数据通信基础(物理层)
通信协议的层次结构
通信协议的层次结构一、引言通信协议是计算机网络中实现数据传输和通信的基础。
为了有效地管理和控制通信过程，通信协议被分为多个层次，每个层次负责处理特定的功能和任务。
本文将介绍通信协议的层次结构，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
二、物理层物理层是通信协议的最底层，负责传输原始的比特流。
它定义了传输媒介、电气特性和接口的规范，以及数据的传输方式。
物理层的主要任务是将比特流转换为可以在传输媒介上传输的信号，并确保信号的可靠传输。
三、数据链路层数据链路层建立在物理层之上，负责将比特流组织成数据帧，并在物理链路上进行传输。
它定义了帧的结构、错误检测和纠正机制，以及数据的传输控制和访问方式。
数据链路层的主要任务是实现可靠的数据传输，包括错误检测和纠正，流量控制和数据帧的传输顺序。
四、网络层网络层负责在不同的网络之间进行数据传输和路由选择。
它定义了数据的分组和寻址方式，以及路由器之间的通信协议。
网络层的主要任务是将数据分组传输到目标网络，并选择最佳的路由路径。
它使用IP地址来标识网络设备和数据包，并通过路由表来确定数据包的下一跳。
五、传输层传输层建立在网络层之上，负责端到端的数据传输和可靠性控制。
它定义了数据的分段和重组方式，以及端口号和传输协议。
传输层的主要任务是确保数据的可靠传输和流量控制。
它使用TCP协议和UDP协议来提供可靠性和实时性的传输服务。
六、应用层应用层是通信协议的最高层，负责应用程序之间的数据交换和协议的应用。
它定义了应用程序的协议和接口，以及数据的表示和编码方式。
应用层的主要任务是实现应用程序之间的数据交互，例如电子邮件、文件传输和远程登录。
七、总结通信协议的层次结构为网络通信提供了标准化和模块化的解决方案。
每个层次负责特定的功能和任务，通过协议栈的方式实现数据的传输和控制。
物理层负责传输比特流，数据链路层负责组织数据帧，网络层负责路由选择，传输层负责可靠传输，应用层负责应用程序的交互。
通信网基础
通信网基础一、概述通信网基础是指网络通信系统中的底层基础设施，为数据传输提供了基本的支持和功能。
通信网基础包括物理层、数据链路层、网络层和传输层。
本文将分别介绍这些层级的基本原理和功能。
二、物理层物理层是通信系统中最底层的层级，主要负责传输原始的比特流。
物理层包括了传输介质、传输速率、编码方式等几个关键要素。
2.1 传输介质传输介质是指数据传输的载体，可以是铜线、光纤、无线电波等。
不同的传输介质有不同的传输特性和传输速率。
选择合适的传输介质可以提升通信质量和速度。
2.2 传输速率传输速率是指单位时间内传输的比特数。
传输速率越高，数据传输越快。
常见的传输速率有bps、Kbps、Mbps和Gbps 等。
2.3 编码方式编码方式是将数据转换为比特流的方法。
常见的编码方式有非归零码、曼彻斯特编码、差分编码等。
选择合适的编码方式可以提高数据的可靠性和安全性。
三、数据链路层数据链路层在物理层之上构建了一个可靠的数据传输通道。
数据链路层负责将原始的比特流划分为数据帧，并添加控制信息，用于进行错误检测和纠正。
3.1 数据帧数据帧是数据链路层传输的基本单位。
数据帧由数据部分和控制信息部分组成。
控制信息包括帧起始符、帧结束符、帧序号等。
3.2 错误检测和纠正数据链路层通过添加校验位来实现错误检测和纠正。
常用的校验位有循环冗余检验（CRC）和海明码等。
校验位可以帮助接收端检测和纠正传输过程中发生的错误。
四、网络层网络层负责将数据从源节点传输到目的节点。
网络层通过选路协议和路由表等方式，为数据选择合适的传输路径。
4.1 选路协议选路协议是网络层的主要功能之一。
常见的选路协议有静态路由和动态路由。
静态路由是管理员手动配置的路由信息，适用于网络结构稳定的环境。
动态路由是根据网络中的拓扑结构和链路状态自动计算出的路由信息，可以适应网络中的变化。
4.2 路由表路由表是记录了网络中不同节点之间的路由信息的表格。
路由表中包含了目的网络地址、下一跳地址和出接口等信息。
什么是物理层
什么是物理层物理层定义物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。
物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。
如果您想要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”。
OSI采纳了各种现成的协议，其中有RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN、以及FDDI、IEEE802.3、IEEE802.4、和IEEE802.5的物理层协议。
物理层主要功能物理层要解决的主要问题：(1)物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。
(2)给其服务用户(数据链路层)在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流(一般为串行按顺序传输的比特流)的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。
(3)在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。
物理层主要功能：为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。
1.为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。
一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。
所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。
2.传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。
一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽(带宽是指每秒钟内能通过的比特(BIT)数)，以减少信道上的拥塞。
