計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課件 物理層

1、1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理(yunl)第 3 章 物理層共五十八頁2第 3 章 物理層3.1 物理層基本功能3.2 常用傳輸介質(zhì)的接口特性3.2.1 RJ-45的接口特性3.2.2 BNC接口特性 3.2.3 常用光纖接口的特性3.3 寬帶接入技術(shù)(jsh) 3.3.1 xDSL技術(shù) 3.3.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)） 3.3.3 FTTx 技術(shù)共五十八頁33.1 物理層的基本功能 接收數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀，執(zhí)行物理層協(xié)議在通信設(shè)備之間建立連接，按順序傳輸(chun sh)比特流；正確地利用傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。共五十八頁43.1 物理層的協(xié)議(xiy)及特性 物理層協(xié)議：解決主機(jī)、終端設(shè)備與通信線

2、路上的通信設(shè)備之間的接口問題。即： 機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等。電氣特性 指明在物理信道上傳輸比特流是信號電平大小、數(shù)據(jù)編碼方式、阻抗匹配、傳輸速率、距離限制等。 分三類：非平衡型、新非平衡型和新平衡型。功能(gngnng)特性 指明各個(gè)信號線的確切定義。過程（規(guī)程）特性 指明各線路上的動(dòng)作序列和動(dòng)作規(guī)則。共五十八頁5物理層數(shù)據(jù)(shj)的傳輸方式：計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)是按照并行傳輸?shù)?；在通信線路中，數(shù)據(jù)是按照串行傳輸，即逐個(gè)比特按照時(shí)間順序傳輸；物理層完成數(shù)據(jù)傳輸方式的轉(zhuǎn)換。物理層協(xié)議種類很多： 物理連接的方式很多，（點(diǎn)對點(diǎn)、多點(diǎn)連接、廣播(gungb

3、)連接） 傳輸媒介的種類很多，（雙絞線、同軸電纜、光纖、無線信道）共五十八頁63.2 傳輸(chun sh)介質(zhì) 雙絞線同軸電纜(tn zhu din ln)光纖 無線信道共五十八頁7無線電微波(wib)紅外線可見光紫外線X射線(shxin)射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020

4、1022 1024 移動(dòng)無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜共五十八頁83.2.1 有線介質(zhì)(jizh)雙絞線屏蔽(pngb)雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同軸電纜50 同軸電纜75 同軸電纜光纖網(wǎng)絡(luò)需要解決的最基本問題連通共五十八頁9連通(lintng)什么？網(wǎng)絡(luò)(wnglu)基本需求：解決直連網(wǎng)絡(luò)(wnglu)結(jié)點(diǎn)間的通信網(wǎng)絡(luò)由兩類硬件構(gòu)件：結(jié)點(diǎn)和鏈路結(jié)點(diǎn)：臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器、工作站、路由器、交換機(jī)。共五十八頁10共五十八頁11 UTP cable (photo)共五十八頁12屏蔽(pngb

5、)雙絞線 STP共五十八頁13雙絞線的類別、帶寬(di kun)和應(yīng)用雙絞線類型帶寬應(yīng)用316MHz低速網(wǎng)絡(luò)、模擬電話420MHz短距離的10BASE-T以太網(wǎng)5100MHz10BASE-T以太網(wǎng)，某些100BASE-T快速以太網(wǎng)超5類100MHz100BASE-T快速以太網(wǎng)，某些1000BASE-T吉比特以太網(wǎng)6250MHz1000BASE-T吉比特以太網(wǎng)，ATM網(wǎng)絡(luò)7600MHz10吉比特以太網(wǎng)共五十八頁14同軸電纜(tn zhu din ln)共五十八頁15Cable specifications10BASE-T 10BASE5 10BASE2 共五十八頁1610BASE-T，10BAS

6、E-5，10BASE-2，以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，10Base-2、10Base-5、10Base-T都是以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為10Mbps，其中10Base-2技術(shù)以細(xì)同軸電纜為傳輸介質(zhì)(jizh)，10Base-5技術(shù)以粗同軸電纜為傳輸介質(zhì)，10Base-T技術(shù)以非屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)。100Base-TX快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 支持平行/交叉線自動(dòng)識(shí)別功能 。共五十八頁17各種( zhn)電纜銅線(tn xin)銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜共五十八頁18光纖 光線(gungxin)在光纖中的折射

