計算機網(wǎng)絡PPT課件-第二章 物理層.ppt

第二章 物理層,劉 軼 北京航空航天大學 計算機學院,2.1 物理層的基本概念,2.1 物理層的基本概念,物理層的主要任務 確定與傳輸介質(zhì)的接口的一些特性 物理層涉及的四個特性 機械特性 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 電氣特性 在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍 功能特性 某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義 過程特性 對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識,一、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識,若干術語和概念 信道(channel)一般表示向某一方向傳送信息的介質(zhì) 通信的目的是傳送消息(message)，如話音、文字、圖像等 消息的實體是數(shù)據(jù)(data) 信號(signal)是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。信號分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類 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)值的基本波形稱為碼元 碼元速率：單位時間內(nèi)通過信道的碼元個數(shù)，單位為波特(baud) 數(shù)據(jù)速率：單位時間內(nèi)通過信道的信息量(比特數(shù))，單位b/s或bps 注意：碼元速率和數(shù)據(jù)速率兩個不同的概念，對同一信道，僅當使用二進制編碼時二者相等,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識,二、有關信號的幾個基本概念(1/2) 通信雙方的交互方式 單向通信(單工通信, simplex) 只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互 雙向交替通信(半雙工通信, half-duplex) 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) 雙向同時通信(全雙工通信，duplex) 通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息 基帶(baseband)信號和帶通(band pass)信號 基帶信號(即基本頻帶信號)：來自信源的信號。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。 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。因此必須對基帶信號進行調(diào)制(modulation)。 帶通信號：基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，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),2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識,二、有關信號的幾個基本概念(2/2) 最基本的二元制調(diào)制方法： 調(diào)幅(am)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)頻(fm)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)相(pm)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化 為了獲得更高的傳輸速率，常采用多元制的混合調(diào)制方法，如振幅和相位相結(jié)合的正交振幅調(diào)制qam(quadrature amplitude modulation),基帶信號,調(diào)幅,調(diào)頻,調(diào)相,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識,三、信道的極限容量 信號失真問題 任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)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。,有失真，但可識別 失真大，無法識別,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識,三、信道的極限容量 信道能夠通過的頻率范圍 一個信道所能通過的頻率范圍總是有限的，高頻分量往往不能通過信道 接收端收到的信號波形失去了碼元之間的清晰界限，即“碼間串擾” 奈奎斯特(nyquist)定理 理想低通信道最大數(shù)據(jù)傳輸率=2h log2v (bps) h -信道帶寬，v-信號電平的級數(shù)(信號的狀態(tài)數(shù)) 在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會出現(xiàn)碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決(即識別)成為不可能 信道的頻帶越寬，能夠通過的信號高頻分量越多，就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串擾,2009年的一道考研題： 在無噪聲情況下，若某通信鏈路的帶寬為3khz，采用4個相位、每個相位具有4種振幅的qam調(diào)制技術，則該通信鏈路的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是： a. 12kbps b. 24kbps c. 48kbps d. 