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1、计算机网络（三）关于物理层,信息科学与技术学院,描述物理层的功能理解线缆的规范和连接方式制作和测试线缆,一、物理层概述,物理层的功能：实现在传输介质上传输比特流物理层定义了建立、维护和拆除物理链路的规范和标准定义了物理层接口通信的标准，包括：机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,二、物理层中的传输媒体,有线同轴电缆双绞线光纤,无线卫星无线红外通信激光通信微波,二、物理层中的传输媒体,无线传输媒体
2、可以在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信就是无线传输。地球上的大气层为大部分无线传输提供了物理通道,就是常说的无线传输介质。1.微波微波数据通信系统有两种形式：地面系统和卫星系统。使用微波传输要经过有关管理部门的批准，而且使用的设备也需要有关部门允许才能使用。由于微波是在空间直线传播，如果在地面传播，地球表面是一个曲面，其传播距离受到限制，采用微波传输的站必须安装在视线内，传输的频率为4GHz6GHz和21GHz23GHz，传输距离一般只有50km左右。采用卫星微波，卫星在发送站和接收站之间反射信号，传输的频率为11GHz14GHz。,二、物理层中的传输媒体,2.激光通信激光通信的优点是
3、带宽更高、方向性好、保密性能好等。激光通信多用于短距离的传输。激光通信的缺点是其传输效率受天气影响较大。3.红外线红外线通信不受电磁干扰和射频干扰的影响。红外无线传输建立在红外线光的基础上，采用光发射二极管、激光二极管或光电二极管来进行站点与站点之间的数据交换。红外无线传输既可以进行点到点通信，也可以进行广播式通信。但这种传输技术要求通信节点之间必须在直线视距之内，不能穿越墙。红外线传输技术数据传输速率相对较低，在面向一个方向通信时，数据传输率为16Mbps。如果选择数据向各个方向上传输时，速度将不能超过1Mbps。,二、物理层中的传输媒体,固定终端点（基站）和终端之间是无线链路,基站,用户计
4、算机和终端,基站覆盖的无线电区域,F1,F2,F3=使用的频率,1.无线传输,4.地球同步卫星,与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球,22,300公里,地球,几种媒体的传输频带,同轴电缆（了解）,CATV有线电视网专用,二、物理层中的传输媒体同轴电缆（了解）,10base5 粗同轴电缆,10base2 细同轴电缆,同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。有两种广泛使用的同轴电缆。一种是50欧姆电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75欧姆电缆，用于模拟传输，即宽带同轴电缆。这种区别是由历史原因造成的，而
5、不是由于技术原因或生产厂家。,1、基带同轴电缆,使用有线电视电缆进行模拟信号传输的同轴电缆系统被称为宽带同轴电缆。“宽带”这个词来源于电话业，指比4kHz宽的频带。然而在计算机网络中，“宽带电缆”却指任何使用模拟信号进行传输的电缆网。由于宽带网使用标准的有线电视技术，可使用的频带高达300MHz（常常到450MHz）；由于使用模拟信号，需要在接口处安放一个电子设备，用以把进入网络的比特流转换为模拟信号，并把网络输出的信号再转换成比特流。,2、宽带同轴电缆,宽带系统和基带系统的一个主要区别是：宽带系统由于覆盖的区域广，因此，需要模拟放大器周期性地加强信号。这些放大器仅能单向传输信号，因此，如果计
6、算机间有放大器，则报文分组就不能在计算机间逆向传输。为了解决这个问题，人们已经开发了两种类型的宽带系统：双缆系统和单缆系统。,1)双缆系统,双缆系统有两条并排铺设的完全相同的电缆。为了传输数据，计算机通过电缆1将数据传输到电缆数根部的设备，即顶端器(head-end)，随后顶端器通过电缆2将信号沿电缆数往下传输。所有的计算机都通过电缆1发送，通过电缆2接收。,2)单缆系统,另一种方案是在每根电缆上为内、外通信分配不同的频段。低频段用于计算机到顶端器的通信，顶端器收到的信号移到高频段，向计算机广播。在子分段(subsplit)系统中，5MHz30MHz频段用于内向通信，40MHz300MHz频段
7、用于外向通信。在中分(midsplit)系统中，内向频段是5MHz116MHz，而外向频段为168MHz300MHz。这一选择是由历史的原因造成的。,3)宽带系统有很多种使用方式,在一对计算机间可以分配专用的永久性信道；另一些计算机可以通过控制信道，申请建立一个临时信道，然后切换到申请到的信道频率；还可以让所有的计算机共用一条或一组信道。从技术上讲，宽带电缆在发送数字数据上比基带（即单一信道）电缆差，但它的优点是已被广泛安装。,3、同轴电缆网络,同轴电缆不可绞接,各部分是通过低损耗的连接器连接的。连结器在物理性能上与电缆相匹配。中间接头和耦合器用线管包住,以防不慎接地。若希望电缆埋在光照射不到
