计算机网络复习题3.docx
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计算机网络复习题3
第三章物理层
物理层通常要考虑以下几个方面的问题：
v1．传输介质的选择。
v2．通信所采用的信号波形（如脉冲的幅度、宽度）以及编码方式等。
v3．建立、维持和终止通信的协议。
v4．如何为上一层提供检错服务。
v5．其他有关的机械、电气问题。
时域信号和频域信号
1.时域的概念
v从时域的角度定义模拟、数字信号和周期信号
v周期信号的三个参数：
振幅、频率和相位
2.频域的概念
S（t）=sin2πf1t+（1/3）sin3（2πf1t）+（1/5）sin5（2πf1t）
v由傅里叶级数和傅里叶变换可知：
任何信号都是由不同频率的正弦（余弦）波成分组成，任何信号都可以分解为不同频率信号的叠加。
v信号的频谱就是信号所包含的频率范围，信号的带宽就是频谱的宽度。
傅里叶分析
傅立叶级数：
数据通信系统的性能指标
1.信息、数据和信号
v数据：
是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。
v信息：
是人对现实世界事物存在方式和运动状态的某种认识。
v信号：
是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述。
v数字信号是一种离散的不连续的信号，其各个状态是若干分开的离散时间间隔，常以电压脉冲表示位，即高电平表示1，低电平表示0。
v模拟信号是指用幅度或频率的连续变化来表示信息的一种信号。
模拟数据数字化
v原始电信号所固有的频带，称为基本频带，简称为基带。
在信道中直接以基带信号进行传送，称为基带传输。
基带信号的传输即基带传输。
基带是未经调制（频率变换）的信号所占用的频带
v采用模拟信号传送数据时，往往只占用有限的频带，称其为频带传输。
频带传输解决利用已有的模拟信道传输数字数据的问题。
基带传输
1.单极性不归零码和双极性不归零码
v单极性不归零码：
在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制1，无电流发出表示二进制0。
v双极性不归零码：
在每一码元时间间隔内，发正电流表示二进制1，发负电流表示二进制0。
正的幅值和负的幅值相等。
2.单极性归零码和双极性归零码
v单极性归零码：
在每一码元时间间隔内，有一半的时间发出正电流，而另一半时间则不发出电流表示二进制1。
整个码元时间间隔内无电流发出表示二进制0。
v双极性归零码：
在每一码元时间间隔内，当发1时，发出正的窄脉冲，当发0时，则发出负的窄脉冲。
3.曼彻斯特码和差分曼彻斯特码
v曼彻斯特码：
在每一码元时间间隔内，当发0时，在间隔的中间时刻电平从低到高跳变；当发1时，在间隔的中间时刻电平从高到低跳变。
v差分曼彻斯特码：
在每一码元时间间隔内，无论发1或0，在间隔的中间都有电平的跳变，但发1时，间隔开始时刻不跳变，发0时，间隔开始时刻有跳变。
频带传输
1.振幅调制：
当传输的基带信号为1时，载波信号的振幅保持不变，当传输的基带信号为0时，载波信号的振幅变为0，即没有载波信号发射。
2.频率调制：
当传输的基带信号为1时，载波信号的角频率为2πf1，当传输的基带信号为0时，载波信号的角频率变为2πf2。
3.相位调制
v绝对相移：
当传输的基带信号为1是，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为0；当传输的基带信号为0是，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为л。
v相对相移：
当传输的基带信号位1时，后一个码元和前一个码元的相位差为π；当传输的基带信号为0时，则后一个码元和前一个码元的相位差为0。
数据通信系统的性能指标
数据通信系统的性能指标
带宽（Bandwidth）是指信号具有的频带宽度。
一个信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占的频率范围。
单位为赫兹（Hz）。
在通信中，带宽越大，数据就传送得越快。
v码元传输速率（RB）
›码元传输速率简称传码率，又称波特率或调制速率。
它表示单位时间内（每秒）信道上实际传输码元的个数，单位是波特（Baud），用符号“B”来表示。
›码元速率仅仅表征单位时间内传送的码元数目而没有限定码元是何种进制的码元。
信息传输速率（Rb）
›信息传输速率，又称信息速率、比特率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数，单位为比特／秒，记为b/s或bps。
›如果在通信信道发送1bit的0,1信号所需要的时间是0.001ms,那么信道的数据传输速率为1X106bps,记作1Mbps。
›在实际应用中，常用的数据传输率单位有Kbps、Mbps、Gbps、Tbps。
其中：
›1Kbps=1X103bps;1Mbps=1X106bps
›1Gbps=1X109bps;1Tbps=1X1012bps
差错率
v衡量数据通信系统可靠性的主要指标是差错率。
表示差错率的方法有误码率和误信率。
