第四章 實體層

1. 第四章 實體層

2. 4.1 簡介 • 實體層：負責讓資料（一連串的電子訊號）能夠在兩個相連接的機器間經由傳輸線路做資料傳送。經由此一運作層的通訊協定，資料位元(bits)最後轉換為電子訊號在兩部電腦之間經由傳輸媒介傳遞時才有一共同遵循的標準。

3. 4.2 線路 • 媒體（medium）：媒體是一種物質可用來承載訊息由一端至另一端 • 線路（circuit）：線路就是資料傳輸時所經過的路徑 • 連結（link）：同線路的意思 • 線（line）：指單獨兩點之間的實際連接的物質 • 頻道（channel）：第一個定義是頻道可替換於線路，第二個定義是頻道是指局部的線路

4. 4.2.1網路組態 • 網路組態即網路在實體上的配線方式，有兩種基本的網路組態：點對點式（point-to-point）及多點式（multipoint），大部分複雜的網路中則同時包含了點對點式及多點式。 • 要採用點對點式網路或多點式網路，則取決於經費上的是否允許，及電腦間資料傳輸的頻繁否。

5. 點對點式網路是指一台電腦透過網路連接上另一台電腦，因此這線路專屬於此兩台電腦所使用，因此這種網路組態又稱之為專注式網路（dedicated circuit） • 通常此種網路組態用於當這兩台電腦之間有極密切的資料傳輸時，但採用此種網路組態時，因每一台電腦都有其專屬的網路，造成架構的成本昂貴。

6. 多點式網路又稱為分享式網路（shared circuit），是所有的電腦共用相同的線路，好處在於電腦共用相同的線路可以減少網路線材的需要，降低傳輸的成本；缺點在於同一時間中只允許一台電腦使用此網路，即當某台電腦正在使用此線路做資料的傳輸時，其他台電腦必須等待。

7. 混合式網路組態：包含了點對點式網路及多點式網路的網路架構混合式網路組態：包含了點對點式網路及多點式網路的網路架構

8. 4.2.2資料流 • 線路被用來設計做為資料傳送時使用，而資料傳送的方式可以分為三種，單工式（simple）、半雙工式（half-duplex）及全雙工式（full-duplex）。 • 選擇資料流方式，由所使用的應用軟體來決定。若資料一定是由一方傳輸到另一方，可選擇單一式的方式；若由一方送去的資料必需等對方處理完後，再送回本方，則傳輸可選擇半雙工的方式；若雙方皆有一定量的資料必須在同時間內傳輸，則可採用全雙工的方式。

9. 單工式是指傳輸上只有一個方向，例如收音機、電視機，只能接收電視台的節目，但無法發出訊號給電台。單工式是指傳輸上只有一個方向，例如收音機、電視機，只能接收電視台的節目，但無法發出訊號給電台。

10. 半雙工式是傳輸時雖然可以雙向傳輸，但無法同時進行。在同一時間內只能有一方在做傳輸，例如：無線電對講機，只能由一方發話，另一方則只能聽，當此方發話完畢後，才能由另一方做回覆。半雙工式是傳輸時雖然可以雙向傳輸，但無法同時進行。在同一時間內只能有一方在做傳輸，例如：無線電對講機，只能由一方發話，另一方則只能聽，當此方發話完畢後，才能由另一方做回覆。

11. 全雙工式是指在同一時間之內，兩方能夠同時的做資料傳輸。雖說使用全雙工的方式可以在同一時間做傳輸，但相對的也表示傳輸的容量必須減半，一半用作傳送；另一半用作接收。全雙工式是指在同一時間之內，兩方能夠同時的做資料傳輸。雖說使用全雙工的方式可以在同一時間做傳輸，但相對的也表示傳輸的容量必須減半，一半用作傳送；另一半用作接收。

12. 4.2.3 資料型態 • 資料可分為兩種基本的型態，分別為數位資料與類比資料，電腦所產生的資料稱為數位資料，以0與1來傳遞訊號；使用像聲波狀的電子訊號來做傳遞訊號則為類比資料。 • 類比訊號是屬於一種連續且變化之電磁波。利用類比訊號，可以用來傳遞類比資料或數位資料。 • 數位訊號是一連串之電壓脈波（Voltage Pulse）。一般是以固定之正值電壓（+5伏特）來代表二進位值’1’；而以固定之負值電壓（-5伏特）來代表二進位值’0’，數位訊號亦可用來傳遞類比資料與數位資料。

