第八章知识点.docx
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第八章知识点
CCNAExploration-网络基础知识
8OSI物理层
8.0本章简介
8.0.1本章简介
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上层OSI协议会将以人为本网络中的数据进行适当的准备处理，以便将其传输到目的设备。
物理层控制数据在通信介质上的传输方式。
OSI物理层的任务是将代表数据链路层帧的二进制数字编码成信号，并通过连接网络设备的物理介质（铜缆、光缆和无线介质）发送和接收这些信号。
本章介绍了物理层的一般功能，以及管理通过本地介质进行的数据传输的标准和协议。
在本章中，您将学会：
∙说明物理层协议和服务在支持数据网络通信方面的作用。
∙描述物理层和信号在网络中的用途。
∙描述在通过本地介质传输帧的过程中，用于表示比特的信号所扮演的角色。
∙识别铜缆、光缆和无线网络介质的基本特征。
∙说明铜缆、光缆和无线网络介质的常见用途。
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8.1物理层-通信信号
8.1.1物理层—用途
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OSI物理层通过网络介质传输构成数据链路层帧的比特。
该层从数据链路层接收完整的帧，并将这些帧编码为一系列信号，传输到本地介质上。
经过编码的比特构成了帧，这些比特可以被终端设备或中间设备接收。
通过本地介质传输帧需要以下一些物理层要素：
∙物理介质和关联的连接器
∙在介质上表示比特
∙数据编码和控制信息
∙网络设备上的发送器和接收器电路
在通信过程的这一阶段，用户数据已被传输层分段，并由网络层放入了数据包，而且已被数据链路层封装为帧。
物理层的用途是创建电信号、光信号或微波信号，以表示每个帧中的比特。
然后，将这些信号逐个发送到介质上。
物理层的任务还包括从介质检索这些单个的信号，将它们还原成比特来表示，然后将这些比特作为完整的帧传送到数据链路层。
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8.1.2物理层—操作
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介质不会将帧作为一个实体传送。
介质会逐个传送信号，这些信号代表构成帧的比特。
表示数据的网络介质存在三种基本形式：
∙铜缆
∙光缆
∙无线介质
比特的表示（即，信号类型）视介质类型而定。
对于铜缆介质，信号为电子脉冲模式。
对于光缆，信号为光模式。
对于无线介质，信号为无线电传输模式。
识别帧
当物理层将比特编码成特定介质的信号时，必须甄别一个帧的结束位置和下一个帧的开始位置。
否则，介质设备无法识别什么时候收完帧了。
在这种情况下，目的设备只是接收了一串信号，并不能正确地重建帧。
正如上一章所述，表示帧的开始通常是数据链路层的功能。
但是，在很多技术中，物理层可能会添加自己的信号来表示帧的开始和结尾。
为了使接收设备清楚地识别帧边界，传输设备会添加信号来指定帧的开始和结束位置。
这些信号代表特定的比特模式，仅用于表示帧的开始或结束位置。
本章的以下几节中将详细介绍把数据帧从逻辑比特编码成介质上的物理信号的过程，以及特定物理介质的特征。
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8.1.3物理层—标准
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物理层由工程师开发的硬件组成，其形式为电子电路、介质和连接器。
因此，由相关的电气和通信工程组织定义管制该硬件的标准是很合适的。
而上层OSI协议和运行则通过软件执行，并由软件工程师和计算机科学家设计。
就像我们在前一章节中了解的，TCP/IP协议族中的服务和协议是由RFC中的Internet工程任务组（IETF）定义的。
类似于数据链路层相关技术，物理层技术是由以下组织定义的：
