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1、网络协议实践教程(第2版)课件第2章-物理层协议,网络协议实践教程(第2版)课件第2章-物理层协议,2.1 物理层协议概述,物理层协议也叫物理层接口标准，是DTE和DCE或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题。物理层协议规定了标准接口的以下特性：机械特性：机械连接特性电气特性：电气信号特性功能特性：信号功能特性规程特性：交换电路的规程特性,2,2.1 物理层协议概述物理层协议也叫物理层接口标准，是DTE,1机械特性,物理层的机械特性规定了独特的DTE和DCE之间实际的物理连接。说明了接插件的形状、插头数目、排列方式、插头和插座的尺寸、电缆的长度、所含导线的数目、
2、所用装置等。,3,1机械特性 物理层的机械特性规定了独特的DTE和DCE之间,2电气特性,物理层的电气特性规定了数据交换信号以及有关电路的特性。一般包括最大数据传输速率与距离限制的说明、表示信号状态（逻辑电路、通或断、传号或空号）的电压和电流的识别、信号线的连接方式、阻抗及阻抗匹配、驱动器和接收器的电气参数等。,4,2电气特性物理层的电气特性规定了数据交换信号以及有关电路的,3功能特性,物理层的功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。即DCE和DTE之间各信号线的信号含义。通常信号线可分为4类：数据线、控制线、定时线和地线,5,3功能特性 物理层的功能特性规定了物理接口上各条信
3、号线的功,4规程特性,物理层的规程特性定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。即：规定了DTE和DCE在各线路上的动作序列或动作规则。为实现建立、维持、释放线路等过程所要求的各控制信号变化的协调关系。,6,4规程特性 物理层的规程特性定义了信号线进行二进制比特流传,2.2 典型的物理层协议,目前，实际网络中比较广泛使用的物理层协议有：EIA-RS-232EIA RS-449CCITT建议的CCITT V.24和X.21协议,7,2.2 典型的物理层协议 目前，实际网络中比较广泛使用的物理,2.2.1 EIA-232 /CCITT V.24协议,1RS-2
4、32-C电气特性RS-232C接口使用负逻辑： 1：-5V -15V(+4V) -3V +3V为过渡区，逻辑状态不确定TTL电平为正逻辑： 1： 2.4V 0：0.4VRS-232C接口电平与TTL电平不兼容，需外加电路实现电平转换。,8,2.2.1 EIA-232 /CCITT V.24协议 1,1RS-232-C电气特性,RS-232-C 接口电路,9,1RS-232-C电气特性RS-232-C 接口电路TTL,2RS-232-C机械特性,RS-232-C可以有多种类型的连接器，如25针连接器（DB-25）、15针连接器（DB-15）和9针连接器（DB-9）。插孔用于DCE方面，插针用于D
5、TE方面RS-232C连接器任一针上的信号可为下列任一状态：标记(Mark) / 空(Space)开(ON) / 关(OFF)逻辑0 / 逻辑1,10,2RS-232-C机械特性RS-232-C可以有多种类型的,RS-232-C机械特性,11,RS-232-C机械特性13,3RS-232-C功能特性,功能特性规定了连接器各针的定义、与哪些电路连接、有何功能等。 信号分为两类：一类是DTE和DCE交换的信息：TxD和RxD；另一类是为了正确无误地传输上述信息而设计的联络信号。,12,3RS-232-C功能特性 功能特性规定了连接器各针的定义,（1）传送信息信号,发送数据（TxD）DTE向DCE发
6、送的信息，按串行数据格式，即先低位后高位的顺序发出。接收数据（RxD）接收DTE发送端输出的数据。,13,（1）传送信息信号 发送数据（TxD）15,（2）联络信号,请求发送信号（RTS）：DTE DCERTS=1时，表示DTE请求向DCE发送数据。允许发送（CTS）：DCE DTECTS=1时，表示本地DCE响应DTE向DCE发出的RTS信号，且本地DCE准备向远程DCE发送数据。数据准备就绪（DSR）：DCEDTEDSR=1时，表示DCE准备就绪，可以与远程DCE建立通道。,14,（2）联络信号 请求发送信号（RTS）：DTE DCE,（2）联络信号,数据终端就绪信号（DTR）：DTE D
7、CE当DTR=1时，DTE处于就绪状态，本地DCE和远程DCE之间建立通信通道。当DTR=0时，DCE终止通信工作。数据载波检测信号（DCD）：DCE DTE状态信息当DCD=1时，本地DCE接收到远程DCE发来的载波信号。振铃指示信号（RI）：DCE DTE状态信息当RI=1时，表示本地DCE收到远程DCE振铃信号。,15,（2）联络信号 数据终端就绪信号（DTR）：DTE D,典型的RS-232-C引脚的连线,16,典型的RS-232-C引脚的连线 18,从DTE角度给出的功能特性,17,从DTE角度给出的功能特性保护地PG 1保护地PG发送数据,4RS-232-C规程特性,RS-232-