7、 折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯共五十八頁19光纖的工作(gngzu)原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸(chun sh)的方式是不斷地全反射光線在纖芯中傳輸?shù)娜瓷?，?shí)現(xiàn)光信息的傳播共五十八頁20輸入脈沖輸出脈沖單模光纖：直徑減小到小于一個(gè)波長，使光纖一直(yzh)向前傳播。1um -10um 多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖：許多不同(b tn)入射角的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖為多模光纖。50um -75um 共五十八頁21光纖通信(un xin tn xn)的優(yōu)點(diǎn)： 光纖可提供更高的帶寬，多

8、模光纖可到7GHz,單模光纖可到200GHz，可提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率； 光纖信號傳輸衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)，單模超過100km； 抗干擾能力強(qiáng)，不受外界電磁干擾； 保密性好，不容易被截獲(jihu)； 可采用多路復(fù)用技術(shù)WDM，大幅度地?cái)U(kuò)容。共五十八頁223.2.2 無線介質(zhì)(jizh) 無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信(tng xn)主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信(tng xn)質(zhì)量較差。微波在空間主要是直線傳播。 地面微波接力通信衛(wèi)星通信 共五十八頁23地面(dmin)微波地球地面站之間的可視距離 天線共五十八頁24衛(wèi)星(wixng)微波衛(wèi)星通信更像是用軌道衛(wèi)星作為中繼站的視線微波

9、傳輸?；驹砗偷孛嫖⒉ㄊ且粯拥模皇怯靡粋€(gè)衛(wèi)星作為超高天線和轉(zhuǎn)發(fā)器。盡管(jn gun)在衛(wèi)星傳輸中信號仍然是直線傳播的，但地球曲面引起的距離限制被減弱了。因此衛(wèi)星中繼可以提供跨越大陸和海洋的網(wǎng)絡(luò)連接。共五十八頁25衛(wèi)星通信(wixng tngxn)地球地面站地面站共五十八頁263.3 常用(chn yn)的接口RJ-45BNC 光纖接口(ji ku)共五十八頁273.3.1 RJ-45的接口(ji ku)特性 RJ-45接口通常用于數(shù)據(jù)傳輸，共有八芯，網(wǎng)卡接口。RJ-45是各種接頭的一種類型（RJ11也是接頭，它是電話(dinhu)上用的）； RJ45接口根據(jù)線的排序不同，分為兩種： 一種

10、是橙白、橙、綠白、藍(lán)、藍(lán)白、綠、棕白、棕； 另一種是綠白、綠、橙白、藍(lán)、藍(lán)白、橙、棕白、棕；因此使用RJ-45接頭的線也有兩種即：直通線、交插線。10 100base -tx RJ45接口是常用的以太網(wǎng)接口，支持10兆和100兆自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度，網(wǎng)卡、Hub 上接口的外觀為 8 芯母插座 ，pc端的接口為 8 芯公插頭。共五十八頁28共五十八頁29Pin Name description1 TX+ Tranceive Data+ (發(fā)信號+)2 TX- Tranceive Data- (發(fā)信號-)3 RX+ Receive Data+ (收信號(xnho)+)4 n/c Not conne

11、cted (空腳)5 n/c Not connected (空腳)6 RX- Receive Data- (收信號-)7 n/c Not connected (空腳)8 n/c Not connected (空腳)10 100base tx RJ45接口(ji ku)引腳定義如下：共五十八頁30直通線共五十八頁31直通線共五十八頁32交叉(jioch)線共五十八頁33交叉(jioch)線的做法共五十八頁343.3.2 BNC的接口(ji ku)特性 BNC 端口：用于工作站和同軸電纜連接的連接器，視頻設(shè)備(shbi)輸入、輸出端口。 BNC電纜有5個(gè)連接頭用于接收紅、綠、藍(lán)、水平同步和垂直同步

