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第二章计算机网络物理层报告

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计算机网络-02-物理层和数据链路层

计算机网络-02-物理层和数据链路层

计算机网络-02-物理层和数据链路层物理层物理层主要功能是为数据端设备提供传送数据的通路以及传输数据。

物理层主要解决的问题：尽可能的屏蔽掉物理设备和传输媒体、通信手段的不同，使得数据链路层不需要考虑这些差异，只需要考虑本层的协议和服务；在两个相邻系统之间唯一的标识数据电路；解决物理连接的建立、维持和释放的问题，给数据链路层在一条物理的信道上传送和接收比特流的能力。

信道信道是往一个方向传送信息的媒体，一条通信电路包含一个接收信道和一个发送信道。

单工通信信道只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道,例如有线电视、无线电收音机等等半双工通信信道双方都可以发送和接收信息，不能双方同时发送，也不能同时接收全双工通信信道双方都可以同时发送和接收信息分用-复用技术允许多个用户使用一个共享信道进行通信，可以降低成本，提高利用率。

数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的功能是向该层用户提供透明的和可靠的数据传送基本服务。

数据链路层有两个功能：帧编码和差错控制。

帧编码物理层只负责传输比特流，为了使传输过程发生差错后只将有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合成以太帧作为单位传送。

每个帧除了要传送的数据外，还包括校验码，以使接收方能发现传输中的差错。

假设现在从网络层过来了一个IP数据报，数据链路层会将这个数据报作为帧进行传送。

当然物理层是不管你帧不帧的，它只会将数据链路层传过来的帧以比特流的形式发送给另一台物理设备。

帧首部和尾部是特定的控制字符(特定比特流) SOH: 00000001 EOT: 00000100 如果数据帧里恰好也有这些特定的比特流，为了不让数据链路层将其识别成帧尾部，需要添加转义字符。

如果需要传输转义字符，则需要在转义字符前添加转义字符。

最大传输单元 MTU Maximum Transmission Unit由前面的文章可知：总时延 = 发送时延 + 排队时延 + 传播时延 + 处理时延数据链路层的数据帧不是无限大的，数据帧过大或过小都会影响传输的效率，数据链路层使用MTU来限制数据帧长度。

计算机网络基础第二章 物理层

计算机网络基础第二章 物理层
数据通信系统
输入 汉字
数字比特流
模拟信号 公用电话网
模拟信号
数字比特流
显示 汉字
PC 机
调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统
调制解调器 目的系统
PC 机
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送 的信号
接收 的信号
接收器 输 出 数 据
终点 输 出 信 息
几个术语

数据(data)——运送消息的实体。

基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号 的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输 （即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
数字数据的调制方法
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直 流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或 直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信 号进行调制(modulation)。 最基本的二元制调制方法有以下几种：
请注意

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比 不能再提高了，并且码元传输速率也达到 了上限值，那么还有办法提高信息的传输 速率。这就是用编码的方法让每一个码元 携带更多比特的信息量。
2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介， 是数据传输系统中在发送器和接收器间 的物理通路，有两大类：导向传输媒体 和非导向传输媒体
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变

