計算機網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用：第三章物理層技術(shù)

1、計算機網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用具有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) OSITCP/IP五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 運輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 表示層 會話層 應(yīng)用層 運輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 應(yīng)用層 應(yīng)用層運輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡(luò)接口層第 3 章 物理層技術(shù)3.1 物理層的基本特性3.2 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)3.3 通行方式與交換方式3.4 多路復用技術(shù)3.5 計算機網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)3.1 物理層的基本特性物理層考慮的是怎樣在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備和傳輸媒體的種類非常多，并且通信手段也有許多不同的方式，物理層的作用是要盡可能地屏蔽掉這些差異，使物理層上面

2、的數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異物理層協(xié)議(protocal)也稱為物理層規(guī)程(procedure)由于物理連接方式很多，傳輸媒體種類很多，因此物理層的協(xié)議種類很多。物理層的主要任務(wù) (1)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。這很像平時常見的各種規(guī)格的電源插頭的尺寸都有嚴格的規(guī)定。 物理層的主要任務(wù) 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。物理層的電氣特性規(guī)定了在物理連接上傳輸二進制位流時線路上信號電壓高低、傳輸速率和距離的限制等功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。

3、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。 (2)傳輸速率：定義每個比特的持續(xù)時間。(3)傳輸方式：對單工、半雙工和全雙工的選擇。(4)位同步：必須使收發(fā)雙方的時鐘保持同步。(5)線路配置：點到點連接或點到多點連接。物理層的主要任務(wù)(6)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇: 計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，即是指網(wǎng)上計算機或設(shè)備與傳輸媒介形成的結(jié)點與線的物理構(gòu)成模式. 計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有：總線型拓撲、星型拓撲、環(huán)型拓撲、樹型拓撲、網(wǎng)形拓撲和混合型拓撲物理層的主要任務(wù)3.2 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) 1.幾個術(shù)語 信息：是一種抽象的概念。通信的目的是交換信息。信息的載體可以是多媒體，包含語音、音樂、圖形圖像、文字

4、和數(shù)據(jù)等。計算機的終端產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字和符號的組合。為了傳送這些信息，首先要將每一個字母、數(shù)字或括號用二進制代碼表示。目前常用的二進制代碼有國際5號碼（IA5）、擴充的二、十進制交換碼EBCDIC碼和信息交換用標準代碼 ASCII碼等。數(shù)據(jù)：被傳輸?shù)亩M制代碼。信號：是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電信號的表示形式?！澳M信號”(analogous)代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。 “數(shù)字信號”(digital)代表消息的參數(shù)的取值是離散的。 碼元(code)在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。 在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態(tài)，另一

5、種代表1狀態(tài)。2.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本通信模型：產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源與信宿通過通信線路(信道)進行通信； 在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，而傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。普通的電話、廣播、電視等都屬于模擬通信系統(tǒng)。計算機通信、數(shù)字電話以及數(shù)字電視都屬于數(shù)字通信系統(tǒng)。 噪聲按其產(chǎn)生的原因可以分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲。 外部噪聲即指系統(tǒng)外部干擾以電磁波或經(jīng)電源串進系統(tǒng)內(nèi)部而引起的噪聲。如電氣設(shè)備，天體放電現(xiàn)象等引起的噪聲。 內(nèi)部噪聲一般包括由光和電的基本性質(zhì)所引起的噪聲，電器的機械運動產(chǎn)生的噪聲，器材材料本身引起的噪聲，

6、系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備電路所引起的噪聲。傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機3.通信信道的分類 信道：是信號傳輸?shù)耐ǖ?。通信信道包括傳輸媒體和通信設(shè)備。傳輸媒體可以是有形媒體，如電纜、光纖等，也可以是無形媒體，如傳輸電磁波的空間。信道可以按不同的方法分類：有線信道與無線信道；模擬信道與數(shù)字信道；專用信道和公用信道；信道按所使用的傳輸介質(zhì)分類，可以分為有線信道與無線信道； 有線信道使用有形的媒體作為傳輸介質(zhì)的信道稱之為有線信道

7、。有線信道包括電話線、雙絞線、同軸電纜和光纜等；無線信道以電磁波在空間傳播方式傳送信息的信道稱之為無線信道。無線信道包括無線電、微波、紅外線和衛(wèi)星通信信道等。按傳輸信號的類型分類，信道可以分為模擬信道與數(shù)字信道；模擬信道能傳輸模擬信號的信道稱為模擬信道。模擬信號的電平隨時間連續(xù)變化。語音信號是典型的模擬信號。如果利用模擬信道傳送數(shù)字信號，則必須經(jīng)過數(shù)字與模擬信號之間的變換（A/D變換器）。數(shù)字信道能傳輸離散數(shù)字信號的信道稱為數(shù)字信道。數(shù)字信號的電平隨時間離散變化。離散的數(shù)字信號在計算機中指由“0”和“1”的二進制代碼組成的數(shù)字序列。數(shù)字信道傳輸數(shù)字信號時不需要進行變換，但需要進行數(shù)字編碼。信道

