年计算机网络考研辅导讲座物理层.ppt

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1、第二讲 物理层 第二讲：物理层 2011年考研大纲考查范围： 知识点归纳 （一）通信基础 1)信号传输速率 - 单位时间内通过信道传输的码元数，单位波特(Baud)。 计算公式: B = 1/T (Baud) 式中 T为信号码元的周期时间，单位为秒 信号传输速率，也称码元速率、调制速率或波特率。 2) 数据传输速率 - 每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，bps或b/s 计算公式: S = (1/T) * log2N (bps) 式中 T为码元的重复周期，单位为秒； N为可用的不同码元个数, 一个码元中所含二进制信息位数为 log2N位。 若N=2，S=1/T，此时数据传输速率等于码元信号

2、传输速率。 关系： S = B * log2N (bps) 或 B = S / log2N (Baud) 3) 数据在网络中经历的总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队 时延 4) 信道容量 - 表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps) 信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输 速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。像 公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。 5) 无噪信道容量 理想低通无噪信道的码元速率极限值B与信道带宽H的关系： B = 2 * H (Baud) 奈奎斯特(Nyquist)准则 计算理想低通无噪信

3、道传输能力的准则： C = 2 * H * log2N (bps) 式中 H为理想低通无噪信道的带宽，单位为Hz； N为可用的不同码元个数。 知识点归纳 知识点归纳 6) 带噪信道容量 -实际信道上都是有噪声的 香农定理 计算带噪信道容量的定理：C = H * log2 (1+S/N) (bps) 式中 H为信道的带宽， S为信号功率， N为噪声功率， S/N为信噪比，信噪比可表示成10 * lg(S/N) 分贝 (dB)。 例 设有噪电话信道带宽4KHz，信噪比30dB， 试用香农定理计算该有噪信道容量。 解 信噪比 = 30dB，即 10 * log10(S/N) = 30， S/N =

4、1000 代入香农定理，得有噪电话信道容量： C = H * log2 (1+S/N) = 4K * log2 1001 40K （bps） 知识点归纳 信源 信宿 7) 信源、信宿，数据通信系统的一般结构（DTE、DCE和信道） 知识点归纳 8)数据传输的几种方式，编码与调制： 模拟数据 模拟信号 放大器 调制器 模拟数据 数字信号 PCM 编码器 数字数据 模拟信号调制器 数字数据 数字信号 数字 发送器 PCM（脉冲编码调制）、采样、量化、编码（采样定理及其计算 ） AM(ASK), FM(FSK)，PM(PSK), QAM 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 , NRZ，RZ 知识点归纳

5、单工通信：信息固定地从一端(发送端)传输到另一端，如计算机和输出设备间。 半双工通信：信息可以在两个相反方向上传输，但不能同时进行，某一时刻只能 进行一个方向的传输，要转换到另一个方向传输，需要进行线换向。 全双工通信：能同时在两个相反方向上传输信息。 基带传输：按照原始信号的固有频带传输。 频带传输（宽带传输）：用基带数据信号对某个频率的载波进行调制，将其变换 成适合于在某个频段上传输的模拟信号。 调幅，幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）: 用载波的不同振幅来表示不同 的二进制值，如用载波的有无分别表示“1”和“0”。 调频，频移键控FSK（Frequency S

6、hift Keying）: 用载波频率附近的两个不同频 率来表示两个二进制值。 调相，相移键控PSK（Phase Shift Keying）: 用载波的相位移动来表示数据。在 下图中，信号相位与前面信号串同相的信号表示“0”，信号相位与前面信号串反相的 信号表示“1”，这是相对相移键控。也可用载波初相为表示“1”，初相0表示“0”，这 是绝对相移键控。 QAM (正交幅度调制) :使用振幅和相位组合进行调制。 知识点归纳 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 , 非归零制NRZ，归零制RZ 11111000 t 位值 t t t 单极型NRZ 单极型RZ 双极型NRZ 双极型RZ NRZ编码 的缺点

7、是从信号中不能 提取时钟 信号。双极型RZ编码 的优 点是中间跳变可用于提取同步时钟 ， 另外可有效抑制直流分量。 曼彻斯特编码 和差分曼彻 斯特编码 ，都可以被用来从中 间电 平跳变中提取同步时钟 信 号，这两种编码 方式常用于局 域网中，曼彻斯特编码 用于以 太网，差分曼彻斯特编码 用于 令牌环网中。 9) 多路复用技术及其分类（FDM、TDM、WDM、CDMA）： 多路复用技术就是把许多路信号在一个信道上同时传输的技术。频分多路复 用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。 1. 频分多路复用（ FDM）技术 在物理信道的可用带宽超过单路原始信号所需带宽情况下，可将该物理信

