计算机网络 第二章物理层.ppt

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1、第二章 物 理 层,物理层的基本概念 数据通信的理论基础 传输介质 数据通信技术基础 物理层协议 几种电信网络技术,2.1 物理层的基本概念,物理层的作用 向上层(Data Link)用户屏蔽物理介质(media)的差异，使Data Link层只考虑如何使用物理层的服务完成本层的协议 向上层(Data Link)用户提供透明的位流传输能力 提供为建立、维护与拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的与规程的特性,信号在信道（线路）上的传输受到各种因素的影响而发生变化。 变化后的信号,2.2 数据通信的理论基础,变化后的信号,最后的信号（还包括噪声）,几个基本概念,信道带宽（bandwidth）

2、是指信道上所能传输的电信号的频率范围，单位为赫兹（Hz）。 信号的带宽是指信号的能量按频率分布最集中的区域，单位为赫兹（Hz）。 信号传输速率是指每秒钟传送的信号数量（码元数），单位为波特（Baud）。也叫码元速率或波特率。 数据传输速率是指每秒钟传输的二进制位数，单位为比特/秒（bit/s=b/s=bps）。又称位速率或比特率。 （注：1Kbps=1000bps，1Mbps=1000Kbps， 1Gbps=1000Mbps，1Byte/s=1Bps=8bps）,波特率和比特率,波特率RB与比特率Rb的关系：Rb=RBlog2V 其中V为数字传输系统中的码元状态数或离散级数，即V进制数。 例如

3、： RB=2400波特 V=2 Rb=2400 bps RB=2400波特 V=16 Rb=9600 bps DTE（data terminal equipment）数据终端设备 DCE（data circuit-terminating equipment）数据电路端接设备,傅立叶分析,任何正常的周期为T的函数g(t)，都可由无限个正弦和余弦函数合成： 1 g(t) = c + an sin( 2nft ) + bn cos( 2nft ) 2 n=1 n=1 f = 1T 为基频， an和bn为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅。 用 表示信号n次谐波的能量 任何持续时间有限(T)的非周期为函数

4、g(t),可以把它想象成一个周期为T的函数,从而分解成无数个正旋和余旋函数 在传输介质上直接传送的数字信号（电压脉冲序列），都可表示成时间的单值函数，它的谐波（harmonic）分量可用傅立叶级数来表示。,有限带宽信号,考虑传输ASCII字符“b” 01100010，经傅立叶变换可得： 1 an = cos(n/4) - cos(3n/4) + cos(6n/4) - cos(7n/4) n 1 bn = sin(3n/4) - sin(n/4) + sin(7n/4) - sin(6n/4) n c = 3/8 几个低次谐波振幅的平方根an2 + bn2 与相应频率处的能量成正 比。 有限带

5、宽的信道会对所传信号各次谐波的振幅作不等量的衰减及相位延迟。 要保证信号的传输质量，信道的带宽必须适应或高于信号的带宽。,(a)为原始二进制信号和它前15次谐波的平方根振幅。 (b)(e)为前几次谐波的合成。,在电话语音信道上,采用二值信号编码，波特率等于比特率。 假设比特率为b，发送8比特所需要得时间T=8/b秒，因而一次谐波的频率即基频f =1/T=b/8Hz。 话音信道的截止频率约为3000 Hz，采用二值信号编码，则话音信道能通过的最大谐波次数为： 3000/f =24000/b次。 在接受端要想辨认传来的信号，信道必须允许信号的十次谐波通过，所以话音信道的极限信号传输速率为2400波

6、特。,数据传输速率与谐波数之间的关系,信道的最大数据传输速率,奈奎斯特（H. Nyquist）证明，如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器，每秒采样2H能完整地重现通过这个滤波器的信号。更高的采样频率是无意义的，因为高频分量已被滤波器滤掉无法恢复了。 奈奎斯特定理：一个无噪音信道，若信号电平分为V级，则限定的最大数据传输率Rb = 2H log2V bps。 例：对于一个3000 Hz的无噪音信道，若采用两电平信号传输，最大速率不会超过 23000 Hz = 6000 bps。若V = 16，最大速率则可提高到 24000 bps。 此定理针对理想信道进行计算，不考虑噪音因素的影响，故与实际

