第二章 物理层 主讲人： 单 位：重庆大学计算机学院 2008年3月

2-2 物理层 2-2.1 物理层的基本概念 2-2.2 物理层下面的传输媒体 2-2.3 物理层标准举例 2-2 物理层 2-2.1 物理层的基本概念 2-2.2 物理层下面的传输媒体 2-2.3 物理层标准举例 此处将每部分主要内容用一两句话来概括一下。并指出要重点介绍的内容：分析和设计

2-2.1物理层的基本概念 1、物理层的定义(ISO/OSI) 2、物理层的功能 3、研究内容 物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。 这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。 2、物理层的功能 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。 3、研究内容 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，及维护管理

2-2.1物理层的基本概念(续1) 4、几点说明 5、物理层的四个重要特性 连接方式（点到点、点到多点） 通信方式（单工、半双工、全双工） 位传输方式（串行、并行） 5、物理层的四个重要特性 机械特性 (mechanical characteristics) 电气特性 (electrical characteristics) 功能特性 (functional characteristics) 规程特性 (procedural characteristics)

2-2.1物理层的基本概念(续2) 6、机械特性 (1)主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。 (2)常用的标准接口 ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A ISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22

2-2.1物理层的基本概念(续3) 7、电气特性 (1) 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。 (2) 早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIA RS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。 (3) CCITT 标准化的电气特性标准 CCITT V.10/X.26：新的非平衡型电气特性，EIA RS-423-A CCITT V.11/X.27 ：新的平衡型电气特性，EIA RS-422-A CCITT V.28：非平衡型电气特性，EIA RS-232-C CCITT X.21/EIA RS-449

2-2.1物理层的基本概念(续4) 8 、功能特性 9、规程特性 (1) 主要定义各条物理线路的功能。 (2) 线路的功能分为四大类： 数据 控制 定时 地 9、规程特性 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2-2.2 物理层下面的传输媒体 2-2.2.1 有线(导向)传输媒体 1、双绞线 2、同轴电缆 3、光纤 2-2.2.2 无线(非导向)传输媒体 1、无线电传输 2、微波传输 3、红外线和毫米波 4、光波传输

2-2.2.1 有线介质 1、双绞线TP(Twisted Pairwire) (1) 铜质导线 (2) 它由两根具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. 一根导线在传输中辐射的电磁波会被另一根导线上发出的电磁波抵消，这样就降低了信号干扰的程度。 (3) 类别： UTP:无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted pair) STP屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair) (4) 主要用在：Ethernet

2-2.2.1 有线介质(续1) (5) UTP：第3类、第4类、第5类、超5类(6类)等形式 1)第3类: 最高数据传输速率为10Mbps、16Mbps的数据,25Mhz信号频率 2)第4类: 最高数据传输率为16Mbps的数据。 3)第5类: 最高数据传输率=100Mbps或更高,125Mhz信号频率。 3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。 5类旋得较紧，一般为每英寸3-4转，而3类则一般是每英尺3-4转 3类：话音 5类：数据

2-2.2.1 有线介质(续2) (6) STP:第3类、第5类

2-2.2.1 有线介质(续3)

2-2.2.1 有线介质(续4) 2、同轴电缆

2-2.2.1 有线介质(续5) 1) 基带同轴电缆： 阻抗为50Ω； 2) 宽带同轴电缆： 阻抗为75Ω,模拟信号； 基带信号（数字数据的编码方式） Etnernet网络(10base5、10base2) 曼切斯特编码 2) 宽带同轴电缆： 阻抗为75Ω,模拟信号； CATV电缆线，频分复用

2-2.2.1 有线介质(续6) 3、 光导纤维(Optical Fiber)(简称光纤) (1) 包层+纤芯 (2) 纤芯：传导光波 (3) 光脉冲通信：有光脉冲为1、无光脉冲为0； (4) 原理:光的全反射原理 1) 当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果折射角足够大，就会出现全反射 2) 包层折射率低、纤芯折射率高 3) 光线从纤芯射向包层，碰到包层时，就会折射回纤芯： 这个过程不断重复、光也就沿着光纤传输下。

