物理层-传输媒体与拓扑结构.ppt

传输数据的传输媒体传输数据的传输媒体 连接各种设备的拓扑结构连接各种设备的拓扑结构 共享资源的媒体访问控制方法共享资源的媒体访问控制方法光子是光的基本构成单元。光子是光的基本构成单元。光纤在长距离的玻璃纤维里光纤在长距离的玻璃纤维里将光信号当作通信媒体使用。将光信号当作通信媒体使用。一、传输媒体一、传输媒体1.什么是媒体什么是媒体?媒体是用于负载传输信息的物理性媒体。媒体是用于负载传输信息的物理性媒体。保真度：表示将接保真度：表示将接收到的信号与发出收到的信号与发出的信号进行比较，的信号进行比较，两者之间的差异有两者之间的差异有多大。多大。铜铜光纤和铜线都需要一根线缆连接计算机光纤和铜线都需要一根线缆连接计算机 玻璃玻璃无线电波可穿透墙壁到达无线电波可穿透墙壁到达任何线缆达不到的地方。任何线缆达不到的地方。红外线红外线利用红外线技术，可通过空气顺利地收发数据。利用红外线技术，可通过空气顺利地收发数据。红外线是一种红外线是一种“视线视线”技术。技术。红外光信号不能穿透墙壁。红外光信号不能穿透墙壁。无线电无线电 微波微波微波是频率较高的无微波是频率较高的无线电波。线电波。无线电波向各个方向传播；无线电波向各个方向传播；微波传送集中于某个方向、可以防止他人截取信号微波传送集中于某个方向、可以防止他人截取信号;传输媒体传输媒体(通信媒体通信媒体)计算机用以收发电子信号的物理路径。计算机用以收发电子信号的物理路径。电磁频谱及在通信中的使用电磁频谱及在通信中的使用2.传输媒体的特点传输媒体的特点媒体的容量用带宽来衡量。媒体的容量用带宽来衡量。传传输输特特性性包包括括使使用用模模拟拟信信号号还还是是数数字字信信号号发发送送、调调制制技技术。术。连通性表明点到点还是多连通性表明点到点还是多点连接；最大距离指网上点连接；最大距离指网上各站点间的最大距离。各站点间的最大距离。费用费用每种媒体的费用应与它提供每种媒体的费用应与它提供的性能及可用的资源进行权的性能及可用的资源进行权衡。衡。安装安装不不同同媒媒体体的的安安装装不不尽尽相同。相同。容量及传输特性容量及传输特性 衰减衰减电磁信号的强度在传输过电磁信号的强度在传输过程中会逐渐减弱。在媒体程中会逐渐减弱。在媒体中经过的时候，要么被吸中经过的时候，要么被吸收，要么传向错误方向收，要么传向错误方向(辐射辐射)。电磁干扰电磁干扰(EMI)连通性与最大距离连通性与最大距离“噪声噪声(即电磁干即电磁干扰扰)”、“窃听窃听”3.传输媒体的分类传输媒体的分类 引导性媒体引导性媒体(有线媒体有线媒体)电磁波沿着一个固态媒体传播电磁波沿着一个固态媒体传播例如：金属导体、玻璃或例如：金属导体、玻璃或plastic）。）。提供了传输电磁信号的手段，但不加以引导。提供了传输电磁信号的手段，但不加以引导。非引导性媒体非引导性媒体(无线媒体无线媒体)例如大气层、外层空间。例如大气层、外层空间。双绞线使用一对或多对缠线在一起的铜芯电线传输信号双绞线使用一对或多对缠线在一起的铜芯电线传输信号。外套外套导线导线绝缘材料绝缘材料箔屏蔽箔屏蔽编织带屏蔽编织带屏蔽4.双绞线双绞线1类、类、2类类3类类4类类5类类 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twisted Pair)UTP的类别的类别数据传输率数据传输率4Mbps最最高高传传输输率率为为16Mbps数数据据传传输输率率达达20Mbps数据级电缆数据级电缆 UTP的连接的连接Hub费用费用安装安装传输特性传输特性节点容量节点容量衰减衰减EMI UTP的特点的特点很易受到电磁很易受到电磁干扰的影响。干扰的影响。可传输模拟、数字信号；可传输模拟、数字信号；数据传输率数据传输率1155Mbps；每段电缆最长为每段电缆最长为100m;信号通过铜芯电线信号通过铜芯电线传输衰减很快。