7、值相差甚大。,信道的最大数据传输速率,香农定理：任何带宽为 H（Hz），信噪比为 S/N 的信道，其最大数据传输速率为： Rb = H log2 ( 1 + S/N ) bps 实际中，信噪比常用分贝（dB）表示，即10 log10 S/N。 例：一个典型参数的模拟电话系统，话音信道带宽为 3400Hz，信噪比为 30dB = 10 log10 S/N，即S/N = 103，则信道的最大数据传输速率为 3400 log2 1001 34 000 bps。 香农定理限定的信道最大数据传输速率是理论值，实际值不可能超越它。但在模拟电话系统中，若超越 3400Hz 的信道带宽或提高信噪比，就可以超越

8、34000 bps 的最大数据传输速率。例如V.90的调制解调器实现了50Kbps以上的下行传输速率，ADSL系统甚至可以达到2Mbps的下行传输速率。,2.2 传输介质,传输介质是通信网络中从一台机器到另一台机器之间传送信号的物理通路。 各种传输介质在带宽、延迟、传输距离、抗干扰和成本等性能上不同。 通信网络传输介质分为有线和无线两大类： 有线介质：双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光纤。 无线介质：无线电、微波、红外线以及光波。 移动存储介质：磁带、磁盘、光盘和硅存储芯片等也可用来传送数据。但延迟太大，属于离线传输系统。,双绞线（Twisted Pair）,双绞线由两条相互绝缘的铜线象螺

9、纹一样扭绞在一起。扭绞的目的是为了减少线对之间的电磁干扰。 把4对双绞线封装在塑料套中构成非屏蔽双绞线UTP（Unshielded TP），其中有两类最常用于计算机网络： 3类（category 3）UTP：较早应用于10 Mbps以太网和电话通信，其扭绞程度较为松散。 5类（category 5）或超5类（category 5e） UTP ：现普遍用于百兆和千兆以太网中，其扭绞程度比3类UTP更加紧密，抗干扰能力更强。在100米距离内速率可达100 Mbps，甚至是250 Mbps。 屏蔽双绞线STP（Shielded TP）有一层总的屏蔽层，STP中每对线及总体都有屏蔽层。价格贵，性能好，

10、应用少。,Categories of Unshielded Twisted Pair,Type Use Category 1 Voice Only (Telephone Wire) Category 2 Data to 4 Mbps (LocalTalk) Category 3 Data to 10 Mbps (Ethernet) Category 4 Data to 20 Mbps (16 Mbps Token Ring) Category 5 Data to 100 Mbps (Fast Ethernet) Category 5e Data to 1000 Mbps (Gigabit Et

11、hernet) Category 6 Data to 1000 Mbps (Gigabit Ethernet) Category 7 ?,The EIA/TIA (Electronic Industry Association/Telecommunication Industry Association) has established standards of UTP.,双绞线（Twisted Pair）,3类（category 3）UTP 5类（category 5）UTP,UTP的连接标准TIA/EIA 568A/568B,Cat 5 UTP,RJ-45模块,使用中 的UTP,STP,同

12、轴电缆（Coaxial Cable）,一对导体（铜芯和屏蔽网）按“同轴”的形式构成线对。 带宽高，抗干扰能力强。 同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。,两种同轴电缆,基带同轴电缆（Baseband Coax）：阻抗为50，用于数字传输，1公里电缆可达12Gbps的传输速率。又分为： 粗缆（Thick）：10Base-5，AUI，单段长度500米，最长5段达2.5公里。 细缆（Thin）：10Base-2，BNC，单段长度185米，最长5段达925米。 宽带同轴电缆（Broadband Coax）：阻抗匹配为75，用于电视信号的模拟传输（CATV），带宽可达800MHz以上，采用载波信号

