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第3章物理层计算机网络学习目标•掌握：物理层与物理层协议的基本概念•了解：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•掌握：频带传输的基本概念•掌握：多路复用的分类与特点•掌握：同步数字体系SDH的基本概念3.3传输技术3.1数据通信的基础理论3.2物理传输媒体ISO对OSI模型中物理层的定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间系统为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去活提供机械的、电气的、功能特性和规程特性的手段。当发送端要发送一个比特时，在接收端要做好接收该比特的准备，如所需的缓冲区及其他必要的资源等，将这一过程称为激活；去活就是释放，当发送端发送完比特后，接收端要释放为接收比特而准备和占用的资源。物理层的概念国际电话与电报顾问委员会（InternationalTelephoneandTelegraphConsultativeCommittee，CCITT）对物理层的定义为：利用物理、电气、功能和规程特性，在数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）和数据电路终端设备（DataCircuit-terminatingEquipment，DCE）之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。物理层的概念需要说明的是：在计算机网络标准的制订过程中，CCITT和ISO起到了关键作用，但两者的工作领域不同。其中，CCITT主要从通信的角度考虑一些标准的制订，而OSI则关心信息处理与网络体系结构。随着技术的发展，通信与信息处理之间已逐渐融合，所以CCITT和ISO都开始关注相同的领域。物理层的概念物理层的功能物理层的基本功能是实现站点之间的按位传输，保证按位传输的正确性，并向数据链路层提供一个透明的位流传输，同时在DTE-DCE和DCE-DCE之间完成对数据链路的建立、保持和拆除操作。•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；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。1．DTE/DCE模型和CSU/DSU模型DTE是可以发送和接收数据，且具有一定数据处理能力的设备。由于数字数据的特点，大多数的数字数据处理设备的数据传输能力是很有限的，当两个数据处理设备相距较远时，是无法将其直接连接起来进行通信的，因而必须在数据处理设备和连接线路之间添加中间设备，此中间设备就是DCE。图3-8DTE/DCE模型物理层协议通信过程，DTE与DCE之间以及DCE与DCE之间需要高度的协调操作。为了减轻数据处理设备的负担，就必须对DTE和DCE的接口进行标准化。这种接口的标准化称为物理层协议。如图所示的是一种常用的称为CSU/DSU模型，即信道服务单元/数据服务单元（ChannelServiceUnit/DataServiceUnit）2．物理层需要解决的问题物理层需要解决以下的问题：实现位操作数据信号的传输接口规范信号传输规程典型问题ISO：ISO2110，2593，4902，4903等CCITT：v.24、x.21、x.22、x.24等用多少伏特电压代表“1”和“0”一个比特持续多少微秒传输是否在两个方向上进行连接如何建立及如何终止网络连接器有多少针物理层的特征和标准为了使不同厂家生产的设备互联起来，就必须统一物理层的协议和操作，规定统一的物理层标准。ISO、CCITT、IEEE和电子工业联合会（ElectronicIndustriesAssociation，EIA）分别为物理层制订了相应的标准和建议1．机械特性机械特性是指连接各种实体的连接接口特性，其中包括以下的几个方面：接口的形状、大小。接口引脚的个数、功能、规格，以及引脚的分布。相应传输介质的参数和特性。图3-10部分连接器示意图37引脚RS-4499引脚RS-44925引脚V.24RS-23215引脚X.2134引脚V.352．电气特性电气特性规定了线路连接方式、适用元件、传输速率、信号电平、电缆长度和阻抗。主要解决和处理以下的问题：信号产生。如何将0和1转换成信号，其中包括各种调制和解调方式。传输速率。对系统中数据的传输速率和调制速率进行测算。传输速率决定了传输距离。信号传输。常采用移频键控和移相键控技术。在信号传输过程中，常常出现信号失真，导致发出和接收到的信号不一致。因此，必须采取相应的措施优化通信线路。编码。物理层的编码是指字符和报文的组装，可采用多种编码方式，如最常使用的ASCII编码。在信号传输过程中，系统需要对字符进行控制，能够从比特流中区分和提取出字符或报文。3．功能特性功能特性主要反应接口电路的功能，确定物理接口中每条线路的用途。功能特性主要由CCITT规定，功能特性标准主要包括接口线功能规定方法和接口线功能分类两方面的内容。接口线功能规定方法。分为每条接口线一个功能和每条接口线具有多个功能两种制订。接口线功能分类。可分为数据、控制、定时和接地四类。4．规程特性规程特性反映了利用接口进行传输比特流的全过程以及事件发生的可能顺序，它涉及信号传输方式。规程特性主要包括以下几个方面：接口。接口与传输过程以及传输过程中各事件执行的顺序有关。传输方式。主要包括单工、半双工和全双工。传输过程及事件发生执行的先后顺序。数据通信的基础理论•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。•数据通信包含两个方面的内容：数据传输；数据传输前后的处理。•数据通信：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。它可实现计算机与计算机，计算机与终端设备，终端设备与终端设备之间的数据信息传递。数据通信的基础理论•数据、信息、信号、信源、信宿、信道数据(Data)————信息的表达形式。