∙国际标准化组织（ISO）
∙电气电子工程师协会（IEEE）
∙美国国家标准学会（ANSI）
∙国际电信联盟（ITU）
∙电子工业联盟/电信工业协会（EIA/TIA）
∙国有电信机构，例如美国联邦通讯委员会（FCC）
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物理层技术和硬件
由这些组织定义的技术包括四个领域的物理层标准：
∙介质的物理和电气属性
∙连接器的机械性能（材料、尺寸和引脚输出）
∙通过信号表示的比特（编码）
∙控制信息信号的定义
单击图中的“信号”、“连接器”和“电缆”按钮可以查看硬件。
网络适配器（NIC）、接口和连接器、电缆材料和电缆设计等硬件组件都是按照与物理层关联的标准规定的。
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8.1.4物理层基本原则
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物理层的三个基本功能是：
∙物理组件
∙数据编码
∙信号
物理要素是电子硬件设备、介质和连接器，它们用于传输和承载用于表示比特信号的设备。
编码
编码是一种将数据比特流转化成预定义代码的方法。
这些代码就是比特组，用于提供一种可预测模式，以便发送者和接收者均能识别。
使用可预测模式有助于区别控制比特位和数据比特位，并提供良好的介质错误检测。
除为数据创建代码以外，物理层的编码方法还提供起控制作用的代码（例如识别帧的开始和结束位置）。
源主机会传输特定模式的比特或代码，以识别帧的开始和结束位置。
信号
物理层必须在介质上生成代表“1”和“0”的电信号、光信号或无线信号。
表示比特的方法称为信号方法。
物理层标准必须定义代表“1”和“0”的信号类型。
这只需要对电信号、光脉冲或者更复杂的信号方法中的电平做出简单更改。
在下一节，您可以分析信号和编码的不同方法。
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8.2物理信号和编码：
表示比特
8.2.1适用于介质的信号比特
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最终，以人为本的网络中的所有通信都变成了二进制数字，然后通过物理介质逐个传输。
尽管构成帧的所有比特在物理层中被表示为一个单元，但通过介质传输帧时是作为比特流逐个发送的。
物理层将帧中的每个比特表示为一个信号。
放到介质上的每个信号都分配有特定的占用介质的时间。
这段时间称为比特时间。
信号被接收设备处理后，又还原成用比特表示。
在接收节点的物理层，信号被转换回比特。
接着，将检查帧开始和帧结束的比特模式，以确定已经收完整个帧。
然后，物理层会将帧的所有比特传送到数据链路层。
成功传送这些比特要求在发生器和接收器之间采用某些同步方法。
系统必须在比特时间的特定时刻检查代表比特的信号，以正确确定信号是代表“1”还是“0”。
同步是使用时钟来完成的。
在LAN中，每个传输结尾都保持着自己的时钟。
许多信号方法在信号中采用了可预测跳变，以便在发送设备和接收设备的时钟之间实现同步。
信号方法
通过更改信号的以下一个或多个特征在介质上表示信号：
∙幅度
∙频率
∙相位
介质上代表比特的实际信号的性质视使用的信号方法而定。
某些方法可能使用信号的一种属性表示信号0，而使用信号的另一种属性代表信号1。
例如，对于非归零（NRZ）信号，0可能是由比特时间内介质上的一次电压电平来表示的，而1可能是由比特时间内介质上的另一电压来表示的。
另外，也有通过跳变或者不跳变来表示逻辑电平的信号方法。
例如，曼彻斯特编码通过比特时间中间由高到低的电压跳变来表示0。
而用比特时间中间由低到高的电压跳变来表示1。
采用的信号方法必须符合某种标准，以便接收器可以检测信号，并将它们解码。
标准中必须包含发生器和接收器之间关于如何表示1和0达成的协议。
如果没有信号协议（即，如果传输的两端使用的标准不同），通过物理介质的通信将失败。
在介质上表示比特的信号方法也可能很复杂。
我们将使用两种较简单的技术来解说这一概念。
