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第第3章章 物理层物理层1本章学习要求本章学习要求：掌握：物理层与物理层协议的基本概念掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：掌握：数据通信的基本概念。数据通信的基本概念。了解：了解：无线与卫星通信技术的基本概念。无线与卫星通信技术的基本概念。掌握：掌握：数据编码的类型和基本方法。数据编码的类型和基本方法。了解：了解：基带传输的基本概念。基带传输的基本概念。掌握：掌握：频带传输的基本概念。频带传输的基本概念。掌握掌握：多路复用的分类与特点。多路复用的分类与特点。掌握：广域网中的数据交换技术。掌握：广域网中的数据交换技术。掌握：同步数字体系掌握：同步数字体系SDH的基本概念的基本概念。2计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.1 物理层与物理层协议的基本概念物理层与物理层协议的基本概念3.1.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 通信子网分为通信子网分为点点-点通信线路通信子网点通信线路通信子网与与广播信道通信广播信道通信子网子网;广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道般采用广播信道;由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线点通信线路，另一类是基于广播信道。路，另一类是基于广播信道。3计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.1.2 物理层基本服务功能物理层基本服务功能物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流；输介质上传输各种数据的比特流；计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层层屏蔽屏蔽通信技术的差异性；通信技术的差异性；数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。一个数据链路实体。4计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.1.3 物理层向数据链路层提供的服务物理层向数据链路层提供的服务 物理连接的建立、维护与释放物理连接的建立、维护与释放；物理连接分为点物理连接分为点-点连接与多点连接点连接与多点连接；数据传输分为全双工、半双工与单工方式数据传输分为全双工、半双工与单工方式；数据传输分为串行传输方式与并行传输方式数据传输分为串行传输方式与并行传输方式；5计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.2 数据通信的基本概念数据通信的基本概念3.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号1.信息的基本概念通信的目的是交换信息，通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合；母、数字、语音、图形或图像的组合；为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；形或图像用二进制代码的数据来表示；为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；字信号编码的方式表示；数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的比特序列的模拟或数字信号的过程。过程。6计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层信息编码标准信息编码标准ASCII 码被国际标准化组织码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准接受，成为国际标准ISO 646，又称为国际又称为国际5号码号码;它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准;ASCII码采用码采用7位二进制比特编码，可以表示位二进制比特编码，可以表示128个字符个字符;字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。字、字母、运算符号、商用符号等。7计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层多媒体网络应用多媒体网络应用利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一；术研究的重要内容之一；与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性；要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性；多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出更高的要求。更高的要求。8计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2.信号的概念信号的概念 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的；的信号电平是连续变化的；数字信号（数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；比特序列的电压脉冲信号表示；按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。通信系统与数字通信系统两种。9计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层模拟信号波型模拟信号波型数字信号波型数字信号波型10计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.2.2 数据传输类型与通信方式数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程网络中两台计算机的通信过程11计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层网络通信系统设计中要解决的几个基本问题网络通信系统设计中要解决的几个基本问题数据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信数据通信方式数据通信方式 串行通信串行通信、并行通信并行通信 单工通信单工通信、半双工或全双工通信半双工或全双工通信同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信12计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层串行通信与并行通信串行通信与并行通信 13计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 14计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层同步通信与异步通信同步通信与异步通信15计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.2.3 传输介质的主要类型传输介质的主要类型双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光纤电缆光纤电缆无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道16计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层1.