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计算机网络. 第 2 章 物理层. 第 2 章 物理层. 2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 信道的极限容量 2.2.4 信道的极限信息传输速率 2.3 物理层下面的传输媒体 2.3.1 导向传输媒体 2.3.2 非导向传输媒体. 第 2 章 物理层（续）. 2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用 2.5 数字传输系统

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  1. 计算机网络 第 2 章 物理层

  2. 第 2 章 物理层 2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 信道的极限容量 2.2.4 信道的极限信息传输速率 2.3 物理层下面的传输媒体 2.3.1 导向传输媒体 2.3.2 非导向传输媒体

  3. 第 2 章 物理层（续） 2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术 2.6.1 xDSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网） 2.6.3 FTTx 技术

  4. 2.1 物理层的基本概念 • 物理层的功能 • 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。 • 研究内容 • 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。 • 物理层的四个重要特性 • 机械特性 (mechanical characteristics) • 电气特性 (electrical characteristics) • 功能特性 (functional characteristics) • 规程特性 (procedural characteristics)

  5. 机械特性 • 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。 • 常用的标准接口 • ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A • ISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM • ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449 • ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22

  6. 电气特性 • 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。 • 早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIA RS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。

  7. 功能特性 • 主要定义各条物理线路的功能。 • 线路的功能分为四大类： • 数据 • 控制 • 定时 • 地 • 规程特性 • 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

  8. 1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。 • RS-232-C的不足与改进 • 不足 • 传输性能低，距离短，速率低。 • 改进 • 重新设计，X.21； • 以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。

  9. RS-232-C的电路图

  10. RS-232-C的实物图

  11. 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 输入 汉字 数字比特流 模拟信号 模拟信号 数字比特流 显示 汉字 公用电话网 调制解调器 调制解调器 PC 机 PC 机

  12. 术语 • 数据(data)——运送消息的实体。 • 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 • “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。 • “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。 • 码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

  13. 2.2.2 有关信道的几个基本概念 • 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 • 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 • 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

  14. 基带(baseband)信号和带通(band pass)信号 • 基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 • 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 • 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

  15. 几种最基本的调制方法 • 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。 • 最基本的二元制调制方法有以下几种： • 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 • 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 • 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

  16. 对基带数字信号的几种调制方法 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号 调幅 调频 调相

  17. 2.2.3 信道的极限容量 • 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。

  18. 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形 接收信号波形 数字信号通过实际的信道 • 有失真，但可识别 • 失真大，无法识别 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形 接收信号波形

  19. 信道能够通过的频率范围 • 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。 • 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。 • 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

  20. (2) 信噪比 • 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 • 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 • C = W log2(1+S/N) b/s • W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； • S 为信道内所传信号的平均功率； • N 为信道内部的高斯噪声功率。

  21. 香农公式表明 • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 • 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 • 若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。 • 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

  22. 请注意 • 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

  23. f (Hz) (Hz) f 2.3 物理层下面的传输媒体 电信领域使用的电磁波的频谱 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024  无线电 微波 红外线 X射线 射线 可见光 紫外线 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 双绞线 卫星 光纤 同轴电缆 地面微波 调频 无线电 移动 无线电 调幅 无线电 海事 无线电 电视 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF

  24. 2.3.1 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)

  25. 各种电缆 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

  26. 主要特点： （1） 非屏蔽双绞线易弯曲、易安装，具有阻燃性，布线灵活。 （2） 屏蔽双绞线价格高，安装困难，需连结器，抗干扰性好。 （3）主要用途: 3类线用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输；4类线和5类用于语音传输和最高传输速率为16Mbps的数据传输；超5类线和6类线用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输。 (4）网络距离 每网段100米，接4个中继器后最长可达到500米。 每干线最大节点数：无限制。

  27. 双绞线实物

  28. 双绞线实物

  29. 双绞线线序和RJ-45接口引脚序号 • 双绞线由8根铜导线组成，这8根铜导线的顺序分别橙白—1，橙—2，绿白—3，蓝—4，蓝白—5，绿—6，棕白—7，棕—8，如图所示。

  30. 双绞线线序和RJ-45接口引脚序号 • RJ-45接口由金属片和塑料构成，特别需要注意的是引脚序号，当金属片面对我们的时候从左至右引脚序号是1～8，如图所示。这个序号在做网络连线时非常重要，不能搞错。

  31. 双绞线的连接方式 在组建一个网络时，使用双绞线连接网卡和集线器的方式共有3种：网卡到集线器、集线器到集线器和网卡到网卡的连接。3种不同的连接方式下，双绞线两端的RJ-45接口中线的排列也不一样，下面以最常用的5类非屏蔽双绞线为例，分别介绍一下双绞线的3种连接方式。

  32. 网卡和集线器 网卡和集线器的连接，不需要错位，而是双绞线的顺序与接口引脚序号一致即可。如图所示。

  33. 网卡和集线器 • 根据10Base T和100Base TX传输规范，双绞线的4对(8根)线中，1和2必须是一对，用于发送数据；3和6必须是一对，用于接收数据。其余的线在连接当中虽也被插入RJ-45接口，但实际上并没有使用，如图所示。

  34. 网卡到网卡连接 在某些特定情况下，需要把两台计算机通过网卡直连。此时双绞线需要错位，其顺序与RJ-45接口引脚顺序连接成如图所示。

  35. 集线器到集线器 • 使用双绞线连接集线器和集线器，可以扩大网络规模，加大网络连接距离。从网卡到集线器，允许的最大网线长度为100米；从集线器到集线器，允许的最大网线长度也是100米。 • 集线器到集线器的双绞线连接方式可以根据集线器上的级联端口分为两种。如果使用集线器上专用的级联端口，则采用网卡到集线器连线方式，如果不使用集线器上专用的级联端口，则采用网卡到网卡连线方式。一般情况下，如果集线器有专用的级联端口，厂商会在该端口旁标注Out to Hub字样。

  36. 同轴电缆 • 50同轴电缆 • 75同轴电缆 同轴电缆 绝缘层 绝缘保护套层 外导体屏蔽层 内导体

  37. 光纤 • 光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点： • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。 • 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。 • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。 • 体积小，重量轻。

  38. 四芯光缆剖面的示意图 四芯光缆剖面的示意图

  39. 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）

  40. 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

  41. 光纤知识 • 多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。 • 单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。

  42. 光纤 • 当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。 • T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。 • 有源的T形接头实际上就是一个有源转发器。

  43. 使用有源转发器的光纤环路

  44. 光纤实物

  45. 2.3.2 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

  46. 2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 • 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道 A1 A2 A1 A2 共享信道 信道 复用 分用 B1 B2 B1 B2 信道 C1 C2 C1 C2 (a) 不使用复用技术 (b) 使用复用技术

  47. 频率 频率 5 频率 4 频率 3 频率 2 频率 1 时间 频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) • 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

  48. 时分复用TDM(Time Division Multiplexing) • 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 • 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 • TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 • 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

  49. A A A A TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 A 在TDM帧中 的位置不变 B C D B C D B C D B C D … 时间

  50. B B B B TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 B 在TDM帧中 的位置不变 A C D A C D A C D A C D … 时间

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