第三章 物理層

1、第 3 章 物理層 n3.1 物理層的接口與協(xié)議 n3.2 傳輸介質(zhì) n3.3 數(shù)據(jù)通信技術(shù) n3.4 數(shù)據(jù)編碼 n3.5數(shù)據(jù)交換技術(shù) 3.1 物理層接口與協(xié)議 概述 物理層位于傳輸媒體（傳輸介質(zhì)）之上 作用：屏蔽差異，為上層（數(shù)據(jù)鏈路層）提供統(tǒng)一的服務物理 連接。 它既不是指具體的物理設備，也不是指信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)。 物理層的定義：在物理信道實體之間合理地通過中間系統(tǒng)， 為比特傳輸所需的物理連接的激活、保持、和去除提供機械 的、電氣的、功能的和規(guī)程性的手段。 （以上是ISO對OSI模型的物理層所作的定義識記P29） 物理層定義：利用物理的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性在 DTE 和DCE之間實現(xiàn)

2、對物理信道的建立、保持和拆除功能。 （以上是ITU組織在X.25協(xié)議中對物理層所作的定義識記P29) n DTE(Data Terminal Equipment) 是數(shù)據(jù)終端設備，是 對屬于用戶所有的聯(lián)網(wǎng)設備或工作站的總稱，是通信的 信源和信宿。如計算機、終端等。 n DCE (Data Communication Equipment 或Data Circuit-terminating Equipment)是數(shù)據(jù)電路終接設備或 通信設備，是對為用戶提供入網(wǎng)連接點的網(wǎng)絡設備的統(tǒng) 稱如調(diào)制解調(diào)器、交換機、集線器。 DTE 和 DCE(識記P29) 2.11 物理層標準舉例 物理層的主要任務是確定與

3、傳輸媒體的接口的一些特性， 即： n機械特性機械特性 指明采用的連接器的幾何尺寸、插件的引腳及 分布位置。 n電氣特性電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。 n功能特性功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種 意義。 n規(guī)程特性規(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。 n例：EIA-232-C接口標準 EIA RS-232-C接口標準 EIA RS-232-C是由美國電子工業(yè)協(xié)會在1969年頒布的一種目前 使用最廣泛的串行物理接口標準。 RS(Recommended Standard)的意思是“推薦標準”； 232是標識號碼； 后綴“C”則表示該推薦標準已被

4、修改過的次數(shù)。 物理層的主要功能是通過物理信道在相 鄰網(wǎng)絡節(jié)點正確的收發(fā)比特流信息。 機械特性 指明采用的連接器的幾何尺寸、插件的引腳及分 布位置。 n 電氣特性電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍、 最大傳輸速率、互聯(lián)電纜的相關(guān)規(guī)則。 DTE與 DCE接口的各根導線的電氣連接情況有以下三種方式： 非平衡方式：1根導線/電路，收發(fā)共用1 根地線，較大串擾. 信號速率=20Kbps 傳播距離=15米 差動接收器的非平衡方式，發(fā)送器使用非平衡式，但接收器使用 差動接收器，獨立的地線，串擾小，信號速率300Kbps ， 傳播距離101000米 平衡方式：使用平衡發(fā)生器和差動接收器， 2

5、根導線/電路，構(gòu)成 各自完全獨立的信號回路，串擾信號減至最小，信號速率 EBCDIC 報文交換的缺點 n不能滿足實時交互的通信要求，報文經(jīng)過網(wǎng)絡的 延遲時間長且不定。 所以，不能用于語音連接， 也不適合交互式終端到計算機的連接 n有時節(jié)點收到過多的數(shù)據(jù)而無存儲空間或不能及 時轉(zhuǎn)發(fā)時，就不得不丟棄報文 n發(fā)出的報文不能按順序到達目的地 3.5.2 報文交換 n計費一般時根據(jù)通信的流量和時間來計 算 n報文交換已不再使用 3.5.3 分組交換 n分組交換將一個報文分成若干個分組，分組中包 括數(shù)據(jù)和目的站地址數(shù)據(jù)和目的站地址，每個分組的長度有一個上 限，典型的最大長度時數(shù)千位 n使每個節(jié)點所需的存儲

6、能力降低了 n分組可以存在內(nèi)存，而不是硬盤上，提高了交換速度 n分組交換適用于交互式通信 n分組交換的具體過程可以分為虛電路交換和數(shù)據(jù) 報交換 1. 虛電路方式 n為進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡的源節(jié)點和目的節(jié)點之間 先要建立一條邏輯通路邏輯通路 n每個分組包括數(shù)據(jù)和一個虛電路標識符 n在路徑上的每個節(jié)點根據(jù)虛電路標識符轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)， 不再需要路由選擇判定 n數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，由某一個站用清除請求分組來 結(jié)束這次連接 1. 虛電路方式 n無論何時，一個站都能和任何站建立多個虛 電路，也能與多個站建立虛電路。因為這條 電路不是專用的，所以叫虛電路 n每條虛電路支持兩個端點之間的數(shù)據(jù)傳輸， 兩個端點之間也可以有多