v误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数中错误接收的码元数所占的比例。
v误信率指在传输的数据比特总数中错误接收的比特数所占的比例。
时延
v时延（delay或latency）是指一个分组从发送端到接收端所需的时间。
即指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。
数据传输总的时延等于发送时延，传播时延和处理时延的总和。
v总时延=传播时延+发送时延+处理时延
v时延带宽
›时延带宽=传播时延X带宽
v往返时延
›往返时延RTT（Round-tripTime）表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后便立即发送确认）总共经历的时延。
对于复杂的互联网，往返时延要包括各中间结点的处理时延和转发数据时的发送时延。
数据传输方式
v数据传输方式是指数字数据在信道上传送所采取的方式。
如按数据代码传输的顺序可分为并行通信传输和串行通信传输；如按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输；如按数据传输的流向和时间关系可分为单工、半双工和全双工数据传输。
v并行通信传输
v串行通信传输
v同步传输
v异步传输
v单工数据传输
v半双工数据传输
v全双工数据传输
数据传输方式
v串行通信传输是以比特为单位，按照字符所包含的比特位的顺序，一位接一位地传输，到达接收方后，再由通信接收装置将串行比特流还原成字符。
v并行通信传输是以字符为单位一个字节一个字节地传输，也就是将一个字符所包含的几个比特同时在线路上传输。
并行通信传输：
在并行通信中，一般有8个数据位同时在两设备之间进行传输。
串行通信传输：
在串行通信中，收发两端一次只能发送或接收1个数据位，数据位依次串行地通过通信线路。
同步通信：
同步通信就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断时间。
异步通信：
异步通信中，发送端发送字符时，在每个字符前设置1位起始位，在每个字符后设置1位或1.5位或2位的停止位。
起始位为低电平，停止位为高电平。
单/双工通信——单/双向传输
›单工：
数据单向传输（例：
无线电广播）
›半双工：
数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：
对讲机）
›全双工：
数据可以双向同时传输（例：
电话）
v需要具有两条物理上独立的传输线路。
v或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。
v频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）
›主干线路的频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占某些频段；
›调频广播以及有线电视。
v频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）是将具有一定带宽的线路划分为若干条占有较小带宽的信道，每条信道供一个用户使用。
频分多路复用
（a）原来的带宽
（b）被升频之后的带宽
（b）复用之后的信道
v波分多路复用WDM（WaveDivisionMultiplexing）：
以不同的波长传送多个信息流，每个波长都可同时通过光纤。
这个过程称作为波分多路复用
vFDM在光纤介质中的应用；
波分多路复用
波分多路复用
v时分多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）是把时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占用的时间片内，该用户可使用信道的全部带宽。
›每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；
›在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。
时分多路复用
T1线路（1.544Mbps）.
时分多路复用
更高阶线路上多路复用的T1流
时分多路复用
两个背靠背的SONET帧
时分多路复用
SONET和SDH复用率
码分多路复用CDM每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
由于客户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
v每个用户分配唯一的代码
v使用无线广播信道
v所有用户使用相同的频率，但每个用户有自己的编码序列
v编码信号=（原始数据）×（代码序列）
v解码:
利用用户自己的代码进行解码
v允许多个用户公用一个信道进行传输
码分多路访问CDMA
（a）4个移动站的二进制时间片序列
（b）时间片序列的双极表示
（c）6个传输示例
（d）C站的信号恢复过程
传输介质
v双绞线
›非屏蔽双绞线电缆
›屏蔽双绞线电缆
v同轴电缆
v光缆
v电磁波在电缆中的传播速率只有光速的65%左右,即1.95X108m/s。
双绞线
（a）（a）.3类UTP.
