计算机网络

1. 计算机网络 第 2 章 物理层

2. 物理层的基本概念 • 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： • 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 • 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 • 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 • 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

3. 数据通信的基本概念 信息、数据与信号 • 通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合； • 为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示； • 为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示； • 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。

4. 信号的概念 • 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式； • 模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的； • 数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示； • 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。

5. 模拟信号与数字信号波形

6. 几个术语 • 数据(data)——运送信息的实体。 • 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 • “模拟的”(analogous)——连续变化的。 • “数字的”(digital)——取值是离散数值。 • 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。 • 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。

7. 数据通信系统 源系统 传输系统 目的系统 传输 系统 源点 接收器 发送器 终点 输入数据 接收 的信号 输入信息 发送 的信号 输出数据 输出信息 2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型 数字比特流 模拟信号 模拟信号 数字比特流 正文 正文 公用电话网 调制解调器 调制解调器 PC 机 PC 机

8. 数据编码技术 数据编码类型

9. 模拟数据编码方法

10. 数字数据编码方法

11. 基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号 • 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 • 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。

12. 基带传输技术 基带传输的定义 • 在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号; • 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号; • 在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输; • 在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号; • 在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号; • 基带传输是一种最基本的数据传输方式。

13. 基带传输：指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号。这样一个信号的基本频带可以从直流成分到数兆赫，频带越宽，传输线路的电容电感等对传输信号波形衰减的影响越大，传输距离一般不超过2公里，超过时则需加中继器放大信号，以便延长传输距离。基带传输：指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号。这样一个信号的基本频带可以从直流成分到数兆赫，频带越宽，传输线路的电容电感等对传输信号波形衰减的影响越大，传输距离一般不超过2公里，超过时则需加中继器放大信号，以便延长传输距离。

14. 频带传输技术 频带传输的定义 • 利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输； • 调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备。

15. 频带传输：在远距离通信时，需要将数字信号调制成音频信号再发送和传输，接收端再将音频信号解调成数字信号。由此可见，采用频带传输时，要求在发送和接收端安装调制解调器，这不仅解决了数字信号可用电话线路传输，而且可以实现多路复用，提高信道利用率。频带传输：在远距离通信时，需要将数字信号调制成音频信号再发送和传输，接收端再将音频信号解调成数字信号。由此可见，采用频带传输时，要求在发送和接收端安装调制解调器，这不仅解决了数字信号可用电话线路传输，而且可以实现多路复用，提高信道利用率。

16. 信道的最高码元传输速率 • 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 • 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

17. 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输入信号波形 输出信号波形 (失真严重) 数字信号通过实际的信道 • 失真不严重 • 失真严重 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输入信号波形 输出信号波形 (失真不严重)

18. 导向传输媒体 • 双绞线 • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) • 同轴电缆 • 50同轴电缆 • 75同轴电缆 • 光缆

19. 无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 绝缘层 铜线 屏蔽层 聚氯乙烯 套层 聚氯乙烯 套层 铜线 绝缘层 双绞线

20. 双绞线

21. 同轴电缆

22. 同轴电缆

23. 光线在光纤中的折射 折射角 包层 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角 包层 （低折射率的媒体）

24. 光纤的工作原理 低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射

25. 输入脉冲 输出脉冲 单模光纤 输入脉冲 输出脉冲 多模光纤与单模光纤 多模光纤

26. 非导向传输媒体 • 无线传输所使用的频段很广。 • 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 • 微波在空间主要是直线传播。 • 地面微波接力通信 • 卫星通信

27. 无线电波 • 无线电波可分为短波和微波。短波信号频率较低，传输时通信质量较差。计算机网络中使用的无线介质主要是微波。微波是一种频率很高的电磁波。 • 根据微波传输距地面的远近可分为地面微波信道和空间微波信道。

28. 地面微波信道：即通常所说的微波。地面微波一般按直线传输，受各种因素的影响，微波在传输时也有不同程度的衰减和损耗，因此，在远距离传输时，要在微波信道的两个端点之间建立若干个中继站。经过多个中继站的“接力”，信息就被从发送端传输到接收端。地面微波信道：即通常所说的微波。地面微波一般按直线传输，受各种因素的影响，微波在传输时也有不同程度的衰减和损耗，因此，在远距离传输时，要在微波信道的两个端点之间建立若干个中继站。经过多个中继站的“接力”，信息就被从发送端传输到接收端。

29. 地球表面 微波地面中继通信

30. 地面微波信道常用于电缆(或光缆)铺设不便的特殊地理环境或作为地面传输系统的备份和补充。地面微波信道常用于电缆(或光缆)铺设不便的特殊地理环境或作为地面传输系统的备份和补充。 • 微波在地面的直线传输距离与微波的收发天线的高度有关，天线越高传输距离就越远。地面微波信道中继器间距离一般为40-60km。

