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1、第三章 物理层 本章介绍的是计算机网络OSI体系结构的最低层物理层。物理层的作用就是为计算机数据通信提供物理接口和线路，在其中的相关协议规定了数据通信的电气性能、可采用的传输介质类型、网络拓扑结构、传输带宽、传输速率等性能。这些都是数据通信的底层性能规定，也是数据通信的基础性能。本章重点如下：u传输媒体的分类u双绞线的分类及各自主要应用u5类、6类和7类双绞线主要特性u6类和7类双绞线的主要优势u光纤的主要分类及各自主要特性uRS-232和X.21接口规范第第1课时主讲内容课时主讲内容u物理层的主要功能和物理层传输媒体类型u导向媒体与非导向媒体,以及双绞线、同轴电缆和光纤特性u双绞线分类及各自
2、主要特性u6类双绞线主要特点与优势u7类双绞线主要特性与优势3.1 物理层概述 物理层是OSI的第一层，也是最低层，指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接。物理层的基本作用是在发送端接收数据链路层传输的数据，然后通过物理层接口，将数据按比特流的顺序传送到接收端的物理层。具体表现为两个方面：为数据端设备提供传送数据的通道；在数据通道上传输数据。物理层媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。统称为“导向媒体”和“非导向媒体”两大类。u导向传输媒体：电磁波被导向沿着固定媒体路径进行传播，如双绞线、同轴电缆和光纤等都属于导向传输媒体，因为它们的信号在其中传输时都有固定的路径。u
3、非导向传输媒体：就是指自由空间，电磁波的传输常称为无线传输。如在无线局域网、手机的无线电波传输等都属于非导向传输，其中的传输介质就是空气。3.2 导向传输媒体 3.2.1 双绞线的主要特性 双绞线（Twisted Pair）是由两根互相绝缘的铜导线（线芯一般为1mm）并排放在一起，然后用规定的方法以螺旋状的形式绞合（Twist）起来构成的。双绞线可分为“屏蔽双绞线”（STP）和“非屏蔽双绞线”（UTP）两大类。分别如下面左、右图所示。双绞线的主要特性表现在：物理特性、传输特性、连通性、地理范围和抗干扰性几个方面，详细内容参见书中介绍。3.2.2 同轴电缆的主要特性 同轴电缆是按照一层圆筒式的外
4、导体套在内导体（一根细芯）外面，两个导体间用绝缘材料互相隔离的结构制造的。外层导体和中心轴芯线的圆心在同一个轴心上，所以叫做同轴电缆，如下面左图所示，其剖面如下面右图所示。其主要特性也是表现在双绞线那方面特性上，只不过具体特性不同而已，详细描述参见书中介绍。3.2.3 光纤的主要特性 光纤的完整名称叫做“光导纤维”（Optical Fiber），由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成。纤有单芯（单模）和多芯（多模）之分，分别如下面上、下图所示。光纤的主要特点表现为：通信容量大；传输损耗小，中继距离长；体积小，重量轻；无串音干扰，保密性好；抗雷电和电磁干扰性能好；光纤对接需专用设备，光电接口也
5、较贵。3.3 非导向传输媒体 3.3.1 无线电短波传输 无线电和光波一样都是电磁波，是电场和磁场相互叠加而形成的。简单说就是电流的周围可以形成磁场，之后所形成的磁场中线再形成电流，这样成周期性交替就形成了电磁波。无线电波很容易产生，也可以传输很长的距离，具有较强的穿透能力，所以无线电波被广泛应用于通信领域。在无线电传输中，短波通信是应用最广的。它是指利用波长为10100m（频率为330MHz）的电磁波进行的无线电通信。短波通信的不足主要表现在以下两方面：u不能和高频媒体本身存在的弱点相匹配。u无法抵御窃听和各种有意的干扰。3.3.2 地面微波传输 在100MHz以上的频段内，无线电波几乎按直
6、线进行传播，而且这样的电磁波可以被汇集成一束窄窄的波束，因此它可以通过抛物线形状的天线接收。而微波的频率范围为300MHz300GHz，在这个范围内，它在空中主要沿直线传播，可经电离反射到很远的地方。同时，由于微波在空中是直线传播，而地球表面是个曲面，因此传输距离受到限制，所以，如果两个站点间相距太远，需要在中间每隔一段距离就需要安装一个中继器来使电磁波传输得更远。地面微波接力通信的主要优点表现为：容量大、质量高、投资小、容易失真、易受环境因素影响、安全性差和维护难度大。详细内容参见书中介绍。3.3.3 卫星通信 卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来