8、按使用方式可以分為專用信道和公用信道：專用信道專用信道是一種連接于用戶設(shè)備之間的固定電路，它可以由用戶自己架設(shè)或向電信部門租用。公用信道也稱公共交換信道，它是一種通過交換機轉(zhuǎn)接、為大量用戶提供服務(wù)的信道。數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標 數(shù)據(jù)通信速率（傳輸速率）：傳輸率是指數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)乃俣?。?shù)據(jù)通信速率分為兩種：碼元速率和信息速率。碼元速率RB：每秒中傳送的碼元數(shù)，單位為波特/秒（Baud/s），又稱為波特率；碼元：表示信息基本單位。M：表示信息的取值范圍。信息速率Rb：每秒中傳送的信息量，單位為比特/秒（bit/s），又稱為比特率；Rb=RBlogM2 誤碼率和誤比特率 誤碼率和誤比特率是衡量數(shù)據(jù)傳

9、輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的重要參數(shù)。誤碼率是指碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，誤比特率是指在傳輸中出錯比特的概率。信道帶寬與信道容量 信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，通常稱為信道的通頻帶，單位用赫茲（Hz）表示。信道帶寬一般是由信道的物理特性決定的。（聲音：300-3400Hz）信道容量是指單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)，用每秒比特數(shù)（bps）表示。是衡量一個信道傳輸數(shù)字信號的重要參數(shù)。當傳輸?shù)男盘査俾食^信道的最大信號速率時，就會產(chǎn)生失真。 數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制技術(shù) 通信信道分為模擬信道和數(shù)字信道，而依賴于信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)。因此，

10、數(shù)據(jù)的編碼方法包括數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制和模擬數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制。數(shù)字編碼(NRZ、曼徹斯特等)數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號(數(shù)字信道)調(diào)制(ASK、FSK、PSK等)數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號(模擬信道)脈沖編碼調(diào)制PCM模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(數(shù)字信號)調(diào)制（AM、FM、PM等）模擬數(shù)據(jù)模擬信號(模擬信道)數(shù)字數(shù)據(jù)的調(diào)制對數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制的基本方法有三種：幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。 Amplitude, Frequency, Fhase 相對調(diào)相：0時跳變，1時不變數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼利用數(shù)字通信信道直接傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)信號的方法稱作數(shù)字信號的基帶傳輸，而數(shù)字數(shù)據(jù)在傳輸之前，需要進行數(shù)字編碼。數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方式有三種：不歸零碼、曼

11、徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼 。不歸零編碼（Non-Return to Zero，NRZ）曼徹斯特編碼（Manchester）差分曼徹斯特編碼（Difference Manchester）數(shù)字數(shù)據(jù)編碼的示例不歸零編碼優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單缺點：連續(xù)發(fā)送多個0或多個1時，發(fā)送端與接收端不能保持同步。曼徹斯特編碼特點：每一位中間均有跳變，該跳變既可作為時鐘信號又可作為數(shù)據(jù)信號；每位編碼的前半位表示數(shù)據(jù)信號的實際取值，后半值與之相反。優(yōu)點：可保持同步。差分曼徹斯特編碼特點：每一位中間有一次跳變，邊界的開始處存在跳變代表“0”，不存在跳變代表“1”。優(yōu)點：有良好的自同步和抗干擾能力。曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編

12、碼0110010100010111題：在基帶傳輸中，數(shù)字數(shù)據(jù)信號的編碼方式主要有哪幾種(只寫出名稱)？試畫出三種編碼方式對數(shù)據(jù)“01001011”進行編碼。基帶信號（即基本頻帶信號）來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。帶通信號把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。 模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制 模擬數(shù)據(jù)的基帶信號具有比較低的頻率，不宜直接在信道中傳輸，需要對信號進行調(diào)制，將信號搬移到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)，接收端將接收的已調(diào)信號再搬回到原來信號的頻率范圍內(nèi)，恢復成原來的消息，比如無線電廣播。