计算机网络入门学习-计算机网络入门学习-第2章 物理层

计算机网络入门学习-计算机网络入门学习-第2章 物理层
数字信号是指一种离散变化的电信号，例如，计算机 产生的电信号就是“0”和“1”的电压脉冲序列串，
101
1
01
(a) 模拟信号
(b) 数字信号
码元是数字信号中每一位的通称，在使用 时间域的波形表示数字信号时，代表不同 离散数值的基本波形就称为码元。
其可以用二进制表示，也可以用其它进制 的数表示。
模拟通信系统
信源
调制解调 器
传输介质
调制解调 器
信宿
噪声
模拟通信的所需的频带比较窄，信道的利用率较高。但 是模拟通信抗干扰能力差、保密性差、设备不易大规模 集成，不适应计算机通信的需要。
以数字信号来传送信息的通信方式称为数字通信。 数字通信系统
信源
信源编码
信道编码
传输介质
信道译码
信宿译码
信宿
噪声
2.2.3 信道特征
信道是信号从发送端到接收端之间进行传 输的路径。但这里信道并不特指具体的某 种电缆或电线等，而是指数据流过的由介 质提供的路径。
信道是一个泛指的概念。一般可以由带宽、 信道容量和误码率等指标来表征该信道的 特性。
1. 信道带宽
模拟信道的带宽如图所示，如果取信道衰减阈值为，即 f1是信道能通过的最低频率，f2是信道能通过的最高频 率，那么， 该信道的带宽W=f2-f1，f1和f2都是由信道的 物理待性决定的。
最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的 输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。
3) 功能特性
用于规定物理接口各条信号线的用途，包括：接口线功能 的规定方法
接口信号线的功能可分为数据信号线、控制信号线、定时 信号线和接地线4类。
4) 规程特性
用于规定利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的 事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方 式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE和DCE 双方在各自电路上的动作序列等。

计算机通信网 第二章 物理层

计算机通信网 第二章 物理层
16-QAM(正交振幅调制) :使用振幅和相位的16种组合
90 135
45
180
0
225
270 16-QAM的星座图
315
13
2.2.3码元Code Cell速率
00 0 0 01
跳过
码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元
10 1
1 11
•奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与
外套
22
Category 5 twisted pairs consist of two insulated wires gently twisted together. Four such pairs are typically grouped in a plastic sheath护套to protect the wires and keep them together. The wires are twisted together in a helical螺旋状的 form, just like a DNA molecule. Twisting is done because two parallel wires constitute a fine antenna 天线. When the wires are twisted, the waves from different twists cancel out抵偿, so the wire radiates less effectively. 把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低 信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一 根线上发出的电波抵消。
信道带宽H的关系：B=2*H
(Baud)
14

计算机网络教程课件第2章 物理层

计算机网络教程课件第2章 物理层

幅度调制（幅移键控ASK）
频率调制（频移键控FSK）
相位调制 （绝对相移键控和相对相移键控）
4．模拟数据的数字信号编码
• 常把模拟数据转换为数字信号来传输
➢因为数字信号传输具有失真小、误码率低、价 格低和传输速率高等特点
• 将模拟数据转换为数字信号最常见的方法：
➢脉 冲 编 码 调 制 PCM （ Pulse Code Modulation）技术
它包括3个步骤：采样、量化和编码
• PCM的理论基础是奈奎斯特（Nyquist）采样定 理：
➢若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只 要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带 宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部 信息，可以从这些采样中重新构造出原始信号。
➢基 带 同 轴 电 缆 （ 用 于 局 域 网 传 输 数 字 信 号 的 50Ω的粗缆和50Ω的细缆）
➢宽带同轴电缆（用于宽带传输模拟信号的75Ω 电缆）。
• 普通双绞线可以传输低频与中频信号，同轴电缆 可以传输低频到特高频信号，光纤可以传输可见 光信号
• 特点
2.2.3 光纤
1．光纤的通信原理
不归零码NRZ（non-return to zero）
• 可分为单极性不归零码和双极性不归零码
• 编码规则、判决门限、同步方式 • 计算机串口与调制解调器之间采用的是不归零码
0 10 1 00 1 1 0 1
(a) 0.5
判决门限
0
tБайду номын сангаас
0 10 1 00 1 1 0
(b)
0
t
归零码
• 可分为单极性归零码和双极性归零码 • 编码规则、同步方式、比较
雨天等气候的影响，信号将严重衰减

