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1 计算机网络与通信 主讲 : 丁振国教授 西安电子科技大学网络教育学院 dingzhg@xidian xidian.edu.cn 1 物理层的定义和功能 (1) 物理层的定义 ISO/OSI 关于物理层的定义 : 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 物理层的功能 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输 研究内容 物理连接的启动和关闭, 正常数据的传输, 以及维护管理 主要内容 1 物理层的定义和功能 2 物理层的特性 3 典型的物理层标准接口 3.1 EIA RS-232-C 3.2 IEA RS-449/422-A/423-A 3.3 CCITT X.21 4 传输介质 5 其它网络传输技术 1 物理层的定义和功能 (2) 几点说明 连接方式 ( 点到点, 点到多点 ) 通信方式 ( 单工, 半双工, 全双工 ) 位传输方式 ( 串行, 并行 ) 物理层的四个重要特性 机械特性 (mechanical characteristics) 电气特性 (electrical characteristics) 功能特性 (functional characteristics) 规程特性 (procedural characteristics) 2 物理层的特性 (1) 物理层的位置 DTE DCE DCE DTE 物理接口 链路 物理接口 机械特性 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.22 1

2 2 物理层的特性 (2) 电气特性 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 典型的物理层标准接口 (2) 功能特性 定义了 21 条线, 许多子集, 基本与 CCITT V.24 兼容 规程特性 对不同的功能子集, 有不同的规程 RS-232-C 有 14 中不同的接口类型, 适合于 : 单工, 半双工, 全双工, 同步, 异步 RS-232-C 的不足与改进 不足 传输性能低, 距离短, 速率低 改进 重新设计,X.21; 以 RS-232-C 为基础改进,1977 年提出 RS 物理层的特性 (3) 功能特性 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 地 规程特性 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系 3 典型的物理层标准接口 (1) 3.1 EIA RS-232-C 1960 年美国电子工业协会 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 之间的接口 机械特性 25 芯连接器,DTE 为插头,DCE 为插座 电气特性 采用非平衡型电气特性, 低于 -3V 为 1, 高于 +4V 为 0, 最大 20Kbps, 最长 15m 非平衡传输 (unbalanced transmission): 所有电路共享一个公用的地线 平衡传输 (balanced transmission): 每个主要电路需要两根线, 没有公用的地线 2

3 3 典型的物理层标准接口 (3) 3.2 EIA RS-449/422-A/423-A EIA RS-449 是为替代 RS-232-C 而提出的物理层标准接口 实际上是一体化的三个标准 主要改进 改善了性能, 加长了接口电缆距离, 加大了数据传输率 ; 增加了新的接口功能, 例如, 回送检查 ; 解决了机械接口问题 机械特性 37 芯或 9 芯连接器 电气特性 与 RS-232-C 相连, 采用非平衡型电气特性 RS-423-A,20Kbps 以下 其他情况, 采用平衡型电气特性 RS-422-A 和 RS-423-A,20Kbps ~ 2Mbps 4 传输介质 (1) 磁介质 magnetic tape, floppy disk, hard disk Never underestimate the bandwidth of a station wagon full of tapes hurtling down the highway. 双绞线 既可用于模拟传输, 也可用于数据传输 ; 带宽依赖于线的粗细和传输距离 ; 3 类线,5 类线 非屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair), 屏蔽双绞线 3 典型的物理层标准接口 (4) 功能特性 定义了 30 条功能线 规程特性 基本上以 RS-232-C 为基础 3.3 CCITT X.21 X.21: 在公共数据网 PDN 中进行同步操作的 DTE/DCE 之间的通用接口 1980 年的 X.21 由两部分组成 : 通用接口 : 真正的物理层部分 ; 用于电路交换网络的呼叫控制规程, 用于 DTE 之间的连接, 涉及到许多数据链路层和网络层的功能 3 典型的物理层标准接口 (5) 机械特性 15 针连接器,ISO 4903 电气特性 采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性 传输速率 :600,2400,4800,9600,48000bps DTE 使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性 ;DCE 使用平衡型电气特性 功能特性 定义了 8 条功能线 规程特性 分成四个工作阶段 : 空闲, 呼叫控制, 数据传送, 清除 3