13、调制技术。传输数字信号时，要使用Cable MODEM设备调制解调数字信号，现在综合有线电视网络已成为MAN的一种形式。,粗、细同轴电缆的比较,实际使用中的细同轴电缆,光纤（Fiber Optics）,光纤由传导光波的高纯石英玻璃纤维和保护层（jacket）构成，其中纤芯（core）的折射率大于包裹着它的包层（cladding）折射率，这样光信号就被保持在纤芯中不会散播出去。 经常将多根光纤封装在坚固的外壳（sheath）中，形成所谓的多芯光缆。,光传输系统,由三个部分组成：光源、光纤和光检测器。 在光纤的一端放上光源，另一端放上检测器，光信号沿着光纤折射或直线传输。 一般采用光强调制，有光表

14、示比特1，而无光脉冲表示比特0。,单模光纤和多模光纤,光线可以多个不同的入射角（大于或等于临界角）在纤芯内全反射传播，可认为每一束不同入射角的光线具有一个不同的模态（mode），具备这种特性的光纤称为多模光纤（multi-mode fiber）。 当光纤的直径减小到几个光波波长时，光纤就如同一个波导，光线在纤芯内以直线传播而不会发生反射，这种光纤称为单模光纤（single-mode fiber）。,单模光纤和多模光纤,多模光纤的直径约在几十 m，而单模光纤不到10 m。实际使用中，裸光纤（纤芯和包层）的直径一般为125 m，其中多模的纤芯有62.5 m和50 m两种；而单模的纤芯只有9 m。

15、有两种光源可用于信号源：LED（发光二极管）和ILD（注入型激光二极管）。以光信号的有和无来表示二进制的“1”和“0”。 接收端由光电二极管构成的光检测器将光信号转换成电信号。 光纤的连接： 机械式：快速，一般不需特殊设备，新技术和连接器改善了接合的损耗（有些 0.1 dB），适合于小数量和应急的应用。 熔结：需要昂贵的特殊设备，极低的损耗（可达 0.05 dB），长距离链路的唯一方法。 光纤传输比较昂贵的原因主要在于光端设备和连接的复杂性。实际上，光纤本身并不算贵。,光纤传输中使用的光信号频谱,集中在红外线到可见光的区域范围。,UV,可见光 （750 - 380 nm）,X-Rays,IR,

16、AM Radio,1012,108,1014,1010,1016,1018,1,UHF,VHF,106,10-3,10-9,常用的光波长有：850、1300和1550 nm,频率(Hz),波长(m),两种光源的比较,光纤上红外部分光的衰减,激光产品的级别,Class I：无危险 Class IIa：观看时间小于1000秒则安全 Class II：长期观看有危险 Class IIIa：直接观看有严重危害 Class IIIb：直接辐射对眼睛和皮肤有严重伤害 Class IV：直接观看或散射对眼睛和皮肤有严重伤害,实际的光纤,一些光纤连接器件,MIC：用于FDDI，双光缆,ST：插入锁定,光耦合器

17、（ST）,SC：568A标准， 方形，插入锁定,双绞线、同轴电缆、光纤的对比,一些实际使用中的光纤,光纤网络,使用有源中继器的光纤环,光纤网络,光纤网中一种无源星形连接,光纤的优点,高带宽，低损耗，大数据传输速率，抗电磁干扰能力强，安全性好；且相对于金属导线，体积小，重量轻，应用前景一片光明。,无线（wireless）传输介质,无线通信不需要铺设任何有线介质，只要安装 信号收发装置即可。 主要的无线传输介质有： 无线电（Radio） 微波（Microwave） 红外线和毫米波（Infrared and Millimeter Waves） 光波（Light Wave）,电磁波频谱,电磁波的频率f

