計算機網(wǎng)絡(luò)原理課件 物理層

1、1,計算機網(wǎng)絡(luò)原理,第 3 章 物理層,2,第 3 章 物理層,3.1 物理層基本功能 3.2 常用傳輸介質(zhì)的接口特性 3.2.1 RJ-45的接口特性 3.2.2 BNC接口特性 3.2.3 常用光纖接口的特性 3.3 寬帶接入技術(shù) 3.3.1 xDSL技術(shù) 3.3.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)） 3.3.3 FTTx 技術(shù),3,3.1 物理層的基本功能,接收數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀，執(zhí)行物理層協(xié)議 在通信設(shè)備之間建立連接，按順序傳輸比特流； 正確地利用傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。,4,3.1 物理層的協(xié)議及特性,物理層協(xié)議：解決主機、終端設(shè)備與通信線路上的通信設(shè)備之間的接口問題。即： 機械特性 指明

2、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。 電氣特性 指明在物理信道上傳輸比特流是信號電平大小、數(shù)據(jù)編碼方式、阻抗匹配、傳輸速率、距離限制等。 分三類：非平衡型、新非平衡型和新平衡型。 功能特性 指明各個信號線的確切定義。 過程（規(guī)程）特性 指明各線路上的動作序列和動作規(guī)則。,5,物理層數(shù)據(jù)的傳輸方式： 計算機中數(shù)據(jù)是按照并行傳輸?shù)模?在通信線路中，數(shù)據(jù)是按照串行傳輸，即逐個比特按照時間順序傳輸； 物理層完成數(shù)據(jù)傳輸方式的轉(zhuǎn)換。,物理層協(xié)議種類很多： 物理連接的方式很多，（點對點、多點連接、廣播連接） 傳輸媒介的種類很多，（雙絞線、同軸電纜、光纖、無線信道）,6,3.2 傳

3、輸介質(zhì),雙絞線 同軸電纜 光纖 無線信道,7,無線電,微波,紅外線,可見光,紫外線,X射線,射線,雙絞線,同軸電纜,衛(wèi)星,地面微波,調(diào)幅 無線電,調(diào)頻 無線電,海事 無線電,光纖,電視,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移動 無線電,電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜,8,3.2.1 有線介質(zhì),雙絞線 屏蔽雙絞線 STP (Shielde

4、d Twisted Pair) 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同軸電纜 50 同軸電纜 75 同軸電纜 光纖 網(wǎng)絡(luò)需要解決的最基本問題連通,9,連通什么？,網(wǎng)絡(luò)基本需求：解決直連網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間的通信 網(wǎng)絡(luò)由兩類硬件構(gòu)件：結(jié)點和鏈路 結(jié)點：臺式機、服務(wù)器、工作站、路由器、交換機。,10,11,UTP cable (photo),12,屏蔽雙絞線 STP,13,雙絞線的類別、帶寬和應(yīng)用,14,同軸電纜,15,Cable specifications,10BASE-T 10BASE5 10BASE2,16,10BASE-T，10BASE-5，10BASE-2，

5、以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，10Base-2、10Base-5、10Base-T都是以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為10Mbps，其中10Base-2技術(shù)以細(xì)同軸電纜為傳輸介質(zhì)，10Base-5技術(shù)以粗同軸電纜為傳輸介質(zhì)，10Base-T技術(shù)以非屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)。 100Base-TX快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 支持平行/交叉線自動識別功能 。,17,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(dǎo)體屏蔽層,絕緣層,絕緣保護(hù)套層,內(nèi)導(dǎo)體,無屏蔽雙絞線 UTP,屏蔽雙絞線 STP,同軸電纜,18,光纖,光線在光纖中的折射,折射角,入射角,包層 （低折射率的媒體）,包層 （低折射率的媒

6、體）,纖芯 （高折射率的媒體）,包層,纖芯,19,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?光線在纖芯中傳輸?shù)娜瓷?，實現(xiàn)光信息的傳播,20,單模光纖：直徑減小到小于一個波長，使光纖一直向前傳播。1um -10um,多模光纖與單模光纖,多模光纖：許多不同入射角的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖為多模光纖。50um -75um,21,光纖通信的優(yōu)點：,光纖可提供更高的帶寬，多模光纖可到7GHz,單模光纖可到200GHz，可提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率； 光纖信號傳輸衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)，單模超過100km； 抗干擾能力強，不受外界電磁干擾； 保密性好，不

