物理層市公開(kāi)課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、第3章 物理層第1頁(yè)第1頁(yè)本章學(xué)習(xí)內(nèi)容物理層與物理層協(xié)議基本概念。數(shù)據(jù)通信中基本概念。數(shù)據(jù)傳播方式。多路復(fù)用分類與特點(diǎn)。廣域網(wǎng)中數(shù)據(jù)互換技術(shù)。第2頁(yè)第2頁(yè)3.1 物理層與物理層協(xié)議基本概念物理層基本概念通信子網(wǎng)分為點(diǎn)-點(diǎn)通信線路通信子網(wǎng)與廣播信道通信子網(wǎng);廣域網(wǎng)主要采用點(diǎn)到點(diǎn)通信線路，局域網(wǎng)與城域網(wǎng)普通采用廣播信道;由于技術(shù)上存在較大差別，因此在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議上出現(xiàn)了兩個(gè)分支，一類是基于點(diǎn)-點(diǎn)通信線路，另一類是基于廣播信道。第3頁(yè)第3頁(yè)物理層基本服務(wù)功效物理層設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮是如何在連接開(kāi)放系統(tǒng)傳播介質(zhì)上傳播各種數(shù)據(jù)比特流；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠利用物理傳播介質(zhì)與傳播設(shè)備存在著很大差別，設(shè)計(jì)物理

2、層主要目的是向數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽通信技術(shù)差別性；數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體通過(guò)與物理層接口，將數(shù)據(jù)傳送給物理層，通過(guò)物理層按比特流順序，將信號(hào)傳播到另一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體。第4頁(yè)第4頁(yè)物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供服務(wù) 物理連接建立、維護(hù)與釋放 ；物理連接分為點(diǎn)-點(diǎn)連接與多點(diǎn)連接 ；數(shù)據(jù)傳播分為全雙工、半雙工與單工方式 ；數(shù)據(jù)傳播分為串行傳播方式與并行傳播方式 ；串行傳播方式物理數(shù)據(jù)服務(wù)單元是位；并行傳播方式物理數(shù)據(jù)服務(wù)單元是N位，N為并行連接物理通道數(shù)。第5頁(yè)第5頁(yè)3.2 數(shù)據(jù)通信基本概念信息基本概念信息載體能夠是數(shù)字、文字、語(yǔ)音、圖形或圖像；為了傳送信息，首先要將字母、數(shù)字、語(yǔ)音、圖形或圖像用二進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)來(lái)表示； 為

3、了傳輸二進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)編碼方式表示；數(shù)據(jù)通信是指在不同計(jì)算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號(hào)二進(jìn)制代碼0、1比特序列模擬或數(shù)字信號(hào)過(guò)程。 第6頁(yè)第6頁(yè)信息編碼原則ASCII (American standard code for information interchange) 碼被國(guó)際原則化組織ISO接受，成為國(guó)際原則ISO 646，又稱為國(guó)際5號(hào)碼；它用于計(jì)算機(jī)內(nèi)碼，也用做數(shù)據(jù)通信中編碼原則;ASCII碼采用7位二進(jìn)制比特編碼，能夠表示128個(gè)字符;字符分為圖形字符與控制字符兩類。圖形字符包括數(shù)字、字母、運(yùn)算符號(hào)、商用符號(hào)等。 第7頁(yè)第7頁(yè)信號(hào)概念 信號(hào)是數(shù)據(jù)在傳

4、輸過(guò)程中電信號(hào)表示形式；模擬信號(hào)（analog signal）信號(hào)電平是連續(xù)改變；數(shù)字信號(hào)（digital signal）是用兩種不同電平去表示0、1比特序列電壓脈沖信號(hào)表示；按照在傳輸介質(zhì)上傳輸信號(hào)類型，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。 第8頁(yè)第8頁(yè)模擬信號(hào)波型數(shù)字信號(hào)波型第9頁(yè)第9頁(yè) 數(shù)據(jù)傳播類型網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通信過(guò)程第10頁(yè)第10頁(yè)數(shù)據(jù)傳播類型能夠分為模擬通信和數(shù)字通信，這主要取決于選取通信信道所允許傳播信號(hào)類型。若采用模擬信道，需要在發(fā)送端將數(shù)字信號(hào)變成模擬信號(hào)，在接受端再將模擬信號(hào)還原成數(shù)字信號(hào)。若采用數(shù)字信道，為處理同時(shí)與其它技術(shù)問(wèn)題，也要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換。第1