18、 、波长l和真空中电磁波的传播速度即光速c（约为3108 m/s，常数，与频率无关）之间的关系为：c = l f 电磁波在铜线和光纤中的传播速度大约要降低到光速的2/3，且与频率稍有关系，约为2108 m/s，也就是200 m/ s 。,传输速率、带宽及波段的关系,根据上面的推导可得：波段（Dl）越宽，波长（l）越短，带宽（Df）就越高。 例如：采用1.30m红外光的光纤传输中，l=1.310-6 m，Dl=0.1610-6m，则带宽可达到30 THz，而每赫兹信号又可对若干位比特编码，因此可得到很大的数据率。,无线电传输（VLFVHF）,无线电波容易产生，可全方位传播，距离远，并能轻易穿过建

19、筑物（低频波段），被广泛应用于各种通信领域。 VLF、LF、MF低频波段电波沿地表传播，由于可绕过建筑物，所以传输距离远。而HF和VHF波段的地表电波会被地球吸收，但可通过地球上空的电离层反射实现长距离传输。 缺点是带宽较低（特别是低频波段），易受电磁干扰和天气影响。,微波传输,在100MHz以上，微波通过抛物状天线把能量集中于一小束，具有极高的信噪比，沿直线实现可视距传输。 在地面因地表弯曲，需中继站接续微波信号，100米高的塔可接续约80公里。 天气和频率的影响可造成多路减弱。 开放的波段：2.4 GHz 2.484 GHz，即工业/科学/医学波段。,微波传输,红外线和毫米波,有方向性，便

20、宜，穿透能力差，传输距离短。 如：遥控器，防盗报警等。,光波传输,成本低，带宽高，不受管制。但受天气影响大，如雨、雾、雪。,2.3 数据通信技术基础,数据通信的基本方式 调制技术 数字信号编码与同步 数据通信系统的一般结构 多路复用技术 交换技术,2.3.1 数据通信的基本方式,数据 模拟数据：取连续值（声音，温度等） 数字数据：取离散值（0，1） 信号,2.3.1 数据通信的基本方式,数据通信的四种方式 模拟信号传输模拟数据（传统电话系统） 模拟信号传输数字数据（调制解调） 数字信号传输数字数据（数字信号编码，收发端的信号同步） 数字信号传输模拟数据（脉冲编码调制PCM）,2.3.1 数据通

21、信的基本方式,2.3.2 调制技术,由于基带（baseband）信号在长距离的传输信道上会受到衰减、畸变及噪音等的影响，因此在发送端必须转换成一种适合于在信道上传输的信道信号，这个转换过程就叫调制（modulation）。在接收端的相反转换过程称为解调（demodulation）。 调制解调器（MODEM）就是调制器（MOdulator）和解调器（DEModulator）的组合。,调制技术,考虑计算机通过电话线进行通信。需在电话线两端使用MODEM将计算机中带宽很大的数字基带信号转换成适合于电话线上（带宽 3400 Hz）传输的语音模拟信号。 引入一种带宽在1000 2000 Hz的正弦波作为

22、载波信号： Asin(t +),调制技术,分别将载波信号中的A（振幅）、（频率）、（相位）对传输的基带信号进行调制，即可得到三种基本的调制技术： 振幅调制（AM）：用两种不同的电压表示“0”和“1”。 也叫幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）。 频率调制（FM）：用两种不同的频率表示“0”和“1”。 也叫频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）。 相位调制（PM）：也叫相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。分为两种： 绝对PSK：用绝对相位表示比特信息。 相对PSK（DPSK）：用相邻两信号的相对相位差来表示比特信息。,三

23、种基本的调制技术示意图,基带信号,ASK,FSK,绝对PSK,相对PSK,PSK,先进的调制技术QAM,正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）将ASK和PSK结合起来，可传输多进制信号以获得更大的数据速率（中高速）。 每个调制解调器标准都有自己的星座模型（constellation pattern），具有相同标准的调制解调器才可互联。,先进的调制技术TCM,网格编码调制TCM（Trellis Coding Modulation）对星座模型中众多的点进行复杂的纠错编码，增加信号点之间的欧氏距离，以增强抗干扰能力，降低误码率。 ITU-T V.32 b

