計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程指導(dǎo)物理層講解

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程指導(dǎo)物理層講解你還記得嗎？為什么ISO的7層協(xié)議OSI/RM未能得到實(shí)際應(yīng)用？什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)什么是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)什么是協(xié)議，它的三要素？OSI的TCP/IP分層比較？原理體系結(jié)構(gòu)分哪幾層各層的作用，每層處理的數(shù)據(jù)單元是什么？什么叫客戶/服務(wù)器方式？如何工作的？第3章 物 理 層3.1 物理層的基本概念3.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)3.3 物理層下面的傳輸媒體3.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸3.5 信道復(fù)用技術(shù)3.6 同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH3.7 EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn)退出3.1 物理層的基本概念用于物理層的協(xié)議也常稱為物理層規(guī)程(procedure)?？梢詫⑽锢韺拥闹?/p>

2、要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：（1）機(jī)械特性。（2）電氣特性。（3）功能特性。（4）規(guī)程特性。在物理連接上的傳輸方式一般都是串行傳輸，即一個(gè)比特一個(gè)比特地按照時(shí)間順序傳輸。但是，有時(shí)也可以采用多個(gè)比特的并行傳輸方式。3.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)3.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型兩個(gè)PC機(jī)經(jīng)過(guò)普通電話機(jī)的連線，再經(jīng)過(guò)公用電話網(wǎng)進(jìn)行通信。如圖3-1所示，一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)(或發(fā)送端)、傳輸系統(tǒng)(或傳輸網(wǎng)絡(luò))和目的系統(tǒng)(或接收端)。源系統(tǒng)一般包括以下兩個(gè)部分：（1）源站。（2）發(fā)送器。目的系統(tǒng)一般包括以下兩個(gè)部分：（1）接收器。（2）目的站。數(shù)據(jù)(data)是運(yùn)送

3、信息的實(shí)體(你如何理解？），而信號(hào)(signal)則是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。無(wú)論數(shù)據(jù)或信號(hào)，都可以是模擬的或數(shù)字的。所謂“模擬的”就是連續(xù)變化的，而“數(shù)字的”就表示取值是離散的。因此，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(digital data)就是用不連續(xù)形式表示的數(shù)據(jù)。將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程叫作調(diào)制。一般說(shuō)來(lái)，模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。因此我們有以下四種情況：（1）模擬數(shù)據(jù)、模擬信號(hào)。（2）模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字信號(hào)。（3）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、模擬信號(hào)。（4）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、數(shù)字信號(hào)。圖3-2給出了模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào)的示意圖。3.2.2 有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念從通信的雙方信息交互的方式來(lái)看，可以有

4、以下三種基本方式。（1）單向通信：又稱為單工通信，即只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。無(wú)線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。（2）雙向交替通信：又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收，過(guò)一段時(shí)間后再反過(guò)來(lái)。（3）雙向同時(shí)通信：又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。有時(shí)也常用“單工”這個(gè)名詞表示“雙向交替通信”。信道可以分成傳送模擬信號(hào)的模擬信道和傳送數(shù)字信號(hào)的數(shù)字信道兩大類。但應(yīng)注意，數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過(guò)數(shù)模變換后就可以在模擬信道上傳送，模擬信號(hào)在經(jīng)過(guò)模數(shù)變換后也可在數(shù)字信道上傳送。

5、信道上傳送的信號(hào)還有基帶(baseband)信號(hào)和寬帶(broadband)信號(hào)之分。3.2.3 信道上的最高碼元傳輸速率圖3-3給出了一個(gè)數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道和質(zhì)量很差的信道時(shí)的輸出波形。奈奎斯特(Nyquist)推導(dǎo)出在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式：理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud (3-1)這里W是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)；Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個(gè)碼元。式(3-1)就是著名的奈氏準(zhǔn)則。奈氏準(zhǔn)則的另一種表達(dá)方法是：每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個(gè)碼元。對(duì)于具有理想帶通矩形特性的信道(帶寬為W)，奈

