第二章 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層

第二章物理層和數(shù)據(jù)鏈路層【教學(xué)目標(biāo)】1.了解：數(shù)據(jù)通信基本概念；

2.掌握：傳輸介質(zhì)類型及其主要特征；

3.掌握：數(shù)據(jù)編碼類型和基本方法；

4.掌握：差錯(cuò)控制方式和多路復(fù)用原理；

5.理解：數(shù)據(jù)交換方式，熟練掌握分組交換兩種形式；

6.了解：常用物理層接口；

7.掌握兩種數(shù)據(jù)鏈路層流量控制協(xié)議；

8.熟悉：HDLC組成和PPP協(xié)議。

【重點(diǎn)】差錯(cuò)控制方式，數(shù)據(jù)交換方式，流量控制協(xié)議【難點(diǎn)】流量控制協(xié)議分析，數(shù)據(jù)編碼方法【學(xué)時(shí)分配】6學(xué)時(shí)【教學(xué)過程】第二章物理層和數(shù)據(jù)鏈路層§2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)§2.2多路復(fù)用§2.3數(shù)據(jù)交換§2.5數(shù)據(jù)鏈路層本章主要討論數(shù)據(jù)通信的一些基本概念、原理和技術(shù)，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)協(xié)議?！?.4物理層第二章物理層和數(shù)據(jù)鏈路層§2.1基本概念一、數(shù)據(jù)通信的定義及特點(diǎn)1.數(shù)據(jù)通信的定義指按照一定的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)以某種信號(hào)的方式，通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來(lái)完成數(shù)據(jù)信息的傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理的過程。辨析：信息、數(shù)據(jù)、信號(hào)、數(shù)字通信與數(shù)據(jù)通信。2.數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量指標(biāo)（1）有效性：指在給定的信道中單位時(shí)間內(nèi)能傳輸信息量的多少，即用傳輸信息的速率來(lái)衡量。信息速率，也稱信息傳輸速率（或稱比特率），用Rb來(lái)標(biāo)記，它表示單位時(shí)間內(nèi)通過信道的信息量，單位是比特/秒（b/s或bps）。碼元速率，也稱碼元傳輸速率（或稱調(diào)制速率、波特率），用Rs標(biāo)記，它表示單位時(shí)間內(nèi)信道上實(shí)際傳輸碼元個(gè)數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)（可以是多進(jìn)制），單位是波特（Baud）。比特率、波特率和信號(hào)編碼級(jí)數(shù)的關(guān)系如下：

Rbit=Rbaudlog2M

上式中：M-信號(hào)的編碼級(jí)數(shù)，Rbit-比特率，Rbaud-波特率一個(gè)信號(hào)往往可以攜帶多個(gè)二進(jìn)制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個(gè)碼元中可以傳送多個(gè)比特。例：當(dāng)波特率為9600時(shí)若M=2，數(shù)據(jù)傳輸率為9600b/s若M=16，數(shù)據(jù)傳輸率為38.4kb/s（2）可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程度，可用錯(cuò)誤率（差錯(cuò)率）來(lái)度量。誤比特率（誤信率）:誤碼元率（誤符號(hào)率）:二、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)為中心，通過通信線路連接分布在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)終端設(shè)備而傳輸數(shù)據(jù)信息的通信系統(tǒng)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE，DataTerminalEquipment）、數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE，DataCircuit-terminatingEquipment）和傳輸信道三個(gè)主要部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型(課本P32)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)例傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)三、信道及技術(shù)參數(shù)

1.信道的定義

狹義信道、廣義信道狹義信道和廣義信道(課本P33)2.信道類型（1）有線信道和無(wú)線信道（2）模擬信道和數(shù)字信道（3）專用信道和公共信道（4）物理信道和邏輯信道（5）前向信道和反向信道3.信道技術(shù)參數(shù)（1）帶寬（2）頻帶利用率（3）信道容量Nyquist公式：用于無(wú)噪聲理想低通信道Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)。例如，話音級(jí)線路的帶寬約為3.1kHz，根據(jù)上式計(jì)算的信道最大數(shù)據(jù)傳輸率如右表所示。C=2Blog2MC=數(shù)據(jù)傳輸率，單位b/sB=帶寬，單位HzM=信號(hào)編碼級(jí)數(shù)M最大數(shù)據(jù)率

