计算机网络技术基础课程课件设计物理层

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1、 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 1 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 2 本 章 学 习 要 求 ： 掌 握 ： 物 理 层 与 物 理 层 协 议 的 基 本 概 念 。 掌 握 ： 数 据 通 信 的 基 本 概 念 。 了 解 ： 无 线 与 卫 星 通 信 技 术 的 基 本 概 念 。 掌 握 ： 数 据 编 码 的 类 型 和 基 本 方 法 。 了 解 ： 基 带 传 输 的 基 本 概 念 。 掌 握 ： 频 带 传 输 的 基 本 概 念 。 掌 握 ： 多 路 复 用 的 分 类 与 特 点 。 掌 握 ： 广 域 网 中 的 数 据 交 换 技 术 。

2、 掌 握 ： 同 步 数 字 体 系 SDH的 基 本 概 念 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 3 3.1 物 理 层 与 物 理 层 协 议 的 基 本 概 念3.1.1 物 理 层 的 基 本 概 念 通 信 子 网 分 为 点 -点 通 信 线 路 通 信 子 网 与 广 播 信 道 通 信子 网 ; 广 域 网 主 要 采 用 点 到 点 通 信 线 路 ， 局 域 网 与 城 域 网 一般 采 用 广 播 信 道 ; 由 于 技 术 上 存 在 较 大 的 差 异 ， 因 此 在 物 理 层 和 数 据 链路 层 协 议 上 出 现 了 两 个 分 支 ， 一 类 是

3、基 于 点 -点 通 信 线路 ， 另 一 类 是 基 于 广 播 信 道 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 4 3.1.2 物 理 层 基 本 服 务 功 能 物 理 层 设 计 时 主 要 考 虑 的 是 如 何 在 连 接 开 放 系 统 的 传输 介 质 上 传 输 各 种 数 据 的 比 特 流 ； 计 算 机 网 络 可 以 利 用 的 物 理 传 输 介 质 与 传 输 设 备 存 在着 很 大 的 差 异 ， 设 计 物 理 层 的 主 要 目 的 是 向 数 据 链 路层 屏 蔽 通 信 技 术 的 差 异 性 ； 数 据 链 路 实 体 通 过 与 物 理 层

4、的 接 口 ， 将 数 据 传 送 给 物理 层 ， 通 过 物 理 层 按 比 特 流 的 顺 序 ， 将 信 号 传 输 到 另一 个 数 据 链 路 实 体 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 5 3.1.3 物 理 层 向 数 据 链 路 层 提 供 的 服 务 物 理 连 接 的 建 立 、 维 护 与 释 放 ； 物 理 连 接 分 为 点 -点 连 接 与 多 点 连 接 ； 数 据 传 输 分 为 全 双 工 、 半 双 工 与 单 工 方 式 ； 数 据 传 输 分 为 串 行 传 输 方 式 与 并 行 传 输 方 式 ； 串 行 传 输 方 式 的 物 理 数

5、据 服 务 单 元 是 位 ； 并 行 传 输 方 式 的 物 理 数 据 服 务 单 元 是 N位 ， N为 并 行 连接 的 物 理 通 道 数 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 6 3.2 数 据 通 信 的 基 本 概 念3.2.1 信 息 、 数 据 与 信 号1.信 息 的 基 本 概 念 通 信 的 目 的 是 交 换 信 息 ， 信 息 的 载 体 可 以 是 数 字 、 文字 、 语 音 、 图 形 或 图 像 ， 计 算 机 产 生 的 信 息 一 般 是 字母 、 数 字 、 语 音 、 图 形 或 图 像 的 组 合 ； 为 了 传 送 这 些 信 息 ，

6、首 先 要 将 字 母 、 数 字 、 语 音 、 图形 或 图 像 用 二 进 制 代 码 的 数 据 来 表 示 ； 为 了 传 输 二 进 制 代 码 的 数 据 ， 必 须 将 它 们 用 模 拟 或 数字 信 号 编 码 的 方 式 表 示 ； 数 据 通 信 是 指 在 不 同 计 算 机 之 间 传 送 表 示 字 母 、 数 字 、符 号 的 二 进 制 代 码 0、 1比 特 序 列 的 模 拟 或 数 字 信 号 的过 程 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 7 信 息 编 码 标 准 ASCII 码 被 国 际 标 准 化 组 织 ISO接 受 ， 成 为 国

7、际 标 准ISO 646， 又 称 为 国 际 5号 码 ; 它 用 于 计 算 机 内 码 ， 也 用 做 数 据 通 信 中 的 编 码 标 准 ; ASCII码 采 用 7位 二 进 制 比 特 编 码 ， 可 以 表 示 128个 字符 ; 字 符 分 为 图 形 字 符 与 控 制 字 符 两 类 。 图 形 字 符 包 括 数字 、 字 母 、 运 算 符 号 、 商 用 符 号 等 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 8 多 媒 体 网 络 应 用 利 用 数 字 通 信 系 统 来 实 现 多 媒 体 信 息 的 传 输 是 通 信 技术 研 究 的 重 要 内 容