6、氏準(zhǔn)則就變?yōu)椋豪硐霂ㄐ诺赖淖罡叽a元傳輸速率 = W Baud (3-2)即每赫帶寬的帶通信道的最高碼元傳輸速率為每秒1個(gè)碼元。強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)：（1）一個(gè)實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出的這個(gè)上限數(shù)值。（2）波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?，它說(shuō)明每秒傳多少個(gè)碼元。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量的單位，與碼元的傳輸速率“波特”是兩個(gè)完全不同的概念。3.2.4 信道的極限信息傳輸速率信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為C = W log2(1+S/N) bit/s (3-3)其中：W為信道的帶寬(以Hz為單位)；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部

7、的高斯噪聲功率。式(3-3)就是著名的香農(nóng)公式。香農(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。由于碼元的傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的制約，所以要提高信息的傳輸速率，就必須設(shè)法使每一個(gè)碼元能攜帶更多個(gè)比特的信息量。這就需要采用多元制(又稱為多進(jìn)制)的調(diào)制方法。圖3-4說(shuō)明了奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍。3.3 物理層下面的傳輸媒體傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導(dǎo)向傳輸媒體和非導(dǎo)向傳輸媒體。在導(dǎo)向傳輸媒體中，電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體(銅線或光纖)傳播，而非導(dǎo)向傳輸媒體就是指自由空間，

8、在非導(dǎo)向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無(wú)線傳輸。圖3-5是電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜。3.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體1雙絞線把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合(twist)起來(lái)就構(gòu)成了雙絞線。從用戶電話機(jī)到交換機(jī)的這段線稱為用戶線或用戶環(huán)路(subscriber loop)。圖3-6是無(wú)屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的示意圖。2同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實(shí)心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護(hù)塑料外層所組成(圖3-7)。通常按特性阻抗數(shù)值的不同，將同軸電纜分為兩類：（1）50 同軸電纜50 同軸電纜又稱為基帶同軸電纜。在傳輸基帶數(shù)字信號(hào)時(shí)

9、，可以有多種不同的編碼方法。圖3-8畫的是未經(jīng)編碼的原基帶數(shù)字信號(hào)和在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的兩種編碼方法，即：曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼。（2）75 同軸電纜75 同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。 在計(jì)算機(jī)通信中，“寬帶系統(tǒng)”是指采用了頻分復(fù)用和模擬傳輸技術(shù)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。雙電纜系統(tǒng)的示意圖如圖3-9(a)所示。頭端(headend)的作用是將各計(jì)算機(jī)從發(fā)送電纜發(fā)過(guò)來(lái)的信息轉(zhuǎn)換到接收電纜，使得各計(jì)算機(jī)能從接收電纜上收到發(fā)送給它們的信息。圖3-9(b)為單電纜系統(tǒng)。3光纜光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細(xì)，其直徑只有8 100

10、m。正是這個(gè)纖芯用來(lái)傳導(dǎo)光波。包層較纖芯有較低的折射率。當(dāng)光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時(shí)，其折射角將大于入射角(如圖3-10所示)。圖3-11畫出了光波在纖芯中傳播的示意圖。只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個(gè)臨界角度，就可產(chǎn)生全反射。因此，可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖(如圖3-12(a)所示)。若光纖的直徑減小到只有一個(gè)光的波長(zhǎng)，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會(huì)產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖(圖3-12(b)。圖3-13為四芯光纜剖面的示意圖。光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其他的一些

11、特點(diǎn)：（1）傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。（2）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。（3）無(wú)串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。（4）體積小，重量輕。當(dāng)采用光纖連網(wǎng)時(shí)，常常將一段段點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路串接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，通過(guò)T形接頭連接到計(jì)算機(jī)。T形接頭有兩種：無(wú)源的和有源的。無(wú)源的T形接頭由于完全是無(wú)源的，因此非常可靠。有源的T形接頭實(shí)際上就是一個(gè)有源轉(zhuǎn)發(fā)器(如圖3-14所示)。3.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體1無(wú)線傳輸2地面微波接力通信其主要特點(diǎn)是：微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大；因?yàn)楣I(yè)干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波