2-2.2.1 有线介质(续7) (5) 光纤总类 1) 多模：多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。所谓多模式指有多条光通路，基于全反射原理。 纤芯直径较大、光脉冲有衰减、短距离 芯直径：50或62.515 μm 波 长：850nm、1310nm(2km) 多 模：50/125μm欧洲标准 ， 62.5/125μm美国标准 光 源：发光二极管 多模 “模”是以一定角度进入光纤的一束光

2-2.2.1 有线介质(续8) 2) 单模：在给定的工作波长上只能以单一模式传输，所谓单一模式是指只有一条光通路，直线传播. 纤芯直径很小、衰减小、长距离、容量大 芯直径：8μm ~10μm 波 长：1310nm(30km)、1550nm(50km) 单 模：8/125μm、 9/125μm、10/125μm 光 源：激光二极管 光纤的直径减小到一个光波波长 单模

2-2.2.1 有线介质(续9) (6)常用的三个波长窗口(光纤波段) 850nm： 衰减（attenuation)大 传输速率和距离受限制 价格便宜； 1310nm： 衰减小, 无色散(dispersion)补偿、功率放大情况下，最大传40km 1550nm： 衰减小， 无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km

2-2.2.1 有线介质(续10) (7) 光纤传输的优点 1) 频带宽(单程可达3.2GHs)； 2) 衰减小：在较长距离和范围内信号是一个常数； 3) 长距离：中继器的间隔较大，故可减少整个通道中中继器的数目 4) 抗干扰好：不受电源冲击、电磁干扰和电源故障的影响； 5) 细且重量轻； 6) 保密性好：无光泄漏，抽头难； 7) 误码率低：据贝尔实验室测试，当数据的传输速率为420 Mbps, 且距离为119km无中继器时，其误码率为10-8，可见其传输质量很好.

2-2.2.1 有线介质(续11) 收发各一根线

2-2.2.2 无线传输媒体 无线电：收音机 微 波：地面微波、卫星 红外线：近距离 光 波：激光 微波、红外线、光波：直线传播、视线介质

2-2.2.2 无线传输媒体(续1) 1.蜂窝无线电通信(移动通信) 固定终端点（基站）和终端之间是无线链路 基站覆盖的无线电区域 BS F2 F3 F1 基站 BS 用户计算机和终端 F1, F2, F3 = 使用的频率

2-2.2.2 无线传输媒体(续2) 2.地面微波接力通信 两个地面站之间传送 距离：50 -100 km 特点：容量大、质量高、投资小 缺点：必须直视、受天气影响、保密性差、维护大 地面站之间的直视线路 微波传送塔 地球

2-2.2.2 无线传输媒体(续3) 1)同步卫星：与地面位置相对固定 2)站间传播时延:270ms，与距离无关 3)VSAT:天线直径不超过1m的地面卫星接收站 4)优点：容量大、距离远 不足：时延大

2-2.2.2 无线传输媒体(续4) C波段 4/6 GHz KU波段 12/14 GHz 上行14 - 14.5 GHz 地球 使用微波 使用转发器接收和转发 C波段 4/6 GHz 上行5.925 - 6.425 GHz 下行3.7 - 4.2 GHz KU波段 12/14 GHz 上行14 - 14.5 GHz 下行11.7 - 12.2 GHz 地球 地面站 地面站

2-2.2.2 无线传输媒体(续5) 地球同步卫星 地球 同步卫星:与地面站相对固定置. 一颗卫星覆盖1/3地球表面,使用3个 卫星覆盖全球 22,300 公里 地球 地球同步卫星

2-2.2.2 无线传输媒体(续6) 几种媒体的传输频带 红外线 无线电 紫外线 可见光 微波 104 105 106 107 108 双绞线 电话业务 同轴电缆 AM 无线电 FM 无线电和 TV 地面微波接力 光纤 卫星 102 Hz 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 无线电 红外线 紫外线 可见光 微波