双绞线的主要特性双绞线的主要特性 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP17计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2.同轴电缆的主要特性同轴电缆的主要特性 18计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.光纤电缆的主要特性光纤电缆的主要特性19计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层单模光纤与多模光纤的比较单模光纤与多模光纤的比较 20计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层4.无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术电磁波的传播有两种方式：电磁波的传播有两种方式：以无线方式一种是在自由空间中传播；以无线方式一种是在自由空间中传播；以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。目前目前以无线方式进行以无线方式进行通信的主要有：通信的主要有：无线（无线（radio）；）；微波（微波（microwave）；）；红外（红外（infrared）；）；可见光（可见光（visible light）。）。21计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层（1）微波通信）微波通信 视距传播视距传播电离层反射电离层反射22计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层（2）蜂窝无线通信蜂窝无线通信多址接入方法：多址接入方法：频分多址接入（频分多址接入（FDMA）时分多址接入（时分多址接入（TDMA）码分多址接入（码分多址接入（CDMA）23计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层（3）卫星通信）卫星通信24计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.3 数据编码技术数据编码技术3.3.1 数据编码类型数据编码类型25计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.3.2 模拟数据编码方法模拟数据编码方法26计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层传传统统的的电电话话通通信信信信道道是是为为传传输输语语音音信信号号设设计计的的，只只适适用用于于传传输输音音频频范范围围（300Hz3400Hz）的的模模拟拟信信号号，无无法直接传输计算机的数字信号；法直接传输计算机的数字信号；为为了了利利用用模模拟拟语语音音通通信信的的电电话话交交换换网网实实现现计计算算机机的的数数字字数数据据信信号号的的传传输输，必必须须首首先先将将数数字字信信号号转转换换成成模模拟拟信号；信号；将将发发送送端端数数字字数数据据信信号号变变换换成成模模拟拟数数据据信信号号的的过过程程称称为调制为调制，将调制设备称为调制器（将调制设备称为调制器（modulator）；）；将将接接收收端端模模拟拟数数据据信信号号还还原原成成数数字字数数据据信信号号的的过过程程称称为解调为解调，将解调设备称为解调器（将解调设备称为解调器（demodulator）；）；同同时时具具备备调调制制与与解解调调功功能能的的设设备备称称为为调调制制解解调调器器（modem）。27计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率的正的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：u（t）=umsin（t+0）3个可以改变的电参量：个可以改变的电参量：振振 幅幅 um 角频率角频率 相相 位位 可以通过变化可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。目的。28计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层1.振幅键控（振幅键控（amplitude shift keying,ASK）u um msinsin（1 1t+t+0 0）数字数字1 1 u u（t t）=0 0 数字数字0 0振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。力较差。29计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2.移频键控（移频键控（frequency-shift keying，FSK）u um msinsin（1 1t+t+0 0）数字数字1 1 u u（t t）=u um msinsin（2 2t+t+0 0）数字数字0 0移频键控移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。较强，是目前最常用的调制方法之一。30计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.移相键控（移相键控（phase-shift keying，PSK）绝对调相绝对调相u um msinsin（t+0t+0）数字数字1 1 u u（t t）=u um msinsin（t+t+）数字数字0 0移相键控可以分为移相键控可以分为：绝对调相绝对调相 相对相对调相调相 二二相调相相调相 多多相调相相调相 31计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.3.3 数字数据编码方法数字数据编码方法基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传 输速率与系统效率输速率与系统效率;在基带传输数字数据信号的编码方式主要有：在基带传输数字数据信号的编码方式主要有：非归零码非归零码NRZ；曼彻斯特（曼彻斯特（manchester）编码；编码；差分曼彻斯特差分曼彻斯特（difference manchester）编码编码。32计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层1.非归零码非归零码NRZNRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步；方不能保持同步；为保证收发双方的同步，必须在发送为保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，码的同时，用另一个信道同时传送同步信号；用另一个信道同时传送同步信号；如果信号中如果信号中“1”与与“0”的个数不相等时，存在直流的个数不相等时，存在直流分量分量。33计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2.曼彻斯特（曼彻斯特（manchester）编码编码曼彻斯特编码的规则曼彻斯特编码的规则：每比特的周期每比特的周期T分为前分为前T/2与后与后T/2两部分；两部分；通过前通过前T/2传送该比特的反码，通过后传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特传送该比特 的原码；的原码；曼彻斯特编码的优点曼彻斯特编码的优点：每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时 间间隔可以是间间隔可以是T/2或或T；利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；曼彻斯特编码信号又称做曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码自含钟编码”信号，发送曼信号，发送曼 彻斯特编码信号时无需另发同步信号。彻斯特编码信号时无需另发同步信号。