8、的地方,那么最好把电缆埋在冰点以下的地层里。如果不想把电缆埋在地下,则最好采用电杆来架设。同轴电缆每隔100米设一个标记,以便于维修。必要时每隔20米要对电缆进行支撑。在建筑物内部安装时,要考虑便于维修和扩展,在必要的地方还需提供管道,保护电缆。,同轴电缆一般安装在设备与设备之间。在每一个用户位置上都装备有一个连接器,为用户提供接口。接口的安装方法如下:(1)细缆 将细缆切断,两头装上BNC头,然后接在T型连接器两端。(2)粗缆 粗缆一般采用一种类似夹板的Tap装置进行安装,它利用Tap上的引导针穿透电缆的绝缘层,直接与导体相连。电缆两端头设有终端器,以削弱信号的反射作用。,同轴电缆的组成,同
9、轴电缆是由中心导体、绝缘材料层、网状织物构成的屏蔽层以及外部隔离材料层组成,规格型号,同轴电缆可分为两种基本类型,基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前基带常用的电缆,其屏蔽线是用铜做成的网状的,特征阻抗为50(如RG-8、RG-58等);宽带同轴电缆常用的电缆的屏蔽层通常是用铝冲压成的,特征阻抗为75(如RG-59等)。,粗同轴电缆与细同轴电缆是指同轴电缆的直径大还是小。粗缆适用于比较大型的局部网络,它的标准距离长、可靠性高。粗缆网络必须安装收发器和收发器电缆,安装难度大,所以总体造价高。相反,细缆安装则比较简单,造价低,但由于安装过程要切断电缆,两头须装上基本网络连接头(BNC),然后接在T型连
10、接器两端,所以当接头多时容易产生接触不良的隐患,这是目前运行中的以太网所发生的最常见故障之一。,最常用的同轴电缆有下列几种:,RG-8或RG-11 50RG-58 50RG-59 75RG-62 93 计算机网络一般选用RG-8以太网粗缆和RG-58以太网细缆。RG-59 用于电视系统。RG-62 用于ARCnet网络和IBM3270网络。,布线结构,在计算机网络布线系统中,对同轴电缆的粗缆和细缆有三种不同的构造方式：即细缆结构粗缆结构粗/细缆混合结构,1、细缆结构,1)硬件配置,网络接口适配器:网络中每个结点需要一块提供BNC接口的以太网卡、便协式适配器或PCMCIA卡。BNC-T型连接器:
11、细缆Ethernet上的每个结点通过T型连接器与网络进行连接,它水平方向的两个插头用于连接两段细缆,与之垂直的插口与网络接口适配器上的BNC连接器相连。电缆系统:用于连接细缆以太网的电缆系统包括:细缆(RG-58 A/U):直径为5毫米,特征阻抗为50欧姆的细同轴电缆。BNC连接器插头:安装在细缆段的两端。BNC桶型连接器:用于连接两段细缆。BNC终端匹配器:BNC 50欧姆的终端匹配器安装在干线段的两端,用于防止电子信号的反射。干线段电缆两端的终端匹配器必须有一个接地。中继器:对于使用细缆的以太网,每个干线段的长度不能超过185米,可以用中继器连接两个干线段,以扩充主干电缆的长度。每个以太网
12、中最多可以使用四个中继器,连接五个干线段电缆。,2)技术参数,最大的干线段长度:185米。最大网络干线电缆长度:925米。每条干线段支持的最大结点数:30。BNC-T型连接器之间的最小距离:0.5米。,3)特点,容易安装。造价较低。网络抗干扰能力强。网络维护和扩展比较困难。电缆系统的断点较多,影响网络系统的可靠性。,2、粗缆结构,1)硬件配置,建立一个粗缆以太网需要一系列硬件设备,包括:(1)网络接口适配器:网络中每个结点需要一块提供AUI接口的以太网卡、便提式适配器或PCMCIA卡。(2)收发器(Transceiver):粗缆以太网上的每个结点通过安装在干线电缆上的外部收发器与网络进行连接。
13、在连接粗缆以太网时,用户可以选择任何一种标准的以太网(IEEE802.3)类型的外部收发器。(3)收发器电缆:用于连接结点和外部收发器,通常称为AUI电缆。(4)电缆系统:连接粗缆以太网的电缆系统包括:粗缆(RG-11 A/U):直径为10毫米,特征阻抗为50欧姆的粗同轴电缆,每隔2.5米有一个标记。N-系列连接器插头:安装在粗缆段的两端。N-系列桶型连接器:用于连接两段粗缆。N-系列终端匹配器:N-系列50欧姆的终端匹配器安装在干线电缆段的两端,用于防止电子信号的反射。干线电缆段两端的终端匹配器必须有一个接地。(5)中继器:对于使用粗缆的以太网,每个干线段的长度不超过500米,可以用中继器连
14、接两个干线段,以扩充主干电缆的长度。每个以太网中最多可以使用四个中继器,连接五段干线段电缆。,2)技术参数,最大干线段长度:500米。最大网络干线电缆长度:2500米。每条干线段支持的最大结点数:100。收发器之间最小距离:2.5米。收发器电缆的最大长度:50米。,3)特点,具有较高的可靠性,网络抗干扰能力强。具有较大的地理覆盖范围,最长距离可达2500米。网络安装、维护和扩展比较困难。造价高。,3、粗/细缆混合结构,1)硬件配置在建立一个粗/细混合缆以太网时,除需要使用与粗缆以太网和细缆以太网相同的硬件外,还必须提供粗缆和细缆之间的连接硬件。连接硬件包括:N-系列插口到BNC插口连接器。N-