26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/sShannon公式：用于有噪聲干擾信道例：信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則

C=3100×log2（1+2000）≈34kb/s

即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會(huì)大于34kb/s。信噪比的單位也可用分貝(dB)表示：S/NdB=10log10

S/N所以，若S/NdB=30dB

，則S/N=1000。C=Blog2（1+S/N）

C:傳輸率，單位b/sB:帶寬，單位HzS/N:信噪比Nyquist公式和Shannon公式的比較C=2Wlog2M用于理想信道（這樣的信道存在嗎？）數(shù)據(jù)傳輸率隨信號(hào)編碼級(jí)數(shù)增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）用于有噪聲信道（實(shí)際的信道總是有噪聲?。o(wú)論信號(hào)編碼級(jí)數(shù)增加到多少，此公式給出了有噪聲信道可能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率上限。原因：噪聲的存在將使編碼級(jí)數(shù)不可能無(wú)限增加。四、物理層下的傳輸介質(zhì)（1）雙絞線(課本P36)（2）同軸電纜

銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護(hù)套（3）光纖

單芯光纜多芯光纜玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼（4）微波地球地面站之間的直視線路微波傳送塔特點(diǎn)：通過地面站之間接力傳送接力站之間距離：50-100km

速率：每信道45Mb/s（5）無(wú)線電波兩者的區(qū)別：無(wú)線電波是一個(gè)廣義的概念，從含義上講，無(wú)線電波是全向傳播，而微波是定向傳播。BS基站覆蓋的無(wú)線電區(qū)域BS基站用戶計(jì)算機(jī)和終端（6）紅外線

（7）通信衛(wèi)星

常用傳輸介質(zhì)的比較傳輸介質(zhì)傳輸方式速率/工作頻帶傳輸距離性能價(jià)格應(yīng)用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s模擬:10km數(shù)字:500m較好低模擬/數(shù)字信號(hào)傳輸50Ω同軸電纜基帶10Mb/s<3km較好較低基帶數(shù)字信號(hào)75Ω同軸電纜寬帶≤450MHz100km較好較低模擬電視、數(shù)據(jù)及音頻光纖基帶40Gb/s20km以上很好較高遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)傳輸微波寬帶4-6GHz幾百km好中等遠(yuǎn)程通信衛(wèi)星寬帶1-10GHz18000km很好高遠(yuǎn)程通信五、數(shù)據(jù)編碼方法和類型編碼六、數(shù)字基帶傳輸編碼(課本P40)01001100011

時(shí)鐘NRZManchester差分Manchester七、傳輸方式1.并行傳輸和串行傳輸請(qǐng)舉例2.單工、半雙工和全雙工通信能否舉例說明！3.同步傳輸和異步傳輸(課本P42)同步傳輸(SynchronousTransmission)異步傳輸(AsynchronousTransmission)八、傳輸形式1.基帶傳輸在數(shù)字信道上直接傳送基帶信號(hào)的方法稱為基帶傳輸。2.頻帶傳輸對(duì)原始基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后送入模擬信道傳輸，這種利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的方法就是頻帶傳輸?；鶐c頻帶舉例說明應(yīng)用？§2.2多路復(fù)用與差錯(cuò)控制一、多路復(fù)用原理(課本P44)

二、頻分多路復(fù)用(FDM)

是指按照頻率參量的差別來(lái)分割各路信號(hào)的。在發(fā)送端使各復(fù)用信號(hào)的頻譜互不重疊，在接收端用濾波器把各路信號(hào)區(qū)分開。(回憶？應(yīng)用實(shí)例？)CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用信號(hào)f復(fù)用器三、時(shí)分多路復(fù)用(TDM)

