單元3

物理層與傳輸介質《計算機網絡基礎》課程Computernetworktechnology單元3物理層與傳輸介質-內容列表《計算機網絡基礎》課程3.1物理層接口與協議3.2物理層介質3.3數據通信技術3.4數據交換技術物理層接口與協議《計算機網絡基礎》課程Computernetworktechnology物理層定義與作用《計算機網絡基礎》課程物理層是OSI參考模型中的最底層，它負責在通信設備之間傳輸原始比特流。作用物理層通過物理介質（如電纜、光纖等）實現設備之間的連接，確保數據的可靠傳輸。它處理與傳輸介質相關的所有細節，包括電壓、電流、線纜規格和連接器等。定義物理層定義與作用《計算機網絡基礎》課程位置物理層位于OSI參考模型的第一層，緊鄰數據鏈路層。它是所有其他層次的基礎，為上層提供透明的比特流傳輸服務。物理層功能《計算機網絡基礎》課程

物理連接的建立與終止物理層負責在通信設備之間建立、維護和終止物理連接，確保數據的可靠傳輸。數據傳輸物理層通過傳輸介質（如電纜、光纖等）實現數據在通信設備之間的傳輸。電氣特性規定物理層規定了通信設備的電氣特性，包括電壓范圍、信號幅度、阻抗匹配等，以確保設備之間的兼容性和數據傳輸的穩定性。物理層接口類型及標準《計算機網絡基礎》課程電氣特性接口定義了物理層上設備之間的電壓、電流、阻抗等電氣特性，確保設備間能夠正常通信。信號的功能特性接口描述了物理層接口所具備的功能，如傳輸速率、傳輸距離、傳輸模式等，以滿足不同應用場景的需求。機械特性接口規定了物理連接器的形狀、尺寸、引腳數等機械特性，保證設備之間的物理連接穩定可靠。規程特性接口定義了物理層接口在通信過程中的各種規程，包括信號的電平表示、信號的同步方式等，確保通信雙方能夠正確解析信號。物理層協議《計算機網絡基礎》課程RS-232協議是一種常見的串行通信協議，廣泛應用于計算機與外設之間的通信。它定義了電氣特性、機械特性、功能特性等方面的規范，支持點對點通信。USB協議是一種通用的串行總線標準，用于連接計算機與外設。USB協議定義了物理層、數據鏈路層和傳輸層的規范，支持熱插拔和即插即用功能。是一種高清數字視頻和音頻傳輸標準，廣泛應用于電視、顯示器、投影儀等多媒體設備之間。HDMI協議定義了物理層、數據鏈路層和傳輸層的規范，支持高清視頻和音頻的傳輸。是一種基于共享信道的局域網通信技術，定義了物理層和數據鏈路層的規范。Ethernet協議支持多種傳輸速率和傳輸模式，廣泛應用于局域網和廣域網中。HDMI協議Ethernet協議物理層傳輸介質《計算機網絡基礎》課程Computernetworktechnology傳輸介質種類《計算機網絡基礎》課程雙絞線（TwistedPair）由兩根相互絕緣的銅導線組成，通過螺旋狀扭絞在一起，以減少電磁干擾和信號衰減。常用于低速、短距離通信，如以太網等。同軸電纜（CoaxialCable）由內導體、絕緣層、外導體和護套組成，具有較高的帶寬和抗干擾能力。常用于有線電視、寬帶網絡等。光纖（FiberOpticCable）由纖芯、包層和護套組成，利用光的全反射原理進行信號傳輸。具有傳輸速度快、距離遠、抗干擾能力強等優點。常用于高速、長距離通信，如主干網、城域網等。雙絞線《計算機網絡基礎》課程非屏蔽雙絞線（UnshieldedTwistedPair，UTP）屏蔽雙絞線需要一層金屬箔（即覆蓋層）把電纜中的每對線包起來，覆蓋層和屏蔽層有助于吸收環境干擾。非屏蔽雙絞線原先是為模擬語言通信而設計的，現在同樣支持數字信號，特別適合較短距離的信息傳輸屏蔽雙絞線（ShieldedTwistedPair，STP）雙絞線《計算機網絡基礎》課程EIA/TIA為雙絞線電纜定義了5種不同規格的型號。一類線：主要用于傳輸語音，不用于數據傳輸。二類線：傳輸頻率為1MHz，用于語音和最高速率為4Mbit/s的數據傳輸。三類線：傳輸頻率為16MHz，用于語音及最高傳輸速率為10Mbit/s的數據傳輸，主要用于10Base-T網絡。四類線：傳輸頻率為20MHZ，用于語音及最高傳輸速率為16Mbit/s的數據傳輸，主要用于10/100Base-T網絡。五類線及超五類線：該類電纜增加了繞線謎底，外套一種高質量的絕緣材料，傳輸速率為100Mbit/s，用于語音及最高傳輸速率為100Mbit/s的數據傳輸，主要用于10/100Base-T網絡，短距離傳輸也可達到1Gbit/s。五類非屏蔽雙絞線是最常見的以太網電纜。六類線：傳輸性能高于五類、超五類標準，最適用于傳輸速率高于1Gbps的應用。雙絞線《計算機網絡基礎》課程雙絞線有兩種接線標準：EIA/TIA568A標準和EIA/TIA568B標準T568A:T568B:12345678白橙白綠橙綠藍白藍白棕棕白綠白橙綠橙藍白藍白棕棕直通線：兩端線序相同；交叉線：兩端線序不同。同軸電纜《計算機網絡基礎》課程同軸電纜是局域網中較早使用的傳輸介質，以單根銅導線為內芯（內導體），外面包裹一層絕緣材料（絕緣層），外覆蓋密集網狀導體（外屏蔽層），最外面是一層保護性塑料（外保護層）。