24、is（1991.2）：14400 bps/2400 波特，26=64个点。 ITU-T V.34（1994）：28800 bps/2400 波特，212=4096个点。 ITU-T V.34（1996.10）：33600 bps/2400 波特，214=16384个点。,2.3.3 数字信号编码与同步,数字数据的数字信号编码 收发端之间的信号同步,数字数据的数字信号编码,单极性不归零编码,双极性不归零编码,单极性归零编码,双极性归零编码,数字数据的数字信号编码,归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点,不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定

25、时或同步； 归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。 单极性码会积累直流分量，这样就不能使用变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层； 双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。,曼彻斯特编码,曼彻斯特编码（Manchester encoding）和差分曼彻斯特编码（differential Manchester encoding）都为自同步编码。曼彻斯特编码属绝对相位编码，而差分曼彻斯特编码属相对相位编码。 所有的802.3系统都采用曼彻斯特编码，实现比较简单。其信号的高电平为+

26、0.85V，低电平为-0.85V。 由于在每个1/2位周期处都会发生跳变，不仅可提供用于同步的时钟信号（但编码效率降低），也为信道侦听提供了可能。,曼彻斯特编码,收发端之间的信号同步,位同步 外同步法 自同步法 群同步,2.3.4 数据通信系统的一般结构,2.3.5 多路复用（Multiplexing）,多路复用技术是将多路信号组合在一条物理信道（主干Trunk）上进行传输。 分为多种形式：FDM，TDM，WDM等。,频分多路复用（FDM）,FDM（Frequency Division Multiplexing）将信道的频带分割成若干个子信道（频段），每个子信道用来传输一路信号。 例如：CAT

27、V中，带宽为50 MHz 750 MHz，子频带为6 MHz。 电话系统中的一个FDM例子,采用FDM的两个传输标准,60 kHz108 kHz / 12 kHz60 kHz的频带（带宽为48 kHz）作为一个（基）群（Group），也可提供48 kbps56 kbps的租用线（leased line）服务。,波分多路复用（WDM）,WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是使用在光纤信道上的FDM。,DWDM（密集WDM ，Dense WDM）和CWDM（粗WDM，Coarse WDM）,时分多路复用（TDM）,TDM（Time Division Mult

28、iplexing）是把信道的时间分成小的时间片，每一时间片由复用的一个信号占用，每一时刻只有一个信号占用信道。,时分多路复用（TDM）,同步时分多路复用 每个时间片被固定地分配给一个逻辑信道 不需携带信道标识 信道利用率不高 异步时分多路复用 根据各逻辑信道的状态动态分配时间片 需要携带信道标识 信道利用率提高,TDM与FDM的比较,北美的贝尔T1载波系统（PCM）,T1信道是采用TDM技术对24个语音信道进行复用的传输标准，在二十世纪六十年代由贝尔实验室为电话线路复用传输而开发的。 关键技术PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制，简称脉码调制）通过编解码器（code

29、r-decoder，codec）将模拟的语音信号转换成适合于TDM信道上传输的数字信号。分为三个步骤： 采样：使模拟信号在时间上离散化。根据采样定理取采样频率为8000 Hz，即每125 s采样一次。 量化：使采样值在取值上离散化（数字量化）。先把原始信号的取值范围划分为128 个等级（27），然后将每个采样值“取整”到离它最近的一个等级上。注意产生的量化噪音。 编码：用一定位数的二进制数码来表示量化后的采样值。这里为7位（log2128）二进制数编码。,PCM原理示意图,北美的贝尔T1载波系统（复用）,24路语音信号被轮询进行PCM，每个信道按顺序在输出流中插入8个比特，其中7比特为数据（P