5、1頁(yè)第11頁(yè)調(diào)制解調(diào)過(guò)程模擬信道中采用調(diào)制解調(diào)過(guò)程第12頁(yè)第12頁(yè)數(shù)據(jù)通信方式串行通信與并行通信單工通信、半雙工或全雙工通信同時(shí)技術(shù)第13頁(yè)第13頁(yè)串行通信與并行通信 發(fā)送8位二進(jìn)制數(shù)過(guò)程第14頁(yè)第14頁(yè)單工、半雙工與全雙工通信 第15頁(yè)第15頁(yè)同時(shí)技術(shù)同時(shí)就是要求通信雙方在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致數(shù)據(jù)通信中同時(shí)包括下列兩種：位同時(shí)（bit synchronous）:在接受端依據(jù)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率和比特流起始時(shí)刻，來(lái)校正自己時(shí)鐘頻率和接受數(shù)據(jù)起始時(shí)刻。字符同時(shí)（character synchronous）：確保收發(fā)雙方正確傳播字符過(guò)程。實(shí)現(xiàn)字符同時(shí)辦法主要有兩種：同時(shí)傳播（synchronous

6、 transmission）和異步傳播（synchronous transmission）。第16頁(yè)第16頁(yè)同時(shí)傳播異步傳播第17頁(yè)第17頁(yè)傳播介質(zhì)主要類型雙絞線(twisted pair)同軸電纜(coaxial cable)光纖電纜(fiber)無(wú)線與衛(wèi)星通信信道第18頁(yè)第18頁(yè)屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線示意圖第19頁(yè)第19頁(yè)雙絞線主要特性屏蔽雙絞線(shield twisted pair,STP)線對(duì)外面有網(wǎng)狀金屬屏蔽層,更加好抗干擾性能,控制網(wǎng)絡(luò)中慣用。非屏蔽雙絞線(shield twisted pair,UTP)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用，分為五類：3、4、5、5e、6。3類：帶寬16MH

7、z,輕輕絞合4類：帶寬20MHz,絞合較密5類和超5類：帶寬100MHz,更密6類：帶寬200-250MHz在典型工業(yè)以太網(wǎng)中，慣用第三類和第五類非屏蔽雙絞線。第20頁(yè)第20頁(yè)同軸電纜主要特性依據(jù)帶寬不同能夠分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜。基帶同軸電纜只能用于傳輸數(shù)字信號(hào)，寬帶同軸電纜既能夠傳輸數(shù)字信號(hào)也能夠傳輸模擬信號(hào)。同軸電纜抗干擾能力較強(qiáng)，尤其是在高頻下較雙絞線強(qiáng)。 第21頁(yè)第21頁(yè)光纖結(jié)構(gòu)示意圖通過(guò)全反射來(lái)傳播光信號(hào)，這就要求光纖折射系數(shù)高于外包層折射系數(shù)。第22頁(yè)第22頁(yè)典型光纖傳播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第23頁(yè)第23頁(yè) 單模光纖與多模光纖比較 第24頁(yè)第24頁(yè)光纖電纜特點(diǎn) 光纖含有低損耗、寬頻

8、帶、高數(shù)據(jù)傳播速率、低誤碼率與光安全保密性好有點(diǎn)，是一個(gè)最有前程傳播介質(zhì)。第25頁(yè)第25頁(yè)無(wú)線與衛(wèi)星通信技術(shù)電磁波傳播有兩種方式：以無(wú)線方式在自由空間中傳播；以有線方式在同軸電纜、雙絞線、光纖中傳播。電磁波譜由高到低排列順序：第26頁(yè)第26頁(yè)無(wú)線與衛(wèi)星通信技術(shù)當(dāng)前以無(wú)線方式進(jìn)行通信主要有：無(wú)線（radio）微波（microwave）紅外（infrared）可見(jiàn)光（visible light）第27頁(yè)第27頁(yè)微波通信特點(diǎn) 使用頻率范圍：100MHz10GHz，直線傳播，不能繞射，方向性強(qiáng)，發(fā)射天線和接受天線必須準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)；適合于衛(wèi)星通信與都市建筑物之間通信。第28頁(yè)第28頁(yè)衛(wèi)星通信 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式通信