4 集线器 上行端口 普通端口... 集线器集线器 计算机 计算机计算机计算机计算机计算机计算机 4

5 结构化布线系统的组成 完整的结构化布线系统包括 : 户外系统 垂直竖井系统 平面楼层系统 用户端子区 机房子系统 布线配线系统 白 - 橙 1 橙 2 白 - 绿 3 蓝 4 白 - 蓝 5 绿 6 白 - 棕 7 棕 8 RJ45 接头 Pair2 Pair1 Pair4 双绞级联线接线图 Pair3 1 白 - 橙 2 橙 3 白 - 绿 4 蓝 5 白 - 蓝 6 绿 7 白 - 棕 8 棕 RJ45 接头 综合布线系统结构 平面楼层系统 布线配线系统 用户端子 垂直竖井系统 机房子系统 户外系统 布线配线系统 白 - 橙 1 橙 2 白 - 绿 3 蓝 4 白 - 蓝 5 绿 6 白 - 棕 7 棕 8 Pair2 Pair3 Pair1 Pair4 1 白 - 橙 2 橙 3 白 - 绿 4 蓝 5 白 - 蓝 6 绿 7 白 - 棕 8 棕 RJ45 接头 RJ45 接头 双绞线接线图 5

6 计算机网络物理层 计算机网络物理层 计算机网络物理层 6

7 同轴电缆组网方法 粗缆方式带 AUI 接口的以太网卡 粗缆外部收发器 收发器电缆 粗同轴电缆与中继器 ; 细缆方式带 BNC 接口的以太网卡 BNC T 型连接器 细同轴电缆与中继器 ; 粗缆与细缆混用方式 4 传输介质 (2) 10BASE-2 拓扑设计 基带同轴电缆 50 欧姆, 用于数据传输 ; 宽带同轴电缆 75 欧姆, 用于模拟传输, Cable TV 技术,300MHz 或 450MHz 7

8 相邻计算机之间距离不小于 0.5 米 相邻计算机之间距离不小于 0.5 米 电缆不能有分支 相邻计算机之间距离不小于 0.5 米 电缆不能有分支 一个网络最多可以有五个网段, 网段之间通过中继器互连 8

9 相邻计算机之间距离不小于 0.5 米 电缆不能有分支 一个网络最多可以有五个网段, 网段之间通过中继器互连 一个网络最多可以连接 1024 台计算机 相邻计算机之间距离不小于 0.5 米 电缆不能有分支 一个网络最多可以有五个网段, 网段之间通过中继器互连 一个网络最多可以连接 1024 台计算机 网络通信速率为 10Mbps 通信协议采用 CSMA/CD 以太网络 10Base2 故障诊断 相邻计算机之间距离不小于 0.5 米 电缆不能有分支 一个网络最多可以有五个网段, 网段之间通过中继器互连 一个网络最多可以连接 1024 台计算机 网络通信速率为 10Mbps 10Base2 相邻计算机之间距离不小于 0.5 米 电缆不能有分支 一个网络最多可以有五个网段, 网段之间通过中继器互连 一个网络最多可以连接 1024 台计算机 网络通信速率为 10Mbps 通信协议采用 CSMA/CD 9

10 4 传输介质 (3) 光纤 目前, 在试验室中光纤带宽超过 50Tbps;8 2.5 Gbps,8 10 Gbps,32 10 Gbps 的光纤传输已经实用 ; 光纤分类 : 单模光纤和多模光纤 模式 (mode): 是一个与很多参数有关的量, 可以简单地理解为偏振方向, 单模光纤可以传输多种波长, 但每个波长只能有一种模式 常用的三个波长窗口 ( 光纤波段 ) 0.85um: 衰减 (attenuation) 大, 传输速率和距离受限制, 但价格便宜 ; 1.30um: 衰减小, 无色散 (dispersion) 补偿 功率放大情况下, 最大传 40km( 最坏情况 ); 1.55um: 衰减小, 无色散补偿 功率放大情况下, 最大传 80km( 最坏情况 ) 4 传输介质 (4) 光缆 光网络 组网方式 点到点 : 四根线 ( 两根用于保护倒换 ) 环 : 两根线 ( 一根用于保护倒换 ) 中继器 : 光 电 光, 全光 全光网, 光因特网论坛 OIF 10

