第3章物理層3.1物理層的基本概念3.2傳輸介質(zhì)3.3物理層接口協(xié)議

3.4常用的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)3.5物理層網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備3.6數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)思考題與習(xí)題3.1物理層的基本概念由前述可知，物理層是OSI體系結(jié)構(gòu)中的最低一層。它向上毗鄰數(shù)據(jù)鏈路層，向下直接與傳輸介質(zhì)相連接。它起著數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸介質(zhì)之間的邏輯接口作用。

ISO/OSI參考模型對物理層的描述是：物理層為傳送二進(jìn)制比特流數(shù)據(jù)而激活、維持、釋放物理連接所提供的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性和規(guī)程特性。這種物理連接可以通過中繼系統(tǒng)，每次都在物理層內(nèi)進(jìn)行二進(jìn)制比特流數(shù)據(jù)的中繼傳輸。這種物理連接允許進(jìn)行全雙工或半雙工的二進(jìn)制比特流傳輸。物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(即二進(jìn)制比特流)的傳輸可通過同步方式或異步方式進(jìn)行。由此可見，物理層接口協(xié)議的主要內(nèi)容是：①提供物理連接的四種特性，即機(jī)械特性、電氣特性、功能特性、規(guī)程特性。這些特性約定了使用什么樣的物理信號來表示數(shù)據(jù)“1”和“0”；一位信號的持續(xù)時間多長；物理層與傳輸介質(zhì)的連接接口(插頭和插座)有多少針以及各針的功能和動作時序。②為傳送物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元——非結(jié)構(gòu)化的比特流確定通信方式、同步方式和編碼規(guī)則。物理層為數(shù)據(jù)鏈路層提供的主要服務(wù)是：①物理連接，即為數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)體之間進(jìn)行透明的位流傳輸建立聯(lián)系。物理連接的建立將涉及到連接方式(即點(diǎn)對點(diǎn)連接或多點(diǎn)連接)和傳輸方式(包括通信方式、同步方式等)的選擇、資源(如物理傳輸介質(zhì)、中繼電路、緩沖區(qū)等)的分配等問題。②確定服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，比如誤碼率、傳送速度、傳輸延遲、服務(wù)可用性等。物理連接的質(zhì)量是由組成它的傳輸介質(zhì)、物理設(shè)備等決定的。從服務(wù)質(zhì)量參數(shù)可得出物理連接為數(shù)據(jù)鏈路層所提供的服務(wù)質(zhì)量。需要強(qiáng)調(diào)是，凡是具備上述協(xié)議和服務(wù)定義的層，即為物理層。物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流，而不是指連接計(jì)算機(jī)的具體的物理設(shè)備或具體的傳輸介質(zhì)。我們知道，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備和傳輸介質(zhì)的種類繁多，而通信手段也越來越豐富，物理層在數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸介質(zhì)之間起了屏蔽和隔離作用，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異，這樣就可以使數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)議和服務(wù)，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸介質(zhì)是什么。與OSI參考模型的其他層相比，物理層標(biāo)準(zhǔn)是不完善的。因?yàn)樗鼪]有提到物理實(shí)體、服務(wù)原語、物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元等概念，而是經(jīng)常講物理層的服務(wù)數(shù)據(jù)單元——比特流、物理連接等。其原因是，早在ISO／OSI參考模型提出之前，許多屬于物理層的接口協(xié)議就已經(jīng)制定出來了，而且在物理層采用這些接口協(xié)議的物理設(shè)備也被大量產(chǎn)業(yè)化，并廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域。在這樣的實(shí)現(xiàn)背景下，如果ISO在制定物理層標(biāo)準(zhǔn)時，仍像其他層那樣，提出嚴(yán)格的服務(wù)定義和協(xié)議規(guī)范，硬性地制定一套OSI參考模型物理層的標(biāo)準(zhǔn)，勢必很難得到應(yīng)用和推廣。況且，已經(jīng)存在的物理層規(guī)范還是比較成功的。因此，ISO對OSI參考模型物理層的標(biāo)準(zhǔn)化工作并沒有像其他層那樣嚴(yán)格定義，只是提出了如上所述的描述。3.2傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是為數(shù)據(jù)傳輸提供物理的通路，并通過它把網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備互連在一起。在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)有很多種，每一種介質(zhì)的帶寬、時延、抗干擾能力和費(fèi)用以及安裝維護(hù)難度等特性都各不相同。本節(jié)將介紹計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的一些傳輸介質(zhì)及其有關(guān)的通信特性。3.2.1有線介質(zhì)1.雙絞線雙絞線又稱為雙扭線，它由若干對銅導(dǎo)線(每對有兩條相互絕緣的銅導(dǎo)線按一定規(guī)則絞合在一起)組成。采用這種絞合起來的結(jié)構(gòu)是為了減少對鄰近線對的電磁干擾。為了進(jìn)一步提高雙絞線的抗電磁干擾的能力，還可以在雙絞線的外層再加上一個用金屬絲編織成的屏蔽層。根據(jù)是否外加屏蔽層，雙絞線又可分為屏蔽雙絞線STP(ShieldTwistedPair)和非屏蔽雙絞線UTP(UnShieldTwistedPair)兩類(如圖3-1所示)。非屏蔽雙絞線的阻抗值為100Ω，其傳輸性能適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境要求，應(yīng)用十分廣泛，是建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)主要的傳輸介質(zhì)。屏蔽式雙絞線的阻抗值為150Ω，具有一個金屬甲套，對電磁干擾EMI(ElectromagneticInterference)具有較強(qiáng)的抵抗能力。因其使用環(huán)境要求苛刻，以及產(chǎn)品價格成本等原因，目前應(yīng)用較少。圖3-1雙絞線結(jié)構(gòu)示意圖雙絞線既可用于模擬信號傳輸，也可用于數(shù)字信號傳輸，其通信距離一般為幾到十幾公里。導(dǎo)線越粗，通信距離越遠(yuǎn)，但導(dǎo)線價格也越高。由于雙絞線的性能價格比相對其他傳輸介質(zhì)要好，所以使用十分廣泛。