（b）（b）.5类UTP.
同轴电缆
v同轴电缆是由一根空心的外圆柱形的导体围绕单根内导体构成的。
内导体为实心硬质铜线电缆，外导体为硬金属网。
内导体和外导体之间由绝缘材料隔离，外导体外由皮套保护。
光纤
（a）（a）.单根光纤的结构
（b）（b）.三根光纤封起来的截面
光纤
（a）（a）.三个例子：
一束光按照不同的角度从氧化硅内部射到空气/氧化硅的界面上
（b）（b）.通过完全的内部反射，光线在光纤内部传输
通过光纤传输光
红外区域的光通过光纤时的衰减情况
光纤
半导体激光和LED作为光源的比较
光纤网络
带有有源中继器的光纤网络
光纤网络
光纤网络中的无源星型连接
电磁波谱
电磁波谱和它在通信中的用途
无线电传输的特点
•容易产生
•适合长距离传输
•易于穿透建筑物
•全方向传播
无线电波的一些问题：
–穿透性随频率增高而减弱
–容易受电子设备的干扰
–VLF、LF、MF波段沿地面传播
–HF、VLH波段会被电离层反射
光波传输
气流可以干扰激光通信系统。
微波传输的特点
•几乎按直线传播
•能量集中容易获得极高的信噪比
•相互间干扰较小
•传播距离短，需要中继站转播
•不能穿透建筑物
•容易产生多径衰减
•容易被水吸收
通信卫星
•地球同步卫星
•中轨道卫星
•低轨道卫星
•卫星和光纤
通信卫星
通信卫星和它们的一些特性，包括离地球的高度、上下往返的延迟时间、为覆盖整个地球所需要的卫星数
通信卫星
基本的卫星频段
通信卫星
使用中心站的VSAT
低轨道卫星
Iridium
（a）Iridium的卫星构成了6条项链，覆盖了整个地球
（b）1628个移动的蜂窝覆盖了地球
Globalstar
（a）.在太空转发信号
（b）.在地面转发信号
卫星传输的特点
•用户可独占卫星带宽
•卫星适合移动通信
•卫星为广播传输模式
•卫星适合通信设施差的地区使用
•卫星适合不能获得光纤路权的地区
•卫星适合于快速部署网络
宽带无线接入技术与IEEE802.16标准
vIEEE802.16标准又称为无线城域网（WirelessMAN,WMAN）标准。
按IEEE802.16标准建立的无线网络覆盖一个城市或部分区域,它需要在一些建筑物上建立基站,基站之间采用全双工、宽带通信方式工作，可以提供2-155Mbps带宽。
v无线接入技术可以分为两大类：
移动接入和固定接入。
v移动无线接入网包括移动电话网、无线寻呼网、集群电话网、卫星移动通信网和个人通信网等，是当今通信行业中最活跃的领域之一。
v固定无线接入是指从交换结点到固定用户终端采用无线接入方式，它实际上是有线接入方式的延伸。
无线局域网与IEEE802.11
v无线局域网的标准是IEEE802.11。
v无线局域网以微波、激光与红外线等无线电波作为传输介质，部分或全部代替传统局域网中的同轴电缆、双绞线与光纤，实现移动计算机网络中移动结点的物理层与数据链路层的功能。
v无线局域网使用的是无线传输介质，按采用的传输技术可以分为3类：
红外线局域网、扩频局域网、窄带微波局域网。
v为了推动IEEE802.11标准的实施，产业界成立了Wi-Fi联盟。
蓝牙技术与IEEE802.15
v1994年，爱立信（Ericsson）公司推出蓝牙（Bluetooth）技术开发计划。
1999年，爱立信（Ericsson）公司公布了蓝牙规范1.0版。
v蓝牙技术是无线自组网技术的一种应用。
v蓝牙技术具有自组织能力，可以实现便携式计算机、打印机、PDA与耳机等便携式设备的互联。
vIEEE802.15工作组决定以蓝牙规范为基础，制定短距离、低功耗的无线通信标准。
v1998年3月，IEEE802委员会成立了802.15工作组，致力于无线个人区域网络（WPAN）的物理层与数据链路层的协议标准化。
无线自组网
