第二章 物理層

會計學1第二章物理層第2章物理層(一)通信基礎1.信道、信號、寬帶、碼元、波特、速率等基本概念2.奈奎斯特定理與香農定理3.信源與信宿4.編碼與調制5.電路交換、報文交換與分組交換6.數(shù)據(jù)報與虛電路(二)傳輸介質1.雙絞線、同軸電纜、光纖與無線傳輸介質2.物理層接口的特性(三)物理層設備1.中繼器2.集線器第1頁/共68頁2.1通信基礎基本概念信源和信宿：信源是信息產生和出現(xiàn)的發(fā)源地；信宿是接收信息的目的地。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，信源和信宿可以是各種類型的計算機和終端，簡稱DTE（DataTerminalEquipment）。信道：用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。數(shù)據(jù)(data)：運送消息的實體。信號(signal)：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。第2頁/共68頁碼元(code)：代表不同離散數(shù)值的基本波形，是承載信息的基本信號單位。一個碼元能夠承載信息量的多少由碼元信號所能表示的數(shù)據(jù)有效值狀態(tài)個數(shù)決定。碼元在信道上傳輸速率的單位是波特（Baud），1波特表示每秒傳送1個碼元。碼元傳輸速率也稱為調制速率、波形速率或符號速率。第3頁/共68頁波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。比特是數(shù)據(jù)量的單位。數(shù)據(jù)傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上是有關系的:若1個碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個碼元攜帶nbit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為Mnb/s。第4頁/共68頁單工通信（單向通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。半雙工通信（雙向交替通信）——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。全雙工通（信雙向同時通信）——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。第5頁/共68頁基帶信號

(即基本頻帶信號baseband)——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(bandpass)——把基帶信號經過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。帶通信號也叫寬帶信號，是將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號。第6頁/共68頁例：關于信號的敘述正確的是A、電磁波是一種數(shù)字信號B、模擬信號是一種電壓脈沖序列C、信號是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼D、信號可以分為模擬信號、數(shù)字信號和視頻信號第7頁/共68頁例：通常把沒有經過調制的原始信號成為A、基帶信號B、寬帶信號C、頻帶信號D、帶通信號第8頁/共68頁編碼與調制編碼：將數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字信號的過程。解碼：將數(shù)字信號還原為數(shù)字數(shù)據(jù)的過程。調制：將數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成模擬信號。解調：將調制后的模擬信號還原為數(shù)字數(shù)據(jù)的過程。第9頁/共68頁常用編碼方法歸零制：正脈沖代表1,負脈沖代表0,位邊界電平恢復為0不歸零制：正電平代表1,負電平代表0,位邊界直接跳變?yōu)橄乱晃坏碾娖铰鼜厮固鼐幋a：位周期中心的上跳變表示0,下跳變表示1差分曼徹斯特編碼：位的開始邊界有跳變表示0,無跳變表示1曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高，但曼徹斯特編碼有自同步能力。第10頁/共68頁第11頁/共68頁幾種最基本的調制方法基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調制(modulation)。最基本的二元制調制方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。

第12頁/共68頁對基帶數(shù)字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調幅調頻調相第13頁/共68頁正交振幅調制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r(r,)可供選擇的相位有12種，而對于每一種相位有1或2種振幅可供選擇。由于4bit編碼共有16種不同的組合，因此這16個點中的每個點可對應于一種4bit的編碼。若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。舉例第14頁/共68頁信道的極限容量

任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。第15頁/共68頁1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，就可以用越高的速率傳送碼元。實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數(shù)值。奈氏(Nyquist)準則不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)第16頁/共68頁例：假定一條線路每秒采樣16次，傳輸信號共有16種狀態(tài)，則傳輸速率是A、16bit/sB、48bit/sC、64bit/sD、256bit/s第17頁/共68頁信噪比信噪比就是信號的平均功率與噪聲的平均功率之比，記為S/N。S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。信噪比的度量單位是分貝（dB），其定義為：信噪比（dB）

