[工學(xué)]ch2-物理層與數(shù)據(jù)鏈路層課件

1、Chapter 2 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層 7/23/20221主要內(nèi)容數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交換技術(shù)基礎(chǔ)物理層下的傳輸媒體數(shù)據(jù)鏈路層功能及協(xié)議物理層功能與協(xié)議7/23/202222.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識1. 基本概念信息：人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認(rèn)識。信息表示的形式可以是數(shù)值、文字、圖形、聲音、圖像以及動畫等。 數(shù)據(jù)：載荷信息的物理符號或有意義的實體，如果數(shù)據(jù)在某個區(qū)間取連續(xù)值，則稱為模擬數(shù)據(jù)；若取離散值，則稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式，它能被識別，也可以被描述。例如十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)、字符等。數(shù)據(jù)有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)之分。數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)中需要編碼成電信號的

2、形式。 信號：是數(shù)據(jù)的電磁波或電編碼，是數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)，具有確定的物理描述。例如電壓、磁場強(qiáng)度等。對應(yīng)兩類數(shù)據(jù)其電信號的表示形式有數(shù)字信號和模擬信號兩種表示形式。 數(shù)字信號2.1.1 數(shù)據(jù)通信模型7/23/20223信道：是信號傳輸?shù)耐ǖ?。從概念上講，信道和電路并不等同，信道一般用來表示向某一方向傳送信息的媒體；一條通信電路包括一條發(fā)送信道和一條接收信道。所以一個信道可以看成一條電路的邏輯部件。2.1.1 數(shù)據(jù)通信模型7/23/20224物理信道和邏輯信道 物理信道是指用來傳送信號或數(shù)據(jù)的物理通路，它由傳輸媒體及有關(guān)通信設(shè)備組成。 有線信道和無線信道 按傳輸媒體是否有形，物理信道可以分為有

3、線信道和無線信道。有線信道包括電纜、雙絞線、同軸電纜、光纜等以各種有形線路傳遞信息的方式；無線信道包括無線電、微波和衛(wèi)星通信信道等以電磁波形式在空間傳播信息的方式。模擬信道和數(shù)字信道 模擬信道傳輸?shù)氖悄M信號，而數(shù)字信道直接傳輸二進(jìn)制數(shù)字脈沖信號。專用信道和公共交換信道 是一種連接用戶之間設(shè)備的固定線路，既可以是自行架設(shè)的專用線路，也可以向電信部門租用。2. 信道類型信道包括傳輸媒體和通信設(shè)備，傳輸媒體有有線媒體和無線媒體兩種。信道按傳輸媒體不同可分為傳輸：有線信道和無線信道；按傳輸信號類型可分為數(shù)字信道和模擬信道；按使用權(quán)限可分為專用信道和公用信道。7/23/202253. 數(shù)據(jù)傳輸類型 使

4、用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)字信號幾乎要占有整個頻帶。 終端設(shè)備把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成脈沖電信號時，這個原始的電信號所固有的頻帶，稱為基本頻帶，簡稱基帶。 在信道中直接傳送基帶信號時，稱為基帶傳輸。 采用模擬信號傳輸數(shù)據(jù)時，往往只占有有限的頻譜，對應(yīng)基帶傳輸將其稱為頻帶傳輸。2.1.1 數(shù)據(jù)通信模型7/23/202264. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的任務(wù)是：把數(shù)據(jù)源計算機(jī)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)迅速、可靠、準(zhǔn)確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)宿（目的）計算機(jī)或?qū)Ｓ猛庠O(shè)。 從計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組成部分來看，一個完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，一般有以下幾個部分組成：數(shù)據(jù)終端設(shè)備，通信控制器，通信信道，信號變換器。Fig. 1-5 T

5、he Model of Data Communication System7/23/20227（1）數(shù)據(jù)終端設(shè)備 數(shù)據(jù)的生成者和使用者。數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE可以是網(wǎng)絡(luò)中的微機(jī)、專用數(shù)據(jù)輸出設(shè)備等。（2）通信控制器 除進(jìn)行通信狀態(tài)的連接、監(jiān)控和拆除等操作外，還可接收來自多個數(shù)據(jù)終端設(shè)備的信息，并轉(zhuǎn)換信息格式。如微機(jī)內(nèi)部的異步通信適配器（UART）、數(shù)字基帶網(wǎng)中的網(wǎng)卡就是通信控制器。（3）通信信道 通信信道是信息在信號變換器之間傳輸?shù)耐ǖ馈Ｈ珉娫捑€路等模擬通信信道、專用數(shù)字通信信道、寬帶電纜（CATV）和光纖等。（4）信號變換器 把通信控制器提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合通信信道要求的信號形式，或把信道中傳來

6、的信號轉(zhuǎn)換成可供數(shù)據(jù)終端設(shè)備使用的數(shù)據(jù)，最大限度地保證傳輸質(zhì)量。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，最常用的信號變換器是調(diào)制解調(diào)器和光纖通信網(wǎng)中的光電轉(zhuǎn)換器。信號變換器和其他的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備又統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE），DCE為用戶設(shè)備提供入網(wǎng)的連接點。7/23/20228數(shù)據(jù)傳輸成功的主要因素：信號質(zhì)量、媒體性能。 信號在媒體中傳送的方式有單工、半雙工、全雙工三種。 利用Fourier級數(shù)可將一個周期性變化的非正弦信號分解為一系列不同振幅、不同頻率和不同相位的正弦信號。根據(jù)Fourier積分，一個非周期信號可以分解為許多不同頻率正弦信號的迭加，不論是模擬信號，還是數(shù)字信號，只要是非正弦信號，其主要