30、CM的结果），另外增加1比特用于控制。 24路轮询一次输出24 8=192比特，再加上1比特（放在帧头）用于传输同步（模式为0101010101），最后构成193比特的数据帧（frame）。即每125 s输出193比特，因此T1信道总的数据速率=193 8000=1.544 Mbps。 当T1系统完全用于数据传输时，只有23个信道用作传输数据，第24个信道完全用于同步控制，以便在失去帧同步时快速恢复。,T1信道帧的结构,DPCM（Differential PCM）,DPCM（差分PCM）是一种数字压缩技术。由于语音信号的变化相对缓慢，两采样点间的差值非常之小，只量化第一个采样点的绝对值，后续的

31、量化都为相邻两采样点的相对差值，因此只需较少的比特位就可表示，如5 bits。 ADPCM（Adaptive DPCM，自适应DPCM）是对采样值进行自适应（量化级宽度随幅值而变化）预测（predictive），然后对预测误差进行量化编码。如ITU-T的G.721标准，相当于用4bit进行编码，32 kbps的数据速率。 增量调制（Delta Modulation，DM或M）是一种极端的DPCM，只用一个比特来表示新的采样值是大于或小于前一个采样值，数据速率= 1 8000 = 8 kbps。注意斜率过载和颗粒噪音。,增量调制示意图,TDM可为用户提供更大的带宽,简单地把更多的数据放入一个帧中

32、。,T1线路的复用,TDM允许多个T1线路复用到更高级的线路上。 T2及更高级线路上的复用是按比特进行的，每一次合成都要附加一些额外的比特开销用于分帧和恢复。 复用级别为4，7，6。,CCITT的E1载波系统,将32个8比特（量化级别为256）信道数据封装在基于125 s的帧中，其中30个信道用于信息，2个信道用于信令（signaling）。 总的数据速率=32 8 8000=2.048 Mbps 同T1一样，E1也可复用到更高级的线路上，复用级别都为4。,CCITT E系列中的各种传输速率,SONET/SDH,基本的SONET帧是每125 s的810个字节（用90列 9行描述），因此数据速率

33、= 8 bit 810 Byte 8000 Hz = 51.84 Mbps，这是SONET最基本的信道，称作同步传输信号STS-1（Synchronous Transport Signal-1）。 多条STS-1支流（tributary）的复用可构成其它的SONET干线，如3条STS-1支流被合成为1条3 51.84 Mbps = 155.52 Mbps的STS-3流。对应于STS-n的光纤线路被称作OC-n（Optical Carrier Level）。 SDH的基本信道从OC-3开始，称作同步传输模块STM-1（Synchronous Transport Module-1）。 OC-n表示

34、由n条单独的OC-1线路组成。而OC-nc表示从一个源来的数据流。,SONET中的多路复用示意图,低速输入流,SONET/SDH的速率等级,2.3.6 交换技术,数据的集中与转发交换（switching） 为什么要交换？,交换技术,三种基本的交换技术： 电路交换（circuit switching）：在通信双方之间建立一条实际的物理通路，且被双方独占。正如传统的电话系统。分为建立、通信和拆除三个过程。 报文交换（message switching）：数据被一次性的作为一个报文采用存储-转发（store-and-forward）方式一步步地向前传递。中间节点完整地接受相邻的上一个节点传来的报文，

35、暂存在缓冲器中，然后选择一条合适的输出线路，排在相应的队列中等空闲时转发到下一个相邻节点。 分组交换（packet switching）：将被传的数据（报文）分割成若干个等长的小的分组，这些分组分别独立地采用存储-转发方式进行路由转发，接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文。,电路交换和分组交换示意图,三种基本交换技术的比较,电路交换在通信时由于独享物理线路，故延迟小，可靠性高，且保证顺序。但在通信前后的建立和拆除连接的过程时间长，另外独享信道方式可能会造成资源浪费。因此适合于质量要求高的大规模数据传输。 报文交换共享物理信道，提高了线路的利用率，且可一到多点传输。但由于报文的长度没有限制，