96kbps,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識,信噪比 信號的平均功率與噪聲的平均功率之比，常記為s/n，以分貝(db)作為計量單位 信噪比 = 10log10(s/n) (db) 例：s/n=10時，信噪比為10db；s/n=1000時，30db 1948年，信息論創(chuàng)始人香農(nóng)(shannon)推出了香農(nóng)公式 信道的極限信息傳輸速率 c 可表達為： c = w log2(1+s/n) b/s w：信道帶寬(單位：hz) s：信道內(nèi)所傳信號的平均功率 n：信道內(nèi)部的高斯噪聲功率 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,2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),media：介質(zhì)、媒體,2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),傳輸介質(zhì)：又稱為傳輸媒體或傳輸媒介，指數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理通路 傳輸媒體分為兩大類 導向傳輸介質(zhì) 非導向傳輸介質(zhì),2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),一、導向傳輸介質(zhì)(1/3) 雙絞線(twisted pair) 通過將兩根絕緣銅線絞合，減少相互干擾 分兩類 屏蔽雙絞線 stp (shielded twisted pair) 無屏蔽雙絞線 utp (unshielded twisted pair) 在網(wǎng)絡時代前即廣泛應用于電話系統(tǒng) 價格便宜，便于安裝使用，傳輸距離較短 局域網(wǎng)布線系統(tǒng)常使用8芯非屏蔽雙絞線 標準eia/tia-568中規(guī)定了非屏蔽雙絞線的類別和帶寬,2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),一、導向傳輸介質(zhì)(2/3) 同軸電纜(coaxial cable) 內(nèi)導體銅質(zhì)芯線外包裹網(wǎng)狀編織的屏蔽層 抗干擾能力和傳輸速率均高于雙絞線，但造價較高，大規(guī)模安裝使用不便 廣泛應用的同軸電纜分為2類 50同軸電纜 75同軸電纜,外導體屏蔽層,絕緣層,絕緣保護套層,內(nèi)導體,同軸電纜,2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),一、導向傳輸介質(zhì)(3/3) 光纖(fiber optics) 光纖由非常透明的石英玻璃拉成細絲，由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體 光纖分為兩類 多模(multi-mode)光纖：多條不同入射角度的光線在一條光纖中傳輸，距離短，成本低 單模(single-mode)光纖：光纖直徑=光波波長，光纖成為波導，此時光線沿直線傳播，不會反射 光纖通信優(yōu)點 通信容量大 傳輸損耗小、距離長 抗干擾能力強 保密性好 體積小、重量輕 廣泛應用于長途干線傳輸、局域網(wǎng)/城域網(wǎng)的干線、高帶寬且高可靠的網(wǎng)絡連接(如服務器) 缺點 安裝較為復雜(光纖連接需專用設備)；需光/電轉(zhuǎn)換；價格？,2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),二、非導向傳輸介質(zhì)(1/3) 非導向傳輸介質(zhì)指可傳播無線電波的自由空間 無線通信的適用場合 偏遠地區(qū)通信 城市中敷設線纜較為困難的場合 移動設備 主要分類 短波通信 通過電離層反射，傳輸距離長，通信質(zhì)量較差，傳輸速率低 微波通信及衛(wèi)星通信 微波頻率范圍：300mhz300ghz 在空間中直線傳播 分為地面微波接力通信和衛(wèi)星通信,2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),二、非導向傳輸介質(zhì)(2/3) 地面微波接力通信 在地面?zhèn)鬏敃r每隔一定距離需建立中繼站，進行接力轉(zhuǎn)發(fā) 優(yōu)點 信道頻段范圍寬，容量大 在無線通信中抗干擾能力較強 與線纜通信相比，建設速度快、成本低 缺點 相鄰站需直視，易受地理或建筑物影響 有時受氣候影響(雷電、太陽黑子爆發(fā)等) 隱蔽性和保密性較差 中繼站維護需消耗人力物力,2.3 物理層下面的傳輸介質(zhì),二、非導向傳輸介質(zhì)(3/3) 衛(wèi)星通信 通過衛(wèi)星進行微波信號轉(zhuǎn)發(fā) 優(yōu)點： 通信距離遠、覆蓋范圍廣 通信容量較大 傳播時延較大，對于地球同步衛(wèi)星單向時延達250300ms 除地球同步衛(wèi)星外，低軌道衛(wèi)星在數(shù)據(jù)通信領域發(fā)展較快 衛(wèi)星造價和發(fā)射成本低 傳輸距離短，信號衰減小，可與地面手持設備通信 時延較小 其他無線通信手段：紅外通信、激光通信 易受天氣和可見光影響，通常用于近距離或室內(nèi)通信,2.4 信道復用技術,2.4 信道復用技術,一、頻分復用與時分復用 復用(multiplexing)就是在一個信道上傳輸多路信號 最基本的復用方法 頻分多路復用(fdmfrequency division multiplexing) 不同用戶占用不同的頻帶資源 時分多路復用(tdmtime division multiplexing) 將時間劃分成一段段等長的時隙，每個用戶使用不同的時隙 便于數(shù)字傳輸,2.4 信道復用技術,頻率,時間,a 在 tdm 幀中 的位置不變,頻率,時間,頻率 1,頻率 2,頻率 3,頻率 n,頻分多路復用,時分多路復用,2.4 信道復用技術,二、波分復用(wdm-wavelength division multiplexing) 波分復用實際上就是光的頻分復用 專門用于光纖通信，由于光纖中光載波頻率很高，人們習慣于使用波長來表示光載波,2.4 