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第2章 實體層基礎
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學習目標 實體層的一般用途 類比訊號與數位訊號的差異 數位傳輸模式、電路配置方式 常見的引導媒介與發送媒介 四種多工傳送的類型
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2.1 實體層的概念 OSI 和 TCP/IP 模型的實體層有著類似的功能 兩者都與網路的實體特性有關 實體層會處理來自資料鏈結層的資料
實體層會傳送未經格式化的資料位元流 實體層有四個主要元件: 用來轉換資料的發信方法 運送資料的電路 傳輸媒介 實體裝置
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實體層 為纜線和連接器指定什麼腳位(pin)、傳送什麼信號,也是實體層的功能,因為信號通常是以連接器的腳位傳送。
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2.3 發信方法 實體層的第一種元件 類比和數位 類比是連續的測量值 數位是不連續的方式呈現 類比方法使用調變技術
例如振幅(amplitude)、頻率(frequency)、相位(Phase) 量測單位:Hz (Hertz) 數位方法使用編碼結構 例如曼徹斯特編碼、差動式曼徹斯特編碼 量測單位: bps (bits per second)
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2.3.1 類比信號 類比信號可以有各種樣貌 調變正弦波 可以改變波的振幅、頻率、相位 振幅決定了波形的高度或強度 每秒測得波形數量為頻率
波形起始於特定方向(相位),並且產生基線或參考波形 調變可以簡單也可以複雜
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類比信號 調幅
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類比信號 調頻
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類比信號 量測單位 調頻有週期(period),也就是信號在一個循環所需要的時間總量(以秒為單位)。
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類比信號 相位調變
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2.3.2 類比信號 簡單信號調變: 兩種振幅 兩種頻率 不同相位
簡單的信號調變其位元率(bit rate)和符元率(symbol rate)都相同。
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2.3.2 類比信號 位元率(bit rate) : 位元率是每秒或每個信號能夠傳送的位元數量。 符元率(symbol rate) :
符元率是單一信號能夠編碼的位元數量。
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類比信號 複雜信號調變的位元率和符元率並不相同: 每個時間週期的符元率(也就是鮑率)可以超過一個位元。
若一個符元率超過一個位元,位元率和符元率就不相同。 複雜信號調變可以讓一個信號符號編碼超過一個位元。 複雜信號調變可以合併不同的振幅、頻率、相位、或這些元素的組合
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類比信號
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2.3.4 類比頻寬 類比頻寬是以Hz為測量單位。 類比線路的頻寬是線路最高頻率和最低頻率的差。 頻譜是由最低到最高的完整頻率所構成。
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類比頻寬與頻譜的例子
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2.3.2 數位信號 數位信號是以不連續的方式呈現資訊(也就是離散) 數位信號只用了代表電子的0和1兩種數值 利用編碼結構,例如:
曼徹斯特 (Manchester) 乙太網路 (Ethernet) 差動式曼徹斯特 (Differential Manchester) 記號環 (Token Ring) 網路
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數位信號
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數位信號 位元間隔 (bit interval) 是要傳送單一位元所需的時間 傳送端和接收端可以用位元間隔來測量彼此傳送資料的時間 位元間隔
信號的傳送時間與同步 傳送端和接收端需要以額外的機制來互相同步 位元率(bit rate)是每秒鐘的位元間隔數量,通常以bps(bits per second)為量測單位
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數位頻寬 通常以bps( bits per second) 為單位 位元率(bit rate)是以每秒鐘的位元間隔數量
若數位信號的位元間隔為60微秒,頻寬為何? 1 /(60 * 10-6)= 16.6 Kbps
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數位傳輸模式
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2.3.3 線路配置 實體層的第二種元件 兩種基本的線路配置方式 點對點(Point-to-point) 多點(Multipoint)
點對點配置是在兩個裝置間建立專屬的線路 多點配置是讓數個裝置共用單一線路的連線方式 不論哪一種都能符合網路的需求
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2.3.3.1 點對點(Point-to-point)配置
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多點(Multipoint)配置
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2.4 傳輸媒介 實體層的第三種元件 兩種主要傳輸方式 傳導 (Conducted) 輻射 (Radiated) 傳導 – 纜線
雙絞線(Twisted-wire pair)、同軸纜線(coaxial)、光纖( fiber optic) 輻射 – 空氣傳送資料 地面微波(Terrestrial microwave)、衛星微波(satellite microwave)、無線電(radio)、紅外線(infrared)