传输衰减很快。比同轴电缆比同轴电缆和光纤低和光纤低安装简单安装简单取决与连接设备取决与连接设备费用费用安装安装传输特性传输特性节点容量节点容量衰减衰减EMI 屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP，Shielded Twisted-Pair)在电线与外部塑料套之间有一个屏蔽层。以便减少在电线与外部塑料套之间有一个屏蔽层。以便减少干扰和串音干扰和串音。UTP的特点的特点比比UTP和和细细同同轴轴电电缆缆高高，但低于粗同轴电缆。但低于粗同轴电缆。可传模拟、数字信号；可传模拟、数字信号；理论速度达到理论速度达到500Mbps；单段电缆最长单段电缆最长100m；降低了由降低了由EMI造成的影响。造成的影响。无法彻底排除无法彻底排除EMI的影响。的影响。5.同轴电缆同轴电缆(Coaxial cable)两种导体共享同一根中心轴：两种导体共享同一根中心轴：铜芯铜芯、绝缘层、绝缘层、屏蔽层屏蔽层、塑料外套。、塑料外套。同轴电缆的分类同轴电缆的分类电阻电阻(亦称阻抗亦称阻抗)：引导或改变电流的引导或改变电流的能力。能力。50，RG-8 50，RG-58 75，RG-6/RG-11 75，RG-59 基带传输基带传输宽带传输宽带传输网卡网卡收发器收发器(transceiver)连接单元接口连接单元接口(AUI)电缆电缆终止器终止器 粗同轴电缆粗同轴电缆收发器收发器终止器终止器以太网以太网粗缆粗缆AUI电缆电缆包包含含一一个个电电阻阻连连接接着着电电缆缆中中的的中中心心线线与与屏屏蔽蔽物物。当电子信号到达终止器时，这个信号被丢弃。当电子信号到达终止器时，这个信号被丢弃。包含处理通信数字方面的电包含处理通信数字方面的电路（差错检测和地址确认）路（差错检测和地址确认）把信号从把信号从NIC送到媒体，并送到媒体，并从媒体接收信号到从媒体接收信号到NIC。安装及运行比粗缆便宜安装及运行比粗缆便宜不需要不需要AUI电缆连接网卡与通信媒体电缆连接网卡与通信媒体不需要外部收发器。不需要外部收发器。使用使用BNC连接器直接连接每台计算机连接器直接连接每台计算机以太网以太网细缆细缆BNC连接器连接器 细同轴电缆细同轴电缆费用费用 安装安装传输特性传输特性节点容量节点容量衰减衰减 EMI 同轴电缆特点同轴电缆特点同轴电缆传送的信号仍会衰减，但衰减同轴电缆传送的信号仍会衰减，但衰减的速度比双绞线慢。的速度比双绞线慢。细细缆缆段段最最多多节节点点数数为为30，单单段段电电缆缆最长最长185m；粗粗缆缆段段最最多多节节点点数数为为100，单单段段电电缆缆最长最长500m；50电电缆缆仅仅用用于于数数字字传传输输；曼曼彻彻斯斯特特编码；数据率编码；数据率10M；有线电视电缆可发模拟和数字信号；有线电视电缆可发模拟和数字信号；采用终止措施；采用终止措施；细缆细缆STP和第五类和第五类UTP；粗缆粗缆STP和第五类和第五类UTP；但均光纤；但均光纤；Core、封套、塑料外套、光源、封套、塑料外套、光源6.光纤光纤传输的是光信号，而不是电信号。传输的是光信号，而不是电信号。发发 光光 二二 极极 管管(LED)和激光和激光.一一条条光光纤纤包包含含了了多多种种电电磁磁波模式波模式 光纤分类光纤分类单模光纤单模光纤一条光纤只包含了一一条光纤只包含了一种电磁波模式。种电磁波模式。多模光纤多模光纤接接收收到到光光脉脉冲冲后后，由由PIN二二极极管管或或光光电电管管将将其其变变回回电电子子信信号。号。光电信号的转换光电信号的转换发送端发送端接收端接收端单单模模式式光光纤纤用用“注注入入型型激激光光二二极管极管(ILD)”生成光脉冲；生成光脉冲；多多模模式式光光纤纤用用“发发光光二二极极管管(LED)”生成光脉冲；生成光脉冲；费用费用安装安装传输特性传输特性节点容量节点容量衰减衰减 EMI 特点特点“色色 散散”问问题题 抗衰能力强。