計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)課程講義相關(guān)設(shè)計物理層

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)課程講義相關(guān)設(shè)計物理層本章學(xué)習(xí)要求：掌握：物理層與物理層協(xié)議的基本概念。掌握：數(shù)據(jù)通信的基本概念。了解：無線與衛(wèi)星通信技術(shù)的基本概念。掌握：數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法。了解：基帶傳輸?shù)幕靖拍睢Ｕ莆眨侯l帶傳輸?shù)幕靖拍?。掌握：多路?fù)用的分類與特點(diǎn)。掌握：廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)。掌握：同步數(shù)字體系SDH的基本概念。23.1物理層與物理層協(xié)議的基本概念

3.1.1物理層的基本概念

通信子網(wǎng)分為點(diǎn)-點(diǎn)通信線路通信子網(wǎng)與廣播信道通信子網(wǎng);廣域網(wǎng)主要采用點(diǎn)到點(diǎn)通信線路，局域網(wǎng)與城域網(wǎng)一般采用廣播信道;由于技術(shù)上存在較大的差異，因此在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議上出現(xiàn)了兩個分支，一類是基于點(diǎn)-點(diǎn)通信線路，另一類是基于廣播信道。33.1.2物理層基本服務(wù)功能物理層設(shè)計時主要考慮的是如何在連接開放系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)上傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流；計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以利用的物理傳輸介質(zhì)與傳輸設(shè)備存在著很大的差異，設(shè)計物理層的主要目的是向數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽通信技術(shù)的差異性；數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體通過與物理層的接口，將數(shù)據(jù)傳送給物理層，通過物理層按比特流的順序，將信號傳輸?shù)搅硪粋€數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體。43.1.3物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)

物理連接的建立、維護(hù)與釋放；物理連接分為點(diǎn)-點(diǎn)連接與多點(diǎn)連接；數(shù)據(jù)傳輸分為全雙工、半雙工與單工方式；數(shù)據(jù)傳輸分為串行傳輸方式與并行傳輸方式；串行傳輸方式的物理數(shù)據(jù)服務(wù)單元是位；并行傳輸方式的物理數(shù)據(jù)服務(wù)單元是N位，N為并行連接的物理通道數(shù)。53.2數(shù)據(jù)通信的基本概念

3.2.1信息、數(shù)據(jù)與信號

1.信息的基本概念通信的目的是交換信息，信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像，計算機(jī)產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像的組合；為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像用二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)來表示；為了傳輸二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬或數(shù)字信號編碼的方式表示；數(shù)據(jù)通信是指在不同計算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號的二進(jìn)制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號的過程。6信息編碼標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO接受，成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO646，又稱為國際5號碼;它用于計算機(jī)內(nèi)碼，也用做數(shù)據(jù)通信中的編碼標(biāo)準(zhǔn);ASCII碼采用7位二進(jìn)制比特編碼，可以表示128個字符;字符分為圖形字符與控制字符兩類。圖形字符包括數(shù)字、字母、運(yùn)算符號、商用符號等。7多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用利用數(shù)字通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多媒體信息的傳輸是通信技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一；與文本、圖形信息傳輸相比較，語音、圖像信息傳輸要求數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有高速率與低延時的特性；多媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，將對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)提出更高的要求。82.信號的概念

信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中電信號的表示形式；模擬信號（analogsignal）的信號電平是連續(xù)變化的；數(shù)字信號（digitalsignal）是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號表示；按照在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栴愋?，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。9

模擬信號波型數(shù)字信號波型103.2.2數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式

網(wǎng)絡(luò)中兩臺計算機(jī)的通信過程

11網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計中要解決的幾個基本問題數(shù)據(jù)傳輸類型模擬通信數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信方式串行通信、并行通信單工通信、半雙工或全雙工通信同步方式同步通信異步通信12串行通信與并行通信