8、C的过程特性是指协议的合法顺序。协议规定了各接口间的相互关系、动作顺序以及维护测试操作等内容。RS-232-C的操作过程是在各条控制线有序的ON和OFF状态配合下进行的。只有当TDR和DSR均为ON状态时，才具备操作的基本条件。若DTE要发送数据，则应首先将RTS置为ON状态，等待CTS应答信号为ON状态后，才能在TxD上发送数据。,18,4RS-232-C规程特性 RS-232-C的过程特性是指,举例：主机A向主机B发送数据,如下图所示，主机A与主机B通过公共电话交换网络交换数据，主机与调制解调器之间接口为RS-232-C接口。,RS-232-C接口的工作过程如下：,19,举例：主机A向主机
9、B发送数据如下图所示，主机A与主机B通过公,（1）传输前的准备工作：两个地线激活。 （2）主机A（DTE）需要发送数据主机A置DTR为ON：通知本地DCE，主机A（DTE）准备就绪。本地DCE置DSR为ON：通知主机A，自己已准备就绪（主机A与本地DCE连接成功）。,20,（1）传输前的准备工作：两个地线激活。 22,（3）在发送端和接收端之间建立物理连接。 主机A置RTS（请求发送）为ON，通知本地DCE向远端请求发送数据。本地DCE检测到主机A的RTS信号后：向远端DCE发送载波（CD）通过延迟电路控制CTS（允许发送）的接通远端的DCE检测到载波后，置DCD（收到载波）为ON，通知主机B
10、准备接收数据。,21,（3）在发送端和接收端之间建立物理连接。 23,（4）发送数据主机A检测到本地DCE发出的CTS为ON后，通过发送数据TxD和时钟信号TxC将数据传送到本地DCE。本地DCE将数据转换成模拟信号后通过公共电话交换网络将数据发送出去。,22,（4）发送数据24,（5）清除发送信号 （发送结束）主机A发送数据结束后，置RTS（请求发送）为OFF，通知本地DCE发送结束。本地DCE检测到主机A的RTS位OFF后，停止向远端DCE发送载波（CD），并置CTS为OFF。远端DCE检测不到载波，则置DCD和RI为OFF，回复初始状态。,23,（5）清除发送信号 （发送结束）25,思考
11、：主机B接收主机A数据的过程,思考：,主机B接收主机A数据的过程如何？,24,思考：主机B接收主机A数据的过程思考：主机B接收主机A数据的,2.2.2 X.21协议,1X.21电气特性X系列接口的电气特性采用的是CCITT建议的V.10/X.26和V.11/X.27。X.21建议的数据速率为600 b/s、2400 b/s、4800 b/s、9600 b/s、48 000 b/s。2X.21机械特性X.21建议的机械接口为15芯的DTE-DCE接口连接器，实际接口的信号线只用其中的8条。,25,2.2.2 X.21协议 1X.21电气特性27,3X.21功能特性,26,3X.21功能特性 28
12、,各个信号功能,（1）保护地（G）。（2）发送数据线（T）： DTE送往DCE的数据信号和呼叫控制信号。（3）接收数据线（R）：DCE送往DTE的数据信号和呼叫控制信号。（4）指示线（I）：表示DCE送往DTE的控制状态。ON状态表示在进行数据传输，OFF状态表示数据传输阶段已经结束。,27,各个信号功能（1）保护地（G）。29,各个信号功能,（5）位定时线（S）：DCE向DTE提供的位定时信号，通知DTE码元的开始和结束，据此DTE能知道每一位的开始和结束时间。（6）字节定时（B）：DCE向DTE提供的字节定时信息，表示DTE一个字节的开始和结束，它是任选项。（7）控制线（C）：控制通话过程
13、，0表示ON，1表示OFF。,28,各个信号功能（5）位定时线（S）：DCE向DTE提供的位定时,4X.21过程特性,X.21的过程特性可分为三个阶段。（1）空闲或静止阶段（2）控制阶段（即呼叫建立与清除阶段）（3）数据传输阶段,29,4X.21过程特性X.21的过程特性可分为三个阶段。31,举例：X.21接口数据传过程,DTE通过X.21接口在公共数据网上进行数据传输的动态过程:初始状态：DTE和DCE均处于就绪状态: T=1, C=OFF，R=1，I=OFFDTE发出呼叫请求：T=0，C=ONDCE发出拨号音：R=+（0,1交替出现）DTE拨号（远端地址码）：T=远端DTE地址,30,举例
14、：X.21接口数据传过程DTE通过X.21接口在公共数据,举例：X.21接口数据传过程,DCE送回呼叫进行信号：R=呼叫进行信号 返回远端DTE对呼叫的响应结果：若呼叫成功，则 R=1，I=ONDTE发送数据：T=数据，C=ON发送结束：T=0，C=OFF线路释放：R=0，I=OFF恢复初始状态：T=1，C=OFF，R=1，I=OFF,31,举例：X.21接口数据传过程DCE送回呼叫进行信号：R=呼叫,2.3 数据编码和调制技术,数据编码是指把需要加工处理的数据信息表示成某种特殊的信号形式以便于可靠性传输的一种技术。1数字基带传输常见码型 （1）不归零编码（NRZ）用低电平表示“0”，用高电平
15、表示“1”。不归零编码分为单极性编码和双极性编码。单极性不归零编码：以无电平表示比特“0”，以恒定的正电平表示比特“1” 。双极性不归零编码：以恒定的负电平表示比特“0”，以恒定的正电平表示比特“1” 。,32,2.3 数据编码和调制技术 数据编码是指把需要加工处理的数据,1数字基带传输常见码型,（2）归零编码（RZ）归零编码是指在一个比特时间内，非零电平持续时间小于比特间隙的时间，即一个比特时间内，后半部分电平总是归于零。归零编码分为单极性编码和双极性编码。归零编码与不归零编码相同，采用低电平表示“0”，用高电平表示“1”。归零编码解决了不归零编码接收双方无法保持同步的问题。,33,1数字基