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NRZ信号
首先，我们例举一种简单的信号方法，即非归零（NRZ）法来进行研究。
在NRZ中，比特流是作为一系列电压值传输的，如图所示。
低电压值代表逻辑0，而高电压值代表逻辑1。
电压范围取决于所采用的特定物理层标准。
这些简单的信号方法仅适用于低速数据链路。
NRZ信号不能有效使用带宽，并且易受电磁干扰。
另外，当连续传输一长串0或1时，单个比特位之间的边界可能会丢失。
在这种情况下，不能检测到介质上的电压跳变。
因此，接收节点没有可用于同步发送节点比特时间的跳变。
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曼彻斯特编码
曼彻斯特编码方案不是用简单的电压值脉冲来表示比特，而是用电压跳变来表示比特值。
例如，从低电压到高电压的跳变表示比特值1，而从高电压到低电压的跳变表示比特值0。
如图所示，电压跳变必须在每个比特时间的中间发生。
这种跳变可确保接收节点的比特时间与发送节点的比特时间同步。
对于传输比特的每个时间单位，比特时间中间的跳变可以向上，也可以向下。
对于连续比特值，比特边界上的跳变会“建立”相应的比特时间的中间跳变来表示比特值。
尽管曼彻斯特编码在用于速度较高的信号时效率不够，但它仍是10BaseT以太网（以10兆位每秒的速度运行的以太网）采用的信号方法。
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8.2.2编码-分组比特
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在上一节中，我们说明了如何在物理介质上表示比特的信号处理过程。
在本节中，我们会使用“编码”一词来表示在将比特表达到介质上之前，对它进行的符号分组。
在将信号发送到介质上之前先进行编码处理，可以改善高速数据传输的效率。
采用较高的速度通过介质时，数据有可能被损坏。
通过使用代码组，我们就可以更有效地检测到错误了。
另外，随着对数据速度的要求与日俱增，我们需要找到通过介质传输较少的比特来表达更多数据的方法。
代码组提供的方法可以实现这种数据表达。
网络设备的物理层必须能够检测合法的数据信号，并忽略物理介质上可能存在的随机非数据信号。
信号流的传输需要接收器能够识别帧的开始和结束。
信号模式
检测帧的一种方法是每个帧都用物理层认为是帧开头的比特信号模式开始，用表示帧结束的比特信号模式结束。
没有以这种方式构成帧的信号比特将被所采用的物理层标准忽略。
有效的数据比特需组织成帧；否则，收到的数据比特将无任何上下文环境，无法将其意义传递给网络模型的上层。
这种构成帧的方法可以由数据链路层或物理层分别提供，也可以由二者共同提供。
右图描述了信号模式的一些用途。
信号模式可表示：
帧开始、帧结束和帧内容。
这些信号模式可以被解码成比特。
而比特又可以被解释成代码。
代码会指示帧的开始和结束位置。
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代码组
编码技术使用的比特模式就称为符号。
物理层可以使用一组被编码的符号（称为代码组）来表示编码数据或控制信息。
代码组是连续的代码比特，解释并映射为数据比特模式。
例如，代码比特10101可以代表数据比特0011。
如右图所示，代码组通常用作较高速度LAN技术的中间编码技术。
该步骤出现在物理层生成电压信号、光脉冲信号或射频信号之前。
通过发送符号，发送设备和接收设备之间的错误检测能力和时间同步功能均得到增强。
这些是支持通过介质高速传输时需要考虑的重要内容。
尽管使用代码组会产生额外的比特开销需要传输，但却能提高通信链路的稳定性。
对于高速数据传输尤其如此。
使用代码组的优点有：
∙降低比特电平错误
∙限制传输到介质中的效能
∙帮助甄别数据比特和控制比特
∙更有效地检测介质错误
降低比特电平错误
要正确地检测单个比特是0还是1，接收器必须了解如何及何时在介质上取样信号。
这要求接收器和发送器之间的时间必须同步。
在许多物理层技术中，介质上的跳变均可用于该同步。