7、條虛電路為不同的 進程服務，這些虛電路的實際路由可以相同， 也可能不同 虛電路方式的特點 n在數(shù)據(jù)傳送之前先建立站與站之間的一 條路徑 n這條路徑不是專用的，分組在每個節(jié)點 上仍然需要緩沖，并在線路上進行排隊 等待輸出 2.數(shù)據(jù)報方式 n當某一個站點要發(fā)送一個報文時，先把報文分成 若干個帶有序號、數(shù)據(jù)和地址序號、數(shù)據(jù)和地址信息的分組，每個 分組被稱為數(shù)據(jù)報。各個數(shù)據(jù)報被依次送到網(wǎng)絡 節(jié)點上 n一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)報后，根據(jù)數(shù)據(jù)報中的地 址信息和節(jié)點所存儲的路由信息，找出一個合適 的出路，把數(shù)據(jù)報發(fā)送到下一個節(jié)點 n各節(jié)點隨時根據(jù)網(wǎng)絡流量、故障等情況選擇路由， 各數(shù)據(jù)報所走的路徑可能不相同，也不

8、一定按發(fā) 出順序到達目的地，有的可能會在途中丟失 提供數(shù)據(jù)報服務的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) H1 向 H5 發(fā)送分組 H2 向 H6 發(fā)送分組 路徑可能變化 網(wǎng)絡隨時接受主機發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報） 網(wǎng)絡為每個分組獨立地選擇路由。 提供數(shù)據(jù)報服務的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 網(wǎng)絡盡最大努力地將分組交付給目的主機， 但網(wǎng)絡對源主機沒有任何承諾。 提供數(shù)據(jù)報服務的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 網(wǎng)絡不保證所傳送的分組不丟失 也不保證按源主機發(fā)送分組的先后順序 以及在

9、時限內(nèi)必須將分組交付給目的主機 提供數(shù)據(jù)報服務的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時 網(wǎng)絡中的結(jié)點可根據(jù)情況將一些分組丟棄 提供數(shù)據(jù)報服務的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 數(shù)據(jù)報提供的服務是不可靠的， 它不能保證服務質(zhì)量。 實際上“盡最大努力交付”的服務 就是沒有質(zhì)量保證的服務。 兩種服務的思路來源不同 n虛電路服務的思路來源于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)。 n電信網(wǎng)負責保證可靠通信的一切措施，因此 電信網(wǎng)的結(jié)點交換機復雜而昂貴。 n數(shù)據(jù)報服務力求使網(wǎng)絡生存性好和使對網(wǎng) 絡的控制功能分散，因而只要求網(wǎng)絡提供 盡最大

10、努力的服務。 n可靠通信由用戶終端中的軟件（即TCP）來 保證。 數(shù)據(jù)報服務與虛電路服務之爭 n讓網(wǎng)絡只提供數(shù)據(jù)報服務就可大大簡化網(wǎng)絡層的結(jié)構(gòu)。 n n但技術(shù)的進步使得網(wǎng)絡出錯的概率已越來越小，因而讓 主機負責端到端的可靠性不但不會給主機增加更多的負 擔，反而能夠使更多的應用在這種簡單的網(wǎng)絡上運行。 n因特網(wǎng)發(fā)展到今天的規(guī)模，充分說明了在網(wǎng)絡層提供數(shù) 據(jù)報服務是非常成功的。 數(shù)據(jù)報服務和虛電路服務 優(yōu)缺點的歸納 對比的方面 虛電路服務 數(shù)據(jù)報服務 思路 可靠通信應當 可靠通信應當 由網(wǎng)絡來保證 由用戶主機來保證 連接的建立 必須有 不要 目的站地址 僅在連接建立階段 每個分組都有 使用，每個分