7、成分都要占據(jù)一定的頻率范圍（通頻帶寬），正弦信號在此頻率范圍，信號能夠正常通過，否則信號大大衰減。 Fourier Analysis： 在19世紀(jì)初，法國數(shù)學(xué)家Jean_Baptiste Fourier證明得出了任何正常的周期為T的函數(shù)g(t)都可以由（無限個）正弦和余弦函數(shù)合成：(an，bn分別是正弦和余弦函數(shù)的n次諧波的振幅)這種分析叫Fourier Series2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸 Fourier 分析7/23/202291924年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出了有限帶寬無噪聲信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率： maximum data rate S=2Hlog2V(b/s or bps) 奈

8、氏準(zhǔn)則1948年，香農(nóng)（Shannon）提出了有限帶寬有噪聲信道下的最大數(shù)據(jù)傳輸速率： maximum number of bits/sec S=Hlog2(1+S/N)(b/s or bps) 上述H為信道基本帶寬（頻帶或頻率），V為一個脈碼周期表示的電信號狀態(tài)數(shù)，S/N為信噪比，通常用10log10S/N表示分貝數(shù)（dB） 。例：一條帶寬為3kHz，信噪比為30dB的信道，在單信道下，最大數(shù)據(jù)傳輸率為： S=Hlog2(1+S/N)=3000log2 (1+103) 30kHz或30k（bps） (因為10log10S/N =30，S/N=103 )2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸 信號有限帶寬7/2

9、3/2022102.1.2 數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號數(shù)字信號電話數(shù)字編碼ModemPCM7/23/202211模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號通信方式 對模擬信號進(jìn)行數(shù)字信號編碼的最常見例子是脈碼調(diào)制PCM（Pulse Code Modulation），常用于對聲音信號進(jìn)行編碼，其基礎(chǔ)理論為采樣定理。采樣定理：若對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行周期性采樣，只要采樣頻率等于或大于有效信號最高頻率或其帶寬的2倍，則采樣值包含了原始信號的全部信息，利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構(gòu)造出原始信號，取樣頻率F1與原始信號的最高頻率Fsmax的關(guān)系為：F1=1/T1Fsmax或F1 2Bs信號數(shù)字化轉(zhuǎn)換

10、過程為：采樣、電平量化、編碼7/23/202212數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號通信方式模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，是頻率恒定的連續(xù)信號。 不采取任何措施利用模擬信道來傳輸數(shù)字信號必然會出現(xiàn)很大差錯（失真），故在普通電話網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)，就必須將數(shù)字信號變換到電話網(wǎng)原來設(shè)計時所要求的音頻頻譜內(nèi)（即300Hz3400Hz）。 調(diào)制就是用基帶脈沖對載波波形某個參數(shù)進(jìn)行控制，形成適合于線路傳送的信號。 當(dāng)已調(diào)制信號到達(dá)接收端時，再進(jìn)行解調(diào)，即將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號去掉載波恢復(fù)成原來的基帶數(shù)字信號。7/23/202213 實際使用時，常將調(diào)制器和解調(diào)器合裝在一個設(shè)備，使線路的一端同時具有調(diào)制和解調(diào)功能，稱此設(shè)備叫

11、調(diào)制解調(diào)器（Modem）。它與遠(yuǎn)程終端或計算機(jī)之間的接口用V.24或RS-232E標(biāo)準(zhǔn)。采用調(diào)制解調(diào)器也可以把音頻信號轉(zhuǎn)換成較高頻率的信號和把較高頻率的信號轉(zhuǎn)換成音頻信號。所以調(diào)制的另一目的是便于線路復(fù)用，以便提高線路利用率。1、調(diào)制方式 調(diào)制時，常把正弦信號作為基準(zhǔn)信號或稱載波信號。 任何載波信號都有三個特征：振幅，頻率和相位。 基于載波信號的三個主要參數(shù)，可以把調(diào)制方式分為三種：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。7/23/2022142、ASK(Amplitude-Shift Keying) 用數(shù)字的基帶信號控制正弦載波信號的振幅。它是把頻率和相位定為常量，而振幅為變量，每一種振幅值代表一種信息元。這個方

12、法叫做幅移鍵控ASK。如圖所示。振幅調(diào)制 ASK方式易受突變干擾的影響，是一種不理想的調(diào)制方式。在傳輸聲音的音頻線路中，傳輸?shù)牡湫退俾手荒苓_(dá)到1200bit/s。7/23/2022153、FSK(Frequency-Shift Keying) 頻率調(diào)制簡稱調(diào)頻制，是用數(shù)字的基帶信號控制正弦載波信號的頻率。它把振幅和相位定為常量，而頻率為變量，每一種頻率值代表一種信息元。這個方法叫做頻移鍵控FSK。如圖所示。 頻率調(diào)制 FSK方式的抗干擾能力優(yōu)于ASK，在音頻線路中，傳輸速率也只有1200bit/s。FSK還常用于高頻無線傳輸。7/23/2022164、PSK（ Phase-Shift Keyi

13、ng ） 相位調(diào)制簡稱調(diào)相制，是用數(shù)字的基帶信號控制正弦載波信號的相位。它把振幅和頻率定為常量，而相位為變量，每一種相位值代表一種信息元。這個方法叫做相移鍵控PSK。 相位調(diào)制 PSK方式較FSK方式有更強(qiáng)的抗干擾能力和更高的效率，在音頻線路中，傳輸速率可達(dá)9600bit/s。7/23/202217 上述例子中只有兩種相位的調(diào)相方式稱為兩相調(diào)制。為了提高信息的傳輸速率，還經(jīng)常采用四相調(diào)制和八相調(diào)制方式。這兩種調(diào)制方式的數(shù)字信息的相位分配情況如圖所示。（a） 四相調(diào)制方式的相位分配（b） 八相調(diào)制方式的相位分配 由圖可看出，在四相調(diào)制方式中，用四個不同的相位分別代表00，01，10，11，或者說

