第四章 物理层接口及其协议

主要内容 4.1 物理层的定义和功能 4.2 物理层的特性 4.3 典型的物理层标准接口 4.4 传输介质 4.5 其它网络传输技术 4.1 物理层的定义和功能 4.2 物理层的特性 4.3 典型的物理层标准接口 4.3.1 EIA RS-232-C 4.3.2 IEA RS-449/422-A/423-A 4.3.3 CCITT X.21 4.4 传输介质 4.5 其它网络传输技术

4.1 物理层的定义和功能 物理层的定义 ISO/OSI 关于物理层的定义：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。 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。 研究内容 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。

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)

4.2 物理层的特性 机械特性 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。 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

电气特性 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。 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。 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

功能特性 主要定义各条物理线路的功能。 线路的功能分为四大类： 数据 控制 定时 地 规程特性 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

4.3 典型的物理层标准接口 4.3.1 EIA RS-232-D 1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。 机械特性 两种标准：DB25（DB9）芯连接器，DTE为插头，DCE为插座 电气特性 采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+4V为 “0”，最大 20Kbps，最长15m。非归零编码（NRZ-L）。

功能特性 规程特性 RS-232-C的不足与改进 定义了25条线，许多子集，基本与CCITT V.24兼容。 Fig. 2-21 对不同的功能子集，有不同的规程。 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 RS-232-C的不足与改进 不足 传输性能低，距离短，速率低。 改进 重新设计，X.21； 以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。

利用虚调制解调器 与两台计算机相连 插头 插座 插座 插头 （1）保护地 （1）保护地 （2）发送 （2）发送 （3）接收 （3）接收 （4）请求发送 （4）请求发送 （5）允许发送 （5）允许发送 （6）DCE 就绪 （6）DCE 就绪 （7）信号地 （7）信号地 （8）载波检测 （8）载波检测 （20）DTE 就绪 （20）DTE 就绪 （22）振铃指示 （22）振铃指示 计算机 虚调制解调器 计算机

Caption: RS-232 connectors, showing wiring for three-wire connection.

4.4 传输介质 电信领域使用的电磁波的频谱 f (Hz) f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 无线电 微波 红外线 X射线  射线 可见光 紫外线 (Hz) f 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 双绞线 卫星 光纤 同轴电缆 地面微波 调幅 无线电 调频 无线电 海事 无线电 移动 无线电 电视 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF

各种电缆 无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 同轴电缆 绝缘层 铜线 聚氯乙烯 套层 聚氯乙烯 套层 屏蔽层 铜线 绝缘层 绝缘保护套层 外导体屏蔽层 绝缘层 内导体

导线越粗，传送越远 频率越高，衰减越大，传送越近 3类线：绞合距离是7.5至10cm 5类线：绞合距离是0.6至0.85cm，更精心设计的线对间和线对内绞合度设计，更好地抵消了干扰，提高了速率。 近端串扰：来自一对导体的信号对另一对导体上发生的耦合现象。导体可能是金属针或电缆中的线对。

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 slot 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 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 closeup of the three Ethernet patch cables Caption: A closeup of the three Ethernet patch cables. The blue 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.

基带同轴电缆 宽带同轴电缆 50欧姆，用于数据传输； 10M，1km Fig. 2-3 75欧姆，用于模拟传输， Cable TV技术，300MHz或500MHz 每6M信道一路模拟电视信号，每6M信道传送数据时可达3mb/s 频率特性比双绞线好频率特性比双绞线好//可高速传输可高速传输//屏蔽屏蔽性好性好//抗干扰强抗干扰强//多用于基带传输

光线在光纤中的折射 包层 折射角 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角 包层 （低折射率的媒体）

光纤的工作原理 低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射

多模光纤与单模光纤 多模光纤 输入脉冲 输出脉冲 输入脉冲 输出脉冲 单模光纤

光缆 光网络 Fig. 2-7 组网方式 点到点：四根线（两根用于保护倒换） 环：两根线（一根用于保护倒换） 中继器：光 — 电 — 光，全光 Fig. 2-9 全光网，光因特网论坛 OIF

Caption: Optical fiber cables connected to an ATM switch.

