杭州电子科技大学《计算机网络》物理层.ppt
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1、五层协议的体系结构,应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer),数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,应用层,请快递 运输,传输层,问路,网络层,遵守交通规则,数据链路层,物理层,物 理 层,提纲,物理层的主要任务及特性 数据通信的基本知识 物理层的硬件设施 导向传输媒体 非导向传输媒体 物理层的软件技术 信道复用技术 数字传输系统技术 宽带接入技术,提纲,物理层的主要任务及特性 数据通信的
2、基本知识 物理层的硬件设施 导向传输媒体 非导向传输媒体 物理层的软件技术 信道复用技术 数字传输系统技术 宽带接入技术,物理层的主要任务及特性,物理层的主要任务 物理层的特征,物理层的主要任务及特性,物理层的主要任务 物理层的特征,5,4,3,物理层,5,4,3,物理传输媒体,主机 1,AP2,AP1,电信号(或光信号)在传输媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层,主机 2,物理层,数据链路层,数据链路层,物理层的主要任务,物理层向数据链路层提供的服务: 物理连接的建立、维护与释放 ; 数据链路实体通过与物理层的接口,将数据传送给物理层,通过物理层按比特流的顺序,将信号传输到另一个数据
3、链路实体。 物理层设计时主要考虑的是: 如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流; 数据传输方式选择(全双工、半双工与单工方式?),数据传输,单向通信(单工) 双向交替通信(半双工) 双向同时通信(全双工),单工,半双工,全双工,物理层的主要任务及特性,物理层的主要任务 物理层的特征,物理层的特征,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。,由于缺乏必要的通信知识,在介绍物理层通信时我
4、们需要补充关于数据通信的基础知识!,提纲,物理层的主要任务及特性 数据通信的基本知识 物理层的硬件设施 导向传输媒体 非导向传输媒体 物理层的软件技术 信道复用技术 数字传输系统技术 宽带接入技术,数据通信的基本知识,数据通信系统 信道的相关概念和信道的极限容量,数据通信的基本知识,数据通信系统 信道的相关概念和信道的极限容量,数据通信系统的基础概念,信号是数据在传输过程中电信号的表示形式; 模拟信号的信号电平是连续变化的; 数字信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示; 按照在传输介质上传输的信号类型,通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。,模拟信号,数字信号,数据
5、通信系统的模型,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,输入 汉字,显示 汉字,PC 机,公用电话网,数据通信的基本知识,数据通信系统 信道的相关概念和信道的极限容量,信道的相关概念和信道的极限容量,调制和调制的方法 信道的极限容量,信道的相关概念和信道的极限容量,调制和调制的方法 信道的极限容量,调制和调制的方法,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。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制(modulation),即加载载波信号。,最基本的二元制调制方法有以下几种: 调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)
6、: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。,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,思考:三种方式中哪种抗干扰性能最好,为什么?,调频信号,基带信号,载波信号,调幅信号,调相信号,信道的相关概念和信道的极限容量,调制和调制的方法 信道的极限容量,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。,数字信号通过实际的信道,有失真,但可识别 失真大,无法识别,实际的信道 (带宽受限、有噪声、干扰和失真),发送信号波
7、形,接收信号波形,信道能够通过的频率范围,1924年,奈奎斯特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。,(2) 信噪比,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。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s,W 为信道的带宽(以 Hz
8、为单位); S 为信道内所传信号的平均功率; N 为信道内部的高斯噪声功率。 此外,信道带宽B内的噪声功率N=n0B,n0是单边功率谱密度,香农公式的意义,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 C 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。,注意,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,那么可以用编码的方法让
9、每一个码元携带更多比特的信息量,借此来提高信息的传输速率。,一幅图片拟在模拟电话信道上进行数字传真。该幅图片 有2.25*106个像素。设每个像数有16个亮度等级,且各 亮度等级是等概率出现的。模拟电话信道的带宽是3KHz ,信噪比为30dB,试求在此模拟电话信道上传输该幅传 真图片所需的最小时间。,1、为表示每个像素的亮度等级所需的信息量 H=log216=4(bit) 2、一幅图片所需传输的信息量 H=2.25*106*4=9*106(bit) 3、设该幅图片的传输时间为T,则图片的信息速率R R=9*106/T(bit/s) 4、模拟电话信道容量 C=Blog2(1+S/N)=3*103
10、*log2(1+1000)=29.9*103(bit/s) 5、Tmin=9*106/29.9*103=0.301*103(s),为了完成物理层的通信,我们需要软件和硬件的支持,下面我们来介绍物理层硬件设施和软件技术的内容!,提纲,物理层的主要任务及特性 数据通信的基本知识 物理层的硬件设施 导向传输媒体 非导向传输媒体 物理层的软件技术 信道复用技术 数字传输系统技术 宽带接入技术,物理层硬件设施-传输媒体,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅 无线电,调频 无线电,海事 无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EH