11 5 其它网络传输技术 (1) 5.1 无线传输 (Wireless Transmission)( 自学 ) 电磁频谱无线电传输微波传输红外线和毫米波光波传输 5.2 电话系统 ( 自学 ) 目前, 电话系统的基本构成 : 局部回路 ( 双绞线, 模拟信号传输 ) 中继 ( 光纤或微波, 数字信号传输 ) 交换局 5 其它网络传输技术 (2) 5.3 SONET/SDH 标准 1985 年,Bellcore 提出 SONET(Synchronous Optical NETwork) 标准 1989 年,CCITT 提出 SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 标准, 与 SONET 有微小差别 SONET 主要用于北美和日本,SDH 主要用于欧洲和中国 SONET/SDH, 采用 TDM 技术, 是同步系统, 由主时钟控制, 时钟精度 10-9 SONET 路径 路径 (path), 链路 (line), 段 (section) 11

12 5 其它网络传输技术 (3) 基本 SONET 帧 810 字节 /125us, 所以传输速率为 /( )= Mbps 基本 SONET 信道称为 STS-1(Synchronous Transport Signal-1) SONET 帧格式 复用 复用是基于字节的 5 其它网络传输技术 (4) OC-3 与 OC-3c 的区别 c(concatenated) 表示级联, 非复用 ; OC-3 表示一个 Mbps 的载波是由三个单独的 OC-1 载波复用构成的 ; OC-3c 表示一个单独的 Mbps 的载波 SONET/SDH 复用速率 SONET/SDH 结构 12

13 5 其它网络传输技术 (5) 5.4 窄带 ISDN(Narrowband ISDN)( 自学 ) 主要目标 在原电话系统的基础上, 提供模拟和数字多种信号传输 ISDN 的体系结构 ISDN 的接口标准 通道类型 A,B,C,D,E,H 三种组合 2B+D,23B+1D 或 30B+1D,1A+ 1C ISDN 的发展趋势 速度慢,144Kbps(2B + D) 可用于目前的 Internet 访问服务 5 其它网络传输技术 (6) 5.5 宽带 ISDN 和 ATM( 自学 ) B-ISDN 基于 ATM 技术,ATM 本身是一种分组交换技术 B-ISDN 技术是电路交换和分组交换之间的一种折衷, 基于连接的服务 虚电路 ATM 网络的传输 : 点到点的连接, 随机传输 ATM 交换机 5 其它网络传输技术 (7) 5.6 蜂窝无线电 (Cellular Radio) 单方向的寻呼系统 寻呼过程 打电话给寻呼公司, 输入寻呼机号码 ; 寻呼公司的计算机收到请求, 通过线路传到山顶的天线 ; 天线直接广播信号 ( 本地寻呼 ), 或传递给卫星 ( 异地寻呼 ), 卫星再广播 单向系统 需要很小的带宽 无绳电话 13

14 5 其它网络传输技术 (8) 模拟蜂窝电话 早期用于军事通信,push-to-talk system, 一个信道, 半双工 ; 60 年代,IMTS(Improved Mobile Telephone System), 双频, 全双工 ; 1982 年,AMPS(Advanced Mobile Phone System) 使用小的蜂窝 (cell); 在附近 ( 不相邻 ) 的蜂窝中重用传输频率 ; 发射功率小, 设备小而便宜 ; 当某个蜂窝内的用户超过系统容量时, 将蜂窝划分成几个更小的蜂窝, 以便重用频率, 并将发射功率减弱 ; 在蜂窝中心, 有一个基站 (base station), 基站包括一个计算机和与天线相连的收发器 ; 5 其它网络传输技术 (10) 5.7 通信卫星 (Communication Stallites) 地球同步卫星 低轨道卫星 卫星与光纤 5 其它网络传输技术 (9) 所有的基站通过包交换网络与 MTSO(Mobile Telephone Switching Office) 或 MSC(Mobile Switching Center) 相连 ; MTSO 与电话系统相连 ; 安全问题 : 窃听 盗用 数字蜂窝电话 第一代 : 模拟蜂窝电话 ; 第二代 : 数字蜂窝电话 ;3G / 4G 个人通信服务 PCS/PCN 14

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