15、系列插头到BNC插口连接器。,2)技术参数,最大的干线长度:大于185米,小于500米。最大网络干线电缆长度:大于925米,小于2500米。为了降低系统的造价,在保证一条混合干线段所能达到的最大长度的情况下,应尽可能使用细缆。可以用下面的公式计算在一条混合的干线段中能够使用的细缆的最大长度t=(500-L)/3.28，其中:L为要构造的干线段长度,t为可以使用的细缆最大长度。例如,若要构造一条400米的干线段,能够使用的细缆的最大长度为:(500-400)/3.28=30(米)。,3)特点,造价合理。网络抗干扰能力强。系统复杂。网络维护和扩展比较困难。增加了电缆系统的断点数,影响网络的可靠性。
16、,同轴电缆和计算机连接,图 N型连接器,（a）BNC头（b）T型头 BNC型连接器,双绞线,什么是近端串扰,当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就是利用两条导线绞合在一起后，因为相位相差180度的原因而抵消相互间的干扰的。绞距越紧则抵消效果越佳，也就越能支持较高的数据传输速率。近端串扰是指在与发送端处于同一边的接收端处所感应到的从发送线对感应过来的串扰信号。在串扰信号过大时，接收器将无法判别信号是远端传送来的微弱信号还是串扰信号。,双绞线(TP:Twisted Pairwire),是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具
17、有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线一般由两根2226号绝缘铜导线相互缠绕而成。,如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制,但价格较为低廉。,双绞线可分为,非屏蔽双绞线(UTP:Unshilded Twisted Pair)屏蔽双绞线(STP:Shielded Twisted Pair)。,屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP),以箔屏蔽以减少 干扰和串音,3类、5类双绞线外没
18、有任何附加屏蔽,用来传输模拟声音信息和数字信号。由于利用双绞线传输信息时要向周围幅射,信息很容易被窃听,因此要花费额外的代价加以屏蔽。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹,以减小幅射,但并不能完全消除辐射。,非屏蔽双绞线电缆具有以下优点:,无屏蔽外套,直径小,节省所占用的空间;重量轻、易弯曲、易安装;将串扰减至最小或加以消除;具有阻燃性;具有独立性和灵活性,适用于结构化综合布线。,双绞线的分类,一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。二类：最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。三类：指目前在ANSI和EIA/T
19、IA568标准中指定的电缆。最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T四类：最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T.五类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络超五类：可以传送100M、1000Mbps。增强型五类线。常用六类线：可传输1000Mbps，超六类线，可走10GMbps 万兆,(a)Category 3 UTP.-Cat3(b)Category 5 UTP.-Cat5双绞主要是为了降低电线本身的电磁干扰。
20、绞合密度越大，抗干扰能力越强。双绞线的类型由单位长度内的绞环数确定,T568A的线序为：白绿，绿，白橙，蓝，白蓝，橙，白棕，棕T568B的线序为：白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕,5类双绞线的线序,直连网线交叉网线,Side 1,Side 2,Side 1,12345678,12345678,1=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕,Side 2,Side 1,Side 2,Side 1,Side 2,12345678,12345678,1=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕,1=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=