8、之 一 ； 与 文 本 、 图 形 信 息 传 输 相 比 较 ， 语 音 、 图 像 信 息 传 输要 求 数 据 通 信 系 统 具 有 高 速 率 与 低 延 时 的 特 性 ； 多 媒 体 技 术 在 网 络 中 的 应 用 ， 将 对 数 据 通 信 系 统 提 出更 高 的 要 求 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 9 2.信 号 的 概 念 信 号 是 数 据 在 传 输 过 程 中 电 信 号 的 表 示 形 式 ； 模 拟 信 号 （ analog signal） 的 信 号 电 平 是 连 续 变 化 的 ； 数 字 信 号 （ digital signal）

9、是 用 两 种 不 同 的 电 平 去 表 示 0、1比 特 序 列 的 电 压 脉 冲 信 号 表 示 ； 按 照 在 传 输 介 质 上 传 输 的 信 号 类 型 ， 通 信 系 统 分 为 模 拟通 信 系 统 与 数 字 通 信 系 统 两 种 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 10 模 拟 信 号 波 型 数 字 信 号 波 型 0 V(t) t 0 V(t) t 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 11 3.2.2 数 据 传 输 类 型 与 通 信 方 式 网 络 中 两 台 计 算 机 的 通 信 过 程 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 12 网

10、络 通 信 系 统 设 计 中 要 解 决 的 几 个 基 本 问 题 数 据 传 输 类 型 模 拟 通 信 数 字 通 信 数 据 通 信 方 式 串 行 通 信 、 并 行 通 信 单 工 通 信 、 半 双 工 或 全 双 工 通 信 同 步 方 式 同 步 通 信 异 步 通 信 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 13 串 行 通 信 与 并 行 通 信 发 送 端 接 收 端串 行 通 信 信 道 (a) 发 送 端 b0b1 b2b3 b4b5 b6b7 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 接 收 端 b0b1 b2b3 b4b5 b6b7 并行 通信 信道

11、(b) 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 14 单 工 、 半 双 工 与 全 双 工 通 信 发 送 接 收单 向 通 道 双 向 通 道 双 向 通 道 (a) (b) (c) 发 送 接 收 发 送 接 收 接 收 发 送 接 收 发 送 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 15 同 步 通 信 与 异 步 通 信 SYN SYN . 一 个 或 多 个SYN字 符 控 制 字 符 数 据 字 符 控 制 字 符 终 止 位(逻 辑 “ 0” ) 起 始 位(逻 辑 “ 1” ) t b0b1b2b3b4b5b6 字 节 5 字 节 4 字 节 3 字 节 2 字 节 1

12、计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 16 3.2.3 传 输 介 质 的 主 要 类 型 双 绞 线 同 轴 电 缆 光 纤 电 缆 无 线 与 卫 星 通 信 信 道 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 17 1. 双 绞 线 的 主 要 特 性 屏 蔽 双 绞 线 STP 非 屏 蔽 双 绞 线 UTP 铜 线 绝 缘 层 外 屏 蔽 层 外 部 保 护 层 （ a） 屏 蔽 双 绞 线 铜 线 绝 缘 层 外 部 保 护 层 （ b） 非 屏 蔽 双 绞 线 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 18 2. 同 轴 电 缆 的 主 要 特 性 内 导 体 绝 缘 层 外

13、屏 蔽 层 外 部 保 护 层 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 19 3. 光 纤 电 缆 的 主 要 特 性 光 纤 芯 包 层 外 部 保 护 层 (a) 保 护 层 包 层 光 纤 芯 (b) 光 电 转 换 LED 发 送 端 输 入 光 电 转 换 PIN 接 收 端 输 出光 纤光 信 号 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 20 单 模 光 纤 与 多 模 光 纤 的 比 较 输 入 脉 冲 输 出 脉 冲 （ a） 多 模 光 纤 （ b） 单 模 光 纤 输 入 脉 冲 输 出 脉 冲 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 21 4. 无 线 与 卫 星

14、通 信 技 术 电 磁 波 的 传 播 有 两 种 方 式 ： 以 无 线 方 式 一 种 是 在 自 由 空 间 中 传 播 ； 以 有 线 方 式 在 同 轴 电 缆 、 双 绞 线 、 光 纤 中 传 输 。 目 前 以 无 线 方 式 进 行 通 信 的 主 要 有 ： 无 线 （ radio） ； 微 波 （ microwave） ； 红 外 （ infrared） ； 可 见 光 （ visible light） 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 22 （ 1） 微 波 通 信 视 距 传 播 电 离 层 反 射 地 球 表 面 地 球 表 面 电 离 层 计 算 机

15、网 络 第 3章 物 理 层 23 （ 2） 蜂 窝 无 线 通 信 多 址 接 入 方 法 ： 频 分 多 址 接 入 （ FDMA） 时 分 多 址 接 入 （ TDMA） 码 分 多 址 接 入 （ CDMA） 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 24 （ 3） 卫 星 通 信 卫 星 地 球 表 面 卫 星 发 送 多 点 接 收 多 点 接 收 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 25 3.3 数 据 编 码 技 术3.3.1 数 据 编 码 类 型 数 据 编 码 方 法 模 拟 数 据 编 码 数 字 数 据 编 码 振 幅 键 控 ASK 移 频 键 控 FSK 移

16、 相 键 控 PSK 非 归 零 码 NRZ 曼 彻 斯 特 编 码 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 26 3.3.2 模 拟 数 据 编 码 方 法 0 1 0 0 1 0 0 0 +0 + +0 +0 +0 2 1 2 + 数 据 (a)ASK (b)FSK (c)PSK(绝 对 ) (d)PSK(相 对 ) 1 2 1 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 27 传 统 的 电 话 通 信 信 道 是 为 传 输 语 音 信 号 设 计 的 ， 只 适用 于 传 输 音 频 范 围 （ 300Hz 3400Hz） 的 模 拟 信 号 ，无 法