按照時(shí)間參量的差別來(lái)分割各路信號(hào)。將信道工作時(shí)間劃分為周期T，每一周期又再劃分為若干時(shí)間間隔，在一個(gè)周期內(nèi)每一路信號(hào)占用一個(gè)時(shí)間間隔（通常稱為時(shí)隙）。(應(yīng)用實(shí)例？)1.時(shí)分多路復(fù)用原理A2A1A3原始信號(hào)D2D1D3數(shù)字化信號(hào)MUX復(fù)用后的數(shù)據(jù)流時(shí)隙號(hào)1231D3D2D1時(shí)間片12時(shí)間片2D1時(shí)隙D2復(fù)用器t2.多級(jí)復(fù)用3.統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用(STDM)(課本P46)ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2時(shí)間片1時(shí)間片2同步TDM帶寬浪費(fèi)A1B1B2時(shí)間片1時(shí)間片2統(tǒng)計(jì)TDM可用帶寬C2四、波分復(fù)用(WDM)

波分復(fù)用即為頻分復(fù)用運(yùn)用于光纖信道，實(shí)質(zhì)就是光的頻分復(fù)用(理由？)，與FDM的區(qū)別僅在于WDM使用光復(fù)用器和光分用器。F2F1F3光譜F1F2F3共享光纖的光譜光纖2光纖3光纖1共享光纖棱柱/衍射光柵五、碼分復(fù)用(CDM)碼分復(fù)用是蜂窩移動(dòng)通信中發(fā)展的一種信號(hào)處理方式。

碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每1個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔(一般m=64或m=128),碼片(chip)。每個(gè)站被指派一個(gè)惟一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列二進(jìn)制反碼。任一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的歸一化內(nèi)積都是1。一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的歸一化內(nèi)積值是–1。兩個(gè)不同站的正交碼片序列歸一化內(nèi)積是0。原理說明(課本P48)歸一化內(nèi)積公式：CDMA正交原理分析1S站的碼片序列S110ttttttm

個(gè)碼片tS站發(fā)送的信號(hào)SxT站發(fā)送的信號(hào)Tx總的發(fā)送信號(hào)Sx+Tx歸一化內(nèi)積S

Sx歸一化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端CDMA正交原理分析2電路交換方式：同步時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、碼分復(fù)用；分組交換方式：異步時(shí)分復(fù)用；另外一種特殊的復(fù)用方法：回波抵消復(fù)用；空間復(fù)用實(shí)際上是多個(gè)獨(dú)立信道。六、復(fù)用技術(shù)常見應(yīng)用§2.3數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換本身不關(guān)心傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容，僅執(zhí)行交換的動(dòng)作，經(jīng)歷電路交換、報(bào)文交換、分組交換和快速交換幾個(gè)階段。一、電路交換(線路交換)(課本P50)

主機(jī)A

主機(jī)B

結(jié)點(diǎn)1

結(jié)點(diǎn)2

結(jié)點(diǎn)3

比特流

二、報(bào)文交換基本思想：存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)(store-and-forwardexchanging)

主機(jī)B

主機(jī)E

結(jié)點(diǎn)

主機(jī)A

主機(jī)C

主機(jī)D

主機(jī)F

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

三、分組交換報(bào)文交換的一種改進(jìn)形式。分組交換有兩種管理數(shù)據(jù)分組的方法：數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路。

1.數(shù)據(jù)報(bào)方式(課本P52)

主機(jī)B

主機(jī)E

結(jié)點(diǎn)

主機(jī)A

主機(jī)C

主機(jī)D

主機(jī)F

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

123213213重新排序112132.虛電路方式

主機(jī)B

主機(jī)E

結(jié)點(diǎn)