13、主要技術(shù)：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相模擬數(shù)據(jù)的編碼 脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation, PCM)技術(shù)的典型應(yīng)用是語音數(shù)字化。在發(fā)送端通過PCM編碼器將語音數(shù)據(jù)變換為數(shù)字化的語音信號，通過通信信道傳送到接收方，接收方再通過PCM解碼器還原成模擬語音信號。數(shù)字化語音數(shù)據(jù)傳輸速率高、失真小，可以存儲在計算機中，進行必要的處理。因此在網(wǎng)絡(luò)與通信的發(fā)展中語音數(shù)字化成為重要的部分。PCM的工作原理脈沖編碼調(diào)制包括三部分：采樣、量化和編碼。采樣每隔一定的時間間隔，采集模擬信號的瞬時電平值做為樣本，表示模擬數(shù)據(jù)在某一區(qū)間隨時間變化的值。量化量化是將取樣樣本幅度按量化級決定取值的過程。量化級可以分

14、為8級、16級，或者更多的量化級，這取決于系統(tǒng)的精確度要求。PCM的工作過程采樣量化編碼幅度幅度.011010001010010110001010011.模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號量化級+127-1270121.5124.4126.2124.6123.2122124125125123樣本幅度值量化取整量化值編碼采樣話音信號編碼編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。PCM用于數(shù)字化語音系統(tǒng)，將聲音分為128個量化級，采用7位二進制編碼表示，再使用1個比特進行差錯控制，采樣速率8000次秒，因此，一路話音的數(shù)據(jù)傳輸速率為88000 bps64kbps。3.3.1 信道的通信方式單工通信，半

15、雙工通信和全雙工通信單工方式指通信信道是單向信道：數(shù)據(jù)信號僅沿一個方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收而不能發(fā)送，任何時候都不能改變信號傳送方向。無線電廣播和電視都屬于單工通信。 3.3通信方式與交換方法 主機顯示器發(fā)送端接收端數(shù)據(jù)的單方向性半雙工通信是指信號可以沿兩個方向傳送，但同一時刻一個信道只允許單方向傳送，即兩個方向的傳輸只能交替進行，而不能同時進行。當改變傳輸方向時，要通過開關(guān)裝置進行切換。半雙工信道適合于會話式通信，比如公安系統(tǒng)使用的“對講機”和軍隊使用的“步話機”。半雙工方式在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中適用于終端與終端之間的會話式通信。發(fā)送端/接收端發(fā)送端/接收端不同時刻的數(shù)據(jù)

16、雙向傳輸對講機對講機全雙工通信是指數(shù)據(jù)可以同時沿相反的兩個方向作雙向傳輸。比如，電話通話。電話機發(fā)送端接收端任何時刻的數(shù)據(jù)雙向傳輸電話機3.3.2同步傳輸與異步傳輸 3.3.3 數(shù)據(jù)交換技術(shù)12435ADEBCF123連接請求連接響應(yīng)斷連請求斷連響應(yīng)電路交換技術(shù)交換網(wǎng)報文交換原理：以報文為數(shù)據(jù)傳輸單位，將報文連同目標的地址等輔助信息采用“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”交換技術(shù)向前轉(zhuǎn)發(fā)。優(yōu)點：1. 通信時不用建立一條專用通道。 2.無需建立和拆除電路的等待時間和延時。 3. 電路利用率高。節(jié)點可根據(jù)電路情況選擇不用的速度傳輸，能高效地傳輸數(shù)據(jù)。 4.數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?。每個節(jié)點都會差錯控制即糾錯和檢錯。缺點：1.

17、對整個報文存儲/轉(zhuǎn)發(fā)，每個節(jié)點都要對報文完整的接收、存儲、檢錯、糾錯和轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點延時較大，所以不適合交互式通話（電話）。 2.如果報文長度很長，傳輸報文時可能要長時間占用兩節(jié)點之間的鏈路，不利于交互通信。12435ADEBCF報文交換技術(shù)12435ADEBCF123分組交換技術(shù)1233.4信道復用技術(shù) 信道復用的目的是讓不同的計算機連接到相同的信道上，共享信道資源。四種信道復用方式：頻分復用FDM、時分復用TDM、波分復用WDM和碼分復用。 多路復用器多路復用器一條傳輸線路傳輸多路信號計算機計算機頻分多路復用FDM碼分多路復用碼分多路復用又稱為碼分多址CDMA (Coding Division

18、 Multiplexing Access)。CDMA也是一種共享信道的方法，每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進行通信，但使用基于碼型的分割信道方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，且抗干擾能力強。3.5 計算機網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 屏蔽層網(wǎng)線有兩種做法，一種是交叉線，一種是平行線 交叉線的做法是：一頭采用568A標準，一頭采用568B標準 平行線的做法是：兩頭同為568A標準或568B標準568A標準：綠白，綠，橙白，藍，藍白，橙，棕白，棕 568B標準：橙白，橙，綠白，藍，藍白，綠，棕白，棕 如果連接的雙方地位不對等的，則使用平行線，例如電腦連接到路由器或交換機 如果連接