第8章 OSI資料鏈結層

學習目標 在學習本章之後，讀者將可以回答下列的問題： 在進行通訊時，實體層的通訊協定和服務所扮演的角色為何？ 在網路中，實體層之訊號和編碼的目的為何？ 訊號是如何透過本地媒體進行傳送？ 銅線、光纖和無線網路等媒體的基本特性為何？ 在網路上，銅線、光纖和無線媒體的運作方式為何？

實體層：通訊的訊號 將介紹實體層的相關目的、運作和基本原則

實體層：通訊的訊號（續） 實體層的目的 實體層運作 實體層標準 實體層的基礎原則

實體層的目的 OSI實體層的角色，是要將資料框的二進位數值編碼成訊號，並在實體媒體上傳送及接收訊號 銅線、光纖或無線 電壓、光線或無線電波的訊號

實體層的目的（續） 實體層元件 實體媒體及相關的連接頭 媒體上的位元表達方式 資料和控制資訊的編碼方式 在網路設備上，傳送和接收的線路

實體層的目的（續） 圖8-1　實體層編碼方式

實體層運作 表8-1　實體層中每種媒體的訊號類型

實體層標準 國際標準組織（ISO） 電子和電機工程師協會（IEEE） 美國國家標準局（ANSI） 國際電信聯盟（ITU） 電子工業聯盟/電信工業協會（EIA/TIA） 國家電信授權組織，例如美國地區的聯邦通訊委員會（FCC）

實體層標準（續） 圖8-2　OSI模型中的硬體與軟體

實體層標準（續） 實體層的標準劃分成四個部分 媒體的實體和電子屬性 連接頭的機構屬性（材料、尺寸和腳位） 表示位元的訊號（編碼） 控制資訊的訊號定義

實體層的基礎原則 實體元件 編碼方式 訊號模式

實體層的基礎原則（續） 圖8-3　實體層程序

實體訊號和編碼方式：表示位元 所傳送的訊息是二進位碼 接收二進位的邏輯訊息 轉換成一種電能的訊號 在實體媒體上傳輸

實體訊號和編碼方式：表示位元（續） 媒體上的位元訊號 編碼方式：位元分群 資料運載的容

媒體上的位元訊號 「位元時間」（bit time） 一個位元時間是取決於NIC的速度，更快的NIC會產生較短的位元時間 振幅（Amplitude） 頻率（Frequency） 相位（Phase）

媒體上的位元訊號（續） 表達位元的三種方式： 振幅（Amplitude） 頻率（Frequency） 相位（Phase）

媒體上的位元訊號（續） 圖8-4　訊號方法

媒體上的位元訊號（續） 非回歸零 非回歸零（Nonreturn to Zero，NRZ）的訊號方法，會在位元時間內取樣其電壓層級 低電壓表示0，而高電壓表示1

媒體上的位元訊號（續） 圖8-5　NRZ編碼方式

媒體上的位元訊號（續） 曼徹斯特編碼 曼徹斯特編碼方式（Manchester Encoding）會在位元時間的中間，有電壓值的變動 電壓從低值變化到高值則表示為1 反之，在位元時間中，電壓從高值變化到低值則表示為0

媒體上的位元訊號（續） 圖8-6　曼徹斯特編碼方式

編碼方式：位元分群 在第1層傳送每筆資料框之前，會先以訊號模式（signal pattern）來進行編碼，告知接收設備有關資料框的起始和結束 「碼群」（code group）是另一種編碼方法，可以增進網路的效率和訊號的可靠性

編碼方式：位元分群（續） 圖8-7　訊號模式

編碼方式：位元分群（續） 圖8-8　碼群

編碼方式：位元分群（續） 改進高速度網路的效能 降低位元層級的錯誤 限制傳輸到媒體的有效能量 協助區分資料位元與控制位元 提供較佳的媒體錯誤偵測

編碼方式：位元分群（續） 三種不同類型的符號 4B/5B分組方法是「碼群」中一個相當簡單的範例 資料符號（data symbols） 控制符號（control symbols） 不正確符號（invalid symbols） 4B/5B分組方法是「碼群」中一個相當簡單的範例

編碼方式：位元分群（續） 圖8-9　4B/5B碼群

資料運載的容量 分析一個媒體的資料傳輸速度： 頻寬（bandwidth）是在限定時間內，運載資料之媒體的容量 實務上的運載率（throughput） 品質上的傳輸率（goodput） 頻寬（bandwidth）是在限定時間內，運載資料之媒體的容量

資料運載的容量（續） 表8-2　頻寬的度量單位

資料運載的容量（續） 運載率（throughput）是一段時間內，媒體運載的實際資料速率 許多因素會影響到運載率 交通的總量 交通的類型 網路上網路設備的數目 傳輸率（goodput）是實際可用之資料位元的傳輸速率