如果传输到介质上的比特模式不能创建频率跳变，该同步可能会丢失，个别比特可能出错。
因此，人们便设计了代码组，以便该符号促使介质上产生足够的比特跳变来同步该时间。
它们通过使用符号来确保不在同一行中使用太多1或0，从而达到这一目的。
限制发送的能量
在很多代码组中，该符号可以确保一串符号中1和0的数量均衡。
平衡发送的1和0数量的过程称为DC平衡。
这可以避免在传输中将过多的能量注入介质，从而减少介质辐射的干扰。
在许多介质信号方法中，逻辑电平（例如1）是由发送到介质中的能量来表示的；而相对逻辑电平（0）则用没有该能量来表示。
发送一长串1可能导致接收器中的传输激光和光电二极管过热，有可能导致较高的错误率。
甄别数据和控制
代码组提供三种类型的符号：
∙数据符号—在向下将帧传输到物理层时，代表帧数据的符号。
∙控制符号—由物理层输入的用于控制传输的特殊代码。
其中包括帧结尾和空闲介质符号。
∙无效符号—含有介质上不允许的模式的符号。
接收到无效符号表示帧出错。
编码到介质上的符号都是唯一的。
表示通过网络发送的数据的符号与用于控制的符号，它们的比特模式不尽相同。
它们之间的差异使物理层能够在接收节点马上区分数据信息和控制信息。
更有效地检测介质错误
除数据符号和控制符号外，代码组中还包含无效符号。
这些符号可能在介质上创建长串的1或0；因而，发送节点不会使用它们。
如果接收节点收到其中一种模式，物理层就可以断定收到的数据有错误。
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4B/5B
我们例举代码组4B/5B进行详解。
现代网络中目前使用的代码组通常更为复杂。
在该技术中，4比特数据被转换成5比特代码符号，以便通过介质系统传输。
在4B/5B中，每个要传输的字节均被分解为四比特片段或半字节，并被编码为五比特值（即符号）。
这些符号代表要传输的数据，以及有助于控制介质上传输的一组代码。
代码中包含的符号表示帧传输的开始和结束位置。
尽管这一过程增加了比特传输的开销，但也增加了有助于高速数据传输的功能。
4B/5B可确保每个代码中至少存在一次电平更改，以提供同步。
4B/5B中使用的大多数代码中每个符号的1和0的使用次数是均衡的。
如图所示，可能的32种代码组合中有16种分配给了数据比特，剩下的代码组被用于控制符号和无效符号。
其中六种符号用于特殊功能，用于识别从空闲到帧数据和数据流结束符的跳变。
其余10种表示无效代码。
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8.2.3数据传送能力
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不同的物理介质所支持的比特传输速度不同。
可以使用以下三种方式测量数据传输：
∙带宽
∙吞吐量
∙实际吞吐量
带宽
介质传输数据的能力被描述为介质的原始数据带宽。
数字带宽可以测量在给定时间内从一个位置流向另一个位置的信息量。
带宽通常以千位每秒（kbps）或兆位每秒（Mbps）作为计量单位。
网络的实际带宽由以下因素共同决定：
物理介质的属性，以及所选择的用于信号处理和检测网络信号的技术。
物理介质属性、当前技术和物理法则共同扮演确定可用带宽的角色。
右图显示了常用的带宽单位。
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吞吐量
吞吐量是给定时段内通过介质传输的比特的量度。
由于受各种因素影响，吞吐量经常与物理层实施（例如以太网）中指定的带宽不符。
许多因素会影响吞吐量。
其中包括被测网络上的流量、流量类型和网络设备的数量。
在多路访问拓扑（如以太网）中，节点将竞争访问和使用介质。
因而，每个节点的吞吐量随介质使用量的增加而减少。
在拥有多个网段的网际网络或网络中，吞吐量不能超过从源到目的之间路径的最低链路速度。
纵使这些网段全部或多数具备高速带宽，它也只使用那段低吞吐量的路径来创建整个网络的吞吐量瓶颈。
实际吞吐量
为测量可用数据的传输而创建的第三个量度。
该量度被称为实际吞吐量。
实际吞吐量是在给定时间内传输的可用数据的量度，它也是网络用户最感兴趣的量度。