隨著局域網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，美國電子工業(yè)協(xié)會的遠(yuǎn)程通信工業(yè)分會(EIA/TIA)在1995年頒布了新的“商用建筑物電信布線標(biāo)準(zhǔn)”EIA/TIA-586-A。此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5個種類的UTP標(biāo)準(zhǔn)(從1類線到5類線，見表3-1)。最常用的UTP是3類線和5類線。5類線與3類線的主要區(qū)別是：前者大大增加了每單位長度的絞合次數(shù)；其次，在線對間的絞合度和線對內(nèi)兩根導(dǎo)線的絞合度上都經(jīng)過了精心的設(shè)計(jì)，并在生產(chǎn)中加以嚴(yán)格的控制，使干擾在一定程度上得以抵消，從而提高了線路的傳輸特性。目前，在結(jié)構(gòu)化布線工程建設(shè)中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線路普遍采用100Ω的5類或者超5類(5e)的非屏蔽雙絞線系列產(chǎn)品作為主要的傳輸介質(zhì)。EIA/TIA-586標(biāo)準(zhǔn)會隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷修正和完善，例如，在1998年4月已有6類雙絞線的草案問世。表3-1EIA/TIA-A標(biāo)準(zhǔn)雙絞線適用范圍1類雙絞線電話傳輸2類雙絞線電話和低速數(shù)據(jù)傳輸(最高4Mb/s)3類雙絞線10Mb/S的10Bas-T以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸4類雙絞線16Mb/s的令牌環(huán)網(wǎng)5類雙絞線100Mb/s的100Base-TX和100Base-T4快速以太網(wǎng)2.同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)線銅質(zhì)芯線、單股實(shí)心線(或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層以及保護(hù)塑料外層所組成(如圖3-2所示)。同軸電纜的這種結(jié)構(gòu)使其具有高帶寬和較好的抗干擾特性，并且可在共享通信線路上支持更多的站點(diǎn)。按特性阻抗數(shù)值的不同，同軸電纜又分為兩種，一種是50Ω的基帶同軸電纜；另一種是75Ω的寬帶同軸電纜。圖3-2同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖(1)基帶同軸電纜。一條電纜只支持一個信道，傳輸帶寬為1～20Mb/s。它可以10Mb/s的速率把基帶數(shù)字信號傳輸1～1.2km遠(yuǎn)。所謂“基帶數(shù)字信號傳輸”，是指按數(shù)字信號位流形式進(jìn)行的傳輸，無需任何調(diào)制。它是局域網(wǎng)中廣泛使用的一種信號傳輸技術(shù)。(2)寬帶同軸電纜。寬帶同軸電纜支持的帶寬為300～450MHz，可用于寬帶數(shù)據(jù)信號的傳輸，傳輸距離可達(dá)100km。所謂“寬帶數(shù)據(jù)信號傳輸”是指可利用多路復(fù)用技術(shù)在寬帶介質(zhì)上進(jìn)行多路數(shù)據(jù)信號的傳輸。它既能傳輸數(shù)字信號，也能傳輸諸如話音、視頻等模擬信號，是綜合服務(wù)寬帶網(wǎng)的一種理想介質(zhì)。同軸電纜的類型如表3-2所示。表3-2同軸電纜的類型電纜類型網(wǎng)絡(luò)類型電纜電阻/端接口器(口)RG-810Base5以太網(wǎng)50RG-1110Base5以太網(wǎng)50RG-58A/U10Base2以太網(wǎng)50RG-59/UARCnet網(wǎng)，有線電視網(wǎng)75RG-62A/UARCnet網(wǎng)933.光纖光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)傳遞光脈沖來進(jìn)行通信。有光脈沖的出現(xiàn)表示“1”，不出現(xiàn)表示“0”。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級，因此，一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他各種傳輸介質(zhì)的帶寬，是目前最有發(fā)展前途的有線傳輸介質(zhì)。光纖呈圓柱形，由芯、封套和外套三部分組成(如圖3-3所示)。芯是光纖最中心的部分，它由一條或多條非常細(xì)的玻璃或塑料纖維線構(gòu)成，每根纖維線都有它自己的封套。這一玻璃或塑料封套涂層的折射率比芯低，從而使光波保持在芯內(nèi)。環(huán)繞一束或多束封套纖維的外套由若干塑料或其他材料層構(gòu)成，以防止外部的潮濕氣體侵入，并可防止磨損或擠壓等傷害。圖3-3光纖結(jié)構(gòu)示意圖在數(shù)據(jù)傳輸中，最重大的突破之一就是實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的成功開發(fā)。含有光纖的傳輸系統(tǒng)一般由三個部分組成：光源、光纖傳輸介質(zhì)和檢測器。其中，光源是發(fā)光二極管或激光二極管，它們在通電時都可發(fā)出光脈沖；檢測器是光電二極管，遇光時，將產(chǎn)生電脈沖。它的基本工作原理是：發(fā)送端用電信號對光源進(jìn)行光強(qiáng)控制，從而將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后通過光纖介質(zhì)傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩擞霉鈾z波檢測器再把光信號還原成電信號。實(shí)際上，如果不是利用一個有趣的物理原理，光傳輸系統(tǒng)會由于光纖的漏光而變得沒有實(shí)際價值。當(dāng)光線從一種介質(zhì)穿過另一種介質(zhì)時，如從玻璃到空氣，光線會發(fā)生折射，如圖3-4(a)所示。當(dāng)光線在玻璃上的入射角為α1時，則在空氣中的折射角為β1。折射的角度取決于兩種介質(zhì)的折射率。當(dāng)光線在玻璃上的入射角大于某一臨界值時，光纖將完全反射回玻璃，而不會漏入空氣。這樣，光纖將被完全限制在光纖中，而幾乎無損耗地傳播，如圖3-4(b)所示。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的模式不同，光纖可分為多模光纖和單模光纖兩種。多模光纖意指光在光纖中的傳傳播可能是有多條不同入射角度的光線在一條光纖中同時傳播(如圖3-5所示)。這種光纖所含纖芯的直徑較粗。單模光纖意指光在光纖中的傳播沒有反射，沿直線傳播(如圖3-6所示)。這種光纖的直徑非常細(xì)，細(xì)到只有一個光的波長，就像一根波導(dǎo)那樣，可使光線一直向前傳播。這兩種光纖的性能比較見表3-3。圖3-4光折射原理圖圖3-5多模光纖傳送模式圖3-6單模光纖傳送模式表3-3單模光纖與多模光纖的比較項(xiàng)目單模光纖多模光纖距離長短數(shù)據(jù)傳輸率高低光源激光發(fā)光二極管信號衰減小大端結(jié)較難較易造價高低光纖不易受電磁干擾和噪聲影響，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，而且具有很好的保密性能。但是，光纖的銜接、分岔比較困難，一般只適應(yīng)于點(diǎn)到點(diǎn)或環(huán)形連接。FDDI(光纖分布數(shù)據(jù)接口)就是一種采用光纖作為傳輸介質(zhì)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。最后要提一下，在有線介質(zhì)中，還有一種是架空明線。這是在20世紀(jì)初就已經(jīng)大量使用的方法，即在電線桿上架設(shè)的一對對互相絕緣的明線。架空明線安裝簡單，但通信質(zhì)量差，受氣候環(huán)境等影響較大。