13單工、半雙工與全雙工通信

14同步通信與異步通信153.2.3傳輸介質(zhì)的主要類型雙絞線同軸電纜光纖電纜無線與衛(wèi)星通信信道161.雙絞線的主要特性屏蔽雙絞線STP

非屏蔽雙絞線UTP172.同軸電纜的主要特性

183.光纖電纜的主要特性19單模光纖與多模光纖的比較

204.無線與衛(wèi)星通信技術(shù)電磁波的傳播有兩種方式：

—以無線方式一種是在自由空間中傳播；

—以有線方式在同軸電纜、雙絞線、光纖中傳輸。目前以無線方式進(jìn)行通信的主要有：—無線（radio）；—微波（microwave）；—紅外（infrared）；—可見光（visiblelight）。

21（1）微波通信

視距傳播

電離層反射22（2）蜂窩無線通信

多址接入方法：頻分多址接入（FDMA）時分多址接入（TDMA）碼分多址接入（CDMA）23（3）衛(wèi)星通信

243.3數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

3.3.1數(shù)據(jù)編碼類型

253.3.2模擬數(shù)據(jù)編碼方法

26傳統(tǒng)的通信信道是為傳輸語音信號設(shè)計的，只適用于傳輸音頻范圍（300Hz～3400Hz）的模擬信號，無法直接傳輸計算機(jī)的數(shù)字信號；為了利用模擬語音通信的交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的傳輸，必須首先將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；將發(fā)送端數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號變換成模擬數(shù)據(jù)信號的過程稱為調(diào)制，將調(diào)制設(shè)備稱為調(diào)制器（modulator）；將接收端模擬數(shù)據(jù)信號還原成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的過程稱為解調(diào)，將解調(diào)設(shè)備稱為解調(diào)器（demodulator）；同時具備調(diào)制與解調(diào)功能的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器（modem）。27在調(diào)制過程中，選擇音頻范圍內(nèi)的某一角頻率ω的正（余）弦信號作為載波，該正（余）弦信號可以寫為：

u（t）=um·sin（ωt+φ0）3個可以改變的電參量：—振幅um

—角頻率ω—

相位φ可以通過變化3個電參量，來實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信號編碼的目的。281.振幅鍵控（amplitudeshiftkeying,ASK）

um·sin（ω1t+φ0）數(shù)字1

u（t）=0

數(shù)字0振幅鍵控ASK信號實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡單，但抗干擾能力較差。292.移頻鍵控（frequency-shiftkeying

，F(xiàn)SK）

um·sin（ω1t+φ0）數(shù)字1

u（t）=um·sin（ω2t+φ0）數(shù)字0移頻鍵控FSK信號實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡單，抗干擾能力較強(qiáng)，是目前最常用的調(diào)制方法之一。

303.移相鍵控（phase-shiftkeying，PSK）

絕對調(diào)相

um·sin（ωt+0）數(shù)字1

u（t）=um·sin（ωt+π）數(shù)字0移相鍵控可以分為：絕對調(diào)相相對調(diào)相二相調(diào)相多相調(diào)相313.3.3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法基帶傳輸在基本不改變數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號頻帶（即波形）的情況下直接傳輸數(shù)字信號，可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率與系統(tǒng)效率;在基帶傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的編碼方式主要有：非歸零碼NRZ；

曼徹斯特（manchester）編碼；差分曼徹斯特（differencemanchester）編碼。321.非歸零碼NRZNRZ碼的缺點(diǎn)是無法判斷一位的開始與結(jié)束，收發(fā)雙方不能保持同步；為保證收發(fā)雙方的同步，必須在發(fā)送NRZ碼的同時，用另一個信道同時傳送同步信號；如果信號中“1”與“0”的個數(shù)不相等時，存在直流分量。332.曼徹斯特（manchester）編碼曼徹斯特編碼的規(guī)則：每比特的周期T分為前T/2與后T/2兩部分；通過前T/2傳送該比特的反碼，通過后T/2傳送該比特的原碼；曼徹斯特編碼的優(yōu)點(diǎn)：每個比特的中間有一次電平跳變，兩次電平跳變的時間間隔可以是T/2或T；利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同步信號；曼徹斯特編碼信號又稱做“自含鐘編碼”信號，發(fā)送曼徹斯特編碼信號時無需另發(fā)同步信號。

