计算机网络与通信课件第3章

第三章物理层3.1物理层作用传输媒体上比特流的传输，而不是具体的物理设备或具体的传输媒体。物理层的作用：屏蔽物理设备的差异，用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。1、物理层提供的服务物理连接的建立、维持和释放传输数据物理层的管理2、物理层解决的主要问题传输介质和接口的物理特性比特的表示数据速率位同步线路配置物理拓扑传输方式传输媒体接口的特性⑴机械特性：说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。⑵电气特性：说明信号电平、发送器输出阻抗、接收器输入阻抗、平衡特性、负载要求、连接距离和传输速率。⑶功能特性：说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。一线一意一线多意⑷规程特性说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。3.2多媒体信息的数字表示1、流信息的数字化表示（PCM技术）(1)过程:采样Sampling、量化Quantizing、编码Encoding量化：将取样类型种类成2的次方数编码：如取样的种类为32，则每一次取样采用5个比特编码。范例：3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号PAM脉冲（采样）PCM脉冲（量化）有量化差错011100011011001100PCM输出（编码）PCM体制现在家中使用电话是通过模拟信号传到电话局，电话局要将这种模拟信号转变成数字信号进行传送，常用的系统就是PCM系统PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/sE1、T1标准对比时隙、帧、分组、报文：固定数量的码片。E1系统共32个时隙每个时隙8bit共256bit,每秒钟8000个帧，速率为2.048Mb/s,其中2个时隙用于控制；所以共30话路。（340-3400）T1系统共24个时隙，每个时隙8bit(采样为7bit编码，加一位控制码)共192bit再加一位总控制码，每帧193bit,每秒钟8000个帧，速率为8x193=1.544Mb/s3.3数据传输信道广义信道：含传输介质及完成各种形式的信号变换设备狭义信道：传输介质1、信道容量指信道的极限传输能力信道最大传输速率收信道带宽限制无噪声信道：C=2Blog2n有噪声信道：Rb=Blog2(1+S/N)2、多路复用技术复用：多种信号在同一信道中传输而互不干扰。主要方式有：频分复用时分复用（TDM）同步异步统计时分复用码分复用（CDMA）扩频码移动通信无线计算机波分复用（WDM）光纤衍射光栅频分复用（FDM）同步异步频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用（TDM）频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用（TDM）频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用（TDM）频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用（TDM）频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用可能会造成线路资源的浪费用户ABCDattttt④③②①a….bcdaab统计时分复用统计时分复用STDM用户ABCDattttt④③②①aadda统计时分复用dd1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用WDM波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km码分复用CDMA基本原理0:+11:-13、有线传输介质(1)双绞线铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP双绞线（最远100m）T568A接线线序T568B接线线序(2)同轴电缆同轴电缆的两端还要接上终端负载，以消除信号传输到电缆的端点时产生的电磁波反射。基带（10Mbps）同轴电缆的特征阻抗为50欧，宽带(500Mbps)同轴电缆为75欧。因为信号沿总线传播时会产生衰减。粗缆的最大长度被限制为500m。细缆185m(较便宜)若实际网络需要跨越更长的距离，就必须采用转发器(repeater)将信号放大并整形后再转发出去。转发器又称为中继器，它工作在物理层。同轴电缆的结构(3)光纤光纤通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽4、无线传输介质1、数字信号的基带传输3.4数字信号的传输单极性码：1---高电平0-----0电平双极性码：1---正电平0-----负电平归零码：信息传输后归零非归零码差分码：电平变化与否来表示逻辑曼彻斯特编码：0-1:0;1-0:1mBnB编码：码集映射2、数字信号的频带传输通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。（1）幅移键控方式（ASK）（2）频移键控方式（FSK）（3）相移键控方式（PSK）3、差错控制(1)差错控制的基本方法检错重传停止等待重传连续自动重传拉回方式选择重发方式前向差错纠正（FEC）:添加冗余位指示发生错误的位置。数据长度m与冗余位数r的关系是：2r≥m+r+1混合纠错方式(2)差错检测：①奇偶校验（无法检测偶数个错误比特数）奇校验：R=I1+I2+…+In+1R为监督位偶校验：R=I1+I2+…+In表达式为约束关系②二维奇偶（纵向冗余校验）多个数据域组成数据块，每个数据奇偶校验，各对应位再分别进行奇偶校验）③Internet检验和：RFC1071④循环冗余校验（传输序列做规定除法操作，余数作为效验码。