信道復用技術,三、碼分復用(cdm-code division multiplexing) 更常用的名詞是碼分多址(cdma-code division multiple access) 用于無線通信 基本原理 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip) 每個站分配一個唯一的m bit碼片序列，各站的碼片序列必須互相正交(orthogonal) 使用擴頻通信(spread spectrum)方法，每bit轉(zhuǎn)換成m bit碼片 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲,2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng),2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng),一、脈碼調(diào)制系統(tǒng)(pcmpulse code modulation) 用于電話交換系統(tǒng)，在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中進行多路話音的變換與傳輸 話音由模擬數(shù)字的變換：對模擬話音按周期進行采樣和a/d變換 采樣頻率8000次/秒，采樣數(shù)據(jù)用8bit表示 話音數(shù)據(jù)速率：64kb/s 數(shù)字化的話音數(shù)據(jù)進行時分多路復用 歐洲體制 -中國使用該體制 每個時分復用幀包含32個時隙，其中2個用于同步和控制，30個用于傳輸話音數(shù)據(jù)，每個時隙8bit。即有幀長度：32 x 8 = 256 bit 8000 x 256 bit = 2.048 mb/s，稱為e1，可傳輸30路話音 北美體制 每個時分復用幀包含24個時隙，每個時隙8bit，其中1bit用做信令，7bit話音數(shù)據(jù)，每幀1bit同步。即有幀長度：24 x 8 + 1= 193 bit 8000 x 193 bit = 1.544 mb/s，稱為t1，可傳輸24路話音,2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng),二、同步光纖網(wǎng) sonet和同步數(shù)字系列sdh 用于高速干線傳輸，特別是光纖傳輸 1988年美國制定了sonet(synchronous optical network)標準 同步傳輸，系統(tǒng)需要精確的主時鐘 主要用于光纖傳輸 itu-t以sonet為基礎制定出sdh(synchronous digital hierarchy) 一般可認為sonet與sdh是同義詞,2.6 寬帶接入技術,接入：access 通常指遠程用戶(計算機)訪問網(wǎng)絡的技術，如家庭用戶 接入服務器：access server 寬帶沒有嚴格定義，寬帶接入泛指超越傳統(tǒng)的modem+電話線撥號上網(wǎng)(最高56kbps)的技術 典型的寬帶接入技術 以家庭現(xiàn)有線路為基礎：基于電話線的xdsl、基于有線電視線的hfc 基于光纖傳輸：典型的ftth,2.6 寬帶接入技術,一、xdsl技術(digital subscribe line) 用數(shù)字技術對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務 xdsl的幾種類型 adsl(asymmetric digital subscriber line) hdsl (high speed dsl) sdsl (single-line dsl) vdsl (very high speed dsl) adsl主要特點 仍然使用現(xiàn)有電話線，無需對龐大的電話布線系統(tǒng)進行改造 把04 khz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把高端頻譜用作網(wǎng)絡接入(用戶上網(wǎng)) 帶寬非對稱，即上行(用戶isp)和下行(isp用戶)帶寬不同，適應普通用戶上網(wǎng)特點(多運行瀏覽、下載等應用),adsl 的組成,atu-c,atu-c,atu-r,atu-c,用戶線,電話 分離器,區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng),至 isp,居民家庭,基于 adsl 的接入網(wǎng),端局或遠端站,dslam,至本地電話局,ps,ps,數(shù)字用戶線接入復用器 dslam (dsl access multiplexer) 接入端接單元 atu (access termination unit) atu-c（c 代表局端 central office） atu-r（r 代表遠端 remote） 電話分離器 ps (pots splitter),adsl頻譜分布,離散多音調(diào) dmt (discrete multi-tone)調(diào)制技術 采用頻分復用 把 40k-1.1mhz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個子信道用于上行，而 249 個子信道用于下行 每個子信道占據(jù) 4 khz 帶寬，并使用不同的載波(即不同的音調(diào))進行數(shù)字調(diào)制 用戶線彼此差異很大(距離、線徑、干擾等)，adsl 采用自適應調(diào)制技術使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率 通常下行速率32 kb/s-6.4 mb/s，上行速率 32 kb/s-640 kb/s,2.6 寬帶接入技術,二、hfc hybrid fiber coax光纖混合同軸網(wǎng) 以有線電視網(wǎng) catv為基礎的寬帶接入技術 單向廣播式傳輸 雙向傳輸 傳輸電視信號 傳輸電視、話音、數(shù)據(jù) 以同軸電纜為主 光纖 + 同軸電纜 主要特點 主干線路采用光纖 采用結(jié)點體系結(jié)構(gòu) 具有比