海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院-《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課程

第2章物理層根本內(nèi)容：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)物理層的根本概念，數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的模型、信道及其傳輸速率的計(jì)算，常用的傳輸媒體，信道復(fù)用技術(shù)，物理層的規(guī)范舉例。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)物理層的根本概念信道及其傳輸速率的計(jì)算信道復(fù)用技術(shù)RS-232接口規(guī)范重點(diǎn)掌握：2.1物理層的根本概念物理層思索的是如何在傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是傳輸媒體或物理設(shè)備本身。物理層的主要義務(wù)是確定與傳輸媒體的接口的一些特性：〔1〕機(jī)械特性接口的外形、尺寸、引線數(shù)目、陳列順序等?！?〕電氣特性接口電纜上各線的電壓范圍?！?〕功能特性指明某條線上某一電平的電壓代表何種意義?！?〕規(guī)程特性指明各種能夠事件的出現(xiàn)順序。2.2數(shù)據(jù)通訊根底知識(shí)2.2.1數(shù)據(jù)通訊的根本概念數(shù)據(jù)〔data〕:運(yùn)送信息的實(shí)體。信號(hào)〔signal〕：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。模擬的〔信號(hào)或數(shù)據(jù)〕〔analog)：延續(xù)變化的。數(shù)字的〔信號(hào)或數(shù)據(jù)〕〔digital)：取值僅允許為有限的幾個(gè)離散值。tttUUU000〔a〕模擬信號(hào)〔b〕數(shù)字信號(hào)1〔c〕數(shù)字信號(hào)22.2.2數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的模型正文數(shù)字比特流模擬信號(hào)公用網(wǎng)模擬信號(hào)數(shù)字比特流正文PC機(jī)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)源點(diǎn)輸入信息發(fā)送器輸入數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)接納的信號(hào)接納器終點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)輸出信息源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的模型一個(gè)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)〔發(fā)送端〕、傳輸系統(tǒng)〔傳輸網(wǎng)絡(luò)〕和目的系統(tǒng)〔接納端〕。調(diào)制與解調(diào)概念調(diào)制：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程叫做調(diào)制。解調(diào)：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程叫做解調(diào)。在公共網(wǎng)上，有些地域是數(shù)字網(wǎng)、有些地域是模擬網(wǎng)，也有的是數(shù)字、模擬共存的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。公用網(wǎng)2.2.3信道及其傳輸速率1、幾個(gè)概念信道〔channel〕信道和電路并不等同，信道普通表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體。一條通訊電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接納信道。信道按所傳輸?shù)男盘?hào)可分為模擬信道和數(shù)字信道，信道上傳輸?shù)男盘?hào)還有基帶信號(hào)和寬帶信號(hào)之分。通訊雙方的交互方式單向通訊：只能有一個(gè)方向的通訊而沒有反方向的交互。也稱單工通訊。雙向交替通訊：一方發(fā)送，另一方接納，過一段時(shí)間后再反過來。但不能雙方同時(shí)發(fā)送，也不能同時(shí)接納。也稱半雙工通訊。雙向同時(shí)通訊：通訊雙方可以同時(shí)發(fā)送和接納信息，也稱全雙工通訊。2、信道的最高碼元傳輸速率——奈奎斯特(Nyquist)公式理想低通訊道：信道的最高碼元傳輸速率＝2W(Baud)理想帶通訊道：信道的最高碼元傳輸速率＝W(Baud)信道的碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。