7、容易被截獲； 可采用多路復(fù)用技術(shù)WDM，大幅度地擴容。,22,3.2.2 無線介質(zhì),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(zhì)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,23,地面微波,24,衛(wèi)星微波,衛(wèi)星通信更像是用軌道衛(wèi)星作為中繼站的視線微波傳輸。基本原理和地面微波是一樣的，只是用一個衛(wèi)星作為超高天線和轉(zhuǎn)發(fā)器。 盡管在衛(wèi)星傳輸中信號仍然是直線傳播的，但地球曲面引起的距離限制被減弱了。因此衛(wèi)星中繼可以提供跨越大陸和海洋的網(wǎng)絡(luò)連接。,25,衛(wèi)星通信,26,3.3 常用的接口,RJ-45 BNC 光纖接口,27,3.3.1 RJ-45的接口

8、特性,RJ-45接口通常用于數(shù)據(jù)傳輸，共有八芯，網(wǎng)卡接口。RJ-45是各種接頭的一種類型（RJ11也是接頭，它是電話上用的）； RJ45接口根據(jù)線的排序不同，分為兩種： 一種是橙白、橙、綠白、藍(lán)、藍(lán)白、綠、棕白、棕； 另一種是綠白、綠、橙白、藍(lán)、藍(lán)白、橙、棕白、棕；因此使用RJ-45接頭的線也有兩種即：直通線、交插線。10 100base -tx RJ45接口是常用的以太網(wǎng)接口，支持10兆和100兆自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度，網(wǎng)卡、Hub 上接口的外觀為 8 芯母插座 ，pc端的接口為 8 芯公插頭。,28,29,Pin Name description1 TX+ Tranceive Data+ (

9、發(fā)信號+)2 TX- Tranceive Data- (發(fā)信號-)3 RX+ Receive Data+ (收信號+)4 n/c Not connected (空腳)5 n/c Not connected (空腳)6 RX- Receive Data- (收信號-)7 n/c Not connected (空腳)8 n/c Not connected (空腳),10 100base tx RJ45接口引腳定義如下：,30,直通線,31,直通線,32,交叉線,33,交叉線的做法,34,3.3.2 BNC的接口特性,BNC 端口：用于工作站和同軸電纜連接的連接器，視頻設(shè)備輸入、輸出端口。 BNC電

10、纜有5個連接頭用于接收紅、綠、藍(lán)、水平同步和垂直同步信號。 BNC接頭有別于普通15針DSUB標(biāo)準(zhǔn)接頭的特殊顯示器接口。BNC接頭可以隔絕視頻輸入信號，使信號相互間干擾減少，且信號頻寬較普通DSUB大，可達(dá)到最佳信號響應(yīng)效果。,35,36,BNC接頭，全稱是Bayonet Nut Connector（刺刀螺母連接器，）是一種用于同軸電纜的連接器；BNC接頭可沒有被淘汰，因為同軸電纜是一種屏蔽電纜，有傳送距離長、信號穩(wěn)定的優(yōu)點。目前它被大量用于通信系統(tǒng)中，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的E1接口就是用兩根BNC接頭的同軸電纜來連接的，在高檔的監(jiān)視器、音響設(shè)備中也經(jīng)常用來傳送音頻、視頻信號。 被淘汰的是10Base

11、-2以太網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)使用50歐的RG-58A/U同軸電纜，速率為10Mb，總線型網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)不便。所以現(xiàn)在組建這種網(wǎng)絡(luò)的BNC接口網(wǎng)卡被淘汰了。,37,3.3.3 常用光纖接口,光纖接口是用來連接光纖線纜的物理接口。 通常有SC、ST、FC等幾種類型，它們由日本NTT公司開發(fā)。FC是Ferrule Connector的縮寫，其外部加強方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。ST接口通常用于10Base-F，SC接口通常用于100Base-FX。 光纜的接頭部分也有兩種，一種SC接口為1GB接口，LC接口為2GB接口。,38,SC光纖接口在100Base-TX以太網(wǎng)時代就得到了應(yīng)用，因此當(dāng)時稱為100

12、Base-FX，不過當(dāng)時由于性能并不比雙絞線突出,確成本高，因此沒有普及。現(xiàn)在大力推廣千兆網(wǎng)絡(luò)，SC光纖接口則重新受到重視。 SC光纖接口主要用于局域網(wǎng)交換，在一些高性能千兆交換機和路由器上提供這種接口， 它與RJ-45接口外形相似，SC接口更扁些，其明顯區(qū)別是里面的觸片，如果是8條細(xì)的銅觸片，則是RJ-45接口，如果是一根銅柱則是SC光纖接口。 SC 卡接式方型(路由器交換機上用的最多)。采用工程塑料，具有耐高溫，不容易氧化。,39,FC接口,FC接口是電信用在光端機上的連接器； FC是圓型帶螺紋。最早，采用陶瓷插針、對接端面的平面接觸方式(FC)。此類連接器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但光纖端面對

