计算机网络原理课件物理层

1计算机网络原理第3章物理层2第3章物理层3.1物理层基本功能3.2常用传输介质的接口特性3.2.1RJ-45的接口特性3.2.2BNC接口特性3.2.3常用光纤接口的特性3.3宽带接入技术3.3.1xDSL技术3.3.2光纤同轴混合网（HFC网）3.3.3FTTx技术33.1物理层的基本功能接收数据链路层的数据帧，执行物理层协议在通信设备之间建立连接，按顺序传输比特流；正确地利用传输介质进行数据传输。43.1物理层的协议及特性物理层协议：解决主机、终端设备与通信线路上的通信设备之间的接口问题。即：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。电气特性指明在物理信道上传输比特流是信号电平大小、数据编码方式、阻抗匹配、传输速率、距离限制等。分三类：非平衡型、新非平衡型和新平衡型。功能特性指明各个信号线的确切定义。过程（规程）特性指明各线路上的动作序列和动作规则。5物理层数据的传输方式：计算机中数据是按照并行传输的；在通信线路中，数据是按照串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输；物理层完成数据传输方式的转换。物理层协议种类很多：物理连接的方式很多，（点对点、多点连接、广播连接）传输媒介的种类很多，（双绞线、同轴电缆、光纤、无线信道）63.2传输介质双绞线同轴电缆光纤无线信道7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(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱83.2.1有线介质双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光纤•网络需要解决的最基本问题……连通9连通什么？网络基本需求：解决直连网络结点间的通信网络由两类硬件构件：结点和链路结点：台式机、服务器、工作站、路由器、交换机。1011UTPcable(photo)12屏蔽双绞线STP13双绞线的类别、带宽和应用双绞线类型带宽应用316MHz低速网络、模拟电话420MHz短距离的10BASE-T以太网5100MHz10BASE-T以太网，某些100BASE-T快速以太网超5类100MHz100BASE-T快速以太网，某些1000BASE-T吉比特以太网6250MHz1000BASE-T吉比特以太网，ATM网络7600MHz10吉比特以太网14同轴电缆15Cablespecifications10BASE-T10BASE510BASE21610BASE-T，10BASE-5，10BASE-2，以太网的技术标准，10Base-2、10Base-5、10Base-T都是以太网的技术标准，传输速率为10Mbps，其中10Base-2技术以细同轴电缆为传输介质，10Base-5技术以粗同轴电缆为传输介质，10Base-T技术以非屏蔽双绞线为传输介质。100Base-TX快速以太网标准支持平行/交叉线自动识别功能。17各种电缆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外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆18光纤光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯19光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光线在纤芯中传输的全反射，实现光信息的传播20输入脉冲输出脉冲单模光纤：直径减小到小于一个波长，使光纤一直向前传播。1um-10um多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤：许多不同入射角的光线在一条光纤中传输，这种光纤为多模光纤。50um-75um21光纤通信的优点：光纤可提供更高的带宽，多模光纤可到7GHz,单模光纤可到200GHz，可提供更高的数据传输速率；光纤信号传输衰减小，传输距离远，单模超过100km；抗干扰能力强，不受外界电磁干扰；保密性好，不容易被截获；可采用多路复用技术WDM，大幅度地扩容。223.2.2无线介质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23地面微波地球地面站之间的可视距离天线24卫星微波卫星通信更像是用轨道卫星作为中继站的视线微波传输。基本原理和地面微波是一样的，只是用一个卫星作为超高天线和转发器。尽管在卫星传输中信号仍然是直线传播的，但地球曲面引起的距离限制被减弱了。因此卫星中继可以提供跨越大陆和海洋的网络连接。25卫星通信地球地面站地面站263.3常用的接口RJ-45BNC光纤接口273.3.1RJ-45的接口特性RJ-45接口通常用于数据传输，共有八芯，网卡接口。RJ-45是各种接头的一种类型（RJ11也是接头，它是电话上用的）；RJ45接口根据线的排序不同，分为两种：一种是橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕；另一种是绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕；因此使用RJ-45接头的线也有两种即：直通线、交插线。10100base-txRJ45接口是常用的以太网接口，支持10兆和100兆自适应的网络连接速度，网卡、Hub上接口的外观为8芯母插座，pc端的接口为8芯公插头。2829PinNamedescription1TX+TranceiveData+(发信号+)2TX-TranceiveData-(发信号-)3RX+ReceiveData+(收信号+)4n/cNotconnected(空脚)5n/cNotconnected(空脚)6RX-ReceiveData-(收信号-)7n/cNotconnected(空脚)8n/cNotconnected(空脚)10100basetxRJ45接口引脚定义如下：30直通线31直通线32交叉线33交叉线的做法343.3.2BNC的接口特性BNC端口：用于工作站和同轴电缆连接的连接器，视频设备输入、输出端口。