8、道 的总带宽分割成若干个与传输单路信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道 传输一路信号。在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移 到物理信道频谱的不同频段上，使各信号的带宽不相互重叠。 频分多路复用 FDM 常用于多路模拟信号的复用。 2. 时分多路复用 （TDM）技术 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分 多路复用 TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给 多路信号使用。每一时间片由复用的一路信号占用，这样，利用每路信号在时 间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多路数字信号。 时分多路复用 TDM常用于多路数字信号的复用

9、。 时分多路复用可分为同步TDM和统计(异步)TDM。 知识点归纳 3. 波分多路复用 （WDM） 是光的频分复用。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波 经过一个棱镜（或衍射光栅）合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同 的设备将各路光波分开。这样复用后，可以使光纤的传输能力成几倍几十倍的提高 。 4. 码分多路复用 （CDM，码分多址CDMA） 每个比特时间分成m位的码片，每站分配一个唯一的m位码片序列。当某 个站发 送 “1” 时，在信道中发送它的码片序列，当发送“0”时，发送它的码片序列的 反码。 CDMA接收时，接收站从空中收到多站发送信号后的线性叠加码片序列的 和。

10、将和与某一发送站码片序列进行归一化内积运算，则可恢复出该站发送的数据 。 需满足条件：各站使用的不同码片序列应互相正交。 由于发送时原始数字信号的频率被扩展，这种通信方式又叫做扩频通信。 10) 物理层时分多路复用帧的几个例子（注意：这里的时分多路复用“帧”不是数据链路层 的帧） * E1帧：(8 位/路 * (30 路话音 + 2 路信令及同步)/帧* 8000 帧/秒 = 2.048 Mbps T1帧：(8 位/路 * 24 路话音+1位帧同步)/帧 * 8000 帧/秒 = 1.544 Mbps SONET OC-1帧：(9*87路话音+ 9* 3字节开销) *8位/字节)/帧* 800

11、0 帧/秒= 51.84 Mbps 知识点归纳 知识点归纳 二次群和高次群：E1*4=E2, E2*4=E3, E3*4=E4, E4*4=E5 T1*4=T2, T2*7=T3, T3*6=T4 (OC -1/STS-1)*3= (OC-3/STS-3) =(STM-1) (OC-12/STS-12)=STM-4 (OC-48/STS-48)=STM-16 11) 电路交换、报文交换、分组交换 电路交换的工作原理： 1.电路交换的三个过程 1) 电路建立：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。 2) 数据传输：电路建立以后，数据就可以从一端发送到另一端。在整个数据传 输过

12、程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。 3) 电路拆除：数据传输结束后，由某一方发出拆除请求，然后逐节拆除到对方 的电路连接。 2.电路交换技术的优缺点及其特点 1) 优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。 2) 缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费：在短时间数据传输时， 电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高 质量的大量数据传输的情况。 3) 特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前， 该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。 知识点归纳 报文交换的工作原理： 交换数据具有随机性和突发性时，报文

13、交换不会浪费信道容量和有效时间 。 1. 报文交换原理 报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的 数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加 到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点， ，按此法，一直逐个节点地转送到目的节点。 每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用 路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端 与端之间无需先通过呼叫建立连接。 一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下 一个节点转发所需的排队延迟时间之和。 2. 报文交换的特点 1) 报文从

14、源传到目的采用“存储-转发”方式，传送时，一个时刻仅占用一 段 通道。 2) 在交换节点中需缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信 的要求。 知识点归纳 3. 报文交换的优点 1) 电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同 样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。 2) 在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。而在 报 文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。 3) 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到 这 一点。 4) 报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 4. 报文交换的缺

15、点 1) 不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。 2) 有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文 ， 而且发出的报文不按顺序到达目的地。 分组交换的工作原理： 分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长 度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储 到内存中，提高了交换速度。它适用于交互式通信，如终端与主机通信。分组交换有 虚电路分组交换和数据报分组交换两种。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技 术。 知识点归纳 1. 虚电路分组交换原理与特点(如ATM网络、X.25网络) 在虚电路分

16、组交换中，数据传输前，网络的源节点和目的节点之间要先 建一条逻辑通路。每个分组除了包含数据字段之外在分组的首部还包含一个虚电 路标识符。在预先建好的这条虚路径上的每个节点都知道把这些分组引导转发到 哪里去，不再需要路由选择判定。数据传输结束后，由源或目的站发出清除请求 分组来结束这次虚连接。它之所以是“虚”的，是因为这条虚电路不是专用的。 虚电路分组交换的主要特点是：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一 条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路独占使用，分组在每个节点上 仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。 2. 数据报分组交换原理与特点(如Internet) 在数据报分组交换中，每个