所以，在發(fā)達(dá)國家中早已淘汰了架空明線，在許多發(fā)展中國家中也已基本停止了架設(shè)架空明線。但目前我國在一些農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)或受條件限制的地方仍有不少的架空明線使用著。3.2.2無線介質(zhì)如果經(jīng)過一些高山、島嶼或偏遠(yuǎn)地區(qū)時，用有線介質(zhì)鋪設(shè)通信線路就非常困難，尤其在信息時代，很多人需要利用筆記本電腦、袖珍計(jì)算機(jī)隨時、隨地與社會或單位保持在線聯(lián)系，獲取信息。對于這些移動用戶，有線介質(zhì)無法滿足他們的要求，而無線介質(zhì)可以幫助他們解決上述問題。無線介質(zhì)是指信號通過空氣載體傳播，而不被約束在一個物理導(dǎo)體內(nèi)。常用的無線介質(zhì)有無線電波、微波和衛(wèi)星通信等。1.無線電波大氣中的電離層是具有離子和自由電子的導(dǎo)電層。無線電波通信就是利用地面發(fā)射的無線電波通過電離層的反射，或電離層與地面的多次反射而到達(dá)接收端的一種遠(yuǎn)距離通信方式，如圖3-7所示。由于大氣層中的電離層高度在距地面數(shù)十公里至百余公里以上，可分為各種不同的層次，并隨季節(jié)、晝夜以及太陽活動情況而發(fā)生變化。除此之外，無線電波還受到來自水、自然物體和電子設(shè)備的各種電磁波等的干擾。因而無線電波通信與其他通信方式相比，在質(zhì)量上存在不穩(wěn)定性。圖3-7無線電波的傳播無線電波被廣泛地用于室內(nèi)通信和室外通信，因?yàn)闊o線電波很容易產(chǎn)生，傳播距離很遠(yuǎn)，并很容易穿過建筑物，而且它可以全方向傳播，使得無線電波的發(fā)射和接收裝置不必要求精確對準(zhǔn)。無線電波通信使用的頻率一般在3MHz～1GHz。它的傳播特性與頻率有關(guān)。在低頻段，無線電波能輕易地繞過一般障礙物，但其能量隨著傳播距離的增大而急劇遞減；在高頻段，無線電波趨于直線傳播并易受障礙物的阻擋。2.微波頻率在100MHz以上并且其能量集中于一點(diǎn)并沿直線傳播的無線電波即為微波。微波通信就是利用無線電波在對流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收天線必須精確地定位對準(zhǔn)，這種高度定向性使得成排的多個發(fā)射設(shè)備與成排的多個接收設(shè)備相互并行通信而不發(fā)生串?dāng)_。最常見的微波天線是拋物線曲面“圓碟”(形狀類似衛(wèi)星接收天線)，典型的直徑大約為3米。它可將微波的能量集中于一小束，從而可獲得極高的信噪比。微波天線通常設(shè)置在地面之上較高的位置，以便加大收發(fā)兩個天線之間的距離，同時能夠排除天線之間障礙物的干擾。為實(shí)現(xiàn)微波遠(yuǎn)程傳輸，需要建立一系列微波中繼塔站——轉(zhuǎn)發(fā)器，以構(gòu)成微波接力信道(如圖3-8所示)。轉(zhuǎn)發(fā)器之間的距離大致與天線塔高度的平方成正比，在沒有任何干擾障礙物的情況下，兩個天線之間的最大距離由下列公式確定：(3-1)式中，為兩個天線之間的距離，以為單位；為天線高度，以為單位；是調(diào)整因子。引入主要考慮以下事實(shí)：微波會隨著地球表面的彎曲而彎曲和折射，因此微波要比光學(xué)上的可見直線距離傳播得更遠(yuǎn)。一個好的經(jīng)驗(yàn)法則是。圖3-8地面微波接力示意圖微波廣泛用于遠(yuǎn)程通信。按所提供的傳輸信道可分為模擬微波和數(shù)字微波兩種類型。目前，模擬微波通信主要采用頻分多路復(fù)用技術(shù)和頻移鍵控調(diào)制方式，其傳輸容量可達(dá)30～6000個電話信道。數(shù)字微波通信目前大多采用時分多路復(fù)用技術(shù)和頻移鍵控調(diào)制方式，和數(shù)字電話一樣，數(shù)字微波的每個話路的數(shù)據(jù)傳輸率為64Kb/s。在傳輸質(zhì)量上，微波通信相對無線電波通信要穩(wěn)定。微波通信常用的工作頻率為2GHz、4GHz、8GHz、12GHz。所用的頻率越高，潛在的帶寬就越寬，因而潛在的數(shù)據(jù)傳輸速率也就越高。表3-4給出了一些典型數(shù)字微波系統(tǒng)的帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率。表3-4典型工作頻率的數(shù)字微波性能工作頻率帶寬(MHz)數(shù)據(jù)傳輸速率(Mb/s)271263090114090182202703.衛(wèi)星微波通信衛(wèi)星實(shí)際上是一個微波中繼站，衛(wèi)星用來連接兩個或多個基于地面的微波發(fā)射/接收設(shè)備。衛(wèi)星接收某一頻段(上行鏈路)的發(fā)射信號，然后放大并用另一頻段(下行鏈路)轉(zhuǎn)發(fā)它。圖3-9給出了通過衛(wèi)星微波傳播的通信系統(tǒng)示意圖。圖3-9通過衛(wèi)星微波傳播的通信系統(tǒng)示意圖為了有效地工作，通常要求通信衛(wèi)星處在相對于地面靜止的位置上，否則，它就無法保持在任何時刻都處在它的各個地面站的視域范圍之內(nèi)。為此，要求通信衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)周期必須等于地球的自轉(zhuǎn)周期，以保持相對的靜止?fàn)顟B(tài)。衛(wèi)星滿足上述要求的匹配高度是35784km。如果使用相同或十分接近頻段的兩個衛(wèi)星，則將會相互產(chǎn)生干擾。為了避免出現(xiàn)干擾問題，一般要求在4～6Ghz頻段上有(從地球上測量出的角位移)的間隔，在12～14GHz頻段上有的間隔。這使得能在地球靜止軌道上設(shè)置的通信衛(wèi)星數(shù)量十分有限。衛(wèi)星最重要的應(yīng)用領(lǐng)域包括電視轉(zhuǎn)播、遠(yuǎn)程電話傳輸、企業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)等。由于衛(wèi)星的廣播特性，使得它特別適合用于廣播服務(wù)網(wǎng)。衛(wèi)星技術(shù)在電視轉(zhuǎn)播方面的最新應(yīng)用是直播衛(wèi)星，它可把衛(wèi)星視頻信號直接發(fā)射到家庭用戶中。除了上述的無線介質(zhì)外，還有無導(dǎo)向的紅外線、激光等通信介質(zhì)，前者廣泛地用于短距離通信，如電視、錄像機(jī)、空調(diào)器等家用電器使用的遙控裝置都利用了紅外線裝置，它們有方向性，便宜且易于制造；后者可用于建筑物之間的局域網(wǎng)連接，因?yàn)樗哂懈邘捄投ㄏ蛐院玫膬?yōu)勢，但是，它易于受天氣、熱氣流或熱輻射等影響，使得它的工作質(zhì)量存在不穩(wěn)定性。表3-5列出了常用介質(zhì)的傳輸特性。最后需要說明的是，傳輸介質(zhì)與信道之間是有區(qū)別的，前者是指傳輸數(shù)據(jù)信號的物理實(shí)體；而后者是為傳送某種信號提供所需的帶寬，更強(qiáng)調(diào)了介質(zhì)的邏輯功能。也就是說，一個信道既可能由多個傳輸介質(zhì)級聯(lián)而構(gòu)成，一個傳輸介質(zhì)也可能同時提供多個信道，多路復(fù)用技術(shù)正是利用了這個特性。表3-5常用介質(zhì)的傳輸特性傳輸介質(zhì)傳輸速率傳輸距離抗干擾性價格適用范圍雙絞線模擬：300～3400Hz;數(shù)字：10～100Mb/s幾十千米一般(對電磁干擾比較敏感)低局域網(wǎng)(模擬信號傳輸、數(shù)字信號傳輸)50歐姆同軸電纜10Mb/s1km內(nèi)較好一般局域網(wǎng)(基帶數(shù)字信號傳輸)75歐姆同軸電纜300～900MHz100km較好較高CATV(模擬傳輸(可采用頻分多路復(fù)用技術(shù)劃分多個信道))光纖100M～10Gb/s30km很好較高長話線路、主干網(wǎng)(遠(yuǎn)距離高速傳輸)無線電波30MHz～1GHz全球相對較差較低廣播(遠(yuǎn)程低速通信)微波4～40GHz幾百千米