可检测99.95%错误）Internet检验和步骤:（1）待校验的相邻字节成对组成16比特整数并计算其和（1的补码求和：其反码代表其相反数）的二进制反码。（2）为了生成校验和，校验和区域本身应当先置0，并和待校验数据相加，其和进行二进制反码运算后赋给校验和区域。（3）检查校验和时，将所有字节，包括校验和，进行1的补码求和。如果结果为全12的补码定点整数表示方法及其加法计算十进制：-3+5=2二进制：FD+05=0102去掉进位即为和1的补码定点整数表示方法及其加法计算十进制：-3+5=2二进制：FC+05=0101进位加到低位即为和Internet检验和简例发送序列FE05求其和：FE+05=0103求其1的补码和为03+01=04取其反码为FB,即为Internet检验和接收端：求接收序列的和：FE+05+FB=0103+FB=01FE更正为1的补码和为：FE+01=FFCrc算法说明：①确定生成多项式g(x)（k为最高次幂）②发送多项式f(x)左移k位,即f(x)xk③f(x)xk/g(x)（模2减法或异或操作）④余数多项式加f(x)xk一起发送例：发送序列：1101011011生成多项式：x4+x+13.5数据传输方式1、通信方式：单工通信：两通信终端间只能由一方将数据传输给另一方，即一方仅可为发送端，另一方仅能为接收端。半双工通信：两通信终端可以互传信息，即都可以发送或接收数据。但在同一时间，两通信终端间只能由一方将数据传输给另一方。即任一方都不能在同一时间既发送又接收，只能在同一时间一方发送另一方接收。全双工通信：两通信终端可以在两个方向上同时进行数据的收发传输。即在同一时间，两通信终端可以同时发送或接收数据。2、串行传输与并行传输并行传输串行传输同步：接收端按发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据。位同步：位的时间宽度字符同步：字符的起止和结束帧同步：信息块的其始和结束3、同步方式(1)异步式：字符同步：起止同步式位同步：外同步自同步(2)同步式：对一组数据块进行同步：帧同步面向字符的同步面向比特的同步6、数据传输通信方式单工通信：两通信终端间只能由一方将数据传输给另一方，即一方仅可为发送端，另一方仅能为接收端。半双工通信：两通信终端可以互传信息，即都可以发送或接收数据。但在同一时间，两通信终端间只能由一方将数据传输给另一方。即任一方都不能在同一时间既发送又接收，只能在同一时间一方发送另一方接收。全双工通信：两通信终端可以在两个方向上同时进行数据的收发传输。即在同一时间，两通信终端可以同时发送或接收数据。3.6、物理层标准举例EIARS-232接口标准RS：“推荐标准”，232：编号。1969：EIA-232-C，C：第三个修订版本。1987：EIA-232-D。1991：EIA-232-E。EIA-232是DTE与DCE之间的接口标准机械特性：IS0211025针或9针DTE(针式，Male)DCE(孔式，Female)电气特性：单端发送，单端接收，逻辑0：+5~+15V；逻辑1：-5~-15V；最远15m功能特性：引脚定义规程特性：时序补充：DTE：数据终端设备，具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备。数据传输能力是有限。可是计算机或终端，也可以I/O设备DCE：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。调制解调器DTE可以是一台计算机或一个终端，也可以是各种的I/O设备。典型的DCE则是一个与模拟电话线路相连接的调制解调器。DCE虽然处于通信环境内，但它和DTE均属于用户设施两个DTE通过DCE进行通信的例子(1)DTE-A和DTE-B通信,引脚20置为ON,同时通过引脚2向DCE-A传送电话号码信号;(2)DCE-B将引脚22置为ON,通知DTE-B有呼叫信号到达。DTE-B将引脚20置为ON。DCE-B接着产生载波信号,并将引脚6置为ON,表示已经准备好接收数据。(3)当DCE-A检测到载波信号时,将引脚8和引脚6都置为ON,以便使DTE-A知道通信电路已经建立。DCE-A通过引脚3向DTE-A发送信息。(4)DCE-A接着向DCE-B发送其载波信号,DCE-B将其引脚8置为ON。(5)当DTE-A要发送数据时,将其引脚4置为ON。DCE-A作为响应将引脚5置为ON。然后，DTE-A通过引脚2来发送其数据。DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送出去。(6)DCE-B将收到的模拟信号转换为数字信号经过引脚3向DTE-B发送。补充：物理层设备1、中继器：用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。增加了传输时延2、集线器(HUB)(1)用于组建星型网集线器两对双绞线站点RJ-45插头(2)内部结构集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线(3)特点集线器有许多端口，每个端口通过RJ-45插座用两对双绞线与一个工作站上的网卡相连集线器的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当某个端口接收到有效数据帧时，转送到所有其他各端口集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。这样就可使端口转发出去的较强信号不致对该端口接收到的较弱信号产生干扰(这种干扰叫做近端串音)。数据在转发之前还要进行再生整形并重新定时。网络中的各个计算机必须竞争对传输媒体的控制，在特定时间至多只有一台计算机能够发送数据。10BASE-T以太网又称为盒中总线。工作在物理层，逻辑上是总线网网络线的制作准备工作：-双绞线-RJ-45水晶头-压线钳-测试仪双绞线外壳橙对：橙、橙白蓝对：蓝、蓝白绿对：绿、绿白棕对：棕、棕白RJ45水晶头压线钳（1