2-2.3 物理层标准实例 2-2.3.1、局域网络的物理层 2-2.3.2、广域网络的物理层 1、Ethernet 2、Token Ring 3、Wlan:无线局域网络 2-2.3.2、广域网络的物理层 1、RS-232、RS449、RS-485、X.21 2、SDH/SONET 3、X.25、FR的物理层 4、DDN、ISDN的物理层 5、ATM的物理层

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485 1、概况 (1) RS232(EIA RS-232-E) : 用于DTE/DCE之间的接口 CCITT:V.24(模拟信道) 1) RS-232-C(EIA:美国电子工业协会) 1960:RS-232 1963:RS-232-A 1965:RS-232-B 1969:RS-232-C 2) RS-232-D:1987 3) RS-232-E:1991 (2) RS-449:1977 (3) RS-485:1983

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续1) 2、RS232工作环境

EIA RS-232插头

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续3) RS-232的特性 (1) 机械特性 25芯连接器，DTE为插头，DCE为插座。(DB25,DB9) (2) 电气特性 1) 负逻辑: 1:-3V~-15V;0:+3V~+15V 2) 最大 20Kbps，最长15m 3) 非平衡传输(unbalanced transmission):所有电路共享一个公用地线 4) 平衡传输(balanced transmission):每个主要电路要两根线，无公用地

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续4) (3) 功能特性 定义了21条线，许多子集，基本与CCITT V.24兼容。 (4) 规程特性 1) 对不同的功能子集，有不同的规程。 2) RS-232-C 有14中不同的接口类型。 适合于：单工、半双工、全双工、同步、异步 (5) RS-232-C的不足与改进 1) 不足 传输性能低、距离短、速率低。 2) 改进 重新设计，X.21:数字接口； 以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续5) 功能特性

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续6) RS232规程实例：DTE-ADTE-B:传输数据 拨号（请求）： (1) DTE-A置引脚20“DTE就绪”=ON, 同时通过引脚2“发送数据”向DEC-A传送电话号码数据 DCE-A向DCE-B拨号 指示（响应）： (2) DCE-B置引脚22“振铃指示”=ON,通知DTE-B有入呼叫信号到达 DTE-B置引脚20“DTE就绪”=ON, DCE-B产生载波信号,置引脚6“DCE就绪”=ON,表示已准备好接收数据

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续7) 连接建立（确认）： (3) DEC-A检测到载波信号,置引脚8“载波检测”=ON,引脚6“DCE就绪”=ON DCE-A通过引脚3“接收数据”向DTE-A发送在其屏幕上显示的信息 (4) DEC-A向DCE-B发送载波信号,DCE-B置引脚8“载波检测=ON 数据传输： (5) DTE-A置引脚4“请求发送”=ON,DCE-A响应就置引脚5“允许发送”=ON DTE-A通过引脚2“发送数据”来发送数据； DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送 (6) DCE-B将收到的模拟信号转换成数据信号，通过引脚3“接收数据”向DTE-B发送。

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续8) 3、EIA RS-449 (1) RS-232-C的替代标准。含三个标准(RS449、RS422、RS423)。 (2) 主要改进 改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率； 增加了新的接口功能，例如，回送检查； 解决了机械接口问题。 (3) 机械特性 37芯或9芯连接器(相当于V.34)。 (4) 电气特性 1) 非平衡型电气特性 RS-423-A，20Kbps以下(可与RS-232连) 10m,300kbps 2) 平衡型电气特性 RS-422-A, 20Kbps ~ 2Mbps (10m,10Mbps),(60m,2Mbps) 3) 1--- -2V~-6V;0--- +2v~+6V

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续9) 4、 EIA RS-485 (1) RS-422的改进。 (2) 机械特性 (2) 机械特性 37芯或9芯连接器(相当于V.34)。 (3) 电气特性 1) 平衡型电气特性 2) 1--- -2V~-6V;0--- +2v~+6V 3) 最大距离1200m、最大速率10Mbps (100m,1Mbps)

2-2.3.2 RS232、RS449、RS485(续10) (1) RS-232:点-点 5、主要差异