單位為：碼元/秒，稱為：波特〔Baud〕。對(duì)于模擬信號(hào)的傳輸，波特率是指調(diào)制解調(diào)器上輸出的調(diào)制信號(hào)每秒鐘調(diào)制載波形狀改動(dòng)的次數(shù)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)傳輸，波特率是指線路上每秒鐘傳送的波形個(gè)數(shù)。波特率和比特率的比較波特率是信道的碼元傳輸速率，單位為：碼元/秒。比特率是指信道上數(shù)字信號(hào)的傳輸速率。假設(shè)一個(gè)碼元攜帶一個(gè)比特的信息，那么信息傳輸率〔bit/s〕和碼元傳輸率在數(shù)值上是相等的。假設(shè)一個(gè)碼元攜帶n個(gè)比特的信息，那么信息傳輸率是碼元率的n倍。2、信道的極限信息傳輸速率——香農(nóng)(Shannon)公式〔b/s〕W為信道的帶寬〔Hz〕；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。2.3物理層下面的傳輸媒體——計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸媒體〔也稱傳輸介質(zhì)〕分為有線和無線兩大類。主要特性包括：2.3.1有線傳輸媒體——包括雙絞線、同軸電纜、光纜等。物理特性:對(duì)傳輸介質(zhì)物理構(gòu)造的描畫。傳輸特性:傳輸數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào),以及調(diào)制技術(shù)、傳輸容量與傳輸?shù)念l率范圍。連通特性:允許點(diǎn)~點(diǎn)或多點(diǎn)銜接。地理范圍:最大的傳輸間隔?？垢蓴_性:防止噪聲與電磁干擾對(duì)傳輸數(shù)據(jù)影響的才干。相對(duì)價(jià)錢:器件、安裝與維護(hù)費(fèi)用?！?〕雙絞線雙絞線物理特性：把兩根相互絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一同,然后用規(guī)那么的方法絞合起來就構(gòu)成了雙絞線。一對(duì)線可以作為一條通訊線路,各個(gè)線對(duì)螺旋陳列的目的是為了使各線對(duì)之間的電磁干擾最小。局域網(wǎng)中所運(yùn)用的雙絞線有:屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。傳輸特性：可分為五類，最常用的雙絞線有3類和5類，均由4對(duì)雙絞線組成，3類雙絞線傳輸速率可達(dá)10Ｍbps，5類雙絞線傳輸速率可達(dá)100Ｍbps。它們之間的區(qū)別在于單位長(zhǎng)度的絞合次數(shù)不同：3類的絞合長(zhǎng)度為7.5cm~10cm，5類為0.6cm~0.85cm。雙絞線雙絞線連通性:雙絞線既可用于點(diǎn)一點(diǎn)銜接,也可用于多點(diǎn)銜接。地理范圍:雙絞線用做遠(yuǎn)程中繼線時(shí),最大間隔可達(dá)15公里;用于10Mbps局域網(wǎng)時(shí),與集線器的間隔最大為100m?？垢蓴_性:雙絞線的抗干擾性取決于一束線中相鄰線對(duì)的扭曲長(zhǎng)度及適當(dāng)?shù)钠帘蝺r(jià)錢:雙絞線的價(jià)錢低于其他傳輸介質(zhì),并且安裝、維護(hù)方便?！?〕同軸電纜物理特性：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〔也可以是箔狀〕以及絕緣維護(hù)外層所組成。內(nèi)導(dǎo)體絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣維護(hù)外層同軸電纜傳輸特性：根據(jù)帶寬不同,可分為:基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜?；鶐?50歐姆)同軸電纜普通僅用于數(shù)字信號(hào)的傳輸。寬帶(75歐姆)同軸電纜可以運(yùn)用頻分多路復(fù)用方法,將一條寬帶同軸電纜的頻帶劃分成多條通訊信道,運(yùn)用各種調(diào)制方式,支持多路傳輸。寬帶同軸電纜也可以只用于一條通訊信道的高速數(shù)字通訊,此時(shí)稱之為單信道寬帶。連通性：同軸電纜既支持點(diǎn)一點(diǎn)銜接,也支持多點(diǎn)銜接。地理范圍:基帶同軸電纜運(yùn)用的最大間隔限制在幾公里范圍內(nèi),而寬帶同軸電纜最大間隔可達(dá)幾十公里左右?？垢蓴_性:同軸電纜的構(gòu)造使得它的抗干擾才干較強(qiáng)。價(jià)錢:同軸電纜的造價(jià)介于雙絞線與光纜之間,運(yùn)用與維護(hù)方便。〔3〕光纜物理特性：光纖是一種直徑為8μm～100μm的柔軟、能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中運(yùn)用超高純度石英玻璃纖維制造的光纖可以得到最低的傳輸損耗。在折射率較高的單根光纖外面,用折射率較低的包層包裹起來，就可以構(gòu)成一條光纖通道；多條光纖組成一束，就構(gòu)成一條光纜。