36、造成中间节点的缓冲器配置困难；其次大报文的传输延迟大，占用线路时间长；另外在误码率高的信道上会极大地影响传输效率。实际中很少使用。 分组交换由于限定了分组的长度，因而降低了对中间节点存储能力的要求，也减小了传输的延迟；而且由于各分组单独路由，这种并行性提高了报文的整体传送速度；另外短的分组会降低出错重发率，从而提高了传输效率。当然分组交换也存在着一些问题，需解决由于分组丢失、重复和乱序带来的问题。 计算机网络一般采用分组交换，偶尔使用电路交换，决不会使用报文交换。,三种交换的事件时序,2.4 物理层协议,物理层负责在传输介质上为数据链路层提供一个传输原始二进制比特流的物理连接（数据电路）。 物

37、理连接（数据电路）可能涉及中间系统，中间系统用来对传输介质上的物理信号进行中转（再生放大），称作中继器（repeater）。 DTE和DCE： 物理层通信中，用户拥有的数据设备（如计算机或终端）称为数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）。 为用户设备提供入网连接的设备（如MODEM）称作数据电路终接设备或数据通信设备DCE（Data Circuit-terminating Equipment或Data Communications Equipment）。,2.6 物理层协议,物理层协议：为了建立、维持和拆除物理连接，规定了机械、电气、功能和规程的特性。 机械特性（

38、mechanical）规定了物理连接中采用的连接器的几何尺寸、插针或插孔的数量及排列顺序、拴锁及安装方式等。 电气特性（electrical）规定了在物理连接上物理信号的形式及量值、阻抗匹配、传输速率和距离的限制等。 功能特性（functional）规定了物理接口上的各条信号线的功能分配和确切定义。 规程特性（procedural）定义了物理连接上信号的时序应答关系及工作过程。,EIA RS-232-C,RS（Recommended Standard）-232（标准标识号码）-C（修改的版本号，C为第三版）是EIA于1969年为在公用电话交换网PSTN（Public Switch Teleph

39、one Network）上进行数据通信而制定的一个串行物理接口标准。相应的国际标准是CCITT推荐的V.24标准（List of definitions for interchange circuits between DTE and DCE）。,RS-232-C的机械特性,25芯或9芯D型连接器，DTC侧为插针，DCE侧为插孔。 具体排列、尺寸、拴锁等。,RS-232-C的电气特性及其改进,“非平衡双流接口电路的电气特性”： CCITT V.28是与RS-232-C的电气特性兼容的标准。分立元件设计，非平衡接口，每个信号都使用一条导线和一条公共的信号返回（参考地）线。采用负逻辑电平：“0”和

40、“1”分别用+3V +15V的电平和-3V -15V的电平表示。最大传输速率 19.2 kbps，传输距离 15 m。 RS-449为RS-232-C的升级标准，由三个标准组成：机械、功能和规程特性由RS-449本身定义；另外有两个电气特性标准RS-423-A（与旧标准兼容，性能提高不大）和RS-422-A（完全不同于旧标准，性能高）分别为革新和革命的产物。,“在数据通信领域中，通常与集成电路一起使用的非平衡双流接口电路的电气特性”：CCITT V.10/X.26兼容RS-423-A。IC工艺设计，发生器具有整形功能，接收器为差分式，不平衡连接（同V.28一样需要公共地）。距离为100m时，速

41、率可达3kbps；距离为10m时，速率可达300kbps。 “在数据通信领域中，通常与集成电路一起使用的平衡双流接口电路的电气特性”：CCITT V.11/X.27兼容RS-422-A。IC工艺设计，平衡的发生器，差分接收，每个信号都使用双线传输，不需公共地。最大速率达10Mbps；60m长的电缆上可达2Mbps的传输速率。,RS-232-C的功能特性,常用的几个信号说明,空调制解调器（NULL MODEM）：用于实现两个DTE的直接连接,简单型连接,简单型连接,完整型连接,RS-232-C的规程特性,注：“on”为高电平，“off”为低电平。,RS-232-C的 工作过程,CCITT X.2