抗衰能力强。不不易易受受到到电电磁磁干干扰扰；不不会会向向外泄漏信号。外泄漏信号。在多模光缆中，不同波长在多模光缆中，不同波长(频率频率)的光波在玻璃纤维的光波在玻璃纤维里按不同的方式传输；不同光脉冲在线缆里传送时，里按不同的方式传输；不同光脉冲在线缆里传送时，它们的特性会有所变化，即它们的特性会有所变化，即“色散色散”。类似于彩虹的效果类似于彩虹的效果白光分散出了不同的颜色。白光分散出了不同的颜色。可可全全方方向向广广播播，也可定向广播。也可定向广播。7.无线电无线电频率范围在频率范围在10kHz1GHz之间。之间。射频信号的能量可由天线和收发器决定射频信号的能量可由天线和收发器决定。基站覆盖的基站覆盖的无线电区域无线电区域基基站站 能穿透墙壁，也能穿透墙壁，也可到达普遍网络线可到达普遍网络线无法到达的地方。无法到达的地方。受雪、雨天气受雪、雨天气的干扰小。的干扰小。特点特点使用与其他无线电相同的频率。使用与其他无线电相同的频率。但不是只使用一个频率，而是同时使用多个频率。但不是只使用一个频率，而是同时使用多个频率。无线电的分类无线电的分类低能低能/单频单频单频收发器只能在一个单频收发器只能在一个频率下工作。频率下工作。典典型型的的低低能能设设备备作作用用范范围在围在2030m之间。之间。高能高能/单频单频与与低低能能/单单频频传传输输类类似似，可覆盖更大的范围。可覆盖更大的范围。可在长途室外环境下作用。可在长途室外环境下作用。传传输输率率与与低低能能差差不不多多，只只是可传送更远的距离。是可传送更远的距离。扩展频谱扩展频谱 地面系统地面系统 利用定向抛物线在较低的利用定向抛物线在较低的GHz范围内收发信号。范围内收发信号。地球地球50km50km8.微波微波微波通信利用了电磁频谱的较低微波通信利用了电磁频谱的较低GHz级频率级频率(1GHz1THz)。卫星微波系统卫星微波系统在定向抛物线和天线之间传输信号。在定向抛物线和天线之间传输信号。uplinkdownlink50000km“传传送送延延迟迟”优点优点9.红外线红外线利利用用红红外外光光波波传传送送信信号号。采采用用电电磁磁频频谱谱的的THz（1012）范围。范围。发发光光二二极极管管或或激激光光二二极极管管用用于于发发射射信信号号；光光电电管管则则能能接接收信号。收信号。信号不能穿透墙壁或其他物体；信号不能穿透墙壁或其他物体；易受强烈光源的影响。易受强烈光源的影响。能获得高数据吞吐量；能获得高数据吞吐量；可使信号在墙壁和天花板上漫射；可使信号在墙壁和天花板上漫射；无需得到无线电管制委员会的批准。无需得到无线电管制委员会的批准。缺点缺点红红外外线线光光束束可可高高度度集集中中，并朝特定的方向发射；并朝特定的方向发射；）传输方式传输方式 点点点点 广播广播将信号扩展到一个更将信号扩展到一个更广的区域，允许信号广的区域，允许信号由几个接收器同时接由几个接收器同时接收。收。）影响选择媒体的因素：成本、数据速率影响选择媒体的因素：成本、数据速率&带宽、距离带宽、距离传输媒体传输媒体引导性引导性 双绞线双绞线 同轴电缆同轴电缆非引导性非引导性光纤光纤UTP STP50 70 单模单模 多模多模无线电无线电微波微波红外线红外线网卡、收发器、终网卡、收发器、终止器、止器、T型连接器型连接器 作作 业业103 107 18 115201 203 204 211二、二、拓扑结构拓扑结构 费用低费用低 灵活性灵活性 可靠性可靠性网络拓扑网络拓扑(Topology)：网络中计算机相互连接的方式。：网络中计算机相互连接的方式。1.