34计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层差分曼彻斯特差分曼彻斯特（difference manchester）编码编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是：差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是：每比特的中间跳变仅做同步之用；每比特的中间跳变仅做同步之用；每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定;一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳不发生跳变表示传输二进制变表示传输二进制1。35计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层数字数据编码信号的波形数字数据编码信号的波形36计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.3.4 脉冲编码脉冲编码 调制方法调制方法采样采样量化量化编码编码37计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层PCM用于数字语音系统用于数字语音系统：声音分为声音分为128个量化级；个量化级；每个量化级采用每个量化级采用7位二进制编码表示；位二进制编码表示；采样速率为采样速率为8000样本样本/秒；秒；数据传输速率应达到数据传输速率应达到7位位8000/秒秒=56kb/s；如果每个量化级采用如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示位二进制编码表示;数据传输速率应达到数据传输速率应达到8位位8000/秒秒=64kb/s。38计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.4 基带传输技术基带传输技术 3.4.1 基带传输的定义基带传输的定义在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号据信号是典型的矩形脉冲信号;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带简称为基带,矩矩形脉冲信号就叫做基带信号形脉冲信号就叫做基带信号;在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输传输;在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号信号;在接收端由解码器恢复成与发送端相同的在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号矩形脉冲信号;基带传输是一种最基本的数据传输方式。基带传输是一种最基本的数据传输方式。39计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.4.2 通信信道带宽对基带传输的影响通信信道带宽对基带传输的影响 通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大；通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大；信道带宽越宽，信号传输的失真越小。信道带宽越宽，信号传输的失真越小。40计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.4.3 数据传输速率的定义与信道速率的极限数据传输速率的定义与信道速率的极限数据传输速率的定义数据传输速率的定义 数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一；数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一；数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特的二进制比特数，单位为比特/秒，记做秒，记做b/s；常用的数据传输速率单位有：常用的数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与与Tb/s，其中：其中：1Kb/s=1103 b/s 1Mb/s=1106 b/s 1Gb/s =1109 b/s 1Tb/s =11012 b/s41计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层信道速率的极限值信道速率的极限值奈奎斯特准则奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率：二进制数据信号的最大数据传输速率 Rmax与通信信道带宽与通信信道带宽B（B=f，单位单位Hz）的关系为的关系为Rmax=2f（b/s）。）。香农定理香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率数据传输速率Rmax与信道带宽与信道带宽B，信噪比信噪比S/N 的关系为的关系为Rmax=Blog2（1+S/N）S/N为信噪比。为信噪比。42计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.5 频带传输技术频带传输技术3.5.1 电话交换网的结构电话交换网的结构43计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.5.2 频带传输的定义频带传输的定义 利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；调制解调器（调制解调器（modemmodem）是频带传输中最典型的通信设备；是频带传输中最典型的通信设备；调制解调器的作用是：调制解调器的作用是：在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。信号。44计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层 3.5.3 调制解调器的基本工作原理调制解调器的基本工作原理45计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层modem实现全双工通信的工作原理实现全双工通信的工作原理46计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.6 多路复用技术多路复用技术 多路复用的基本概念多路复用的基本概念47计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.6.1 多路复用技术的分类多路复用技术的分类频分多路复用频分多路复用FDM波分多路复用波分多路复用WDM时分多路复用时分多路复用TDM48计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.6.2 频分多路复用频分多路复用在一条通信线路设计多路通信信道在一条通信线路设计多路通信信道;每路信道的信号以不同的载波频率进行调制每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;各个载波频率是不重叠的各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。时独立地传输多路信号。49计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层贝尔系统的贝尔系统的T1载波载波24路音频信道复用在一条通信线路上；路音频信道复用在一条通信线路上；每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个个PCM编码器；编码器；编码器每秒取样编码器每秒取样8000次；次；24路路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；每个字节的长度为每个字节的长度为8位，其中位，其中7位是数据位，位是数据位，1位用于信位用于信道控制；道控制；每帧由每帧由248=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有所以每帧共有193位；位；发送一帧需要发送一帧需要125毫秒；毫秒；T1载波的数据传输速率为载波的数据传输速率为1.544Mb/s。