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第三章 物理层

1.带宽(bandwidth)信号具有的频带宽度称为信号的带宽,单位为 HZ、KHZ、MHZ。男声:低音 82~392Hz,基准音区 64~523Hz,男中音 123~493Hz,男高音 164~698Hz;女声:低音 82~392Hz,基准音区 160~1200Hz,女低音 123~493Hz,女高音 220~1.1KHz 常用的带宽单位:千比每秒,即 kb/s (103 b/s),兆比每秒,即 Mb/s(106 b/s),吉比每秒,即 Gb/s(109 b/s),太比每秒,即 Tb/s(1012 b/s)在计算机界,K = 210 = 1024,M = 220, G = 230, T = 240。
2.线路的带宽模拟线路:通信线路允许通过的频带范围,单位为 HZ;数据(传输速)率:数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率;即每秒传输多少位二进制数据,单位是比特/秒(b/s),bps ( bits per second );数字线路:用数据(速)率(比特率,传送数字信号的速率)作为线路的带宽,单位为 bps,kbps,Mbps,Gbps,Tbps;
3.带宽也称为吞吐量,指每秒实际发送的比特数;对数字线路。4.时延(delay 或 latency)发送时延(传输时延 ):发送数据时,数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间:
传播时延:电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间;
信号传输速率(即发送速率)和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 处理时延:交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间,结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分,处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量,有时可用排队时延作为处理时延;数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和:
5.速率数据传输速率:指单位时间内信道上所能传输的数据量。基本度量单位为比特每秒(bit per second,简写为 bps),当数据传输速率较大时,可以采用 Kbps、Mbps 和 Gbps 来描述。信道带宽越大,则数据传输速率就可以越高。
6.时延带宽积链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
7.往返时延 RTT往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始,到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认),总共经历的时延。8.利用率信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过),完全空闲的信道的利用率是零,信道利用率并非越高越好。利用率 U=实际速率/理论速率网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

1.信息(information)指有用的知识或消息, 计算机网络通信的目的就是为了交换信息。2.数据(data)信息的载体或表达方式,涉及数据的内容和解释,可以是数字、文字、声音、图形与图象等形式,计算机系统关心的是信息的数据表达形式或信息所采用的编码体制,如用 ASCII 还是 EBDIC 来表达字母和数字,采用 GIF 或 BMP 表达图像等,在计算机中,数据以二进制代码表示。3.信号(signal)当数据要通过物理介质和器件进行传输时,需要将其转变成物理信号,信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式。4.数据通信系统关注如何将表示数据的二进制比特序列转换成适合于通信系统传送的信号,包括数据如何用电信号表示以及如何传输信号

其中:源系统:包括源站(产生要传输的数据)和发送器(对要传送的数据编码)目的系统:包括接收器(接收信号,并转换为能被目的设备处理的信息)和目的站(从接收器获取接收来的信息)。5.数据通信发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传送到数据接收方的过程。6.模拟数据通信在模拟信道上以模拟信号形式来进行数据通信。在模拟通信系统中,信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数/模(D/A)和模/数(A/D)转换功能
7.数字数据通信利用数字信道以数字信号方式来进行数据通信。在数字通信系统中,信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数字数据的编码和解码。、
8.信道连接方式包括点-点连接方式、分支连接方式和复用连接方式,
传输介质泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体,特指用来连接各个通信处理设备的物理介质。包括无线与有线两大类。有线介质将信号约束在一个物理导体之内,如双绞线、同轴电缆和光纤等,故又被称作有界介质;无线介质如无线电波、红外线、激光等由于不能将信号约束在某个空间范围之内,故又被称为无界介质。

1.双绞线:铜质导线,它由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起。一根导线在传输中辐射的电磁波会被另一根导线上发出的电磁波抵消,这样就降低了信号干扰的程度。
2.同轴电缆:按传输特性分为两大类:基带同轴电缆(仅用于数字信号传输)和宽带同轴电缆(既可以传输模拟信号,又可以传输数字信号 )
3.光纤:基于光的全反射原理制造的光传输介质。在折射率较高的光传输层之外加上折射率较低的包裹层。衰减极低,传输距离远,单模:3km ,多模:2km;不受外界电磁波和噪声的干扰,传输质量高,抗干扰能力和保密性能强;数据传输速率高达 Gbps 数量级;主要用于长距离的数据传输和网络的主干线,或被用于有危险的、高压的或容易泄漏信号的恶劣环境。根据使用的光源和传输模式,分为单模光纤(采用注入式激光二极管 ILED 为光源)与多模光纤(采用发光二极管 LED 作为光源)。多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。所谓多模式指有多条光通路,基于全反射原理;单模光纤是在给定的工作波长上只能以单一模式传输,所谓单一模式是指只有一条光通路,直线传播。