34差分曼徹斯特（differencemanchester）編碼差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進(jìn)。差分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼不同點(diǎn)主要是：每比特的中間跳變僅做同步之用；每比特的值根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來決定;一個比特開始處出現(xiàn)電平跳變表示傳輸二進(jìn)制0,不發(fā)生跳變表示傳輸二進(jìn)制1。35數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼信號的波形363.3.4脈沖編碼

調(diào)制方法

采樣量化編碼37PCM用于數(shù)字語音系統(tǒng)：聲音分為128個量化級；每個量化級采用7位二進(jìn)制編碼表示；采樣速率為8000樣本/秒；數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到7位×8000/秒=56kb/s；如果每個量化級采用7+1=8位二進(jìn)制編碼表示;數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到8位×8000/秒=64kb/s。383.4基帶傳輸技術(shù)

3.4.1基帶傳輸?shù)亩x

在數(shù)據(jù)通信中，表示計算機(jī)二進(jìn)制的比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號是典型的矩形脈沖信號;矩形脈沖信號的固有頻帶稱做基本頻帶,簡稱為基帶,矩形脈沖信號就叫做基帶信號;在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸;在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過編碼器變換變?yōu)橹苯觽鬏數(shù)幕鶐盘?，例如曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼信號;在接收端由解碼器恢復(fù)成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號;基帶傳輸是一種最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。393.4.2通信信道帶寬對基帶傳輸?shù)挠绊懲ㄐ判诺缼拰?shù)據(jù)信號傳輸中失真的影響很大；信道帶寬越寬，信號傳輸?shù)氖д嬖叫　?/p>

403.4.3數(shù)據(jù)傳輸速率的定義與信道速率的極限

數(shù)據(jù)傳輸速率的定義

數(shù)據(jù)傳輸速率是描述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一；數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上，等于每秒鐘傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進(jìn)制比特數(shù)，單位為比特/秒，記做b/s；常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s與Tb/s，其中：1Kb/s=1×103b/s1Mb/s=1×106b/s1Gb/s=1×109b/s1Tb/s=1×1012b/s41信道速率的極限值奈奎斯特準(zhǔn)則：二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號的最大數(shù)據(jù)傳輸速率

Rmax與通信信道帶寬B（B=f，單位Hz）

的關(guān)系為Rmax=2·f（b/s）。香農(nóng)定理：在有隨機(jī)熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號時，數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與信道帶寬B，信噪比S/N

的關(guān)系為Rmax=B·log2（1+S/N）S/N為信噪比。423.5頻帶傳輸技術(shù)

3.5.1交換網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

433.5.2頻帶傳輸?shù)亩x

利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法稱為頻帶傳輸；調(diào)制解調(diào)器（modem）是頻帶傳輸中最典型的通信設(shè)備；調(diào)制解調(diào)器的作用是：在數(shù)據(jù)的發(fā)送端將計算機(jī)中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能在線上傳輸?shù)哪M信號；在接收端將從線路上接收到的模擬信號還原成數(shù)字信號。443.5.3調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理

45modem實(shí)現(xiàn)全雙工通信的工作原理463.6多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用的基本概念473.6.1多路復(fù)用技術(shù)的分類頻分多路復(fù)用FDM波分多路復(fù)用WDM時分多路復(fù)用TDM483.6.2頻分多路復(fù)用在一條通信線路設(shè)計多路通信信道;每路信道的信號以不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制;各個載波頻率是不重疊的,那么一條通信線路就可以同時獨(dú)立地傳輸多路信號。49貝爾系統(tǒng)的T1載波24路音頻信道復(fù)用在一條通信線路上；每路音頻模擬信號在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個PCM編碼器；編碼器每秒取樣8000次；24路PCM信號的每一路輪流將一個字節(jié)插入到幀中；每個字節(jié)的長度為8位，其中7位是數(shù)據(jù)位，1位用于信道控制；每幀由24×8=192位組成，附加一位作為幀開始標(biāo)志位，所以每幀共有193位；發(fā)送一幀需要125毫秒；T1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mb/s。503.6.3波分多路復(fù)用