9、線路廣播式通信線路第29頁(yè)第29頁(yè)衛(wèi)星通信特點(diǎn) 衛(wèi)星通信距離遠(yuǎn)，覆蓋面積大。在赤道上空同時(shí)軌道上，等距離3顆相隔120o通信衛(wèi)星，就能實(shí)現(xiàn)全球范圍通信；衛(wèi)星通信有較大傳播延時(shí)。從一個(gè)地球站通過(guò)衛(wèi)星到另一個(gè)地球站傳播延時(shí)為250ms左右，這是由于電磁波在傳播中通過(guò)了很長(zhǎng)距離(7萬(wàn)多km)。第30頁(yè)第30頁(yè)3.3 數(shù)據(jù)傳播方式基帶傳播在數(shù)據(jù)通信中，表示計(jì)算機(jī)二進(jìn)制比特序列數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)是典型矩形脈沖信號(hào);矩形脈沖信號(hào)固有頻帶稱做基本頻帶,簡(jiǎn)稱為基帶,矩形脈沖信號(hào)就叫做基帶信號(hào);在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號(hào)辦法稱為基帶傳播;在發(fā)送端，基帶傳播數(shù)據(jù)通過(guò)編碼器變換變?yōu)橹苯觽鞑セ鶐盘?hào)，比如曼徹斯特編

10、碼或差分曼徹斯特編碼信號(hào);在接受端由解碼器恢復(fù)成與發(fā)送端相同矩形脈沖信號(hào);基帶傳播是一個(gè)最基本數(shù)據(jù)傳播方式。信道帶寬越寬，信號(hào)傳播失真越小。 第31頁(yè)第31頁(yè)數(shù)據(jù)傳播速率定義 數(shù)據(jù)傳播速率是描述數(shù)據(jù)傳播系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)之一；數(shù)據(jù)傳播速率在數(shù)值上等于每秒鐘傳播構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼二進(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，記做b/s；慣用數(shù)據(jù)傳播速率單位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s與Tb/s，其中： 1Kb/s = 1103 b/s 1Mb/s = 1106 b/s 1Gb/s = 1109 b/s 1Tb/s = 11012 b/s第32頁(yè)第32頁(yè)信道速率極限值奈奎斯特準(zhǔn)則：二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)最大數(shù)據(jù)傳播速率Rma

11、x與通信信道帶寬B（B=f，單位Hz）關(guān)系為 Rmax=2f（b/s）。香農(nóng)定理：在有隨機(jī)熱噪聲信道上傳播數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)傳播速率Rmax與信道帶寬B，信噪比S/N 關(guān)系為 Rmax = Blog2（1+S/N）；S/N為信噪比，S為信號(hào)功率，N為噪聲功率，S/N(db)=l0lg(S/N)。第33頁(yè)第33頁(yè)頻帶傳播電話互換網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖第34頁(yè)第34頁(yè)利用模擬信道傳播數(shù)據(jù)信號(hào)辦法稱為頻帶傳播；調(diào)制解調(diào)器（modem）是頻帶傳播中最典型通信設(shè)備；調(diào)制解調(diào)器作用是：在數(shù)據(jù)發(fā)送端將計(jì)算機(jī)中數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能在電話線上傳播模擬信號(hào)；在接受端將從電話線路上接受到模擬信號(hào)還原成數(shù)字信號(hào)。 第35頁(yè)第35頁(yè)3.4

