02物理层
计算机网络-02-物理层和数据链路层
计算机网络-02-物理层和数据链路层物理层物理层主要功能是为数据端设备提供传送数据的通路以及传输数据。
物理层主要解决的问题：尽可能的屏蔽掉物理设备和传输媒体、通信手段的不同，使得数据链路层不需要考虑这些差异，只需要考虑本层的协议和服务；在两个相邻系统之间唯一的标识数据电路；解决物理连接的建立、维持和释放的问题，给数据链路层在一条物理的信道上传送和接收比特流的能力。
信道信道是往一个方向传送信息的媒体，一条通信电路包含一个接收信道和一个发送信道。
单工通信信道只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道,例如有线电视、无线电收音机等等半双工通信信道双方都可以发送和接收信息，不能双方同时发送，也不能同时接收全双工通信信道双方都可以同时发送和接收信息分用-复用技术允许多个用户使用一个共享信道进行通信，可以降低成本，提高利用率。
数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的功能是向该层用户提供透明的和可靠的数据传送基本服务。
数据链路层有两个功能：帧编码和差错控制。
帧编码物理层只负责传输比特流，为了使传输过程发生差错后只将有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合成以太帧作为单位传送。
每个帧除了要传送的数据外，还包括校验码，以使接收方能发现传输中的差错。
假设现在从网络层过来了一个IP数据报，数据链路层会将这个数据报作为帧进行传送。
当然物理层是不管你帧不帧的，它只会将数据链路层传过来的帧以比特流的形式发送给另一台物理设备。
帧首部和尾部是特定的控制字符(特定比特流) SOH: 00000001 EOT: 00000100 如果数据帧里恰好也有这些特定的比特流，为了不让数据链路层将其识别成帧尾部，需要添加转义字符。
如果需要传输转义字符，则需要在转义字符前添加转义字符。
最大传输单元 MTU Maximum Transmission Unit由前面的文章可知：总时延 = 发送时延 + 排队时延 + 传播时延 + 处理时延数据链路层的数据帧不是无限大的，数据帧过大或过小都会影响传输的效率，数据链路层使用MTU来限制数据帧长度。
王道计算机网络第二章物理层思维导图脑图
通信双方可以同时发送信和接受信息，也需要两条信道 Eg：打电话
串行传输&并行传输
串行传输 并行传输
将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送 速度慢，费用低，适合远距离 将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送 速度快，费用高，适合近距离
同步传输
在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称 区块传输，在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据
多模光纤
光纤
单模光纤
分类
1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2.抗雷电和电磁干扰性能好 3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
特点
4.体积小，重量轻
自由空间，介质可以是空气、真空、海水等
信号向所有方向传播 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）
无线电波
信号固定方向传播
基带信号与宽带信号
宽带信号
将基带信号进行调制后形成的频分复用信号，再传输到模拟信道上去传输（宽带传输）
把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中 传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内 容不易发生变化）
再生，放大信号
对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输 入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度， 不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备
功能
集线器不能分割冲突域
集线器（多口中继器）
连在集线器上的工作主机平分带宽
物理层设备
传输介质和物理层设备
计算机网络(第5版)课后习题答案：第2章 物理层
第二章物理层2-01 物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？答：物理层要解决的主要问题：（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。
（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。
（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。
物理层的主要特点：①由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械、电气、功能和过程特性。
②由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。
2-02 归层与协议有什么区别？答：规程专指物理层协议。
2-03 试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构建的作用。
答：源点：源点设备产生要传输的数据。
源点又称为源站。
