计算机网络_教学课件_3.ppt
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1、第二章 网络接口层,第二章 网络接口层,1 物理层 2 数据链路层 3 本章作业,1 物理层,1.1 基本概念 1.2 传输媒介 1.3 数据传输 1.4 信道复用技术 1.5 物理层标准举例,1.1 基本概念,目的:将数据比特流从一台机器传输到另一台机器 功能: 将来自上层的数据转化为适合物理信道的信号 为上层屏蔽物理设备、传输媒介和通信方式等的差异 主要任务:确定与传输媒体的接口特性 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性,1.1 基本概念,目的:将数据比特流从一台机器传输到另一台机器 功能: 将来自上层的数据转化为适合物理信道的信号 为上层屏蔽物理设备、传输媒介和通信方式等的差异 主要任
2、务:确定与传输媒体的接口特性 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性,指明接口所采用的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。,1.1 基本概念,目的:将数据比特流从一台机器传输到另一台机器 功能: 将来自上层的数据转化为适合物理信道的信号 为上层屏蔽物理设备、传输媒介和通信方式等的差异 主要任务:确定与传输媒体的接口特性 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性,指明接口电缆的各条引线上 出现的信号电平(电压)的范围。,1.1 基本概念,目的:将数据比特流从一台机器传输到另一台机器 功能: 将来自上层的数据转化为适合物理信道的信号 为上层屏蔽物理设备、传输媒介和通信方式等的差
3、异 主要任务:确定与传输媒体的接口特性 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性,指明某条引线上出现的某一信号电平 的电压表示何种意义。,1.1 基本概念,目的:将数据比特流从一台机器传输到另一台机器 功能: 将来自上层的数据转化为适合物理信道的信号 为上层屏蔽物理设备、传输媒介和通信方式等的差异 主要任务:确定与传输媒体的接口特性 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性,指明对于不同功能的 各种可能事件的出现顺序。,1.1 基本概念,数据通信系统模型,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,正文,正文,PC 机,1.1 基本概念,数字信号的傅里
4、叶分析 任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t) 均可分解为若干项(可能无限多项)正弦和余弦函数之和:,其中:f=1/T是基频,an、bn称为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅。,1.1 基本概念,数字信号的傅里叶分析 任何信号的传输都可以理解为以傅里叶级数的形式传递 如每个傅里叶级数的信号分量被等量衰减,则合成后,振幅有所衰减,基本形状不变 对任何已知的g(t),可求得:,1.1 基本概念,数字信号的傅里叶分析 谐波数越高,传输质量越好 如传输ASCII字符b,即01100010,可求得,1.1 基本概念,数字信号的傅里叶分析,1.1 基本概念,数据传输率 带宽 带宽有时又叫吞吐量。“带宽”本
5、来的意思是指某个信号所具有的频带宽度。单位:赫兹Hz 周期性矩形脉冲的带宽 对于数字信道,“带宽”是指在信道上(或一段链路上)能够传送的数字信号的速率,即数据速率或比特率。,信道带宽,1.1 基本概念,数据传输率 比特率:数据传输速率 bps 波特率:信号变化次数(每秒采样次数) 如果信号分为两级:0,1,则波特率=比特率 如果信号分为4级:则一次信号变化(一次采样可表示2比特) 如果信号分为V级,则比特率=log2V波特率,1,0,1.1 基本概念,数据传输率 设波特率=比特率=b bps 则发送8bit需要T=8/b秒,因此基频f=1/T=b/8 HZ 设截止频率为F,则最大的谐波次数n满
