū)分不同的連接類型的接口AUI 連接器是連接器是DB15ISO 8877 (RJ-45) 連接器和插孔比電話連接連接器和插孔比電話連接器器RJ-11和插孔略大和插孔略大光纖連接器接口光纖連接器接口 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-8Unshielded Twisted Paired(UTP)RJ-45 連接器連接器188線對線對4 R41234567線對線對T 代表發(fā)送代表發(fā)送R 代表接收代表接收線對線對2 T2線對線對2 R2線對線對3 T3線對線對1 R1線對線對1 T1線對線對3 R3線對線對4 T4針針 例例2以太網(wǎng)以太網(wǎng)EI

6、A/568-B端接標準端接標準 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-9(1)UTP實現(xiàn)直連線實現(xiàn)直連線兩端的線序相同兩端的線序相同針針 線線1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC直連直連10BaseT/100BaseT針針 線線1TD+2TD-3RD+4NC5NC6RD-7NC8NC服務器服務器/路由器路由器8 1棕棕白白藍藍白白棕棕藍藍綠綠綠綠白白橙橙橙橙白白18直連線直連線81集線器集線器/交換機交換機8 1棕棕白白藍藍白白棕棕藍藍綠綠綠綠白白橙橙橙橙白白 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-10(2)UTP實現(xiàn)交叉

7、線實現(xiàn)交叉線部分線序交叉部分線序交叉8 1交叉連接交叉連接10BaseT/100BaseT針針 線線1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC針針 線線1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC交叉線交叉線181881集線器集線器/交換機交換機集線器集線器/交換機交換機棕棕白白棕棕藍藍綠綠綠綠白白橙橙白白藍藍白白橙橙棕棕白白橙橙白白藍藍白白棕棕綠綠橙橙綠綠白白藍藍 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-11(3)反轉(zhuǎn)線反轉(zhuǎn)線(console線線)用于將計算機連接到交換機或路由器的控制端用于將計算機連接到交換機或路由器的控制端(console

8、口口) 此時計算機所起的作用相當于交此時計算機所起的作用相當于交換機或路由器超級終端換機或路由器超級終端. 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-12UTP直連線與交叉線對比直連線與交叉線對比兩個端口均標有或均沒標有兩個端口均標有或均沒標有“X”時用交叉線時用交叉線. 有且僅有一個端口標記有有且僅有一個端口標記有“ X”時使用直連線時使用直連線.1x 2x 3x 4x 1x 2x 3x 4x 1x 2x 3x 4x 1999, Cisco Systems, Inc. ICND3-13(4)連接典型網(wǎng)連接典型網(wǎng) 決定使用決定使用10mb或或100mb的物理介質(zhì)的物理介質(zhì)

9、指明需要使用什么線類指明需要使用什么線類 確認面板上的端口，查看是否標記確認面板上的端口，查看是否標記“ X”指明需要使用交叉線或直連線指明需要使用交叉線或直連線100 Mbps5類交叉線類交叉線10 Mbps3, 4, 5類交叉線類交叉線100 Mbps 5類直連線類直連線10 Mbps3, 4, 5類直連線類直連線10 Mbps3, 4, 5類直連線類直連線14 3)平衡方式。采用集成集成電路技術設計的平衡接平衡方式。采用集成集成電路技術設計的平衡接口，使用平衡式發(fā)送器和差動式接收器，每個電路采用口，使用平衡式發(fā)送器和差動式接收器，每個電路采用兩根導線，構成各自完全獨立的信號回路，使得串擾

10、信兩根導線，構成各自完全獨立的信號回路，使得串擾信號減至最小。這種方式的信號速率號減至最小。這種方式的信號速率=10Mbps，傳輸距，傳輸距離為離為10m（10Mbps時）時）-1000m(=100kbps時）。時）。CCITT V.11/X.27建議采用這種電氣連接方式，建議采用這種電氣連接方式，EAI RS-423標準與之兼容。標準與之兼容。 功能特性規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配功能特性規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。物理接口上信號線一般可分為數(shù)據(jù)信號線、和確切定義。物理接口上信號線一般可分為數(shù)據(jù)信號線、控制信號線、定時信號線和接地線?？刂菩盘柧€、定時信號線和接地線

11、。 規(guī)程特性定義了利用信號線進行二進制位流傳輸?shù)囊?guī)程特性定義了利用信號線進行二進制位流傳輸?shù)囊唤M操作過程，即各信號線的工作的規(guī)定和先后順序。一組操作過程，即各信號線的工作的規(guī)定和先后順序。15三三.物理層標準物理層標準 物理層協(xié)議有：物理層協(xié)議有：EIA RS-232-E、EIA RS-449、X21等等1V24/EIA-232-E（RS-2332-C） EIA1962年（最早）制訂的物理層的標準是年（最早）制訂的物理層的標準是RS-232，1969年修訂為年修訂為RS-232-C。1987年修訂為年修訂為EIA-232-D，1991年修訂為年修訂為EIA-232-E。用于電話線路。用于電話線