主機(jī)A

主機(jī)C

主機(jī)D

主機(jī)F

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

2

1

3

1213順序到達(dá)11122223333傳輸過程(課本P53)信號(hào)流程四、數(shù)據(jù)交換方式比較(課本P54)§2.4物理層

物理層實(shí)際是設(shè)備之間的物理接口，它定義了傳輸線的機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程特性，以便于將不同廠家生產(chǎn)的物理設(shè)備連接成網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間的比特流透明傳輸。一、物理層功能及服務(wù)(了解)1.物理層功能2.物理層提供的服務(wù)二、物理層接口基本特性分析物理層接口協(xié)議是用于定義DTE與DCE之間的物理接口，并為物理接口規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的四個(gè)特性。1.機(jī)械特性:指明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。

2.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。（語(yǔ)法）3.功能特性:指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。（語(yǔ)義）4.規(guī)程特性:指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。（同步）三、幾種常用的物理層接口簡(jiǎn)介1.EIARS-232(應(yīng)用場(chǎng)合？)2.EIARS-449、RS-422和RS-423舉例：EIA-232/V.24的信號(hào)定義(1)保護(hù)地(2)發(fā)送數(shù)據(jù)(3)接收數(shù)據(jù)(4)請(qǐng)求發(fā)送(5)允許發(fā)送(6)DCE就緒(7)信號(hào)地(8)載波檢測(cè)(20)DTE就緒(22)振鈴指示DTEDCE計(jì)算機(jī)或終端調(diào)制解調(diào)器§2.5數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路是構(gòu)成邏輯信道的一段結(jié)點(diǎn)-結(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通路，是在一條數(shù)據(jù)電路基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議建立起來(lái)的，具有它自己的數(shù)據(jù)傳輸格式（幀）和傳輸控制功能的結(jié)點(diǎn)-結(jié)點(diǎn)間的邏輯連接。一、數(shù)據(jù)鏈路層功能及服務(wù)1.數(shù)據(jù)鏈路層功能

數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)層遞交來(lái)的數(shù)據(jù)在鄰接的兩結(jié)點(diǎn)之間，實(shí)現(xiàn)透明的、高可靠的傳輸。2.數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)數(shù)據(jù)鏈路層最基本的服務(wù)是將源主機(jī)中網(wǎng)絡(luò)層送來(lái)的數(shù)據(jù)可靠地傳輸給目的主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)層。（1）無(wú)確認(rèn)無(wú)連接服務(wù)（2）有確認(rèn)無(wú)連接服務(wù)（3）有確認(rèn)面向連接服務(wù)二、數(shù)據(jù)鏈路層流量控制協(xié)議如果發(fā)送方發(fā)送能力比接收方能力強(qiáng)時(shí)，即使傳輸過程中毫無(wú)差錯(cuò)，也會(huì)發(fā)生幀丟失的現(xiàn)象。因此需要有某種機(jī)制來(lái)查獲接收方當(dāng)前尚有多少緩沖空間可利用。1.停止-等待協(xié)議

數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)膸追N情況(課本P62)

特點(diǎn)：協(xié)議簡(jiǎn)單，信道利用率較低，只適合半雙工通信。停止等待

協(xié)議C編程2.連續(xù)ARQ協(xié)議

基本思想：在發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，不是停下來(lái)等待確認(rèn)幀，而是可以連續(xù)再發(fā)送若干個(gè)數(shù)據(jù)幀。如果收到了接收端發(fā)來(lái)的確認(rèn)幀，那么還可以接著發(fā)送數(shù)據(jù)幀。3.選擇重傳ARQ協(xié)議基本思想：只重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀或計(jì)時(shí)器超時(shí)的數(shù)據(jù)幀。發(fā)送端接收端ACK0ACK1NAKACK2ACK3(a)連續(xù)方式ACK0ACK1NAKACK2ACK6(b)選擇重發(fā)方式ACK3ACK4ACK5丟棄重傳重傳01234523456012345234560123452678901234526789發(fā)送端接收端丟棄連續(xù)工作方式連續(xù)方式選擇重發(fā)方式如果連續(xù)發(fā)送的幀過多，則需重傳的幀也會(huì)增多，使效率降低；序號(hào)用幀頭中的字段表示，比特?cái)?shù)是有限的；因此，必須限制連續(xù)發(fā)送的幀數(shù)；此時(shí)協(xié)議的運(yùn)轉(zhuǎn)表現(xiàn)為“滑動(dòng)窗口”形式，可認(rèn)為發(fā)送端和接收端分別設(shè)定了發(fā)送窗口和接收窗口。(1位滑動(dòng)如下)4.滑動(dòng)窗口協(xié)議(課本P64)