传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。
3.完成物理层的一些管理工作。
物理层接口协议电话网络modems-V。
92IRDA物理层USB物理层EIARS-232，EIA-422，EIA-423，RS-449，RS-485EthernetphysicallayerIncluding10BASE-T，10BASE2，10BASE5，100BASE-TX，100BASE-FX。
2.1数据通信的基础知识
程。 ❖ 调制：将数字数据转换成模拟信号。 ❖ 解调：将调制后的模拟信号还原为数字数据
的过程。
第十页，共五十七页。
常用 编码方法 (chánɡ yònɡ)
❖ 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0 ❖ 不归零制：正电平代表1，负电平代表0
❖ 实现(shíxiàn)收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术 之一，通常使用的同步技术有两种：
异步方式 同步方式
第二十八页，共五十七页。
异步传输方式
❖ 在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字 符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验 码后面(hòu mian)加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始 位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步 作用。
量越多，那么(nà me)就可以用更高的速率传送码元而不 出现码间串扰。
第十八页，共五十七页。
理想(lǐxiǎng)低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想(lǐxiǎng)低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
能通过
0
W (Hz)
不能通过
频率(Hz)
❖ 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输 速率是每秒 2 个码元。
❖ 曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变表示0，下跳 变表示1
❖ 差分曼彻斯特编码：位的开始边界有跳变上跳 变表示0，无跳变表示1
❖ 曼彻斯特编码产生的信号频率(pínlǜ)比不归零制高， 但曼彻斯特编码有自同步能力。
第十一页，共五十七页。
数据
0
1
00101 Nhomakorabea1
精选第6章物理层1资料
计算机网络技术基础
6.2.5 数据的通信方式
1.并/串行通信
并行通信是指数据以成组 的方式在多个并行信道上同时 进行传输。 特点：速度快，常用于计算机 内部总线以及并行口通信。使 用线路多，费用高，仅适合于 近距离和高速率的通信。
物理层的协议定义了物理层与物理传输媒体之间的 接口，主要包括四个特性：机械特性、 电气特性 、 功能特性 、规程特性。
计算机网络技术基础
6.2数据通信的基本知识
6.2.1信息、数据与信号 1. 信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种
认识，也是人们通过通信系统传递的内容。信息的载 体可以是数字、文字、语音、图形、图像和动画等。 2. 在网络中传输的二进制代码被称为数据，因此可以认 为数据是信息的载体，是信息的表现形式，而信息是 数据的具体含义。 数据的形式有两种：模拟数据和数 字数据。
频带信号是基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。 所谓频带传输，是指在模拟信道上传输数字信号的方法。采用频 带传输方式时，发送端和接收端都要安装调制解调器。
计算机网络技术基础
4．同步和异步传输 （1）异步方式
异步传输方式一般以字符为单位传输，每传送一个字符（7 或8位）都要在前面加1个起始位，极性为“0”，表示字符代码的 开始；在后面加1～2个停止位，极性为“1”，表示字符代码的结 束。接收方根据起始位和停止位来判断一个字符的开始和结束， 从而使通信双方实现同步。
FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字 数据“1”和“0”的，用频率f1表示数据“1”，用频率f2 表示数据“0”，而载波信号的参数A和φ不变。
03 物理层概述、数据通信、传输介质
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计算机网络技术基础
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屏蔽双绞线
优点
传输质量较高；电缆尺寸和重量与UTP相当。
缺点
安装不合适有可能引入外界干扰；成本较高。
2、同轴电缆
同轴电缆由两个导体组成，是一个空心圆柱 形网状导体围裹着一个实心导体的结构。
光纤的特点
传输特性：数据传输率可达几千Mb/s，传输 距离达几千米。 连 通 性：普遍用于点到点的链路。 地理范围：6km～8km的距离内不用中继器传 输。 抗干扰性：不受电磁波干扰或噪声影响。 价 格：目前价格较高，但随着技术的改 进会大幅下降。
32
计算机网络技术基础
人民邮电出版社
无线传输介质
计算机网络技术基础 人民邮电出版社
DTE
DCE
DTE 2 3 4 5 8 7 6 20 （b）近程连接
DTE 2 3 4 5 8 7 6 20
1 2 3 4 5 8 7 6 20
（a）远程连接
1 2 3 4 5 8 7 6 20
EIA RS-232-C接口的物理特性
两个DTE通过DCE进行通信的例子
人民邮电出版社
信道容量