低于同容量、同長度的電纜電視(遠(yuǎn)程通信)衛(wèi)星1GHz～10GHz

費(fèi)用與距離無關(guān)電視、電話、廣域網(wǎng)(遠(yuǎn)程通信)3.3物理層接口協(xié)議物理層接口主要指數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(DataTerminalEquipment)和數(shù)據(jù)傳輸電路端接設(shè)備DCE(DataCircuit-terminalEquipment)之間的接口。這里DTE就是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力以及發(fā)送和接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備，它可以是一臺計(jì)算機(jī)或一個終端，也可以是各種的I／O設(shè)備等。由于數(shù)據(jù)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸能力是很有限的。直接將相隔很遠(yuǎn)的兩個終端設(shè)備連接起來是無法進(jìn)行通信的。必須在數(shù)據(jù)終端設(shè)備和傳輸線路之間加上一個中間設(shè)備——DCE，它的作用就是在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接，它可以是指多路復(fù)用器、集中器、調(diào)制解調(diào)器等。

DTE與DCE之間的接口一般都有若干條并行線，包括各種信號線和控制線。DCE將DTE傳過來的數(shù)據(jù)按比特流順序逐個發(fā)往傳輸線路，或者反過來，從傳輸線路上接收串行的比特流，然后再交給DTE。顯然，這些操作的完成需要DTE與DCE間接口信號線的高度協(xié)調(diào)工作。為了減輕數(shù)據(jù)處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)，就必須對DTE和DCE的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。這種接口標(biāo)準(zhǔn)也就是所謂的物理層接口協(xié)議。因此，物理層接口協(xié)議是用于定義DTE與DCE之間的物理接口，并為物理接口規(guī)定了機(jī)械連接特性、電氣信號特性、信號功能特性以及信號規(guī)程特性。3.3.1機(jī)械特性機(jī)械特性規(guī)定了DTE與DCE(或DTE與DSE或DSE與DSE)之間的連接器形狀、大小、尺寸，各個接線引腳的引腳數(shù)目和排列，固定和鎖定措施等。這一特性如同我們常見的各種規(guī)格電源插座、插頭的形狀和大小都有嚴(yán)格的規(guī)格。ISO物理層的機(jī)械特性的標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)ISO2110：為25針插頭的DTE-DCE接口的連接器。它與美國的EIARS-232C、EIARS-366A兼容。常用于串行和并行的音頻調(diào)制解調(diào)器、公共數(shù)據(jù)網(wǎng)接口、自動呼叫設(shè)備接口等。(2)ISO2593：為32針插頭的DTE-DCE接口的連接器。用于CCITTV.35建議的寬帶調(diào)制解調(diào)器。(3)ISO4092：為37針插頭的DTE-DCE接口的連接器。它與美國的EIARS-449兼容。常用于串行音頻調(diào)制解調(diào)器，寬帶調(diào)制解調(diào)器。(4)ISO4093：為15針插頭的DTE-DCE接口的連接器。常用于CCITTX.20，X.21，X.22建議所規(guī)定的公共數(shù)據(jù)網(wǎng)接口。3.3.2電氣特性電氣特性規(guī)定了DTE-DCE接口電纜上傳送信號的電壓大小，即信號1和信號0的電壓值；傳號和空號的電壓識別等；最大數(shù)據(jù)傳輸率的說明；發(fā)送端與接收端間電路特性的說明等。ISO物理層采用的電氣特性的標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)CCITTV.10／X.26建議：在數(shù)據(jù)通信中，通常與集成電路一起使用的新型的非平衡式接口電路的電氣特性。它與EIARS-423A兼容。(2)CCITTV.11／X.27建議：在數(shù)據(jù)通信中，通常與集成電路一起使用的新型的平衡式接口電路的電氣特性。它與EIARS-422A兼容。(3)CCITTV.28建議：非平衡式接口電路的電氣特性。它與EIARS-232C兼容。(4)CCITTV.35建議：平衡式接口電路的電氣特性。圖3-10給出了幾種接口電路的電氣特性。圖3-10常見的電氣特性3.3.3功能特性在DTE-DCE接口，規(guī)定了每一信號引腳線的功能分配和確切定義。比如數(shù)據(jù)線、控制線、定時線(同步信號用線)、地線等。ISO物理層采用的功能特性的標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)CCITTV.24建議：DTE-DCE接口定義表，它提出了100系列接口和200系列接口。與100系列兼容的有EIARS-232C、RS-449，與200系列兼容的有EIARS-366A。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB3454-82與V.24兼容。(2)CCITTX.24建議：DTE-DCE接口定義表，它是在X.20、X.21和X.22的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，用于公共數(shù)據(jù)網(wǎng)。

3.3.4規(guī)程特性規(guī)程性特性定義了DTE-DCE接口進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸過程的一組操作序列，即各信號引腳線的工作規(guī)程和時序關(guān)系。ISO物理層采用的規(guī)程性特性的標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)CCITTX.20建議：公共數(shù)據(jù)網(wǎng)上起止式操作的DTE-DCE接口規(guī)程。

(2)CCITTX.21建議：公共數(shù)據(jù)網(wǎng)上同步工作的DTE-DCE接口規(guī)程。(3)CCITTX.22建議：公共數(shù)據(jù)網(wǎng)上多路時分復(fù)用的DTE-DCE接口規(guī)程。(4)CCITTV.24建議：交換電路之間建立起相互聯(lián)系需要提供的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程性特性。它與EIARS-232C和RS-449具有相同的規(guī)程性特性。(5)CCITTV.25建議：在普通電話交換網(wǎng)上使用自動呼叫應(yīng)答設(shè)備的線路接線控制規(guī)程。

最后，需要說明的一點(diǎn)是，具體的物理層協(xié)議是相當(dāng)復(fù)雜的。這是因?yàn)槲锢磉B接的方式很多(例如，可以是點(diǎn)對點(diǎn)的，也可以采用多點(diǎn)連接或廣播連接)，而傳輸介質(zhì)的種類也非常之多(如架空明線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維、雙絞線，以及各種無線介質(zhì)等)。因此，在學(xué)習(xí)物理層時，應(yīng)將重點(diǎn)放在掌握基本概念上。3.4常用的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)物理層接口主要涉及各種傳輸介質(zhì)和傳輸設(shè)備的接口。由于傳輸介質(zhì)和傳輸設(shè)備的種類繁多，所以物理層接口的標(biāo)準(zhǔn)也非常多。這里將扼要介紹一下常用的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)。3.4.1EIARS-232CRS-232C是美國電子工業(yè)學(xué)會(EIA)制定的物理接口標(biāo)準(zhǔn)，這里“RS”表示EIA的一種“推薦標(biāo)準(zhǔn)”，“232”是個編號。它最初是為促進(jìn)利用公共電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信而制定的。圖3-11是利用RS-232C接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的一個連接示意圖。后來，當(dāng)計(jì)算機(jī)之間使用RS-232C接口直接相連時，引入了一種虛調(diào)制解調(diào)器的電纜，以解決在不使用調(diào)制解調(diào)器的情況下，RS-232C接口需要DTE-DCE成對使用的問題。圖3-12是利用RS-232C接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)或終端之間近距離數(shù)據(jù)通信的連接圖。圖3-11利用公共電話交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接圖3-12計(jì)算機(jī)或終端之間的直接RS-232C連接

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是用于DTE-DCE之間的串行二進(jìn)制通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為0～20kb/s，電纜長度限制在30m之內(nèi)。它的不足之處是：傳輸性能低，距離短，速率低。最后改進(jìn)設(shè)計(jì)了X.21標(biāo)準(zhǔn)。目前，RS-232C接口不僅廣泛用于公共電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信中，而且也被廣泛用于計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與終端之間的近距離數(shù)據(jù)通信中。

RS-232C的接口特性見表3-6；功能特性見表3-7。表3-6RS-232-C接口特性類別特性機(jī)械特性使用ISO2110的標(biāo)準(zhǔn)，即25芯連接器，DTE為插頭，DCE為插座電氣特性與CCITTV.28建議書一致。采用非平衡型電氣特性，邏輯“1”或傳號狀態(tài)的電壓范圍為－15～－5V；邏輯“0”或空號狀態(tài)的電壓范圍為15～5V，所允許的線路電壓降為2V。非平衡傳輸，其所有電路共享一個公共的地線。平衡傳輸是每個主要電路需要兩根地線，沒有公共的地線功能特性與CCITTV.24建議書一致。定義了21條線和許多子集，基本與CCITTV.24兼容。具體內(nèi)容見表3-7所示規(guī)程特性規(guī)定了控制信號在不同的情況下有效(接通狀態(tài))和無效狀態(tài)(斷開狀態(tài))的順序和相互關(guān)系。對不同的功能子集，有不同的規(guī)程。RS-232C有14種不同的接口類型，適合于單工、半雙工、全雙工、同步、異步表3-7RS-232C功能特性電路名稱方向說明引腳號地線AA保護(hù)地線

