第 3講 數(shù)據(jù)通信基礎,知識回顧,計算機網(wǎng)絡的體系結構 計算機網(wǎng)絡體系結構的形成 協(xié)議與劃分層次 具有五層協(xié)議的體系結構 實體、協(xié)議、服務和服務訪問點 TCP/IP 的體系結構,本講內容,物理層的基本概念 數(shù)據(jù)通信的基礎知識 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 有關信道的幾個基本概念 信道的最高碼元傳輸速率 信道的極限信息傳輸速率 通信介質 雙絞線、光纖等,物理層的定義,物理層的定義 ISO/OSI 關于物理層的定義：物理層提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性，目的是啟動、維護和關閉數(shù)據(jù)鏈路實體之間進行比特傳輸?shù)奈锢磉B接。這種連接可能通過中繼系統(tǒng)，在中繼系統(tǒng)內的傳輸也是在物理層的。,物理層的功能,物理層的功能 在兩個網(wǎng)絡設備之間提供透明的比特流傳輸。 研究內容 物理連接的啟動和關閉，正常數(shù)據(jù)的傳輸，以及維護管理。 物理層的四個重要特性 機械特性 (mechanical characteristics) 電氣特性 (electrical characteristics) 功能特性 (functional characteristics) 規(guī)程特性 (procedural characteristics),物理層的特性（1）,機械特性 主要定義物理連接的邊界點，即接插裝置。規(guī)定物理連接時所采用的規(guī)格、引腳的數(shù)量和排列情況。 常用的標準接口 ISO 2110，25芯連接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A ISO 2593，34芯連接器，V.35寬帶MODEM ISO 4902，37芯和9芯連接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯連接器，X.20、X.21、X.22 電氣特性 規(guī)定傳輸二進制位時，線路上信號的電壓高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制。 早期的標準是在邊界點定義電氣特性，例如EIA RS-232-C、V.28；最近的標準則說明了發(fā)送器和接受器的電氣特性，而且給出了有關對連接電纜的控制。,物理層的特性（2）,功能特性 主要定義各條物理線路的功能。 線路的功能分為四大類： 數(shù)據(jù) 控制 定時 地 規(guī)程特性 主要定義各條物理線路的工作規(guī)程和時序關系。,典型的物理層標準接口（1）,1960年美國電子工業(yè)協(xié)會EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之間的接口。 RS-232-C的不足與改進 不足 傳輸性能低，距離短，速率低。 改進 重新設計，X.21； 以RS-232-C為基礎改進，1977年提出RS-449。,RS-232-C的電路圖,RS-232-C的實物圖,典型的物理層標準接口（3）,EIA RS-449/422-A/423-A EIA RS-449 是為替代RS-232-C而提出的物理層標準接口。實際上是一體化的三個標準。 主要改進 改善了性能，加長了接口電纜距離，加大了數(shù)據(jù)傳輸率； 增加了新的接口功能，例如，回送檢查； 解決了機械接口問題。,典型的物理層標準接口（4）,機械特性 37芯或9芯連接器。 電氣特性 與RS-232-C相連，采用非平衡型電氣特性 RS-423-A，20Kbps以下 其他情況，采用平衡型電氣特性 RS-422-A 和RS-423-A，20Kbps 2Mbps 功能特性 定義了30條功能線。 規(guī)程特性 基本上以RS-232-C為基礎,典型的物理層標準接口（5）,CCITT X.21 X.21：在公共數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN中進行同步操作的DTE/DCE之間的通用接口。 1980年的X.21由兩部分組成： “通用接口”：真正的物理層部分； 用于電路交換網(wǎng)絡的呼叫控制規(guī)程，用于DTE之間的連接，涉及到許多數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層的功能。,典型的物理層標準接口（6）,機械特性 15針連接器，ISO 4903。 電氣特性 采用非平衡型電氣特性和平衡型電氣特性。 傳輸速率：600，2400，4800，9600，48000bps DTE使用非平衡型電氣特性和平衡型電氣特性；DCE使用平衡型電氣特性 功能特性 定義了8條功能線。 規(guī)程特性 分成四個工作階段：空閑，呼叫控制，數(shù)據(jù)傳送，清除,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,調制解調器,PC 機,公用電話網(wǎng),調制解調器,數(shù)字比特流,數(shù)字比特流,模擬信號,模擬信號,正文,正文,PC 機,術語,數(shù)據(jù)(data)運送信息的實體。 信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 模擬的(analogous)連續(xù)變化的。 數(shù)字的(digital)取值是離散數(shù)值。 調制把數(shù)字信號轉換為模擬信號的過程。 解調把模擬信號轉換為數(shù)字信號的過程。,基本概念,單向通信（單工通信） 只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。 雙向交替通信（半雙工通信） 通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。 雙向同時通信（全雙工通信） 通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。 基帶信號 就是將數(shù)字信號 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 寬帶信號 則是將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號。,模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號,數(shù)字數(shù)據(jù)的調制信號編碼,信道的最高碼元傳輸速率,任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。 碼元：數(shù)字信號中每一位的通稱。通常又稱為“位”或“Bit”。即可以用二進制表示，也可以用其它進制的數(shù)表示。 在數(shù)字通信中常常用時間間隔相同的符號來表示一位二進制數(shù)字。這樣的時間間隔內的信號稱為二進制碼元，而這個間隔被稱為碼元長度。 碼元傳輸速率，又稱為碼元速率或傳碼率。其定義為每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，單位為“波特“,常用符號“Baud“表示，簡寫為“B“。,數(shù)字信號通過實際的信道,失真不嚴重 失真嚴重,實際的信道 （帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,輸入信號波形,輸出信號波形 (失真不嚴重),奈氏(Nyquist)準則,每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個碼元。 Baud 是波特，是碼元傳輸速率的單位，1 波特為每秒傳送 1 個碼元。 頻率變化較緩慢的就是低頻（頻率低，時間長，速度就慢），頻率是時間的倒 數(shù)。 