=10log10(S/N)（dB）例如，S/N=1000時，信噪比為30dB。第18頁/共68頁香農定理香農(Shannon)定理給出的是帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；第19頁/共68頁香農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。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。第20頁/共68頁請注意對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。第21頁/共68頁例：標準電話信道帶寬為300~3400Hz，最大信息傳輸速率為35kb/s，如要使最大信息傳輸率增大60%，則信噪比要增大多少倍？35(1+60%)=56kb/s56*1000=(3400-300)log2(1+S/N)可得同樣可得最大信息率為35kb/s時的信噪比為由此可得信噪比要增加原來的第22頁/共68頁例：一個用于發(fā)送二進制信號的3kHz信道，其信噪比為20dB，則可以獲得的最大數(shù)據(jù)率是（）A、6kbit/sB、6.66kbit/sC、19.8kbit/sD、20kbit/s第23頁/共68頁例：下列關于帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率關系的敘述中錯誤的是A、中心頻率越高，則潛在帶寬就越高B、中心頻率越高，則數(shù)據(jù)傳輸率越低C、數(shù)據(jù)信號的傳輸速率越高，則其有效帶寬越高D、傳輸系統(tǒng)的帶寬越寬，則能傳送的數(shù)據(jù)速率越高第24頁/共68頁練習一個帶寬為3k的理想低通信道，其最高碼元傳輸速率是多少？若一個碼元能攜帶3bit信息，則其最高傳輸率是多少？設信號的脈沖周期為0.002s，脈沖信號有效值狀態(tài)個數(shù)為8，問如果用二進制代碼表示上述信號，一個脈沖信號需要用幾位二進制代碼表示用二進制代碼表示上述信號，其數(shù)據(jù)率是多少？第25頁/共68頁例：在基帶傳輸中采用的編碼方式有A、FSKB、移相鍵控法C、曼徹斯特編碼D、正交幅度相位調制法第26頁/共68頁例：下列調制方式中，支持數(shù)據(jù)速率最高的是A、調幅B、調頻C、調相D、無法確定調幅易受突發(fā)干擾影響，通常只用于低速線路，調頻抗干擾能力優(yōu)于調幅，但頻帶利用率不高，通常也只用于低速線路。調相制占用頻帶較窄，抗干擾性好，可達到較高數(shù)據(jù)速率。常用的是調相與調幅結合。第27頁/共68頁（*11）若某通信線路的數(shù)據(jù)傳輸速率為2400bps，采用4相位調制，則該連路的波特率是A、600波特B、1200波特C、4800波特D、9600波特第28頁/共68頁2.2傳輸介質導向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜第29頁/共68頁各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜第30頁/共68頁光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涞?1頁/共68頁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第32頁/共68頁非導向傳輸媒體無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛(wèi)星通信

第33頁/共68頁例：下列傳輸介質中，錯誤率最低的是A、雙絞線B、同軸電纜C、光線D、微波第34頁/共68頁例：雙絞線由兩條具有絕緣保護層的銅導線按一定密度互相絞在一起組成，這樣可以A、降低成本B、降低信號的干擾程度C、提高傳輸速度D、便于鋪設安裝第35頁/共68頁物理層接口的4個特性⑴機械特性涉及到網絡中的網絡設備與傳輸介質（媒體）之間接口所涉及到的連接器的外形和尺寸、接口引線數(shù)目、引線排列方式、固定和鎖定裝置⑵電氣特性涉及到接口引線上信號電平表示，什么電平代表1，什么電平代表0⑶功能特性規(guī)定接口某一條引線上出現(xiàn)某一電平表示的含義⑷規(guī)程特性規(guī)定接口上各種信號線以及各種電平出現(xiàn)的先后順序，即那根信號線先動作，那根信號線后動作物理層的4個特性可以涵蓋網絡協(xié)議的3個要素：語法；語義；同步的全部內容第36頁/共68頁例：（*09）在無噪聲情況下，若某通信鏈路帶寬為3kHz，采用4個相位、每個相位具有4種振幅的QAM調制技術，則該通信鏈路的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是A、12kbit/sB、24kbit/sC、48kbit/sD、96kbit/s第37頁/共68頁2.3交換技術電路交換：在通話之前，通過用戶的呼叫，由網絡預先為用戶分配傳輸帶寬。若用戶呼叫成功，則建立了一條從主叫端到被叫端的物理通路。電路交換的關鍵點在于，在通話的全部時間內用戶始終占用端到段的固定傳輸帶寬。第38頁/共68頁電路交換的特點電路交換的三個階段：建立連接通信釋放連接這種必須經過“建立連接→通信→釋放連接”三個步驟的通信方式稱為面向連接的。電路交換必定是面向連接的。在計算機網絡中，由于計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)性，使用電路交換傳送計算機數(shù)據(jù)將導致通信線路的利用率很低。優(yōu)點：數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，數(shù)據(jù)不會丟失且保持原來的序列。第39頁/共68頁報文交換以報文為數(shù)據(jù)交換的單位。報文是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，長度不定。當一個站點要發(fā)送報文時，它將目的地址附加到報文上，網絡節(jié)點將根據(jù)該目的地址，把報文逐節(jié)點地轉發(fā)到目的節(jié)點。每個節(jié)點在收到整個報文并檢查無誤后，就暫存這個報文，然后利用路由信息找出下一個節(jié)點的地址，再把整個報文傳送給下一個節(jié)點。第40頁/共68頁報文交換的特點報文攜帶有目標地址、源地址等信息?；诖鎯D發(fā)原理在源端和目的端進行通信。報文發(fā)送前，端與端之間無需先通過呼叫建立連接，因而報文交換是無連接的。在交換節(jié)點中需要緩沖存儲，報文需要排隊，報文經過網絡的延遲時間長且不定，故報文交換不能滿足實時通信的要求。有時節(jié)點收到過多的數(shù)據(jù)而無空間存儲或不能及時轉發(fā)時，就不得不丟棄報文。

