計算機網(wǎng)絡(luò)第二章

1、 201012.1 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2.2 物理層的基本概念物理層的基本概念* *2.3 物理層下面的傳輸媒體物理層下面的傳輸媒體 2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體 2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體非導(dǎo)向傳輸媒體2.4 信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)2.5 xDSL技術(shù)技術(shù)2.6 物理層標準舉例物理層標準舉例 201022.1.1 數(shù)據(jù)通信模型2.1.2 有關(guān)的幾個基本概念2.1.3 信道的極限容量 20103輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)發(fā)送送信信號號接接收收信信號號源點源點發(fā)送器發(fā)送器信道信道接收器接收器終點終點輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)噪聲源噪聲源輸輸入入信信息息輸輸出出信信息息源系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系

2、統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)(1)(2)(3)調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào)器器PC 機機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號模擬信號模擬信號 輸入輸入漢字漢字顯示顯示漢字漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)PC 機機 20104基帶信號和基帶信號和基帶信號基帶信號-將數(shù)字信號 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 帶通信號帶通信號-將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號。 20105(續(xù)1)通信方式：通信方式：根據(jù)信號在信道上的傳送方向與時間的關(guān)系區(qū)別。單向通信單向通信(單工通信單工通信) 只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交

3、替通信雙向交替通信(半雙工通信半雙工通信) 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)。雙向同時通信雙向同時通信(全雙工通信全雙工通信)通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。 20106(續(xù)2)并行與串行并行與串行并行通信并行通信-指將一個字節(jié)或一個字的各位同時進行傳輸?shù)囊环N通信方式。采用多根數(shù)據(jù)線并行采用多根數(shù)據(jù)線并行傳輸信息傳輸信息，不要求有固定的格式，通信速度快，傳輸?shù)男畔⒙矢?，適合于近距離、高速信息傳送。串行通信串行通信-指計算機主機與外設(shè)之間以及主機系統(tǒng)與主機系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的串行傳送。使用串口通信時，發(fā)送和接收到的每一個字符實際上都是一次一位傳送一次一位傳送的，每

4、一位為1或者為0。串行通信可以分為同步通信同步通信和異步通信異步通信兩類。 20107(續(xù)3)同步通信和異步通信同步通信和異步通信同步通信同步通信-是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗字符（CRC）組成。異步通信異步通信-有兩個比較重要的指標：字符幀格式和波特率。數(shù)據(jù)通常以字符字符或者字節(jié)字節(jié)為單位組成字符幀傳送。字符幀由發(fā)送端逐幀發(fā)送，通過傳輸線被接收設(shè)備逐幀接收。 20108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。限制碼元在信道上的

5、傳輸速率的因素信道能夠通過的頻率范圍信噪比 20109信道能夠通過的頻率范圍信道能夠通過的頻率范圍奈奎斯特準則奈奎斯特準則給出了在假定的理想條件下，為避免碼間串擾，碼元傳輸速率的上限值。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)碼間串擾碼間串擾的問題，使接收端不能識別碼元。信道的頻帶越寬，那么就可用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串擾。實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率最高碼元速率，要明顯低于奈氏準則給出的上限值。 (續(xù)1) 201010(續(xù)2)香農(nóng)香農(nóng)(Shannon)定理：定理：在帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道中，計算信道的極限、無差極限、無差錯的錯的信息傳輸速率C的理論公式為：

6、C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬(以 Hz 為單位)； S 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率； N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 201011(續(xù)3)香農(nóng)公式表明香農(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； 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（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(nóng)的極限傳輸速率低得多。 201012(續(xù)4)對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比信噪比不能再提高，并且

7、碼元傳輸速率碼元傳輸速率也達到上限值，那么還要提高信息的傳輸速率，就需要用編碼的方法編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。 201013物理層主要任務(wù)物理層主要任務(wù)：從四個方面對物理設(shè)備和媒體之間的接口進行定義。機械特性：機械特性：指明接口部件的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等；電氣特性：電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍等；功能特性：功能特性：指明某條信號線（數(shù)據(jù)線、控制線、定時線等）上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義；規(guī)程特性：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。物理層協(xié)議：也稱為通信規(guī)程，與具體的物理設(shè)備物理設(shè)備、傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)及通信手