Caption: Optical fiber connections into an ATM NIC; this computer 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.

长波：远距离传输，AM：530K-1 .6M，FM：88M-108M 蜂窝：2G:800-900M,3G:2000M,4G:3000-5000M

GPRS: 800-900M,115k, 3G: 2000M 144K-2M

介质比较 介质 费用 速度 衰减 电磁干扰 安全 非屏双绞 低 1-100M 高 屏双绞 一般 1-150M 同轴电缆 1M-1G 光纤 无线电波 1-10M 微波 1M-10G 可变 卫星 蜂窝 9.6-19.2K

4.5 网络传输技术 4.5.1 SONET/SDH 标准 1985年，Bellcore提出SONET（Synchronous Optical NETwork）标准。 1989年，CCITT提出SDH（Synchronous Digital Hierarchy）标准，与 SONET 有微小差别。 SONET主要用于北美和日本，SDH主要用于欧洲和中国。 SONET/SDH，采用TDM技术，是同步系统，由主时钟控制，时钟精度10-9。 目标：不同线路互联、统一欧美数字系统、复用多个信道、支持网络管理

DWDM

4.5.2 窄带ISDN（Narrowband ISDN）（自学） 主要目标 在原电话系统的基础上，提供模拟和数字多种信号传输。 ISDN的体系结构 ISDN的接口标准 通道类型 A，B，C，D，E，H 三种组合 2B+D，23B+1D或 30B+1D，1A+ 1C ISDN的发展趋势 速度慢，144Kbps（2B + D）可用于目前的Internet访问服务。

4.5.3 宽带ISDN和ATM（自学） B-ISDN基于ATM技术，ATM本身是一种分组交换技术。 B-ISDN技术是电路交换和分组交换之间的一种折衷，基于连接的服务。 虚电路 ATM网络的传输：点到点的连接，随机传输 ATM交换机

DSL(digital subscriber line)：以电话线为传输技术的组合，包括HDSL、SDLS、VDSL、ADSL、RADSL。 HDSL：支持对称的T1/E1（1。544M/2。048M），距离3-4KM，2-4对双绞线。 SDLS：支持对称的T1/E1（1。544M/2。048M），距离3KM，一对双绞线。 VDSL：上行1.5-2.3M，下行13-52M，距离几百米。 ADSL：上行640k-1M，下行1-8M，距离3-5km。采用离散多音频调制技术。划分三个频带：话音（0-25K），下行（20-50K），上行（140K-1M） RADSL：根据线路情况调整。 HFC

无源光网络（Passive Optical Network；PON）包括一个安装于中央控制站（CO） 的光纤终端（OLT），以及安装于客户端的光纤网络单元（ONTs）。在OLT与ONT之间的光纤分布网络（ODN）包含了光纤以及无光源分波器或耦合器（见图一）。在PON的架构中，一个光纤终端（OLT）下可以有多个无源光网络（PON）的单元。每一个单元均可形成一个独立的PON网，藉由并不昂贵的分波器和光纤分布连接多种不同类型的ONT。对于接入网络的无源性设计，减少了对电子元件的需求，如此一来便可以降低维修成本的支出。

无源光网络（PON）是一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。无源光网络的优势具体体现在以下几方面： 　　（1）无源光网络设备简单，安装维护费用低，投资相对也较小。 　　（2）无源光设备组网灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总线型、混合型、冗余型等网络拓扑结构。 　　（3）安装方便，它有室内型和室外型。其室外型可直接挂在墙上，或放置于\"H\"杆上，无须租用或建造机房。而有源系统需进行光电、电光转换，设备制造费用高，要使用专门的场地和机房，远端供电问题不好解决，日常维护工作量大。 　　（4）无源光网络适用于点对多点通信，仅利用无源分光器实现光功率的分配。 　　（5）无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。 　　（6）从技术发展角度看，无源光网络扩容比较简单，不涉及设备改造，只需设备软件升级，硬件设备一次购买，长期使用，为光纤入户奠定了基础，使用户投资得到保证。