第41頁/共68頁分組交換分組交換是報文交換的一種改進，發(fā)送前，發(fā)送端首先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構成分組。每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。結點交換機根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉發(fā)到下一個結點交換機。用這種存儲轉發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。接收端將收到的各分組剝去首部還原為原來的報文。第42頁/共68頁分組交換的優(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發(fā)送分組?？煽?/p>

保證可靠性的網絡協(xié)議；分布式的路由選擇協(xié)議使網絡有很好的生存性。第43頁/共68頁分組交換帶來的問題分組在各結點存儲轉發(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。但通常情況下報文交換的時延較分組交換要長?，F(xiàn)在報文交換已經很少使用了。第44頁/共68頁例：分組交換對報文交換的主要改進是（）A、傳輸單位更小且有固定的最大長度B、傳輸單位更大且有固定最大長度C、差錯控制更完善D、路由算法更簡單高效第45頁/共68頁例：因特網本質上屬于是（）A、電路交換網絡B、報文交換網絡C、分組交換網絡D、信元交換網絡第46頁/共68頁例：在每個中間交換站都要把用戶報文存儲在磁盤上的交換方式是（）A、電路交換B、報文交換C、分組交換D、磁盤交換第47頁/共68頁例：根據(jù)報文交換的基本原理,可把其交換系統(tǒng)的功能概括為（）A、存儲系統(tǒng)B、轉發(fā)系統(tǒng)C、存儲轉發(fā)系統(tǒng)D、傳輸控制系統(tǒng)第48頁/共68頁例：為了使數(shù)據(jù)在網絡中傳輸時延最小，首選交換方式是（）A、電路交換B、報文交換C、分組交換D、信元交換第49頁/共68頁例：（*10）在下圖所示的采用“存儲-轉發(fā)”方式分組的交換網絡中，所有鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速度為100mbps，分組大小為1000B，其中分組頭大小20B，若主機H1向主機H2發(fā)送一個大小為980000B的文件，則在不考慮分組拆裝時間和傳播延遲的情況下，從H1發(fā)送到H2接收完為止，需要的時間至少是（）A、80msB、80.08msC、80.16msD、80.24ms第50頁/共68頁分組大小為1000B，其中分組頭大小為20B，可以得出每個分組的數(shù)據(jù)部分為980B，所以大小為980000B的文件應該分為1000個分組傳送。每一個分組1000B，而鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速度為100Mbps，所以主機H1傳送完一個分組所需的時間為

1000*8/100M=80*10-6（s）H1發(fā)送完所有數(shù)據(jù)需要用的時間為：

80*10-6s*1000=80*10-3s=80ms但此時恰好最后一個分組剛從主機H1出去，還沒有到達主機H2。一個分組從主機H1需要經過2次存儲轉發(fā)才能到達主機H2，在不考慮傳播時延及處理時延的情況下，需要用時：

