1、計算機網絡教程指導物理層講解你還記得嗎？為什么ISO的7層協議OSI/RM未能得到實際應用？什么是計算機網絡什么是網絡體系結構什么是協議，它的三要素？OSI的TCP/IP分層比較？原理體系結構分哪幾層各層的作用，每層處理的數據單元是什么？什么叫客戶/服務器方式？如何工作的？第3章 物 理 層3.1 物理層的基本概念3.2 數據通信的基礎知識3.3 物理層下面的傳輸媒體3.4 模擬傳輸與數字傳輸3.5 信道復用技術3.6 同步光纖網SONET和同步數字系列SDH3.7 EIA-232-E接口標準退出3.1 物理層的基本概念用于物理層的協議也常稱為物理層規程(procedure)?？梢詫⑽锢韺拥闹?/p>

2、要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：（1）機械特性。（2）電氣特性。（3）功能特性。（4）規程特性。在物理連接上的傳輸方式一般都是串行傳輸，即一個比特一個比特地按照時間順序傳輸。但是，有時也可以采用多個比特的并行傳輸方式。3.2 數據通信的基礎知識3.2.1 數據通信系統的模型兩個PC機經過普通電話機的連線，再經過公用電話網進行通信。如圖3-1所示，一個數據通信系統可劃分為三大部分，即源系統(或發送端)、傳輸系統(或傳輸網絡)和目的系統(或接收端)。源系統一般包括以下兩個部分：（1）源站。（2）發送器。目的系統一般包括以下兩個部分：（1）接收器。（2）目的站。數據(data)是運送

3、信息的實體(你如何理解？），而信號(signal)則是數據的電氣的或電磁的表現。無論數據或信號，都可以是模擬的或數字的。所謂“模擬的”就是連續變化的，而“數字的”就表示取值是離散的。因此，數字數據(digital data)就是用不連續形式表示的數據。將數字數據轉換為模擬信號的過程叫作調制。一般說來，模擬數據和數字數據都可以轉換為模擬信號或數字信號。因此我們有以下四種情況：（1）模擬數據、模擬信號。（2）模擬數據、數字信號。（3）數字數據、模擬信號。（4）數字數據、數字信號。圖3-2給出了模擬的和數字的數據、信號的示意圖。3.2.2 有關信道的幾個基本概念從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有

4、以下三種基本方式。（1）單向通信：又稱為單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。（2）雙向交替通信：又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間后再反過來。（3）雙向同時通信：又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發送和接收信息。有時也常用“單工”這個名詞表示“雙向交替通信”。信道可以分成傳送模擬信號的模擬信道和傳送數字信號的數字信道兩大類。但應注意，數字信號在經過數模變換后就可以在模擬信道上傳送，模擬信號在經過模數變換后也可在數字信道上傳送。

5、信道上傳送的信號還有基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號之分。3.2.3 信道上的最高碼元傳輸速率圖3-3給出了一個數字信號通過實際的信道和質量很差的信道時的輸出波形。奈奎斯特(Nyquist)推導出在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式：理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud (3-1)這里W是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)；Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個碼元。式(3-1)就是著名的奈氏準則。奈氏準則的另一種表達方法是：每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個碼元。對于具有理想帶通矩形特性的信道(帶寬為W)，奈

6、氏準則就變為：理想帶通信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud (3-2)即每赫帶寬的帶通信道的最高碼元傳輸速率為每秒1個碼元。強調以下兩點：（1）一個實際的信道所能傳輸的最高碼元速率，要明顯地低于奈氏準則給出的這個上限數值。（2）波特是碼元傳輸的速率單位，它說明每秒傳多少個碼元。碼元傳輸速率也稱為調制速率、波形速率或符號速率。比特是信息量的單位，與碼元的傳輸速率“波特”是兩個完全不同的概念。3.2.4 信道的極限信息傳輸速率信道的極限信息傳輸速率C可表達為C = W log2(1+S/N) bit/s (3-3)其中：W為信道的帶寬(以Hz為單位)；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部

7、的高斯噪聲功率。式(3-3)就是著名的香農公式。香農公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高信息的傳輸速率，就必須設法使每一個碼元能攜帶更多個比特的信息量。這就需要采用多元制(又稱為多進制)的調制方法。圖3-4說明了奈氏準則和香農公式在數據通信系統中的作用范圍。3.3 物理層下面的傳輸媒體傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導向傳輸媒體和非導向傳輸媒體。在導向傳輸媒體中，電磁波被導向沿著固體媒體(銅線或光纖)傳播，而非導向傳輸媒體就是指自由空間，