31. 微波的频率范围为300MHz~300GHz，主要使用的是2GHz~40GHz的频率范围。微波的频率范围为300MHz~300GHz，主要使用的是2GHz~40GHz的频率范围。 • 地面微波信道的特点：频带宽、信道容量大、初建费用低、建设速度快、应用范围广、保密性能差、抗干扰性能差等。在互连网中微波信道有时与有线介质混用。

32. 空间微波信道--卫星信道 • 空间微波信道：主要是指卫星信道。实际上是使用人造地球卫星作为中继器构成的微波信道。通信卫星通常被定位在几万公里(如36,000公里)高空，卫星作为中继器可使信息的传输距离很远(几千至上万公里)。卫星通信已被广泛用于远程计算机网络中。

33. 卫星通信示意图

34. 每个同步卫星可覆盖地球的三分之一表面。卫星通信的地面站使用小口径天线终端设备（VSAT--Very Small Aperture Terminal）来发送和接收数据。如国内很多证券公司显示的证券行情都是通过VSAT接收的卫星通信广播信息。而证券的交易信息则是通过延迟小的数字数据网DDN专线或分组交换网进行转发的。

35. 在VSAT中，信息处理、业务的自适应、网络的控制与检测等，都由计算机操作控制；VSAT可提供包括音频、数据、图像和电视等综合服务。因此，VSAT具有小型化、智能化和提供双向综合服务等特点在VSAT中，信息处理、业务的自适应、网络的控制与检测等，都由计算机操作控制；VSAT可提供包括音频、数据、图像和电视等综合服务。因此，VSAT具有小型化、智能化和提供双向综合服务等特点

36. 卫星信道的特点：通信容量极大、传输距离远、受自然环境影响大、一次性投资大、传输距离与成本无关等。卫星信道的特点：通信容量极大、传输距离远、受自然环境影响大、一次性投资大、传输距离与成本无关等。

37. 无线通信信道除微波及卫星信道外，还有红外线、激光等媒体。红外线和激光通信的收发设备必须处于视线范围内，均有很强的方向性，因此，防窃取能力强。但由于它们的频率太高，对环境因素（如天气）较为敏感，因而，只能在室内和近距离使用 。

38. 多路复用技术 多路复用技术的分类 • 频分多路复用FDM • 波分多路复用WDM • 时分多路复用TDM • 码分多路复用

39. 频分多路复用 • 在一条通信线路设计多路通信信道; • 每路信道的信号以不同的载波频率进行调制; • 各个载波频率是不重叠的, 一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。

40. 波分多路复用 • 光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM; • 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM； • 目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gbps。

41. 时分多路复用 • 时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片； • 每个用户分得一个时间片； • 在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。

42. 码分复用 CDM • 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 • 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。 • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

43. 物理层标准举例 EIA-232-E 接口标准 • DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。 • DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。

44. DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连 信号线与控制线 用户环境 用户环境 信号线与控制线 DTE DTE DCE DCE 串行比特传输 通信设施 通信环境 用户设施 用户设施

45. EIA-232/V.24 的信号定义 (1) 保护地 DTE DCE (2) 发送数据 (3) 接收数据 (4) 请求发送 计算机 或 终端 (5) 允许发送 调制解调器 (6) DCE 就绪 (7) 信号地 (8) 载波检测 (20) DTE 就绪 (22) 振铃指示

46. 两个 DTE 通过 DCE进行通信的例子 DTE-A DTE-B DCE-A DCE-B 网 络 EIA-232/ V.24 接口 调制解调器 EIA-232/ V.24 接口 调制解调器

47. RS-449 接口标准 • RS-449 由 3 个标准组成。即： • RS-449：采用37根引脚的插头座 • RS-423-A：电缆长度10米时，数据传输速率达300kb/s • RS-422-A: 传输速率2Mb/s，电缆长度可达60米

48. 数据通信方式 • 计算机网络中传输的信息都是数字数据，计算机之间的通信就是数据通信方式，数据通信是计算机和通信线路结合的通信方式。 • 并行通信与串行通信 • 在数据通信中，按每次传送的数据位数，通信方式可分为：并行通信和串行通信。

49. 并行通信是一次同时传送8位二进制数据，从发送端到接收端需要8根传输线，如图（a）所示。并行方式主要用于近距离通信，如在计算机内部的数据通信通常以并行方式进行。这种方式的优点是传输速度快，处理简单。串行通信一次只传送一位二进制的数据，从发送端到接收端只需要一根传输线。串行方式虽然传输率低，但适合于远距离传输，在网络中（如公用电话系统）普遍采用串行通信方式，如图（b）所示。并行通信是一次同时传送8位二进制数据，从发送端到接收端需要8根传输线，如图（a）所示。并行方式主要用于近距离通信，如在计算机内部的数据通信通常以并行方式进行。这种方式的优点是传输速度快，处理简单。串行通信一次只传送一位二进制的数据，从发送端到接收端只需要一根传输线。串行方式虽然传输率低，但适合于远距离传输，在网络中（如公用电话系统）普遍采用串行通信方式，如图（b）所示。

50. 图 并行和串行通信方式示意图