12、路。 EIA-232是是DTE與與DCE之間的接口標準。之間的接口標準。 （1） 機械規(guī)范說明：機械規(guī)范說明： ISO2110。25針接插件。針接插件。16 （2） 電氣規(guī)范說明：采用非平衡型的電氣特性。相對公用電氣規(guī)范說明：采用非平衡型的電氣特性。相對公用接地而言，接地而言，-3伏以下的電壓解釋為二進制伏以下的電壓解釋為二進制“1”，+3伏以上的電伏以上的電壓解釋為二進制壓解釋為二進制“0”。即采用負邏輯。其傳輸速率不能超過。即采用負邏輯。其傳輸速率不能超過20Kb/s,電纜長度最長不能超過電纜長度最長不能超過15米。（和米。（和CCITTV.28建議相兼建議相兼容）容） 17 控制和時序控

13、制和時序18（4） 過程過程規(guī)范規(guī)范說明說明19（3） 功能規(guī)范說明：功能規(guī)范說明：(和和CCITT V.24建議兼容）建議兼容） 20步驟步驟1 1：顯示傳輸之前接口的準備工作。：顯示傳輸之前接口的準備工作。 兩個接地線，兩個接地線，1 1腳和腳和7 7腳，在計算機調(diào)制解調(diào)器對之間發(fā)送和腳，在計算機調(diào)制解調(diào)器對之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時都是被激活的。接收數(shù)據(jù)時都是被激活的。步驟步驟2 2：保證所有四個設備都已就緒，可以傳輸。：保證所有四個設備都已就緒，可以傳輸。 首先發(fā)送方的首先發(fā)送方的DTEDTE設備激活自己的設備激活自己的2020腳將一個腳將一個DTEDTE設備就緒信號設備就緒信號發(fā)送給它連接

14、的發(fā)送給它連接的DCEDCE設備。設備。DCEDCE設備通過將設備通過將6 6腳激活通知腳激活通知DTEDTE設備設備DCEDCE設備就緒。在遠端，同樣的過程被重復。設備就緒。在遠端，同樣的過程被重復。步驟步驟3 3：在發(fā)送和接收調(diào)制解調(diào)器之間建立物理連接。：在發(fā)送和接收調(diào)制解調(diào)器之間建立物理連接。 這一步可以視為傳輸過程的啟動。這是涉及到網(wǎng)絡的第一步。這一步可以視為傳輸過程的啟動。這是涉及到網(wǎng)絡的第一步。首先發(fā)送端首先發(fā)送端DTEDTE設備激活設備激活4 4腳并向它的腳并向它的DCEDCE設備發(fā)送一個發(fā)送請求。設備發(fā)送一個發(fā)送請求。這個這個DCEDCE設備向遠端處于空閑態(tài)的接收方調(diào)制解調(diào)器發(fā)

15、送一個載波設備向遠端處于空閑態(tài)的接收方調(diào)制解調(diào)器發(fā)送一個載波信號。當接收方調(diào)制解調(diào)器檢測到這個載波信號后，它激活針腳信號。當接收方調(diào)制解調(diào)器檢測到這個載波信號后，它激活針腳8(8(接收線路信號檢測接收線路信號檢測) )通知與它相連的計算機一次傳輸即將開始。通知與它相連的計算機一次傳輸即將開始。發(fā)送載波信號后，發(fā)送方發(fā)送載波信號后，發(fā)送方DCEDCE設備激活針腳設備激活針腳5 5向它的向它的DTEDTE設設備發(fā)送備發(fā)送21一個清除發(fā)送消息（表示一個清除發(fā)送消息（表示DCEDCE已準備好接收已準備好接收DTEDTE來的數(shù)據(jù)）。遠端計來的數(shù)據(jù)）。遠端計算機與調(diào)制解調(diào)器也完成同樣的過程算機與調(diào)制解調(diào)器

16、也完成同樣的過程。步驟步驟4 4：是數(shù)據(jù)傳輸過程。：是數(shù)據(jù)傳輸過程。 起始方計算機將數(shù)據(jù)流連同時鐘信號分別通過起始方計算機將數(shù)據(jù)流連同時鐘信號分別通過2 2號線和號線和2424號線號線同時傳送到調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號并通過同時傳送到調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號并通過網(wǎng)絡發(fā)送出去。響應方調(diào)制解調(diào)器接收模擬信號，將它還原為數(shù)字網(wǎng)絡發(fā)送出去。響應方調(diào)制解調(diào)器接收模擬信號，將它還原為數(shù)字數(shù)據(jù)并連同時鐘脈沖一起分別通過數(shù)據(jù)并連同時鐘脈沖一起分別通過3 3號線和號線和2424號線傳送給相連的計號線傳送給相連的計算機。響應方調(diào)制解調(diào)器將回應數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后加載到算機