8、段通信手段有關(guān)。 201014(續(xù))特點：特點：不是指連接計算機的具體設(shè)備，或負責(zé)信號傳輸?shù)木唧w物理介質(zhì)；通過規(guī)定物理設(shè)備和物理介質(zhì)之間的接口技術(shù)，實現(xiàn)物理設(shè)備之間的比特流透明傳輸。物理層服務(wù)物理層服務(wù)：建立、維持和釋放物理連接，并在物理連接上透明傳輸比特流。 201015傳輸媒體：傳輸媒體：指通信傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理通路。導(dǎo)向傳輸媒體：電磁波沿著某一固定的媒體導(dǎo)向傳輸；非導(dǎo)向傳輸媒體：指自由空間，它提供傳輸電磁波的手段，通常也稱為無線傳輸。 201016雙絞線雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded T

9、wisted Pair) u3類、 4類、 5類、5e類、6類UTP 采用雙絞線的以太網(wǎng)標準采用雙絞線的以太網(wǎng)標準10Base-T雙絞線，UTP3，最大長度100米IEEE 803.3u： u100Base-T4，UTP3，4對，最大長度100米u100Base-TX，UTP5，2對，最大長度100米IEEE803.3ab：1000Base-T，UTP5或5e類，4對，25米 201017(續(xù)1)同軸電纜：同軸電纜：基帶同軸電纜u粗纜：粗纜：標準為10BASE-5，無中繼傳輸距離500米，10Mbps；u細纜：細纜：標準為10BASE-2，無中繼傳輸距離185米，10Mbps。寬帶同軸電纜-

10、特征阻抗75 ，傳送模擬信號，距離可達100km，是有線電視系統(tǒng)CATV中的標準傳輸電纜。一條電纜可同時傳輸不同頻率的幾路模擬信號。 201018(續(xù)2)各種電纜銅線銅線銅線銅線聚氯乙烯聚氯乙烯 套層套層聚氯乙烯聚氯乙烯套層套層屏蔽層屏蔽層絕緣層絕緣層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣層絕緣保護套層絕緣保護套層內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體無無屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線 STP同軸電纜同軸電纜 201019(續(xù)3)光纜光纜-通信應(yīng)用極為廣泛，如市話中繼、干線通信、電視傳輸、專用系統(tǒng)通信等領(lǐng)域，特別適合遠距離干線通信。光纖的工作原理光纖的工作原理-光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩喙饩€

11、在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涞厝瓷涓哒凵渎矢哒凵渎? (纖芯纖芯) )低折射率低折射率( (包層包層) ) 201020非導(dǎo)向傳輸媒體以自由空間為傳輸電磁波的手段，常稱為無線傳輸無線傳輸，所用的工作頻段很廣(如圖2-3所示)。目前，可用于通信的頻段是：無線電波、微波、紅外線及可見光幾個頻段；微波微波在空間主要是直線傳播在數(shù)據(jù)通信中有重要地位。 地面微波接力通信衛(wèi)星通信 201021兩個地面站之間傳送兩個地面站之間傳送距離：距離：50 -100 201022使用微波使用微波使用轉(zhuǎn)發(fā)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)使用轉(zhuǎn)發(fā)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)C波段波段 4/6 GHz 上行上行 5.925 - 6.425 GHz 下行

12、下行 3.7 - 4.2 GHz KU波段波段 11/14 GHz 上行上行 14 - 14.5 GHz 下行下行 11.7 - 13.1 GHzKa波段波段 20/30GHz 上行上行 27.5-30.5 下行下行 17.7- 201023與地面站相對位置固定與地面站相對位置固定使用使用3個衛(wèi)星覆蓋全球個衛(wèi)星覆蓋全球 201024信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)(multiplexing)：是一種將若干彼此無關(guān)的信號合并成一路復(fù)合信號，并在一條公共的信道上傳輸，到達接收端后再進行分離的技術(shù)；包括信號復(fù)合信號復(fù)合、傳輸傳輸和分離分離等3方面的內(nèi)容。頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)

