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物理层学习目标：掌握物理层基本概念熟悉传输媒体了解数据通信的基本概念和主要技术熟悉常用的物理接口掌握一些重要参数的计算方法教学内容：物理层基本概念传输媒体数据通信基础常用物理层标准物理层基本概念--对象DTE（DataTerminalEquipment）数据终端设备DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）数字电路端接设备连接模拟传输系统，V系列标准，连接数字传输系统，X系列标准。接口：关于DTE与DCE（数字电路终接设备）和DSE（数字服务设备）的标准DTE-DCE接口数据终端设备DTE：具有数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备，可以是计算机、终端或I/O设备。产生数据及必须的控制字符，并送到DCE。数字电路端接设备DCE：数据通信设备，DTE和传输媒体之间的中间设备，负责发送和接收在传输介质上的信号，提供DTE和传输媒体之间信号变换和编码的功能，并负责建立、保持和释放数据链路。物理层基本概念--组织CCITT（ITU）电气、功能、规程特性ISO机械特性EIA组合特性物理层基本概念—定义ISO/OSI关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层基本服务功能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；计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；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链路实体。物理层基本概念--功能建立、维护、拆除物理信道与外部媒体接口机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置尺寸。电气特性：接口线上电压值范围、速率、阻抗、距离、0和1电压的含义。功能特性：接口线的名称、功能、意义。规程特性：对不同功能的各种可能事件的出现顺序、动作顺序。透明传输物理层基本概念—接口特性机械特性主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。物理层基本概念—接口特性电气特性规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。三种电气连接方式不平衡接口CCITTV.28建议书特点：所有电路共用一条信号地线、串音干扰大速率20kbps距离15m物理层基本概念—接口特性三种电气连接方式平衡接口CCITTV.11建议书特点：每一条信号线均有各自的信号回路（无公共地、自带地）、串扰小速率可达10Mbps距离可达1000m（速率100kbps）半平衡接口CCITTV.10建议书特点：同方向的信号线共用一条地线速率300Kbps距离10m（300Kbps）、1000m（3Kbps）物理层基本概念—接口特性功能特性主要定义各条物理线路的功能。模拟接口：每线一个功能数字接口：每线功能可多个，共4类：数据控制定时地线物理层基本概念—接口特性规程特性定义各条物理线路的工作规程和时序关系描述工具：列线图状态图流程图教学内容：物理层基本概念传输媒体数据通信基础常用物理层标准传输介质传输介质特性常用的传输介质双绞线同轴电缆光导纤维无线介质介质特性物理特性：物理构造传输特性：允许传输数字还是模拟信号，调制技术、传输容量、传输频率范围。连通特性：允许点-点或多点连接地理特性：最大传输距离抗干扰性：防止噪声与电磁干扰的能力。价格：也是影响选择的一个重要因素。包括器件、安装与维护费用。双绞线——组成和结构双绞线（TwistedPair）也称为双扭线，是计算机网络中使用最为普遍的传输介质；现在双绞线广泛应用于模拟信号和数字信号的传输，尤其是模拟信号的传输在几公里之内都不需要使用放大器。双绞线电缆中封装着一对或一对以上的双绞线，为了降低信号的干扰程度，每一对双绞线一般由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，每根铜导线的绝缘层颜色各不相同，以示区别。5类4对UTP结构及截面图双绞线一般可以分为非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线（STP）STP又分为3类（Category3）和5类两种，而UTP分为3类、4类、5类、超5类、6类及7类几种双绞线——分类铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a）屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b）非屏蔽双绞线屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线的区别屏蔽双绞线电缆的外面由一层金属材料包裹，以减小辐射，防止信息被窃听，同时具有较高的数据传输速率（5类STP在100m内可达到155Mbit/s，而5类UTP只能达到100Mbit/s）。但屏蔽双绞线电缆的价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线困难，必须使用特殊的连接器，技术要求也比非屏蔽双绞线电缆高。非屏蔽双绞线电缆外面只需一层绝缘胶皮，因而重量轻、易弯曲、易安装，组网灵活，非常适用于结构化布线，所以在无特殊要求的计算机网络布线中，常使用非屏蔽双绞线电缆。双绞线——实例双绞线——实例具有以太网卡的计算机背面双绞线——实例一个10/100M双绞线以太网接口，指示灯的状态显示接口连接在一个10M以太网上同轴电缆——结构同轴电缆（CoaxialCable）由一根空心的圆柱网状铜导体和一根位于中心轴线位置的铜导线组成的，铜导线、空心圆柱导体和外界之间分别用绝缘材料隔开。内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层同轴电缆——分类按照特征阻抗分为：50Ω同轴电缆基带同轴电缆，又分为粗缆和细缆75Ω同轴电缆宽带同轴电缆，用于有线电视模拟信号传输同轴电缆——连接方式在利用细缆连接计算机时，对连接设备及连接方法一般有以下的要求：图4-4细缆网络连接拓扑图细缆网络连接拓扑图同轴电缆——连接方式在利用粗缆连接计算机时，对连接设备及连接方法一般有以下的要求粗缆网络连接拓扑图宽带同轴电缆75Ω同轴电缆也称为宽带同轴电缆，宽带系统是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。