v无线自组网是一种自组织、对等式、多跳的无线移动网络，又称移动Adhoc网络，（MobileAdhocNetwork,MANET）。
vAdhoc网络是由一组用户构成、不需要基站的移动通信模式。
在这种方式中，没有固定的路由器，所有用户都可以移动。
每个系统都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。
vAdhoc网络在军事上十分重要，它可以支持野外联络、独立战斗群通信和舰队战斗群通信、临时通信要求和无人侦察与情报传输。
在民用领域中，它支持会议、紧急状态、临时交互式通信组等应用。
无线传感器网络
v无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。
微电子、无线通信、计算机与网络技术的进步推动发低功耗、多功能传感器的发展，使得在微小体积内能集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。
v无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的、廉价的微型传感器结点组成。
通过无线通信方式形成的一个多跳的Adhoc网络。
v传感器、感知对象和观察者构成传感器网络的三个要素。
公共交换电话网络
•电话系统的结构
•本地回路（调制解调器、ADSL、无线）
•干线和多路复用
•交换
电话系统的结构
（a）.完全互连的网络
（b）.中心化的交换
（c）.两级层次结构
电话系统的结构
（2）
一个中距离的电话的典型路径
电话系统的主要部件
•本地回路
▪双绞线进入家庭和业务部门，模拟信号
•干线
▪通过光纤连接交换局，数字信号
•交换局
▪用以将呼叫由一条干线接入另一条干线
本地回路（调制解调器、ADSL、无线）
从计算机到计算机的呼叫同时用到了模拟和数字传输，在调制解调器的编解码器之间完成数模转换
调制解调器
（a）.一个二进制信号（b）.调幅
（c）.调频（d）.调相
调制解调器
（a）.QPSK.（b）.QAM-16.（c）.QAM-64.
调制解调器
（a）.V.32for9600bps.
（b）.V32bisfor14,400bps.
数字用户线路
3类UTP用于DSL时带宽与距离的关系
数字用户线路
使用DMT的ADSL频谱划分方案
数字用户线路
典型的ADSL设备配置
无线本地回路
LMDS系统
移动电话系统
•第一代移动电话:
模拟语音
•第二代移动电话:
数字语音
•第三代移动电话:
数字语音和数据
第一代移动电话：
模拟语音
（a）在相邻的蜂窝单元中，频率不会被复用
（b）为了增加更多的用户，可以使用更小的单元
信道分类
832个信道分成4类:
•控制（从基站到移动电话），用于管理系统。
•呼叫（从基站到移动电话），用于提醒移动用户有呼叫到来。
•访问用于呼叫建立和信道分配。
•数据（双向），用于语音、传真和数据。
第二代移动电话：
数字语音
数字的高级移动电话系统D-AMPS
（a）支持3个用户的D-AMPS信道
（b）支持6个用户的D-AMPS信道
全球移动通信系统GSM
GSM使用124个频道，每个频道使用一个8时槽的TDM系统
全球移动通信系统GSM
GSM帧层次结构的一部分
第三代移动电话：
数字语音与数据
IMT-2000网络应该提供的基本服务应包括：
•高质量的语音传输
•消息服务（代替电子邮件、传真、SMS、聊天等）
•多媒体（播放音乐、观看视频、电影、电视等）
•Internet访问（Web浏览，包括带音频和视频的页面）
有线电视
•共天线电视
•基于有线电视网络的Internet
•频谱分配
•电缆调制解调器
•ADSL与有线电视网的比较
共天线电视
早期有线电视系统
基于有线电视网络的Internet
有线电视网络