13、計時分復(fù)用 頻分復(fù)用：頻分復(fù)用：所有用戶在同一時間占用不同的帶寬資源。時分復(fù)用：時分復(fù)用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。 201025(續(xù)1)按頻率劃分不同的子信道供用戶同時使用用戶分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻率頻率時間時間頻分復(fù)用頻分復(fù)用 201026(續(xù)2)將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀時分復(fù)用幀，每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)。周期性地出現(xiàn)。每個時分復(fù)用用戶在每個TDM幀中占用固定序號固定序號的時隙。故可能會造成線路資源的浪費故可能會造成線路資源的浪費。時間BBBBCCCCDDDDAAAA在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TD

14、M 幀TDM 幀TDM 幀在 TDM 幀中的位置不變在 TDM 幀中的位置不變在 TDM 幀中的位置不變 201027(續(xù)3)波分復(fù)用 WDM：就是光的頻分復(fù)用。 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 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120 km光調(diào)制器光解調(diào)器 201028xDSL

15、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行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。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把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用留給用戶上網(wǎng)使用。x DSL前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案。xDSL 的幾種類型(P57) 201029ADSL 的極限傳輸距離ADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率以及用戶線的線用戶線的線徑徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細，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)。ADSL 的特點上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到 ISP，而

16、下行指從 ISP 到用戶。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。 201030DMT 技術(shù)：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的子信道，其中25個子信道個子信道用于上行信道，而249個子信道個子信道用于下行信道。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。這相當于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行并行地地傳送數(shù)據(jù)。 201031DM

17、T 技術(shù)的頻譜分布頻譜頻譜頻率頻率上行信道上行信道(25個個)傳統(tǒng)電話傳統(tǒng)電話04下行信道下行信道(249個個)(kHz) 201032ADSL 的數(shù)據(jù)率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。當 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。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 kb/s 到 640 kb/s 之間。 201033ADSL 的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線 電話分離器 區(qū)域

18、寬帶網(wǎng)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PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接單元接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表遠端代表遠端 Remote） 電話分離器電話分離器 PS (POTS Splitter) 201034第二代 ADSLADSL2(G.992.3 和 G.992.4)、ADSL2+(G.992.5)ADSL2 要求至少應(yīng)支持下行

19、8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 下行速率可達 16 Mb/s (最大傳輸速率可達25 Mb/s)，而上行速率可達 800 kb/s。采用無縫速率自適應(yīng)技術(shù)無縫速率自適應(yīng)技術(shù) SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。 201035DTE 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EIA-232/ V.24接口EIA-232/ V.24接口 201036(續(xù)1)EIA-232標準標準：是DTE和DCE之間的

20、接口標準：使用25引腳的DB-25插頭座，即ISO 2110關(guān)于插座的標準。 201037(續(xù)2)電氣特性電氣特性：與V.28建議書一致，采用負邏輯表示；連接線纜=15m時，最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kb/s；功能特性功能特性：與V.24建議書一致，規(guī)定電路與引腳的連接及其作用；u如：地(信號地、保護地)、數(shù)據(jù)(發(fā)送、接收)、控制(RTS、CTS、DCR、DTR等)、定時(發(fā)送定時、接收定時)uDB-25中最簡單的具有雙向握手功能的9條信號線(見下頁)，并制成9芯插頭。規(guī)程特性規(guī)程特性：規(guī)定了在DTE和DCE之間所發(fā)生事件的合法順序(如DTE-A向DTE-B發(fā)送數(shù)據(jù)的6個主要步驟)，與CCITT的V.24建議書一致。缺點缺點：最大數(shù)據(jù)傳輸率20kb/s，連接線纜最長15m。 201038(續(xù)3)EIA-232/V.24的信號定義，其余引腳保留未用的信號定義，其余引腳保留未用(1) 保護地保護地(2) 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)(3) 接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)(4) 請求發(fā)送請求發(fā)送(5) 允許發(fā)送允許發(fā)送(6) DCE 就緒就緒(7) 信號地信號地(8) 載波檢測載波檢測(20) DTE 就緒就緒(22) 振鈴指示振鈴指示DTEDCE計算機計算機或或終端終端調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器 201039(續(xù)4)