四芯光纜光纜傳輸特性：光導(dǎo)纖維經(jīng)過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光信號(hào)。光波經(jīng)過光纖內(nèi)部全反射進(jìn)展光傳輸?shù)倪^程。由于光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)，因此可以構(gòu)成光波在光纖與包層的界面上的全反射。在光纖發(fā)送端，主要采用兩種光源:發(fā)光二極管LED(Light-EmittingDiode)與注入型激光二極管ILD(InjectionlaserDiode)。光纖傳輸分為單模與多模兩類。折射角入射角包層〔低折射率的媒體〕纖芯〔高折射率的媒體〕包層〔低折射率的媒體〕光纜連通性:光纖最普遍的銜接方法是點(diǎn)一點(diǎn)方式，在某些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，也可以采用多點(diǎn)銜接方式。地理范圍:光纖信號(hào)衰減極小,它可以在6km～8km公里的間隔內(nèi),在不運(yùn)用中繼器的情況下,實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。抗干擾性:光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響,能在長(zhǎng)間隔、高速率的傳輸中堅(jiān)持低誤碼率。價(jià)錢:目前,光纖價(jià)錢高于同軸電纜與雙絞線?！米栽诳臻g作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)展數(shù)據(jù)通訊。特點(diǎn):信號(hào)沿直線傳播適用:架設(shè)或鋪埋電纜或光纜較困難的地方,廣泛運(yùn)用于領(lǐng)域構(gòu)成的蜂窩式無線網(wǎng)。分類:紅外通訊、激光通訊和微波通訊(微波通訊又主要有兩種方式:地面微波接力通訊和衛(wèi)星通訊。2.3.2無線傳輸媒體〔1〕地面微波接力通訊原理:長(zhǎng)間隔傳輸時(shí)每隔一段間隔就需架中繼站,將前一信號(hào)放大向后傳。適用:微波接力通訊可傳輸、電報(bào)、圖象、數(shù)據(jù)等信息。優(yōu)點(diǎn):頻帶寬、通訊容量大、傳輸質(zhì)量高、可靠性較好、投資少、見效快、靈敏等。缺陷:相鄰站間必需直視，不能有妨礙物；受氣候干擾較大、嚴(yán)密性差、中繼站的運(yùn)用與維護(hù)問題等?！?〕衛(wèi)星通訊原理：用位于36000公里高空的人造同步衛(wèi)星做中繼器的一種微波接力通訊。特點(diǎn)：通訊間隔遠(yuǎn)、費(fèi)用與間隔遠(yuǎn)近無關(guān);具有較大的傳輸延遲,且傳輸延遲相對(duì)確定。優(yōu)點(diǎn)：頻帶很寬,通訊容量大,信號(hào)受干擾??；通訊比較穩(wěn)定。缺陷：嚴(yán)密性較差,造價(jià)較高。適用：廣播電視通訊。〔3〕紅外線與毫米波通訊特點(diǎn)：具有一定的方向性。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)錢廉價(jià)，易制造，有良好的平安性，不易被切聽或截取。缺陷：不能穿透鞏固的物體。適用：被廣泛運(yùn)用于短間隔通訊，紅外線成為室內(nèi)無線局域網(wǎng)網(wǎng)的主要選擇對(duì)象。2.4信道復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用：在一個(gè)物理信道上傳輸多路信號(hào)〔共享信道資源〕。經(jīng)過多路復(fù)用器將多路信號(hào)組合在一條物理信道上傳輸,到接納端再用多路分用器〔也稱多路譯碼器〕將各路信號(hào)分別并輸出,從而提高通訊線路的利用率，降低通訊本錢。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的信道復(fù)用技術(shù)有：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、碼分復(fù)用等。2.4.1頻分復(fù)用FDM〔FrequencyDivisionMultiplexing〕信道帶寬分割：在物理信道的可用帶寬超越單個(gè)原始信號(hào)所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成假設(shè)干個(gè)與傳輸單個(gè)信號(hào)帶寬一樣(或略寬)的子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)，這就是頻分多路復(fù)用。頻譜搬移：多路原始信號(hào)在頻分復(fù)用前，先要經(jīng)過頻譜搬移技術(shù)將各路信號(hào)的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號(hào)的帶寬不相互重疊，然后用不同的頻率調(diào)制每一個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)要一個(gè)樣以它的載波頻率為中心的一定帶寬的通道。