11、組使 目的站的全地址 用短的虛電路號 數(shù)據(jù)報服務和虛電路服務 優(yōu)缺點的歸納 對比的方面 虛電路服務 數(shù)據(jù)報服務 分組的轉(zhuǎn)發(fā) 屬于同一條虛電路 每個分組獨立選擇 的分組均按照同一 路由進行轉(zhuǎn)發(fā) 路由進行轉(zhuǎn)發(fā) 當結(jié)點出 所有通過出故障的 故障結(jié)點可能丟失 故障時 結(jié)點的虛電路 分組，一些路由 均不能工作 可能會發(fā)生變化 數(shù)據(jù)報服務和虛電路服務 優(yōu)缺點的歸納 對比的方面 虛電路服務 數(shù)據(jù)報服務 分組的順序 總是按發(fā)送順序 到達目的站時不一定 到達目的站 按發(fā)送順序 端到端的 可以由分組交換網(wǎng) 由用戶主機負責 差錯處理和 負責也可以由用戶 流量控制 主機負責 3.5.4 高速交換 n結(jié)合分組交換和電路

12、交換的優(yōu)勢，并與光傳輸技 術(shù)融合是高速交換的趨勢 n當前Internet的主干線采用的是SONET(同步光纖) 或SDH（同步數(shù)字系列），其本質(zhì)屬于電路交換 技術(shù) n本地網(wǎng)接入采用的是IP路由器，屬于分組交換技 術(shù) n所以當前Internet采用的是電路交換技術(shù)和分組交 換技術(shù)的結(jié)合 3.5.4 高速交換 n電路交換技術(shù)與光交換技術(shù)在本質(zhì)上極 為相似，隨著速度的增長，引入了光傳 輸技術(shù)，通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)了高 速交換 1. 微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的光交換機 n在入口光纖和出口光纖之間使用微鏡陣列 n陣列中的鏡元可以在光纖之間任意改變角 度來改變光束傳輸方向，達到實時對光信 號進行重新選

13、擇的目的 n當一路波長光信號照到鏡面時，鏡面傾斜 以便將其引導到某一特定出口光纖中，從 而實現(xiàn)光路倒換的目的 2. 無交換式光路由器 n使用具有波長發(fā)射和控制功能的交換功能 模塊取代了傳統(tǒng)的外圍光開關(guān)交換網(wǎng)絡 n關(guān)鍵模塊是一種自由空間色差校正凹面光 柵，通過它將入射光線陣列中的波長信道 進行發(fā)散后，再聚集到出射光纖陣列中相 互獨立的單路光纖上，可實現(xiàn)9191的波 長路由器功能 3.陣列波導光柵路由器 n構(gòu)成陣列波導光柵的是許多長度按L線性遞增(即各路光波 的相位差恒定)的光臂，可實現(xiàn)波分復用與解復用以及靜 態(tài)波長路由功能 n具備雙向傳輸?shù)奶匦?nWDM信號從一端口輸入，經(jīng)一入射波導到達聚集平面

14、波 導，被衍射耦合到各陣列波導中，各路光經(jīng)不同的相位延 遲后在出射波導端合成不同波長的光波 n如果輸入端只有單路的多波長信號，則構(gòu)成1N的解復 用器，如果輸入端為M路，則構(gòu)成MN的路由器 光交換的優(yōu)點 n光信號經(jīng)過光交換單元時，無須經(jīng)過光電/電光轉(zhuǎn)換 n不受監(jiān)測器和調(diào)制器等光電器件響應速度的限制，對比特率 和調(diào)制方式透明，可以大大提高交換單元的吞吐量 n光交換技術(shù)的費用不受接入端口帶寬的影響，因為它在進行 光交換時并不區(qū)分帶寬，而且不受光波傳輸數(shù)據(jù)速率的影響 n在傳統(tǒng)的交換技術(shù)費用隨帶寬增加而大幅提高的情況下，光 交換更具吸引力 3.5.5 交換技術(shù)的比較 報 文 報 文 報 文 A B C

15、D A B C D 報文交換電路交換 t 連接建立 數(shù)據(jù)傳送 報文 連接釋放 3.5.5 交換技術(shù)的比較 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 A B C D A B C D 虛電路分組交換 數(shù)據(jù)報文分組交換 t 虛電路建立 數(shù)據(jù)傳送 P2 P1 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 P2 P1 3.5.5 交換技術(shù)的比較 n不同的交換技術(shù)適用于不同的場合 n對交互式通信來說，報文交換不合適 n對于較輕和間歇式負載來說，電路交換最合適， 可以通過電話撥號線路來實行通信 n對于較重和持續(xù)式負載來說，使用租用的線路以 電路交換方式實行通信是合適的 n對于必須交換中等到大量數(shù)據(jù)的情況，可用分組 交換 3.5.5 交換技術(shù)的比較 三種技術(shù)的主要特點 n電路交換 n在數(shù)據(jù)傳送開始之前必須先設置一條專用的 通路 n在線路釋放之前，該通路由一對用戶完全占 用 n對于猝發(fā)式通信，電路交換效率不高 3.5.5 交換技術(shù)的比較 n報文交換 n報文從源點傳送到目的地采用“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”