发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。
终点：终点设备从接收器获取传送过来的信息。
终点又称为目的站。
传输系统：信号物理通道。
2-04 试解释以下名词：数据，信号，模拟数据，模拟信号，基带信号，带通信号，数字数据，数字信号，码元，单工通信，半双工通信，全双工通信，串行传输，并行传输。
答：数据：是运送信息的实体。
信号：则是数据的电气的或电磁的表现。
模拟数据：运送信息的模拟信号。
模拟信号：连续变化的信号。
基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。
像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
CH02物理层_4
第3次课知识点
2.7 传输媒体可分为两大类：导引型传输媒体和 非导引型传输媒体
2.8 导引型传输媒体可分为：双绞线、同轴电缆、 光纤
2.9 导引型传输媒体的特点 习题：2-10、11、12
随堂测试2
单选题 问答题
单选题
1. 通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送 的通信方式称为（ ）。
C2
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过 程中自始至终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注 意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
频率 频带 n
第 2 章 物理层
五层协议的体系结构
5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数数据据链链路路层层 1 物理层
应用层 (application layer) 运输层 (transport layer) 网络层 (network layer) 数据链路层 (data link layer) 物理层 (physical layer)
用户 Aa
时分复用 当某用户暂时无数据发送时，
a t①
在时分复用帧中分配给该用户 的时隙只能处于空闲状态。
Bb b
t②
C
cc
t③
④
D
dt
ab #1
bc
ca d
t #2 #3 #4
4 个时分复用帧
时分复用可能会造成线路资源的浪费
统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
用户 Aa
统计
STDM 帧不是固定分配时
02计算机网络-第2章 物理层
§2.3.1 导向传输媒体
一、双绞线
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起， 然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了 双绞线。
从用户电话机到交换机的这段线称为用户 线或用户环路(subscriber loop)。
屏蔽双绞线 (STP)
（以铝箔屏蔽以减少干扰和串音）
2.3.1.1 双绞线
非屏蔽双绞线 (UTP)
双 电 缆 系 统 的 示 意 图 如 图 (a) 所 示 。 头 端 (headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来 的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电 缆上收到发送给它们的信息。
图(b)为单电缆系统。
2.3.1.2 同轴电缆
§2.3.1 导向传输媒体
三、光纤
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝， 主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细， 其直径只有8 ~ 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。 其特点是： - 依靠光波承载信息
RX+ RXTX+ 未使用 未使用 TX未使用 未使用
EIA/TIA568B
EIA/TIA568B
在10 /兆比秒和100 Mb/s以太网中只使用两对导线。也 就是说，只使用4根针脚（1, 2, 3和6），1和2用于发送， 3和4用于接收
2.3.1.1 双绞线
⑴ 直通线缆 水晶头两端都是遵循EIA/TIA568A或
§2.2 数据通信的基础知识
§2.3 物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它 就是数据传输系统中在发送器和接收器之间 的物理通路。传输媒体可分为两大类:导向传 输媒体、非导向传输媒体。
在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着 固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输 媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中 电磁波的传输常称为无线传输。
物理层的定义
物理层的定义物理层是计算机网络体系结构中的第一层，主要负责传输原始的比特流。
它位于整个网络体系结构的最底层，为上层提供了可靠的传输媒介。
物理层的主要任务是将比特流从发送方传输到接收方。
在这个过程中，物理层负责将比特流转换为电信号，并通过传输介质传输到接收方。
为了确保传输的可靠性，物理层还负责处理传输介质中的噪声和干扰，并提供错误检测和纠正机制。
物理层的工作原理可以分为两个方面：信号的表示和传输介质的选择。
信号可以是模拟信号或数字信号，它们分别使用不同的编码方式进行表示。
传输介质有许多种类，包括双绞线、同轴电缆、光纤等，每种传输介质都有其特定的优缺点，需要根据实际需求进行选择。