计算机网络B---第2章 物理层

计算机网络B---第2章 物理层
• 不是任意二进制位串就能充当地址码，地址码必须 符合严格的数学关系。
• 码分复用具有抗干扰能力强、话音质量好、发射功 率低、保密性好等优点，所以最初用于军事通信。
• 码分复用已广泛运用于民用通信中。 • 如电信的CDMA手机。 • 第三代移动通信（3G）的几种国际标准中，都使用
了码分复用技术。
h
第2章 物理层
光纤的速率高得多，有2.5Gbps、10Gbps等几种。无线信道
的速率较低，有11Mbps、54Mbps等几种。
h
第2章 物理层
香农（Shannon）公式
• 一个信道的数据传输速率越高越好，但是速率 高到一定程度，信号的失真、衰减会变得非常 严重，接收方就不能正确接收。
• 1948年香农指出：对于一个带宽受限且有高斯 白噪声干扰的信道，存在一个极限传输速率， 当低于此速率传输数据时，可以做到不产生差 错。
• 屏蔽双绞线在导线与护套之间增加了一个金属屏蔽层以提 高性能。
• 屏蔽双绞线价格较贵，而非屏蔽双绞线已经能够满足要求， 因此得到了广泛使用 。
护套
导线
纤维丝
h
第2章 物理层
双绞线的连接头
• 双绞线的连接头是RJ-45头，俗称水晶头 。 • 用专用的压线钳把双绞线与RJ-45头连接在一起非常简单，
两类。 • 前者包括同轴电中传播，
不需要任何物理线路。
h
第2章 物理层
2.4.1 同轴电缆
• 同轴电缆（coaxial cable）的得名与它的结构有关。 • 它有内外相互绝缘的两个同轴心导体，内导体为铜线，外导体
多为编织网与铝塑复合带组合。
• 双绞线由几对或几十对具有绝缘层的铜导线组成， 具有4对导线的双绞线最常见。
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1、 数据、信息和信号
2.1数据通信的基本概念
有意义的实体
数据和信号
模拟数据 在某个区间产生连续的值
信息
数据
数字数据 产生离散的值
涉及到事 涉及数据的 物的形式 内容和解释 模拟信号 信号 是数据的电磁 (或电子)编码 数字信号
是一种连续变化的电磁波
是一系列的电压脉冲
1、 数据、信息和信号
2.1数据通信的基本概念
2.3数据传送技术
2、信道容量的概念
香农(Shannon)定理 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带 宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、 无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C(信道容量） 可表 达为 C = W log2(1+S/N) b/s
2.3数据传送技术
2、信道容量的概念
信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波 特”在数量上有一定的关系。 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒” 和“波特”在数值上相等。 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 N Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 N n b/s。
对基带数字信号的几种调制方法
基带信号 调幅 0 1 0 0 1 1 1 0 0
调频
调相
正交振幅调制 QAM
(Quadrature Amplitude Modulation)
举例
(r, ) r
可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。
2.2数据传输方式
串行传输
串行传输指的是组成字符 的若干位二进制码排列成 数据流在一条信道上逐位 顺序传输。
2、异步传输与同步传输
2.2数据传输方式
异步传输
不论字符所采用的代码 为多少位，在发送每一 个字符代码（即字符的 数据位）时，都要在前 面加上一个起始位，表 示一个字符的开始；后 面加上一个停止位，表 示一个字符的结束。
正文 PC 机
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送 的信号
传输 系统
接收 的信号
接收器 输 出 数 据
终点 输 出 信 息
2、 数据通信系统
2.1数据通信的基本概念
数据通信系统举例
电话网 因特网
Modem
Modem
(a) 用户通过电话网拨号通信
2、 数据通信系统
2.1数据通信的基本概念
数字信号
采样间隔Ts 2 fc
时间量化
110 111
几种最基本的调制方法


基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流 成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流 分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行 调制(modulation)。 最基本的二元制调制方法有以下几种：
– – –
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
2.1数据通信的基本概念
1、 数据、信息和信号



数据(data)——通常是指预先约定的具有某种含义 的数字、符号和字母的组合。 信号(signal)——数据在传输过程中的电磁波的表示 形式。 “模拟的”(analogous)——连续变化的。 “数字的”(digital)——取值是离散的。 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。 信道——表示向某一方向传送数据的传输介质。
第 2 章 物理层（续）
2.4 信道复用技术
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用
2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术 2.6.1 ADSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网） 2.6.3 FTTx 技术
2.1 物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些 特性，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、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的 范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示 何种意义。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现 顺序。
数据通信系统举例
Internet
Si Si
Token-ring
(b) 局域网用户通过Internet上网通信
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型
数据通信系统
输入 汉字
数字比特流
模拟信号 公用电话网
模拟信号
数字比特流
显示 汉字
PC
调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统
调制解调器 目的系统
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形 失真大，无法识别 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形
接收信号波形
接收信号波形
2.3数据传送技术
2、信道容量的概念