13. 類比訊號 數位訊號

14. 4.3.1數位資料以數位方式傳輸 • 在電腦世界中只懂0與1兩種符號，為了要讓電腦表示出我們平常所用的數與字，必須利用編碼的原則將0與1編碼組合，來表示這些數與字。 • 最常使用的編碼原則為ASCII（America Standard Code for Information Interchange）與EBCDIC（Extended Binary Coded Decimal Interchange Code）。在ASCII中可分為兩種，一種為7位元碼，另一種為8位元碼，7位元碼可表示128個字元，而8位元碼可以表示256個字元；EBCDIC為IBM所訂定的8位元碼，可表示256個字元。

15. 數位資料在傳送時可分為平行傳輸與序列傳輸兩種傳輸模式數位資料在傳送時可分為平行傳輸與序列傳輸兩種傳輸模式 • 序列傳輸是最主要的資料傳輸方法，其資料傳輸是以一位元皆著一位元的方式傳送資料，時間上會比平行傳輸慢了許多

16. 平行傳輸意指多個數位訊號在同一時間內傳輸，因此必須要有多條的通道，才能達成平行傳輸平行傳輸意指多個數位訊號在同一時間內傳輸，因此必須要有多條的通道，才能達成平行傳輸 • 平行傳輸因為資料流量較大可以傳送較快，但其缺點也因為流量較大，因此必須給每一個位元一個通道，且若距離過遠將造成資料的可信賴性降低

17. 4.3.2數位資料以類比方式傳輸 • 數位訊號欲以類比方式傳送訊息，則此傳送系統內部必須有一基準訊號，稱之為載波訊號(Carrier Signal)，或簡稱為載波，此載波是一連續訊號，且擁有固定的頻率，當數位資料傳入時，可以使用改變載波的振幅(Amplitude)、頻率(Frequency)、或相位(Phase)方式，以表示出相對之數位資料。

18. 變動振幅法（Amplitude Shift Keying ASK）：利用振幅的高低來表示，振幅較高為1；振幅較低為0。當傳輸裝置欲傳送一個1位元時，必須送出一高振幅的波，因為傳送時是以波的振幅做為位元判斷，所以變動振幅法在傳輸時比起變動頻率法及變動相位法較易受到雜訊干擾影響傳輸品質。

19. 變動頻率法（Frequency Shift Keying FSK）：利用波的頻率來表示，波頻率較密為1；波頻率較疏為0，即當每秒傳送的波較多時為1，每秒傳送的波較少時為0，在此種傳輸模式下，振幅的高低並不會影響傳輸的穩定。

20. 變動相位法（Phase Shift Keying PSK）：利用相位差的改變來表示，相位角180°時為0；相位角0°時為1。（相位角0°：即波正從水平線出發欲往高峰走時，相位角180°：即波正從水平線出發與往低峰走。）

21. 變動差異相位法（Differential Phase Shift Keying PSK）：同樣的也是利用相位差的改變來表示，不同的是，其定義為每次出現位元1時就做相位的180°改變，若是出現位元0則不用做任何改變。

22. 同時傳送數個位元：利用變動振幅法、變動頻率法、變動相位法增加振幅、頻率、 相位的劃分，並善加整合各種不同的傳輸模式

23. 實務上常見的整合傳輸模式之一：QAM（quadrature amplitude modulation）的變動法，即利用每45°相位差表示一種狀態，此可以分為八種不同的相位，而可以表示三個位元的組合，再結合上振幅可表示一個位元，所以共可表示四個位元。 • 另一種稱之為TCM（Trellis-coded modulation）的方法，是QAM的加強型，同樣也是利用相位角與振幅來作區分，TCM的方法可以在同一時間內傳送不固定位元數，可能是6、7、8、10個位元，最快的版本可以達到平均每單位時間9.8個位元。

24. 4.3.3傳輸速度 • 資料傳輸速度的單位： (1)位元速率是指在每秒鐘所能傳遞的位元數，常用bps來表示； (2)波特速率是用在電報發碼時的計算單位（每秒鐘能夠發出的電碼數）。 (3)訊號速率（Bits rate／Baud rate／Symbol rate）則是指波在改變現在狀態到下一個狀態時，中間保持同一狀態的時間。