（a）初態(tài)（b）發(fā)送0號(hào)幀（c）發(fā)送1號(hào)幀（f）發(fā)送2號(hào)幀（d）接收0號(hào)幀（e）接收確認(rèn)0號(hào)幀（g）接收1號(hào)幀（h）接收確認(rèn)1號(hào)幀發(fā)送方接收方01234567012發(fā)送窗口WT不允許發(fā)送這些幀允許發(fā)送5個(gè)幀(a)01234567012不允許發(fā)送這些幀還允許發(fā)送4個(gè)幀WT已發(fā)送(b)01234567012不允許發(fā)送這些幀WT已發(fā)送(c)01234567012不允許發(fā)送這些幀還允許發(fā)送

3個(gè)幀WT已發(fā)送已發(fā)送并已收到確認(rèn)(d)不允許接收這些幀01234567012WR準(zhǔn)備接收0號(hào)幀(a)不允許接收這些幀01234567012WR準(zhǔn)備接收

1號(hào)幀已收到(b)不允許接收這些幀01234567012WR準(zhǔn)備接收4號(hào)幀已收到(c)接收窗口三、面向比特的鏈路控制規(guī)程HDLC

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)的可靠傳輸，通信雙方必須遵循基于某種傳輸與控制機(jī)制而建立的一定協(xié)議和準(zhǔn)則，這些約定的協(xié)議或準(zhǔn)則，稱之為數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程（DLCP：DataLinkControlProcedure）。HDLC幀結(jié)構(gòu)(課本P67)

數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送是以幀（Frame）為單位的。F(Flag):固定格式—01111110

作用：①幀同步

②傳輸數(shù)據(jù)的透明性(零比特插入與刪除)A(Address):地址C(Control):幀的類型、幀的編號(hào)、命令與控制信息I(Information):網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)，Nmax=256BFCS(FrameCheckSequence):校驗(yàn)A、C、I字段的數(shù)據(jù),其中，CRC的生成多項(xiàng)式G(X)=X16+X12+X5+1

HDLC幀結(jié)構(gòu)各部分的含義零比特插入與刪除原理四、Internet的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP(Point-to-PointProtocol)1.PPP幀格式(課本P71)

PPP協(xié)議[RFC1661]有一個(gè)2個(gè)字節(jié)協(xié)議字段。當(dāng)協(xié)議字段為0x0021時(shí)，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報(bào)。若為0xC021,則信息字段是PPP鏈路控制協(xié)議(LCP)數(shù)據(jù)。若為0x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(NCP)數(shù)據(jù)。

IP數(shù)據(jù)報(bào)1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信息部分首部尾部2.PPP工作過程(課本P72)

PPP協(xié)議的狀態(tài)圖建立失敗失敗NCP配置鑒別成功通信結(jié)束載波停止檢測(cè)到載波雙方協(xié)商一些選項(xiàng)鑒別網(wǎng)絡(luò)打開終止靜止3.PPP應(yīng)用PPP協(xié)議應(yīng)用于撥號(hào)電話線和路由器─路由器之間的專用線;PPP協(xié)議是在大多數(shù)家庭個(gè)人計(jì)算機(jī)和ISP之間使用的協(xié)議，它可以作為在高速?gòu)V域網(wǎng)和社區(qū)寬帶網(wǎng)協(xié)議族的一部分。路由器調(diào)制解調(diào)器調(diào)制