14、每一次調(diào)制可以傳送2個比特的信息；在八相調(diào)制方式中，則每一次調(diào)制可傳送3個比特的信息，顯然兩者都提高了信息的傳輸速率。7/23/202218這是最簡單的用微機(jī)簡單串行接口即能產(chǎn)生和檢測的信號形式。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號通信方式 數(shù)字信號可以直接采用基帶傳輸，在基帶傳輸時需要解決數(shù)字信號表示及收發(fā)兩端之間的信號同步問題。 如何把數(shù)字信息用電信號的波形表示出來。 數(shù)字信號是離散的，每個脈沖代表一個信號單元，或稱碼元。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要用二進(jìn)制的數(shù)據(jù)信號，可用兩種碼元分別代表二進(jìn)制數(shù)字符號1和0，也稱為二元碼。 表示二進(jìn)制數(shù)字的碼元的形式不同，便產(chǎn)生出不同的編碼方案。1、單極性碼 表示信號的電壓或電流是

15、單極性的，即邏輯“1”用高電平或正向電流表示，而邏輯“0”用0電平表示。 單極性碼有不歸零型（NRZ）和歸零型（RZ）兩種，如圖所示。7/23/2022192、雙極性碼 用正負(fù)電平來分別代表邏輯“1”和邏輯“0”。同樣也有歸零型和不歸零型之分，如圖所示。常用的RS-232就是一種典型的不歸零型雙極性二元碼接口電路。比起單極性碼來，雙極性碼的可靠性要高，抗干擾性強(qiáng)。7/23/2022203、曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼 圖（a）所示為曼徹斯特碼。在每一個碼元時間間隔內(nèi)，當(dāng)發(fā)0時，在間隔的中間時刻電平從低向高跳變；當(dāng)發(fā)1時，在間隔的中間時刻電平從高向低跳變。這類碼元的特點是在每一碼元的時間間隔內(nèi)，至

16、少有一次跳變。 圖（b）所示為差分曼徹斯特碼。在每一個碼元的時間間隔內(nèi)，無論發(fā)1或發(fā)0，在間隔的中間都有電平的跳變，但發(fā)1時，間隔開始時刻電平不跳變，發(fā)0時，間隔開始時刻電平會跳變。 曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼的應(yīng)用很普遍，已成為局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)編碼。7/23/202221數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號通信方式0110100101常見的有位同步和群同步。位同步包括外同步（外加同步脈沖）和自同步（能從數(shù)據(jù)信號波形中提取同步信號的方法，常見的有曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼）兩種。Machester Code7/23/2022222.1.2 數(shù)據(jù)傳輸-通信方式并行輸入/輸出串行輸入/輸出串行雙工結(jié)構(gòu)半雙工通信全雙工通

17、信通信方式7/23/202223數(shù)據(jù)同步傳輸問題（Data Synchoronous Transmission）異步方式（Asynchoronous Transmission）：一次傳輸一個字符（58位），每個字符用一個啟始碼引導(dǎo)，一個停止碼結(jié)束。同步方式(Synchoronous Transmission)：為了使接收方能判定數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束，在每個數(shù)據(jù)塊的開始處加一個幀頭，在結(jié)束處加一個幀尾（其特性取決于面向字符還是位）差錯控制問題（Error Control）差錯控制就是指在數(shù)據(jù)通信中要能發(fā)現(xiàn)差錯，并采取糾正措施，把差錯限制在所允許的盡可能小的范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。傳輸中的差錯都是由噪聲

18、引起的。噪聲隨機(jī)熱噪聲沖擊噪聲隨機(jī)錯突發(fā)錯2.1.3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信技術(shù)7/23/2022242.1.3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信技術(shù)異步方式（Asynchoronous Transmission）異步方式規(guī)定在傳送字符的首末分別設(shè)置1位起始位和1位或1.5位或2位停止位，它們分別表示字符的開始和結(jié)束。7/23/202225同步方式(Synchoronous Transmission)：2.1.3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信技術(shù)7/23/2022262.1.4 多路復(fù)用技術(shù)在數(shù)據(jù)通信或計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳輸媒體的能力往往超過傳輸單一信息的需求，為了有效地利用通信線路，希望一個信道同時傳輸多路信號，即多路復(fù)用（Multip

19、lexing）。常見的多路復(fù)用技術(shù)是頻分多路復(fù)用（FDMFrequence Division Multiplexing）和時分多路復(fù)用(TDMTime Division Multiplexing) 。TDM可分為同步時分多路復(fù)用（ATDM）和異步時分多路復(fù)用（STDM：Statistical Time Division Multiplexing也稱統(tǒng)計時分多路復(fù)用）7/23/2022271 FDMFrequence Division Multiplexing3 STDM-Statistical Time Division Multiplexing2 ATDM Asynchoronous Tim

20、e Division Multiplexing異步時分復(fù)用技術(shù)又被稱為統(tǒng)計時分復(fù)用或智能時分復(fù)用（ITDM）技術(shù)，它能動態(tài)地按需分配時隙，避免每幀中出現(xiàn)空閑時隙。7/23/202228 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 4 WDM WDM波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復(fù)

21、用器分用器EDFA120 km7/23/2022295 CDM 常用碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 7/23/2022306 碼片序列(chip sequence) 每個站被指派一個惟一的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 0

22、0011011。發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。S 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 7/23/2022317 CDMA 的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。 7/23/2022328 碼片序列的正交關(guān)系 令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。 兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0： 7/23/2022339 碼片序列的正交關(guān)系

23、舉例 令向量 S 為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。 7/23/202234任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。 10 正交關(guān)系的另一個重要特性 7/23/20223511 CDMA 的工作原理 S 站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內(nèi)積 S Sx規(guī)格化內(nèi)積 S Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端

24、7/23/2022362.1.5 多路復(fù)用技術(shù)舉例在4KHz的信道上，每次采樣得到24路信號，每路8位（256個量化級），末尾增加1位同步信號，則其數(shù)據(jù)傳輸率為（192+1）/125us=1.544Mbps7/23/202237E1 的時分復(fù)用幀 2.048 Mb/s傳輸線路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1時分復(fù)用幀T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30CH31CH08 bitt時分復(fù)用幀時分復(fù)用幀T = 125 ms15 個話路15 個話路7/23/2022382.2 數(shù)據(jù)交換技術(shù)經(jīng)編碼后的數(shù)據(jù)在通信線路上進(jìn)