1AB信號地線與公共返回線

為所有的交換電路建立公共返回參考點(diǎn)7數(shù)據(jù)BA發(fā)送數(shù)據(jù)DTE→DCE向通信信道傳輸數(shù)據(jù)信號2BB接收數(shù)據(jù)DTE←DCE接收來自通信信道的數(shù)據(jù)信號3CA請求發(fā)送DTE→DCE請求向通信信道發(fā)送數(shù)據(jù)4CB準(zhǔn)備發(fā)送DTE←DCE指出DCE是否已準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)5CC數(shù)傳機(jī)準(zhǔn)備好DTE←DCE指出DCE是否處在數(shù)據(jù)方式6CD數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTE→DCE控制DCE與通信們道間的信息交換20CE振鈴指示DTE←DCE指出DCE是否開始接收“環(huán)信號”22CF接收線路信號檢測DTE←DCE指出DCE是否正在接收信道上的信號8CG信號質(zhì)量檢測DTE←DCE指出在接收數(shù)據(jù)中發(fā)生錯誤的概率21CH數(shù)據(jù)信號速率選擇(DTE源)DTE→DCE發(fā)送數(shù)據(jù)信號速率的選擇23CI數(shù)據(jù)信號速率選擇(DTE源)DTE←DCE指出一種信號發(fā)送速率18定時DA傳輸信號元件定時(DTE源)DTE→DCE為數(shù)據(jù)傳輸提供定時信號24DB發(fā)送信號元件定時(DTE源)DTE→DCE同上15DD接收信號元件定時(DTE源)DTE←DCE為接收數(shù)據(jù)提供定時信號17次級信道SBA次級信道發(fā)送數(shù)據(jù)DTE→DCE與BA等同(應(yīng)用在次級信道)

SBB次級信道接收數(shù)據(jù)DTE←DCE與BB等同(同上)

SCA次級信道請求數(shù)據(jù)DTE→DCE與CA等同(同上)

SCB次級信道清除數(shù)據(jù)DTE←DCE與CB等同(同上)

SCF次級信道接收線路信號檢測DTE←DCE與CF等同(同上)

下面針對圖3-11的遠(yuǎn)程通信例子，說明DTE-A要向DTE-B發(fā)送數(shù)據(jù)所要經(jīng)過的規(guī)程或步驟：(1)當(dāng)DTE-A要和DTE-B進(jìn)行通信，就將引腳20“DTE就緒”置為ON，同時通過引腳2“發(fā)送數(shù)據(jù)”向DCE-A傳送電話號碼信號。(2)DCE-B將引腳22“振鈴指示”置為ON，表示通知DTE-B有(某人的)呼叫信號到達(dá)(在振鈴的間隙以及其他時間，振鈴指示均為OFF狀態(tài))。DTE-B就將其引腳20“DTE就緒”置為ON。DCE-B接著產(chǎn)生載波信號，并將引腳6“DCE就緒”置為ON，表示已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。(3)當(dāng)DCE-A檢測到載波信號時，將引腳8“載波檢測”和引腳6“DCE就緒”都置為ON，以便使DTE-A知道通信電路已經(jīng)建立。DCE-A還可通過引腳3“接收數(shù)據(jù)”向DTE-A發(fā)送在其屏幕上顯示的信息。接著DCE-A向DCE-B發(fā)送載波信號，DCE-B將其引腳8“載波檢測”置為ON(至此，完成了傳輸信道的物理連接建立)。(4)當(dāng)DTE-A要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將其引腳4“請求發(fā)送”置為ON。DCE-A作為響應(yīng)將引腳5“允許發(fā)送”置為ON(這一過程是實(shí)現(xiàn)傳輸信道的邏輯連接建立)。

(5)DTE-A通過引腳2“發(fā)送數(shù)據(jù)”向?qū)拥倪h(yuǎn)端DTE-B發(fā)送數(shù)據(jù)。首先由DCE-A將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號向DCE-B發(fā)送過去，然后，DCE-B將收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)過引腳3“接收數(shù)據(jù)”向DTE-B傳遞。(6)當(dāng)DTE-A發(fā)送完數(shù)據(jù)后，首先通過引腳4、5斷開數(shù)據(jù)鏈路的邏輯連接。隨后，再通過引腳6、8、20斷開數(shù)據(jù)鏈路的物理連接。

RS-232C的其他引腳作用是：選擇數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，測試調(diào)制解調(diào)器，傳送數(shù)據(jù)的碼元定時信號，以及從另一個輔助信道反向發(fā)送數(shù)據(jù)等。但是這些引腳在實(shí)際中很少使用。3.4.2EIARS-449/422A/423ARS-449也是EIA的接插件規(guī)格，它是在RS-232C的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并有取而代之的傾向。RS-449是EIA于1977年11月公布的，主要改進(jìn)體現(xiàn)在：改善了性能，加大了接口電纜距離，提高了數(shù)據(jù)傳輸率；增加了新的接口功能，例如回送檢查；解決了機(jī)械接口問題。實(shí)際上，RS-449由3個標(biāo)準(zhǔn)組成。(1)RS-449：規(guī)定了接口的機(jī)械特性、功能特性和過程特性。RS-449采用37根引腳的插座。在CCITT的建議書中，RS-449相當(dāng)于V.35。(2)RS-423A：規(guī)定在采用非平衡傳輸時(即所有的電路共用一個公共地)的電氣特性。當(dāng)連接電纜長度為10m時，數(shù)據(jù)的傳輸速率可達(dá)300kb/s。(3)RS-422A：規(guī)定在采用平衡傳輸時(即所有的電路沒有公共地)的電氣特性。它可將傳輸速率提高到2Mb/s，而連接電纜長度可超過60m。當(dāng)連接電纜長度更短時(如10m)，傳輸速率還可以更高些(如達(dá)到10Mb/s)。

通常RS-232／V.24用于標(biāo)準(zhǔn)電話線路(一個話路)的物理層接口，而RS-449／V.35則用于寬帶電路(一般都是租用電路)，其典型的傳輸速率為48～168kb/s，都是用于點(diǎn)到點(diǎn)的同步傳輸。它的接口特性如表3-8所示。表3-8RS-449接口特性類別特性機(jī)械特性37芯或9芯連接器電氣特性與RS-232C相連，采用非平衡型電氣特性RS-423A，速率為20Kb/s以下。其他情況，采用平衡型電氣特性RS-422A和RS-423A，速率為20Kb/s～2Mb/s功能特性定義了30條功能線。保留了在RS-232C中定義的基本交換電路的功能規(guī)程特性基本上以RS-232C為基礎(chǔ)

RS-449標(biāo)準(zhǔn)的接口電路可分為5類：地或公共電路、數(shù)據(jù)電路、控制電路、定時電路和輔助信道電路。它除了在電氣特性及機(jī)械特性方面與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)不同之外，還有以下主要不同點(diǎn)：(1)RS-449新定義了10個接口電路。其中包括3個用于測試狀態(tài)的電路；2個用于控制DCE在輔助信道傳輸?shù)碾娐罚?個在DTE控制下提供終止使用功能的接口電路；1個提供新信號功能的電路和1個對DCE進(jìn)行頻率選擇的電路。RS-449還定義了2個為每個方向傳輸提供公共參考的接口電路。(2)有3個RS-232C的接口電路(即引腳1、9、10)在RS-449中沒有定義。它們是保護(hù)地和兩個留作測試用的接口電路。(3)對電路功能的某些定義作了改變。如，將RS-232C中的DSR(數(shù)據(jù)設(shè)備就緒)引腳名改為DM(數(shù)據(jù)方式)，相應(yīng)功能也發(fā)生了改變。(4)RS-449標(biāo)準(zhǔn)中的所有電路標(biāo)識名都和RS-232C的電路標(biāo)識名不同，其主要目的是防止它們之間相互混淆。圖3-13給出的是RS-449／V.35的一些主要控制信號，包括發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的接口。在DTE和DCE之間的連線上注明的“2”字，表明它們都是一對線。圖中所示的幾對線，在DTE方標(biāo)注的是該線的英文縮寫名稱，而在DCE方還有對應(yīng)的中文名稱。