50计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层 3.6.3 波分多路复用波分多路复用光纤通道（光纤通道（fiber optic channel）技术采用了波长分隔多路技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用复用方法，简称为波分复用WDM;在一根光纤上复用在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波路或更多路的光载波信号称为密集波分复用分复用DWDM；目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s。51计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.6.4 时分多路复用时分多路复用时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；时间片；每个用户分得一个时间片；每个用户分得一个时间片；在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。52计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层时分多路复用的分类时分多路复用的分类 同步时分多路复用同步时分多路复用统计时分多路复用统计时分多路复用53计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.7 广域网中的数据交换技术广域网中的数据交换技术广域网中的数据交换技术广域网中的数据交换技术 线路交换（线路交换（circuit exchanging）存储转发（存储转发（store-and-forward exchanging）交换交换存储转发存储转发交换技术交换技术 报文（报文（message exchanging）报文分组交换（报文分组交换（packet exchanging）54计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.7.1 线路交换线路交换方式方式线路交换是面向连接的服务；线路交换是面向连接的服务；两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段；传输与释放连接的三个阶段；线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会话类通信；互式会话类通信；线路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系线路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。交通量。55计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层线路交线路交换过程换过程示意图示意图56计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.7.2 存储转发交换存储转发交换方式方式存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别发发送送的的数数据据与与目目的的地地址址、源源地地址址、控控制制信信息息按按照照一一定定格格式式组组成成一一个个数数据据单单元元（报报文文或或报报文文分分组组）进进入入通通信信子网；子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。57计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层存储转发方式的优点存储转发方式的优点由由于于通通信信子子网网中中的的通通信信控控制制处处理理机机可可以以存存储储分分组组，多多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；个分组可以共享通信信道，线路利用率高；通通信信子子网网中中通通信信控控制制处处理理机机具具有有路路选选功功能能，可可以以动动态态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；选择报文分组通过通信子网的最佳路径；可以平滑通信量，提高系统效率；可以平滑通信量，提高系统效率；分分组组在在通通过过通通信信子子网网中中的的每每个个通通信信控控制制处处理理机机时时，均均要要进进行行差差错错检检查查与与纠纠错错处处理理，因因此此可可以以减减少少传传输输错错误误，提高系统可靠性；提高系统可靠性；通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。58计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层报文与报文分组报文与报文分组数据通过通信子网传输时可以有报文（数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文与报文分组（分组（packet）两种方式；两种方式；报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；个逻辑单元发送；报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。报文分组发送。59计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层报文和报文分组结构报文和报文分组结构 由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；发花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用的是分组交换技术。公用数据网采用的是分组交换技术。60计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.7.3 数据报方式数据报方式 数据报是分组存储转发的一种形式；数据报是分组存储转发的一种形式；在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立与目的主机之间建立“线路连接线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；输路径；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。达目的主机。61计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层数据报方式的工作原理示意图数据报方式的工作原理示意图 62计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层数据报工作方式的特点数据报工作方式的特点同同一一报报文文的的不不同同分分组组可可以以由由不不同同的的传传输输路路径径通通过过通通信信子网；子网；同同一一报报文文的的不不同同分分组组到到达达目目的的结结点点时时可可能能出出现现乱乱序序、重复与丢失现象；重复与丢失现象；每每一一个个分分组组在在传传输输过过程程中中都都必必须须带带有有目目的的地地址址与与源源地地址；址；数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。不适用于长报文、会话式通信。