25、行傳輸?shù)淖詈唵涡问绞窃趦蓚€互連的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但直接連接兩個設(shè)備往往是不現(xiàn)實的，通常通過有中間節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)來把數(shù)據(jù)從源端發(fā)往目的地，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。所以，計算機(jī)廣域網(wǎng)絡(luò)也可以理解成為是由通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)組成的。1.結(jié)點（也稱為節(jié)點） (node)：網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理設(shè)備、數(shù)據(jù)通信控制設(shè)備、數(shù)據(jù)終端設(shè)備。常見的網(wǎng)絡(luò)單元有：主計算機(jī)、集中器、前端處理機(jī)、多路選擇器、服務(wù)器、終端等。結(jié)點可分為兩類：轉(zhuǎn)結(jié)點、訪問結(jié)點。2.鏈路(link)：兩個節(jié)點間的連線，鏈路有“物理鏈路”和“邏輯鏈路”兩種。3.通路(channel)：從發(fā)出信息的節(jié)點到收到信息的節(jié)點的一串節(jié)點和鏈路。7/23/202239“

26、交換”(switching)的含義是：轉(zhuǎn)接把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。交換方式是指計算機(jī)之間、計算機(jī)與終端之間和各終端之間交換信息所用信息格式和交換裝置的方式。根據(jù)交換裝置和信息處理方法的不同，常用的交換方式有四種：電路交換、報文交換、分組交換和高速交換。電路交換(Circuit Switching) 電路建立、數(shù)據(jù)傳輸、電路拆除報文交換(Message Switching) 存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。分組交換(Packet Switching) 虛電路分組交換、數(shù)據(jù)報分組交換。高速交換(High-

27、Speed Switching) ATM交換技術(shù)7/23/202240 電路交換是通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)點在兩個工作站之間建立一條專用的物理通信信道。常見的電路交換是電話系統(tǒng)，當(dāng)交換機(jī)收到一個呼叫后，就在網(wǎng)絡(luò)中尋找一條臨時通路供兩端的用戶通話，這條臨時通路可能要經(jīng)過若干個交換局的轉(zhuǎn)接，并且一旦建立就成為這一對用戶之間的臨時專用通路，別的用戶不能打斷，直到電話結(jié)束才拆除連接。電路交換的通信過程可分為電路建立、數(shù)據(jù)傳輸和拆除電路連接三個階段。2.2.1 電路交換7/23/202241ExampleA 和 B 通話經(jīng)過四個交換機(jī)通話在 A 到 B 的連接上進(jìn)行(交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線B

28、DCA7/23/202242ExampleC 和 D 通話只經(jīng)過一個本地交換機(jī)通話在 C 到 D 的連接上進(jìn)行(交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA7/23/202243計算機(jī)數(shù)據(jù)具有突發(fā)性。導(dǎo)致通信線路的利用率很低。從性能上看，在呼叫發(fā)出后，電路建立階段存在延時，但一旦電路建立，網(wǎng)絡(luò)對用戶是完全透明的，數(shù)據(jù)可以固定的速率進(jìn)行傳輸，除了傳輸延遲外，不再有其他延遲，也不會發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)傳送可靠、迅速，不丟失且保持著傳輸?shù)捻樞?，因此電路交換方式能適應(yīng)實時性傳輸。但是如果通信量不均勻，則容易引起阻塞。電路交換傳送計算機(jī)數(shù)據(jù)效率低7/23/2022442.2.2 報文交換在 20

29、世紀(jì) 40 年代，電報通信采用了基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理的報文交換(message switching)。 源站在發(fā)送報文時，把目的地址添加到報文中，然后報文在網(wǎng)絡(luò)中從一個節(jié)點傳至另一個節(jié)點。不需在兩站之間建立專用通道。每個節(jié)點接收信息后暫時存儲起來，待信道空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點，這種工作方式叫存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。對于有實時性要求的信息傳輸是不允許的，而對于數(shù)據(jù)通信則是適合的。存儲轉(zhuǎn)發(fā)具有存儲信息的能力，所以能平滑通信量和充分利用信道。報文在一個節(jié)點的延遲時間等于接收全部報文的時間、排隊等待時間以及轉(zhuǎn)發(fā)報文時間。 7/23/202245 與電路交換方式相比有如下特點：1.線路效率較高。許多報文可分時共享一條

30、節(jié)點到節(jié)點的通道。2.接收者和發(fā)送者無需同時工作。接收者忙時，節(jié)點可先將報文暫時存起來。3.流量增大時，在電路交換中可能導(dǎo)致一些呼叫不能被接收，而在報文交換中，報文仍可接收，只是延時會增加。4.報文交換可把一個報文送到多個目的地，而電路交換很難做到這一點。5.可建立報文優(yōu)先級，可以在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)差錯控制和糾錯處理。6.報文交換能進(jìn)行速度和代碼轉(zhuǎn)換。兩個數(shù)據(jù)傳輸率不同的站可以互相連接，也易于實行代碼格式的變換（如將ASCII碼能變換為EBCDIC碼）。這在電路交換中是不可能的。 報文交換的主要缺點是網(wǎng)絡(luò)延時較長，從幾分鐘到幾小時不等，波動范圍較大，不宜用于實時通信或交互通信，如：話音、傳真、終端與