17、分组的传送是被单独处理的。每个分组称为 一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后 ，根据数据报中的目的地址信息，匹配节点所储存的路由表中各项，找出一条合 适的路由，把数据报发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因 此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。整个过 程中，没有虚电路建立，但要在各个中间节点为每个数据报做路由选择。 知识点归纳 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 报 文 报 文 报 文 A B C D A B C DA B C D 报文交换电路交换分组交换 t 连接建立 数据传送 报文 P2 P

18、1 连接释放 三种交换的比较： 知识点归纳 （二）传输介质 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质 物理层接口的特性 传输媒体是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，计算机网络 中采用的传输媒体分有线和无线两大类。 传输媒体的特性对网络数据通信的质量有很大影响，这些特征是： 物理特性：说明传输媒体的特性。 传输特性：包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送、调制技 术、 传输容量及传输频率范围。 连通性： 采用点到点连接还是多点连接。 地理范围：在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整 个网 络所允许的最大距离。 抗干扰性：防止噪音、电磁干扰对传输数据影响的能力。 相对价格：包括元

19、件、安装和维护等价格。 知识点归纳 (1) 有线传输媒体 1) 双绞线(TP) 由螺旋状扭绞在一起的两根绝缘导线组成。双绞线一般分为非屏蔽双绞线 (UTP)和屏蔽双绞线(STP)。现在一般局域网中常见的是三类、五类、超五类或六类 非屏蔽双绞线。 物理特性：铜质线芯，传导性能良好。双绞后可以减小干扰，但不能全消除 。 传输特性：可用于传输模拟或数字信号，对于模拟信号，约5-6公里需一个 放大器；对于数字信号，约2-3公里需一个中继器，带宽可达200多kHz 。对于局域 网，如果限制距离在100米以内，一对双绞线可提供最高达几百Mbps的传输带宽， 类号越高带宽越宽。常用的3类、5类、超5类或6类

20、双绞线电缆均由4对双绞线组成 ，3类线传输速率可达10bps，5类线可达100bps，4对超5类或6类线可用于 1Gbps传输。 连通性：可用于点到点连接或多点连接。 地理范围：网速100Kbps时可传输1公里；速率10Mbps-100Mbps时可传输100 米。 抗干扰性：低频(10kHz以下)抗干扰性能强于同轴电缆，高频(10k-100kHz)抗 干扰性能弱于同轴电缆。 相对价格：比同轴电缆和光纤便宜得多。 知识点归纳 2) 同轴电缆 由绕同一轴线、剖面为两个同心圆的两个导体所组成，被广泛用于局域 网中。为保持同轴电缆的正确电气特性，电缆外导线必须接地，同时两端要 有和同轴电缆特性阻抗等值

21、的终端匹配电阻来吸收传输的电磁信号，防止反 射。 物理特性：单根同轴电缆直径约为5mm-10mm，可在较宽频范围工作。 传输特性：基带同轴电缆仅用于数字传输，特性阻抗为50，并使用曼彻 斯特编码，数据传输速率最高可达10Mbps，如用在以太网中；宽带同轴电缆 可用于模拟信号和数字信号传输，特性阻抗为75，对于模拟信号，带宽可达 300-450MHz，HFC中使用的同轴电缆带宽更可达750MHz。在CATV电缆上 ，每个PAL电视通道要分配8MHz带宽（NTSC电视通道6MHz ），而音频广播 通道的带宽更窄得多，因此，在一根CATV同轴电缆上使用频分多路复用技术 可以支持大量的视频音频通道。

22、连通性：可用于点到点连接或多点连接。 地理范围：基带同轴电缆的最大距离限制在几公里；宽带电缆的最大距 离可以达几十公里。 抗干扰性：一般抗干扰能力比双绞线强。 相对价格：比双绞线贵，但比光纤便宜。 知识点归纳 3) 光纤 由能传导光波的石英玻璃纤维（纤芯、包层）外加塑料封套保护层构成。光纤具有 宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、传输距离远等优点。光纤按光波在玻璃纤维中传 输的路径（称为模）可分为单模和多模光纤。 物理特性：由于光纤的单向传输特性，在计算机网络中采用两根光纤组成双向传输系 统。纤芯/包层直径为单模光纤8m/125m，多模光纤62.5m/125m。多模光纤使用 0.85m或1.3m

