物理层2

2.1物理层的基本概念物理层是OSI体系结构中的最低一层。它向上毗邻数据链路层，向下直接与传输介质相连接。它起着数据链路层和传输介质之间的逻辑接口作用。物理层为传送二进制比特流数据而激活、维持、释放物理连接所提供的机械、电气、功能和过程特性。现代计算机网络中的物理设备和传输介质的种类繁多，而通信手段也越来越丰富，物理层在数据链路层和传输介质之间起了屏蔽和隔离作用，使数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。2.1物理层的基本概念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。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。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：2.2数据通信的基本知识基本术语数据(data)——从数据通信的角度来看，数据可以被定义为计算机可识别的任何有意义的实体。运送消息的实体。信号(signal)——是数据的一种电磁编码或光编码。是数据传输中的一种表现形式。数据传输——是指通过传输信道以电信号(或光信号)的形式把数据从一端传递到另一端的过程。通信——利用电子等技术手段，借助电(或光)信号实现从某一端(常称为信源端或发送端)向另一端(常称为信宿端或接收端)进行信息的有效传递和交换。传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机2.2数据通信的基本知识数据通信系统的模型2.2数据通信的基本知识信息源(简称信源)的作用是把待传输的数据转换成原始电信号，如电话系统中的电话机、网络系统中的终端或计算机等都可看成是信源。信道是信号传输的通路，信道中自然会叠加上噪声。信宿(也称受信者或接收终端)是将复原的原始信号转换成相应的信息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音，终端或计算机将对方传来的电信号还原成文本数据或图像数据等。2.2数据通信的基本知识有关信道的基本概念通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式。通常有三种分类方法，按数据代码传输的顺序分为：串行传输和并行传输；按数据传输的同步方式分为：同步传输和异步传输；按数据传输的流向和时间关系分为：单工、半双工和全双工传输。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。2.2数据通信的基本知识发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)返回2.2数据通信的基本知识一个或多个SYN字符控制字符数据字符SYNSYN控制字符t字节5字节4字节3字节2字节1bbbbbbb终止位(逻辑0)起始位(逻辑1)6543210返回2.2数据通信的基本知识发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收接收发送发送接收接收发送2.2数据通信的基本知识基带信号和带通信号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)，即变换基带信号的波形，称为基带调制，或编码。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），并转换为模拟信号，以便在模拟信道中传输。而使用载波的调制称为带通调制。2.2数据通信的基本知识常用的编码方式1000100111比特流不归零制归零制曼彻斯特差分曼彻斯特2.2数据通信的基本知识基本的带通调制方法调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0和1分别对应于无载波或有载波。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。为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM。2.2数据通信的基本知识基本的带通调制方法010011100基带信号调幅调频调相信道的极限容量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。有失真，但可识别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形失真大，无法识别发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形2.2数据通信的基本知识2.2数据通信的基本知识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。奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽W（W=f，单位Hz）的关系为Rmax=2·f（bps）(1)信道能够通过的频率范围限制码元在信道上的传输速率的因素有两个:2.2数据通信的基本知识(2)信噪比限制码元在信道上的传输速率的因素有两个: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。在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，信道的极限信息传输速率Rmax可表达为Rmax=Wlog2(1+S/N)bpsW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为信道内部的随机噪声功率。S/N为信噪比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Rmax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。香农公式表明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。注意：2.2数据通信的基本知识让每个码元携带更多比特的信息量。可用振幅调制、频率调制、相位调制。编码【举例】假定基带信号是：101011000110111010….如果直接发送，每个码元携带的信息量是1bit。假如通过相位调制，用相位ψ0表示000，ψ1表示001，ψ2表示010，ψ3表示011，ψ4表示100，ψ5表示101，ψ6表示110，ψ7表示111。那么刚才的18个码元可转换为6个新码元进行发送：101011000110111010….=ψ5ψ3ψ0ψ6ψ7ψ2…若以同样速率发送码元，则相同时间内所发送的信息量就提高到3倍。比如：信号发送速率为2000b/s，经过以上8种相位调制后，可获得相当于多大的最高发送率？2000b/s*3=6000b/s2.2数据通信的基本知识传输介质就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可以分为两大类：有线传输介质和无线传输介质，或引导型传输媒体或非引导型传输媒体。2.3传输介质传输介质的特性–物理特性：传输媒体的材质特性（物质构成、机械特性、温度性能、化学性能、几何尺寸、物理性质）–传输特性：传输容量、传输频率范围、衰减特性–连通性：点对点？多点连接–地理范围：不用中间设备并将失真限制在允许范围内，整个网络所允许的最大距离。–抗干扰性：抵抗噪音、电磁干扰–相对价格：线路+元件+安装+维护=？–线路使用方面：1条？多条？定时、同步；控制信号、数据信号、定时信号怎么区分？双绞线有线介质2.3传输介质双绞线RJ-45和AUIAttachmentUnitInterface屏蔽双绞线STP无屏蔽双绞线UTP有线介质铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a）屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b）非屏蔽双绞线2.3传输介质有线介质2.3传输介质错误制作的RJ-45头正确制作的RJ-45头568A：白橙／橙／白绿／蓝／白蓝／绿／白棕／棕568B：白绿／绿／白橙／蓝／白蓝／橙／白棕／棕双绞线的制作主要使用1991年，美国电子工业协会EIA和电信行业协会TIA联合发布的标准EIA/TIA-568有线介质2.3传输介质同轴电缆–50同轴电缆–75同轴电缆有线介质2.3传输介质外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体有线介质2.3传输介质服务器客户机客户机客户机BNCT型连接器终端电阻终端电阻2.3传输介质光缆光纤包层外部保护层(a)保护层包层光纤(b)包层保护层有线介质光电转换LED发送端输入PIN接收端输出光纤光信号光电转换特点：抗干扰能力强低损耗宽频带高速率低误码率安全性好体积小重量轻输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.3传输介质有线介质2.3传输介质无线介质—非引导性传输媒体10010210410610810101012101410161018102010221024无线电微波红外紫外线可见光X-射线γ-射线1041051061071081091010101110121013101410151016f(Hz)f(Hz)双绞线同轴电缆无线电(AM)无线电(FM)电视频道卫星通信地面微波通信光纤频段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF电信领域使用的电磁波的频谱2.3传输介质无线介质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。微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视情况下才能正常接收,大气对微波信号的吸收与散射影响较大。–地面微波接力通信–卫星通信2.3传输介质无线介质微波接力通信模型2.3传输介质无线介质优点：微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大因为工业干扰和自然干扰对微波通信小，因而传输质量较高与同容量和长度的电缆载波通信比较，建设投资少，见效快，易于跨越山区江河缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响与电缆通信系统相比，它的隐蔽性和保密性较差对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力2.3传输介质无线介质卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收卫星通信是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。2.3传输介质无线介质卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。和微波接力通信相似，卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定。卫星通信非常适合于广播通信，因为它的覆盖面很广。但从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性是较差的。2.4信道复用技术复用是通信技术中的基本概念。是指在发送端将多路低速信号合并成一路高速信号，在一条高速信道上传输，在接收端在分解成多路低速信号。共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用不使用复用技术使用复用技术在进行通信时，复用器总是和分用器成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器的相反，它把高速信道传送过来的数据进行分解，分别送交到相应的用户。2.4信道复用技术频分复用在一条通信线路上设置多个信道，每路信道的信号以不