是载荷信息的物理符号或有意义的实体。对计算机系统而言，所有能用计算机进行编码和通信的符号都属于数据。或者说是在计算机中被传输的二进制代码称为数据。信息(Information)：是指人们对客观现实世界事物的存在方式或运动状态的某种认识。是组织化了（或加工过）的数据。“传递给某人的事情和消息”，“所知道的知识”，“交流的知识”等。数据和信息是有区别：数据是独立的，是尚未组织起来的符号的集合；信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据，凡经过加工处理或换算到人们想要得到的数据，即可称为信息。数据通信的基础理论•信号：是数据在传输过程中的电信号的表示形式。•数据在信道中是以电信号的形式传送的，电信号分为•模拟信号（analogsignal）是连续变化的电压或电流波形。•数字信号（digitalsignal）是离散的，不连续的一系列表示数字“0”或“1”的电脉冲（又程码元）。•同模拟传输相比，数字传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。模拟信号———信号的取值是连续的，如话音信号。数字信号———信号的取值是离散的，如计算机用的二进制代码”0“和”1“组成的信号。数字信号具有对称的方波波形。模拟信号由连续可变的电压表示。数字信号由一串特定的电压表示。数据通信的基础理论模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；数字：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；模拟信号与数字信号的特点:数据通信的基础理论数据通信的基础理论•信息、数据、信号的区别：•信息可以是声音、图像、数字或字符串。通常不能直接存入计算机系统，也不能在网上传输，必须首先转换成0、1序列。•数据代表特定信息或意义的实体。是信息的特定存在形式，通常是一组0、1序列。•信号是信息传输的载体，它是由代表特定信息的数据经编码产生，以便能否在特定的传输介质上传送。数据通信的基础理论•信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。•信宿：通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。•信道：信源和信宿之间的通信线路。•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。通信系统:就是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在各地的终端而执行数据传输功能的系统。数据通信的基础理论信号的衰耗：信号的能量经传输系统后，若输出电功率小于输入电功率，就说信号在传输系统中遭到衰耗。•通信————把信息从一个地方传送到另一个地方的过程。•对一个通信系统来说，必须具备三个基本要素：•信源————信息产生和出现的发源地•信息传输媒体————信息传输过程中承载信息的媒体•信宿————接收信息的目的地通讯系统模型源发送器接收器目标源系统目标系统传输系统接收来自接收器的入境数据。通信系统中的关键元素通信源产生要传输数据的设备。发送器将信息进行交换和编码的设备。传输系统一条传输线路或一个复杂网络。接收器接受来自传输系统的信号并将其转换成目的设备能处理的形式。通信目的地数据通信的基础理论•数据通信系统的基本构成：数据通信的基础理论•模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号•的传输表示：2.1数据通信的基础理论I/O或ModemI/O或ModemText(1)输入信息m(2)输入数据g(t)(3)传输信号s(t)(4)接收信号r(t)(5)输出数据g’(t)(6)输出信息m’例如：PC用户希望发送一段报文给另一个用户直接数据通信传输系统数据通信发生在两个通过某种点－点传输媒体直接连接的设备之上。数据的传输方式•一、数据的并行传输和串行传输•1、并行传输：数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输叫并行传输。•每次同时传输一个字节（8位）。计算机内部的通信通常是并行传输。•特点：并行传输的优点是速度快，但发送端与接收端之间有若干条线，导致费用高•2、串行传输：数据流以串行方式在一条信道上传输叫串行传输。一般在远程通信中，人们采用串行通信方式。数据的传输方式•串行数据传输是一位一位地传输数据位的。对任何一个由若干位二进制数表示的字符，串行传输都是用一个传输信道，按位对字符进行传输。•串行传输的速度比并行传输的速度要慢得多，但费用低。如用电话线进行数据传输(其传输数据的方式是串行传输方式)。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)数据的传输方式数据发送设备N3210...数据接受设备N210...N...3串行数据位并行到串行的转换串行到并行的转换异步传输：每次传输一个字符代码(5-8bits),传输时在一个字符的前后均加上一个特殊的标志(称为起始位和终止位)。每一个字符的起始时刻是随机的、任意的（这就是异步的含义）,但在同一字符内码元的长度是相等的。接受端从根据“终止位”到“起始位”的跳变(“1”“0”)识别一个新的字符，从而区分一个个字符。异步传输的优点是：字符同步实现简单，收发双方的时钟信号不需要精确的同步。缺点是：每个字符增加了2-3bit，降低了传输效率，适合低速数据传输。传输技术同步传输:以固定时钟节拍来发送数据信号的。在串行数据流中,各信号码元之间的相对位置都是固定的,接受端要从收到的数据码流中正确区分发送的字符,必须建立同步的时钟。同步传输是以帧为单位发送数据,并有帧的起始和终止标志.与异步传输相比,同步传输在技术实现上复杂,但不需要对每一个字符单独加起、止码元作为识别字符的标志，只是在一串字符的前后加上标志序列。因此，传输效率高,适合较高速率的数据通信系统。传输技术SYNSYN.....