低通信道或通信鏈路,如果頻帶在0 f之間,上限頻率可以無窮大,則稱它為低通信道 ;如果頻帶范圍是f1 f 2 ,則稱它為帶通信道。,理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud,W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz),不能通過,能通過,0,頻率(Hz),W (Hz),另一種形式的奈氏準則,每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 1 個碼元。 “理想低通信道”就是信號的所有低頻分量，只要其頻率不超過某個上限值，都能夠不失真地通過此信道。而頻率超過該上限值的所有高頻分量都不能通過該信道。 “帶通信道”只允許 上下限之間 的信號頻率成分不失真的通過，其他頻率成分不能通過。,理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud,W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz),不能通過,能通過,0,頻率(Hz),W (Hz),不能通過,注意事項,實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數(shù)值。 波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。 波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調制速率、波形速率或符號速率。 比特是信息量的單位。 信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關系。 若 1 個碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。 若 1 個碼元攜帶 n bit 的信息量，則 M Baud 的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為 M n b/s。,信道的極限信息傳輸速率,香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。 高斯白噪聲：如果一個噪聲，它的幅度分布服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的，則稱它為高斯白噪聲。 信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為 C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）； S 為信道內所傳信號的平均功率； N 為信道內部的高斯噪聲功率。 可以用香農公式來計算電話線的數(shù)據(jù)傳輸速率。 通常音頻電話連接支持的帶寬B=3KHz，而一般鏈路典型的信噪比是30dB，即S/N=1000，因此有C=3000log2（1001），近似等于30Kbps，因此如果電話網(wǎng)的信噪比沒有改善或不使用壓縮方法，“Modem”將達不到更高的速率。,香農公式,香農在信息論中指出，如果信源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理論上存在一種方法可使信源的輸出能夠以任意小的差錯概率通過信道傳輸。 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。 實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低很多。,奈氏準則和香農公式 在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍,源系統(tǒng),傳輸系統(tǒng),目的系統(tǒng),傳輸 系統(tǒng),源點,終點,發(fā)送器,接收器,輸入信息,輸出信息,無線電,微波,紅外線,可見光,紫外線,X射線,射線,雙絞線,同軸電纜,衛(wèi)星,地面微波,調幅 無線電,調頻 無線電,海事 無線電,光纖,電視,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移動 無線電,電信領域使用的電磁波的頻譜,導向傳輸媒體,雙絞線 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair) 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同軸電纜 50 同軸電纜 75 同軸電纜 光纜,各種電纜,銅線,銅線,聚氯乙烯 套層,聚氯乙烯 套層,屏蔽層,絕緣層,絕緣層,外導體屏蔽層,絕緣層,絕緣保護套層,內導體,無屏蔽雙絞線 UTP,屏蔽雙絞線 STP,同軸電纜,雙絞線實物（1）,雙絞線實物（2）,光纖,光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點，而且還具有其他的一些特點： 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經(jīng)濟。 抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。 無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。 體積小，重量輕。,四芯光纜剖面的示意圖,四芯光纜剖面的示意圖,光線在光纖中的折射,折射角,入射角,包層 （低折射率的媒體）,包層 （低折射率的媒體）,纖芯 （高折射率的媒體）,包層,纖芯,多模光纖與單模光纖,多模光纖,光纖知識,多模光纖(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯較粗(50或62.5m)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。 單模光纖(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10m)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。1.31m常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國際電信聯(lián)盟ITUT在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。,當采用光纖連網(wǎng)時，常常將一段段點到點的鏈路串接起來構成一個環(huán)路，通過T形接頭連接到計算機。 T形接頭有兩種：無源的和有源的。無源的T形接頭由于完全是無源的，因此非常可靠。 有源的T形接頭實際上就是一個有源轉發(fā)器。,光纖,使用有源轉發(fā)器的光纖環(huán)路,光纖實物,非導向傳輸媒體,無線傳輸所使用的頻段很廣。 短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。 微波在空間主要是直線傳播。 地面微波接力通信 衛(wèi)星通信,Guided Transmission Data,Magnetic Media Twisted Pair Coaxial Cable Fiber Optics,Wireless Transmission,The Electromagnetic Spectrum Radio Transmission Microwave Transmission Infrared and Millimeter Waves Lightwave Transmission,本講小結,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 有關信道的幾個基本概念 信道的最高碼元傳輸速率 信道的極限信息傳輸速率,作業(yè),上交作業(yè)： P61,2-01,2-03,2-04,2-05,2-06,2-09,