25. 骨幹網路線路的傳遞速率：

26. 4.4類比資料以數位方式傳輸 • 編譯碼器(CODEC)：當發送端欲傳送類比資料經由數位網路傳遞時，必須先透過編碼器（Coder）將類比資料轉換成一連串的二進位數值，再以數位訊號透過數位網路傳遞，當此數位訊號傳至接收端時，則會透過解碼器（Decoder）將數位訊號所傳遞之資料還原成類比資料，此編碼（Coder）與解碼(DECoder)的裝置合稱為CODEC。 編碼 解碼

27. 波振幅調解（Pulse Amplitude Modulation，PAM）：轉換方法就是將類比訊號的波依照振幅劃分為多個階層，再定義每個階層所代表的值，並將這些值傳遞出去

28. 原本的波依照振幅劃分為八等分，則我們需要三個位元才有辦法表示出這些波的振幅，而這些波當被接收端接收後重新描繪出的波會變成階梯狀的波，我們稱此為『量化誤差』原本的波依照振幅劃分為八等分，則我們需要三個位元才有辦法表示出這些波的振幅，而這些波當被接收端接收後重新描繪出的波會變成階梯狀的波，我們稱此為『量化誤差』 • 減少量化誤差之方法： (1)將原來的波依照振幅劃分的更為多層 (2)採樣更為頻繁

29. 4.5.1 電話網路 • 將頻率限定在一個範圍之內，稱之為頻寬。電話網路基本的功用乃為傳遞聲音，因而其線路的品質必須要能表現出此一特徵。 • 人類的聲波頻率大多集中在 300~3000 Hz 之間，電話線路所允許的頻寬必須大於此範圍。在傳遞語音的電話網路中，其頻寬限定為0~4000Hz間。 檢測之用 檢測之用

30. 電話網路的容量：在使用電話網路傳遞位元資料時，所能傳輸的最多位元就是電話網路容量電話網路的容量：在使用電話網路傳遞位元資料時，所能傳輸的最多位元就是電話網路容量 • 電話網路容量決定於音波的頻寬、訊號速率即每訊號所能傳送的位元數，一般來說電話網路的頻寬在3000Hz，若假設3000Hz就剛好等於3000個訊號，且使用QAM的方式做資料傳輸，則電話網路的容量為4（bits/symbol）＊3000（symbol/second）＝12000 bps • 若使用8位元TCM的方式做資料傳輸，則電話網路的容量為8（bits/symbol）＊3000（symbol/second）＝24000 bps

31. 4.5.2 數據機 • 目前的電話網路是使用類比訊號來傳遞資料，所以發送端電腦所產生的數位資料要透過電話網路來做傳遞，必須先經過將數位資料轉換為類比訊號的裝置傳送，在接收端上同樣有用來將類比訊號轉換為數位資料的裝置再由電腦接收，而這樣的一個裝置就是我們所稱的數據機，其全名為”調變器/解調器”（Modulator/DEModulator），將數位資料轉換為類比訊號的裝置稱之為Modulator（調變器）；而將類比訊號所傳遞之資料還原成原來的數位資料稱之為DEModulator（解調器），因此，這兩種設備合稱為MODEM（數據機）。

32. 調變器執行調變(Modulation)工作 解調器執行解調（Demodulation）工作

33. 數據機的作業方式

34. 數據機的標準 • 目前主要的通訊協定都是由 ITU-TS 所推薦的一系列針對不同傳輸速率的協定標準，另外尚有由貝爾實驗室所推薦的標準，如Bell 103/108/113、 Bell 202、 Bell 212A、 Bell 201及 Bell 208 • 大部分的數據機都同時支援多種的通訊協定，並且依照傳輸速度的快慢而選用不同的通訊協定，當一台數據機連線至另一台數據機時，他會先以最高的速度做連線，若是無法連線成功，他則會降低連線速度嘗試連線，直到某一速度下兩者可以做溝通。

35. 數據機的標準有： • V.22標準，每秒能夠傳送1200或2400個訊號，因為每個訊號只能表示一個位元，所以其傳輸速度為1200bps或2400bps • V.32標準同樣也是每秒傳送2400個訊號，但是因為使用QAM傳輸模式，每個訊號可以表示4個位元，所以其傳輸速度可以達到9600bps • V.32bis則採用TCM傳輸模式因此每個訊號可以傳送6個位元，其傳輸速度可以達到14400bps • V.34標準採用V.32的每秒傳輸2400訊號的方式，當數據機在第一次連線時，會先測試網路的品質，並依照網路的傳輸品質可以向上調整為2800、3000或3429，V.34使用TCM傳輸模式，每個訊號平均可以傳遞8.4個位元，傳輸最高速為28800bps • V.34＋則使用新的TCM傳輸模式，每個訊號平均可傳遞9.8個位元，因此其最快速度可達33600bps