31、主機(jī)之間的會話業(yè)務(wù)等?，F(xiàn)在報文交換已經(jīng)很少有人使用了。7/23/2022462.2.3 分組交換與報文交換相似，從外表看，兩者的主要區(qū)別在于傳輸數(shù)據(jù)單元的大小。報文的長度是隨機(jī)的，可達(dá)幾千或幾萬比特，甚至更長。分組交換傳輸數(shù)據(jù)的單元為分組（Packet），每個分組都包含有數(shù)據(jù)和目的地址，其長度受到限制，典型長度為128個字節(jié)。在分組交換網(wǎng)中，有兩種常用的處理整個報文的方法：數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式。1數(shù)據(jù)報方式(Datagram)每個分組被稱為一個數(shù)據(jù)報，若干個數(shù)據(jù)報構(gòu)成一次要傳送的報文或數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)報方式采用同報文交換一樣的方法對每個分組單獨進(jìn)行處理（把分組看成一個小報文）。由于不同時間的網(wǎng)絡(luò)

32、流量、故障等情況不同，各個數(shù)據(jù)報所走的路徑就可能不相同，因此，各數(shù)據(jù)報不能保證按發(fā)送的順序到達(dá)目的節(jié)點，有些數(shù)據(jù)報甚至還可能在途中丟失。接收站應(yīng)具有重新排序分組和將其重裝成報文的功能。2虛電路方式(Virtual Circuit)為傳送某一報文而設(shè)立和存在的，可以是由各段（可能是不相同的）實電路經(jīng)過若干中間節(jié)點的交換機(jī)或通信處理機(jī)而連接起來的邏輯通路。每次的邏輯通路都不同。在分組發(fā)送前，通過呼叫的過程（虛呼叫）使交換網(wǎng)建立一條通往目的站的邏輯通路，然后，一個報文的所有分組都沿著這條通路進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，不允許節(jié)點對任一個分組進(jìn)行單獨的處理和另選路徑。每個站可與其他某個站建立多條虛電路，也可以同時與

33、多個站建立虛電路。7/23/202247報文分組交換的原理（一）在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。 1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸7/23/202248數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)報文分組交換的原理（二）每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。首部首部首部分組 1分組 2分組 3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”7/23/202249分組交換的原理（三）分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù) 據(jù)首部分組 1數(shù) 據(jù)首部分組 2數(shù) 據(jù)首部分組 37/23/202250分組首部

34、的重要性每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網(wǎng)中的結(jié)點交換機(jī)根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個結(jié)點交換機(jī)。用這樣的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，分組就能傳送到最終目的地。7/23/202251分組交換的原理（四）接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。數(shù) 據(jù)首部分組 1數(shù) 據(jù)首部分組 2數(shù) 據(jù)首部分組 3收到的數(shù)據(jù)7/23/202252數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)分組交換的原理（五）最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為原來的報文。這里假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉(zhuǎn)發(fā)時也沒有被丟棄。報文11010001101010101101010111000100110100107/23/202253請注

35、意首部的位置接收端在發(fā)送端的左方時，首部往往畫在分組的左方。接收端在發(fā)送端的右方時，首部往往畫在分組的右方。數(shù) 據(jù)首部分組接收端發(fā)送端傳送方向數(shù) 據(jù)首部分組接收端發(fā)送端傳送方向7/23/202254分組交換網(wǎng)的示意圖H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)送分組H2 向 H6 發(fā)送分組注意分組路徑的變化！結(jié)點交換機(jī)主機(jī)7/23/202255注意分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)送分組結(jié)點交換機(jī)主機(jī)在結(jié)點交換機(jī) A 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結(jié)點交換機(jī) C 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結(jié)點交換機(jī) E 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)

36、的端口最后到達(dá)目的主機(jī) H57/23/202256注意結(jié)點交換機(jī)有多個端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速鏈路 結(jié)點交換機(jī)123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 47/23/202257結(jié)點交換機(jī)在結(jié)點交換機(jī)中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。結(jié)點交換機(jī)處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個目的地址應(yīng)從哪個端口轉(zhuǎn)發(fā)；把分組送到適當(dāng)?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。 7/23/202258主機(jī)和結(jié)點交換機(jī)的作用不同主機(jī)是為用戶進(jìn)行信息處理的，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分組，從網(wǎng)絡(luò)接收分組。結(jié)點交換機(jī)對分組進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，最后把分組交付給目的主機(jī)。7/23/202259分

37、組交換的優(yōu)點高效 動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。 靈活 以分組為傳送單位和查找路由。迅速 不必先建立連接就能向其他主機(jī)發(fā)送分組；充分使用鏈路的帶寬?？煽?完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；自適應(yīng)的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。 7/23/202260虛電路技術(shù)與電路交換方式的一條專用物理通道不同，它仍是使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸數(shù)據(jù)，分組信息要暫存于每個節(jié)點，進(jìn)行排隊等待轉(zhuǎn)發(fā)。由于采用的是存儲轉(zhuǎn)發(fā)的分組交換，所以只是斷續(xù)地占用一段又一段的鏈路，分組在每個節(jié)點仍然需要存儲，并在線路上進(jìn)行輸出排隊，但不需要為每個分組做出路徑判定。虛電路的標(biāo)識符只是對邏輯信道的一種編號 ，并不指某一條物理線路本身。一條物理線

38、路可能被標(biāo)識為許多邏輯信道編號，這正體現(xiàn)了信道資源的共享性。虛電路技術(shù)與數(shù)據(jù)報方式的不同之處在于，數(shù)據(jù)報方式?jīng)]有呼叫建立過程，每個分組（或稱數(shù)據(jù)報）均帶有完整的目的站的地址信息，獨立地選擇傳輸路徑，到達(dá)目的站的順序與發(fā)送時的順序可能不一致。而虛電路方式必須通過虛呼叫建立一條虛電路，每個分組不需要攜帶完整的地址信息，只需帶上虛電路的號碼標(biāo)志，不需要選擇路徑，均沿虛電路傳送，這些分組到達(dá)目的站的順序與發(fā)送時的順序完全一致。 7/23/202261分組交換比報文交換有明顯的優(yōu)點。 1.減少了時間延遲。每個分組傳輸延時顯著小于報文延時，因為，當(dāng)?shù)谝粋€分組發(fā)送給第一個節(jié)點后，接著可發(fā)送第二個分組，隨后發(fā)