6、足nf=F,即:n=F/f=8F/b,当截止频率F为3000HZ时,传输速率与谐波的关系,1.1 基本概念,数据和信号 数据涉及的是事物的表现形式 数据有模拟数据和数字数据两种形式 模拟数据是指在某个时间段产生的连续的值,例如声音和视频、温度和压力等都是时间的连续函数 数字数据是指产生的离散的值,例如文本信息和整数 信号是数据的表示形式,或称数据的电磁或电子编码,他使数据能以适当的形式在介质上传输 信号有模拟信号和数字信号两种基本形式 传输信号的信道也有模拟信道和数字信道之分,1.1 基本概念,模拟传输和数字传输 模拟传输:是指模拟数据的传输,不关心所传输信号的内容,只关心尽量减少信号的衰减和
7、噪声,长距离传输时,采用信号放大器放大被衰减的信号,但同时也放大了信号中的噪声 数字传输:是指数字数据的传输,关心信号的内容,可以数字信号传输,也可以模拟信号传输,长距离传输时,采用转发器,可消除噪声的累积 长距离传输时,通常采用的是数字传输,1.1 基本概念,奈奎斯特准则 在无噪声信道中,带宽为H Hz,信号电平为V级,则: 最高数据传输速率=2Hlog2V b/s (信号电平为V级,在二进制中,仅为0、1两级) 即:以高于每秒2H次的速度对次线路进行采样是无意义的,因为高频分量已被滤波器滤掉而无法再恢复,1.1 基本概念,香农定理 在噪声信道中,带宽为H Hz,信噪比为S/N,则: 最高数
8、据传输速率=Hlog2(1+S/N) b/s 一般用分贝(dB)表示信噪比 信噪比(dB)=10log10S/N 如:信噪比为30dB,则S/N=1000,1.1 基本概念,香农定理 在噪声信道(话音信道)中,当带宽为3500 Hz,信噪比为30dB(较为典型的电话信道),则: 最高数据传输速率=Hlog2(1+S/N) =3500log2(1+1000) 35000 b/s 最大数据传输速率为35k bps,这是在噪声信道中的传输速率极限,实际上是不可能达到的,1.1 基本概念,常用术语 数据(data)运送信息的实体 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现 “模拟的”(analogo
9、us)连续变化的 “数字的”(digital)取值是离散数值 调制把数字信号转换为模拟信号的过程 解调把模拟信号转换为数字信号的过程 基带信号将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示,然后送到线路上去传输。 宽带信号将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,1.1 基本概念,数据与信号的形式,1.2 传输媒介,1.2 传输媒介,双绞线(Twist Pair,TP),螺旋绞合的双导线 每根4对、25对、1800对 典型连接距离100m(LAN) RJ45插座、插头 优缺点: 成本低 组装密度高、节省空间 安装容易(综合布线系统) 平衡传输(高速率) 抗干扰性一般 连接距离短,内导体芯
10、线 绝缘 内屏蔽 外屏蔽 外套,1.2 传输媒介,双绞线(Twist Pair,TP) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair),1.2 传输媒介,双绞线(Twist Pair,TP) 在双绞线上安装RJ-45接头,1.2 传输媒介,双绞线(Twist Pair,TP) 双绞线的连接标准 交叉线:交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口) 直连线:PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口),交叉线 EIA-568B,直连线 EIA-568A,1.2 传输媒介,同轴电缆(
11、Coaxial Cable) 计算机网络中使用基带同轴电缆 阻抗50欧,有粗同轴和细同轴两种 应用:总线局域网(以太网) 性能:10Mb/s,500米/185米,绝缘层,屏蔽层,1.2 传输媒介,光纤(Optical Fiber) 光纤通信利用光纤传递光脉冲进行通信。 优缺点: 传输带宽高:仅受光电转换器件的限制(100Gb/s) 传输损耗小,适合长距离传输 抗干扰性能极好、误码率低,保密性好 轻便 价格较高 需要光电转换 纤芯材料: 塑料 二氧化硅(高纯玻璃),1.2 传输媒介,光纤(Optical Fiber),1.2 传输媒介,非导向传输媒介-电磁波 无线传输所使用的频段很广。,1.2
