计算机网络原理课件-物理层要点.ppt

1、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3.2.1 RJ-45的接口特性3.2.2 BNC接口特性 3.2.3 常用光纤接口的特性3.3 宽带接入技术 3.3.1 xDSL技术 3.3.2 光纤同轴混合网（HFC 网） 3.3.3 FTTx 技术33.1 物理层的基本功能u 接收数据链路层的数据帧，执行物理层协议接收数据链路层的数据帧，执行物理层协议u 在通信设备之间建立连接，按顺序传输比特在通信设备之间建立连接，按顺序传输比特流；流；u 正确地利用传输介质进行数据传输。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

2、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：物理层数据的传输方式：计算机中数据是按照并行传输的；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；照时

3、间顺序传输；物理层完成数据传输方式的转换。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、广播物理连接的方式很多，（点对点、多点连接、广播连接）连接） 传输媒介的种类很多，（双绞线、同轴电缆、光纤、传输媒介的种类很多，（双绞线、同轴电缆、光纤、无线信道）无线信道）63.2 传输介质 双绞线双绞线 同轴电缆同轴电缆 光纤光纤 无线信道无线信道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)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 10

4、5 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 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n双绞线n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光纤网络需要解决的最基本问题网络需要解决的最基本问题连通连通9连通什么？连通什么？网络基本需求：解决直连网络结点网络基本

5、需求：解决直连网络结点间的通信间的通信网络由两类硬件构件：结点和网络由两类硬件构件：结点和链路链路结点：台式机、服务器、工作站、结点：台式机、服务器、工作站、路由器、交换机。路由器、交换机。1011 UTP cable (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7600MHz

6、10吉比特以太网14同轴电缆15Cable specifications10BASE-T 10BASE5 10BASE2 16n10BASE-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。n100Base-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

7、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，使光纤一直直径减小到小于一个波长，使光纤一直向前传播。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 -75um 21光纤通信的优点： 光纤可提供更

8、高的带宽，多模光纤可到光纤可提供更高的带宽，多模光纤可到7GHz,单模单模光纤可到光纤可到200GHz，可提供更高的数据传输速率；，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；抗干扰能力强，不受外界电磁干扰； 保密性好，不容易被截获；保密性好，不容易被截获； 可采用多路复用技术可采用多路复用技术WDM，大幅度地扩容。，大幅度地扩容。223.2.2 无线介质 n无线传输所使用的频段很广。n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。n微波在空间主要是直线传播。 n地面微波接力

9、通信n卫星通信 23地面微波地面微波24卫星微波卫星微波n卫星通信更像是用轨道卫星作为中继站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是一样的，只是用一个卫星作为超高天线和转发器。线和转发器。n尽管在卫星传输中信号仍然是直线传播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了。因此卫星中继可以提供跨越大陆和海洋的网络连接。海洋的网络连接。25卫星通信卫星通信263.3 常用的接口nRJ-45nBNCn 光纤接口2

10、73.3.1 RJ-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。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（是各种接头的一种类型（RJ11也是接头，它是电也是接头，它是电话上用的）；话上用的）； RJ45接口根据线的排序不同，分为两种：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；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；因此另一种是绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕；因此使用使用RJ-45接头的线也有两种即：接头的线也有两种即：直通线、交插线直通线

11、、交插线。10 100base -tx RJ45接口是常用的以太网接口，支持接口是常用的以太网接口，支持10兆和兆和100兆自适应的网络连接速度，网卡、兆自适应的网络连接速度，网卡、Hub 上接口的上接口的外观为外观为 8 芯母插座芯母插座 ，pc端的接口为端的接口为 8 芯公插头。芯公插头。2829nPin Name description1 TX+ Tranceive Data+ (发信号发信号+)2 TX- Tranceive Data- (发信号发信号-)3 RX+ Receive Data+ (收信号收信号+)4 n/c Not connected (空脚空脚)5 n/c Not c

12、onnected (空脚空脚)6 RX- Receive Data- (收信号收信号-)7 n/c Not connected (空脚空脚)8 n/c Not connected (空脚空脚)10 100base tx RJ45接口引脚定义如下：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n343.3.2 BNC的接口特性 BNC 端口：端口：用于工作站和同轴电缆连接的连接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。器，视频设备输入、输出端口。 BNC电缆有电缆有5个连接头用于接收红、绿、蓝、水个连接头用于接收红、绿、蓝、水平同步和垂直同步信号。平同步和垂直同