基于有线电视网络的Internet
固定电话系统
频谱分配
在一个典型的用于Internet访问的有线电视系统中频谱的分配情况
电缆调制解调器
在北美地区，上行和下行信道的细节情况
ADSL与有线电视网的比较
•在骨干网上，两者都使用光缆，在边界上则使用不同介质：
有线电视网使用同轴电缆，ADSL使用双绞线
•有线电视网络在用户端是共享信道，而ADSL是独占信道的
•有线电视网用户的速度与离电视公司的距离无关，ADSL用户的速度与离端局的距离有关
•ADSL（电话系统）比与有线电视网络安全可靠
3.6物理层的标准
vEIA—RS232—D是美国电子工业协会制定的著名的物理层标准，是DTE与DCE之间的接口标准。
vX.21制定了用户的DTE在建立和释放一个呼叫时应当和DCE交换哪些信息，数字信道当然不需要使用调制解调器。
vISO2110—这是一种25芯的DTE/DCE接口连接器，用于串行和并行的调制解调器、公用数据网接口、用户电报接口和自动呼叫应答器。
他和美国电子工业标准RS—232C和RC—366A兼容。
vISO2593—34芯的DTE/DCE接口连接器，用于CCITTV.35建议的宽带调制解调器。
vISO4902—37芯的DTE/DCE接口连接器，用于串行的音频和宽带调制解调器，它和RS—49兼容
vISO4903—15芯的DTE/DCE接口连接器，用于CCITT建议的X.20、X.21、X.22所规定的公用数据网接口。
RS-232-C机械特性
物理层协议示例RS-232-C
1.机械特性和电气特性
0：
+5V~+15V1：
-5V~-15V
2.功能特性
3.过程特性
v发送过程
v接收过程
RS-232-C电气特性
RS-232-C功能特性
RS-232-C过程特性
交叉电缆
网络接口卡NIC
v网络接口卡（网卡）是连接主机与网络的基本设备
›每台主机都应配置一个或多个网卡；
›每个网卡都有一个（或多个）网络接口；
›不能独立工作，必须依赖于宿主主机。
v网卡工作在物理层和数据链路层；
v连接不同的局域网需要使用不同的网卡
›以太网卡
›令牌环网卡
›FDDI网卡
›ATM网卡
网卡的功能
v介质访问控制
›CSMA/CD：
进行载波侦听，确定能否发送数据或接受数据，以及进行冲突处理等工作；
v封装/解封装
›数据帧的封装：
为数据加上帧头、PAD、CRC等控制字段；
›数据帧的解封装：
对收到帧进行CRC校验并将控制字段去掉；
v数据编码/解码
›数据编码：
将数据转换为适合网络介质传输的信号形式；
›数据解码：
收到的信号解释为对应的数据；
v数据发送/接收
›发送数据：
将主机的并行数据转换成串行位流，并通过MAC进行发送；
›接收数据：
通过MAC接收信号，经解码后由串行位流转换成并行数据；
v数据缓存
›匹配主机数据处理速率与网络的传输速率不一致问题。
网卡的结构
▪载波检测部件：
检测介质上有否载波信号；
▪曼彻斯特编码/解码器：
对发送的数据编码，变换成适合于在LAN上传输的信号或把接收的信号解码为二进制数据；
▪发送/接收部件：
负责信号的发送、接收；
▪数据缓冲区：
缓冲数据；
▪主机总线接口部件：
与主机数据流交换；
▪CPU（部分网卡有）：
增强网卡智能化，减少网络传输对
主机CPU的依赖，提高传输效率；
▪LAN管理部件：
网络管理。
以太网卡的类型
中继器（Repeater）/HUB
中继器的特性
v中继器主要用于线性电缆系统，如以太网
v中继器工作在协议层次的最低层，即物理层
v中继器通常在一幢楼中使用
v扩展段上的节点地址不能与现行段上的地址相同
注意事项
v用中继器M连接的以太网不能形成环
v必须遵守AC协议定时特性
集线器
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