光纖通道（fiberopticchannel）技術(shù)采用了波長分隔多路復(fù)用方法，簡稱為波分復(fù)用WDM;在一根光纖上復(fù)用80路或更多路的光載波信號稱為密集波分復(fù)用DWDM；目前一根單模光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到20Gb/s。513.6.4時分多路復(fù)用

時分多路復(fù)用是將信道用于傳輸?shù)臅r間劃分為若干個時間片；每個用戶分得一個時間片；在其占有的時間片內(nèi)，用戶使用通信信道的全部帶寬。52時分多路復(fù)用的分類

同步時分多路復(fù)用

統(tǒng)計時分多路復(fù)用

533.7廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)線路交換（circuitexchanging）存儲轉(zhuǎn)發(fā)（store-and-forwardexchanging）交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換技術(shù)報文（messageexchanging）報文分組交換（packetexchanging）

543.7.1線路交換方式線路交換是面向連接的服務(wù)；兩臺計算機(jī)通過通信子網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換之前，首先要在通信子網(wǎng)中建立一個實(shí)際的物理線路連接；線路交換在數(shù)據(jù)傳輸過程中要經(jīng)過建立連接、數(shù)據(jù)傳輸與釋放連接的三個階段；線路交換方式的優(yōu)點(diǎn)是：通信實(shí)時性強(qiáng)，適用于交互式會話類通信；線路交換方式的缺點(diǎn)是：對突發(fā)性通信不適應(yīng)，系統(tǒng)效率低，系統(tǒng)不具有存儲數(shù)據(jù)的能力，不能平滑交通量。55線路交

換過程

示意圖

563.7.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式

存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式與線路交換方式的主要區(qū)別

發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息按照一定格式組成一個數(shù)據(jù)單元（報文或報文分組）進(jìn)入通信子網(wǎng)；通信子網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)是通信控制處理機(jī)，它負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)單元的接收、差錯校驗(yàn)、存儲、路選和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

57存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)由于通信子網(wǎng)中的通信控制處理機(jī)可以存儲分組，多個分組可以共享通信信道，線路利用率高；通信子網(wǎng)中通信控制處理機(jī)具有路選功能，可以動態(tài)選擇報文分組通過通信子網(wǎng)的最佳路徑；可以平滑通信量，提高系統(tǒng)效率；分組在通過通信子網(wǎng)中的每個通信控制處理機(jī)時，均要進(jìn)行差錯檢查與糾錯處理，因此可以減少傳輸錯誤，提高系統(tǒng)可靠性；通過通信控制處理機(jī)可以對不同通信速率的線路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可以對不同的數(shù)據(jù)代碼格式進(jìn)行變換。

58報文與報文分組數(shù)據(jù)通過通信子網(wǎng)傳輸時可以有報文（message）與報文分組（packet）兩種方式；報文傳輸：不管發(fā)送數(shù)據(jù)的長度是多少，都把它當(dāng)作一個邏輯單元發(fā)送；報文分組傳輸：限制一次傳輸數(shù)據(jù)的最大長度，如果傳輸數(shù)據(jù)超過規(guī)定的最大長度，發(fā)送結(jié)點(diǎn)就將它分成多個報文分組發(fā)送。59報文和報文分組結(jié)構(gòu)

由于分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易并且重發(fā)花費(fèi)的時間較少；限定分組最大數(shù)據(jù)長度，有利于提高存儲轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)的存儲空間利用率與傳輸效率；公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用的是分組交換技術(shù)。603.7.3數(shù)據(jù)報方式