8、在非導向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。圖3-5是電信領域使用的電磁波的頻譜。3.3.1 導向傳輸媒體1雙絞線把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，然后用規則的方法絞合(twist)起來就構成了雙絞線。從用戶電話機到交換機的這段線稱為用戶線或用戶環路(subscriber loop)。圖3-6是無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的示意圖。2同軸電纜同軸電纜由內導體銅質芯線(單股實心線或多股絞合線)、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護塑料外層所組成(圖3-7)。通常按特性阻抗數值的不同，將同軸電纜分為兩類：（1）50 同軸電纜50 同軸電纜又稱為基帶同軸電纜。在傳輸基帶數字信號時

9、，可以有多種不同的編碼方法。圖3-8畫的是未經編碼的原基帶數字信號和在計算機網絡中常用的兩種編碼方法，即：曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼。（2）75 同軸電纜75 同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。 在計算機通信中，“寬帶系統”是指采用了頻分復用和模擬傳輸技術的同軸電纜網絡。雙電纜系統的示意圖如圖3-9(a)所示。頭端(headend)的作用是將各計算機從發送電纜發過來的信息轉換到接收電纜，使得各計算機能從接收電纜上收到發送給它們的信息。圖3-9(b)為單電纜系統。3光纜光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。纖芯很細，其直徑只有8 100

10、m。正是這個纖芯用來傳導光波。包層較纖芯有較低的折射率。當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大于入射角(如圖3-10所示)。圖3-11畫出了光波在纖芯中傳播的示意圖。只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個臨界角度，就可產生全反射。因此，可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖(如圖3-12(a)所示)。若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖(圖3-12(b)。圖3-13為四芯光纜剖面的示意圖。光纖不僅具有通信容量非常大的優點，而且還具有其他的一些

11、特點：（1）傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。（2）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環境下尤為重要。（3）無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數據。（4）體積小，重量輕。當采用光纖連網時，常常將一段段點到點的鏈路串接起來構成一個環路，通過T形接頭連接到計算機。T形接頭有兩種：無源的和有源的。無源的T形接頭由于完全是無源的，因此非常可靠。有源的T形接頭實際上就是一個有源轉發器(如圖3-14所示)。3.3.2 非導向傳輸媒體1無線傳輸2地面微波接力通信其主要特點是：微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大；因為工業干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波

12、頻率低得多，對微波通信的危害比對短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質量較高；與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設投資少，見效快。微波接力通信缺點：相鄰站之間必須直視，不能有障礙物，有時一個天線發射出的信號也會分成幾條略有差別的路徑到達接收天線，因而造成失真；微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響；與電纜通信系統比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差； 對大量中繼站的使用和維護要耗費一定的人力和物力。3衛星通信衛星通信的最大特點是通信距離遠，且通信費用與通信距離無關。衛星通信的另一特點就是具有較大的傳播時延。下午好你還記得嗎？數據 模擬數據 數字數據信號 模擬信號 數字信號調制從通信雙

13、方的交互看通信方式分哪三類局域網中的三種編碼方法計算機網絡常用的通信媒體有哪些，有什么特點光纖傳輸的優缺點？光纖分為哪兩類，各有何特點？衛星通信的特點3.4 模擬傳輸與數字傳輸3.4.1 模擬傳輸系統3.4.2 調制解調器1調制解調器的作用圖3-15表示了出現一個誤碼的示意圖。若所傳送的碼元速率越高，信號的失真就越嚴重。調制解調器(modem)就是由調制器(MOdulator)和解調器(DEModulator)這兩個字各取其字頭合并而成的。調制器的主要作用就是個波形變換器，解調器的作用就是個波形識別器。2幾種最基本的調制方法所謂調制就是進行波形變換?；蛘吒鼑栏裥?，是進行頻譜變換，將基帶數字信號

14、的頻譜變換成為適合于在模擬信道中傳輸的頻譜。最基本的調制方法有以下幾種(如圖3-16所示)：（1）調幅(AM )：載波的振幅隨基帶數字信號的變化而變化（2）調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號的變化而變化（3）調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數字信號的變化而變化上述的對數字信號的調頻和調相，分別稱為移頻鍵控FSK (Frequency Shift Keying)和移相鍵控PSK (Phase Shift Keying)。而對移相鍵控還可再分為絕對移相鍵控和相對移相鍵控(DPSK)。圖3-17畫的是一種正交調制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)的星座圖