在进行信号表示时，物理层通过将比特流转换为电信号来实现。
对于模拟信号，物理层通过调制技术将比特流转换为连续的模拟信号。
而对于数字信号，物理层通过编码技术将比特流转换为离散的数字信号。
在选择传输介质时，物理层需要考虑传输速率、传输距离、抗干扰能力等因素。
传输速率是指单位时间内传输的比特数，它决定了网络的传输能力。
传输距离是指信号能够传输的最远距离，它决定了网络的覆盖范围。
抗干扰能力是指传输介质对外界干扰的敏感程度，它决定了网络的稳定性和可靠性。
除了信号表示和传输介质选择，物理层还包括了数据的同步和时钟的同步。
数据的同步是指发送方和接收方之间的时钟同步，确保数据能够按照正确的速率传输。
时钟的同步是指网络中各个节点之间的时钟同步，确保数据能够按照正确的顺序传输。
在物理层的实现中，常用的设备有中继器、集线器和调制解调器等。
中继器是物理层设备中最简单的一种，它的主要功能是将信号从一个传输介质转发到另一个传输介质上。
集线器是中继器的一种扩展，它可以将多个设备连接在一起形成一个局域网。
调制解调器是用于模拟信号和数字信号之间的转换，它在网络中起到了桥接的作用。
物理层是计算机网络体系结构中的基础层，负责将比特流从发送方传输到接收方。
它通过信号表示和传输介质选择来实现数据的可靠传输，并通过同步机制来确保数据的正确传输顺序。
02-网络故障排除--物理层及以太网故障排除
目录第1章物理层故障排除 (i)1.1物理层故障排除综述 (i)1.2 Quidway系列路由器升级过程的故障排除 (ii)1.2.1 Quidway系列路由器软件升级指导 (ii)1.2.2 Quidway系列路由器内存升级指导 (vi)1.3 案例分析 (viii)1.3.1 与路由器相连设备的故障导致路由器无法正常启动 (viii)1.3.2 线路阻抗不匹配导致广域网链路无法建立 (x)1.3.3 线路阻抗不匹配导致R3680路由器4CE1/E1口不断Up/Down (xi)1.3.4电源接地不好导致路由器通信不畅通 (xiii)1.3.5 接地和防护方面不合要求，在电压漂移（或雷击）时造成设备损坏 (xiv)1.3.6 交换机和路由器E&M模块间中继线连接错误致使无法打通电话 (xv)1.3.7 RS232线序错误造成华为路由器异步串口与ATM取款机无法连通； (xvii)1.3.8 V.35DTE、DCE电缆混用导致链路层协议不能UP (xix)第2章以太网故障排除.............................................................................................................. 2-12.1以太网故障排除综述.......................................................................................................... 2-12.1.1以太网功能和性能的常见问题................................................................................. 2-12.1.2 由以太网实现形式差异产生的问题.......................................................................... 2-32.1.3 以太网故障排除的一般步骤..................................................................................... 2-42.2与以太网故障相关的show、debug命令介绍..................................................................... 2-52.2.1 Show interface ethernet .......................................................................................... 2-52.2.2 Debug ethernet ....................................................................................................... 2-82.3 以太网故障案例分析 .......................................................................................................... 2-92.3.1速率不匹配导致Sun E450和R2631以太网链路时通时断的问题............................. 2-92.3.2 用户网段广播包过多造成该网段的服务器FTP业务传输速度慢............................. 2-122.3.3 帧格式不匹配导致以太网口状态为Down ............................................................... 2-142.3.4 全双工/半双工不匹配导致网络流量增大时丢包现象较严重................................... 2-15第1章物理层故障排除1.1 物理层故障排除综述Quidway系列路由器的安装和使用注意事项请严格按照安装手册进行。
物理层的组成
物理层的组成物理层是计算机网络中的基础层之一，它负责传输数据的物理连接和信号转换。
在计算机网络中，物理层的组成包括传输介质、连接器和调制解调器。