13、微塵較為敏感，且容易產(chǎn)生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。 后來，采用對接端面呈球面的插針(PC)，外部結(jié)構(gòu)沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高。,40,光纖的各種連接器及連接跳線,41,3.4 寬帶接入技術(shù)3.4.1 xDSL技術(shù),xDSL 技術(shù)：就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。 雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號的頻帶被限制在 3003400 kHz 的范圍內(nèi)，但用戶線本身可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。 xDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。 DSL 就是數(shù)字用戶線(Di

14、gital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案。,42,xDSL 的幾種類型,ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數(shù)字用戶線 HDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線 SDSL (Single-line DSL)：1 對線的數(shù)字用戶線 VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線 DSL ：ISDN 用戶線。 RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率）。,

15、43,ADSL 的極限傳輸距離,ADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率、用戶線的線徑都有關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。 例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時可傳送 5.5 公里，但傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時，傳輸距離縮短為 3.7 公里。 如果用戶線的線徑減小到0.4毫米，在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里 。,44,ADSL 的特點：,上行和下行帶寬是不對稱的。 上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。(上行帶寬64kb/s,下行帶寬1.5Mb/s)

16、 ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調(diào)制解調(diào)器。 我國目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。,45,離散多音調(diào) DMT 技術(shù):,DMT 調(diào)制技術(shù)是采用頻分復(fù)用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多子信道，其中 25 個子信道用于上行信道，而 249 個子信道用于下行信道。 每個子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行

17、地傳送數(shù)據(jù)。,46,DMT 技術(shù)的頻譜分布,頻譜,頻率,上行信道,傳統(tǒng)電話,0,4,下行信道,(kHz),40,138,1100,47,ADSL 的數(shù)據(jù)率,用戶線的具體條件相差很大（距離、線徑、干擾程度等都不同），數(shù)據(jù)傳輸率相差也很大; ADSL 采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。 ADSL 啟動時，用戶線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質(zhì)量。 ADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。 通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 k

18、b/s 到 640 kb/s 之間。,48,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(yuǎn)端站,DSLAM,至本地電話局,PS,PS,數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer) 接入端接單元 ATU (Access Termination Unit) ATU-C（C 代表端局 Central Office） ATU-R（R 代表遠(yuǎn)端 Remote） 電話分離器 PS (POTS Splitter),49,第二代 ADSL ADSL2（G.992.

19、3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）,通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2 要求至少應(yīng)支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 則將頻譜范圍從 1.1 MHz 擴展至2.2 MHz，下行速率可達(dá) 16 Mb/s（最大傳輸速率可達(dá)25 Mb/s），而上行速率可達(dá) 800 kb/s。 采用了無縫速率自適應(yīng)技術(shù) SRA (Seamless Rate Adaptation)，在運營中可以不中斷通信、不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。 改善了線路質(zhì)量評測、故障定位功能，提高了網(wǎng)絡(luò)的運行維護(hù)水平。,50,3.4.2 光纖同軸混合網(wǎng)HFC

20、 (Hybrid Fiber Coax),HFC 網(wǎng)：是在有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。 HFC 網(wǎng)除可傳送 CATV 外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。 現(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用技術(shù)對電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸。而 HFC 網(wǎng)則需要對 CATV 網(wǎng)進(jìn)行改造，主要特點如下：,51,HFC 的主要特點,(1) HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖 HFC 網(wǎng)將原 CATV 網(wǎng)中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術(shù)。 在模擬光纖中采用光的振幅調(diào)制 AM，這比使用數(shù)字光纖更為經(jīng)濟。 模擬光纖從頭端連接到光纖結(jié)點(fiber node)，即光分配結(jié)點 ODN (Optical Distribution Node)。在光纖結(jié)點光信號被轉(zhuǎn)換為電信號。在光纖結(jié)點以下就是同軸電纜。,52,(2) HFC 網(wǎng)采用結(jié)點體系結(jié)構(gòu),同軸電纜,頭端,模擬光纖,放大器,引入線,分路器,光纖結(jié)點,服務(wù)區(qū),服務(wù)區(qū),服務(wù)區(qū),53,(3) HFC 網(wǎng)具有比 CATV 網(wǎng)更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能,下行信道,上行 信道,5 40 50 550 750 1000,原有模擬電視,數(shù)字信號,頻率(MHz),保留,54,(4) 每個家