42、1建议,1976年制定的用于公用数据网PDN（Public Data Network）的DTE和DCE交换信号的数字接口标准。（Interface between DTE and DCE for synchronous operation on public data networks）,CCITT X.21的机械、电气和功能特性,15芯D型连接器。 采用平衡双流接口电路，最大传输速率为10Mbps，最大传输距离为300m。,CCITT X.21的规程特性,注：C线和I线上，“1”称为断，“0”称为通。,CCITT X.21bis建议,是X.21的过渡版本，兼容V.24标准。原来与V系列标准调

43、制解调器相连的DTE设备通过X.21bis接口，可连接到基于X.21的公用数据网络中。,2.5 几种电信网络技术,接入网 宽带ISDN和ATM X.25 帧中继 DDN 蜂窝无线通信 通信卫星,Fully-interconnected network. (b) Centralized switch. (c) Two-level hierarchy,电信网的发展,电信网的结构,电信网可分为公用电信网和用户驻地网（CPN）两大类： 公用电信网又可以划分为两部分： 核心网（Core Network）或传输网（Transit Network）包括： 长途网：长途局以上部分。 中继网：长途局与市话局之间

44、及市话局之间的部分。 接入网：用户端局至用户之间的部分，主要完成使用户接入到核心网的任务。也称作接入环路。 CPN属用户所有，一般为集团用户的专用接入网。,The use of both analog and digital transmission for a computer to computer call. Conversion is done by the modems and codecs.,三种接入网的比较,N-ISDN ADSL Cable,N-ISDN（Narrowband Integrated Services Digital Network ）,一个全数字化电路交换电话系

45、统。主要业务仍然是老式电话服务POTS（Plain Old Telephone Service），还包括其它的一些数据传输服务。数字化比特管道（digital bit pipe）。 结构：ISDN交换机UNT1TNT2(PBX)SISDN终端/TA R非ISDN终端。 两个主要的标准化信道： B信道：64 kbps数字PCM信道，用于话音或数字。 D信道：16 kbps数字信道，用于段外信令。 ISDN接口： 基本速率（basic rate）：2B+1D=144 kbps，实际可用为128 kbps。应用于最终用户。俗称一线通。 主速率（primary rate）：30B+1D=1936 kp

46、bs。实际可用为1920 kbps（美国和日本：23B+1D）。应用于装有PBX的商务应用的T参考点。,N-ISDN的两种配置结构及两种接口,(b),(d),(c),(a),主速率的一个实际应用,ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）,ADSL（非对称数字用户线）： 下行最大速率为6 Mbps，上行最大为640 kbps。俗称超级一线通。 ADSL将连接用户和端局的一对铜线的带宽分割成四段： 高带宽的单工信道，01.536/3.072/4.608/8.192 Mbps，用于单独下行传输。 低带宽的双工信道，0640 kbps。 双工的控制信道。 POT

47、S信道，04 kHz。 POTS信道与其它信道是完全独立分开的，打电话和数据传输可同时进行。,How ADSL Works,Dividing the spectrum available on the local loop, which is about 1.1MHz, into three frequency bands: POTS (Plain Old Telephone Service) upstream (user to end office) and downstream (end office to user), frequency division multiplexing.,O

48、peration of ADSL using discrete multitone modulation.,ADSL应用的基本体系结构,A typical ADSL equipment configuration.,CATV宽带综合服务网,CATV（Community Antenna TV）宽带综合服务网可通过Cable TV来传输数据信息。在看电视的同时，用户可获得1.540 Mbps的数据速率。 由两部分通道按FDM进行数模混合而成： 模拟信号通道传输模拟电视信号及FM声音等。 数字信号通道传输频带宽度在几十kHz几MHz的用于电话机、计算机等设备通信的数字信号，用户需使用Cable MO

49、DEM。,Community Antenna Television,An early cable television system.,Internet over Cable,Cable television,CATV宽带综合服务网,我国有线电视宽带综合网的频率上限为750MHz，正向860MHz过渡。,Cable Modems,Typical details of the upstream and downstream channels in North America.,Wireless Local Loops,A fixed telephone using a wireless local loop is a bit like a mobile phone, but there a three crucial differences