外保護層外屏蔽層絕緣層內導體由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有較好的抗干擾特性（特別是高頻段），適合高速數據傳輸。光纖《計算機網絡基礎》課程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。纖芯很細，直徑為8－100um，且折射率較高，包層相對折射率較低，多根光纖構成光纜。折射角入射角

包層（低折射率的媒體）

纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射光纖《計算機網絡基礎》課程多模光纖：多條不同入射角光線在一條光纖中傳輸。單模光纖：直徑只有一個光波長大小，直線傳輸。輸入脈沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖光纖接頭《計算機網絡基礎》課程光纖接頭端接于光纖末端，接頭種類眾多，主要區別在尺寸和機械耦合方式。常用的三種接頭是直通式（ST）接頭、用戶接頭（SC）和朗訊（LC）接頭。ST接頭：廣泛用于多模光纖的老式卡扣式接頭。SC接頭：有時稱方形接頭或標準接頭，廣泛用于LAN和WAN。LC接頭：有時稱小型或本地接頭，尺寸更小，用于單模光纖。無線傳輸介質《計算機網絡基礎》課程電磁波按頻率從低到高可以分為無線電波、微波、紅外線。IEEE802.11標準：無線LAN（WLAN）技術，通常稱為Wi-Fi（Wi-Fi不是標準，是Wi-Fi聯盟的商標）。IEEE802.15標準：無線個域網（WPAN），通常稱為藍牙，采用設備配對過程進行距離1～100m的通信。IEEE802.16標準：微波接入全球互通（WiMax），采用點到多點拓撲，提供無線寬帶接入。移動電話和衛星通信也可以提供數據網絡連接。數據通信技術《計算機網絡基礎》課程Computernetworktechnology數據通信《計算機網絡基礎》課程數據通信的定義01數據通信是指在不同的計算機或設備之間傳輸數據的過程，涉及到數據的傳輸、處理、存儲和呈現等方面。數據與信息的區別02數據是信息的載體，信息是數據所表達的含義。數據可以是文字、數字、圖像、音頻、視頻等形式，而信息則是對這些數據進行解釋和理解后所得到的有意義的內容。通信系統模型《計算機網絡基礎》課程數據通信系統組成：數據終端設備（DTE）：簡單數據終端、中央計算機系統數據電路終接設備（DCE）：信號轉換設備（模擬、數字）信道：模擬信道、數字信道數據電路：信道＋兩端DCE（物理鏈路）數據鏈路：數據電路加上DTE中的通信控制功能（邏輯鏈路）數據傳輸速率《計算機網絡基礎》課程所謂數據傳輸速率（DataTransferRate），是指每秒能夠傳輸的二進制信息位數，單位為比特/秒（BitsPerSecond），記作bps或者bit/s。常用的數據傳輸速率單位有：千比每秒（Kbps）、兆比每秒（Mbps）、吉比每秒（Gbps）與太比每秒（Tb/s），目前最快的以太局域網理論傳輸速率（也就是所說的“帶寬”）可以達到10Gbit/s。其中：1Kbps=1000bps1Mbps=1000Kbps1Gbps=1000Mbps1Tbps=1000Gbps數據傳輸速率《計算機網絡基礎》課程數據傳輸速率計算公式S=(1/T)×log?N(bps)例題：采用四相調制方式，即N=4，且T=8.33×10-4秒，求該信道的比特率和波特率。解答：S=(1/T)×log?N(bps)