36. 資料壓縮 • MNP5標準是使用了Huffman編碼法，將所有的字元重新的編碼，而新編的碼只需更少的位元就可以表示我們要傳遞的字元，壓縮比大約在1：1.3~2之間，因此原來資料需要傳送10000位元，現在經過壓縮過後只需傳送5000個位元，換句話說，我們的傳輸速度就快了一倍。 • V.42bis是ISO所訂定的資料壓縮標準，使用Lempel-Ziv編碼法，其原理是建立了一個編碼典，將所有2個字元、3個字元與4個字元的組合重新編過碼，記錄於編碼典中，因此在資料的壓縮率上可以達到1：3.5~4。

37. V.42bis的壓縮技術可以運用在各種協定的數據機上，使用在V.32的數據機上傳輸速率由14400bps調升為57600bps，在V.34數據機上速度由28800bps調升為115200bps，若在V.34＋數據機上，傳輸速度更可高達133400bps。V.42bis的壓縮技術可以運用在各種協定的數據機上，使用在V.32的數據機上傳輸速率由14400bps調升為57600bps，在V.34數據機上速度由28800bps調升為115200bps，若在V.34＋數據機上，傳輸速度更可高達133400bps。 • 壓縮技術可以提升傳輸的速度，但有兩個缺點存在： (1)壓縮技術應用在已經壓縮過的檔案上將助益不大 (2)舊式電腦主機板的RS-232埠無法接收無此龐大的資料量

38. 數據機標準表

39. 高速的數據機 • 邏輯-數位數據機(56K MODEMS)：使用波碼調解法（PCM）每秒採樣8000次，將振幅劃分為256個階層（28，8位元），因此其傳輸速度可達64000bps，但在PCM訊號中，有一個位元被某些電話服務所用來作控制目的，所以事實上使用者只能使用7個位元。故此邏輯數位數據機的最大傳輸速率為56Kbps。 • 56K數據機標準（ITU V.90）：V.90是國際通訊聯盟（ITU）所制訂的56Kbps數據機標準通訊協定。原本56Kbps數據機的通訊協定有二種：K56flex（Rockwell 晶片為主），及X2（3 COM USR 為主）。此二通訊協定無法互通，彼此僅能以 33.6Kbps以下的速度連線；V.90則取得二大連盟（K56flex及X2）的協助，制定了彼此均可接受的通訊協定。

40. 4.5.3 RS-232 數位線路 • RS-232纜線用在電腦方面，可以用來連接各種串列裝置，其25條信號線中，只有兩條用來收發資料，其他的各有其特殊的控制用途。傳送資料時是以派衝的方式進行的，若是要控制狀態，則可利用電壓的高低來傳遞信號。 • 在25個針腳中只有第2與3號兩條線用來傳輸資料，2號為傳送，3號為接收。在RS-232標準中有兩種裝置，一種是資料終端裝置（DTE），另一種是資料通訊裝置（DCE），電腦可以充當兩著的角色，但是數據機則必定是DCE，在這兩種裝置中，DTE用2號針腳傳送資料，用3號針腳接收資料，而DCE則恰好相反，此種接法常常稱之為Null modem。

41. RS-232 針腳定義表

42. 電腦與數據機經由RS-232連線 電腦與電腦經由RS-232連線

43. 硬體交握（Handshaking） • 二號、三號針腳，負責資料傳輸，而七號針腳則是信號接地，提供基準電壓，因此兩端的七號針腳必須相連接，任一針腳的信號如果與七號相比較超過正負3V時，則此針腳的訊號稱之為『確認』。在資料傳輸上超過＋3V稱之為『0』，比-3V低則為『1』；在控制信號上，超過＋3V表示『開』，低於-3V則表示『關』，剛好與資料線狀況相反。不過為了避免雜訊干擾，串列裝置通常會使用12V當作確認電壓。 • 除了1、2、3、7號針腳外，其餘的針腳都是控制訊號，一般來說傳輸資料時，光靠兩條信號線收發資料是不夠的，還必須加上適當的控制信號來控制資料的流動。這些控制信號就稱之為『交握』

44. 電腦與數據機間的部分交談可能如下：

45. 4.6.1有線傳輸媒體介質 • 有線媒體通常是在中央的導體外包上一層保護層，在區域網路中常使用，雖然有長度的限制，不過他的傳輸速度快，且保密性佳，價格便宜。 • 選用時考慮之特性：成本、速度、安裝、衰減、抗電磁干擾

