計算機網(wǎng)絡(luò)第2章物理層

計算機網(wǎng)絡(luò)

第2章物理層

第2章物理層

2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.2網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)

2.3利用現(xiàn)有的模擬傳輸系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)通道

2.4網(wǎng)絡(luò)信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)

2.5物理接口

2.6網(wǎng)卡

2.7物理層互聯(lián)設(shè)備

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物理層的基本概念

■物理層的主要任務(wù)描述為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(shù)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。

■物理層的傳輸方式

/串行通信

/并行通信

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2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.1信息量

2.1.2通信模型

2.1.3奈奎斯特定理

2.1.4香農(nóng)定理

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2.1.1信息量

-信息量是事件不確定性的度量

■對于一個以概率Pi，P2，??.，Pn發(fā)出A1，

A2,??.，An個符號的信息源，其信息量為

〃=一￡9bg2P

Z=1

■當Pj=1/n時,H=Hmax=log2n

■以概率pi，p0發(fā)出“1”和“0”的信息源

+

H=-(Poiog2PoPiiog2Pi)

■當p產(chǎn)Po=O.5時,其不確定性最大

H=H=log2=1

max25

2.1.2通信模型

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)字比特流模擬信號模擬信號數(shù)字比特流

正文^i\l^正文

公用電話網(wǎng)——...

PC機調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC機

源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)

終點

一

輸

『

出

出

數(shù)

信

據(jù)

息

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幾個術(shù)語

-數(shù)據(jù)(data)——運送信息的實體。

■信號(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。

-“模擬的"(analogous)——連續(xù)變化的。

-“數(shù)字的"(digital)——取值是離散數(shù)值。

-調(diào)制—把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。

?解調(diào)——把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。

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模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號

模擬數(shù)據(jù)

模擬數(shù)據(jù)

數(shù)字數(shù)據(jù)

數(shù)字數(shù)據(jù)

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2.1.3奈奎斯特定理

■最高頻率為f的模擬信號，要無失真恢復(fù)

采樣頻率F必須滿足：

F》2f

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2.1.4香農(nóng)定理

■香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)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。

■信道的最大信息傳輸速率R可表達為

/?=Hlog2(1+S/A/)b/s

H為信道的帶寬(以Hz為單位)；

s為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；

N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

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著農(nóng)公式表明

■信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則

信息的極限傳輸速率就越高。

■只要信息傳輸速率低于信道的極限信息

傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來

實現(xiàn)無差錯的傳輸。

■若信道帶寬H或信噪比S/N沒有上限

（當然實際信道不可能是這樣的），則

信道的極限信息傳輸速率R也就沒有上

限。

■實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要

比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。11

網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)

■電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜

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網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)

■雙絞線

/屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)

/無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwisted

Pair)

■同軸電纜

,500同軸電纜

/750同軸電纜

■尢山筑少火

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網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)

無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP

銅線

套層套層絕緣層

同軸電纜

絕緣保護套層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層

D內(nèi)導(dǎo)體

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光線在光纖中的折射

包層折射角包層

纖4品射率的媒體）

纖芯

（高折射率的媒體）

入射

包層

G贏射率的媒體）

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光纖的工作原理

低折射率高折射率

（包層）（纖芯）

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多模光纖與單模光纖

多模光纖

輸入脈沖--------------------------------------------------------輸出脈沖

輸入脈沖

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無線介質(zhì)

■無線傳輸所使用的頻段很廣。

■短波通信主要是靠電離層的反射，但短

波信道的通信質(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

/紅外通訊

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2.3模擬傳輸系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)通道

■長途干線最初采用頻分復(fù)用FDM的傳輸

方式

/FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)

-目前我國長途通信線路已實現(xiàn)了數(shù)字化，

因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶

電話機到市話交換機之間的這一段幾公里

長的用戶線上。

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調(diào)制解調(diào)器的作用

■調(diào)制解調(diào)器(modem)包括：

/調(diào)制器(MOdulator)：把要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)

換為頻率范圍在300-3400Hz之間的模擬信

號，以便在電話用戶線上傳送。

/解調(diào)器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送

來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

■本書中的調(diào)制解調(diào)器是指使用在標準的二

線模擬話路(3.1kHz的標準話路帶寬)