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2.4.1 傳導媒介 纜線 如圖:CAT 5 無遮蔽雙腳纜線 如圖:同軸纜線
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傳導媒介 纜線 單模態光纖纜線 纖核通常不超過10微米 另有多模態光纖纜線 以玻璃作為纖核、纖殼材質
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2.4.4 輻射媒介、空氣傳送資料
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2.4.6 選擇媒介 五個考慮因素 成本 頻寬 安全 傳輸耗損 距離
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2.4.5 傳輸損耗 衰減(Attenuation) 串音(Cross talk) 失真(Distortion) 環境因素
霧、雨、雪、太陽等 光纖是傳輸損耗最小的媒介,而且最安全 但價格非常昂貴
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2.4.5 傳輸損耗(cont.) 衰減(Attenuation) 串音(Cross talk)
當信號隨著線路運行,信號的強度會逐漸減弱就是衰減。 See p.2-29 串音(Cross talk) 兩條傳送纜線或線路互相干擾就會發生串音。
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2.4.5 傳輸損耗(cont.) 失真(Distortion)
在某些勤情況之下,信號到達目的時,可能會改變其型態或外觀,此時的信號已非原本的信號,這種情況稱為失真。 See p.2-30
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各種媒介的優缺點
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2.5 實體層裝置 實體層的第四種元件 集線器(Hubs)或中繼器(Repeaters) 數據機(Modem)
編碼器/解碼器(Codecs) 多工器(Multiplexers) 配線工具 – 非實體層裝置,而是用在配置、測試實體層媒介的工具。
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2.5 實體層裝置 實體層的第四種元件(cont.)
資料電路終端設備(data circuit-terminating equipment, DCE) 數據機(Modem)是屬於資料電路終端設備,因為傳送和接受兩端的數據機必須以相同的速度通訊,如果兩邊的速度不一致,速度慢的那一端將會控制雙方通訊的速度。而數據機都具備錯誤修正的能力,因此當通訊過程發生錯誤時,大多不需要重新傳送信號。
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2.5 實體層裝置 實體層的第四種元件(cont.)
資料終端設備(data terminal equipment, DTE) 個人電腦是DTE會將指令和資料送往DCE裝置。 See 2-32
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實體層裝置 實體層的第四種元件
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2.5.4 多工器 多工器一種讓傳送、接收兩端的數個慢速裝置共用一條高速線路的裝置。
傳送端的多工器將數條慢速線路合併到單一高速網路,而接收端的多工器則將單一高速網路分回數條慢速線路 四種多工器技術: 分頻多工(Frequency division) 分時多工(Time division) 統計型分時多工(Statistical time division) 分波多工(Wavelength division)
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2.5.4.1 分頻多工(Frequency division Multiplexing)
高速線路劃分成一系列頻率不同的獨立頻道 線路為類比 頻寬的單位是Hz 資料是以頻道傳送 保護波段是線路沒有被使用的部分,也就是說保護波段無法傳送資料;保護波段的目的用來防止頻道互相干擾
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分頻多工(Frequency division Multiplexing)
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2.5.4.2 分時多工(Time Division Multiplexing)
將線路垂直的劃分成不同的時段 每一個分時多工連接的慢速裝置,都分配到一段特定的時段以進行通訊 線路為數位 頻寬的單位是bps 資料是以訊框傳送 如果裝置沒有資料要傳送,該時段也就空著不用
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分時多工(Time Division Multiplexing)
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2.5.4.3 統計型分時多工 (Statistical Time Division Multiplexing)
各個裝置通訊所合併的頻寬,可以超過裝置所共用的單一線路頻寬 時段沒有預先配置,而是依裝置需求來分配 替各個傳送的資料加入識別資訊 線路為數位 頻寬單位是bps 資料是以訊框傳送 可計算每個裝置的傳送需求,再根據需求來分配線路
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統計型分時多工 (Statistical Time Division Multiplexing)
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2.5.4.4 分波多工 (Wavelength Division Multiplexing)
以雷射在同一光纖纜線傳送不同頻率的光 在某種程度上是與用銅線分頻多工類似 傳送端窄頻的光會被合併到寬頻的光送出 寬頻等同於高速網路 接收端會分離信號
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摘要 實體層: OSI 和 TCP/IP 的實體層類似 轉換資料的發信方法 運送資料的電路 有線或無線的傳輸媒介 傳送未經格式化的資料位元流
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