為了防止相互關(guān)擾，運(yùn)用維護(hù)帶來隔離每一個(gè)通道。頻分多路復(fù)用主要運(yùn)用于模擬信號(hào)。2.4.2時(shí)分復(fù)用TDM〔TimeDivisionMultiplexing〕假設(shè)媒體能到達(dá)的位傳輸速率超越傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時(shí)分多路復(fù)用TDM技術(shù)，即將一條物理信道按時(shí)間分成假設(shè)干個(gè)時(shí)間片輪番地分配給多個(gè)信號(hào)運(yùn)用。每一時(shí)間片由復(fù)用的一個(gè)信號(hào)占用，這樣，利用每個(gè)信號(hào)在時(shí)間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個(gè)數(shù)字信號(hào)。時(shí)分多路復(fù)用不僅限于傳輸數(shù)字信號(hào)，也可同時(shí)交叉?zhèn)鬏斈M信號(hào)。〔1〕同步時(shí)分：時(shí)分方案中的時(shí)間片是分配好的，而且是固定不變的?！?〕異步時(shí)分：允許動(dòng)態(tài)地分配傳輸媒體的時(shí)間片。2.4.3波分復(fù)用WDM〔WavelengthDivisionMultiplexing〕——在光纖信道上運(yùn)用的頻分復(fù)用的一個(gè)變種。用來實(shí)現(xiàn)運(yùn)用一根光纖同時(shí)傳輸多個(gè)頻率很接近的光載波信號(hào)。目前曾經(jīng)做到一根光纖上復(fù)用80路甚至更多路數(shù)的光載波信號(hào)。2.4.4碼分復(fù)用CDM〔CodeDivisionMultiplexing〕——這種技術(shù)更常用的名詞是碼分多址CDMA〔CodeDivisionMultipleAccess〕，是一種用于挪動(dòng)通訊系統(tǒng)的技術(shù)；共享時(shí)間和頻率資源。在CDMA中，每一個(gè)比特時(shí)間再劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片，通常m的取值為64或128。運(yùn)用CDMA的每一個(gè)站被指派一個(gè)mbit碼片序列，一個(gè)站假設(shè)要發(fā)送比特1，那么發(fā)送它本人的mbit碼片序列；假設(shè)要發(fā)送比特0，該發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。給每個(gè)站分配的碼片序列不僅必需各不一樣，而且必需相互正交〔碼片向量規(guī)格化內(nèi)積為零〕。2.5物理層規(guī)范舉例2.5.1DTE和DCE的概念DTE——DataTerminalEquipment數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE是具有一定的數(shù)據(jù)處置才干以及發(fā)送和接納數(shù)據(jù)才干的設(shè)備。比如：一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一個(gè)終端、各種I/O設(shè)備。DCE——DataCircuit-TerminatingEquipment數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備DCE的作用就是在DTE和傳輸線路之間提供信號(hào)變換和編碼的功能，并擔(dān)任建立、堅(jiān)持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的銜接。比如：銜接計(jì)算機(jī)和模擬線路之間的調(diào)制解調(diào)器。DTE、DCE和通訊線路之間的銜接如圖2-27所示。圖2-27DTE經(jīng)過DCE與通訊傳輸線路相連DTEDTEDCEDCE用戶環(huán)境用戶設(shè)備用戶設(shè)備通訊設(shè)備通訊環(huán)境信號(hào)線與控制線信號(hào)線與控制線2.5.2EIA-232-E接口規(guī)范對(duì)DTE和DCE的接口制定的規(guī)范就是所謂的物理層協(xié)議。EIAElectronicIndustriesAssociation美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)。EIA-232的主要特性：機(jī)械特性：運(yùn)用ISO2110關(guān)于插頭座的規(guī)范，有25根引腳，分2排：13根和12根。插頭在DTE上，插座在DCE上。電氣特性：與CCITT的V.28建議書一致。采用負(fù)邏輯，即0表示+3V或更高的電壓；1表示-3V或更負(fù)的電壓。電纜長(zhǎng)度在15m以內(nèi)，傳輸速率不超越20kb/s，長(zhǎng)度越短，速度越快。規(guī)程特性：與CCITT的V.24建議書