D/B Internet 卫星接收机 射频信号管理器 射频调制器 光平台 CMTS TV COMPUTER CM 光节点 干线放大器 延长放大器 EoC前端 视频广播 视频制作 EoC终端 楼头放大器

双向化技术概述 支撑网络与宽带城域网相同 多种可选的接入技术 全国大中城市的广电网络公司都建设了自己的宽带城域网（B平台） 路由交换网络，骨干带宽10G以上，汇聚带宽1G，接入层多提供100Base-X接口（SFP或者FE） 普遍采用MPLS VLAN和QoS支持能力足够 当前各大中城市都建成了B平台(大连很典型) 多种可选的接入技术 Cable Modem接入 EPON+LAN接入 FTTH接入 EoC接入

双向化技术概述：多种接入技术 Cable Modem接入 优势 缺点 部署现状 标准化：采用DOCSIS标准，符合我国频带分割方案 高带宽：DOCSIS 3.0的速率已接近100Mbps 大容量：最小CMTS单元的接入用户数为2K 兼容性：前向兼容，互联互通 缺点 汇聚噪声严重，实际带载能力受限（一个标称2K的CMTS带300） 前端部署太靠上，无法保证带宽 产品门槛高，系统造价居高不下 部署现状 当前全国采用CM接入方式的网/台有50多家 全网部署终端数量超过300万台 全国部署不均衡，集中在大型网台

双向化技术概述：多种接入技术 Cable Modem接入 优势 缺点 部署现状 标准化：采用DOCSIS标准，符合我国频带分割方案 高带宽：DOCSIS 3.0的速率已接近100Mbps 大容量：最小CMTS单元的接入用户数为2K 兼容性：前向兼容，互联互通 缺点 汇聚噪声严重，实际带载能力受限（一个标称2K的CMTS带300） 前端部署太靠上，无法保证带宽 产品门槛高，系统造价居高不下 部署现状 当前全国采用CM接入方式的网/台有50多家 全网部署终端数量超过300万台 全国部署不均衡，集中在大型网台

双向化技术概述：多种接入技术 EPON+LAN接入 优势 缺点 部署现状 标准化：快速以太网接入，与支撑网络无缝连接 高带宽：最大可开放100Mbps带宽，全双向，端到端可控 灵活性：部署灵活，可随客户增加而扩容 兼容性：技术成熟，应用广泛，兼容性优异 缺点 EPON的部署较昂贵 需要FTTB，边缘接入费用高 工程实施量大，实施费用不易测算 重复建设之嫌 设备取电和设备安全问题突出 部署现状 采用EPON+LAN接入的网台大约有10家左右 全网用户数约15万

双向化技术概述：多种接入技术 FTTH接入 优势 缺点 部署 高带宽：采用全光网络，带宽极高 标准化：跟随千兆以太网技术，标准化容易实现 造价昂贵，工程实施难度大，适合于高档别墅区，不适合我国的MTU部署环境 对支撑网络的带宽要求很高 部署 尚未有商业运营的网台

双向化技术概述：多种接入技术 EoC接入 优势 缺点 部署现状 高复用：充分利用同轴电缆网络，节省驻地网投资 高带宽：普遍高于60Mbps，即将提升至100Mbps 灵活性：部署灵活，可随用户增长扩容 成本低：只有CM接入成本的一半左右 缺点 非标化严重，无法互通甚至无法共存 高频方案要求对现有网络进行大规模改造 部署现状 普遍采用EoC接入技术，以江浙一带比较集中 全网终端部署数量超过200万台，发展很快