圖3-13RS-499/V.35的信號定義3.4.3EIARS-530RS-530也是EIA的接插件規(guī)格。它是1987年頒布的，作為對RS-449標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)建議。RS-530是RS-232C、RS-422A和RS-423A的結(jié)合物，它支持的數(shù)據(jù)傳輸率的范圍從20Kb/s～2Mb/s，因此不能取代RS-232C。EIARS-530的接口特性如下：(1)機(jī)械特性：EIARS-530采用了標(biāo)準(zhǔn)的25芯連接器。(2)電氣特性：EIARS-530的電氣特性遵循RS-422A標(biāo)準(zhǔn)，但有些細(xì)微的差別；其診斷電路則遵循RS-423標(biāo)準(zhǔn)。(3)功能特性：包括RS-232C中的所有重要功能和電路，如TxD、RxD、DTR、DSR、RTS、CTS、CD以及3個時鐘電路。EIARS-232C中的診斷電路也包括在內(nèi)。(4)規(guī)程特性：與RS-232C基本類似。3.4.4CCITTX.21

前述的接口標(biāo)準(zhǔn)都是支持模擬信道的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。CCITTX.21是為支持?jǐn)?shù)字信道的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信而制定的接口標(biāo)準(zhǔn)，即關(guān)于公共數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN同步工作的DTE-DCE數(shù)字化接口標(biāo)準(zhǔn)。(1)機(jī)械特性：X.21建議的機(jī)械接口為15芯的DTE-DCE接口連接器。X.21的機(jī)械接口采用了最新技術(shù)，如插頭屏蔽技術(shù)，機(jī)械特性齊全、可靠。它增加了對交換電路中連接器插頭數(shù)量的分配功能，這種功能允許交換電路向多對互聯(lián)電纜提供連接。因此，每個交換線路都是成對操作的，它特別為每一個交換線路提供了兩根引線，這樣能省略插頭連接的接口線。(2)電氣特性：X.21建議的數(shù)據(jù)速率為600b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、48000b/s。為了增加DTE按多種速率設(shè)計(jì)的靈活性，允許DTE使用新的平衡或非平衡的電氣性能，即CCITTX.26建議。但為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕?8kb/s的傳送速率僅使用于平衡電氣性能的系統(tǒng)中。(3)功能特性：圖3-14給出了X.21的基本交換線路的信號定義。圖中的發(fā)送線路、接收線路用來傳送用戶數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)控制信息由控制線路和指示線路承擔(dān)；電路的定位由信號計(jì)時線路提供；二進(jìn)制計(jì)時線路傳遞字節(jié)定時信息。此外還有公共地線和信號用地線。這些交換線路的詳細(xì)定義在CCITTX.24建議中作了說明。(4)規(guī)程特性：X.21的規(guī)程特性可分為三個階段。圖3-14X.21接口的基本引腳信號定義①空閑或靜止階段：在此階段中，接口不工作，類似電話網(wǎng)中電話掛起。②控制階段(即呼叫建立與清除階段)：呼叫建立是指通過控制線路和指示線路信號來建立DTE與遠(yuǎn)程DTE間的物理連接，類似電話系統(tǒng)中撥電話號碼連通線路；呼叫清除是指通過控制線路和指示線路信號來斷開DTE與遠(yuǎn)程DTE間的物理連接，相當(dāng)于電話系統(tǒng)中通話結(jié)束后掛機(jī)。

③數(shù)據(jù)傳輸階段：在此階段，通信雙方利用發(fā)送線路和接收線路彼此交換數(shù)據(jù)，類似電話系統(tǒng)中雙方通話。表3-9給出了利用X.21接口實(shí)現(xiàn)DTE與遠(yuǎn)程DTE間的一次通信的工作過程。表3-9X.21接口的工作過程步驟C線I線電話中類似事件DTE在T上發(fā)送DCE在R上發(fā)送0斷斷線路空閑T=1R=11通斷DTE摘機(jī)T=0

2通斷DCE給出撥號音

R=“++++…+”3通斷DTE撥電話號碼T=地址

4通斷遠(yuǎn)地電話振鈴

R=呼叫進(jìn)行5通通遠(yuǎn)地DTE摘機(jī)

R=16通通對話T=數(shù)據(jù)R=數(shù)據(jù)7斷通DTE說再見T=0

8斷斷DCE說再見

R=09斷斷DCE掛機(jī)

R=110斷斷DTE掛機(jī)T=1

其具體過程如下：第0步：當(dāng)接口空閑時，4條信號線T，C，R和I都傳送“1”碼(即約定為“斷”)。第1步：當(dāng)DTE要發(fā)出呼叫時，它將T線置為“0”，并置C線為“0”碼(即約定為“通”)。這類似于某人摘機(jī)要打電話的情形。第2步：當(dāng)DCE連入線路準(zhǔn)備接收時，它開始經(jīng)R線連續(xù)發(fā)出ASCII字符“+”，告訴DTE可以撥地址碼。這相當(dāng)于電話線路暢通，可以撥電話號碼。第3步：當(dāng)DTE收到“+”字符后，就開始經(jīng)T線逐位發(fā)送遠(yuǎn)程DTE的地址碼(一串ASCII字符)。這類似于某人撥電話號碼。第4、5步：當(dāng)DCE接到地址碼后，返回遠(yuǎn)地DTE對呼叫的響應(yīng)結(jié)果。根據(jù)CCITT規(guī)定，呼叫結(jié)果由二位十進(jìn)制數(shù)字組成，第一位表示呼叫結(jié)果的一般類型，第二位數(shù)字表示詳細(xì)情況。一般類型包括呼叫連通；請?jiān)僭?比如對方忙)。呼叫失效可再試，但也會失敗(如通路阻塞、遠(yuǎn)地DTE不工作或DCE不兼容等)。如果呼叫成功，則線路被接通。DCE置I線為“0”，以表明全雙工數(shù)字線路已連接完成，可以開始傳輸數(shù)據(jù)。第6步：雙方分別利用T線和R線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這類似于雙方通電話。第7步：當(dāng)通信結(jié)束時，兩個DTE中的任何一個都可置自己一側(cè)的C線為“1”，說明自己的數(shù)據(jù)傳送完，但仍必須繼續(xù)接收對方發(fā)來的數(shù)據(jù)，直到對方DTE結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送為止。斷開連接一般由主叫方進(jìn)行。主叫DTE先說“再見”，置C為“1”，置T為“0”。第8、9步：若遠(yuǎn)程對方也不再發(fā)送數(shù)據(jù)，則DCE也置I線為“1”，R線為“0”，通知DTE它不再發(fā)送數(shù)據(jù)，同時DCE斷開與線路的連接(類似掛起電話)，置R=1。第10步：當(dāng)DTE收到R=1后，即置T為1作為應(yīng)答，亦掛起電話，使接口又恢復(fù)到原來空閑的狀態(tài)。為了保證各線路信號的準(zhǔn)確檢測，X.21要求DTE和DCE在發(fā)送這些信號時，每個發(fā)送周期至少要有24比特的間隔。

X.21與V.24比較，接口線大為減少，方便了連接，接口的電氣性能也有所改善。原來與V系列標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器相連接的DTE設(shè)備，現(xiàn)可通過X.21bis的交換接口機(jī)構(gòu)，連接到基于X.21的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)上。因?yàn)閄.21bis可以起到從模擬信道過渡到數(shù)字信道的轉(zhuǎn)換作用。3.5物理層網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備3.5.1傳輸介質(zhì)互連設(shè)備1.T型連接器與BNC接插件