17、 直 接 传 输 计 算 机 的 数 字 信 号 ； 为 了 利 用 模 拟 语 音 通 信 的 电 话 交 换 网 实 现 计 算 机 的 数字 数 据 信 号 的 传 输 ， 必 须 首 先 将 数 字 信 号 转 换 成 模 拟信 号 ； 将 发 送 端 数 字 数 据 信 号 变 换 成 模 拟 数 据 信 号 的 过 程 称为 调 制 ， 将 调 制 设 备 称 为 调 制 器 （ modulator） ； 将 接 收 端 模 拟 数 据 信 号 还 原 成 数 字 数 据 信 号 的 过 程 称为 解 调 ， 将 解 调 设 备 称 为 解 调 器 （ demodulator） ；

18、 同 时 具 备 调 制 与 解 调 功 能 的 设 备 称 为 调 制 解 调 器（ modem） 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 28 在 调 制 过 程 中 ， 选 择 音 频 范 围 内 的 某 一 角 频 率 的 正（ 余 ） 弦 信 号 作 为 载 波 ， 该 正 （ 余 ） 弦 信 号 可 以 写 为 ： u（ t） = umsin（ t+0） 3个 可 以 改 变 的 电 参 量 ： 振 幅 um 角 频 率 相 位 可 以 通 过 变 化 3个 电 参 量 ， 来 实 现 模 拟 数 据 信 号 编 码 的目 的 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 2

19、9 1. 振 幅 键 控 （ amplitude shift keying , ASK） um sin（ 1t+ 0） 数 字 1 u（ t） = 0 数 字 0 振 幅 键 控 ASK信 号 实 现 容 易 ， 技 术 简 单 ， 但 抗 干 扰能 力 较 差 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 30 2.移 频 键 控 （ frequency-shift keying ， FSK ） um sin（ 1t+ 0） 数 字 1 u（ t） = um sin（ 2t+ 0） 数 字 0 移 频 键 控 FSK信 号 实 现 容 易 ， 技 术 简 单 ， 抗 干 扰 能 力较 强 ，

20、 是 目 前 最 常 用 的 调 制 方 法 之 一 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 31 3.移 相 键 控 （ phase-shift keying， PSK） 绝 对 调 相 um sin（ t+0） 数 字 1 u（ t） = um sin（ t+ ） 数 字 0 移 相 键 控 可 以 分 为 ： 绝 对 调 相 相 对 调 相 二 相 调 相 多 相 调 相 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 32 3.3.3 数 字 数 据 编 码 方 法 基 带 传 输 在 基 本 不 改 变 数 字 数 据 信 号 频 带 （ 即 波 形 ） 的 情 况 下 直 接 传

21、输 数 字 信 号 ， 可 以 达 到 很 高 的 数 据 传 输 速 率 与 系 统 效 率 ; 在 基 带 传 输 数 字 数 据 信 号 的 编 码 方 式 主 要 有 ： 非 归 零 码 NRZ； 曼 彻 斯 特 （ manchester） 编 码 ； 差 分 曼 彻 斯 特 （ difference manchester） 编 码 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 33 1.非 归 零 码 NRZ NRZ码 的 缺 点 是 无 法 判 断 一 位 的 开 始 与 结 束 ， 收 发 双方 不 能 保 持 同 步 ； 为 保 证 收 发 双 方 的 同 步 ， 必 须 在

22、发 送 NRZ码 的 同 时 ，用 另 一 个 信 道 同 时 传 送 同 步 信 号 ； 如 果 信 号 中 “ 1” 与 “ 0” 的 个 数 不 相 等 时 ， 存 在 直 流分 量 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 34 2.曼 彻 斯 特 （ manchester） 编 码曼 彻 斯 特 编 码 的 规 则 ： 每 比 特 的 周 期 T分 为 前 T/2与 后 T/2两 部 分 ； 通 过 前 T/2传 送 该 比 特 的 反 码 ， 通 过 后 T/2传 送 该 比 特 的 原 码 ；曼 彻 斯 特 编 码 的 优 点 ： 每 个 比 特 的 中 间 有 一 次 电

23、平 跳 变 ， 两 次 电 平 跳 变 的 时 间 间 隔 可 以 是 T/2或 T； 利 用 电 平 跳 变 可 以 产 生 收 发 双 方 的 同 步 信 号 ； 曼 彻 斯 特 编 码 信 号 又 称 做 “ 自 含 钟 编 码 ” 信 号 ， 发 送 曼 彻 斯 特 编 码 信 号 时 无 需 另 发 同 步 信 号 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 35 差 分 曼 彻 斯 特 （ difference manchester） 编 码差 分 曼 彻 斯 特 编 码 是 对 曼 彻 斯 特 编 码 的 改 进 。差 分 曼 彻 斯 特 编 码 与 曼 彻 斯 特 编 码 不