23、波长的光传输，单模光纤使用1.3m或1.55m的光传输。 传输特性：光纤通过纤芯内部的全反射来传输一束经过编码的光信号，内部的全反射 可以在任何折射指数高于包层媒体折射指数的透明媒体中进行。由于单模光纤纤芯小， 单束光线(单模)沿直线传播，光脉冲能量几乎同时到达，可以输出脉冲窄、相邻脉冲间距 小，因而传输速率高，同时由于无反射，衰减也小，可传输更远的距离。在多模光纤中 ，多束光线(多模)以不同的反射角传播，传输距离不同，到达有先后，因而输出脉冲宽、 相邻脉冲间距不能太密，从而传输速率较低，且多次反射衰减大，传输距离也短。现在 一般单模光纤的数据传输率可达Gbps级，多模光纤几百Mbps。由于理

24、论上一根光纤的带 宽有30THz，现实际使用带宽远远未达到，可以采用密集波分多路复用（DWDM）提高 利用率。 连通性：采用点到点连接。 地理范围：单模光纤可传输距离60公里不用中继器，用于长距离的国家通信干线；多 模光纤一般在几百米距离上传输，适合在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网 。 抗干扰性：不受噪声或电磁影响，在长距离内保持高数据传输率，且能提供良好安全 性。 相对价格：目前价格比同轴电缆和双绞线都贵。 知识点归纳 (2) 无线传输媒体 1) 微波通信： 载波频率为2GHz至40GHz。频率高，可同时传送大量信息；由于微波 是沿直线传播的，故在地面的传播距离有限(每隔50km，

25、需中继站接力)。 2)卫星通信： 利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式 。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上 全部通信区域（但一个地球站经卫星到另一地球站需传播时延270ms，传播时 延大）。 低轨道卫星离地球近，不需地球站，用轻便的手持设备通过卫星即可 通信。 3) 红外通信和激光通信： 和微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。但红外通信 和激光通信要把传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号后才能直接在空 间沿直线传播。微波、红外线和激光都需要在发送方和接收方之间有一条视线 通路，故它们统称为视线媒体。 三种宽带接入技术：x

26、DSL、HFC、FTTx 知识点归纳 （三） 物理层设备 中继器（Repeater） 集线器（Hub） 在物理层扩展局域网 - 使用中继器、集线器，在电缆段之间复制比特 信号，信号整形、放大、再生。扩展后的局域网在网络层看来还是一个网络 。 网络层 数据链路层 物理层 传输层 表示层 会话层 应用层 网络层 数据链路层 物理层 传输层 表示层 会话层 应用层 物理层 中继器 集线器 在物理层扩层扩 展局域网 物理层扩展设备：中继器（Repeater）和集线器（Hub） 知识点归纳 中继器 集线器 知识点归纳 中继器（Repeater） 在物理层上实现局域网网段的扩展，信号整形、放大、再生，延长

27、网络距 离。 优点：安装简单、使用方便、价格便宜。 缺点：不能够无限制地扩展网络长度。 特点：中继器处理的对象是数据比特脉冲信号，它不能识别数据链路层的帧格 式或 网络层的分组格式。不提供网段之间的隔离。 注意中继器(数字传输)、放大器(模拟传输)两者之间的区别 知识点归纳 集线器（HUB） 是多端口的中继器，用多个集线器可连成更大的局域网。 优点: 使原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够进行跨冲突域的通 信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点: 冲突域增大了，但总的吞吐量反而减小。 如果不同的冲突域使用不同的数据率，就不能用集线器将它们互连 起来。 集线器 二系 集线器 三系 集线器

28、一系 三个独立的冲突域 集线器 二系 集线器 三系 集线器 一系 集线器 一个更大的局域网(一个冲突域) HUB就像一根缩短的总线 典型习题讲解 典型习题讲解 典型习题讲解 典型习题讲解 典型习题讲解 典型习题讲解 典型习题讲解 4 典型习题讲解 典型习题讲解 典型习题讲解 典型习题讲解 题 共有4个站进行码分多址CDMA通信。4个站的码片序列为： A：（-1 1 1 +1 +1 1 +1 +1） B：（-1 1 +1 -1 +1 +1 +1 -1） C：（-1 +1 1 +1 +1 +1 -1 -1） D：（-1 +1 1 1 -1 1 +1 -1） 现收到这样的码片序列：S =（-1 +1 3 +1 -1 3 +1 +1）， 问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1还是0？ 答 SA =（-1 +1 3 +1 -1 3 +1 +1）（-1 1 1 +1 +1 1 +1 +1）8 =（11311311）8 =1， A发送1 同理， SB =（11311311）8 = 1， B 发送0 SC =（11311311）8 = 0， C无发送 SD =（11311311）8 = 1， D发送1 习题练习 习题练习 习题练习 习题练习 习题参考答案