传输介质是物理层的核心组成部分，它是数据传输的通道。
常见的传输介质有铜线、光纤和无线电波。
铜线是一种传输速度较慢但成本较低的介质，广泛应用于局域网和电话线路中。
光纤是一种传输速度较快且抗干扰能力强的介质，主要用于长距离通信和高速网络连接。
无线电波则是一种无需物理连接即可传输数据的介质，被广泛应用于移动通信和无线网络。
连接器是物理层的另一个重要组成部分，它用于连接传输介质和网络设备。
常见的连接器有RJ45和光纤连接器。
RJ45连接器是一种用于铜线传输介质的连接器，它常用于网络交换机、路由器和计算机之间的连接。
光纤连接器则用于连接光纤传输介质，它保证了光纤的高速传输和稳定连接。
调制解调器（Modem）是物理层的另一个重要组成部分，它负责将数字信号转换为模拟信号以在传输介质上传输，以及将模拟信号转换为数字信号以供接收设备解读。
调制解调器广泛应用于电话线路、有线电视和宽带网络中，它将计算机产生的数字信号转换为模拟信号，并通过传输介质传输到目标设备，再由接收设备的调制解调器将模拟信号转换为数字信号。
物理层的组成是计算机网络中不可或缺的一部分。
传输介质、连接器和调制解调器共同构成了物理层，负责处理数据的物理连接和信号转换。
这些组成部分的协同工作使得计算机网络能够高效地传输数据，并实现人与人之间的远程通信。
无论是铜线、光纤还是无线电波，无论是RJ45连接器还是光纤连接器，无论是调制解调器还是其他设备，物理层的组成都为计算机网络的正常运行和用户之间的通信提供了坚实的基础。
物理层计算机网络
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率的通信。
数据传输方式
同步传输与异步传输
同步传输方式中，发送方和接收方的时钟信号保持同步，适 用于高速数据传输；异步传输方式中，发送方和接收方的时 钟信号不需要保持同步，适用于低速数据传输。
点对点传输与广播传输
点对点传输是指发送方和接收方之间建立一对一的通信关系 ；广播传输是指发送方发送的数据包能够被多个接收方接收 。
组件
物理层组件包括传输介质（如双绞线 、同轴电缆、光纤等）、连接器和接 口（如RJ-45、BNC、SC等），以及 信号收发器等。
02
传输介质
有线传输介质
双绞线
双绞线是最常见的传输介质之一， 由两根绝缘的铜线相互缠绕而成， 可以有效减少信号干扰。
同轴电缆
同轴电缆常用于电视信号和宽带 网络的传输，由内导体、绝缘层 和外部的金属网组成。
结构复杂，维护和管理难度较大； 成本较高，因为需要大量的线缆 和节点。
05
数据编码与
将二进制数据转换为模拟信号，如曼 彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
模拟信号编码
将模拟信号转换为数字信号，如脉冲 编码调制（PCM）。
基带传输与宽带传输
基带传输适用于短距离、低速率的通 信，而宽带传输适用于长距离、高速
物理层计算机网络
目录
• 物理层概述 • 传输介质 • 网络硬件设备 • 网络拓扑结构 • 数据编码与传输方式
01
物理层概述
物理层的定义和功能
定义
物理层是计算机网络体系结构中的最 底层，负责传输比特流，确保数据传 输的可靠性和有效性。
功能
提供机械、电气、功能和规程特性， 建立、维护和释放物理连接，传输数 据比特流。
第2章物理层
2.2.5 光纤
光纤传输系统的关键部件：光源、传输介质和检测器 理论上光纤的传输速度应超过50Tbps(=1012=50000G)，目前 受光-电转换速度的限制，可实现100Gbps。 光源：LED发光二极管和半导体激光。图2.8。 玻璃纤维光纤：玻璃芯外面是一个玻璃封套，包层(光密)比纤 芯(光疏)折射率低，入射角大于等于临界值时全反射，光线被限 定在光纤的内部，保证全反射。
2.2.1 磁介质
13
2.2.1 磁介质
•优点：带宽特性突出，平均传输速率高、 单位bit传输成本低 •缺点：延迟特性差 •如，银行的大量数据，一般用磁介质备份
2.2.2 双绞线
2.2.2 双绞线
•双绞线(twisted pair)：两根相互绝缘的铜线螺旋状绞扭，直 径1mm(或0.5mm)，线束也需缠绕(平行双线构成天线，绞扭可以 抵消干扰，降低辐射)。 •传输信号以两根电线的压差承载，带宽取决于线径和传输距离 •无屏蔽UTP(Unshielded Twisted Pair)：电话线/LAN数据线， 绞扭越紧(分类依据)，串音越少，性能越好。 •五类线CAT-5：TIA/EIA-568-A所界定及承认，4对双绞线 ○传输特性：最高频率带宽为100MHz，最高传输率可达100M (速率还与编码方法有关)。 ○用于语音传输和快速以太网100BASE-T(4对中的2对)，最大网 段长为100m，采用RJ形式的连接器。
35
2.3.3 微波传输
扩频通信、ISM 频段 2.4GHz、 WLAN
可实时监控，水平方向 360°连续旋转, 支持自动 翻转,无监视盲区
•300M～300GHz，波长1m～1mm，视距直线传播，通过碟形天线(抛物线)，可以把能 量集中于一束，组成天线阵列。方向性强，收/发天线要精确对齐。
第2章物理层-资料
调相
一种正交调制 QAM
可供选择的相位有 12 种，而对于 每一种相位有 1 或2 种振幅可供选 择。
(r, )
由于4 bit 编码共有16 种不同的组
r
合，因此这 16 个点中的每个点可对
应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越 多，则在接收端进行解调时要正确 识别每一种状态就越困难。
绝缘层 铜线
聚氯乙烯 套层
屏蔽层 绝缘层
铜线
什么是近端串扰
当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干 扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就 是利用两条导线绞合在一起后，因为相位相差180度的原因 而抵消相互间的干扰的。绞距越紧则抵消效果越佳，也就越 能支持较高的数据传输速率。