4、无线传输媒体:无线传输的信号可以是电磁波的任意形式:无线电波,微波,红外线等。5、传输介质的选择要考虑多种技术和非技术的因素:(1) 网络技术(拓朴结构/连接方式)(2) 网络的通信流量(传输容量)(3) 可靠性和安全性(4) 地理和环境因素(介质形式和传输距离)(5) 价格(建设与维护成本)
一、物理层的基本概念物理层只关注原始比特流的传送,即物理信号的传输。其不关心也不认识所传输信号所包含的信息。物理层是网络的物理基础,也是网络故障的多发层,不可被低估或轻视。它是 OSI 参考模型中的第一层或最底层;整个开放系统的基础,是唯一直接提供原始比特流传输的层;物理层必须解决好与比特流的物理传输有关的一系列问题,包括:传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声、设备之间的物理接口等。

、物理层的特性物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性,目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统,在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层的四个重要特性:1.机械特性 (mechanical characteristics):主要定义物理连接的边界点,即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。  常用的标准接口:?ISO 2110,25 芯连接器,EIA RS-232-C,EIA RS-366-A?ISO 2593,34 芯连接器,V.35 宽带 MODEM?ISO 4902,37 芯和 9 芯连接器,EIA RS-449?ISO 4903,15 芯连接器,X.20、X.21、X.222.电气特性 (electrical characteristics):规定传输二进制位时,线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。早期的标准是在边界点定义电气特性,例如 EIA RS-232-C、V.28;最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性,而且给出了有关对连接电缆的控制。CCITT 标准化的电气特性标准:?CCITT V.10/X.26:新的非平衡型电气特性,EIA RS-423-A?CCITT V.11/X.27 :新的平衡型电气特性,EIA RS-422-A?CCITT V.28:非平衡型电气特性,EIA RS-232-C?CCITT X.21/EIA RS-4493.功能特性 (functional characteristics):主要定义各条物理线路的功能。 线路的功能分为四大类:数据、控制、定时和地。4.规程特性 (procedural characteristics):主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。它是在功能特性的基础上,说明利用接口传送比特流的过程和顺序,它涉及到 DTE 与 DCE 双方在各线路上的动作规程以及执行的先后顺序。

无源设施主要包括连接头、连接插座、转换器等, 其共同特点是无源(不需要外电源),又称被动(passive)。传输介质的用途是用于提供信号传输通道;连接头和连接插座是配对使用的组件,其基本作用是为网络线缆连接提供良好的端接;转换器用于在不同的接口或介质之间进行信号转换。1.RJ-45是英文 Registered Jack-45 的缩写。用于 UTP 线缆的连接,可减少噪声,反射和机械可靠性问题
接线面板( Patch Panels):RJ-45 座的组合,常见的有 12、24 和 48
转换器:接收器和发送器的组合。用于不同物理接口或传输介质间的转换有源设施:需要外电源,又称主动(Active)为了解决信号远距离传输所产生的衰减和变形问题,中国需要一种能在信号传输过程中对信号进行放大和整形的设备,以拓展信号的传输距离、增加网络的覆盖范围。这种具备物理上拓展网络覆盖范围功能的设备被称为网络互连设备。

4.中继器(Repeater)在物理层通常提供两种类型的网络互连设备,即中继器(repeater)和集线器(hub)。中继器具有对物理信号进行放大和再生的功能,其将从输入接口接收的物理信号通过放大和整形再从输出接口输出。它是一种“单进单出”结构

5.集线器(Hub):它是集中式的多端口中继器,其多个端口可为多路信号提供放大、整形和转发功能。典型的端口数为 4, 8, 或 24,起到线缆集中器的作用,所以又称集线器。提高了物理连接的可靠性。

标准是指或官方指定的一系列规则或规程,其通常代表着广泛使用的优秀模型或规格。1.物理层标准有关的标准组织有:IEEE – Institute of Electrical and Electronics  EngineersUL – Underwriters LaboratoriesEIA – Electronic Industries AllianceTIA – Telecommunications Industry AssociationITU-T- International Telecommunication Union-TelecommunicationsTIA/EIA 是最具影响力的关于网络传输介质的标准,包括:TIA/EIA-568、TIA/EIA-569、TIA/EIA-570、TIA/EIA-606、TIA/EIA-607。它给出了结构化布线的子系统的描述:- 水平布线(horizontal cabling )-(telecommunications closets)-垂直布线 backbone cabling-设备间(equipment rooms )-工作区(work areas )-entrance facilities2.局域网络的物理层标准的主要类型分为:Ethernet 的物理层,Token Ring 的物理层和无线局域网络 Wlan 的物理层;3.广域网络的物理层标准的主要类型分为:RS-232、RS449、RS-485、X.21,SDH/SONET,X.25、FR 的物理层,DDN、ISDN 的物理层,ATM 的物理层。

1.传输介质分为有线传输介质和无线传输介质,常用的有线传输介质包括双绞线、同轴电缆和光纤。2.物理层只关注原始比特流的传送,在传输介质上传输二进制位流,为数据链路层提供位流服务。3.物理层的常见设施包括:中继器(Repeater)、集线器(Hub)。4.物理层协议用 4 个特性描述:机械特性;电气特性;功能特性;规程特性。5.EIA- RS232 是美国电子工业协会 EIA 制订的物理层异步通信接口标准,EIA- RS-232 提供 DTE 和 DCE 之间接口标准,是物理层标准的一个例子。


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