12、传输媒介,非导向传输媒介-电磁波 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, 短波信道的通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。 (300M-300GHZ) 地面微波接力通信 (50km,中继站) 卫星通信: 通信距离远,通信费用与通信距离无关 传播时延大,1.2 传输媒介,常用传输媒介比较,1.3 数据传输,振幅键控(调幅),移频键控(调频),移相键控(调相),非归零编码,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,数字数据在模拟信道上传输,数字数据在数字信道上传输,调制,编码,模拟数据在数字信道上传输,采样,量化,编码,调制,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,
13、调相,1.3 数据传输,调制,正交调幅QAM,正交调相QPSK (Quadrature Phase Shift Keying),1.3 数据传输,编码,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,NRZ,曼码,差分曼码,位中上升 表示“0”,位中下降 表示“1”,位始无跳变表示“1”,位始有跳变表示“0”,1.3 数据传输,编码 非归零码特点: 难以分辨一位的结束和另一位的开始 发送方和接收方必须有时钟同步 若信号中“0”或“1”连续出现,信号直流分量将累加 容易产生传播错误 曼彻斯特码特点:(主要用于以太网) 克服了NRZ码的不足 每位中间的跳变既可作为数据,又可作为时钟,自同步 差分曼彻
14、斯特码特点:(主要用于令牌环网) 克服了NRZ码的不足 每位开始的跳变作为数据,每位中间的跳变作为时钟,1.3 数据传输,采样、量化、编码,1.3 数据传输,脉冲编码调制技术(PCM),采样、量化、编码 话音信道允许的最高频率通常为3500Hz,采样频率8000Hz 每个采样值采用一个二进制代码来表示,二进制代码的位数表示量化的精度 对每一路话音信号通常采用8位二进制代码表示一个采样值。对话音信号进行PCM编码后所得到的数据传输速率为 8bit*8000次采样/秒=64k bps,1.3 数据传输,基带传输和宽带传输 基带传输:信号源产生的原始电信号称为基带信号,即将数字数据0、1直接用两种不
15、同的电压表示,然后送到线路上去传输。(局域网) 宽带传输:将基带信号进行调制后形成模拟信号,然后采用频分复用技术实现宽带传输 有线电视网:带宽可达750MHz 宽带系统可分为多个信道,所以模拟和数字数据可混合使用,但通常需解决数据双向传输的问题 在混合光纤电缆HFC(Hybrid Fiber Coax)中,频段54-550MHz是电视信号,550-750MHz是数字数据,1.3 数据传输,异步通信和同步通信 异步通信:发送方和接收方的采样时钟不是同一个,是以字符为单位的数据传输 每个字符都要附加1位起始位和1位停止位,以标记字符的开始和结束。此外,还要附加1位奇偶校验位 异步通信必须指定四个参
16、数:波特率、字符长度、起始位及停止位长度、奇偶校验,1.3 数据传输,异步通信和同步通信 同步通信:发送方和接收方的采样时钟是同一个 面向字符的同步通信:字符集可用ASCII或EBCDIC,数据块由字符组成,数据块前加一个或两个同步字符SYN用于数据块的同步,每个字符无需起始位和停止位 面向比特流的同步通信:每个数据块的头部和尾部用一个或多个特殊的比特序列(如01111110)来标记数据块的开始和结束,数据块作为比特流处理,而不是作为字符流,1.3 数据传输,串行通信和并行通信 串行通信:数据以位为单位以时间为序 RS232接口 并行通信:数据以字符为单位以时间为序 打印机接口,1.3 数据传
17、输,HIPPI 接口,RS-232 接口,1.4 信道复用技术,在单一物理通信线路(共用信道)上,传输若干个独立的信号。,信道1,信道n,多路 复用 器,多路分用器,信道1,信道n,一条线路 n个信道,复用信道 共用信道,1.4 信道复用技术,信道复用类型 频分复用 按频率划分不同的信道,如CATV系统 时分复用 按时间划分不同的信道,目前应用最广泛 波分复用 按波长划分不同的信道,用于光纤传输 码分复用 按地址码划分不同的信道,前景看好,1.4 信道复用技术,信道复用类型 频分复用 整个传输频带被划分为若干个频率通道,每路信号占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。,1.4