=1/（8.33×10-4）×log24

=2400（bps）B=1/T=1/（8.33×10-4）=1200（baud）數據信道容量《計算機網絡基礎》課程碼元速率的極限值B與信道帶寬W的關系B=2×W（Baud）奈奎斯特公式C=2×W×log2N（bps）其中，N表示碼元可能取得離散值得個數，C表示信道的最大數據傳輸速率例題：普通電話線路帶寬約為3000Hz，求碼元速率極限值。若碼元的離散數值個數N=8，求最大數據傳輸速率。解答：B=2×W=2×3k=6kbaud

C=2×W×log2N（bps）=2×3k×log28=18kbps數據交換技術《計算機網絡基礎》課程Computernetworktechnology電路交換技術《計算機網絡基礎》課程電路交換是一種通信傳輸方式，其核心概念是通過建立一條物理路徑（即電路）來劃分和保持通信資源，實現點對點的數據傳輸。在電路交換中，通信雙方需要先建立連接，交換機會為雙方專門劃分一個物理電路，數據在這個電路上進行傳輸，直到關閉連接。交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換技術特點《計算機網絡基礎》課程電路建立獨占資源實時性強效率低01020304在通信雙方之間建立一條專用的通信電路，該電路在通信期間始終保持連接狀態。通信雙方在通信期間獨占分配給他們的通信資源，其他用戶無法使用該電路。適用于實時性要求較高的通信場合，如電話通信。電路空閑時的資源浪費較大，且不同速率、不同編碼格式的用戶之間難以進行通信。報文交換《計算機網絡基礎》課程在報文交換中，信息被劃分為若干個報文段，每個報文段都是一個獨立的數據單元。報文通常包括報頭（Header）和報體（Body）兩部分。報頭包含有關報文傳輸的控制信息，如目的地址、源地址、報文長度等；報體則包含了實際的數據內容。報文報頭報文報頭報文報頭報文報頭存儲轉發存儲轉發存儲轉發報文交換《計算機網絡基礎》課程報文交換采用存儲轉發的傳輸方式，將報文暫時存儲在交換設備中，待信道空閑時再轉發到下一個節點。存儲轉發報文交換不需要建立專用的通信電路，可以提高信道的利用率。無需專用電路報文交換可以進行差錯控制和流量控制，提高數據傳輸的可靠性。可靠性高由于報文需要暫存和排隊等待轉發，因此報文交換的延遲較大，不適用于實時性要求較高的場合。延遲較大報文報文報文報文ABCDEt分組交換《計算機網絡基礎》課程分組交換（PacketSwitching）是一種數據通信技術，它將用戶要發送的數據劃分成若干個更小的等長數據段，每個數據段稱為一個“分組”。在每個數據段前會加上控制信息，構成一個完整的分組，這個控制信息被稱為“首部”，包含了該分組發送的地址等信息。報文11010001101010101101010111000100110100101100101010110101報文較長不便于傳輸分組交換《計算機網絡基礎》課程數據數據數據報文首部首部首部分組

1分組

2分組

3分組交換將報文分割成若干個較小