信道容量是指在一定的条件下，给定通信路径 （信道）上所能达到的最大数据传输速率。
数据传输速率
误码率
模拟数据 放大器 调制器
PCM 编码器
模拟信号
模拟数据
数字信号
数字数据
调制器
模拟信号
数字数据
数字 发送器
数字信号
2、 数据通信系统
2.1数据通信的基本概念
信源 (源系统)
信号转换 设备
传输媒体 (信道)
信号转换 设备
信宿 (目的系统)
发送部分
传输 系统
接收部分
2.1数据通信的基本概念
2、 数据通信系统
信道容量
噪声
带宽
(1) 信道能够通过的频率范围



1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准 则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串 扰，码元的传输速率的上限值。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就 会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即 识别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分 量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现 码间串扰。
基带信号 调幅
0
1
0
0
1
1
1
0
0
调频
调相
2.3数据传送技术
5、数字数据传输
在数字信道中传输数据信号称为数据信号的数字传输，简称为数字数据传输。
模拟数据
抽样量化
编码
数字 信道
模拟数据 解码 恢复
Байду номын сангаас
数字信号
数字信号
2.3数据传送技术
5、数字数据传输
幅值量化 模拟数据
000 001 010 011 100 101
2.3数据传送技术
4、频带传输
数字数据，模拟传输 最常用的数字数据－模拟信号转换设备是 调制解调器（MODEM），同时具有调制 和解调的功能，在数据通信系统中，是一 种典型的DCE设备。 常用的调制技术：
–
–
载波：一种便于发射和接收，及技术实现的高 频简谐波或周期性脉冲信号。 当载波为高频简谐波时，可用三个参数描述： 振幅、频率、相位。控制这三个参数变化，可 以实现调制功能。
2.3数据传送技术
2、信道容量的概念
奈奎斯特(Nyquist)定理

理想低通信道的最高码元传输速率 N= 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
能通过
0
不能通过
频率(Hz)
W (Hz)
2.3数据传送技术
2、信道容量的概念
奈奎斯特(Nyquist)定理

在理想低通信道中，如果信道带宽WHz，则最高码 元传输速率是每秒 2 W 个码元。 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每 秒 2 个码元。 Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为 每秒传送 1 个码元。
2.3数据传送技术
2、信道容量的概念
要强调以下两点
实际的信道所能传输的最高码元速率，要明 显地低于奈氏准则给出上限数值。 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。

–
–
波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码 元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率 或符号速率。 比特是信息量的单位。
2.3数据传送技术
4、频带传输
数字数据，模拟传输 以数字数据控制载波的幅度，称为数字调幅， 又称幅移键控，简称ASK。 以数字数据控制载波的相位，称为数字调相， 又称相移键控，简称PSK。 以数字数据控制载波的频率，称为数字调频， 又称频移键控，简称FSK。

2.3数据传送技术
4、频带传输
2.2数据传输方式
同步传输
2.2数据传输方式

单工传输——只能有一个方向的通信而没有反方向 的交互。 半双工传输——通信的双方都可以发送信息，但不 能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 全双工传输——通信的双方可以同时发送和接收信 息。
2.2数据传输方式


模拟传输 – 模拟信号：时间和幅度取值连续变化 的信号量。 – 模拟信道：适于模拟信号传输的信道 – 模拟传输系统：传输模拟信号的通信系统 数字传输 – 数字信号：时间和幅度取值离散 （不连续变化）的信号量。 – 数字信道：适于数字信号传输的信道 – 数字传输系统：传输数字信号的通信系统
2.3数据传送技术