1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),第二章 物理層,主要內(nèi)容,數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)概念 物理介質(zhì) 編碼 調(diào)制 多路復(fù)用 交換 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),1. 數(shù)據(jù)通信的幾個(gè)概念,信號速率：指信號的調(diào)制狀態(tài)發(fā)生變化的速度，單位為波特（baud）。 信道帶寬：信道上所能傳輸?shù)碾娦盘柕念l率范圍，單位為赫茲。 根據(jù)Nyquist定理：帶寬為H的信道，其最大信號速率為2H 波特。,數(shù)據(jù)速率,數(shù)據(jù)速率：指每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為比特/秒,記作 bps 或b/s。 如果數(shù)字傳輸系統(tǒng)有N種不同的信號波形（或稱信號調(diào)制狀態(tài)），則數(shù)據(jù)速率 S 和信號速率 B 的關(guān)系為： S = Blog 2 N,信道容量,信道容量：表征一個(gè)信道傳輸數(shù)字信號的能力，用

2、信道所能支持的最大數(shù)據(jù)速率表示。信道容量只由信道本身的特征（帶寬，信噪比）來決定，與具體的通信手段無關(guān)。 根據(jù)Shannon定理：帶寬為H、信噪比為 S/N 的信道的最大數(shù)據(jù)速率為 Hlog2(1+S/N) bps。 可見，信道帶寬越寬，所允許的數(shù)據(jù)速率就越高。因此通信中常用帶寬來指代速率，寬帶和窄帶分別就是高速和低速的同義詞。,誤碼率,誤碼率：衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標(biāo)，定義為傳輸出錯(cuò)的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例,即 Pe = Ne / N 誤碼率是決定數(shù)據(jù)單元大小的一個(gè)重要依據(jù)。,2. 物理介質(zhì),雙絞線 同軸電纜 光纖 無線鏈路,雙絞線,雙絞線由兩根絕緣銅導(dǎo)線按螺旋狀

3、纏繞在一起，一對雙絞線形成一條通信鏈路，可以傳輸模擬信號和數(shù)字信號。 非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線（STP）。 作用 連接電話機(jī)和電話端局，傳輸模擬信號。 用于住宅因特網(wǎng)接入，如使用普通模擬電話線和撥號調(diào)制解調(diào)器的住宅接入（56Kb/s）、使用數(shù)字用戶線的寬帶住宅接入(幾個(gè)Mb/s)。 用于組建計(jì)算機(jī)局域網(wǎng) 3類雙絞線：支持10Mbps。 5類雙絞線：支持100Mbps，目前高速局域網(wǎng)連網(wǎng)的主要方式。 超5類雙絞線：支持1000Mbps。 .,同軸電纜,同軸電纜由一對導(dǎo)體按照“同軸”的形式構(gòu)成。 兩類同軸電纜： 基帶同軸電纜：阻抗為50，一般傳輸數(shù)字信號。傳輸距離較短，數(shù)據(jù)速率較低。曾被

4、廣泛用作電話系統(tǒng)的長途干線和用于傳統(tǒng)局域網(wǎng)的組網(wǎng)，但現(xiàn)在基本上已被光纖和雙絞線所替代。 寬帶同軸電纜：阻抗為75，一般傳輸模擬信號。傳輸距離長，速率高，最常用做有線電視電纜。采用有線電視網(wǎng)絡(luò)提供因特網(wǎng)接入，是寬帶住宅接入的另一種可選方式。,同軸電纜圖示,有線電視網(wǎng)提供因特網(wǎng)住宅接入,光纖,光纖由具有不同折射系數(shù)的兩種石英玻璃纖維構(gòu)成。 多模光纖：當(dāng)纖芯直徑較大時(shí)，光纖內(nèi)部有多條光線（每條光線稱為一個(gè)模態(tài)）以不同的角度全反射地向前傳播。 單模光纖：當(dāng)纖芯的直徑減小到只有幾個(gè)光波長時(shí)，光線在光纖中以直線傳播而不發(fā)生全反射。 光纖的優(yōu)點(diǎn)：大容量、長距離、抗干擾，適合作為長途導(dǎo)引型介質(zhì)及構(gòu)建主干網(wǎng)。

5、缺點(diǎn)：光設(shè)備成本高，阻礙了光纖在短途傳輸中的應(yīng)用。,光纖的結(jié)構(gòu),無線鏈路,與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系密切的無線通信介質(zhì)： 陸地?zé)o線電信道，有兩類： 覆蓋局部區(qū)域，通?？缭綌?shù)十到幾百米，應(yīng)用在無線局域網(wǎng)中，如802.11。 運(yùn)行在廣域，跨越數(shù)十千米，應(yīng)用在廣域無線接入網(wǎng)中，如3G等。 衛(wèi)星無線電信道 使用人造地球衛(wèi)星作為中繼器轉(zhuǎn)發(fā)信號，具有通信容量極大、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于電話網(wǎng)和因特網(wǎng)的主干，并為全球移動通信系統(tǒng)（GSM）等提供支持。 短距離內(nèi)可使用紅外線、藍(lán)牙無線電等，距離在10米以內(nèi)，數(shù)據(jù)為1Mbps。,3. 編碼,不歸零碼（NRZ）：使用固定的高電平和低電平來表示“1”和“0”，不

6、利于時(shí)鐘信號的提取。 不歸零反轉(zhuǎn)：用當(dāng)前信號的一個(gè)跳變表示“1”，用保持當(dāng)前信號表示“0”，沒有解決連續(xù)傳輸“0”的問題。 曼徹斯特編碼：傳輸NRZ編碼數(shù)據(jù)與時(shí)鐘的“異或”值使時(shí)鐘與信號合并。 差分曼徹斯特編碼：每個(gè)比特信號中間都有一個(gè)跳變，用每個(gè)比特信號開始時(shí)與前一個(gè)比特信號的后半部分有無跳變來表示數(shù)據(jù)，有跳變表示“0”，無跳變表示“1” 。 4B/5B編碼：將每4個(gè)比特的數(shù)據(jù)編碼為5個(gè)比特，降低相同數(shù)據(jù)速率下的信號速率。,編碼示例,4B/5B編碼,4. 調(diào)制,調(diào)制：將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合在物理線路上傳輸?shù)哪撤N物理信號形式。 三種基本調(diào)制方法：幅移鍵控，頻移鍵控，相移鍵控。 為提高數(shù)據(jù)傳輸速率

7、，可令每個(gè)調(diào)制狀態(tài)攜帶幾個(gè)比特信號。 實(shí)踐中通常將幅移鍵控和相移鍵控結(jié)合起來使用。,基本調(diào)制方法,每個(gè)調(diào)制狀態(tài)攜帶幾個(gè)比特,5. 多路復(fù)用,多路復(fù)用：在一條線路上同時(shí)傳輸多路信號，目的是提高線路的利用率。 多路復(fù)用技術(shù)主要有頻分和時(shí)分兩種。 頻分多路復(fù)用（FDM）：一條線路的帶寬被分成許多子頻帶，每個(gè)子頻帶用來傳輸一路信號。FDM使用模擬傳輸技術(shù)。 波分多路復(fù)用（WDM）：多條不同波長（頻率）的光線在同一條光纖中傳輸，是FDM的特例。 時(shí)分多路復(fù)用（TDM）：多路信號在不同的時(shí)間使用信道傳輸。TDM使用數(shù)字傳輸技術(shù)。 T1和E1標(biāo)準(zhǔn),FDM示例,T1線路,6. 交換,數(shù)據(jù)包從一條線路轉(zhuǎn)發(fā)到另一

8、條線路，這個(gè)過程稱為交換。 電路交換： 傳輸數(shù)據(jù)前需要在發(fā)送端和接收端之間建立一條實(shí)際的物理通路。 優(yōu)點(diǎn)：保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院晚樞颍瑐鬏斞舆t短。 缺點(diǎn)： 需要建立和拆除電路，線路利用率低。 分組交換： 以長度受限的數(shù)據(jù)塊（分組）為基本傳輸單位，采用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸，傳輸之前不需要建立實(shí)際的物理通路。 優(yōu)點(diǎn)：線路利用率高，易于實(shí)現(xiàn)廣播，魯棒性好。 缺點(diǎn)：傳輸延遲大且不確定，協(xié)議復(fù)雜。 總之，電路交換以資源利用率為代價(jià)換取較好的傳輸質(zhì)量，而分組交換剛好相反。,1. 電路交換的主要特點(diǎn),兩部電話機(jī)只需要用一對電線就能夠互相連接起來。,更多的電話機(jī)互相連通,5 部電話機(jī)兩兩相連，需 10 對電線。

9、 N 部電話機(jī)兩兩相連，需 N(N 1)/2 對電線。 當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量很大時(shí)，這種連接方法需要的電線對的數(shù)量與電話機(jī)數(shù)的平方成正比。,使用交換機(jī),當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量增多時(shí)，就要使用交換機(jī)來完成全網(wǎng)的交換任務(wù)。,交換機(jī),“交換”的含義,在這里，“交換”(switching)的含義就是轉(zhuǎn)接把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通起來。 從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。,電路交換的特點(diǎn),電路交換必定是面向連接的。 電路交換的三個(gè)階段： 建立連接 通信 釋放連接,電路交換舉例,A 和 B 通話經(jīng)過四個(gè)交換機(jī) 通話在 A 到 B 的連接上進(jìn)行,(,(,(,(,交

10、換機(jī),交換機(jī),交換機(jī),交換機(jī),用戶線,用戶線,中繼線,中繼線,B,D,C,A,電路交換舉例,C 和 D 通話只經(jīng)過一個(gè)本地交換機(jī) 通話在 C 到 D 的連接上進(jìn)行,(,(,(,(,交換機(jī),交換機(jī),交換機(jī),交換機(jī),用戶線,用戶線,中繼線,中繼線,B,D,C,A,電路交換傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)效率低,計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)具有突發(fā)性。 這導(dǎo)致通信線路的利用率很低。,報(bào)文,2. 分組交換的主要特點(diǎn),在發(fā)送端，先把較長的報(bào)文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。,數(shù) 據(jù),數(shù) 據(jù),數(shù) 據(jù),添加首部構(gòu)成分組,每一個(gè)數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。,首部,首部,首部,請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”,分組交換的傳輸單元,分組交換網(wǎng)以“分組”

11、作為數(shù)據(jù)傳輸單元。 依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。,分組首部的重要性,每一個(gè)分組的首部都含有地址等控制信息。 分組交換網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)交換機(jī)。 用這樣的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能到達(dá)最終目的地。,收到分組后剝?nèi)ナ撞?接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報(bào)文。,數(shù) 據(jù),首部,數(shù) 據(jù),首部,數(shù) 據(jù),首部,收到的數(shù)據(jù),數(shù) 據(jù),數(shù) 據(jù),數(shù) 據(jù),最后還原成原來的報(bào)文,最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為原來的報(bào)文。 這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯(cuò)，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)也沒有被丟棄。,因特網(wǎng)的核心部分,因特網(wǎng)的核心部分是由許多網(wǎng)絡(luò)和把它們互連起

12、來的路由器組成，而主機(jī)處在因特網(wǎng)的邊緣部分。 在因特網(wǎng)核心部分的路由器之間一般都用高速鏈路相連接，而在網(wǎng)絡(luò)邊緣的主機(jī)接入到核心部分則通常以相對較低速率的鏈路相連接。 主機(jī)的用途是為用戶進(jìn)行信息處理的，并且可以和其他主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換信息。路由器的用途則是用來轉(zhuǎn)發(fā)分組的，即進(jìn)行分組交換的。,H1,H5,H2,H4,H3,H6,路由器,網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)核心部分,主機(jī),H1,H5,H2,H4,H3,H6,發(fā)送的 分組,路由器,A,E,D,B,C,網(wǎng)絡(luò)核心部分,主機(jī),分組交換網(wǎng)的示意圖,H1,A,互聯(lián)網(wǎng),B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 發(fā)送分組,H2 向 H6 發(fā)送分組,注意分組

13、路徑的變化！,路由器,主機(jī),注意分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程,H1,A,互聯(lián)網(wǎng),B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 發(fā)送分組,路由器,主機(jī),在路由器 E 暫存 查找轉(zhuǎn)發(fā)表 找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口,最后到達(dá)目的主機(jī) H5,在路由器 C 暫存 查找轉(zhuǎn)發(fā)表 找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口,在路由器 A 暫存 查找轉(zhuǎn)發(fā)表 找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口,路由器,在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。 路由器處理分組的過程是： 把收到的分組先放入緩存（暫時(shí)存儲）； 查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個(gè)目的地址應(yīng)從哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)； 把分組送到適當(dāng)?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。,主機(jī)和路由器的作用不同,主機(jī)是為用戶進(jìn)行信息處理的，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分組，從網(wǎng)絡(luò)

14、接收分組。 路由器對分組進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，最后把分組交付目的主機(jī)。,分組交換的優(yōu)點(diǎn),高效 動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。 靈活 以分組為傳送單位和查找路由。 迅速 不必先建立連接就能向其他主機(jī)發(fā)送分組。 可靠 保證可靠性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；分布式的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。,分組交換帶來的問題,分組在各結(jié)點(diǎn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要排隊(duì)，這就會造成一定的時(shí)延。 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。,存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理并非完全新的概念,在 20 世紀(jì) 40 年代，電報(bào)通信也采用了基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理的報(bào)文交換(message switching)。 報(bào)文交換的時(shí)延較長，從幾分鐘到幾小時(shí)不等?，F(xiàn)在報(bào)文交換已經(jīng)很少有人使用了。,三種交換的比較,A B C D,A B C D,A B C D,報(bào)文交換,電路交換,分組交換,t,數(shù)據(jù)傳送 的特點(diǎn),比特流直達(dá)終點(diǎn),報(bào)文,報(bào)文,報(bào)文,分組,分組,分組,存儲 轉(zhuǎn)發(fā),存儲 轉(zhuǎn)發(fā),存儲 轉(zhuǎn)發(fā),存儲 轉(zhuǎn)發(fā),7. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),星型結(jié)構(gòu)