12、頻率低得多，對(duì)微波通信的危害比對(duì)短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質(zhì)量較高；與相同容量和長(zhǎng)度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設(shè)投資少，見效快。微波接力通信缺點(diǎn)：相鄰站之間必須直視，不能有障礙物，有時(shí)一個(gè)天線發(fā)射出的信號(hào)也會(huì)分成幾條略有差別的路徑到達(dá)接收天線，因而造成失真；微波的傳播有時(shí)也會(huì)受到惡劣氣候的影響；與電纜通信系統(tǒng)比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差； 對(duì)大量中繼站的使用和維護(hù)要耗費(fèi)一定的人力和物力。3衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。衛(wèi)星通信的另一特點(diǎn)就是具有較大的傳播時(shí)延。下午好你還記得嗎？數(shù)據(jù) 模擬數(shù)據(jù) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào) 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)調(diào)制從通信雙

13、方的交互看通信方式分哪三類局域網(wǎng)中的三種編碼方法計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)常用的通信媒體有哪些，有什么特點(diǎn)光纖傳輸?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)？光纖分為哪兩類，各有何特點(diǎn)？衛(wèi)星通信的特點(diǎn)3.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸3.4.1 模擬傳輸系統(tǒng)3.4.2 調(diào)制解調(diào)器1調(diào)制解調(diào)器的作用圖3-15表示了出現(xiàn)一個(gè)誤碼的示意圖。若所傳送的碼元速率越高，信號(hào)的失真就越嚴(yán)重。調(diào)制解調(diào)器(modem)就是由調(diào)制器(MOdulator)和解調(diào)器(DEModulator)這兩個(gè)字各取其字頭合并而成的。調(diào)制器的主要作用就是個(gè)波形變換器，解調(diào)器的作用就是個(gè)波形識(shí)別器。2幾種最基本的調(diào)制方法所謂調(diào)制就是進(jìn)行波形變換?；蛘吒鼑?yán)格些，是進(jìn)行頻譜變換，將基帶數(shù)字信號(hào)

14、的頻譜變換成為適合于在模擬信道中傳輸?shù)念l譜。最基本的調(diào)制方法有以下幾種(如圖3-16所示)：（1）調(diào)幅(AM )：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)的變化而變化（2）調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)的變化而變化（3）調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)的變化而變化上述的對(duì)數(shù)字信號(hào)的調(diào)頻和調(diào)相，分別稱為移頻鍵控FSK (Frequency Shift Keying)和移相鍵控PSK (Phase Shift Keying)。而對(duì)移相鍵控還可再分為絕對(duì)移相鍵控和相對(duì)移相鍵控(DPSK)。圖3-17畫的是一種正交調(diào)制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)的星座圖

15、。若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多(即在星座圖中的點(diǎn)數(shù)越多)，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困難。3關(guān)于調(diào)制解調(diào)器的速率圖3-18(a)表示兩個(gè)計(jì)算機(jī)用戶A和B通過(guò)調(diào)制解調(diào)器(33.6 kbit/s)進(jìn)行通信。由于大部分的ISP都使用租用數(shù)字專線接入到電話交換機(jī)，因此用戶與ISP之間的通信信道是圖3-18(b)所示的那樣。經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后到用戶環(huán)路，只有在模擬信號(hào)到達(dá)用戶的調(diào)制解調(diào)器后才進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，這時(shí)才產(chǎn)生量化噪聲。4調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類。同步通信就是要求接收端的時(shí)鐘頻率和發(fā)送端的時(shí)鐘頻率相等(這常稱為收發(fā)雙方的時(shí)鐘是同步的)，以便使接收

16、端對(duì)收到的比特流的采樣判決的時(shí)間是準(zhǔn)確的。當(dāng)接收端的判決點(diǎn)移動(dòng)的時(shí)間超過(guò)碼元寬度的一半時(shí)(本來(lái)判決點(diǎn)應(yīng)當(dāng)處于每一個(gè)碼元的中間)，就要產(chǎn)生差錯(cuò)(比特重讀或漏讀)，這就是所謂的滑動(dòng)(slip)。準(zhǔn)同步方式是各有關(guān)信號(hào)使用一些獨(dú)立的、具有相同的頻率標(biāo)稱值的時(shí)鐘源，但這些頻率的實(shí)際數(shù)值允許有微小的誤差(在容許范圍之內(nèi))。異步通信則采用另一種方法。這就是在發(fā)送端將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)以字節(jié)(8個(gè)比特)為單位進(jìn)行逐個(gè)字節(jié)的封裝。異步通信是通過(guò)增加通信開銷(每發(fā)送10個(gè)比特就有兩個(gè)比特的額外開銷，因而數(shù)據(jù)的有效傳輸速率就降低了)使接收端能夠使用廉價(jià)的、具有一般精度的時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。3.4.3 數(shù)字傳輸系統(tǒng)為了將