39、其他分組，這樣一個報文分割成多個分組，多個分組可同時在網(wǎng)中傳播，總的延時大大減少(一般為秒級)。 2.每個節(jié)點上所需緩沖容量減少了（因為分組長度小于報文長度），有利于提高節(jié)點存儲資源的利用率。 3.傳輸有錯時，只要重傳一個分組而不要重發(fā)報文，大大減少每次傳輸發(fā)生錯誤的概率以及重傳信息的數(shù)量。 4.易于重新開始新的傳輸?？勺尵o急報文迅速發(fā)送出去，不會因傳輸優(yōu)先級較低的報文而堵塞。7/23/202262 分組交換的缺點是每個分組都要附加一些控制信息，增加了所傳信息的體積（通常增加5%到10%），相應(yīng)地，加工處理時間也有所增加。 目前，電路交換用于數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)化小型交換機(jī)(CBX)網(wǎng)絡(luò)，而分

40、組交換廣泛用于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般都不采用報文交換。7/23/202263分組交換帶來的問題分組在各結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。 7/23/202264三種交換的比較 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文A B C D A B C DA B C D報文交換電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報文P2P1連接釋放7/23/202265虛電路舉例具有6個節(jié)點的分組交換網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，若依次建立5條虛電路：ABCD BCD AEFD BAE AECDFB列出各節(jié)點的路由表及相關(guān)節(jié)點連接圖示（用箭頭

41、線）HAHEHBHFHCHDAEBFCD7/23/202266虛電路舉例ABCD BCD AEFD BAE AECDFBHAHEHBHFHCHDAEBFCD節(jié)點A入路出路HA0B0HA1E0B1E1HA2E2虛電路表7/23/2022672.2.4 高速交換1幀中繼 X.25分組交換網(wǎng)是具有比電話系統(tǒng)高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率，有一套完整的差錯控制機(jī)制。 幀中繼（Frame Relay）在X.25的基礎(chǔ)上,簡化了差錯控制(包括檢測、重發(fā)和確認(rèn))、流量控制和路由選擇功能，而形成的一種新型的交換技術(shù)。 幀中繼是一種減少節(jié)點處理時間的技術(shù)。以幀為單位進(jìn)行交換，一般認(rèn)為幀的傳送基本上不會出錯，因此只要一讀出

42、幀的目的地址就立即開始轉(zhuǎn)發(fā)該幀。所以，幀中繼的吞吐量比X.25網(wǎng)絡(luò)要提高一個數(shù)量級以上。當(dāng)還在接收一個幀時就轉(zhuǎn)發(fā)該幀，通常稱其為快速分組交換。ATM和B-ISDN均屬快速分組交換。2異步傳輸模式 異步傳輸模式(ATM：Asynchronous Transfer Mode)綜合了電路交換與分組交換各自優(yōu)勢。7/23/202268ATM采用統(tǒng)計時分復(fù)用技術(shù)。在ATM中，不再固定分配給某一特定的呼叫，只要時隙空閑，任何一個允許接入的呼叫都能占用空閑時隙。這可通過在輸入端加緩沖器來實現(xiàn)。呼叫的信息先存入緩沖器中等待，以便時隙一空閑就去占用，因此，相對于同步傳輸模式而言，特稱這種交換方式為異步傳輸模式(

43、ATM)。ATM技術(shù)可兼顧各種數(shù)據(jù)類型，它將數(shù)據(jù)分成一個個的數(shù)據(jù)分組，這個分組稱為一個信元，每個信元固定長53字節(jié)，其中5個字節(jié)為信頭，48個字節(jié)為用戶數(shù)據(jù)。5個字節(jié)的信頭中包含了流量控制信息、虛通道標(biāo)識符、虛信道標(biāo)識符、信元丟失的優(yōu)先級以及信頭的誤碼控制等有用信息。 7/23/202269ATM的傳輸與交換 它使用類似時分多路復(fù)用技術(shù)，按時間分成一個個時間片（也稱為幀），每幀長125s，每幀又包含多個時隙，一個信元占用一個時隙，時隙分配不固定。某用戶呼叫成功時，根據(jù)他的需要，在每幀中分配一個時隙或多個時隙給他使用，如圖所示。圖中表示某用戶占用每幀中的二個時隙，時隙位置也不固定，在他的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

44、好后，即可占用空閑時隙。由于可以動態(tài)分配帶寬，因此ATM非常適合傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)。7/23/202270 ATM與時分多路復(fù)用同步傳輸模式的最大不同之處還在于，雖然每一幀內(nèi)每個時隙的長度是固定的，但各個時隙并不需要緊緊相隨，緩沖器中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，不需等待空閑時隙的開始，可以從空閑時隙的中間插入，但仍占用一個時隙的長度。在輸出端不是時隙同步，而是靠信頭標(biāo)志來識別固定53字節(jié)的信元。在信元頭中還可以攜帶標(biāo)明該信元數(shù)據(jù)類型的信息。網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)數(shù)據(jù)類型，優(yōu)先安排傳送那些對延時敏感的業(yè)務(wù)，即實時性強(qiáng)的話音、視頻、圖像以及多媒體業(yè)務(wù)。7/23/2022712.3 物理層下的傳輸媒體傳輸媒體的特性對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

45、通信質(zhì)量有很大的影響。1.傳輸媒體的特性 主要包括物理特性、傳輸特性、地理范圍、連通性、抗干擾能力、相對價格等。2.有線傳輸媒體 主要包括雙絞線、同軸電纜、光纖等。光纖可使用的光源有發(fā)光二極管LED和注入型激光二極管 ILD兩種。3.無線傳輸媒體 無線傳輸媒體不需要架設(shè)或鋪埋電纜或光纖，而是通過大氣傳輸。主要包括無線電頻率電波、微波、紅外線等。它們的通信對于方向性要求很強(qiáng)，都在接收方和發(fā)送方之間有一條視線（Line-of-sight），所以也稱視線媒體。4.傳輸媒體的選擇 主要有以下一些因素：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信容量、可靠性、價格。7/23/2022722.3.1 雙絞線 Twisted Pai