21、棕,1=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕,设备连接方式,光 纤,概述,光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15mm50mm。而单模光纤芯的直径为8mm10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。,光纤,光纤中心是光传播的玻璃芯芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套
22、,在使用光缆互联多个小型机的应用中,必须考虑光纤的单向特性,如果要进行双向通信,那么就应使用双股光纤。由于要对不同频率的光进行多路传输和多路选择,因此在通信器件市场上又出现了光学多路转换器。在普通计算机网络中安装光缆是从用户设备开始的。因为光缆只能单向传输。为了实现双向通信,光缆就必需成对出现,一个用于输入,一个用于输出。光缆两端接光学接口器。安装光缆需格外谨慎。连接每条光缆时都要磨光端头,通过电烧烤或化学环氯工艺与光学接口连在一起,确保光通道不被阻塞。光纤不能拉得太紧,也不能形成直角。,光缆(Fiber Optics),光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,包层（低折射
23、率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,光缆,光缆是数据传输中最有效的一种传输介质,它有以下几个优点：频带较宽电磁绝缘性能好衰减较小中继器的间隔较大,只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤(如图3-12(a)所示)。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤(图3-12(b)。,单模光纤SMF（Sin
24、gle Mode Fiber）,多模光纤与单模光纤,多模光纤MMF（MultiModeFiber）,光纤传送模式,输出电信号,波长:1300,1550 nm,h1,h2,波长:850,1300 nm,h2,h1,芯/封套特性,光纤的直径减小到一个光波波长,光纤通信系统的主要优点有:,传输频带宽,通信容量大。线路损耗低,传输距离远。抗干扰能力强,应用范围广。线径细,重量轻。抗化学腐蚀能力强。光纤制造资源丰富。,多模光缆,850nm或1300nm 2KM（100M）500M（1000M）,单模光缆,1310nm或1550nm 5KM（100M）2KM（1000M）,典型的光缆,玻璃封套,塑料外套,
25、玻璃内芯,单芯光缆,多芯光缆,玻璃内芯,塑料外套,玻璃封套,外壳,光纤收发器,光缆,3.2 物理层中的传输媒体,常见光纤接头,FCPC型光尾纤接头外形图,SCPC型光尾纤接头外形图,ST-PC型光尾纤接头外形图,FC/PCSC/PC型光尾纤外形图,常见光接口连接器,SC/PC型光连接器,ST型光连接器,FC/PC型光连接器,BNC型光连接器,MTRJ型光连接器,Caption:Optical fiber cables connected to an ATM switch.,Caption:Optical fiber connections into an ATM NIC;this comput
26、er also has an AUI Ethernet connection just below the orange optical fiber cable.,Caption:Optical fiber and connectors;the small black covers protect the end of the connector when the connector is not in use.,广域网线缆,WAN物理层规范,WAN物理层协议定义了DTE和DCE之间的接口规范和标准包括：EIA/TIA232、V.24、V.35等,异步&同步串口,异步串口两种异步串口：异步串口
27、分为设置成异步方式的同/异步串口和专用异步串口异步串口可以设为专线方式和拨号方式，常用的是拨号方式同步串口可以工作在DTE和DCE两种方式可以外接多种类型电缆支持多种链路层协议支持IP和IPX网络层协议show interface serial命令可显示同步串口的信息,V.24规程的机械特性,DB50（路由器端）-DB25（外接网络端）可工作在同步和异步两种方式下异步工作方式下最高传输速率是115200bps同步方式下最高传输速率为 64000bps,V.24电气特性、传输速率和距离,在路由器中使用V.24的有WAN、AUX、8AS、Console符合标准的RS-232电平：12V传输速率和距