发送的 0 基带信号
1
0
0
1
1
1
0
0
t
接收到的 失真信号
t
采样时刻
t
还原后 0
1
0
0
1
0
1
0
0
的数据
出现差错
数据经过模拟传输系统后会出现差错
1、调制解调器的作用
调制解调器（modem）包括： 调制器：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传 送。 解调器：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字 信号。
第2章 物 理 层
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 模拟传输与数字传输 2.5 信道复用技术 2.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 2.7 物理层标准举例
第2章物理层(1)
15
（2） 电气规范说明：采用非平衡型的电气特性。相对公用 接地而言，-3伏以下的电压解释为二进制“1”，+3伏以上的电 压解释为二进制“0”。即采用负逻辑。其传输速率不能超过 20Kb/s,电缆长度最长不能超过15米。（和CCITTV.28建议相兼 容）
1 8
RJ-45 连接器
线对 T 代表发送 针 R 代表接收
1 线对2 T2 2 线对2 R2 3 线对3 T3 4 线对1 R1 5 线对1 T1 6 线对3 R3 7 线对4 T4 8 线对4 R4
© 1999, Cisco Systems, Inc.
ICND—3-8
(1)UTP实现直连线
指明需要使用交叉线或直连线
100 Mbps 5类交叉线
10 Mbps 3, 4, 5类直连线
© 1999, Cisco Systems, Inc.
100 Mbps 5类直连线
10 Mbps 3, 4, 5类交叉线 10 Mbps
3, 4, 5类直连线
ICND—3-13
3)平衡方式。采用集成集成电路技术设计的平衡接 口，使用平衡式发送器和差动式接收器，每个电路采用 两根导线，构成各自完全独立的信号回路，使得串扰信 号减至最小。这种方式的信号速率<=10Mbps，传输距 离为10m（10Mbps时）-1000m(<=100kbps时）。 CCITT V.11/X.27建议采用这种电气连接方式，EAI RS423标准与之兼容。
4
机械特性规定了物理连接时对插头和插座的几何 尺寸、插针或插空芯数及其排列方式、锁定装置的形 式。
5
电气特性的规定包括接收器和发送器电路特性的 说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大数 据率的说明、以及与互联电缆相关的规则。
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，可传输模拟信号，也可传输数字信号
用于话音传输
2.3.1 导向传输媒体
红外线 光波传输 卫星通信
2.4 信道复用技术
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
复用(multiplexing)是通信技术中的基本概 念。
信道 信道 A2 B2 C2 A1 B1 C1 A2 共享信道
A1 B1 C1
复用
分用
B2 C2
信道
(a) 不使用复用技术
(b) 使用复用技术
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
将原信号调制到不同的频谱上，用户 在分配到一定的频带后，在通信过程 中自始至终都占用这个频带。
频率 频率 5
频率 4 频率 3 频率 2 频率 1
时间
频分复用的所有用户在同样的时间占 用不同的带宽资源 （请注意，这里的“带宽”是频率带 宽而不是数据的发送速率）。 适用于模拟信号
统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
时隙位置与数据源没有固定的对应关系。异步TDM，以前 的称为同步TDM。帧是可变长。每个时隙中必须有地址字 段，以便接收方能分离出各路数据。
统计时分复用 用户 A B a b
a b c
c
t
①
t ②
a b b c c d a
t
C
D
t
t
③ #1 #2
(2) 信噪比
香农(Shannon)用信息论的理论推导出了 带宽受限且有噪声干扰的信道的极限、 无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。
时分复用
频率 A 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 B 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 C 在 TDM 帧中 的位置不变
同轴电缆
绝缘保护套层 外导体屏蔽层
绝缘层
内导体
光缆 —— 光线在光纤中的折射
包层 纤 芯 折射角 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角
包层 （低折射率的媒体）
光纤的工作原理
低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
多模光纤与单模光纤
多模光纤：信号通过光的折射在光纤中传输
输入脉冲 输出脉冲
输入脉冲
单模光纤：直线传输
输出脉冲
光传输系统包括： 光源、传输介质（光纤）、光检测器
光缆相对铜缆的特性
带宽高 距离远 损耗低 重量轻
无电磁干扰 防窃听
端口设备价格高
2.3.2 非导向传输媒体
根据波长分成不同的波段，依次为无线
电、微波、红外、可见光、紫外等
无线电传输
微波传输 ：微波在空间主要是直线传播，地面 微波接力通信