數(shù)據(jù)報是分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)的一種形式；在數(shù)據(jù)報方式中，分組傳送之間不需要預(yù)先在源主機(jī)與目的主機(jī)之間建立“線路連接”；源主機(jī)所發(fā)送的每一個分組都可以獨(dú)立地選擇一條傳輸路徑；每個分組在通信子網(wǎng)中可能是通過不同的傳輸路徑到達(dá)目的主機(jī)。61數(shù)據(jù)報方式的工作原理示意圖

62數(shù)據(jù)報工作方式的特點(diǎn)同一報文的不同分組可以由不同的傳輸路徑通過通信子網(wǎng)；同一報文的不同分組到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時可能出現(xiàn)亂序、重復(fù)與丟失現(xiàn)象；每一個分組在傳輸過程中都必須帶有目的地址與源地址；數(shù)據(jù)報方式報文傳輸延遲較大，適用于突發(fā)性通信，不適用于長報文、會話式通信。633.7.4虛電路方式

虛電路方式試圖將數(shù)據(jù)報方式與線路交換方式結(jié)合起來，處分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到最佳的數(shù)據(jù)交換效果;數(shù)據(jù)報方式在分組發(fā)送之前，發(fā)送方與接收方之間不需要預(yù)先建立連接。虛電路方式在分組發(fā)送之前，需要在發(fā)送方和接收方建立一條邏輯連接的虛電路;虛電路方式與線路交換方式相同，整個通信過程分為以下三個階段：虛電路建立、數(shù)據(jù)傳輸與虛電路釋放階段。64虛電路方式

原理示意圖65虛電路的特點(diǎn)在每次分組發(fā)送之前，必須在發(fā)送方與接收方之間建立一條邏輯連接。這是因?yàn)椴恍枰嬲ソ⒁粭l物理鏈路，連接發(fā)送方與接收方的物理鏈路已經(jīng)存在；一次通信的所有分組都通過這條虛電路順序傳送，因此報文分組不必帶目的地址、源地址等輔助信息。分組到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時不會出現(xiàn)丟失、重復(fù)與亂序的現(xiàn)象；分組通過虛電路上的每個結(jié)點(diǎn)時，結(jié)點(diǎn)只需要做差錯檢測，而不需要做路徑選擇；通信子網(wǎng)中每個結(jié)點(diǎn)可以和任何結(jié)點(diǎn)建立多條虛電路連接。

66虛電路方式與線路交換方式的不同之處虛電路是在傳輸分組時建立起的邏輯連接，稱為“虛電路”是因?yàn)檫@種電路不是專用的。每個結(jié)點(diǎn)到其他結(jié)點(diǎn)間可能有無數(shù)條虛電路存在；一個結(jié)點(diǎn)可以同時與多個結(jié)點(diǎn)之間具有虛電路；每條虛電路支持特定的兩個結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于虛電路方式具有分組交換與線路交換兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，因此在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。673.7.5ATM交換方式ATM是一種面向連接的技術(shù)；采用小的、固定長度53字節(jié)的信元作為數(shù)據(jù)傳輸單元；能夠支持?jǐn)?shù)字、語音、圖像、視頻等多媒體通信；ATM以統(tǒng)計時分多路復(fù)用方式動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時小，適應(yīng)實(shí)時通信的要求；ATM沒有鏈路級糾錯與流量控制，協(xié)議簡單，數(shù)據(jù)交換效率高；ATM采用兩級虛電路機(jī)制，增加了虛電路分配的靈活性；ATM的數(shù)據(jù)傳輸速率可以在155Mb/s～2.4Gb/s。68ATM信元結(jié)構(gòu)ATM是一種高速分組交換技術(shù)，交換的基本數(shù)據(jù)傳輸單元是信元；在ATM交換方式中，文本、語音、視頻等所數(shù)據(jù)將被分解為長度固定的信元（Cell）；信元有一個5字節(jié)的信元頭（header）與一個48字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)（userd