24、 同 点 主 要 是 ： 每 比 特 的 中 间 跳 变 仅 做 同 步 之 用 ； 每 比 特 的 值 根 据 其 开 始 边 界 是 否 发 生 跳 变 来 决 定 ; 一 个 比 特 开 始 处 出 现 电 平 跳 变 表 示 传 输 二 进 制 0,不 发 生跳 变 表 示 传 输 二 进 制 1。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 36 数 字 数 据 编 码 信 号 的 波 形 0 1 0 0 1 0 1 1数 据 (a)非 归 零 码 同 步 时 钟 (b)曼 彻 斯 特 编 码 (c)差 分 曼 彻 斯 特 编 码 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 37 3.3

25、.4 脉 冲 编 码 调 制 方 法 采 样 量 化 编 码 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D10 0.5 1.0 1.5 A t 0.27 0.3 0.62 0.6 1.28 1.3 1.52 1.5 1.26 1.3 0.73 0.7 0.41 0.4 0.12 0.1 (a) 样 本 量 化 级 二 进 制 编 码 编 码 信 号 0001 0100 0111 1101 1111 1101 0110 00113 6 13 15 13 7 4 1D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 (b) 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 38 PCM用 于 数 字 语 音

26、系 统 ： 声 音 分 为 128个 量 化 级 ； 每 个 量 化 级 采 用 7位 二 进 制 编 码 表 示 ； 采 样 速 率 为 8000样 本 /秒 ； 数 据 传 输 速 率 应 达 到 7位 8000/秒 =56kb/s； 如 果 每 个 量 化 级 采 用 7+1=8位 二 进 制 编 码 表 示 ; 数 据 传 输 速 率 应 达 到 8位 8000/秒 = 64kb/s。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 39 3.4 基 带 传 输 技 术 3.4.1 基 带 传 输 的 定 义 在 数 据 通 信 中 ， 表 示 计 算 机 二 进 制 的 比 特 序 列 的

27、 数 字 数据 信 号 是 典 型 的 矩 形 脉 冲 信 号 ; 矩 形 脉 冲 信 号 的 固 有 频 带 称 做 基 本 频 带 ,简 称 为 基 带 ,矩形 脉 冲 信 号 就 叫 做 基 带 信 号 ; 在 数 字 通 信 信 道 上 ， 直 接 传 送 基 带 信 号 的 方 法 称 为 基 带传 输 ; 在 发 送 端 ， 基 带 传 输 的 数 据 经 过 编 码 器 变 换 变 为 直 接 传输 的 基 带 信 号 ， 例 如 曼 彻 斯 特 编 码 或 差 分 曼 彻 斯 特 编 码信 号 ; 在 接 收 端 由 解 码 器 恢 复 成 与 发 送 端 相 同 的 矩 形

28、脉 冲 信 号 ; 基 带 传 输 是 一 种 最 基 本 的 数 据 传 输 方 式 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 40 3.4.2 通 信 信 道 带 宽 对 基 带 传 输 的 影 响 通 信 信 道 带 宽 对 数 据 信 号 传 输 中 失 真 的 影 响 很 大 ； 信 道 带 宽 越 宽 ， 信 号 传 输 的 失 真 越 小 。 E(t)E(t)E(t)E(t)E(t) E(t)E(t)E(t)E(t)E(t) 000000 ttttt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 1 1 0 0 0 1 0(a)(b)(c)(d)(e) 0 10 1 20 1

29、2 3 40 1 2 3 4 5 6 7 8 ttttt 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 41 3.4.3 数 据 传 输 速 率 的 定 义 与 信 道 速 率 的 极 限数 据 传 输 速 率 的 定 义 数 据 传 输 速 率 是 描 述 数 据 传 输 系 统 的 重 要 技 术 指 标 之 一 ； 数 据 传 输 速 率 在 数 值 上 ， 等 于 每 秒 钟 传 输 构 成 数 据 代 码的 二 进 制 比 特 数 ， 单 位 为 比 特 /秒 ， 记 做 b/s； 常 用 的 数 据 传 输 速 率 单 位 有 ： Kb/s、 Mb/s、 Gb/s与 Tb/s，其 中

30、： 1Kb/s = 1 103 b/s 1Mb/s = 1 10 6 b/s 1Gb/s = 1 109 b/s 1Tb/s = 1 1012 b/s 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 42 信 道 速 率 的 极 限 值 奈 奎 斯 特 准 则 ： 二 进 制 数 据 信 号 的 最 大 数 据 传 输 速 率 Rmax与 通 信 信 道 带 宽 B（ B=f， 单 位 Hz） 的 关 系 为 Rmax=2f（ b/s） 。 香 农 定 理 ： 在 有 随 机 热 噪 声 的 信 道 上 传 输 数 据 信 号 时 ， 数 据 传 输 速 率 Rmax与 信 道 带 宽 B， 信 噪

31、 比 S/N 的 关 系 为 Rmax = Blog2（ 1+S/N） S/N为 信 噪 比 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 43 3.5 频 带 传 输 技 术3.5.1 电 话 交 换 网 的 结 构 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 44 3.5.2 频 带 传 输 的 定 义 利 用 模 拟 信 道 传 输 数 据 信 号 的 方 法 称 为 频 带 传 输 ； 调 制 解 调 器 （ modem） 是 频 带 传 输 中 最 典 型 的 通 信 设 备 ； 调 制 解 调 器 的 作 用 是 ： 在 数 据 的 发 送 端 将 计 算 机 中 的 数 字 信 号