宽带同轴电缆网络拓扑结构光纤的通信原理通信中，由光发送机产生光束，将表示数字代码的电信号转变成光信号，并将光信号导入光纤，光信号在光纤中传播，在另一端由光接收机负责接收光纤上传出的光信号，并进一步将其还原成为发送前的电信号。光纤收发器集成了光发送机和光接收机的功能：既负责光的发送也负责光的接收。光纤电缆的主要特性光纤芯包层外部保护层(a)保护层包层光纤芯(b)光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信号光纤通常由纯度极高的石英玻璃拉成细丝，主要由位于中心轴线上的纤芯和包裹在外面的包层组成。图4-9光波在光纤中的传输情况一种类型的室外光缆截面示意图光纤的分类和特点单模光纤和多模光纤在计算机网络中根据传输点模数的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤两种，“模”也称为模式（mode），是指以一定角度进入光纤的一束光。可以让多条光波以不同的入射角（但必须大于临界值）进入同一条纤芯进行传输，将这类光纤称为多模光纤。但也存在一种情况，即当光纤的直径减小到只允许一个波长的光波传输时，这时的光纤就如同一根波导体，光波在其中没有反射，而是沿直线传输，将这种光纤称为单模光纤。单模光纤与多模光纤的比较输入脉冲输出脉冲（a）多模光纤（b）单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤与单模光纤的主要区别：单模光纤采用激光二极管（LD）作为光源，而多模光纤采用发光二极管（LED）为光源；多模光纤的芯线粗，传输速率低、距离短，整体的传输性能差，但成本低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中；单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大、传输距离长，但需激光源，成本较高，通常在建筑物之间或地域分散的环境中使用。室内光缆和室外光缆室内光缆的抗拉强度较小，保护层较差，但重量较轻，且较便宜，主要用于建筑物内部的布线。与室内光缆相比，室外光缆的抗拉强度较大，保护层较厚重，并且通常为铠装（即金属皮包裹）。室外光缆主要适用于建筑物之间或广域网的远距离布线。根据布线方式的不同，室外光缆又分为直埋式光缆、架空式光缆和管道式光缆三类。光纤通信的特点数据传输速率高（可达Gbit/s）传输距离远（无中继传输距离达几十至上百公里）在远距离的网络布线中得到广泛应用局域网布线中一般使用62.5μm/125μm、50μm/125μm、100μm/140μm规格的多模光纤和8.3μm/125μm规格的单模光纤。通信用光波波段频率范围1014~1015三种波长850nm、1300nm、1550nm的传播特性最好，属于红外频谱。1300和1550nm是长波长低损耗波段。局域网使用850nmLED光源，速率100mbps,距离几公里。与铜质电缆相比较，光纤通信明显具有其他传输介质无法比拟的优点。传输信号的频带宽，通信容量大；信号衰减小，传输距离长；抗干扰能力强，应用范围广；抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下的布线；原材料资源丰富。当然，光纤也存在着一些缺点：如质地脆，机械强度低；切断和连接技术要求较高等，这些缺点也限制了目前光纤的普及，尤其是实现光纤到桌面的连接。无线介质电磁波的传播有两种方式：非导向传输媒体—以无线方式在自由空间中传播；导向传输媒体—以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。目前以无线方式进行通信的主要有：—无线（radio）—微波（microwave）—红外（infrared）—可见光（visiblelight）电磁波的频谱及其在通信中的应用当电子运行时，便会产生可以自由传播的电磁波。电磁波于1887年由德国物理学家赫兹（HeinrichHertz）首先发现。电磁波每秒的震荡次数称为频率（frequency），一般用f表示，单位为赫兹（Hz）。电磁波两个相邻波峰（或波谷）之间的距离称为波长（wavelength），一般用λ表示。在真空中，所有的电磁波以相同的速率传播，和它的频率无关，该传播速率被称为光速（speedoflight），用c表示，大约为3×108m/s。c是一个理想值，是一个权限速度，在光纤介质中传输时只有真空速率的2/3。频率f、波长λ及光速c之间的关系为：f×λ＝c电磁波可承载的信息量与它的带宽相关。在当前技术条件下，当采用较低的频率时，每赫兹可以编码几个比特；当采用较高频率时，每赫兹的编码可以达到Gbit/s数量级。这也是为什么光纤能够成为目前网络传输介质中的佼佼者的一个重要原因。电磁波的频谱及其在通信中的应用无线电传输无线电波的特性与其频率有关。在VLF、LF和MF频段上，无线电波沿着地面传播，其传播的特点是：工作频率较低；传播距离远，在较低频率时可以达到1000km；通过障碍物的穿透能力较强；能量会随着距离的增大而急剧减小。在HF和VHF频段上，无线电波会被地面吸收。这时，可以通过地面上空的电离层的反射来传播。无线电信号通过地面上的发送站发送出去，当到达地面上空（约距地球100~500km）电离层时，无线电波被反射回地面，再被地面的接收站接收到，具体的传输特点是：工作频率较高；无线电波趋于直接传播；但通过障碍物的穿透能力较弱；会被空气中的水蒸气和自然界的雨水吸收。无线电波传播方式微波传输微波的频段为300MHz~300GHz，但多使用2~40GHz的频段。微波在空气中主要以直线方式传播，同时微波会穿透地面上空的电离层，所以它不能像无线电波那样使用电离层的反射来传播，而必须通过站点来传播。微波通信主要有地面微波接力通信和卫星通信两类。地面微波接力通信由于微波是以直线方式在大气中传播，所以在地面上的传播距离一般不会超过50km。为了实现微波的远距离传播，就需要在一条通信信道的两个端点之间架设多个微波中继站，中继站在接收到前一个中继站（或端点）的信号后，对其进行放大，然后再转发给下一个中继站（或站点），起到了信号的接力作用，所以将这种通信方式称为地面微波接入通信。卫星通信微波通信的另一种方式是卫星通信。卫星通信是利用人造地