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王占全 zhqwang@ecust

计算机网络. 王占全 zhqwang@ecust.edu.cn. 本章学习要求 ： 掌握：物理层与物理层协议的基本概念 掌握：数据通信的基本概念 掌握：无线与卫星通信技术的基本概念 掌握：数据编码的类型和基本方法 掌握：基带传输的基本概念 掌握：频带传输的基本概念 掌握：多路复用的分类与特点 掌握：广域网中的数据交换技术 掌握：同步数字体系 SDH 的基本概念. 第 3 章 物理层. 3.1 物理层与物理层协议的基本概念. 3.1.1 物理层的基本概念 通信子网分为点 - 点通信线路通信子网与广播信道通信子网 ;

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  1. 计算机网络 王占全 zhqwang@ecust.edu.cn

  2. 本章学习要求： • 掌握：物理层与物理层协议的基本概念 • 掌握：数据通信的基本概念 • 掌握：无线与卫星通信技术的基本概念 • 掌握：数据编码的类型和基本方法 • 掌握：基带传输的基本概念 • 掌握：频带传输的基本概念 • 掌握：多路复用的分类与特点 • 掌握：广域网中的数据交换技术 • 掌握：同步数字体系SDH的基本概念 第3章 物理层

  3. 3.1物理层与物理层协议的基本概念 • 3.1.1 物理层的基本概念 • 通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网; • 广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道; • 由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。

  4. 物理层的定义和功能 续 • 物理层的定义 • ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。 • 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。

  5. 3.1.2 物理层基本服务功能 • 物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流； • 计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的目的也是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性； • 数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。

  6. 3.1.3 物理层向数据链路层提供的服务 • 物理连接的建立、维护与释放 ； • 物理连接分为点-点连接与多点连接 ； • 数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ； • 数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ； • 串行传输方式的物理数据服务单元是位； • 并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数。

  7. 3.1.4物理层的四个重要特性 • 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)

  8. 物理层的特性 • 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

  9. 物理层的特性 • 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。 • 功能特性 • 主要定义各条物理线路功能和电平电压表示何种意义。 • 规程特性 • 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关。

  10. 典型的物理层标准接口（1） • 1 EIA RS-232-C • 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。 • 机械特性 • 25芯连接器， DTE （Data Terminal Equipment）为终端， DCE（Data Circuit-terminating Equipment）连接。 • 电气特性 • 采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+4V为 “0”，最大 20Kbps，最长15m。

  11. 典型的物理层标准接口（2） • 功能特性 • 定义了21条线，许多子集，基本与CCITT V.24兼容 • 规程特性 • 对不同的功能子集，有不同的规程。 • RS-232-C 有14中不同的接口类型，适合于单工，半双工，全双工，同步，异步。

  12. DTE-A DTE-B DCE-A DCE-B 网 络 EIA-232/ V.24 接口 调制解调器 调制解调器

  13. DTE-A DTE-B DCE-A DCE-B 网 络 EIA-232/ V.24 接口 调制解调器 调制解调器 EIA-232/ V.24 接口

  14. RS232接头

  15. 典型的物理层标准接口（3） • 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

  16. 典型的物理层标准接口（4） • 2 EIA RS-449/422-A/423-A • EIA RS-449 是为替代RS-232-C 而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。 • 主要改进 • 改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率； • 增加了新的接口功能，例如，回送检查； • 机械特性 • 37芯或9芯连接器。

  17. 典型的物理层标准接口（5） • 电气特性 • 与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性 RS-423-A，20Kbps以下 • 其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A ，20Kbps ~ 2Mbps • 功能特性 • 定义了30 条功能线。 • 规程特性 • 基本上以RS-232-C 为基础。

  18. 典型的物理层标准接口（6） • 3 CCITT X.21 • X.21：在公共数据网PDN中进行同步操作的DTE/DCE之间的通用接口。 • 1980年的X.21由两部分组成： • “通用接口”：真正的物理层部分； • 用于电路交换网络的呼叫控制规程，用于DTE之间的连接，涉及到许多数据链路层和网络层的功能。 • 机械特性 • 15针连接器，ISO 4903。

  19. 典型的物理层标准接口（7） • 电气特性 • 采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。 • 传输速率：600，2400，4800，9600，48000bps • DTE使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；DCE使用平衡型电气特性 • 功能特性 • 定义了8条功能线。 • 规程特性 • 分成四个工作阶段: 空闲，呼叫控制，数据传送，清除

  20. 3.2 数据通信的基本概念 3.2.1 信息、数据与信号 1.信息的基本概念 • 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。 什么是数据、信息、知识？

  21. 信息编码标准 • ASCII 码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO 646，又称为国际5号码; • 它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准; • ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符; • 字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。

  22. 多媒体网络应用 • 利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一； • 与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性； • 多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出更高的要求。

  23. 2.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。

  24. 模拟信号波型 • 数字信号波型

  25. 3.2.2 数据传输类型与通信方式 Backbone ISP ISP 网络中两台计算机 的通信过程？ • Residential Access • Modem • DSL • Cable modem • Satellite • LAN • Campus network • Ethernet, ATM • Enterprise/ISP access, Backbone transmission • T1/T3, DS-1 DS-3 • OC-3, OC-12 • ATM vs. SONET, vs. WDM