32、 转 换 成 能 在 电 话线 上 传 输 的 模 拟 信 号 ； 在 接 收 端 将 从 电 话 线 路 上 接 收 到 的 模 拟 信 号 还 原 成 数 字信 号 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 45 3.5.3 调 制 解 调 器 的 基 本 工 作 原 理 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 46 modem实 现 全 双 工 通 信 的 工 作 原 理 0 11070Hz 1270Hz 0 12025Hz 2225Hz上 频 带下 频 带f ol =1170Hz foh =2125Hz 电 话 交 换 网 通 频 带 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 4

33、7 3.6 多 路 复 用 技 术 多 路 复 用 的 基 本 概 念 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 48 3.6.1 多 路 复 用 技 术 的 分 类 频 分 多 路 复 用 FDM 波 分 多 路 复 用 WDM 时 分 多 路 复 用 TDM 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 49 3.6.2 频 分 多 路 复 用 在 一 条 通 信 线 路 设 计 多 路 通 信 信 道 ; 每 路 信 道 的 信 号 以 不 同 的 载 波 频 率 进 行 调 制 ; 各 个 载 波 频 率 是 不 重 叠 的 ,那 么 一 条 通 信 线 路 就 可 以 同时 独 立 地

34、传 输 多 路 信 号 。 1 Channel 3 300 3100 1 Channel 2 1 Channel 1 60 64 68 72 60 64 68 72 Channel 1 Channel 3Channel 2 频 率 (KHz)(c) 频 率 (KHz)(b)频 率 (Hz)(a) 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 50 贝 尔 系 统 的 T1载 波 24路 音 频 信 道 复 用 在 一 条 通 信 线 路 上 ； 每 路 音 频 模 拟 信 号 在 送 到 多 路 复 用 器 之 前 ， 要 通 过 一个 PCM编 码 器 ； 编 码 器 每 秒 取 样 8000次

35、 ； 24路 PCM信 号 的 每 一 路 轮 流 将 一 个 字 节 插 入 到 帧 中 ； 每 个 字 节 的 长 度 为 8位 ， 其 中 7位 是 数 据 位 ， 1位 用 于 信道 控 制 ； 每 帧 由 24 8=192位 组 成 ， 附 加 一 位 作 为 帧 开 始 标 志 位 ，所 以 每 帧 共 有 193位 ； 发 送 一 帧 需 要 125毫 秒 ； T1载 波 的 数 据 传 输 速 率 为 1.544Mb/s。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 51 3.6.3 波 分 多 路 复 用 光 纤 通 道 （ fiber optic channel） 技 术 采

36、 用 了 波 长 分 隔 多 路复 用 方 法 ， 简 称 为 波 分 复 用 WDM; 在 一 根 光 纤 上 复 用 80路 或 更 多 路 的 光 载 波 信 号 称 为 密 集 波分 复 用 DWDM； 目 前 一 根 单 模 光 纤 的 数 据 传 输 速 率 最 高 可 以 达 到 20Gb/s 。 共 享 光 纤 光 栅 光 栅 功率 波 长 共 享 光 纤的 波 谱 功率 波 长 光 纤 1的 波 谱 功率 波 长 光 纤 2的 波 谱 光 纤 1 光 纤 2 光 纤 3 光 纤 4 功率 波 长 光 纤 3的 波 谱 功率 波 长 光 纤 4的 波 谱 计 算 机 网 络 第

37、 3章 物 理 层 52 3.6.4 时 分 多 路 复 用 时 分 多 路 复 用 是 将 信 道 用 于 传 输 的 时 间 划 分 为 若 干 个时 间 片 ； 每 个 用 户 分 得 一 个 时 间 片 ； 在 其 占 有 的 时 间 片 内 ， 用 户 使 用 通 信 信 道 的 全 部 带 宽 。 信 道 24信 道 1 信 道 2 信 道 3 信 道 4 0 1 193比 特 帧 (125微 秒 ） 帧 开 始 位 7位 数 据 位 校 验 位 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 53 时 分 多 路 复 用 的 分 类 同 步 时 分 多 路 复 用 统 计 时 分 多

38、路 复 用 1 2 4 . n 1 3 . n . 1 2 3 4 . n 时 间 片 1 时 间 片 2 时 间 片 n 1 2 5 . m4 1 2 5 7 . m . 1 2 3 4 . m 时 间 片 1 时 间 片 2 时 间 片 n 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 54 3.7 广 域 网 中 的 数 据 交 换 技 术 广 域 网 中 的 数 据 交 换 技 术 线 路 交 换 （ circuit exchanging） 存 储 转 发 （ store-and-forward exchanging） 交 换 存 储 转 发 交 换 技 术 报 文 （ message e

39、xchanging ） 报 文 分 组 交 换 （ packet exchanging ） 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 55 3.7.1 线 路 交 换 方 式 线 路 交 换 是 面 向 连 接 的 服 务 ； 两 台 计 算 机 通 过 通 信 子 网 进 行 数 据 交 换 之 前 ， 首 先要 在 通 信 子 网 中 建 立 一 个 实 际 的 物 理 线 路 连 接 ； 线 路 交 换 在 数 据 传 输 过 程 中 要 经 过 建 立 连 接 、 数 据传 输 与 释 放 连 接 的 三 个 阶 段 ； 线 路 交 换 方 式 的 优 点 是 ： 通 信 实 时 性