資料運載的容量（續） 圖8-10　運載率和傳輸率

實體媒體：連線通訊 實體層是指一些網路媒體和訊號，它們能夠以電壓、無線電頻率或光波的方式來表示 一群位元

實體媒體：連線通訊（續） 實體媒體的類型 銅線媒體 媒體連接頭

實體媒體的類型 銅線和光纖 電壓、光脈衝和無線電訊號

實體媒體的類型（續） 表8-3　乙太網路媒介

銅線媒體 最常用於資料傳輸的媒體是銅線 「無遮蔽式雙絞線」（UTP） 銅線的類型 通訊的頻寬 連接頭的類型 銜接至媒體之連線的腳位和色碼 媒體的最長距離 「無遮蔽式雙絞線」（UTP） 遮蔽式雙絞線（shielded twisted-pair cables）

銅線媒體（續） 無遮蔽式雙絞線（UTP） UTP纜線的標準 乙太網路中的UTP線具有八條線，雙絞成四種著色的對線（color-coded pairs） UTP纜線的標準 纜線類型 纜線長度 連接頭 纜線終端 纜線的測試方法

銅線媒體（續） 圖8-11　雙絞線（UTP）

銅線媒體（續） 圖8-12　RJ-45連接頭

銅線媒體（續） 圖8-13　在RJ-45連接頭上568A和568B的腳位

銅線媒體（續） 表8-4　UTP纜線類型

銅線媒體（續） 其他的銅線類型 同軸電纜（coaxial cable）。同軸電纜（也稱之為coax）有一個位於中心的單一銅線以及一個外層金屬網，此金屬網是做為接地電路和電磁遮蔽以降低干擾 「遮蔽式雙絞線」（STP） IBM符記環（token ring）網路的標準 STP纜線結合兩種削減雜訊的方法，將纜線內的導線予以對絞以降低干擾，然後將導線遮蔽於隔絕電網之中

銅線媒體（續） 圖8-14　同軸電纜

銅線媒體（續） 圖8-15　同軸電纜線的連接頭

銅線媒體（續） 圖8-16　遮蔽式雙絞線（STP）

銅線媒體（續） 銅線媒體的安全性 因為銅線是運載著電流，它的使用本身就會有風險存在。纜線標準和本地建築法規可以定訂配線箱與纜線長度的規範以解決這些問題

光纖媒體 光纖有更大頻寬 比纜線鋪設的更遠 較高成本 在光纖纜線中，有一個核心的玻璃或特殊塑膠線材，以供光訊號的傳送。玻璃纖維的周圍是一層特殊材料的包覆（cladding），可以將逸出的光訊號反射回核心

光纖媒體（續） 圖8-17　光纖纜線

光纖媒體（續） 一個雷射或發光二極體（LED） 在接收端上，「影像二極體」（photodiodes）的設備 單模式（single-mode）和多模式（multimode）

圖8-18　單模式和多模式的光纖纜線

光纖媒體（續） 表8-5　單模式和多模式光纖纜線

無線媒體 無線媒體使用電磁無線電訊號，表示資料框的二進位資料 IEEE 802.11標準：通常稱之為Wi-Fi IEEE802.15標準：無線個人區域網路（WPAN） IEEE 802.16標準：通常稱之為WiMAX GSM（Global System for Mobile Communication）：包含實體層的規格以及第2層的GPRS（General Packet Radio Service）通訊協定

無線區域網路 無線存取點（AP） 無線NIC介面卡

表8-6　無線LAN的802.11標準

媒體連接頭 每種媒體的類型（銅線、光纖和無線）都會有其自己的連接頭

媒體連接頭（續） 圖8-19　RJ-45終端

媒體連接頭（續） 圖8-20　銅纜線的插槽和分線盒

媒體連接頭（續） 三個常見的光纖修復問題 錯置（misalignment） 終端縫隙，使得光纖無法完全接觸 終端界接不佳，造成不良的清晰度

媒體連接頭（續） 光纖連接頭有許多的類型 ST（straight tip）連接頭是用於多模式光纖 SC（subscriber connector）連接頭是用於單模式光纖 LC（lucent connector）連接頭目前正日漸普及

摘要 OSI通訊模型中實體層的內容 銅線、光纖或無線的媒體 編碼方式和訊號方法 4B/5B機制來實現碼群 銅線、光纖和無線媒體各具不同的效能優勢和成本

摘要（續） 運載率（throughput） 傳輸率（goodput） 頻寬（bandwidth） 標準定義實體媒體和連接頭的實體、電氣和機械等特性