T型連接器與BNC接插件都是細(xì)同軸電纜的連接器，它對網(wǎng)絡(luò)的可靠性有著至關(guān)重要的影響。同軸電纜與T型連接器是依賴于BNC接插件(如圖3-15(a))進(jìn)行連接的，BNC接插件有手工安裝和工具型安裝之分，用戶可根據(jù)實(shí)際情況和線路的可靠性進(jìn)行選擇。終端匹配器(也稱終端適配器)安裝在同軸電纜(粗纜或細(xì)纜)的兩個端點(diǎn)上，它的作用是防止電纜無匹配電阻或阻抗不正確。無匹配電阻或阻抗不正確，則會引起信號波形反射，造成信號傳輸錯誤。圖3-15物理層的互連設(shè)備(a)?BNC接插件(b)?RJ-45連接器(c)調(diào)制解調(diào)器2.RJ-45非屏蔽雙絞線連接器

RJ-45連接器有8根連針(如圖3-15(b))，在10BASE-T(意指由雙絞線互連的、傳輸速率可達(dá)10Mb/s的基帶局域網(wǎng))標(biāo)準(zhǔn)中，僅使用4根，即第1對雙絞線使用第1針和第2針，第2對雙絞線使用第3針和第6針(第3對和第4對作備用)。具體使用時可參照廠家提供的說明書。3.調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器的功能是將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號或反之，以便在電話線路或微波線路上傳輸(如圖3-15(c))。調(diào)制是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；解調(diào)是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，它一般通過RS-232接口與計(jì)算機(jī)相連。4.網(wǎng)卡網(wǎng)卡(如圖3-16所示)的功能類似早期前端處理器的功能，它的作用是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)底層的數(shù)據(jù)通信處理，包括物理信號的檢測與收發(fā)，數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換等。圖3-16網(wǎng)卡(a)正視圖(b)側(cè)視圖3.5.2物理層互連設(shè)備1.中繼器由于信號在網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中有衰減和噪音，使得有用的數(shù)據(jù)信號變得越來越弱或變形。因此，為了保證有用數(shù)據(jù)的完整性，并在一定距離范圍內(nèi)傳送，要用中繼器把所接收到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行整形與恢復(fù)，并再生放大，以保持與原數(shù)據(jù)信號相同。中繼器主要用于連接同類型局域網(wǎng)網(wǎng)段，以擴(kuò)展網(wǎng)段的長度。但是，由于中繼器本身存在著衰耗和時延，因此，每個局域網(wǎng)中接入的中繼器數(shù)量必須加以限制。其詳細(xì)內(nèi)容將在第6章節(jié)中介紹。2.集線器集線器(或稱為HUB)是一種具有多端口的中繼器(如圖3-17所示)。它是目前最重要的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。在每個集線器上都提供若干個端口，每個端口可用來接一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所用的傳輸介質(zhì)是3類非屏蔽雙絞線。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與集線器之間的最大距離是100m。用一個集線器與多個設(shè)備相連可構(gòu)成一個LAN，或者是LAN中的一個網(wǎng)段；幾個LAN之間通過集線器用同軸電纜或光纖連接起來，可構(gòu)成更大距離范圍的LAN。

圖3-17集線器及連接接口利用集線器來連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)利用屏蔽雙絞線UTP取代同軸電纜。當(dāng)用集線器來連接各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時，可用UTP來取代同軸電纜，這不僅降低了傳輸介質(zhì)的費(fèi)用，而且能使建網(wǎng)更方便、容易，也便于管理和維護(hù)。(2)能實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)段之間的隔離。當(dāng)把若干個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到一個集線器上時，形成了—個網(wǎng)段，可用若干個這樣的網(wǎng)段構(gòu)成一個LAN。集線器可實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)段之間的隔離，即可以使任何一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障只影響該設(shè)備所在的網(wǎng)段，并不影響其他網(wǎng)段，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。(3)可以增加一系列新的功能。在近年所推出的集線器，大都是智能型的，即在集線器中配備了CPU和內(nèi)存，這樣就可在集線器中增加許多新的功能，如用于將各網(wǎng)段互連的網(wǎng)橋功能，用于管理集線器上所有設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理功能。從功能上看，集線器可分為無源集線器、有源集線器和智能集線器三種。無源集線器只負(fù)責(zé)把多段介質(zhì)連接在一起，不對信號作任何處理。所有的集線器端口都被連接到集線器內(nèi)部單一網(wǎng)段上(如圖3-18(a)所示)。雖然其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾切危w上為共享的一個傳輸介質(zhì)。目前，大多數(shù)價格較便宜的固定式或堆疊式集線器都屬于這類集線器。有源集線器類似于無源集線器，但它具有對傳輸信號進(jìn)行再生和放大作用，從而擴(kuò)展介質(zhì)長度的功能。由于它僅具有信號放大、通過網(wǎng)絡(luò)傳播信號功能，但無過濾、無路徑確定或交換功能，常用作網(wǎng)絡(luò)集中點(diǎn)。圖3-18集線器分類智能集線器除具有有源集線器的功能外，還可將網(wǎng)絡(luò)的部分功能集成到集線器中，如網(wǎng)絡(luò)管理，選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸線路等。由于集線器技術(shù)發(fā)展迅速，己出現(xiàn)交換技術(shù)(在集線器上增加了線路交換功能)和網(wǎng)絡(luò)分段方式，提高了傳輸帶寬。這類集線器采用集線器背板，支持多個中繼網(wǎng)段，將集線器端口分別連接到集線器內(nèi)部不同的網(wǎng)段上(如圖3-18(b)所示)。每個共享網(wǎng)段組成一個廣播域，而不同廣播域之間是相互隔離的。在集線器內(nèi)部配置有一個端口交換陣列，以實(shí)現(xiàn)集線器端口和背板上的多個網(wǎng)段之間的自動連接。這種網(wǎng)絡(luò)配置功能是由網(wǎng)絡(luò)管理員通過網(wǎng)絡(luò)管理軟件控制的(屬于靜態(tài)交換)。網(wǎng)絡(luò)管理員可根據(jù)負(fù)載情況，隨時改變集線器段擴(kuò)充的配置。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以將網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分布在多個中繼網(wǎng)段上，以分散每個網(wǎng)段上的信息流量負(fù)載。圖3-19給出了利用集線器連接主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的示意圖。圖3-19利用集線器互連的網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上看，集線器可以分為固定式、堆疊式和模塊式三種。固定集線器是集線器家族中最簡單，也是最便宜的一種，集線器端口固定，共享單一網(wǎng)段，每個集線器都是一個完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。堆疊式集線器是一種通過外部電纜連接進(jìn)行擴(kuò)充的集線器，每個可堆疊式集線器既可以單獨(dú)使用，也可以堆疊起來使用。堆疊式集線器盡管是由多個分立的集線器組合而成，但在邏輯上仍作為單個集線器使用，共享一個網(wǎng)段。也有些產(chǎn)品是共享多個網(wǎng)段，如CHIPCOM公司的OnsembleStackSystemEthernet集線器最多可堆疊8個集線器，多達(dá)200個端口，共享外部四個網(wǎng)段。這種集線器端口擴(kuò)充方式的端口價格、安裝費(fèi)用都比較低。模塊式集線器采用機(jī)箱方式，集線器端口通過可熱插拔模塊板插接上去，模板的數(shù)量和類型(即模板所支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型)都可根據(jù)用戶需求來配置，非常方便靈活。模板之間通過機(jī)箱內(nèi)部的高速總線來連接，整體性能比較好。動態(tài)交換式集線器通常都采用這種結(jié)構(gòu)。3.6數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)3.6.1多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用是將多個終端的多路低速或窄帶數(shù)據(jù)加載到一根高速的通信線上傳輸?shù)募夹g(shù)(如圖3-20所示)。使用多路復(fù)用技術(shù)的目的是為了充分利用通信信道的容量，降低系統(tǒng)的成本。例如，對于一對電話線來說，它的通信頻帶一般在100kHz以上，而每一路電話信號的頻帶一般限制在4kHz以下。此時，信道的容量遠(yuǎn)大于一路電話的信息傳送量。若采用多路復(fù)用器，可使多路數(shù)據(jù)信息共享一路信道。當(dāng)復(fù)用線路上的數(shù)據(jù)流連續(xù)時，這種共享方式可取得良好效果。這樣做顯然比每臺終端各用一根通信線路傳送更為經(jīng)濟(jì)。多路復(fù)用器總是成對使用的，一個連接終端，另一個在主機(jī)附近，它的作用是將接收的復(fù)合數(shù)據(jù)流依照信道分解數(shù)據(jù)，并將它們送到對應(yīng)的輸出線上，故稱為解多路復(fù)用器。圖3-20多路復(fù)用示意圖當(dāng)前主要采用的多路復(fù)用技術(shù)有：頻分多路復(fù)用FDMA(FrequencyDivisionMultiplexingAccess)、波分多路復(fù)用WDMA(Wave-lengthDivisionMultiplexingAccess)、時分多路復(fù)用TDMA(TimeDivisionMultiplexingAccess)和碼分多路復(fù)用CDMA(CodingDivisionMultiplexingAccess)四種。1.頻分多路復(fù)用FDMA