总线拓扑总线拓扑(Bus Topology)选择拓扑结构应考虑主要因素选择拓扑结构应考虑主要因素共享总线共享总线双向传送双向传送注意：注意：“信号终止信号终止”A B C 总线拓扑是一种总线拓扑是一种“无源无源”拓扑拓扑 传输媒体传输媒体 特点特点 需要某种方法指明每次传送的目标站点需要某种方法指明每次传送的目标站点 需要某种形式的访问控制策略决定媒体的使用需要某种形式的访问控制策略决定媒体的使用给每个站点分配一个唯一的地址，并采用帧结构；给每个站点分配一个唯一的地址，并采用帧结构；每个发送帧的帧头会包含源地址和目的地址；每个发送帧的帧头会包含源地址和目的地址；面临的问题面临的问题A A A A A A B B B C C C 集中式轮询集中式轮询 控制站依次询问总线上的站点是否有信息发送控制站依次询问总线上的站点是否有信息发送;每个站可以发送信息的大小或时间长短由控制站决定每个站可以发送信息的大小或时间长短由控制站决定;媒体访问控制策略媒体访问控制策略每个站随机地试图访问媒体。每个站随机地试图访问媒体。这是分布式控制策略。这是分布式控制策略。典型代表为典型代表为CSMA/CD 竞争技术竞争技术(contention)轮询轮询(polling)分布式轮询分布式轮询 这是一种这是一种token passing。token：特殊格式的编码字。：特殊格式的编码字。只有拥有只有拥有token的站才能发信息。的站才能发信息。传输技术传输技术同轴电缆的同轴电缆的LAN传输技术传输技术基带基带(baseband)宽带宽带(broadband)数字信令数字信令 模拟信令模拟信令全部带宽被单个信号全部带宽被单个信号 可可FDM 多个信道多个信道占用占用无无FDM 用于数据、音频和视频用于数据、音频和视频双向双向 单向单向总线拓扑总线拓扑 总线或树型拓扑总线或树型拓扑范围可达几公里范围可达几公里 范围可达几十公里范围可达几十公里 基带系统基带系统包被双向传送包被双向传送包被吸收包被吸收包被吸收包被吸收曼彻斯特或差分曼彻斯特编码；曼彻斯特或差分曼彻斯特编码；不能频分复用；不能频分复用；传输是双向的；传输是双向的；总线拓扑；总线拓扑；基带指以信号原有的形式，不经调制进行传输。基带指以信号原有的形式，不经调制进行传输。基带同轴电缆系统使用特定的基带同轴电缆系统使用特定的50电缆。电缆。10BASE5 10BASE2数据速率数据速率 10Mbps 10Mbps 段的最大长度段的最大长度 500m 185m网络覆盖范围网络覆盖范围 2500m 1000m 每段的节点数每段的节点数 100 30节点间的间隔节点间的间隔 2.5m 0.5m电缆直径电缆直径 0.4in 0.25inIEEE802.3关于关于10Mbps基带同轴电缆基带同轴电缆LAN总线的规范总线的规范中继器中继器物理上的星型，逻辑上的总线物理上的星型，逻辑上的总线宽带能比基带达到更大的距离宽带能比基带达到更大的距离(数十公里数十公里)；单向媒体，加入媒体的信号只能沿一个方向传播；单向媒体，加入媒体的信号只能沿一个方向传播；宽带系统宽带系统宽带指具有比话音信道宽带指具有比话音信道(4KHz)带宽更宽的信道。带宽更宽的信道。一般指有能力进行一般指有能力进行FDM传输的系统。传输的系统。需需要要两两条条数数据据通通路路，这这两两条条通通路路在在网网络络的的某某一一点点上上被被连连接接在在一起，该点称之为一起，该点称之为头端头端(headend)。所有站沿着一条指向头端所有站沿着一条指向头端(入站入站)的通路上发送；的通路上发送；头端将传来的信号沿另一条背离头端头端将传来的信号沿另一条背离头端(出站出站)的通路传播；的通路传播；所有站都在该出站通路上进行接收；所有站都在该出站通路上进行接收；分频分频(Split)宽带系统：宽带系统：入站和出站通路是同一电缆上的不同频带。