46、r雙絞線可分為UTP(Unshielded twisted pair)和STP(Shielded twisted pair)。UTP傳送信息時由于向周圍輻射，信息容易被竊聽，需要額外保護(hù)。UTP：兩端均用RJ45水晶頭連接3類（Category3 or Cat3）4類（Category4 or Cat4）5類（Category5 or Cat5）：默認(rèn)帶寬100Mbps超5類（Enhanced Category5 or 5E）：155Mbps,可支持1Gbps6類（Category6 or Cat6）：設(shè)計帶寬250Mbps7類（Category7 or Cat7）：設(shè)計帶寬600Mbps銅線

47、聚氯乙烯 套層絕緣層UTP7/23/2022732.3.1 雙絞線 Twisted PairSTP3類（Category3 or Cat3）4類（Category4 or Cat4）常用的5類UTP布線標(biāo)準(zhǔn)有兩個：T568A標(biāo)準(zhǔn)和T568B標(biāo)準(zhǔn)。 T568A標(biāo)準(zhǔn)和T568B標(biāo)準(zhǔn)線序表標(biāo)準(zhǔn)12345678T568A白綠綠白橙藍(lán)白藍(lán)橙白棕棕T568B白橙橙白綠藍(lán)白藍(lán)綠白棕棕繞對同一繞對與6同繞對同一繞對與3同繞對同一繞對7/23/2022742.3 .2 同軸電纜 Coaxial Cable細(xì)纜需要BNC連接器和T型頭連接；粗纜需要安裝收發(fā)器和收發(fā)器電纜。同軸電纜的傳輸速率大多為10Mbps?？煞?/p>

48、為粗纜（Baseband）與細(xì)纜（Broadband），也可以分為基帶同軸電纜50和寬帶同軸電纜75 。最常用的有RG-8或RG-11，50 ；RG-58，50 ；RG-59，75 ；RG-62，93 等幾種。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的是RG-8以太網(wǎng)粗纜和RG-58以太網(wǎng)細(xì)纜。Coaxial Cable外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層7/23/202275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)字信號時，可以有多種不同的編碼方法。如圖畫的是未經(jīng)編碼的原基帶數(shù)字信號和在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的兩種編碼方法，即：曼徹斯特(Manchest

49、er)編碼和差分曼徹斯特編碼。7/23/202276（2）75 同軸電纜75 同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。 在計算機(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a所示。頭端(headend)的作用是將各計算機(jī)從發(fā)送電纜發(fā)過來的信息轉(zhuǎn)換到接收電纜，使得各計算機(jī)能從接收電纜上收到發(fā)送給它們的信息。圖b為單電纜系統(tǒng)。7/23/2022772.3.3 光纖 Optical Fiber一種傳輸光束的細(xì)微而柔韌的媒體，通常由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯用來傳導(dǎo)光波，包層有較低的折射率。光纖的光源有發(fā)光二極管和激光二極管兩種。

50、多模光纖(MMF):在給定的工作波長上，能以多個模式同時傳輸?shù)墓饫w，包層根據(jù)光的不同折射率控制不同模的速度，傳輸性能較差。單模光纖(SMF):在給定的工作波長上只能以單一模式傳輸。傳輸頻帶寬，容量大 。 7/23/2022782.3.3 光纖 Optical Fiber光纖的性能由模、材料、芯和外尺寸決定。常用的光纖有：8.3um芯/125um外層，單模；62.5um芯/125um外層，多模；50um芯/125um外層，多模；100um芯/140um外層，多模。使用較多的是62.5um芯/125um外層的MMF和8.3um芯/125um外層的SMF。7/23/202279光通過一種介質(zhì)而進(jìn)入另

51、一種介質(zhì)時，就會發(fā)生折射(彎曲)。如果入射角大于某一臨界值，光線將完全反射回二氧化硅，而不會漏射入空氣中。因此，光的入射角等于或大于臨界值時，光線將完全被限制在光纖中，而無損耗地傳播若干Km。高折射率(纖芯)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷浒鼘?/23/202280 圖A進(jìn)一步示出了光導(dǎo)纖維傳輸?shù)哪Ｊ健碜怨庠吹墓膺M(jìn)入圓柱形玻璃或塑料纖芯。大角度的入射光線被反射并沿光纖傳播，其余光線被周圍媒體所吸收。這種傳播方式因有多個反射角而被稱為多模傳輸方式(參見圖Aa)。當(dāng)纖芯半徑減小時，被反射的角度亦加大。當(dāng)將纖芯半徑降低到波長的量級時，只有單個角度即只有軸向光束能通過，此時光纖如同一個波導(dǎo)，稱為

52、單模傳輸方式(參見圖Ac)。圖A 光纖傳輸模式 光纖利用全內(nèi)反射來傳輸經(jīng)信號編碼的光束。全內(nèi)反射可出現(xiàn)在折射率大于周圍媒體的折射率的任意透明媒體中。7/23/202281在多模傳輸時，存在多個傳輸路徑，每一路徑的長度不同，因此越過光纖的時間不同。這使信號碼元在時間上出現(xiàn)擴(kuò)散，限制了能準(zhǔn)確接收的數(shù)據(jù)速率。由于單模傳輸時只存在單個傳輸途徑，因此不會出現(xiàn)這種失真。最后，通過改變纖芯的折射率，還可以形成第三傳輸方式，稱作梯度折射率多模方式(參見圖Ab)。這種方式的特性介于普通多模與單模之間。圖A 光纖傳輸模式7/23/202282單模光纖具有更大的容量，但是它的生產(chǎn)要比多模光纖昂貴。光纖的類型由模、材