2、香农公式 香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪 比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信 息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一 定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 由于码元传输速率受奈氏准则的制约，所以 要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码 元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多 元制（又称多进制）的调制方法。
DTE-A 信号线与控制线 DCE-A 调制解调器 EIA-232/V.24 接口 用户环境 用户设施
计算机网络知识精讲 第二章 物理层
第二章物理层(一) 通信基础1. 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念2. 奈奎斯特定理与香农定理3. 编码与调制4. 电路交换、报文交换与分组交换5. 数据报与虚电路(二) 传输介质1. 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质2. 物理层接口的特性(三) 物理层设备1. 中继器2. 集线器2.1 通信基础2.1.1 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念（1）信道：向某一个方向传送信息的媒体。
（2）信号：数据的电磁或电气表现。
（3）带宽：媒介中信号可使用的最高频率和最低频率之差，或者说是频带的宽度，Hz；另一定义是信道中数据的传送速率，bps。
（4）码元：在使用时间域（简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
（5）波特：单位时间内传输的码元数。
（6）比特率：单位时间内传输的比特数。
（7）信源（8）信宿计算机网络的性能计算1. 速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
一个比特就是二进制数字中的一个1 或0。
速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。
速率的单位是b/s（bps），kb/s, Mb/s, Gb/s 等“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s (bit/s)，bps。
更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s （103 b/s）兆比每秒，即Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即Gb/s（109 b/s）太比每秒，即Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024M = 220, G = 230, T = 240。
3. 时延(delay 或latency)传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
数据通信基础知识
数据通信基础知识
第二章 数据通信基础知识
Networking techno;ogy
2.1 基本概念
信号
f(t)是消息或数据的电磁编码x(。nT)信号的时域特性表 示为时间t的函数，信号的数学描述一般是以时
间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变
量。
t
11 00001 11 010 01 10 11 1 1 nT
分为(a) 模模拟拟信信号 号与数字信号。 (b) 数字信号
然而：信道对不同频率的信号其衰减幅度是不 相同的，因而会发生畸变。一般来说，频率越 高的信号，其衰减幅度越大
2.2.2 信道的截止频率与带宽
2.2.3 信道的最大数据传输率
数据通信基础知识
第二章 数据通信基础知识
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Networking techno;ogy
2.2.1 信号的频谱和带宽
傅立叶已经证明：任f(何t) 一个周期为T的函数f(t)都是由 无穷多个正弦和余弦函数合成，即：
具体的数字编码方式。 数据通信基础知识
第二章 数据通信基础知识
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Networking techno;ogy
脉冲信号频谱图
信号的脉冲宽度与其带宽成反比，因此信 号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。
数据通信基础知识
第二章 数据通信基础知识
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2.2.2 信道的截止频率与带宽
数据通信基础知识
第二章 数据通信基础知识
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Networking techno;ogy
信道截止频率
A
10lg 2 3
A
10.707
10.707
f fc
(a) 单通滤波器
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光密介质
光纤通信的原理
2. 室外光缆和室内光纤
光纤传输介质有室外光缆和室内光纤之分 室外光缆，主要用于室外环境，可以架空或走地下管道。由于室外光缆所处环境比较
恶劣，需要防水、防晒、防压、防化学侵蚀等，所以需要有很好保护，其结构如图所示。
外铠(塑料)
填充物
填充物
室外光缆
钢铠 光纤(多根)
钢铠
外铠(塑料)
室内光纤，主要用于室内，单根光纤加上稍许保护材料。光波在纤芯上传播。 纤芯是一种直径50到100微米的柔软的光导介质，成分主要是二氧化硅。在折射率 较高的纤芯外面，由折射率较低的包层包裹着，以保证在界面上光波可以发生全反射。
填 充 物 填 充 物
保 护 层 ( 塑 料 )
纤 芯 ( 5 0 ～ 1 0 0 微 米 )
