计算机网络复习专用ppt第3章.

第3章物理层《计算机网络》第3章物理层1本章学习要求：掌握：物理层与物理层协议的基本概念掌握：数据通信的基本概念了解：传输介质类型及主要特性了解：无线与卫星通信技术的基本概念掌握：数据编码的类型和基本方法掌握：基带传输的基本概念理解：频带传输的基本概念掌握：多路复用的分类与特点理解：同步数字体系SDH的基本概念《计算机网络》第3章物理层23.1物理层与物理层协议的基本概念3.1.1物理层的基本概念通信子网分为点对点通信线路的通信子网与广播信道的通信子网;广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道;由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点对点通信线路，另一类是基于广播信道。《计算机网络》第3章物理层33.1.2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。《计算机网络》第3章物理层43.1.3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；物理连接分为点-点连接与多点连接；数据传输分为全双工、半双工与单工方式；数据传输分为串行传输方式与并行传输方式；串行传输方式的物理数据服务单元是位(bit)；并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数。《计算机网络》第3章物理层53.2数据通信的基本概念3.2.1信息、数据与信号1.信息的基本概念通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合；为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。《计算机网络》第3章物理层6信息编码标准目前保留下来的3种主要编码：CCITT的国际5单位字符编码；扩充的二―十进制交换码（EBCDIC码）；美国标准信息交换码（ASCII码）。ASCII码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO646，又称为国际5号码；它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准；ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符；字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。控制字符用于数据通信收发双方动作的协调与信息格式的表示。《计算机网络》第3章物理层7多媒体网络应用利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一；与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性；多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出更高的要求。多媒体数据的压缩编码与解码：JPEG：静态图像；MPEG：运动图像；H.26X：视频。《计算机网络》第3章物理层8数据与信息的主要区别数据是用二进制比特序列表示的文本、数字、语音、图形、图像与视频，它是传递信息的载体；信息是对数据的二进制比特序列所表示意义的解释。计算机系统所关心的是信息用什么样的编码体制表示出来；计算机网络中的数据通信所研究的是如何将表示各类信息的二进制比特序列通过传输介质，在不同的计算机之间进行正确传送。《计算机网络》第3章物理层92.信号的概念信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（analogsignal）的信号电平是连续变化的；数字信号（digitalsignal）是用两种不同的电平表示0、1比特序列的电压脉冲信号；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。《计算机网络》第3章物理层10模拟信号波型数字信号波型《计算机网络》第3章物理层110V(t)t0V(t)t3.2.2数据传输类型与通信方式网络中两台计算机通信的过程《计算机网络》第3章物理层12主机A主机B通信子网路由器A路由器E路由器C路由器F路由器D路由器B网络通信系统设计中要解决的几个基本问题：数据传输类型：取决于通信信道所允许传输的信号类型。模拟通信数字通信数据通信方式按照数据通信使用的信道数：串行通信、并行通信按照信号传送方向与时间的关系：单工通信、半双工或全双工通信同步方式：同步是指要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。同步通信：将字符组织成组，以组为单位连续传送。异步通信：每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的。《计算机网络》第3章物理层13串行通信与并行通信《计算机网络》第3章物理层14发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)单工、半双工与全双工通信《计算机网络》第3章物理层15发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送字符同步：同步通信与异步通信《计算机网络》第3章物理层16SYNSYN......一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符终止位(逻辑“0”)起始位(逻辑“1”)tb0b1b2b3b4b5b6字节5字节4字节3字节2字节1b73.2.3传输介质的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道《计算机网络》第3章物理层171.双绞线的主要特性屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线UTP《计算机网络》第3章物理层18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◆双绞线是为了使线对之间的电磁干扰最小。◆典型的以太局域网中常用五类非屏蔽双绞线，带宽为100MHz。