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(wù)物理連接。 它既不是指具體的物理設(shè)備，也不是指信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)。 物理層的定義：在物理信道實(shí)體之間合理地通過(guò)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(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的手段。 （以上是ISO對(duì)OSI模型的物理層所作的定義識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)物理信道

2、的建立、保持和拆除功能。 （以上是ITU組織在X.25協(xié)議中對(duì)物理層所作的定義識(shí)記P29)n DTE(Data Terminal Equipment) 是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是對(duì)屬于用戶所有的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或工作站的總稱，是通信的信源和信宿。如計(jì)算機(jī)、終端等。n DCE (Data Communication Equipment 或Data Circuit-terminating Equipment)是數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備或通信設(shè)備，是對(duì)為用戶提供入網(wǎng)連接點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)稱如調(diào)制解調(diào)器、交換機(jī)、集線器。 DTE 和 DCE(識(shí)記P29)2.11 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例物理層的主要任務(wù)是確定與傳輸媒體的接口的一些特性，

3、即： n機(jī)械特性機(jī)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)EIA RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)EIA RS-232-C是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)在1969年頒布的一種目前使用最廣泛的串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS(Recommended Standard)的意思是“推薦標(biāo)準(zhǔn)”；232是標(biāo)識(shí)號(hào)碼；后綴“C”則表示該推薦標(biāo)準(zhǔn)已被修改過(guò)的次數(shù)。 物理層的主要功能是通過(guò)物理信道在相鄰

4、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正確的收發(fā)比特流信息。 機(jī)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(dǎo)線的電氣連接情況有以下三種方式：非平衡方式：1根導(dǎo)線/電路，收發(fā)共用1 根地線，較大串?dāng)_. 信號(hào)速率=20Kbps 傳播距離=15米 差動(dòng)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(dòng)接收器，獨(dú)立的地線，串?dāng)_小，信號(hào)速率300Kbps ， 傳播距離101000米平衡方式：使用平衡發(fā)生器和差動(dòng)接收器， 2根導(dǎo)線/電路，構(gòu)成各自完全獨(dú)立的信號(hào)回路，串?dāng)_信號(hào)減至最小，信號(hào)速

5、率EBCDIC報(bào)文交換的缺點(diǎn)n不能滿足實(shí)時(shí)交互的通信要求，報(bào)文經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間長(zhǎng)且不定。 所以，不能用于語(yǔ)音連接，也不適合交互式終端到計(jì)算機(jī)的連接n有時(shí)節(jié)點(diǎn)收到過(guò)多的數(shù)據(jù)而無(wú)存儲(chǔ)空間或不能及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，就不得不丟棄報(bào)文n發(fā)出的報(bào)文不能按順序到達(dá)目的地 3.5.2 報(bào)文交換n計(jì)費(fèi)一般時(shí)根據(jù)通信的流量和時(shí)間來(lái)計(jì)算n報(bào)文交換已不再使用3.5.3 分組交換n分組交換將一個(gè)報(bào)文分成若干個(gè)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(gè)分組的長(zhǎng)度有一個(gè)上限，典型的最大長(zhǎng)度時(shí)數(shù)千位n使每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的存儲(chǔ)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

6、過(guò)程可以分為虛電路交換和數(shù)據(jù)報(bào)交換1. 虛電路方式n為進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間先要建立一條邏輯通路邏輯通路n每個(gè)分組包括數(shù)據(jù)和一個(gè)虛電路標(biāo)識(shí)符n在路徑上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)虛電路標(biāo)識(shí)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(gè)站用清除請(qǐng)求分組來(lái)結(jié)束這次連接1. 虛電路方式n無(wú)論何時(shí)，一個(gè)站都能和任何站建立多個(gè)虛電路，也能與多個(gè)站建立虛電路。因?yàn)檫@條電路不是專用的，所以叫虛電路n每條虛電路支持兩個(gè)端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，兩個(gè)端點(diǎn)之間也可以有多條虛電路為不同的進(jìn)程服務(wù)，這些虛電路的實(shí)際路由可以相同，也可能不同虛電路方式的特點(diǎn)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

7、是專用的，分組在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上仍然需要緩沖，并在線路上進(jìn)行排隊(duì)等待輸出2.數(shù)據(jù)報(bào)方式n當(dāng)某一個(gè)站點(diǎn)要發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)，先把報(bào)文分成若干個(gè)帶有序號(hào)、數(shù)據(jù)和地址序號(hào)、數(shù)據(jù)和地址信息的分組，每個(gè)分組被稱為數(shù)據(jù)報(bào)。各個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)被依次送到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上n一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)后，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)中的地址信息和節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的路由信息，找出一個(gè)合適的出路，把數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)n各節(jié)點(diǎn)隨時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量、故障等情況選擇路由，各數(shù)據(jù)報(bào)所走的路徑可能不相同，也不一定按發(fā)出順序到達(dá)目的地，有的可能會(huì)在途中丟失提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E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

8、網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)接受主機(jī)發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報(bào)）網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)分組獨(dú)立地選擇路由。 提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)盡最大努力地將分組交付給目的主機(jī)，但網(wǎng)絡(luò)對(duì)源主機(jī)沒(méi)有任何承諾。提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不保證所傳送的分組不丟失也不保證按源主機(jī)發(fā)送分組的先后順序以及在時(shí)限內(nèi)必須將分組交付給目的主機(jī) 提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)可根據(jù)情況將一些分組丟棄 提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)提供的服務(wù)是不可靠的，它不能保證服務(wù)質(zhì)量

9、。實(shí)際上“盡最大努力交付”的服務(wù)就是沒(méi)有質(zhì)量保證的服務(wù)。 兩種服務(wù)的思路來(lái)源不同 n虛電路服務(wù)的思路來(lái)源于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)。n電信網(wǎng)負(fù)責(zé)保證可靠通信的一切措施，因此電信網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)復(fù)雜而昂貴。n數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)力求使網(wǎng)絡(luò)生存性好和使對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制功能分散，因而只要求網(wǎng)絡(luò)提供盡最大努力的服務(wù)。n可靠通信由用戶終端中的軟件（即TCP）來(lái)保證。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)與虛電路服務(wù)之爭(zhēng) n讓網(wǎng)絡(luò)只提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)就可大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)。n n但技術(shù)的進(jìn)步使得網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)的概率已越來(lái)越小，因而讓主機(jī)負(fù)責(zé)端到端的可靠性不但不會(huì)給主機(jī)增加更多的負(fù)擔(dān)，反而能夠使更多的應(yīng)用在這種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。n因特網(wǎng)發(fā)展到今天的規(guī)模，充分說(shuō)明了在網(wǎng)

10、絡(luò)層提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)是非常成功的。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù)優(yōu)缺點(diǎn)的歸納 對(duì)比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù) 思路 可靠通信應(yīng)當(dāng) 可靠通信應(yīng)當(dāng) 由網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證 由用戶主機(jī)來(lái)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(gè)分組都有 使用，每個(gè)分組使 目的站的全地址 用短的虛電路號(hào)數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù)優(yōu)缺點(diǎn)的歸納 對(duì)比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)分組的轉(zhuǎn)發(fā) 屬于同一條虛電路 每個(gè)分組獨(dú)立選擇 的分組均按照同一 路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) 路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)結(jié)點(diǎn)出 所有通過(guò)出故障的 故障結(jié)點(diǎn)可能丟失 故障時(shí) 結(jié)點(diǎn)的虛電路 分組，一些路由 均不能工作 可能會(huì)發(fā)生變化數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù)優(yōu)缺點(diǎn)的歸納 對(duì)比的

11、方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)分組的順序 總是按發(fā)送順序 到達(dá)目的站時(shí)不一定 到達(dá)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(jī)負(fù)責(zé)差錯(cuò)處理和 負(fù)責(zé)也可以由用戶 流量控制 主機(jī)負(fù)責(zé)3.5.4 高速交換n結(jié)合分組交換和電路交換的優(yōu)勢(shì)，并與光傳輸技術(shù)融合是高速交換的趨勢(shì)n當(dāng)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(dāng)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(zhǎng)，引入了光傳輸技術(shù)，通過(guò)

12、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速交換1. 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的光交換機(jī)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(lái)改變光束傳輸方向，達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行重新選擇的目的n當(dāng)一路波長(zhǎng)光信號(hào)照到鏡面時(shí)，鏡面傾斜以便將其引導(dǎo)到某一特定出口光纖中，從而實(shí)現(xiàn)光路倒換的目的2. 無(wú)交換式光路由器n使用具有波長(zhǎng)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(kāi)關(guān)交換網(wǎng)絡(luò)n關(guān)鍵模塊是一種自由空間色差校正凹面光柵，通過(guò)它將入射光線陣列中的波長(zhǎng)信道進(jìn)行發(fā)散后，再聚集到出射光纖陣列中相互獨(dú)立的單路光纖上，可實(shí)現(xiàn)9191的波長(zhǎng)路由器功能3.陣列波導(dǎo)光柵路由器n構(gòu)成陣列波導(dǎo)光柵的是許多長(zhǎng)

13、度按L線性遞增(即各路光波的相位差恒定)的光臂，可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用與解復(fù)用以及靜態(tài)波長(zhǎng)路由功能n具備雙向傳輸?shù)奶匦詎WDM信號(hào)從一端口輸入，經(jīng)一入射波導(dǎo)到達(dá)聚集平面波導(dǎo)，被衍射耦合到各陣列波導(dǎo)中，各路光經(jīng)不同的相位延遲后在出射波導(dǎo)端合成不同波長(zhǎng)的光波n如果輸入端只有單路的多波長(zhǎng)信號(hào)，則構(gòu)成1N的解復(fù)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(diǎn)n光信號(hào)經(jīng)過(guò)光交換單元時(shí)，無(wú)須經(jīng)過(guò)光電/電光轉(zhuǎn)換n不受監(jiān)測(cè)器和調(diào)制器等光電器件響應(yīng)速度的限制，對(duì)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(fèi)用不受接入端口帶寬的影響，因?yàn)樗谶M(jìn)行光交換時(shí)并不區(qū)分帶寬，而且不受光波傳輸數(shù)據(jù)速率的影

14、響n在傳統(tǒng)的交換技術(shù)費(fèi)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(bào)文報(bào)文報(bào)文A B C D A B C D報(bào)文交換電路交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報(bào)文連接釋放3.5.5 交換技術(shù)的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4A B C D A B C D虛電路分組交換數(shù)據(jù)報(bào)文分組交換t虛電路建立數(shù)據(jù)傳送P2P1P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4P2P13.5.5 交換技術(shù)的比較n不同的交換技術(shù)適用于不同的場(chǎng)合n對(duì)交互式通信來(lái)說(shuō)，報(bào)文交換不合適n對(duì)于較輕和間歇式負(fù)載來(lái)說(shuō)，電路交換最合適，可以通過(guò)電話撥號(hào)線路來(lái)實(shí)行通信n對(duì)于較重和持續(xù)式負(fù)載來(lái)說(shuō)，使用租用的線路以電路交換方式實(shí)行通信是合適的n對(duì)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(diǎn)n電路交換n在數(shù)據(jù)傳送開(kāi)始之前必須先設(shè)置一條專用的通路n在線路釋放之前，該通路由一對(duì)用戶完全占用n對(duì)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(bào)文交換n報(bào)文從源點(diǎn)傳送到目的地采用“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”