12、 多路復(fù)用技術(shù) 多路復(fù)用原理示意圖第36頁(yè)第36頁(yè)多路復(fù)用技術(shù)分類頻分多路復(fù)用(frequency division multiplexing, FDM)波分多路復(fù)用(wavelength division multiplexing, WDM)時(shí)分多路復(fù)用(time division multiplexing, TDM)第37頁(yè)第37頁(yè)頻分多路復(fù)用在一條通信線路設(shè)計(jì)多路通信信道;每路信道信號(hào)以不同載波頻率進(jìn)行調(diào)制;各個(gè)載波頻率是不重合,那么一條通信線路就能夠同時(shí)獨(dú)立地傳輸多路信號(hào)。 第38頁(yè)第38頁(yè)波分多路復(fù)用 光纖通道技術(shù)采取了波長(zhǎng)分隔多路復(fù)用方法，簡(jiǎn)稱為波分復(fù)用WDM;與電信號(hào)FDM不同之

13、處于于，WDM是在光學(xué)系統(tǒng)中利用衍射光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)多路不同信號(hào)合成與分解。第39頁(yè)第39頁(yè)時(shí)分多路復(fù)用 時(shí)分多路復(fù)用是將信道用于傳播時(shí)間劃分為若干個(gè)時(shí)間片；每個(gè)用戶分得一個(gè)時(shí)間片；在其占有時(shí)間片內(nèi)，用戶使用通信信道所有帶寬。 第40頁(yè)第40頁(yè)3.5 廣域網(wǎng)中數(shù)據(jù)互換技術(shù)廣域網(wǎng)中數(shù)據(jù)互換技術(shù)線路互換（circuit exchanging）存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)互換（store-and-forward exchanging）存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)互換技術(shù)報(bào)文（message exchanging ）報(bào)文分組互換（packet exchanging ） 第41頁(yè)第41頁(yè)線路互換方式線路互換是面向連接服務(wù)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)通信子網(wǎng)進(jìn)行

14、數(shù)據(jù)互換之前，首先要在通信子網(wǎng)中建立一個(gè)實(shí)際物理線路連接；線路互換在數(shù)據(jù)傳播過(guò)程中要通過(guò)建立連接、數(shù)據(jù)傳播與釋放連接三個(gè)階段；線路互換方式長(zhǎng)處是：通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適合用于交互式會(huì)話類通信；線路互換方式缺點(diǎn)是：對(duì)突發(fā)性通信不適應(yīng)，系統(tǒng)效率低，系統(tǒng)不含有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力，不能平滑交通量，不具備差錯(cuò)控制能力。 第42頁(yè)第42頁(yè)線路互換過(guò)程示意圖第43頁(yè)第43頁(yè)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)互換方式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)互換方式與線路互換方式主要區(qū)別在發(fā)送方和接受方之間不用提前建立實(shí)際物理線路連接；發(fā)送數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息按照一定格式構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)單元（報(bào)文或報(bào)文分組）進(jìn)入通信子網(wǎng)；通信子網(wǎng)中結(jié)點(diǎn)是通信控制處理機(jī)，它負(fù)責(zé)完畢數(shù)據(jù)單元

15、接受、差錯(cuò)校驗(yàn)、存儲(chǔ)、路選和轉(zhuǎn)發(fā)功效。第44頁(yè)第44頁(yè)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式長(zhǎng)處因?yàn)橥ㄐ抛泳W(wǎng)中通信控制處理機(jī)能夠存放分組，多個(gè)分組能夠共享通信信道，線路利用率高；通信子網(wǎng)中通信控制處理機(jī)含有路選功效，能夠動(dòng)態(tài)選擇報(bào)文分組經(jīng)過(guò)通信子網(wǎng)最正確路徑；能夠平滑通信量，提升系統(tǒng)效率；分組在經(jīng)過(guò)通信子網(wǎng)中每個(gè)通信控制處理機(jī)時(shí)，均要進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)與糾錯(cuò)處理，因此能夠降低傳輸錯(cuò)誤，提升系統(tǒng)可靠性；經(jīng)過(guò)通信控制處理機(jī)能夠?qū)Σ煌ㄐ潘俾示€路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也能夠?qū)Σ煌瑪?shù)據(jù)代碼格式進(jìn)行變換。 第45頁(yè)第45頁(yè)報(bào)文與報(bào)文分組利用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)互換原理傳送數(shù)據(jù)時(shí)，被傳送數(shù)據(jù)單元有報(bào)文（message）與報(bào)文分組（packet）；報(bào)文傳播：無(wú)論