40、强 ， 适 用 于 交互 式 会 话 类 通 信 ； 线 路 交 换 方 式 的 缺 点 是 ： 对 突 发 性 通 信 不 适 应 ， 系统 效 率 低 ， 系 统 不 具 有 存 储 数 据 的 能 力 ， 不 能 平 滑交 通 量 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 56 线 路 交换 过 程示 意 图 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 57 3.7.2 存 储 转 发 交 换 方 式存 储 转 发 交 换 方 式 与 线 路 交 换 方 式 的 主 要 区 别 发 送 的 数 据 与 目 的 地 址 、 源 地 址 、 控 制 信 息 按 照 一 定格 式 组 成 一

41、 个 数 据 单 元 （ 报 文 或 报 文 分 组 ） 进 入 通 信子 网 ； 通 信 子 网 中 的 结 点 是 通 信 控 制 处 理 机 ， 它 负 责 完 成 数据 单 元 的 接 收 、 差 错 校 验 、 存 储 、 路 选 和 转 发 功 能 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 58 存 储 转 发 方 式 的 优 点 由 于 通 信 子 网 中 的 通 信 控 制 处 理 机 可 以 存 储 分 组 ， 多个 分 组 可 以 共 享 通 信 信 道 ， 线 路 利 用 率 高 ； 通 信 子 网 中 通 信 控 制 处 理 机 具 有 路 选 功 能 ， 可 以

42、动 态选 择 报 文 分 组 通 过 通 信 子 网 的 最 佳 路 径 ； 可 以 平 滑 通 信 量 ， 提 高 系 统 效 率 ； 分 组 在 通 过 通 信 子 网 中 的 每 个 通 信 控 制 处 理 机 时 ， 均要 进 行 差 错 检 查 与 纠 错 处 理 ， 因 此 可 以 减 少 传 输 错 误 ，提 高 系 统 可 靠 性 ； 通 过 通 信 控 制 处 理 机 可 以 对 不 同 通 信 速 率 的 线 路 进 行转 换 ， 也 可 以 对 不 同 的 数 据 代 码 格 式 进 行 变 换 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 59 报 文 与 报 文 分

43、组 数 据 通 过 通 信 子 网 传 输 时 可 以 有 报 文 （ message） 与 报文 分 组 （ packet） 两 种 方 式 ； 报 文 传 输 ： 不 管 发 送 数 据 的 长 度 是 多 少 ， 都 把 它 当 作 一个 逻 辑 单 元 发 送 ； 报 文 分 组 传 输 ： 限 制 一 次 传 输 数 据 的 最 大 长 度 ， 如 果 传输 数 据 超 过 规 定 的 最 大 长 度 ， 发 送 结 点 就 将 它 分 成 多 个报 文 分 组 发 送 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 60 报 文 和 报 文 分 组 结 构 由 于 分 组 长 度 较

44、 短 ， 在 传 输 出 错 时 ， 检 错 容 易 并 且 重发 花 费 的 时 间 较 少 ； 限 定 分 组 最 大 数 据 长 度 ， 有 利 于 提 高 存 储 转 发 结 点 的存 储 空 间 利 用 率 与 传 输 效 率 ； 公 用 数 据 网 采 用 的 是 分 组 交 换 技 术 。 报 文 分 组 ： 报 文 ： 报 文 号 目 的 地 址 源 地 址 校 验 报 文 号 目 的 地 址 源 地 址 报 文 分 组 数 据 校 验报 文 分 组 号 数 据 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 61 3.7.3 数 据 报 方 式 数 据 报 是 分 组 存 储 转

45、发 的 一 种 形 式 ； 在 数 据 报 方 式 中 ， 分 组 传 送 之 间 不 需 要 预 先 在 源 主 机与 目 的 主 机 之 间 建 立 “ 线 路 连 接 ” ； 源 主 机 所 发 送 的 每 一 个 分 组 都 可 以 独 立 地 选 择 一 条 传输 路 径 ； 每 个 分 组 在 通 信 子 网 中 可 能 是 通 过 不 同 的 传 输 路 径 到达 目 的 主 机 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 62 数 据 报 方 式 的 工 作 原 理 示 意 图 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 63 数 据 报 工 作 方 式 的 特 点 同 一 报

46、 文 的 不 同 分 组 可 以 由 不 同 的 传 输 路 径 通 过 通 信子 网 ； 同 一 报 文 的 不 同 分 组 到 达 目 的 结 点 时 可 能 出 现 乱 序 、重 复 与 丢 失 现 象 ； 每 一 个 分 组 在 传 输 过 程 中 都 必 须 带 有 目 的 地 址 与 源 地址 ； 数 据 报 方 式 报 文 传 输 延 迟 较 大 ， 适 用 于 突 发 性 通 信 ，不 适 用 于 长 报 文 、 会 话 式 通 信 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 64 3.7.4 虚 电 路 方 式 虚 电 路 方 式 试 图 将 数 据 报 方 式 与 线 路

47、 交 换 方 式 结 合 起来 ， 处 分 发 挥 两 种 方 法 的 优 点 ， 以 达 到 最 佳 的 数 据 交换 效 果 ; 数 据 报 方 式 在 分 组 发 送 之 前 ， 发 送 方 与 接 收 方 之 间 不需 要 预 先 建 立 连 接 。 虚 电 路 方 式 在 分 组 发 送 之 前 ， 需要 在 发 送 方 和 接 收 方 建 立 一 条 逻 辑 连 接 的 虚 电 路 ; 虚 电 路 方 式 与 线 路 交 换 方 式 相 同 ， 整 个 通 信 过 程 分 为以 下 三 个 阶 段 ： 虚 电 路 建 立 、 数 据 传 输 与 虚 电 路 释 放阶 段 。 计 算