15、。若每一個碼元可表示的比特數越多(即在星座圖中的點數越多)，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態就越困難。3關于調制解調器的速率圖3-18(a)表示兩個計算機用戶A和B通過調制解調器(33.6 kbit/s)進行通信。由于大部分的ISP都使用租用數字專線接入到電話交換機，因此用戶與ISP之間的通信信道是圖3-18(b)所示的那樣。經數模轉換后到用戶環路，只有在模擬信號到達用戶的調制解調器后才進行數模轉換，這時才產生量化噪聲。4調制解調器使用異步通信方式數據通信可分為同步通信和異步通信兩大類。同步通信就是要求接收端的時鐘頻率和發送端的時鐘頻率相等(這常稱為收發雙方的時鐘是同步的)，以便使接收

16、端對收到的比特流的采樣判決的時間是準確的。當接收端的判決點移動的時間超過碼元寬度的一半時(本來判決點應當處于每一個碼元的中間)，就要產生差錯(比特重讀或漏讀)，這就是所謂的滑動(slip)。準同步方式是各有關信號使用一些獨立的、具有相同的頻率標稱值的時鐘源，但這些頻率的實際數值允許有微小的誤差(在容許范圍之內)。異步通信則采用另一種方法。這就是在發送端將欲發送的數據以字節(8個比特)為單位進行逐個字節的封裝。異步通信是通過增加通信開銷(每發送10個比特就有兩個比特的額外開銷，因而數據的有效傳輸速率就降低了)使接收端能夠使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進行數據通信。3.4.3 數字傳輸系統為了將

17、模擬電話信號轉變為數字信號，必須先對電話信號進行采樣。根據采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復出原來的電話信號。標準的電話信號的最高頻率為3.4 kHz，為方便起見，采樣頻率就定為8 kHz，相當于采樣周期為125 s。圖3-19表示了上述的概念。圖3-20在2.048 Mbit/s的傳輸線路兩端同步旋轉的開關(這只是為闡述原理用的示意圖)，表示32個時隙中的比特的發送和接收必須和時隙的編號相對應，不能弄亂。 表3-1給出了歐洲和北美系統的高次群的話路數和數據率。3.5 信道復用技術3.5.1 頻分復用、時分復用和統計時分復用頻分復用和時分復用的

18、特點分別如圖3-21(a)和(b)所示。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源(請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率)。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。頻分復用 將傳輸頻帶劃分為多個窄頻帶，每個窄頻帶構成一個子通道。 每個子通道獨立地傳輸一路信息。 總帶寬為NW。 窄帶寬之間留有保護帶。時分復用 將物理信道按時間分成時間片，輪流分配給多個信源使用公共線路 由N個時間片（時隙）組成一個幀，每路占用一個固定位置的時隙，構成一個子通道 每個時隙可以傳輸一個數據單元，可以是位、字符、分組，對應叫做：比特復用、字節復用、分組復用統計時分復用 時分復用的改進

19、根據輸入端的狀態動態地分配時隙，而不是固定分配在進行通信時，復用器(multiplexer)總是和分用器(demultiplexer)成對地使用。當使用時分復用系統傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發性質，一個用戶對已經分配到的子信道的利用率一般是不高的。當用戶在某一段時間暫時無數據傳輸時(例如用戶正在鍵盤上輸入數據或正在瀏覽屏幕上的信息)，那就只能讓已經分配到手的子信道空閑著，而其他用戶也無法使用這個暫時空閑的線路資源。圖3-22說明了這一概念。統計時分復用STDM (Statistic TDM)是一種改進的時分復用，它能明顯地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用這種

20、統計時分復用。圖3-23是統計時分復用的原理圖。統計復用又稱為異步時分復用，而普通的時分復用稱為同步時分復用。從平均的角度來看，這兩者是平衡的。3.5.2 波分復用圖3-24表示8路傳輸速率均為2.5 Gbit/s的光載波(其波長均為1310 nm)，經光的調制后，分別將波長變換到1550 1557 nm，每個光載波相隔1 nm (這里只是為了說明問題的方便，實際上光載波的間隔一般是或1.6 nm)。3.5.3 碼分復用碼分復用CDM (Code Division Multiplexing)是另一種共享信道的方法。實際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA (Code Division Multiple Access)每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。由于各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，