12、信號。 BNC接頭有別于普通15針DSUB標(biāo)準(zhǔn)接頭的特殊顯示器接口。BNC接頭可以隔絕視頻輸入信號，使信號相互間干擾減少，且信號頻寬較普通DSUB大，可達(dá)到最佳信號響應(yīng)效果。 共五十八頁35共五十八頁36BNC接頭，全稱是Bayonet Nut Connector（刺刀螺母連接器，）是一種用于同軸電纜的連接器；BNC接頭可沒有被淘汰，因?yàn)橥S電纜是一種屏蔽電纜，有傳送距離長、信號穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。目前它被大量用于通信系統(tǒng)中，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的E1接口就是用兩根BNC接頭的同軸電纜來連接的，在高檔的監(jiān)視器、音響設(shè)備中也經(jīng)常用來傳送音頻、視頻信號。 被淘汰的是10Base-2以太網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)(wnglu)使

13、用50歐的RG-58A/U同軸電纜，速率為10Mb，總線型網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)不便。所以現(xiàn)在組建這種網(wǎng)絡(luò)的BNC接口網(wǎng)卡被淘汰了。共五十八頁373.3.3 常用(chn yn)光纖接口光纖接口是用來連接光纖線纜的物理接口。通常有SC、ST、FC等幾種類型，它們由日本(r bn)NTT公司開發(fā)。FC是Ferrule Connector的縮寫，其外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。ST接口通常用于10Base-F，SC接口通常用于100Base-FX。光纜的接頭部分也有兩種，一種SC接口為1GB接口，LC接口為2GB接口。共五十八頁38 SC光纖接口在100Base-TX以太網(wǎng)時(shí)代就得到了應(yīng)用，因此

14、當(dāng)時(shí)稱為100Base-FX，不過當(dāng)時(shí)由于性能并不比雙絞線突出,確成本高，因此沒有普及?，F(xiàn)在大力推廣千兆網(wǎng)絡(luò)，SC光纖接口則重新受到重視。 SC光纖接口主要用于局域網(wǎng)交換，在一些高性能千兆交換機(jī)和路由器上提供這種接口， 它與RJ-45接口外形相似，SC接口更扁些，其明顯(mngxin)區(qū)別是里面的觸片，如果是8條細(xì)的銅觸片，則是RJ-45接口，如果是一根銅柱則是SC光纖接口。SC 卡接式方型(路由器交換機(jī)上用的最多)。采用工程塑料，具有耐高溫，不容易氧化。共五十八頁39FC接口(ji ku)FC接口是電信用在光端機(jī)上的連接器；FC是圓型帶螺紋。最早，采用陶瓷插針、對接端面(dunmin)的平面

15、接觸方式(FC)。此類連接器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但光纖端面對微塵較為敏感，且容易產(chǎn)生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。后來，采用對接端面呈球面的插針(PC)，外部結(jié)構(gòu)沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高。 共五十八頁40光纖的各種( zhn)連接器及連接跳線 共五十八頁413.4 寬帶接入技術(shù)(jsh)3.4.1 xDSL技術(shù)xDSL 技術(shù)：就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號的頻帶被限制在 3003400 kHz 的范圍內(nèi)，但用戶線本身可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。xDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給

16、傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶(yngh)上網(wǎng)使用。DSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案。 共五十八頁42xDSL 的幾種(j zhn)類型 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數(shù)字用戶線HDSL (High speed DSL)：高速(o s)數(shù)字用戶線SDSL (Single-line DSL)：1 對線的數(shù)字用戶線VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線DSL ：ISDN 用戶線。

17、RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個(gè)子集，可自動(dòng)調(diào)節(jié)線路速率）。 共五十八頁43ADSL 的極限傳輸(chun sh)距離ADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率、用戶線的線徑都有關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號傳輸時(shí)的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實(shí)際(shj)的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時(shí)可傳送 5.5 公里，但傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時(shí)，傳輸距離縮短為 3.7 公里。如果用戶線的線徑減小到0.4毫米，在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里 。共五

18、十八頁44ADSL 的特點(diǎn)(tdin)：上行和下行帶寬是不對稱的。上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。(上行帶寬64kb/s,下行帶寬1.5Mb/s)ADSL 在用戶線（銅線(tn xin)）的兩端各安裝一個(gè) ADSL 調(diào)制解調(diào)器。我國目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。共五十八頁45離散多音調(diào)(yndio) DMT 技術(shù):DMT 調(diào)制技術(shù)是采用頻分復(fù)用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多子信道，其中 25 個(gè)子信道用于上行信道，而 24