63计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.7.4 虚电路方式虚电路方式 虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果换效果;数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路;虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。阶段。64计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层虚电路方式虚电路方式 原理示意图原理示意图65计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层虚电路的特点虚电路的特点在在每每次次分分组组发发送送之之前前，必必须须在在发发送送方方与与接接收收方方之之间间建建立立一一条条逻逻辑辑连连接接。这这是是因因为为不不需需要要真真正正去去建建立立一一条条物物理理链链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；一一次次通通信信的的所所有有分分组组都都通通过过这这条条虚虚电电路路顺顺序序传传送送，因因此此报报文文分分组组不不必必带带目目的的地地址址、源源地地址址等等辅辅助助信信息息。分分组组到到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；分分组组通通过过虚虚电电路路上上的的每每个个结结点点时时，结结点点只只需需要要做做差差错错检检测，而不需要做路径选择；测，而不需要做路径选择；通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。接。66计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层虚电路方式与线路交换方式的不同之处虚电路方式与线路交换方式的不同之处虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接，称为虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接，称为“虚虚电路电路”是因为这种电路不是专用的。每个结点到其他是因为这种电路不是专用的。每个结点到其他结点间可能有无数条虚电路存在；结点间可能有无数条虚电路存在；一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路；一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路；每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。67计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.7.5 ATM交换方式交换方式ATM是一种面向连接的技术；是一种面向连接的技术；采用小的、固定长度采用小的、固定长度53字节的信元作为数据传输单元；字节的信元作为数据传输单元；能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信；能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信；ATM以以统统计计时时分分多多路路复复用用方方式式动动态态分分配配网网络络带带宽宽，网网络传输延时小，适应实时通信的要求；络传输延时小，适应实时通信的要求；ATM没没有有链链路路级级纠纠错错与与流流量量控控制制，协协议议简简单单，数数据据交交换效率高；换效率高；ATM采采用用两两级级虚虚电电路路机机制制，增增加加了了虚虚电电路路分分配配的的灵灵活活性；性；ATM的数据传输速率可以在的数据传输速率可以在155Mb/s2.4Gb/s。68计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层ATM信元结构信元结构ATM是一种高速分组交换技术，交换的基本数据传输是一种高速分组交换技术，交换的基本数据传输单元是信元；单元是信元；在在ATM交换方式中，文本、语音、视频等所数据将被交换方式中，文本、语音、视频等所数据将被分解为长度固定的信元（分解为长度固定的信元（Cell）；）；信元有一个信元有一个5字节的信元头（字节的信元头（header）与一个与一个48字节的字节的用户数据（用户数据（user data），），信元长度为信元长度为53字节。字节。69计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层物理链路（物理链路（Physical Link）虚通路（虚通路（VP，Virtual Path）虚通道（虚通道（VC，Virtual Channel）70计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层虚通路连接与虚通道连接虚通路连接与虚通道连接 71计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层支持远程教学的支持远程教学的ATM网网72计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层用于多媒体传输的虚通道用于多媒体传输的虚通道 73计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.8 同步数字体系同步数字体系SDH3.8.1 SDH发展的背景发展的背景 早期的数字传输系统与设备在运行过程中暴露出固早期的数字传输系统与设备在运行过程中暴露出固有的弱点有的弱点:数据传输速率不标准数据传输速率不标准,存在着存在着T1 与与E1两个互不兼容的两个互不兼容的标准，在高次群的速率方面，日本又使用了第三种不标准，在高次群的速率方面，日本又使用了第三种不兼容的标准；兼容的标准；光设备接口标准不规范，光设备接口标准不规范，没有国际的标准规范，各个没有国际的标准规范，各个厂家使用自己标准厂家使用自己标准 ；数据传输速率不断提高，解决复用系统中的同步问题数据传输速率不断提高，解决复用系统中的同步问题困难较大。困难较大。74计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层同步光纤网同步光纤网SONET同步光纤网的概念是由美国贝尔通信研究所首先提出来同步光纤网的概念是由美国贝尔通信研究所首先提出来的；的；设计同步光纤网的目的是解决光接口标准规范问题，定设计同步光纤网的目的是解决光接口标准规范问题，定义同步传输的线路速率的等级体系，以使不同的厂家的义同步传输的线路速率的等级体系，以使不同的厂家的产品可以互连，从而能够建立大型的光纤网络；产品可以互连，从而能够建立大型的光纤网络；1988年年ITU-T接受了接受了SONET的概念，并重新命名为同步的概念，并重新命名为同步数字体系数字体系SDH，使之不仅仅适用于光纤，也适用于微波使之不仅仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输，成为通用性技术体制；和卫星传输，成为通用性技术体制；ITU-T对对SDH的速率、复用帧结构、复用设备、线路系的速率、复用帧结构、复用设备、线路系统、光接口、网络管理和信息模型等进行了定义，确立统、光接口、网络管理和信息模型等进行了定义，确立了作为国际标准的同步数字体系了作为国际标准的同步数字体系SDH；目前各个发达国家都把目前各个发达国家都把SDH作为新一代的传输体系，加作为新一代的传输体系，加紧对紧对SDH的研究、开发与应用工作。的研究、开发与应用工作。75计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.8.2 SDH速率体系速率体系SONET的的OC级级 与与SDH的的STM级级 的速率对应关系的速率对应关系 传输速率（Mb/s）OC级STS级STM级51.840OC-1STS-1155.520OC-3STS-3STM-1466.560OC-9622.080OC-12STM-4933.120OC-181243.160OC-24ST