53、料(玻璃或塑料纖維)及芯和外層尺寸所決定，芯的尺寸及純度決定了光的傳輸量。光纜在普通計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的安裝是從用戶設(shè)備開始的。由于每根光纖在任何時候都只能單向傳輸，因此，要實行雙向通信，它必須成對出現(xiàn)，一個用于輸入，一個用于輸出，光纖兩端接到光學(xué)接口上。每一條光纖線纜的連接都需要小心地磨光端頭，通過電燒烤或化學(xué)環(huán)氯工藝與光學(xué)接口連在一起。 7/23/202283輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖7/23/202284 光纖的傳輸距離僅受波長的影響，它的衰減率極低。同時為了更有效地增大傳輸距離，一般都采用1.55m波長的光纖，同時利用摻餌光纖放大器做為接收機(jī)的前置放大

54、器或在光纖線路中作為中繼器，可使光纖的傳輸距離為幾十公里，甚至上百公里。由于光纖采用的是光譜技術(shù)，它沒有泄漏信號的現(xiàn)象，也不受電磁波和高頻失真的影響，這些特點使它更適合有危險的、高壓的或者泄漏信號、干擾信號很強(qiáng)的環(huán)境。7/23/2022852.3.4 無線傳輸媒體無線媒體無線電頻率電波微波紅外線傳輸?shù)孛嫖⒉ㄐl(wèi)星微波點到點紅外系統(tǒng)廣播式紅外系統(tǒng)7/23/2022862.4.1 物理層的基本概念物理層是OSI 模型的最低層，涉及網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備之間的接口，其目的是向高層提供透明的二進(jìn)制位流傳輸。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(jī)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

55、、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。 2.4 物理層功能及協(xié)議7/23/202287 為了各類數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE: Data Terminal Equipment，如微機(jī)等)和數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備（DCE: Data Circuit-Terminating Equipment，如調(diào)制解調(diào)器等)在計算機(jī)通信網(wǎng)中能夠易于互連和互操作，通過遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)廣泛的兼容性，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電報電話咨詢委員會(CCITT)從60年代起就進(jìn)行了不懈的

56、努力，陸續(xù)推出了一些關(guān)于物理接口的標(biāo)準(zhǔn)。在CCITT制訂的標(biāo)準(zhǔn)中，有針對模擬信道的V系列建議和針對數(shù)字信道的X系列建議。而在V系列和X系列建議中的許多標(biāo)準(zhǔn)又和美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)所推薦的系列接口標(biāo)準(zhǔn)EIA/RSXXX中的內(nèi)容十分相近。在日常應(yīng)用中人們習(xí)慣于用EIA/RSXXX系列接口標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語互相交流，因為這些接口標(biāo)準(zhǔn)在計算機(jī)通信網(wǎng)中應(yīng)用十分廣泛，所規(guī)范的大部分內(nèi)容和參數(shù)值又可以從對應(yīng)的X和V系列中查到。弄清這些接口標(biāo)準(zhǔn)，對更好地使用和設(shè)計各類通信網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的。2.4.1 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例 1 EIA-232-E 接口標(biāo)準(zhǔn)7/23/2022881 EIA-232-E 接口標(biāo)準(zhǔn)DTE (D

57、ata Terminal Equipment) 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 (Data Circuit-terminating Equipment)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(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。 7/23/202289DTE 通過 DCE與通信傳輸線路相連 DTEDCEDCE串行比特傳輸信號線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設(shè)施通信設(shè)施DTE信號線與控制線用戶設(shè)施用戶環(huán)境7/23/2022901 EIA-232-E 接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232是由美國電子工業(yè)協(xié)會(Electronic In

58、dustries Association)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。RS是Recommended Standard的縮寫，232是標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識號碼，相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)是CCITT(國際電報和電話咨詢委員會)推薦的標(biāo)準(zhǔn)V.24，它與RS-232相似，只是在某些很少使用的電路上稍有不同。在這個標(biāo)準(zhǔn)中，終端或計算機(jī)被正式地叫做數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(Data Terminal Equipment)，調(diào)制解調(diào)器(modem)被正式地叫做數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備DCE(Data Circuit-Terminating Equipment)，有時也簡稱為數(shù)據(jù)裝置(DATA SET)。7/23/202291EIA RS-232機(jī)械特性規(guī)定

59、使用DB-25插針和插孔，插孔用于DCE方面，插針用于DTE方面。RS-232關(guān)于電氣信號特性的要求，規(guī)定邏輯“1”的電平為低于-3V，而邏輯“0”的電平為高于+3V，在RS-232連接器任一針上的信號可為下列狀態(tài)中的任一狀態(tài)： *標(biāo)記(MARK)/空(SPACE) *開(ON)/關(guān)(OFF) *邏輯0/邏輯1RS-232采用負(fù)邏輯，即負(fù)壓表示邏輯1、mark和OFF，正電壓表示0、SPACE和ON，信號電壓是相對于信號地電路測量的，-3V到+3V電壓范圍是不確定的過渡區(qū)域。為了表示一個邏輯1或MARK條件，驅(qū)動器必須提供-5至-15V之間的電壓。為了表示一個邏輯0或SPACE條件，驅(qū)動器必須

60、給出+5至+15V之間的電壓。這就說明，標(biāo)準(zhǔn)留出了2V的余地，以防噪聲和傳輸衰減。7/23/202292RS-232的功能性指標(biāo)規(guī)定了25針各與哪些電路連接，以及每個信號的含義。下圖畫出了其中10針的情況，這10針幾乎總是要用到，而其余的針常常不用。下面描述這10條電路的功能，其中針的命名是從DTE角度給予的。 針2：發(fā)送數(shù)據(jù) (TD) 信號從DTE發(fā)給DCE。不發(fā)送數(shù)據(jù)時，串行口維持該電路在MARK狀態(tài)(邏輯1電平，等同于停止位)。在所有遵從RS-232標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中，DTE只有在下列4個電路都處于邏輯0(控制功能為ON)的條件下才可能發(fā)送數(shù)據(jù)：(1) 請求發(fā)送RTS(針4)(2) 清送CTS