16、發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是多少，都把它當(dāng)作一個(gè)邏輯單元發(fā)送；報(bào)文分組傳播：限制一次傳播數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度，假如傳播數(shù)據(jù)超出要求最大長(zhǎng)度，發(fā)送結(jié)點(diǎn)就將它分成多個(gè)報(bào)文分組發(fā)送。報(bào)文與報(bào)文分組結(jié)構(gòu)第46頁(yè)第46頁(yè)報(bào)文分組互換長(zhǎng)處 由于分組長(zhǎng)度較短，在傳播犯錯(cuò)時(shí)，檢錯(cuò)容易并且重發(fā)花費(fèi)時(shí)間較少；限定分組最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，有助于提升存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間利用率與傳播效率；公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用是分組互換技術(shù)。分組互換技術(shù)又能夠分為數(shù)據(jù)包方式（datagram, DG）和虛電路方式（virtual circuit, VC）第47頁(yè)第47頁(yè)數(shù)據(jù)報(bào)方式 在數(shù)據(jù)報(bào)方式中，分組傳送之間不需要預(yù)先在源主機(jī)與目標(biāo)主機(jī)之間建立“線路連接”；源主機(jī)所發(fā)送

17、每一個(gè)分組都能夠獨(dú)立地選擇一條傳輸路徑；每個(gè)分組在通信子網(wǎng)中可能是經(jīng)過(guò)不同傳輸路徑抵達(dá)目標(biāo)主機(jī)。第48頁(yè)第48頁(yè)數(shù)據(jù)報(bào)方式工作原理示意圖 第49頁(yè)第49頁(yè)數(shù)據(jù)報(bào)工作方式特點(diǎn)同一報(bào)文不同分組能夠由不同傳輸路徑經(jīng)過(guò)通信子網(wǎng)；同一報(bào)文不同分組抵達(dá)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)時(shí)可能出現(xiàn)亂序、重復(fù)與丟失現(xiàn)象；每一個(gè)分組在傳輸過(guò)程中都必須帶有目標(biāo)地址與源地址；數(shù)據(jù)報(bào)方式報(bào)文傳輸延遲較大，適合用于突發(fā)性通信，不適合用于長(zhǎng)報(bào)文、會(huì)話式通信。 第50頁(yè)第50頁(yè)虛電路方式 虛電路方式試圖將數(shù)據(jù)報(bào)方式與線路互換方式結(jié)合起來(lái)，處分發(fā)揮兩種辦法長(zhǎng)處，以達(dá)到最佳數(shù)據(jù)互換效果;數(shù)據(jù)報(bào)方式在分組發(fā)送之前，發(fā)送方與接受方之間不需要預(yù)先建立連接。虛

18、電路方式在分組發(fā)送之前，需要在發(fā)送方和接受方建立一條邏輯連接虛電路;虛電路方式與線路互換方式相同，整個(gè)通信過(guò)程分為下列三個(gè)階段：虛電路建立、數(shù)據(jù)傳播與虛電路釋放階段。 第51頁(yè)第51頁(yè)虛電路方式原理示意圖第52頁(yè)第52頁(yè)虛電路特點(diǎn)在每次分組發(fā)送之前，必須在發(fā)送方與接受方之間建立一條邏輯連接。這是由于不需要真正去建立一條物理鏈路，連接發(fā)送方與接受方物理鏈路已經(jīng)存在；一次通信所有分組都通過(guò)這條虛電路順序傳送，因此報(bào)文分組不必帶目的地址、源地址等輔助信息。分組到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)丟失、重復(fù)與亂序現(xiàn)象；分組通過(guò)虛電路上每個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)點(diǎn)只需要做差錯(cuò)檢測(cè)，而不需要做路徑選擇；通信子網(wǎng)中每個(gè)結(jié)點(diǎn)能夠和任何結(jié)點(diǎn)建立多條虛電路連接。 第53頁(yè)