上的調(diào)制解調(diào)器。

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調(diào)制解調(diào)器的作用（續(xù)）

■調(diào)制器的主要作用就是個波形變換器，它

把基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬

信道傳輸?shù)牟ㄐ?/p>

■解調(diào)器的作用就是個波形識別器，它將經(jīng)

過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復(fù)成原來的

數(shù)字信號。

，若識別不正確，則產(chǎn)生誤碼。

/在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯檢測和糾正的設(shè)

施。

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調(diào)制解調(diào)器的速率

■目前調(diào)制解調(diào)器的信息傳輸速率已很接近

于香農(nóng)的信道容量極限了。

■要提高信息傳輸速率，只能設(shè)法提高信噪

比。

■在電話的用戶線上，最大的噪聲來自模擬

到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的量化噪聲。

22

模擬傳輸系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)通道

23

2.4網(wǎng)絡(luò)信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)

■現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制

PCM(PulseCodeModulation)體制。

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時分復(fù)用

■為了有效地利用傳輸線路，可將多個話路的

PCM信號用時分復(fù)用TDM(TimeDivision

Multiplexing)的方法裝成時分復(fù)用幀，然后

發(fā)送到線路上。

-中國采用歐洲體制，以E1為一次群。

■美國和日本等國采用北美體制，以T1為一

次群。

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E1的時分復(fù)用幀

CHOCHO

CH1CH1

CH152.048Mb/sCH15

CH16CH16

CH17傳輸線路CH17

CH31CH31

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頻分復(fù)用

頻率

27

時分復(fù)用

頻率

28

時分復(fù)用

頻率

29

時分復(fù)用

頻率

30

時分復(fù)用

頻率

31

波分復(fù)用WDM

■波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。

8x2.5Gb/s

1310nm

0------1550nm1550nm0

1551nm1

1552nm2

復(fù)分1553nm3

用

用

器1554nm4

5,1555nm器1555nm5

1556nm6

1557nm7

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2.5物理接口

2.5.1EIA-RS-232-E接口標準

2.5.2RS-449接口標準

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2.5.1EIA?RS?232?E接口標準

■DTE(DataTerminalEquipment)是數(shù)

據(jù)終端設(shè)備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理

能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備。

■DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)

是數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備，它在DTE和傳輸線

路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負

責建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。

34

^)TE通過DCE與通信傳輸線路相連

35

日A-232/V.24的信號定義

(1)保護地[

DTE(2)發(fā)送數(shù)據(jù)二DCE

一(3)接收數(shù)據(jù)

(4)請求發(fā)送

計算機

或(5)允許發(fā)送

調(diào)制解調(diào)器

終端(6)DCE就緒

(7)信號地

(8)載波檢測

(20)DTE就緒

(22)振鈴指示

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兩個DTE通過DCE進行通信的例子

DTE-A

EIA-232/V.24

接口

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利用虛調(diào)制解調(diào)器與兩臺計算機相連

插頭插座插座插頭

(1)保護地(1)保護地

(2)發(fā)送/(2)發(fā)送.

(3)接收(3)接收

(4)請求發(fā)送(4)請求發(fā)送

(5)允許發(fā)送(5)允許發(fā)送

(6)DCE就緒(6)DCE就緒

/(7)信號地(7)信號地

/(8)載波檢加T

(8)載波檢測■

1(20)DTE病(20)DTE京尤緒

(22)振鈴指示\(22)振鈴指示

計算機虛調(diào)制解調(diào)器計算機

38

252RS-449接口標準

■RS-449由3個標準組成。即:

/RS-449

，RS-423-A

/RS-422-A

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2.6網(wǎng)卡

■網(wǎng)卡：又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)

絡(luò)接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)。

-網(wǎng)卡的功能

，發(fā)送數(shù)據(jù)：從計算機或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接受幀分成

bit發(fā)送到傳輸介質(zhì)

/接收數(shù)據(jù)：從傳輸介質(zhì)接受bit組合成幀交給

計算機或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

,競爭介質(zhì)的發(fā)送權(quán)

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十算機通過網(wǎng)卡和局域網(wǎng)進行通信

計算機

高

速

至局域網(wǎng)

CPU緩存儲器網(wǎng)絡(luò)接口卡

存（網(wǎng)卡）串行通信

I/O總線并行通信

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>10Mb/s,

>100Mb/s,

>10/1OOMb/s自適應(yīng)

■吉網(wǎng)卡

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傳送方式