如图所示，实际吞吐量可测量应用层实体之间有效传输的用户数据，例如源Web服务器处理和目的Web浏览器设备。
它们的不同之处在于，吞吐量测量的是比特传输，而不是可用数据的传输，实际吞吐量考虑了用作协议开销的比特。
实际吞吐量就是吞吐量减去建立会话、确认和封装产生的流量开销。
例如，假设LAN上的两台主机正在传输文件。
LAN的带宽为100Mbps。
由于存在共享和介质开销，两台计算机之间的吞吐量仅为60Mbps。
包括封装处理TCP/IP协议栈的开销，目的计算机接收数据的实际速率（即实际吞吐量）只有40Mbps。
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8.3物理层—连接通信
8.3.1物理介质的类型
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物理层与网络介质和信号有关。
该层按电压、射频或光脉冲表示和组织比特。
各种标准组织从不同数据通信可用介质的物理属性、电气属性和机械属性等几个方面对介质进行了定义。
这些规定可以保证电缆和连接器在不同的数据链路层物理实施中都能按预期工作。
例如，铜介质的标准定义如下：
∙使用的铜缆类型
∙通信带宽
∙使用的连接器类型
∙连接至介质的引脚和颜色标记
∙介质的最大距离
该图显示了网络介质的某些特征。
本节还将介绍常用铜介质、光介质和无线介质的一些重要特征。
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8.3.2铜介质
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数据通信最常用的介质是电缆，它采用铜线在网络设备之间传送数据比特和控制比特。
用于数据通信的电缆通常由一组单独的铜线组成，这些铜线形成了专用于特定信号用途的电路。
其它类型的铜缆（称为同轴电缆）的电缆中心有一根导线，封装在其它绝缘材料中。
铜介质类型是由链接两个或多个网络设备的数据链路层所要求的物理层标准规定的。
这些电缆可用于将LAN上的节点连接至中间设备，例如路由器和交换机。
电缆还可以用于将WAN设备连接至数据服务提供商，例如电话公司。
物理层标准规定了每个连接类型和附属设备的电缆要求。
网络介质一般都使用标准配套的插头和插孔，连接和断开连接都很方便。
另外，一种类型的物理连接器可用于多种类型的连接。
例如，RJ-45连接器可广泛用于LAN中的一种介质类型以及某些WAN中的另一种介质类型。
该图中显示了一些常用的铜介质和连接器。
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外部信号干扰
在铜缆中，通过电脉冲传输数据。
目的设备网络接口中的探测器接收的信号必须可成功解码为与发送的信号相符。
这些信号的时间和电压值容易受到通信系统以外的干扰或“噪音”的影响。
这些多余的信号会扭曲和损坏铜介质传送的数据信号。
荧光灯、电动机以及其它无线电波和电磁设备都是潜在的噪音源。
电线对屏蔽或绞合的电缆类型都是为了尽可能减少因电子噪音引起的信号衰减。
以下方式也可以限制电子噪音对铜缆的影响：
∙选择在特定的网络环境中最适用于保护数据信号的电缆类型或类别
∙设计电缆基础设施来规避建筑结构中已知和潜在的干扰源
∙使用包括正确处理和端接电缆的电缆技术
右图显示了一些干扰源。
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8.3.3非屏蔽双绞线（UTP）电缆
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非屏蔽双绞线（UTP）电缆用于以太网LAN，它由四对带彩色标记的电线绞合在一起，然后包裹在一个柔软的塑料护套中构成。
如图所示，彩色标记用于标识各对绞线和线对中的电线，以方便电缆端接。
绞合电缆可以消除多余的信号。
如果将电路中的两条电线紧密排列，则外部电磁场在每条电线中产生的干扰相同。
线对绞合是为了保证两条电线尽可能紧密放置。
如果常见干扰出现在双绞线电线中，接收器可采用相等的相反信号方式来处理。
