第四讲：物理层协议与传输介质
目录
通信交换方式
通信线路连接方式
点 - 点方式：无需交换设备
多点方式：多个节点共用数据
在多节点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。
动态地接通或断开通讯路径，称为“交换”
交换方式分类
- 电路交换
- 报文交换——存储转发方式
- 分组交换（包交换）——存储转发方式
- 混合交换
电路交换
- 原理：直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方
- 三个阶段：
- 建立电路
- 传输数据
- 拆除电路
- 特点
- 在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路
- 建立物理通路时间较长，数据传送延迟较短（独占通信信道）
- 例：电话网
- 电路交换设备：incoming links -> Node -> outgoing links
报文交换
- 原理：信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发
- 特点
- 不要求发送与接受双方同时可用
- 可以实现一对多的传输
- 可以实现报文优先级传输
- 可以在中间节点进行差错校验与纠错处理
- 不拒绝服务
- 要求中间结点（网络通信设备）缓冲大
- 线路利用率高
- 延迟时间长
- 报文交换：incoming links -> Node(Memory) -> outgoing links
分组交换
- 原理
- **信息以分组为单位进行数据存储和转发。**源结点把报文分为分组，在中间结点进存储转发，目的结点把分组合成报文
- 分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长
- 特点
- 每个分组头包括目的地址，独立进行路由选择
- 线路利用率高
- 结点存储器利用率高
- 易于重传，可靠性高
- 易于开始新的传输，让紧急信息优先通过
- 额外信息增加
虚电路
- 电路交换和分组交换的结合
- 三个阶段
- 建立：发带有全称网络地址的呼叫分组，建立虚电路
- 传输：沿建立好的虚电路传输数据
- 拆除：拆除虚电路
通信交换方式比较
- 电路交换适用于实时信息和模拟信号传送，在线路带宽比较低的情况下使用比较经济
- 报文交换适用于线路带宽比较高的情况，可靠灵活，但延迟大
- 分组交换缩短了延迟，也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。是目前公认较好的一种交换技术
物理层简介
- 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
- 物理层的任务：物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理
- 物理层的定义 ISO/OSI
- 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
物理层的特性 - 实例 1
- 机械特性
- 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接所采用的规格、引脚的数量和排列情况
- 常用的标准接口
- EIA RS-232-C, EIA RS-366-A...
- 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
- CCITT 标准化的电气特性标准
- EIA RS-232-C 非平衡型电气特性，公用的地线：逻辑 1 为 -15V ~ -5V，逻辑 0 为 +5V ~ +15V
- EIA RS-449
- EIA RS-422-A 新的平衡型电气特性，无公用的地线：+ 6 (+ 2) V
- 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
- 电源、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
- RS-232-C 的规程为：
- 第四 (7) 根针置位，请求发送 ->
- 第五 (8) 根针置位，允许发送 ->
- 数据通过第二 (3) 根针发送
物理层的特性 - 实例 2
- 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
- RJ45, TIA/EIA-568-A, TIA/EIA-568-B
- 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。
- 电气特性实例
- 电平水平 -3V
- 直流电阻 -19 欧姆
- 特性阻抗 -100 欧姆、120 欧姆及 150 欧姆
- 接触电阻为 2.5mΩ
- 绝缘电阻为 1000MΩ
- 抗电强度为 DC1000V(AC700V0)
- 功能特性
- 主要定义各条物理线路的功能
- 规程特性
- 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系
通信传输媒介
- 信道:以传输介质为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。
- 有线传输介质： 包括双绞线、同轴电缆和光纤等。
- 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。
传输媒介一 - 铜缆
- 双绞线
- 每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成
- 既可用于模拟数据传输，也可用于数字数据传输
- 非屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)
- 非屏蔽双绞线: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。
- 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。
- 同轴电缆
- 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。
- 支持点到点连接，也支持多点连接
- 基带同轴电缆、宽带同轴电缆。
传输媒介二 - 光纤
- 优点
- 抗干扰、低损耗
- 传送距离远
- 带宽宽
- 一根即可连接
- 缺点
- 成本高，安装困难
- 故障定位困难
- 修复困难
传输媒介三 - 无线电波
- 能量在空间传播
- 与TV、收音机类似
- 受地域影响较小
- 可以短距离传输
- 短距离无线网
- WiFi
- 蓝牙
传输媒介四 - 微波
- 高频无线电波，常用频段：2G---6G
- 有方向性，适于点对点通信（保密）
- 收发两端使用抛物面天线，天线一般在屋顶或在较高的铁塔、山顶
- 距离远时使用中继站
- 一般用于电视、电话业务，也用于高速数传
- 受天气影响较大
- 防雷问题
传输媒介五 - 红外线
- 红外线波长范围为0.70μm～1mm
- 传输速率：kbps~Mbps
- 空间传播：米级
- IrDA(红外数据协会)：VFIR-16Mbps
- 电视遥控器采用
- 能够在室内任意传播（反射）但不能够穿越墙壁
- 在个人信息助理设备中广泛采用
- 价格便宜、不需要天线
传输媒介六 - 空间激光
- 激光通信
- 空间激光通信
- 单一方向，与微波类似
- 两侧为激光发射与光敏接收设备
- 点对点通信
- 特点
- 高带宽：1000万TV和100亿Phone
- 保密性：定向好（毫弧度），不可见光
- 对准困难
- 能量密度高
- 容易受气候影响
- NASA,LLCD项目,622Mbps,40万km，2013
- OPALS,50Mbps,2014
小结
选择传输介质
- 有介质连接
- 铜缆技术成熟，价格便宜但最大传输率受限
- 光纤：
- 速度高
- 抗干扰
- 传输距离远
- 只需要单根
- 维护不方便
- 无介质连接
- 无线与微波不需要物理连接
- 无线与红外是便携式设备的理想选择
- 激光不需要物理连接，但受气候影响大
如何选择传输介质？
- 主要指标
- 传输速率要求
- 传输距离要求
- 成本要求
- 初始设备成本
- 运营成本
- 限制条件
- 有线、无线
- 可靠性要求
- 扩展性要求