入站和出站通路是同一电缆上的不同频带。将模拟信号恢复成数字将模拟信号恢复成数字数据，然后再在新的频数据，然后再在新的频带上发送这种经过带上发送这种经过“净净化化”(再生再生)的数据。的数据。变频器变频器模拟装置（模拟装置（frequency translator）将信号转换到一个新的频带上再发送。将信号转换到一个新的频带上再发送。数字装置（数字装置（remodulator）头端频率头端频率转换器转换器在在f2上接收上接收在在f1上发送上发送入站和出站通路都是单独的电缆；入站和出站通路都是单独的电缆；头端只是连接两根电缆的无源连接器；头端只是连接两根电缆的无源连接器；站的发送和接收都在相同的频率上进行。站的发送和接收都在相同的频率上进行。无无源源头头端端在在f1上接收上接收在在f1上发送上发送双电缆双电缆(Dual)宽带系统：宽带系统：只需很短的电缆长度；只需很短的电缆长度；可靠性高可靠性高易于扩充易于扩充总线是无源元件，从硬件总线是无源元件，从硬件的观点看，十分可靠。的观点看，十分可靠。增加新的站点，只需在总线的任何点将其加入；增加新的站点，只需在总线的任何点将其加入；如需增加长度，可通过中继器加上一个附加段。如需增加长度，可通过中继器加上一个附加段。总线拓扑的优点总线拓扑的优点减少了安装费用，易于布减少了安装费用，易于布线和维护；线和维护；可构建简单、可靠的小型可构建简单、可靠的小型网络，易于使用和掌握；网络，易于使用和掌握；网络过载将放慢网络的速度网络过载将放慢网络的速度 BNC连接器削弱电子信号连接器削弱电子信号 故障诊断困难故障诊断困难故障隔离困难故障隔离困难中继器配置中继器配置终端必须是智能的终端必须是智能的 总线拓扑的缺点总线拓扑的缺点2.环形拓扑环形拓扑(Ring Topology)环环共享媒体共享媒体中继器中继器每个站点通过中继器与网络连接；每个站点通过中继器与网络连接；中继器中继器 工作原理工作原理当一帧绕环通过其他站点时，目标站点识别出自己的地当一帧绕环通过其他站点时，目标站点识别出自己的地址将帧拷贝至自己的缓冲区；该帧继续绕环传送，回到址将帧拷贝至自己的缓冲区；该帧继续绕环传送，回到源站点，被移出环。源站点，被移出环。单向的，并且都沿单向的，并且都沿同一方向（顺时针同一方向（顺时针或逆时针）。或逆时针）。逐位地从一条链路上接收数据；逐位地从一条链路上接收数据；并以同样的速率把数据传送到另并以同样的速率把数据传送到另一条链路上。一条链路上。链路链路帧的帧的传送传送“有源有源”网络网络无需无需“终止终止”措施措施 特点特点例：例：C给给A发送一帧发送一帧A (a)C发送发送(b)B忽略忽略A BBCCAA(c)A拷贝拷贝(d)C吸收吸收A CACABBA 数据插入数据插入 中继器作为数据插入的设备连接点。中继器作为数据插入的设备连接点。数据接收数据接收 根据帧包含的目标地址确定是否拷贝。根据帧包含的目标地址确定是否拷贝。数据清除数据清除 由目的站清除由目的站清除 由发送站清除由发送站清除 环的基本功能环的基本功能好处：第一允许自动确好处：第一允许自动确认，第二允许组播；认，第二允许组播；缺点：浪费环的频带。缺点：浪费环的频带。中继器的功能和状态中继器的功能和状态把所有经过的数据向把所有经过的数据向下传递下传递为连接的站点发送和为连接的站点发送和接收数据提供访问点接收数据提供访问点监听态监听态发送态发送态旁路态旁路态环中只有一个环中只有一个token在循环发送；在循环发送；任何一个站要发送数据任何一个站要发送数据 必须等待循环的必须等待循环的token经过该站；经过该站；从环中删除数据可在目的站进行，或者在发送站进行。从环中删除数据可在目的站进行，或者在发送站进行。