16、带传输常见码型（2）归零编码（RZ）35,1数字基带传输常见码型,（3）曼彻斯特编码 用电平跳变来表示比特0或1，在每个比特中间均有一个跳变。跳变作用：既作为接收端的时钟信号，从而保证收发双方的同步；也作为数据信号，电平不发生变化的位称为非数据位，常用做传输数据块的控制符。一般规定：从高电平到低电平的跳变表示比特“1”，低电平到高电平的跳变表示比特“0”。在曼彻斯特编码中，也可以使用相反的电平跳变策略来定义比特“0”和比特“1”。,34,1数字基带传输常见码型 （3）曼彻斯特编码 36,1数字基带传输常见码型,（4）差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每个比特中间的跳变仅用
17、于双方时钟同步。每个比特根据其起始时刻（起始边界）是否存在跳变决定取值为“0”或“1”。一般规定：每个比特起始时刻有跳变表示比特“0”，无跳变则表示比特“1”。,35,1数字基带传输常见码型（4）差分曼彻斯特编码37,常见的编码方案示例,（a）单极性不归零编码,（b）双极性不归零编码,（c）单极性归零编码,（d）双极性归零编码,（e）曼彻斯特编码,（f）差分曼彻斯特编码,36,常见的编码方案示例（a）单极性不归零编码（b）双极性不归零编,例2-1 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码,试画出二进制编码01101001的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。,解：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码策略一,37,
18、例2-1 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码试画出二进制编码01,例2-1 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码,曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码策略二,38,例2-1 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码和差分曼,2脉冲编码调制（PCM）,PCM是将模拟信号（模拟数据）转换成数字信号（数字数据）的基本编码方法。包括3个步骤：抽样、量化和编码。抽样：指每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值，作为从这一次抽样到下一次抽样之间该模拟数据的代表值。将时间上连续的模拟数据变成时间上离散的抽样数据。 抽样时必须遵循奈奎斯特抽样定理。,39,2脉冲编码调制（PCM）PCM是将模拟信号（模拟数据）转换,2脉冲
19、编码调制（PCM）,量化：将抽样信号的无限多个数值用有限个数值替代的过程。即将抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数字值，并取整数，从而将时间上离散、幅值上连续的模拟数据变成时间和幅值上都离散的数字数据。 编码：将量化后的数值（数字数据）按规则转换为对应的位数固定的二进制编码过程。,40,2脉冲编码调制（PCM）量化：将抽样信号的无限多个数值用有,模拟信号到数字信号的PCM编码过程,抽样：对模拟信号进行均匀抽样；量化：将0到6V的区间均匀划分成128个区间（量化值），量化值=128/6*抽样点幅值。编码：采用7位二进制码。如下图所示。,41,模拟信号到数字信号的PCM编码过程抽样：
20、对模拟信号进行均匀抽,模拟信号到数字信号的PCM编码过程,抽样、量化及编码结果如下：,42,模拟信号到数字信号的PCM编码过程抽样、量化及编码结果如下：,例2-2 计算传输速率,设单路语音信号的频率范围为2003400Hz，抽样速率为8kHz，量化级别Q=128。求该PCM语音信号的二进制传输速率为多少？解：由题意，抽样速率8kHz大于语音信号最高频率3400Hz的2倍，满足奈奎斯特抽样定理。 又：抽样速率为8kHz，量化级别Q=128=27，即每个抽样值可用7位二进制码表示。 因此，传输速率为： Rb=80007=5.6104bps。,43,例2-2 计算传输速率设单路语音信号的频率范围为20034,本章小结,1.物理层解决的问题2.物理层接口的四个特性机械特性、电气特性、功能特性、规程特性3.物理层协议示例EIA RS-232CCITT X.214. 常见数据编码不归零编码、归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 5. 脉冲编码调制PCM,44,本章小结1.物理层解决的问题46,思考题,1RS-232C的电气规范如何定义的？2简述RS-232C工作过程（发送数据和接收数据过程）。3画出二进制编码101101001的归零码、不零零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。,45,思考题1RS-232C的电气规范如何定义的？47,感谢聆听,感谢聆听,