11、F,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移动 无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,导向传输媒体,双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆 光缆,双绞线,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯 套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,无屏蔽双绞线
12、UTP,屏蔽双绞线 STP,双绞线规格型号,计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号如下: 1、第一类:主要用于传输语音(一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆),不用于数据传输。 2、第二类:传输频率为1MHz,用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输,常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。 3、第三类:该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输,主要用于10base-T。(现在大多数电话系统的标准电缆) 4、第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输,主要用于基于令牌的局域网和1
13、0base-T/100base-T。 5、第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输,主要用于100base-T和10base-T网络,这是最常用的以太网电缆。,如何制作水晶头?,一根双绞线有8条颜色不同的线。,T568B标准接线,1、3用于发送;4、6用于接受; 2、5、7、8既可以发送也可以接受,T568A标准接线,注意!,(1)直通线 一般情况下,连接两个不同类型的设备时采用普通连接方式。比如,计算机与集线器相连时,双绞线两端的线序要一致。如果按照T568B标准制作,则网线两端线序应为:,(2)交
14、叉线,连接同种设备时采用交叉连接方式。比如,两台计算机相连时,双绞线两端的线序不同。一端采用T568A标准,另一端则采用T568B标准。,制作过程可分为四步,简单归纳为: “剥”、“理”、“查”、“压”,水晶头的制作,步骤1: 准备好双绞线、RJ-45插头和一把专用的压线钳。,步骤2: 用压线钳的剥线刀口将双绞线的外保护套管划开(小心不要将里面的双绞线的绝缘层划破),刀口距双绞线的端头至少2厘米。,步骤3: 将划开的外保护套管剥去(旋转、向外抽)。,步骤4: 露出双绞线电缆中的4对双绞线。,步骤5: 按照EIA/TIA-568B标准和导线颜色将导线按规定的序号排好。,步骤6: 将8根导线平坦整
15、齐地平行排列,导线间不留空隙。,步骤7: 准备用压线钳的剪线刀口将8根导线剪断。,步骤8: 剪断电缆线。请注意:一定要剪得很整齐。剥开的导线长度不可太短。可以先留长一些。不要剥开每根导线的绝缘外层。,步骤9: 将剪断的电缆线放入RJ-45插头试试长短(要插到底),电缆线的外保护层最后应能够在RJ-45插头内的凹陷处被压实,反复进行调整。,步骤10: 在确认一切都正确后(特别要注意不要将导线的顺序排列反了),将RJ-45插头放入压线钳的压头槽内,准备最后的压实。,步骤11: 双手紧握压线钳的手柄,用力压紧请注意,在这一步骤完成后,插头的8个针脚接触点就穿过导线的绝缘外层,分别和8根导线紧紧地压接
16、在一起。,步骤12:完成。,测试时将双绞线两端的水晶头分别插入主测试仪和远程测试端的RJ-45端口,将开关开至“ON”(S为慢速档),主机指示灯从1至8逐个顺序闪亮。,跳线的测试,(1)当有一根导线断路,则主测试仪和远程测试端对应线号的灯都不亮。 (2)当有几条导线断路,则相对应的几条线都不亮,当导线少于2根线联通时,灯都不亮。 (3)当两头网线乱序,则与主测试仪端连通的远程测试端的线号亮。,若连接不正常,按下述情况显示:,(4)当导线有2根短路时,则主测试器显示不变,而远程测试端显示短路的两根线灯都亮。若有3根以上(含3根)线短路时,则所有短路的几条线对应的灯都不亮。 (5)如果出现红灯或黄
17、灯,就说明存在接触不良等现象,此时最好先用压线钳压制两端水晶头一次,再测,如果故障依旧存在,就得检查一下芯线的排列顺序是否正确。如果芯线顺序错误,那么就应重新进行制作。,把线插入到RJ-45接头,压线,同轴电缆,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,光纤,包层,纤芯,光纤的工作原理,纤芯,包层,光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,光纤类型,多模光纤,失真!,不失真!,非导向传输媒体,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。 地面微波接力通信 卫星通信,微波通信,视距传播 电离层反射,卫星通信,常用传输媒体的比较,提
18、纲,物理层的主要任务及特性 数据通信的基本知识 物理层的硬件设施 导向传输媒体 非导向传输媒体 物理层的软件技术 信道复用技术 数字传输系统技术 宽带接入技术,信道复用技术,复用的概念 信道复用技术 频分复用技术 时分复用技术 波分复用技术 码分复用技术,复用的概念,共享信道,复用是指在一条介质上同时携带多个传输信号,即将多个信号组合在一条物理信道上进行传输,使多个计算机或终端设备共享信道资源,提高信道的利用率。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,不使用复用技术,使用复用技术,信道复用技术,信道复用技术 频分复用技术 时分复用
19、技术 波分复用技术 码分复用技术,频分复用 FDM,用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源. 实例:有线电视,时分复用TDM,时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧( TDM帧) 。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。 TDM 信号也称为等时信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。 举例:990kHz某某新闻台,9:00地球嘹望、12:10市民与社会、16:05时事大挑战、19:02法庭内外等就可以看
20、成是一种时分多路复用,时分复用TDM,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用TDM,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用TDM,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用TDM,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用可能会造成 线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个TMD帧,#1,a,c,
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