由于任何信號只占據(jù)一定的帶寬，而信道的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號帶寬，因而可以利用頻率分隔的方式來實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。

FDMA是利用頻率變換或調(diào)制的方法，將若干路信號搬移到頻譜的不同位置，相鄰兩路信號之間留有一定的頻率間隔，這樣排列起來的信號就形成了一個頻分多路復(fù)用信號。這種方法起源于電話系統(tǒng)，我們就利用電話系統(tǒng)這個例子來說明頻分多路復(fù)用的原理。現(xiàn)在每一路電話的標(biāo)準(zhǔn)頻帶是300～3400Hz，高于3400Hz和低于300Hz的頻率分量都將被衰減掉(這對于語音清晰度和自然度的影響都很小，不影響人的聽覺)。若在一對帶寬為100kHz以上的導(dǎo)線上傳輸若干路這樣的電話信號，接收端將無法把它們分開。如果利用頻率變換，將三路電話信號搬到頻段的不同位置，就形成了一個帶寬為12kHz的頻分多路復(fù)用信號，如圖3-21所示。圖中每一路電話信號占有4kHz的帶寬。由于每路電話信號占有不同的頻帶，因此多路復(fù)用信號到達(dá)接收端后，就可以將各路電話信號用濾波器區(qū)分開。由此可見，信道的帶寬越大，容納的電話路數(shù)就會越多。隨著通信信道質(zhì)量的提高，在一個信道上同時傳送的電話路數(shù)會越來越多。目前，在一根同軸電纜上已實(shí)現(xiàn)了上千路電話信號的同時傳輸。頻分多路復(fù)用系統(tǒng)又稱為多路載波系統(tǒng)。按照ITU(InternationalTelecommunicationUnion)的建議，每12個電話話路構(gòu)成一個基群(Group)，占用60～108kHz的頻帶；每5個基群在一起構(gòu)成一個60路的超群(Super-Group)，占用312～552kHz的頻帶；5個超群構(gòu)成一個300路的主群(Master-Group)，占用812～2044kHz的頻帶；3個主群構(gòu)成一個900路的超主群(Super-Mastergroup)，占用8516～12388kHz的頻帶；4個超主群構(gòu)成一個3600路的巨群(Giant-Group)，占用42612～59684kHz的頻帶。在實(shí)現(xiàn)多路載波系統(tǒng)時，需逐級實(shí)現(xiàn)頻率升高，由低次群組成高次群。目前，有線或無線模擬通信網(wǎng)使用了大量頻分多路復(fù)用載波系統(tǒng)。因此，頻分模擬話路也是當(dāng)前主要的長距離數(shù)據(jù)傳輸信道，每個話路最高數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)56kb/s。圖3-21頻分多路復(fù)用的示意圖2.波分多路復(fù)用WDMAWDMA技術(shù)主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)。它將是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)今后主要的通信傳輸復(fù)用技術(shù)之一。WDMA實(shí)際上是頻分多路復(fù)用的一個變種。圖3-22是一種在光纖上獲得WDMA的簡單方法。在這種方法中，兩根光纖連到一個棱柱或衍射光柵，每根光纖里的光波處于不同的波段上，這樣兩束光通過棱柱或衍射光柵合到一根共享的光纖上，到達(dá)目的地后，再將兩束光分解開來。它與FDMA的唯一區(qū)別就是：在WDMA中使用的衍射光柵是無源的，因此可靠性非常高。圖3-22波分多路復(fù)用的示意圖在使用WDMA的網(wǎng)絡(luò)中，每個共享信道的主機(jī)都分配有兩個通道：控制通道和數(shù)據(jù)通道，前者主要用于其他主機(jī)與本主機(jī)的聯(lián)絡(luò)；后者用于本主機(jī)向其他主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。為了進(jìn)行通信，每個主機(jī)至少有一個可調(diào)波長發(fā)送器和一個可調(diào)波長接收器。由于受到目前電／光和光／電轉(zhuǎn)換速度的限制，對于帶寬可達(dá)25000GHz的光纖來說，目前一般可以利用的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10Gb/s。如采用波分多路復(fù)用技術(shù)，在一根光纖上可以發(fā)送8個波長的光波，假設(shè)每個波長可以支持10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，則一根光纖所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)到80Gb/s。這樣的波分復(fù)用系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際組網(wǎng)中得到應(yīng)用。3.時分多路復(fù)用TDMATDMA是將信道按時間分成若干個時間片或時間槽，輪流分配給多個信源使用。我們知道，對于一個帶寬為X的模擬信號，只需每秒等間隔地傳輸2X個采樣點(diǎn)，接收端就可以根據(jù)接收到的數(shù)字信號完全恢復(fù)出原始的模擬信號。當(dāng)傳輸某路模擬信號的采樣數(shù)據(jù)時，整個信道的頻帶都將被該路信號所占用。如果信道的帶寬很寬，則該信道所能支持的數(shù)據(jù)傳輸率就可以很高。在采樣間隔時間里，傳輸一個采樣數(shù)據(jù)的時間僅占采樣間隔時間的一部分。則其他時間可以被用來傳輸其他模擬信號的采樣數(shù)據(jù)，或傳輸其他低速數(shù)據(jù)。時分復(fù)用是利用時間分隔方式來實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的。對于數(shù)字通信系統(tǒng)的主干網(wǎng)復(fù)用都采用時分多路復(fù)用技術(shù)。我們以電話系統(tǒng)作為例子來說明時分多路復(fù)用的工作原理。對于帶寬為4kHz的電話信號，每秒采樣8000次就可以完全不失真地恢復(fù)出話音信號。假設(shè)每個采樣點(diǎn)的值用8位二進(jìn)制數(shù)來表示，那么，一路電話所需要的數(shù)據(jù)傳輸率為8×8000＝64kb/s。如果有24路電話，即在每個采樣周期(125μs)中要傳輸24個采樣值。首先是第1路電話的8位采樣值，然后是第2路電話的8位采樣值……直至第24路電話的8位采樣值，最后加上1位用于區(qū)分或同步每一次的采樣間隔，這樣，在一個采樣周期中主干線路要傳輸193位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即要求主干線路的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到193b／125μs=1.544Mb/s。因此，我們可以利用一條數(shù)據(jù)傳輸率為1.544Mb/s的信道同時傳輸24路電話，如圖3-23所示，這種24路電話復(fù)用一條1.544Mb/s主干線路被稱為T1標(biāo)準(zhǔn)。圖3-23T1數(shù)字電話系統(tǒng)的基群采樣周期時分多路復(fù)用允許多個T1線路復(fù)用到更高級的線路上，如圖3-24所示。圖中有4個T1信道被復(fù)用到T2線路上。在T2及更高級的線路上的多路復(fù)用是按比特進(jìn)行的，而不是構(gòu)成T1幀的24個話音信道的字節(jié)。4個1.54