19、9 個(gè)子信道用于下行信道。每個(gè)子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬(di kun)（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。共五十八頁46DMT 技術(shù)(jsh)的頻譜分布 頻譜頻率(pnl)上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道(kHz)401381100共五十八頁47ADSL 的數(shù)據(jù)(shj)率用戶線的具體條件相差很大（距離、線徑、干擾程度等都不同），數(shù)據(jù)傳輸率相差也很大; ADSL 采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。ADSL 啟動(dòng)時(shí)，用戶線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、

20、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測試信號(xnho)的傳輸質(zhì)量。ADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。共五十八頁48ADSL 的組成(z chn) ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線 電話(dinhu)分離器 區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至 ISP居民家庭基于 ADSL 的接入網(wǎng)端局或遠(yuǎn)端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接單元 ATU (Acce

21、ss Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表遠(yuǎn)端 Remote）電話分離器 PS (POTS Splitter) 共五十八頁49第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2 要求至少應(yīng)支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 則將頻譜范圍從 1.1 MHz 擴(kuò)展至2.2 MHz，下行速率可達(dá) 16 Mb/s（最大傳輸速率可達(dá)25 Mb/s），而上行速率可達(dá) 800 kb/s。采用了無縫速率自

22、適應(yīng)技術(shù) SRA (Seamless Rate Adaptation)，在運(yùn)營中可以不中斷通信、不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。改善了線路質(zhì)量評測、故障定位功能，提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行(ynxng)維護(hù)水平。共五十八頁503.4.2 光纖同軸混合(hnh)網(wǎng)HFC (Hybrid Fiber Coax)HFC 網(wǎng)：是在有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。HFC 網(wǎng)除可傳送(chun sn) CATV 外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用技術(shù)對電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸。而 HFC 網(wǎng)則需要對 CAT

23、V 網(wǎng)進(jìn)行改造，主要特點(diǎn)如下： 共五十八頁51HFC 的主要(zhyo)特點(diǎn) (1) HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖HFC 網(wǎng)將原 CATV 網(wǎng)中的同軸電纜主干部分(b fen)改換為光纖，并使用模擬光纖技術(shù)。在模擬光纖中采用光的振幅調(diào)制 AM，這比使用數(shù)字光纖更為經(jīng)濟(jì)。模擬光纖從頭端連接到光纖結(jié)點(diǎn)(fiber node)，即光分配結(jié)點(diǎn) ODN (Optical Distribution Node)。在光纖結(jié)點(diǎn)光信號被轉(zhuǎn)換為電信號。在光纖結(jié)點(diǎn)以下就是同軸電纜。 共五十八頁52(2) HFC 網(wǎng)采用(ciyng)結(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu) 同軸電纜(tn zhu din ln)頭端模擬光纖放大器引入線分路器光纖結(jié)

24、點(diǎn)服務(wù)區(qū)服務(wù)區(qū)服務(wù)區(qū)共五十八頁53(3) HFC 網(wǎng)具有比 CATV 網(wǎng)更寬的頻譜，且具有雙向傳輸(chun sh)功能 下行(xixng)信道上行信道5 40 50 550 750 1000原有模擬電視數(shù)字信號頻率(MHz)保留共五十八頁54(4) 每個(gè)家庭(jitng)要安裝一個(gè)用戶接口盒 用戶接口盒 UIB (User Interface Box)要提供(tgng)三種連接，即：使用同軸電纜連接到機(jī)頂盒(set-top box)，然后再連接到用戶的電視機(jī)。使用雙絞線連接到用戶的電話機(jī)。使用電纜調(diào)制解調(diào)器連接到用戶的計(jì)算機(jī)。共五十八頁55電纜(dinln)調(diào)制解調(diào)器(cable modem) 電纜調(diào)制解調(diào)器是 HFC 網(wǎng)使用(shyng)的調(diào)制解調(diào)器。電纜調(diào)制解調(diào)器最大的特點(diǎn)就是傳輸速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之間，最高可達(dá) 30 Mb/s，而上行速