  26. 网络通信系统设计中要解决的几个基本问题： • 数据传输类型 • 模拟通信 • 数字通信 • 数据通信方式 • 串行通信、并行通信 • 单工通信、半双工或全双工通信 • 同步方式 • 同步通信 • 异步通信

  27. 串行通信与并行通信 并行通信需要建立多个信道，因而造价高。所以在远程通信中，一般采用串行通信

  28. 单工、半双工与全双工通信

  29. 同步通信与异步通信

  30. 3.2.3 传输介质的主要类型 • 1 磁介质 • 2 双绞线 • 3 同轴电缆 • 4 光纤电缆 • 5 无线与卫星通信信道

  31. 1 磁介质 • 磁带，软盘，硬盘等 • 工业标准Ultrium磁带容纳200g字节，一个60X60X60的箱子容纳1000个这样的磁盘，目前美国最快的快递公司在24小时内把这个箱子可以投递到美国所有的地方。这样一次传输的有效带宽是19Gbps，如果是一个小时的话，那么更快。目前一个计算机网络达到这样的传输能力是不现实的。 • “Never underestimate the bandwidth of a wagon full of tapes hurtling down the highway.”

  32. 2. 双绞线 • 物理特性 • 既可用于模拟传输，也可用于数据传输； • 带宽依赖于线的类型和传输距离； • 3类线，5类线，增强型5类线、6类线、7类线 • 非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair），屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair） • —屏蔽双绞线 • 由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成 • —非屏蔽双绞线 • 由外部保护层与多对双绞线组成。

  33. 2. 双绞线 五类25对室外阻水非屏蔽双绞线 五类4对室外屏蔽双绞线 七类每对屏蔽双绞线 三类2对非屏蔽双绞线

  34. 双绞线传输特性 • 根据传输特性可分为五类。 • Ethernet网中，常用第三类、第四类与第五类非屏蔽双绞线，通常简称为三类线、四类线和五类线。 • 三类线-----带宽为16MHz---速率10Mbps • 四类线-----带宽为20MHz----速率 16Mbps • 五类线-----带宽为100MHz---速率100Mbps • 六类线-----带宽为200MHz • 七类线-----带宽为600MHz－1200MHz

  35. 非屏蔽双绞线的特点 • 优点 • 尺寸小、重量轻、容易弯曲 • 价格便宜 • 容易安装和维护 • RJ-45连接器牢固、可靠 • 缺点 • 抗干扰能力较弱 • 传输距离比较短 • UTP分为：3类线、4类线、5类线和超5类线 • UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线

  36. 带有RJ－45接头的双绞线

  37. 具有以太网卡的计算机背面

  38. 一个10/100M双绞线以太网接口，指示灯的状态显示接口连接在一个10M以太网上一个10/100M双绞线以太网接口，指示灯的状态显示接口连接在一个10M以太网上

  39. 3 同轴电缆（Coaxial Cable） • 物理特性 同轴电缆图

  40. **横截面是一组同心圆。 由内导体、绝缘层、外导体及外部保护层组成

  41. 同轴电缆的特点 优点 传输距离较远，覆盖的地域范围较大 技术非常成熟 缺点 电缆硬，折曲困难，重量重 局域网常用同轴电缆 粗同轴电缆：特征阻抗50Ω ，直径1cm 细同轴电缆：特征阻抗50Ω，直径0.5cm。

  42. 4 光缆

  43. 光纤 • 目前，专家说光纤带宽可以超过50Tbps；8  2.5 Gbps，8  10 Gbps ，32  10 Gbps 的 光纤传输 已经实用； • 光纤分类：单模光纤和多模光纤 • 光源发出的光进入光纤后，入射角度小的光被反射，并沿着光纤传播，其他光被周围介质吸收，能够反射的角度有多个，这种形式的传播称为多模。多模光纤适于短距离传输。 • 当光纤半径减小到波长的数量级时，只有一个角度（或者一个模式）的光线可以进入，这种形式的传播称为单模。单模光线适于长距离传输。 • 单模和多模都支持同时传输几个不同波长的光线，支持波分复用。 目前，全世界的科学家都在努力研究下一代网络技术，以满足终端用户对于传输速度和稳定性日益增长的需求。美国的National LambdaRail (NLR)就在通过一种全光纤网络(Optical networking)连接全美的各个大学，这一计划对于未来的商用市场有着巨大的潜在影响力，很多网络专家甚至将该计划同互联网的出现相提并论。试验全光纤网络 传输速度有望达每秒10Gb

  44. 单模光纤与多模光纤的比较

  45. 常用的三个波长窗口（光纤波段） • 850 nm： 衰减（attenuation) 大，传输速率和距离受限制，但价格便宜； • 1310 nm： 衰减小，无色散（dispersion） 补偿、功率放大情况下，最大传40km（ 最坏情况） • 1550 nm： 衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（ 最坏情况） 孤波

  46. 光缆的特点 • 优点 • 传输速率高 • 传输距离远 • 传输损耗低 • 抗干扰能力强 • 安全 • 缺点 • 价格相对较高 • 安装比较困难 • 光纤的分类 • 多模光纤 • 单模光纤（传输质量比多模光纤好） • 光缆适合于楼宇内部的结构化布线以及大型骨干网络

  47. Caption: Optical fiber cables connected to an ATM switch.

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