28、离,ISDN BRI接口,BRI 接口：2B+DU口 使用两芯的RJ-11或者RJ-45连接器S/T口 使用四芯的RJ-45连接器PRI接口在Quidway R系列路由器上以CE1/PRI接口的形式出现,CE1/PRI接口,带BNC头的连接器用于接75欧姆非平衡同轴电缆的网络端带RJ-45水晶头的电缆用于接120欧平衡屏蔽双绞线的网络端,V.24规程的机械特性,DB50（路由器端）-DB25（外接网络端）可工作在同步和异步两种方式下异步工作方式下最高传输速率是115200bps同步方式下最高传输速率为 64000bps,V.35规程的机械特性,DB34（外接网络端）-DB50（路由器端）DTE
29、端为34针型插头DCE端为34孔型插头,V.35电气特性、传输速率和距离,控制信号遵从标准RS-232电平标准：12V数据与时钟遵从V.35电平标准：0.5V同步方式下最大传输速率是：2048000 bpsEIA/TIA-V.35 电缆的速率和传输距离,网线的制作,准备工作：RJ45卡线钳一把水晶头双绞线制作步骤：共有四步，可以简单归纳为四个字：“剥”，“理”，“插”，“压”,步骤一 剥线,剥线的长度为13mm15mm，不宜太长或太短,步骤一 剥线,剥线的长度为13mm15mm，不宜太长或太短,步骤二 理线,按顺序整理平，遵守规则，否则不能正常通信,步骤三 插线,一定要平行插入到线顶端，以免触
30、不到金属片,步骤四 压线,压过的水晶头的金属脚比没压要低,线缆检测,发射器和接收器两端的灯同时亮为正常,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,Caption:The end of a twisted pair Ethernet cable with an RJ-45 connector.,Caption:The back of a personal computer with an Ethernet network interface card.The card is located in the far right slo
31、t and has connectors for twisted pair,thick and thin Ethernet type cabling.,Caption:A 10/100 megabit twisted pair Ethernet interface in a personal computer.The link indicator is illuminated indicating that the interface is connected to an active Ethernet network.The 10 Mbit/s indicator is lit,while
32、the 100 Mbit/s indicator is not.This shows that the network is operating in the slower 10 megabit mode.,Caption:Punch-down connections for 10Base-T on a patch panel that allows flexible interconnections between 10Base-T twisted-pair cables.,Caption:A close up of the three Ethernet patch cables.The b
33、lue cabling is twisted pair Ethernet cable.,Caption:A closeup of four copper twisted pair to fiber optic converters.These devices allow a twisted pair network to extend to distances further than copper twisted pair cabling allows by converting the electrical signals to optical signals.,Caption:Cables running through conduit;individual cables can be added,replaced or removed without disturbing other cables or the building walls and floors;one conduit can carry more than one type of cable such as thick Ethernet,voice telephone,10Base-T and optical fiber.,