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
对于每个终端进行扫描，没有字符发送 便发送空字符，保持序列顺序。 数据在帧的时隙的位置可以判断数据来 自哪个数据源。 各个终端的速率和等于多路传输线路的 最大（饱和的时候）数据速率。
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用
2.5 数字传输系统
2.1 物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接 口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列等等。例如，串行通信的EIA RS-232C规定的25针插座。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电 压表示何种意义。如：哪些是数据线、控制线。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。即各信号线的工作的规则和先后 顺序。
基带传输vs.频带传输
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。 信息安全
几种最基本的调制方法
数字数据用模拟信号发送 - 调制 最基本的二元制调制方法有以下几种：
调幅(AM： Amplitude )：载波的振幅随基带数 字信号而变化。 调频(FM： Frequency )：载波的频率随基带数 字信号而变化。 调相(PM： Phase) ：载波的初始相位随基带数 字信号而变化。
数字信号通过实际的信道
有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
(1) 信道能够通过的频率范围
1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名 的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下， 为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的， 否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码 元的判决（即识别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号 高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送 码元而不出现码间串扰。
2.2.2 有关信号的几个基本概念
单向通信（单工通信）——只能有一个方 向的通信而没有反方向的交互。电视 双向交替通信（半双工通信）——通信的 双方都可以发送信息，但不能双方同时发 送(当然也就不能同时接收)。电话 双向同时通信（全双工通信）——通信的 双方可以同时发送和接收信息。 数据传输
请注意
对于频带宽度已确定的信道，如果信噪 比不能再提高了，并且码元传输速率也 达到了上限值，那么还有办法提高信息 的传输速率。这就是用编码的方法让每 一个码元携带更多比特的信息量。 工作在物理层的网络设备 中继器 集线器
复习
物理层的主要任务是？ 简述物理层的特性。 说明单向通信的概念并举例。 半双工通信并举例。 全双工通信并举例。 基带传输和频带传输的概念。 带通调制的方法有哪几种？2.3.1 导向传输媒体
同轴电缆
50 同轴电缆((10Base5/10Base2)),用 于数字传输，称为基带电缆，目前基本已被双
绞线所替代。
75 同轴电缆(（CATV)),用于模拟传输 （FDM），称为宽带电缆，目前主要用于电视
信号的传输。
2.3.1 导向传输媒体
双绞线：线间干扰较小、价格便宜、易于安装
香农公式表明
信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的 极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速 率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的 传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实 际信道不可能是这样的），则信道的极限信息 传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 的极限传输速率低不少。
几个术语
数据(data)——传送消息的实体。数据是 事物的形式，信息是数据的内容。 信号(signal)——数据的载体，数据的电气 的或电磁的表现，一般为电磁波或电脉冲。
几个术语
―模拟的”(analogous)——代表消息的参 数的取值是连续的。 “数字的”(digital)——代表消息的参数的 取值是离散的。 码元(code)——在使用波形表示数字信号 时，代表不同离散数值的基本波形。
适用数字信号 分时思想
时分复用可能会造成 线路资源的浪费
使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据 的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不 高的。
用户 时分复用 A B C a
a
b c c d
t
①
b
t ② ab t ③ ④ #1 bc #2 c #3 a #4 d t
D
t
4 个时分复用帧
数据通信与计算机网络
第二章 物理层
第 2 章 物理层
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 信道的极限容量 2.2.4 信道的极限信息传输速率
第 2 章 物理层（续）
2.3 物理层下面的传输媒体