46. 雙絞線（Twisted Pair） • 雙絞線其材質屬於銅線或鍍銅鋼線，可用以傳遞訊號並且減少阻抗，而鋼線則可加強線材的強韌度，雙絞線顧名思義就是一組線成有規則之螺旋狀彼此纏繞，這種纏繞可以減少電訊的干涉。 • 雙絞線易受電磁場干擾，雙絞線屬於最便宜的傳輸媒體。 • 有屏蔽雙絞線（shielded twisted pair，STP）在線的外圍包有絕緣體以隔絕雜訊，而無屏蔽雙絞線（unshielded twisted pair，UTP）是最常用的網陸纜線，常用於傳送聲音或資料。

47. 雙絞線可用以傳輸數位訊號或類比訊號，當用以傳遞類比訊號時，約隔5~6公里就需要一個放大器；若傳遞的是數位訊號，則約每隔2~3公里就需要一個轉發器，可適用於點對點或多點式架構，當運用於點對點式時，距離最遠可達15公里。雙絞線可用以傳輸數位訊號或類比訊號，當用以傳遞類比訊號時，約隔5~6公里就需要一個放大器；若傳遞的是數位訊號，則約每隔2~3公里就需要一個轉發器，可適用於點對點或多點式架構，當運用於點對點式時，距離最遠可達15公里。 • 在雙絞線與網路卡連接時必須要有一個接頭，此接頭外形與一般電話線接頭相似，不過較寬，此接頭稱為RJ-45接頭，它使用四對雙絞線，而一般的電話接頭所使用的為RJ-11接頭只用到2對雙絞線。

48. 同軸電纜（Coaxial Cable）分為： • 75歐姆電纜或稱之為寬頻電纜（Broadband）常用於Community Antenna Television所採用之標準規格，主要是以類比訊號傳遞，頻率範圍可從300Hz到400Hz，而有線電視每一頻道約佔用6MHz之頻寬，可傳遞5Mbps~6Mbps之資料，而一般CD品質的聲音約需1.4Mbps，數位視訊約需3Mbps，故有線電視與資料可以混合在一條纜線中傳輸。 • 50歐姆電纜或稱之為基頻電纜（Baseband）則用於傳遞數位訊號。只能用於數位訊號的傳遞，傳輸速率可達10Mbps

49. 同軸電纜可分為四層，最內層是實心銅線為導體核心被一層絕緣體所包覆，接下來是一層網狀的銅絲再包覆著絕緣體為導體網，最外層是一層保護性的絕緣體。同軸電纜外層的銅網有阻擋電磁干擾的功能，雜訊免疫性較佳於雙絞線但成本也較雙絞線為高。同軸電纜可分為四層，最內層是實心銅線為導體核心被一層絕緣體所包覆，接下來是一層網狀的銅絲再包覆著絕緣體為導體網，最外層是一層保護性的絕緣體。同軸電纜外層的銅網有阻擋電磁干擾的功能，雜訊免疫性較佳於雙絞線但成本也較雙絞線為高。 • 同軸電纜可用於點對點或多點式架構，50歐姆電纜每公里電纜可連接數百個設備歐姆電纜，最長距離為2.5公里； 75歐姆電纜則可連接數千個設備，可達數十公里。 • 50歐姆電纜線與電腦網路卡的接頭稱為BNC接頭（或稱為T形接頭）在接頭上有兩個公接頭與一個母接頭，兩個公接頭是用來連接相鄰的兩條同軸電纜，母接頭則用於連接電腦網路卡。

50. 光纖(Fiber Optic Cable) • 光而非電來傳遞訊息，可以高速傳遞資料到非常遠的距離，通常具有幾微米的玻璃纖維核心，外圍是固體玻璃然後再加上最外面的保護層，所以當光傳導於核心內，如有碰及外層時，光線會被反射回核心，外層塑膠與其他材料之混合體，用來防止使用環境之不良狀況。 • 光纖的傳輸頻率為1014~1015Hz之訊號，其傳輸型態，可分為單模（single mode）與多模（multimode）兩類，單模的光纖核心只擁有一條光路徑，而多模則擁有多條光路徑，光纖大多用於點對點架構，多點式架構亦可採用光纖作為傳輸媒介，但其成本較高。傳輸距離可以達6~8公里且光纖不會受到電磁干擾或雜訊影響，但成本則較同軸電纜與雙絞線為高。