2*80*10-3ms=0.16ms總共用時為：80ms+0.16ms=80.16ms，故答案為C。第51頁/共68頁練習要傳送的報文共x（bit），從原到目的共經過k段鏈路，每段鏈路的傳播時延為d（s），數(shù)據(jù)率為b(b/s)。在電路交換時電路的建立時間是s（s）。在分組交換時分組長度位p，且各點排隊時間忽略不計。問在什么條件下分組交換的時延比電路交換的時延還要??？第52頁/共68頁解：電路交換的總時延為分組交換的總時延為說明：由于每個數(shù)據(jù)分組除數(shù)據(jù)本身外還要添加一個包含有控制信息的分組首部，因此，總的發(fā)送時延要大于x/b，但當數(shù)據(jù)量x很大時，每個分組的數(shù)據(jù)量也將較大，而每個分組的首部則相對很小，因此，首部所需發(fā)送時間在這里可忽略。第53頁/共68頁解：分組交換的總時延為上式對p求導，可得：。②若每個分組長度為（p+h）（bit），其中p為數(shù)據(jù)長度，h為分組頭，再忽略傳播延遲，試計算p取多少時總的時延最小。第54頁/共68頁2.4數(shù)據(jù)報和虛電路分組交換網絡提供的兩個主要服務就是數(shù)據(jù)報服務和虛電路服務。在數(shù)據(jù)報分組交換中，分組被稱為數(shù)據(jù)報。每個數(shù)據(jù)報的傳送是被單獨處理的。每個數(shù)據(jù)報自身攜帶足夠的地址信息，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)點所儲存的路由信息，找出一個合適的出路，把數(shù)據(jù)報原樣地發(fā)送到下一節(jié)點。由于各數(shù)據(jù)報所走的路徑不一定相同，因此不能保證各個數(shù)據(jù)報按順序到達目的地，有的數(shù)據(jù)報甚至會中途丟失。第55頁/共68頁數(shù)據(jù)報服務的特點網絡隨時接受主機發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報）網絡為每個分組獨立地選擇路由。網絡盡最大努力地將分組交付給目的主機，但網絡對源主機沒有任何承諾。網絡不保證所傳送的分組不丟失，也不保證按源主機發(fā)送的先后順序以及在某給定時限內將分組交付給目的主機數(shù)據(jù)報提供的服務是不可靠的，不能保證服務質量。第56頁/共68頁虛電路服務在虛電路分組交換中，網絡的源節(jié)點和目的節(jié)點之間要先建一條邏輯通路。每個分組除了包含數(shù)據(jù)之外還包含一個虛電路標識符。在預先建好的虛電路上的每個節(jié)點都知道把這些分組引導到哪里去，不再需要路由選擇判定。通信結束后，由某一個站用清除請求分組來結束這次連接。虛電路分組交換的主要特點是：在數(shù)據(jù)傳送之前必須通過虛呼叫設置一條虛電路。但并不像電路交換那樣有一條專用通路，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。第57頁/共68頁虛電路服務與數(shù)據(jù)報服務的對比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由網絡來保證可靠通信應當由用戶主機來保證連接的建立必須有不需要目的地址僅在連接建立階段使用，每個分組使用短的虛電路號每個分組都有終點的完整地址分組的轉發(fā)屬于同一條虛電路的分組均按照同一路由進行轉發(fā)每個分組獨立選擇路由進行轉發(fā)當結點出故障時所有通過出故障的結點的虛電路均不能工作出故障的結點可能會丟失分組，一些路由可能會發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達終點到達終點時不一定按發(fā)送順序端到端的差錯處理和流量控制可以由網絡負責，也可以由用戶主機負責由用戶主機負責第58頁/共68頁例：現(xiàn)代計算機網絡采用的交換方式主要是（）A、電路交換B、報文交換C、基于虛電路的分組交換D、基于數(shù)據(jù)報的分組交換第59頁/共68頁例：由網絡層負責差錯控制與流量控制，使分組按序被遞交的傳輸方式是（）A、電路交換B、報文交換C、基于虛電路的分組交換D、基于數(shù)據(jù)報的分組交換第60