媒体访问控制策略媒体访问控制策略令牌环令牌环(Token Ring)：“令牌传递令牌传递(token passing)”机制。机制。Token：一个特殊的短报文，它围绕环传递。直至到：一个特殊的短报文，它围绕环传递。直至到达希望向其他站点发送信息的某个站点。达希望向其他站点发送信息的某个站点。相关问题相关问题当站点获得当站点获得token后能发送的报文数目后能发送的报文数目控制控制token的形式和位置的形式和位置发送站何时将发送站何时将token释放给下一站点释放给下一站点例如：例如：C给给A发送一帧发送一帧token(a)C等待等待token的到来的到来(b)C发送帧发送帧A tokenCACABB(c)A拷贝拷贝(d)C吸收并释放吸收并释放tokenA tokenA token token在直径为在直径为200m环内每秒可循环环内每秒可循环10000圈圈BBCACA例例1：FDDI(fiber distributed data interface)自恢复网络自恢复网络反旋转环反旋转环公平性公平性稳定性稳定性传输距离长传输距离长所需电缆长度短所需电缆长度短适用于光纤适用于光纤媒体多样性媒体多样性容易解决地址冲突容易解决地址冲突差错隔离和故障恢复简单差错隔离和故障恢复简单 优点优点可靠性差可靠性差难以进行故障诊断难以进行故障诊断不易重新配置网络不易重新配置网络规模受到限制规模受到限制初始化和恢复初始化和恢复时延抖动时延抖动 缺点缺点优优化化环环结结构构软件软件“装满钥匙的口袋装满钥匙的口袋”:需要对每个节点进行检测才能找到故障点需要对每个节点进行检测才能找到故障点锁相环锁相环弹性缓冲弹性缓冲所有计算机都通过线缆连到一个中心位置，在这个中心位所有计算机都通过线缆连到一个中心位置，在这个中心位置用一个设备（星形耦合器）将所有线缆连接起来。置用一个设备（星形耦合器）将所有线缆连接起来。转发给其他计算机转发给其他计算机 (广播式星形网络广播式星形网络)物理上星形物理上星形 逻辑上总线逻辑上总线3.星形拓扑星形拓扑(Star Topology)Hub、switch、repeater 工作原理工作原理只发给目标节点只发给目标节点 (交换式星形网络交换式星形网络)有源有源Hub(Active Hub)“多端口中继器多端口中继器”能重新生成电子信号，把它发给与己连接的所有机器。能重新生成电子信号，把它发给与己连接的所有机器。有源有源Hub和交换机需要电源才能工作。和交换机需要电源才能工作。集线器的分类集线器的分类智能智能Hub(Intelligent hub)自带微处理器自带微处理器 除了普通的信号再生功能外，除了普通的信号再生功能外，还还提供网络管理和智能路由选择功能提供网络管理和智能路由选择功能。无源无源Hub(passive Hub)不能放大或重新生成信号。不能放大或重新生成信号。无源无源Hub不需要电源即可工作。不需要电源即可工作。例如：双级配置例如：双级配置头端集线器头端集线器中间集线器中间集线器HHubIHubN输入输入 N 输出输出中间集线器中间集线器N输入输入 N 输出输出头端集线器头端集线器便于修改或添加新节点便于修改或添加新节点便于实现网络的集中监视与管理便于实现网络的集中监视与管理单台机器的故障不会影响整个网络单台机器的故障不会影响整个网络单一网络可包含多种线缆类型单一网络可包含多种线缆类型访问协议简单访问协议简单 优点优点 缺点缺点单个故障点单个故障点比其他网络拓扑需要更多的线缆比其他网络拓扑需要更多的线缆4.树形拓扑树形拓扑(Tree Topology)Headend 顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。当节点发送时，根接收该信号；重新广播发送到全网。当节点发送时，根接收该信号；重新广播发送到全网。宽带同轴电缆宽带同轴电缆(75)