48、 机 网 络 第 3章 物 理 层 65 虚 电 路 方 式 原 理 示 意 图 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 66 虚 电 路 的 特 点 在 每 次 分 组 发 送 之 前 ， 必 须 在 发 送 方 与 接 收 方 之 间 建 立一 条 逻 辑 连 接 。 这 是 因 为 不 需 要 真 正 去 建 立 一 条 物 理 链路 ， 连 接 发 送 方 与 接 收 方 的 物 理 链 路 已 经 存 在 ； 一 次 通 信 的 所 有 分 组 都 通 过 这 条 虚 电 路 顺 序 传 送 ， 因 此报 文 分 组 不 必 带 目 的 地 址 、 源 地 址 等 辅 助 信 息

49、。 分 组 到达 目 的 结 点 时 不 会 出 现 丢 失 、 重 复 与 乱 序 的 现 象 ； 分 组 通 过 虚 电 路 上 的 每 个 结 点 时 ， 结 点 只 需 要 做 差 错 检测 ， 而 不 需 要 做 路 径 选 择 ； 通 信 子 网 中 每 个 结 点 可 以 和 任 何 结 点 建 立 多 条 虚 电 路 连接 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 67 虚 电 路 方 式 与 线 路 交 换 方 式 的 不 同 之 处 虚 电 路 是 在 传 输 分 组 时 建 立 起 的 逻 辑 连 接 ， 称 为“ 虚 电 路 ” 是 因 为 这 种 电 路 不 是

50、专 用 的 。 每 个 结 点到 其 他 结 点 间 可 能 有 无 数 条 虚 电 路 存 在 ； 一 个 结 点 可 以 同 时 与 多 个 结 点 之 间 具 有 虚 电 路 ； 每 条 虚 电 路 支 持 特 定 的 两 个 结 点 之 间 的 数 据 传 输 。 由 于 虚 电 路 方 式 具 有 分 组 交 换 与 线 路 交 换 两 种 方 式 的优 点 ， 因 此 在 计 算 机 网 络 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 68 3.7.5 ATM交 换 方 式 ATM是 一 种 面 向 连 接 的 技 术 ； 采 用 小 的 、

51、固 定 长 度 53字 节 的 信 元 作 为 数 据 传 输 单 元 ； 能 够 支 持 数 字 、 语 音 、 图 像 、 视 频 等 多 媒 体 通 信 ； ATM以 统 计 时 分 多 路 复 用 方 式 动 态 分 配 网 络 带 宽 ， 网络 传 输 延 时 小 ， 适 应 实 时 通 信 的 要 求 ； ATM没 有 链 路 级 纠 错 与 流 量 控 制 ， 协 议 简 单 ， 数 据 交换 效 率 高 ； ATM采 用 两 级 虚 电 路 机 制 ， 增 加 了 虚 电 路 分 配 的 灵 活性 ； ATM的 数 据 传 输 速 率 可 以 在 155Mb/s 2.4Gb/s

52、。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 69 ATM信 元 结 构 ATM是 一 种 高 速 分 组 交 换 技 术 ， 交 换 的 基 本 数 据 传 输单 元 是 信 元 ； 在 ATM交 换 方 式 中 ， 文 本 、 语 音 、 视 频 等 所 数 据 将 被分 解 为 长 度 固 定 的 信 元 （ Cell） ； 信 元 有 一 个 5字 节 的 信 元 头 （ header） 与 一 个 48字 节 的用 户 数 据 （ user data） ， 信 元 长 度 为 53字 节 。 53字节 信 元 头 用 户 数 据 48字节5字节 计 算 机 网 络 第 3章 物 理

53、层 70 物 理 链 路 （ Physical Link） 虚 通 路 （ VP， Virtual Path） 虚 通 道 （ VC， Virtual Channel） 物 理 链 路 虚 通 路 虚 通 道 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 71 虚 通 路 连 接 与 虚 通 道 连 接 ATM端 用 户 ATM端 用 户ATM交 换 机 ATM交 换 机VPCVPLVPL VPL （ a） 虚 通 路 连 接 ATM端 用 户 ATM端 用 户ATM交 换 机 ATM交 换 机VCCVCLVCL VCL （ b） 虚 通 道 连 接 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 72

54、 支 持 远 程 教 学 的 ATM网 ATM端用 户 ATM交换 机 ATM交换 机 ATM交换 机 ATM交换 机 ATM网络 ATM接口 卡 声 音 文 本 视 频 ATM端用 户 ATM端用 户 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 73 用 于 多 媒 体 传 输 的 虚 通 道 信 元 4 信 元 1信 元 2信 元 3信 元 5 虚 通 道 VCI=1 (文 本 ) 虚 通 道 VCI=2 (声 音 ) 虚 通 道 VCI=3 (视 频 ) 虚 通 路 文 本 视 频 声 音 ATM接 口 卡 信 元 4 信 元 1信 元 2信 元 3信 元 5 信 元 4 信 元 1信 元