这样可以有效对消来外源电磁干扰产生的信号。
该对消效果还有助于避免内源干扰（称为串扰）。
串扰是由电缆中相邻电线对周围的磁场所产生的干扰。
当电流流过电线时，它将在电线周围产生圆形磁场。
当电流以反方向流过同一对中的两条电线时，磁场（即磁场相同，但作用力相反）之间就存在对消效果。
此外，电缆中不同线对使用的每米绞合次数也不同，这是为了保护电缆不受电线对之间的串扰。
UTP布线标准
工作场所、学校和家庭的UTP布线通常采用电信工业协会（TIA）和电子工业联盟（EIA）共同制定的标准。
TIA/EIA-568A规定了LAN安装的商业布线标准，它是LAN布线环境中最常用的标准。
定义的一些要素有：
∙电缆类型
∙电缆长度
∙连接器
∙电缆端接
∙测试电缆的方法
电气电子工程师协会（IEEE）定义了铜缆的电特征。
IEEE按照它的性能对UTP布线划分等级。
电缆分类的依据是它们承载更高速率带宽的能力。
例如，5（Cat5）类电缆通常用于100BASE-TXFastEthernet安装。
其它类别包括增强型5（Cat5e）类电缆和6（Cat6）类电缆。
为了支持更高的数据传输速率，人们设计和构造了更高类别的电缆。
随着新的千兆位以太网技术的开发和运用，如今已经很少采用Cat5e类型的电缆，新建筑安装推荐使用Cat6类型的电缆。
有些人使用现有的电话系统连接数据网络。
这些系统中的布线常常使用比目前的Cat5+标准更低一级UTP形式。
安装级别较低的布线虽然便宜，但可能使用周期不长，反而导致浪费。
如果以后决定采用更快的LAN技术，可能要全盘更换安装的电缆基础设施。
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UTP电缆类型
通过RJ-45连接器端接的UTP布线是网络设备之间的连接所常见的基于铜的介质，如带有路由器和网络交换机等中间设备的计算机。
根据不同的布线约定，不同的场合可能需要使用不同的UTP电缆。
这意味着要按照不同的顺序将电缆中的单个电线连接到RJ-45连接器的不同引脚组中。
以下是通过使用指定的布线约定得到的主要电缆类型：
∙以太网直通电缆
∙以太网交叉电缆
∙全反电缆
图中显示了这些电缆的典型应用和这三种类型电缆的比较。
在设备间错误使用交叉电缆或直通电缆不会损坏设备，但也无法连通设备并进行通信。
这是实验室中的常见错误，如果没有连通，首先应进行故障排除，检查设备连接是否正确。
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8.3.4其它铜缆
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两种常用的其它类型的铜缆：
1.同轴电缆
2.屏蔽双绞线（STP）
同轴电缆
同轴电缆由一层柔软的绝缘体包裹铜导体组成，如图所示。
绝缘材料的表皮是铜线编织或金属箔，作用相当于电路中的第二条电线，而且还可作为内部导体的屏蔽层。
该第二层或屏蔽层还可减少许多外部电磁干扰。
覆盖屏蔽层的材料是电缆表皮。
所有同轴电缆的要素均围绕中心导体。
因为它们都共享同一根轴，所以这种结构被称为同轴或短轴。
同轴电缆的使用
同轴电缆设计可用于不同用途。
同轴电缆是在无线电和电缆接入技术中使用的一种重要电缆。
同轴电缆用于将天线连接到无线电设备。
同轴电缆可传送天线和无线电设备之间的射频（RF）能量。
同轴电缆还被广泛应用于通过电线传输高射频信号的介质，尤其是有线电视信号。
传统的有线电视（专有单向发射）全部由同轴电缆构成。
有线电视服务提供商目前正在将单向系统转换为双向系统，以便让客户连通Internet。
为了提供这些服务，需要使用多层光缆取代部分同轴电缆和支持放大的元件。
但是，到客户所在地的最终连接和客户驻地的布线仍采用同轴电缆。
光纤和同轴电缆的结合应用称为光纤同轴电缆混合网（HFC）。
过去，同轴电缆用于以太网安装。
如今，UTP与同轴电缆相比，成本更低且带宽更高，因此已取而代之成为所有以太网安装的标准。
同轴电缆使用许多不同类型的连接器。
右图显示了
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