见图，入射角∠１∠２∠３逐渐增大，∠1’∠2’是折射角，当入光纤通信的原理， 是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射 的特性射角达到∠3时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到 长距离高速传输的目的。
折射光 折
1'
2' 射
光
光疏介质
12
3
入 射 光
反射光
非屏蔽双绞线有1、2、3、4、5五类，常用的是3类线和5类线，5类线既可支持 100Mbps的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备
的首选传输介质。
双绞线
最便宜的 传输媒介
易受环境 中电信号 的干扰
通常用于较短 距离的连接
整理ppt
3
2. 2. 2 同轴电缆(coaxial cable)
保 护 层 ( 塑 料 )
光纤(单根)
3、单模和多模两种
单模光纤指光纤做得极细，接近光波波长，光信号只能与光纤轴成单个可辨角度传 输。多模光纤的纤芯比单模的粗，光信号与光纤轴成多个可辨角度传输。单模光纤成本 较高，但性能很好，在几十公里内能以几千兆bps的速率传输数据。多模光纤成本较低， 但性能比单模光纤差一些。
外导体(编织状)
外保护层(塑料)
同轴电缆基本结构示意图
同轴电缆支持点到点连接，也支持多点连接。分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。
基带同轴电缆一般用于二进制数据信号的传输，多用于计算机局域网；宽带同轴电缆 主要用于高带宽数据通信，支持多路复用。
基带同轴电缆又分为粗缆和细缆。粗缆多用于局域网主干，支持2500米的传输距离，可以连接数千 台设备，但其价格较高；细缆多用于与用户桌面连接，级连使用可支持800米的传输距离，但一般 不超过180米，可以连接数千台设备。
基带同轴电缆的最大优点是抗干扰性强，而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好， 在公用机房、教学楼等人员嘈杂的地方，极易出现故障，而且一点发生故障，整段局域 网都无法通信，所以基本已被非屏蔽双绞线所取代。
同轴电缆
比较便宜
绝缘层保护
外层绝缘层外导体源自整理ppt52.2.3 光缆(optical fiber)
光纤
• 昂贵的传输媒介 • 不受电信号的干扰 • 使用于长距离、高
速率的信号传输
整理ppt
8
2.2.4 无线传输介质
无线电、微波、卫星、移动通信等，各种无线介质传输介质对应的电磁波谱范围如图所示。
频率 (Hz)
10 4
105 106
无线电
10 7
10 8
10 9 10 10 1011 1012 1013 1014
同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的 套管，一般是细金属线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。如图。
另外，同轴电缆的两端需要有终结器(用50欧姆或75欧姆的电阻连接内外导体)，中间 连接需要收发器、T形头、筒形连接器等器件。
外保护层(塑料)
绝缘层 绝缘层
外导体(编织状) 内导体(铜芯)
第2章 数据通信基础(物理层)
2.1 通信发展的历史
社会的人与人交换思想
• 介质空气、书信、驿站 • 电报 1835，1837 莫尔斯电磁电报
1892，马可尼无线电报 • 电话 1876，贝尔电话机
1878，人工电话交换机 1892，史瑞乔自动电化交换机
电话电报开始了近代通信的历史，几百年；发挥了极其重要的作用； 20世纪30年代，信息论、调制论、 预测论、统计论 一系列的突破； 20世纪50年代，载波传输、电话、电报通信系统； 元件、光纤、收音机、电视机、计算机，广 播电视、数字通信业大 发展； 目前已形成数字传输、程控电话交换通信为主，其他非语音通信为 辅的综合电信通信系统；并且日益与计算机、电视等其他技术融合。
光纤即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤 通信，只20/30年的历史。 1960年，美MAINMAN，红宝石激光器 1966年， 英籍华人高锟（C。K。KAO）博士提出，Sio2 石英玻璃制成光纤，低消耗 1970年，美国康宁公司制出了损耗为20分贝的光纤。
1、 光纤通信的原理
中国1880年，由丹麦人在上海创办第一个电话局。
2.2 数据通信的传输介质
信道是指以传输介质为为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。 有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。
2.2.1 双绞线（twisted pair)
每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm。 减少电磁干扰，提高传输质量。电话线就是双绞线。 双绞线可以用于传输模拟传输或数字传输。 计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。 屏蔽双绞线(STP，Shielded Twisted Pair)： 抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高， 所以一直没有广泛使用。 非屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twisted Pair)： 非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。
微波
红外
1015 1016
紫外线
双绞线
卫星通信
光纤
同轴电缆 无线电AM 无线电FM
地面微波 通信
电视
各通信类型使用的电磁波谱范围
在计算机网络领域，无线通信介质主要是微波和卫星。 • 微波通信是指用频率在100MHz到10GHz的微波信号进行通信。
特点是：
只能进行可视范围内的通信； 大气对微波信号的吸收与散射影响较大。 微波通信主要用于几公里范围内，不适合铺设有线传输介质的情况，而且只能用于点 到点的通信，速率也不高，一般为几百Kbps。