17、。響應方調(diào)制解調(diào)器將回應數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后加載到自己的載波信號上通過網(wǎng)絡發(fā)送出去。起始方調(diào)制解調(diào)器接收信號，自己的載波信號上通過網(wǎng)絡發(fā)送出去。起始方調(diào)制解調(diào)器接收信號，將它還原成數(shù)據(jù)，并連同時鐘信號分別通過將它還原成數(shù)據(jù)，并連同時鐘信號分別通過3 3號線和號線和1717號線傳送給號線傳送給計算機。計算機。步驟步驟5 5：斷開連接。：斷開連接。 當雙方都完成傳輸時，兩邊的計算機都撤消它們的請求發(fā)送信當雙方都完成傳輸時，兩邊的計算機都撤消它們的請求發(fā)送信號，調(diào)制解調(diào)器關閉載波信號接收線路信號檢測（再沒有信號需要號，調(diào)制解調(diào)器關閉載波信號接收線路信號檢測（再沒有信號需要檢測的了）以及它們的清除

18、發(fā)送信號。檢測的了）以及它們的清除發(fā)送信號。22主要管腳主要管腳空調(diào)制解調(diào)器空調(diào)制解調(diào)器232.RS-422、RS-423和和RS-449 由于由于RS232C標準信號速率低標準信號速率低(20Kbps)、傳輸距離短、傳輸距離短(15m)、串擾信號較大等缺點。、串擾信號較大等缺點。1977年底，年底，EIA頒布了一個頒布了一個新標準新標準RS449，次年，這個接口標準的兩個電氣子標準：，次年，這個接口標準的兩個電氣子標準：RS-423(采用差動接收器的非平衡方式）和采用差動接收器的非平衡方式）和RS422(平衡方式平衡方式)也相繼問世。這些標準在保持與也相繼問世。這些標準在保持與RS232C兼

19、容的前提下，重兼容的前提下，重新定義了信號電平，并改進了電路方式，以達到較高的傳輸新定義了信號電平，并改進了電路方式，以達到較高的傳輸速率和較大的傳輸距離。速率和較大的傳輸距離。 1)RS-449的機械特性的機械特性 采用采用37針和針和9針連針連接器（輔助信道）。接器（輔助信道）。242 2）RS-449RS-449的電氣特性的電氣特性 RS449RS449標標準的準的電電氣特性有兩個子氣特性有兩個子標標準，即平衡式準，即平衡式的的RS422RS422標標準和非平衡式的準和非平衡式的RS423RS423標標準。準。 RS422RS422電電氣氣標標準是平衡方式準是平衡方式標標準，它的準，它的

20、發(fā)發(fā)送器、送器、接收器分接收器分別別采用平衡采用平衡發(fā)發(fā)送器和差送器和差動動接收器，由于采用完接收器，由于采用完全獨立的雙全獨立的雙線線平衡平衡傳輸傳輸，抗串，抗串擾擾能力大大增能力大大增強強。又由于。又由于信號信號電電平定平定義為義為6 6伏的伏的負邏輯負邏輯故當故當傳輸傳輸距離距離為為10m10m時時，速率可達，速率可達10Mbps10Mbps；而距離增；而距離增長長至至1000m1000m時時，速率仍，速率仍可達到可達到100Kbps100Kbps，性能，性能遠遠優(yōu)遠遠優(yōu)于于RS232CRS232C標標準。準。 25 在平衡模式中，兩條線路承載相同的傳輸，但是它們并不傳輸相同的在平衡模式

21、中，兩條線路承載相同的傳輸，但是它們并不傳輸相同的信號。在一條線路上的信號是另一條線路上信號的互補值。此時接收方并不信號。在一條線路上的信號是另一條線路上信號的互補值。此時接收方并不監(jiān)聽其中任何一個實際的信號，而是檢測兩個信號之間的差值。這種機制使監(jiān)聽其中任何一個實際的信號，而是檢測兩個信號之間的差值。這種機制使得平衡線路具有比非平衡線路更好的抗噪聲干擾能力，并提高了性能。得平衡線路具有比非平衡線路更好的抗噪聲干擾能力，并提高了性能。 例如，如果在某時刻第一個信號值為例如，如果在某時刻第一個信號值為5 5伏特，第二個信號值將是伏特，第二個信號值將是55伏特。伏特。額外的歧變使第一個信號值變?yōu)轭~

22、外的歧變使第一個信號值變?yōu)? 7伏特，第二個信號為伏特，第二個信號為33伏特。此時伏特。此時7-(-3)7-(-3)仍然是仍然是1010伏特。這種特性有助于中和噪聲的影響并使得高速的平衡模式傳輸伏特。這種特性有助于中和噪聲的影響并使得高速的平衡模式傳輸成為可能。成為可能。2627 RS423 RS423電氣標準是非平衡標準，它采用單端發(fā)送器電氣標準是非平衡標準，它采用單端發(fā)送器( (即非即非平衡發(fā)送器平衡發(fā)送器) )和差動接收器。雖然發(fā)送器與和差動接收器。雖然發(fā)送器與RS232CRS232C標準相同，標準相同，但由于接收器采用差動方式，所以傳輸距離和速率仍比但由于接收器采用差動方式，所以傳輸距離和速率仍比RSRS232C232C有較大的提高。當傳輸距離為有較大的提高。當傳輸距離為10m10m時，速率可達時，速率可達100Kbps100Kbps；距離增至距離增至100m100m時，速率仍有時，速率仍有10Kbps10Kb