BNC电缆有5个连接头用于接收红、绿、蓝、水平同步和垂直同步信号。BNC接头有别于普通15针D－SUB标准接头的特殊显示器接口。BNC接头可以隔绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少，且信号频宽较普通D－SUB大，可达到最佳信号响应效果。3536BNC接头，全称是BayonetNutConnector（刺刀螺母连接器，）是一种用于同轴电缆的连接器；BNC接头可没有被淘汰，因为同轴电缆是一种屏蔽电缆，有传送距离长、信号稳定的优点。目前它被大量用于通信系统中，如网络设备中的E1接口就是用两根BNC接头的同轴电缆来连接的，在高档的监视器、音响设备中也经常用来传送音频、视频信号。被淘汰的是10Base-2以太网，这种网络使用50欧的RG-58A/U同轴电缆，速率为10Mb，总线型网络，维护不便。所以现在组建这种网络的BNC接口网卡被淘汰了。373.3.3常用光纤接口光纤接口是用来连接光纤线缆的物理接口。通常有SC、ST、FC等几种类型，它们由日本NTT公司开发。FC是FerruleConnector的缩写，其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。ST接口通常用于10Base-F，SC接口通常用于100Base-FX。光缆的接头部分也有两种，一种SC接口为1GB接口，LC接口为2GB接口。38SC光纤接口在100Base-TX以太网时代就得到了应用，因此当时称为100Base-FX，不过当时由于性能并不比双绞线突出,确成本高，因此没有普及。现在大力推广千兆网络，SC光纤接口则重新受到重视。SC光纤接口主要用于局域网交换，在一些高性能千兆交换机和路由器上提供这种接口，它与RJ-45接口外形相似，SC接口更扁些，其明显区别是里面的触片，如果是8条细的铜触片，则是RJ-45接口，如果是一根铜柱则是SC光纤接口。SC卡接式方型(路由器交换机上用的最多)。采用工程塑料，具有耐高温，不容易氧化。39FC接口FC接口是电信用在光端机上的连接器；FC是圆型带螺纹。最早，采用陶瓷插针、对接端面的平面接触方式(FC)。此类连接器结构简单，操作方便，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来，采用对接端面呈球面的插针(PC)，外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。40光纤的各种连接器及连接跳线413.4宽带接入技术3.4.1xDSL技术xDSL技术：就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400kHz的范围内，但用户线本身可通过的信号频率仍然超过1MHz。xDSL技术就把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。DSL就是数字用户线(DigitalSubscriberLine)的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。42xDSL的几种类型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线DSL：ISDN用户线。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率）。43ADSL的极限传输距离ADSL的极限传输距离与数据率、用户线的线径都有关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。例如，0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mb/s时可传送5.5公里，但传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离缩短为3.7公里。如果用户线的线径减小到0.4毫米，在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里。44ADSL的特点：上行和下行带宽是不对称的。上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。(上行带宽64kb/s,下行带宽1.5Mb/s)ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。45离散多音调DMT技术:DMT调制技术是采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。每个子信道占据4kHz带宽（严格讲是4.3125kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。46DMT技术的频谱分布…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)~40~138~110047ADSL的数据率用户线的具体条件相差很大（距离、线径、干扰程度等都不同），数据传输率相差也很大;ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。通常下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s之间，而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。48ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线电话分离器区域宽带网至ISP居民家庭基于ADSL的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS