计算机网络技术基础 教学课件 作者 阚宝朋 课件 第3章 物理层与数据通信技术

1、 计算机网络基础 精品在线开放课程 物理层作用与功能特性 目录 Contents 了解物理层的功能 了解物理层的四种特性 学习目标 物理层的功能 物理层主要实现计算机网络中的各种硬件设备和传输介质上传输比特的功能 网络结构图 物理层的作用是尽可能地屏蔽设备间的差异 使数据链路层感觉不到这些差异 物理层传输的是比特流 物理层的功能 计算机 计算机 网络设备 网络设备 接口 双绞线连接 光纤连接 双绞线连接 物理层提供机械的 电气的 功能的和规程的特性 目的是启动 维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接 物理层的协议即物理层接口标准 也称为物理层规程 物理层的特性 物理层协议实际上是规定与传输介质接口的机械特性 电气特性 功能特性和规程特性 物理层功能特性举例 DTE DataTerminalEquipment 是数据终端设备 指的是具有一定数据处理能力和数据发送接收能力的设备 包括各种I O设备和计算机 DCE DataCircuit terminatingEquipment 在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能 DTE和DCE 物理层功能特性举例 网络系统中广泛的使

2、用的物理接口是RS 232和RJ 45 RS 232 RJ 45 1 机械特性 机械特性决定了网络设备与通信线路在形状上的可连接性 指明接口所用接线器的形状和尺寸 引脚数目和排列方式 接口机械固定方式等 机械特性决定了网络设备与通信线路在形状上的可连接性 2 电气特性 电气特性决定了数据传输速率和信号传输距离 指明接口引脚中的电压范围 即用多大电压表示 1 或 0 15V 5V 15V 5V 3 功能特性 它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根 以及该引脚的作用 4 规程特性 规定了在DTE和DCE之间所发生事件的合法序列 DTE计算机或终端 DCE数据线路端接设备 1 保护地 2 发送数据 3 接收数据 4 请求发送 5 允许发送 6 DCE就绪 7 信号地 8 载波检测 20 DTE就绪 22 振铃提示 如果当DTE要进行通信时 就将引脚20 DTE就绪 置为 ON 同时通过引脚2 发送数据 向DCE传送电话信号 接下来DCE检测到载波信号时 将引脚8 载波检测 和引脚6 DCE就绪 都置为 ON 以便使DTE端知道通信线路已经建立 当DTE端要发送数据时 将其引脚4 请求

3、发送 置为 ON DCE端响应将其引脚5 允许发送 置为 ON 然后DTE通过引脚2 发送数据 计算机网络交流群 主讲教师QQ号 数据通信的基本概念 计算机网络基础 精品在线开放课程 目录 Contents 了解数据通信系统模型 理解数据 信息 信号与信道的概念 学习目标 数据通信系统模型 信道 主机A 调制解调器A 调制解调器B 公共交换电话网络 主机B 完成数字信号与模拟信号的转换 完成模拟信号与数字信号的转换 终端设备 数据电路终端设备 传输系统 终端设备 数据电路终端设备 源系统 目的系统 传输系统 数据 主机A 主机B 视频 音频 文本 图像 01010101101100101 01010111101000101 01100110101000101 11010101101100100 位 bit 一个 0 或 1 就分别代表1位 字节 Byte 一个字节由8位二进制数组成 如101011001KB 1024Byte 1MB 1024KB 1GB 1024MB 数据 Data 是用于表示客观事物的未经加工的原始素材 信息 信息是数据的内容和解释 表示信息的形式可以是 计算机网络

4、 234 78 数值 文字 图形 声音 图像 以及动画 凡经过加工处理或换算得到的数据 即可称为信息 等 这些表示媒体归根到底都是数据的一种形式 信号 信号是数据的电子或电磁编码 信号可分为模拟信号和数字信号 主机A 调制解调器A 调制解调器B PSTN 主机B 完成数字信号与模拟信号的转换 完成模拟信号与数字信号的转换 信道是信号在通信系统中传输的通道 信道 主机A Internet 主机B 物理信道 传输介质 逻辑信道 在一条物理信道上 可以建立多条逻辑信道 而每一条逻辑信道 只允许一路信号通过 数据通信的三种方式 计算机网络基础 精品在线开放课程 目录 Contents 理解数据通信方式 了解单工 半双工 全双工通信之间的区别 学习目标 单工通信 单向信道 单向传输 不能反向传输 数据信号仅沿一个方向传输 发送方只能发送不能接收 接收方只能接收不能发送 单工 Simplex 指的是通信信道是单向信道 任何时候都不能改变信号的传送方向 广播电视 半双工通信 接收器 信号传输 接收器 发送器 发送器 半双工信道 可以反向传输 但同一时刻只能单向 半双工通信中信号可以沿着两个方向传送

5、但同一时刻只限于一个方向传输 即两个方向的传输只能交替进行 对讲机 全双工通信 接收器 信号传输 接收器 发送器 发送器 全双工信道 可以同时双向传输 全双工通信是指同时可以作双向的通信 通信的一方在发送信息的同时也能接收信息 计算机间通信 计算机网络基础 精品在线课程建设 数据通信主要性能指标 目录 Contents 了解数据通信主要的性能指标 掌握数据通信性能指标的计算方法 学习目标 数据传输速率 数据传输率是指单位时间内传输的信息量 可用 比特率 和 波特率 来表示 比特率 指每秒所传输的二进制位数 单位为位 秒 bitspersecond 记为bps或b s 波特率 线路上每秒传送的波形个数 波特率又称为波形速率或码元速率 单位为波特 记作Baud 波特率与比特率的对应关系 S B log2N b s 或B S log2N Baud 信道带宽 在模拟信道中 信道带宽 Bandwidth 简称带宽 又叫频宽 是指信道所能传送的信号的频率宽度 也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差 在数字信道中 信道带宽为信道能够达到的最大数据速率 常用的带宽单位有b s Kb s Mb s G

6、b s Tb s 1Kb s 103b s1Mb s 106b s1Gb s 109b s1Tb s 1012b s b s B s 10M 1 25M 1Byte 8bit 信道容量 信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数 信道容量是指单位时间内信道上所能传输数据的最大容量 单位是bit s 奈奎斯特公式 C 2 H log2N b s 其中 H是信道的带宽 也称频率范围 单位Hz N表示携带数据的码元可能取得的离散值的个数 例3 3 普通电话线路的带宽约为3kHz 则其码元速率为6kBaud 若每个码元可能取的离散值的个数为16 即N 16 则最大数据传输速率可达 C 2 3k log216 24kbps 实际信道容量 输入信号波形 输入信号波形 输出信号波形 失真不严重 通信质量较好的信道 带宽受限 有较少噪声 干扰和失真 通信质量很差的信道 带宽受限 有较大噪声 干扰和失真 输出信号波形 失真严重 实际信道容量的香农公式 C 2 H log2 1 S N b s 其中 S表示信号功率 N为噪声功率 信道的噪声比常表示为10log10 S N 以分贝 dB 为单位计量 误码

7、率 误码率 BER biterror 是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标 指二进制数据位传输时出错的概率 误码率计算公式为 Pe Ne N其中 Ne为其中出错的位数 比特数 N为传输数据的总位数 比特数 计算机网络基础 精品在线课程建设 数据传输的六种技术 目录 Contents 了解数据传输的几种技术 了解并行与串行传输的区别 了解异步与同步传输的区别 了解基带传输与频带传输的区别 学习目标 并行传输 发送设备 接收设备 数据位 数据线 并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输 即有多个数据位同时在两个设备之间传输 优点 速度快 处理简单 缺点 费用高 仅适合于近距离和高速率的通信 串行传输 发送设备 接收设备 8 7 6 5 4 3 2 1 并行到串行转换 串行到并行转换 数据位 串行通信是指数据一位一位地以串行方式在一条信道上传输 优点 收 发双方只需要一条传输信道 易于实现 成本低 数据线 异步传输 主机B 停止位 数据位 起始位 主机A 所谓异步传输 AsynchronousTransmission 又称起止式传输 即指发送者和接收者之间不需要合作 优

8、点 字符同步实现简单 收发双发的时钟信号不需严格同步 缺点 对每一个字符都需要加入 起 止 码元 使传输效率变低 同步传输 同步传输 Synchronous 就是使接收端接收的每一个数据块或一组字符都要和发送端准确地保持同步 在下串数据发送前 为保证数据同步 一般采用一个同步字节 01111110 并在结束时使用该同步字节 主机B 主机A 同步字节 同步字节 数据帧 传输效率高 适合较高速率的数据通信系统 基带传输 在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输 译码器 网卡 发送端 接收端 编码器 网卡 计算机终端系统 计算机终端系统 010101010 010101010 基带信号 在总线拓扑结构的局域网中通常使用基带传输技术 频带传输 频带传输是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输 到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号 发送端 接收端 编码器 网卡 计算机终端系统 0101010 基带信号 频带信号 基带信号 调制解调器A 调制解调器B 解决了利用电话系统传输数字信号的问题 还可以实现多路复用 提高传输信道利用率 计算机网络基础 精品在线课程建设 数字数据的数字信号编码

9、目录 Contents 了解不归零码 归零码及其区别 了解曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码及其区别了解4B 5B编码 8B 10B编码 学习目标 不归零码与归零码 不归零码 NRZ 不归零码是指编码在发送 0 或 1 时 在一码元的时间内不会返回初始状态 零 当连续发送 1 或者 0 时 上一码元与下一码元之间没有间隙 使接收方和发送方无法保持同步 不归零码与归零码 归零码 RZ 归零码是指编码在发送 0 或 1 时 在一码元的时间内会返回初始状态 零 归零码可分为单极性归零码和双极性归零码 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码 ManchesterEncoding 也称为自同步码 Self SynchronizingCode 在曼彻斯特编码方式中 每一位的中间都有一个跳变 位中间的跳变既作为时钟 又作为数据 从高电平到低电平的跳变表示 1 从低电平到高电平的跳变表示 0 由于跳变都发生在每一个码元的中间位置 半个周期 接收端可以方便的利用它作为同步时钟 因此这种曼彻斯特编码又称为 自同步曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特 DifferentManchester 用每一位的起始处有无跳变

10、来表示 0 和 1 在起始处与前一个码元比较 若有跳变则为 0 若无跳变则为 1 而每一位中间的跳变只用于作为同步的时钟信号 所以它也是一种子同步编码 4B 5B编码与8B 10B编码 4B 5B编码的特点是将欲发送的数据流每4位作为一组 然后按照4B 5B编码规则将其转换为相应的5位码 5位码共有32种组合 但只采用24种 要求每个5位码中不含多余3个 0 或者不会少于2个 1 其中16种对应4位码的16种状态 8种用作控制码 以表示帧的开始和结束 光纤线路状态 静止 空闲 暂停 等 8B 10B编码与4B 5B的概念类似 在千兆以太网中就采用了8B 10B的编码方式 mBnB码是分组码的一种 它将原始码流m个比特一组 根据一定的规则变为n个比特 n m 一组的码组输出 主机A 1111 11101 至传输介质 4B 5B译码器 NRZI译码器 注 1111 4位比特数据11101 5位码组 计算机网络基础 精品在线课程建设 数字数据的模拟信号调制 目录 Contents 了解数字数据的模拟信号调制方法 了解ASK移幅键控 FSK移频键控 PSK移相键控及其区别 学习目标 数字数据的

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