18、信道复用技术,信道复用类型 频分复用 从宏观上看频分复用,所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源,1.4 信道复用技术,信道复用类型 时分复用 把时间分割成小的时间片,每个时间片分为若干个时隙,每路数据占用一个时隙。在通信网络中应用极为广泛。,A2,A1,A3,原始信号,D2,D1,D3,数字化信号,复用后的数据流,时隙号,1,2,3,1,D3,D2,D1,时间片1,2,时间片2,D1,时隙,D2,复用器,t,所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度,1.4 信道复用技术,信道复用类型 波分复用 整个波长频带被划分为若干个波长范围,每路信号占用一个波长范围来进行传输。,光的频分复用,1.4 信道
19、复用技术,信道复用类型 码分复用 每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码(任意两个地址码序列相互正交)。 不同用户发送的信号在接收端被叠加,然后接收方用同样的地址码序列解码。 由于地址码的正交性,只有与自己地址码相关的信号才能被检出,由此恢复出原始数据。,也称码分多址CDMA,1.4 信道复用技术,信道复用类型 码分复用 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。 例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时,就发送序列 00011011, 发送比特 0
20、 时,就发送序列 11100100。 S 站对应的码片向量:(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),1.4 信道复用技术,信道复用类型 码分复用 两个不同站的码片序列S和T正交,就是向量 S 和T 的归一化内积为0: 任何一个码片向量与自己的归一化内积为1: 一个码片向量与其反码向量的归一化内积为1。,1.4 信道复用技术,信道复用类型 码分复用,传输媒介与信道 传输媒介是指传输信道的物理载体 信道则提供了传输某种信号所需的带宽,着重体现介质的逻辑特性 一根传输媒介可能同时提供多个信道 一个信道也可能由多根传输媒介级联而成,1.4 信道复用技术,1.5 物理层标准举例,EIA-RS232-
21、C 接口标准 RS-232-C是美国电子工业协会制定的物理层标准,用于计算机或终端与Modem间接口的物理层协议,它是DTE与DCE之间的接口标准。 DTE (Data Terminal Equipment):数据终端设备。具有一定的数据处理能力和数据发送、接收能力的设备。-计算机或终端设备 DCE (Data Circuit-terminating Equipment):数据电路端接设备。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,1.5 物理层标准举例,EIA-RS232-C 接口标准 DTE通过DCE与通信传输线路相连,DTE,D
22、CE,DCE,串行比特传输,信号线与控制线,用户环境,通信环境,用户设施,公用电话网,DTE,信号线与控制线,用户设施,用户环境,1.5 物理层标准举例,EIA-RS232-C 接口标准 机械特性:25针D型插座及相关的长、宽、高 25 PIN 9 PIN DTE端为Male DCE端为Female 电气特性:逻辑0:+12 V 逻辑1:-12 V 最长传输距离15 m 最大传输速率20k b/s,1.5 物理层标准举例,EIA-RS232-C 接口标准 EIA-232/V.24 的信号定义,(1) 保护地,(2) 发送数据,(3) 接收数据,(4) 请求发送,(5) 允许发送,(6) DCE
23、 就绪,(7) 信号地,(8) 载波检测,(20) DTE 就绪,(22) 振铃指示,DTE,DCE,计算机 或 终端,调制解调器,1.5 物理层标准举例,EIA-RS232-C 接口标准 两个DTE通过DCE进行通信的例子,EIA-232/ V.24接口,EIA-232/ V.24接口,调制解调器,DTE-A,DTE-B,DCE-A,DCE-B,调制解调器,网 络,20DTE就绪,2发送数据,传送电话号码,22振铃提示,20DTE就绪,6DCE就绪,6DCE就绪,8载波检测,8载波检测,4请求发送,5允许发送,模拟信号,3-接收数据,数字信号,载波信号,载波信号,1.5 物理层标准举例,EI
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