55、 2信 元 3信 元 5 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 74 3.8 同 步 数 字 体 系 SDH 3.8.1 SDH发 展 的 背 景 早 期 的 数 字 传 输 系 统 与 设 备 在 运 行 过 程 中 暴 露 出 固有 的 弱 点 : 数 据 传 输 速 率 不 标 准 ,存 在 着 T1 与 E1两 个 互 不 兼 容 的标 准 ， 在 高 次 群 的 速 率 方 面 ， 日 本 又 使 用 了 第 三 种 不兼 容 的 标 准 ； 光 设 备 接 口 标 准 不 规 范 ， 没 有 国 际 的 标 准 规 范 ， 各 个厂 家 使 用 自 己 标 准 ； 数 据 传

56、输 速 率 不 断 提 高 ， 解 决 复 用 系 统 中 的 同 步 问 题困 难 较 大 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 75 同 步 光 纤 网 SONET 同 步 光 纤 网 的 概 念 是 由 美 国 贝 尔 通 信 研 究 所 首 先 提 出 来的 ； 设 计 同 步 光 纤 网 的 目 的 是 解 决 光 接 口 标 准 规 范 问 题 ， 定义 同 步 传 输 的 线 路 速 率 的 等 级 体 系 ， 以 使 不 同 的 厂 家 的产 品 可 以 互 连 ， 从 而 能 够 建 立 大 型 的 光 纤 网 络 ； 1988年 ITU-T接 受 了 SONET的

57、概 念 ， 并 重 新 命 名 为 同 步数 字 体 系 SDH， 使 之 不 仅 仅 适 用 于 光 纤 ， 也 适 用 于 微 波和 卫 星 传 输 ， 成 为 通 用 性 技 术 体 制 ； ITU-T对 SDH的 速 率 、 复 用 帧 结 构 、 复 用 设 备 、 线 路 系统 、 光 接 口 、 网 络 管 理 和 信 息 模 型 等 进 行 了 定 义 ， 确 立了 作 为 国 际 标 准 的 同 步 数 字 体 系 SDH； 目 前 各 个 发 达 国 家 都 把 SDH作 为 新 一 代 的 传 输 体 系 ， 加紧 对 SDH的 研 究 、 开 发 与 应 用 工 作 。

58、 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 76 3.8.2 SDH速 率 体 系 SONET的 OC级 与 SDH的 STM级 的 速 率 对 应 关 系 传 输 速 率 （ Mb/s） OC级 STS级 STM级51.840 OC-1 STS-1 155.520 OC-3 STS-3 STM-1466.560 OC-9 622.080 OC-12 STM-4933.120 OC-18 1243.160 OC-24 STM-8 1866.240 OC-36 STM-12 2488.320 OC-48 STM-16 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 77 3.8.3 SDH的 复 用

59、结 构 多路复 用器. T1T1 T1 多路复 用器T3 多路复 用器T3 3:1多路 复用器 4:1多路 复用器 编 码 器 电 光转 换 器STS-1 STS-1 STS-1 STS-3 STS-3 STS-3 STS-3 STS-12 OC-12 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 78 3.8.4 SDH的 主 要 技 术 特 点 STM-1统 一 了 T1载 波 与 E1载 波 的 两 大 不 同 的 数 字 速 率 体系 ， 实 现 了 数 字 传 输 体 制 上 的 国 际 性 标 准 ； SDH网 还 有 兼 容 光 纤 分 布 式 数 据 接 口 FDDI、 分 布 队

60、 列双 总 线 DQDB， 以 及 ATM信 元 ； 采 用 同 步 复 用 方 式 ， 各 种 不 同 等 级 的 码 流 在 帧 结 构 负 荷内 的 排 列 是 有 规 律 的 ， 降 低 了 复 用 设 备 的 复 杂 性 ； SDH帧 结 构 增 加 的 网 络 管 理 字 节 ， 增 强 了 网 络 管 理 能 力 ； 标 准 的 开 放 型 光 接 口 可 以 在 基 本 光 缆 段 上 实 现 不 同 公 司光 接 口 设 备 的 互 连 ， 降 低 了 组 网 成 本 。 计 算 机 网 络 第 3章 物 理 层 79 小 结 通 信 的 目 的 是 交 换 信 息 ； 信

61、息 的 载 体 可 以 是 数 字 、 文 字 、 语 音 、 图 形 或 图 像 ， 计算 机 用 二 进 制 代 码 的 数 据 来 表 示 各 种 信 息 ； 数 据 通 信 是 指 在 不 同 计 算 机 之 间 传 送 表 示 字 母 、 数 字 、 符 号 的 二 进 制 代 码 0、 1比 特 序 列 的 过 程 。 信 号 是 数 据 在传 输 过 程 中 的 电 信 号 的 表 示 形 式 ； 物 理 层 在 传 输 介 质 上 传 输 比 特 流 ； 在 数 据 通 信 技 术 中 ， 利 用 模 拟 通 信 信 道 ， 通 过 调 制 解 调器 传 输 模 拟 数 据 信 号 的 方 法 称 做 频 带 传 输 ； 而 利 用 数 字通 信 信 道 直 接 传 输 数 字 数 据 信 号 的 方 法 称 做 基 带 传 输 ； 数 据 传 输 速 率 与 误 码 率 是 描 述 数 据 传 输 系 统 的 重 要 参 数 。