17、模擬電話信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，必須先對(duì)電話信號(hào)進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號(hào)最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號(hào)無(wú)失真地恢復(fù)出原來(lái)的電話信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的電話信號(hào)的最高頻率為3.4 kHz，為方便起見，采樣頻率就定為8 kHz，相當(dāng)于采樣周期為125 s。圖3-19表示了上述的概念。圖3-20在2.048 Mbit/s的傳輸線路兩端同步旋轉(zhuǎn)的開關(guān)(這只是為闡述原理用的示意圖)，表示32個(gè)時(shí)隙中的比特的發(fā)送和接收必須和時(shí)隙的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，不能弄亂。 表3-1給出了歐洲和北美系統(tǒng)的高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率。3.5 信道復(fù)用技術(shù)3.5.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用的

18、特點(diǎn)分別如圖3-21(a)和(b)所示。頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源(請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率)。時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。頻分復(fù)用 將傳輸頻帶劃分為多個(gè)窄頻帶，每個(gè)窄頻帶構(gòu)成一個(gè)子通道。 每個(gè)子通道獨(dú)立地傳輸一路信息。 總帶寬為NW。 窄帶寬之間留有保護(hù)帶。時(shí)分復(fù)用 將物理信道按時(shí)間分成時(shí)間片，輪流分配給多個(gè)信源使用公共線路 由N個(gè)時(shí)間片（時(shí)隙）組成一個(gè)幀，每路占用一個(gè)固定位置的時(shí)隙，構(gòu)成一個(gè)子通道 每個(gè)時(shí)隙可以傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)單元，可以是位、字符、分組，對(duì)應(yīng)叫做：比特復(fù)用、字節(jié)復(fù)用、分組復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用的改進(jìn)

19、根據(jù)輸入端的狀態(tài)動(dòng)態(tài)地分配時(shí)隙，而不是固定分配在進(jìn)行通信時(shí)，復(fù)用器(multiplexer)總是和分用器(demultiplexer)成對(duì)地使用。當(dāng)使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，一個(gè)用戶對(duì)已經(jīng)分配到的子信道的利用率一般是不高的。當(dāng)用戶在某一段時(shí)間暫時(shí)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)(例如用戶正在鍵盤上輸入數(shù)據(jù)或正在瀏覽屏幕上的信息)，那就只能讓已經(jīng)分配到手的子信道空閑著，而其他用戶也無(wú)法使用這個(gè)暫時(shí)空閑的線路資源。圖3-22說(shuō)明了這一概念。統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM (Statistic TDM)是一種改進(jìn)的時(shí)分復(fù)用，它能明顯地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用這種

20、統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用。圖3-23是統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用的原理圖。統(tǒng)計(jì)復(fù)用又稱為異步時(shí)分復(fù)用，而普通的時(shí)分復(fù)用稱為同步時(shí)分復(fù)用。從平均的角度來(lái)看，這兩者是平衡的。3.5.2 波分復(fù)用圖3-24表示8路傳輸速率均為2.5 Gbit/s的光載波(其波長(zhǎng)均為1310 nm)，經(jīng)光的調(diào)制后，分別將波長(zhǎng)變換到1550 1557 nm，每個(gè)光載波相隔1 nm (這里只是為了說(shuō)明問(wèn)題的方便，實(shí)際上光載波的間隔一般是或1.6 nm)。3.5.3 碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDM (Code Division Multiplexing)是另一種共享信道的方法。實(shí)際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA (Code Division Multiple Access)每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。由于各用戶使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，