13、步信号。 BNC接头有别于普通接头有别于普通15针针DSUB标准接头的特标准接头的特殊显示器接口。殊显示器接口。BNC接头可以隔绝视频输入信接头可以隔绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少，且信号频宽较普通号，使信号相互间干扰减少，且信号频宽较普通DSUB大，可达到最佳信号响应效果。大，可达到最佳信号响应效果。 3536nBNC接头，全称是接头，全称是Bayonet Nut Connector（刺刀螺母（刺刀螺母连接器，）是一种用于连接器，）是一种用于同轴电缆同轴电缆的连接器；的连接器；BNC接头可没有被淘汰，接头可没有被淘汰，因为同轴电缆是一种屏蔽电缆，因为同轴电缆是一种屏蔽电缆，有传送距离长

14、、信号稳定的优点。目前它被大量用于通信有传送距离长、信号稳定的优点。目前它被大量用于通信系统中，如网络设备中的系统中，如网络设备中的E1接口就是用两根接口就是用两根BNC接头的接头的同轴电缆来连接的，在高档的同轴电缆来连接的，在高档的监视器监视器、音响设备中也经常、音响设备中也经常用来传送音频、用来传送音频、视频信号视频信号。 被淘汰的是被淘汰的是10Base-2以太网，这种网络使用以太网，这种网络使用50欧的欧的RG-58A/U同轴电缆，速率为同轴电缆，速率为10Mb，总线型网络，维护不，总线型网络，维护不便。所以现在组建这种网络的便。所以现在组建这种网络的BNC接口网卡被淘汰了。接口网卡被

15、淘汰了。373.3.3 常用光纤接口常用光纤接口n光纤接口是用来连接光纤线缆的物理接口。n通常有SC、ST、FC等几种类型，它们由日本NTT公司开发。FC是Ferrule Connector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。n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。38 SC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。n

16、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，n 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。nSC 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nFC接口是电信用在光端机上的连接器；nFC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。n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

17、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3.4.1 xDSL技术nxDSL 技术：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。n虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 kHz 的范围内，但用户线本身可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。nxDSL 技术就把 04 kHz 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。nDSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)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。 42xD

18、SL 的几种类型 nADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线nHDSL (High speed DSL)：高速数字用户线nSDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线nVDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线nDSL ：ISDN 用户线。nRADSL (Rate-Adaptive DSL)：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nADSL 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

19、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。n例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但传输速率提高到 6.1 Mb/s 时，传输距离缩短为 3.7 公里。n如果用户线的线径减小到0.4毫米，在6.1 Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里 。44ADSL 的特点：的特点：n上行和下行带宽是不对称的。n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)nADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。n我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discre

20、te Multi-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:nDMT 调制技术是采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 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。n每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），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)40138110047ADSL 的数据率n

21、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;n 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。nADSL 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。nADSL 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。n通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/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 A

22、DSL 的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端 Remote）电话分离器 PS (POTS Splitter) 49第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）n通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2 要求至少应支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 则将

23、频谱范围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz，下行速率可达 16 Mb/s（最大传输速率可达25 Mb/s），而上行速率可达 800 kb/s。n采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)，在运营中可以不中断通信、不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。n改善了线路质量评测、故障定位功能，提高了网络的运行维护水平。503.4.2 光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)nHFC 网：是在有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。nHFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。n现有的 C

24、ATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用技术对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造，主要特点如下： 51HFC 的主要特点 (1) HFC网的主干线路采用光纤nHFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。n在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。n模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。 52(2) HFC 网采用结点体系结构 同轴电

25、缆头端模拟光纤放大器引入线分路器光纤结点服务区服务区服务区53(3) HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能 下行信道上行信道5 40 50 550 750 1000原有模拟电视数字信号频率(MHz)保留54(4) 每个家庭要安装一个用户接口盒 n用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接，即：n使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。n使用双绞线连接到用户的电话机。n使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。55电缆调制解调器(cable modem) n电缆调制解调器电缆调制解调器是是 HFC 网使用的

26、调制解调器。网使用的调制解调器。n电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在下行速率一般在 3 10 Mb/s之间，最高可达之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为，而上行速率一般为 0.2 2 Mb/s，最高可达，最高可达 10 Mb/s。n电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂，且不成对使用，只安装在用户端。调器要复杂，且不成对使用，只安装在用户端。 56HFC 网的优点 n带宽很宽，且能利用已经现有的有线电视网。n要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为

27、 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛），也需要相当的资金和时间。n在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。 573.4.3 FTTx 技术 nFTTx（光纤到）是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。n光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭，是居民接入网最后的解决方法。n光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。n光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。