网线制作T568B12345678白桔桔白绿兰白兰绿白棕棕T568A12345678白绿绿白桔兰白兰桔白棕棕平行接法T568A-T568A/T568B-T568B用于计算机与Hub/Switch的连接串接接法T568A-T568B/T568B-T568A用于两台计算机或Hub/Switch之间的连接《计算机网络》第3章物理层192.同轴电缆的主要特性抗干扰能力强；基带同轴电缆一般仅用于数字信号的传输；宽带同轴电缆可以使用频分多路复用，将一条电缆的频带分成多条通信信道。《计算机网络》第3章物理层20内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层3.光缆的主要特性《计算机网络》第3章物理层21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PIN接收端光纤光信号光电转换电信号电信号输出◆发送端光源：发光二极管或激光；◆接收端使用：光电二极管PIN检波器或APD检波器；◆单模光纤：纤芯很细，直径只有几个微米，制造成本很高，数十公里传输不需中继；◆特点：低损耗、宽频带、高速率、低误码率、安全性好，不受外界电磁干扰与噪声的影响。单模光纤与多模光纤的比较《计算机网络》第3章物理层22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4.无线与卫星通信技术电磁波的传播有两种方式：—以无线方式在自由空间中传播—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电磁波主要有（按频率分）：—无线电（radio）—微波（microwave）—红外线（infrared）—可见光（visiblelight）《计算机网络》第3章物理层23电信领域使用的电磁波的频谱《计算机网络》第3章物理层24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（1）微波通信频率在100MHz～10GHz之间的信号；视距传播，适合于卫星通信与城市建筑物之间的通信(地面一般采用点对点方式)，保密性差；大气对微波信号的吸收与散射影响较大。短波(106～107Hz)通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。《计算机网络》第3章物理层25地球表面地球表面电离层（2）蜂窝无线通信小区制：每个小区设立一个基站(覆盖半径1～20km)。基站之间通过电缆、光缆或微波与移动交换中心连接。第一代蜂窝移动通信（1G）系统属于模拟移动通信。第二代蜂窝移动通信（2G，80年代中期）系统为数字移动通信。第三代蜂窝移动通信（3G，90年代中期）系统将地面、卫星移动通信网和固定通信网互连。蜂窝移动通信涉及到：物理层、数据链路层、网络层。多址接入方法：(识别用户地址的方法)频分多址接入（FDMA）：1G时分多址接入（TDMA）：2G码分多址接入（CDMA）：3G《计算机网络》第3章物理层26（3）卫星通信《计算机网络》第3章物理层27人造卫星(a)点对点通信线路地球表面地球表面(b)广播式通信线路人造卫星发送站接收站发送站接收站接收站接收站优点：通信距离远、覆盖面积大、通信带宽宽、费用与通信距离无关、不受地理条件限制、可进行多址通信与移动通信等。缺点：传输延时大，250～300ms。3.3数据编码技术3.3.1数据编码类型《计算机网络》第3章物理层28数据编码方法模拟数据编码数字数据编码振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK非归零码NRZ曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适用于传输音频范围（300Hz～3400Hz）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号；为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制，将调制设备称为调制器（modulator）；将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调，将解调设备称为解调器（demodulator）；同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器（modem）。《计算机网络》第3章物理层293.3.2模拟数据编码方法在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率ω的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：u（t）=um·sin（ωt+φ0）3个可以改变的电参量：—振幅um—角频率ω—相位φ可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。《计算机网络》第3章物理层30010010ωωπ0πππ0+0+π+0+0+0ω2ω1ω2+π数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)ω1ω2ω1《计算机网络》第3章物理层312121.振幅键控（amplitudeshiftkeying,ASK）用载波幅度为um表示数字1，用载波幅度为0表示数字0。um·sin（ω1t+φ0）数字1u（t）=0数字0振幅键控ASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。《计算机网络》第3章物理层322.移频键控（frequency-shiftkeying，FSK）通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。um·sin（ω1t+φ0）数字1u（t）=um·sin（ω2t+φ0）数字0移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。《计算机网络》第3章物理层333.移相键控（phase-shiftkeying，PSK）通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1、0。绝对调相um·sin（ωt+0）数字1u（t）=um·sin（ωt+π）数字0相对调相两比特信号交接处遇0，载波信号相位不变；两比特信号交接处遇1，载波信号