7、的电磁波放大后再返送回另一地球站。地球站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统形成链路。卫星通信的主要优点表现为：通信范围大；不易受陆地灾害影响；建设速度快，通信容量大，通信距离远；易于实现广播和多址通信；电路和话务量可灵活调整，且通信费用与通信距离无关；同一信道可用于不同方向和不同区域。其缺点表现为：信号到达有延迟；安全保密性较差，造价高；天线受太阳噪声的影响；10GHz以上频带受天气的影响。3.3.4 激光传输 激光通信是利用激光传输信息的通信方式。它具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。按传输媒体的不同，可分为“大气激光通信”和“光纤通信”。大气激光通信
8、是利用大气作为传输媒质的激光通信；光纤通信是上节所介绍的利用光纤传输光信号的通信方式。大气激光通信可传输语言、文字、数据、图像等信息。它具有通信容量大、不受电磁干扰、保密性强、设备轻便、机动性好等优点，但使用时光学收发天线相互对准困难，通信距离限于视距（数千米至数十千米范围），易受气候影响，在恶劣气候条件下甚至会造成通信中断。3.4 双绞线 3.4.1 双绞线的分类 按电气性能划分的话，双绞线可以分为：1类、2类、3类、4类、5类、超5类、6类、超6类、7类共9种双绞线类型。类型数字越大，版本越新、技术越先进、带宽也越宽，当然价格也越贵。以上各类双绞线的主要特性参见书中介绍。3.4.2 超5类
9、双绞线 超5类双绞线标准是于1999年正式发布的。与5类双绞线一样，它也有屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）两类。与5类线相比，超5类在近端串扰、串扰总和、衰减和信噪比四个主要指标上都有较大的改进。3.4.3 6类双绞线 6类线系统与5类线系统相比，主要存在：结构变化；增加了“插入损耗”测试项目；用“永久链路”替代5类线系统中的“基本链路”；新增“传播延时”和“传播延时差”测试参数。具体参见书中介绍。3.4.4 6类双绞线标准简介 6类线标准为ANSI/EIA/TIA-568B，是由ANSI/EIA/TIA-568A演变而来。新的ANSI/EIA/TIA-568B标准从结构上分为三部
10、分：ANSI/EIA/TIA-568B1综合布线系统总体要求、ANSI/EIA/TIA-568B2平衡双绞线布线组件和ANSI/EIA/TIA-568B3光纤布线组件。具体参见书中介绍。3.4.5 6类双绞线标准的好处 6类布线带来的最大好处是：用户可以大大减少在网络设备端的投资，包括网卡和交换机等。具体原因分析参见书中介绍。以前，在5类线上运行1 000Mb/s，是把这个流量分配到8根铜线上，每根线还要负担125Mb/s，但它的频率范围只能到100MHz，这就意味着1Hz要产生1.25b，编码调制比较复杂。而6类线用1对线（2根线）实现500Mb/s，每根线上承担250Mb/s，而它的频率范
11、围可到250MHz，这样在1Hz上产生1bit便足够使用了，因此编码方式比较简单。还有，6类线的布线性能指标也有了较大程度的提高，对衰减、近端串扰、综合近端串扰、远端串扰、综合等效远端串扰、回波损耗等指标提出了更高的要求，因而在布线系统性能上已大大优于超5类布线系统。6类线优势的全面描述参见书中介绍。3.4.6 7类双绞线标准 与4类、5类、超5类和6类相比，7类具有更高的传输带宽，至少为600MHz。不仅如此，7类布线系统与以前的布线系统不同，采用的不再是廉价的非屏蔽双绞线，而是采用双屏蔽的双绞线。在网络接口上也有较大变化，主要有“RJ”形式和“非RJ”两种形式。具体参见书中介绍。3.4.7
12、 7类双绞线的主要优势 与现行的超5类、6类双绞布线系统相比，7类布线系统具有以下明显优势：至少600MHz的传输速率；节约成本；应用更加广泛。具体优势描述参见书中介绍。第第2课时主讲内容课时主讲内容u光纤的分类方式、类别和各自的主要特性u光纤结构和主要附件u光纤色散u物理层主要接口标准uRS-232标准uX.21标准3.5 OSI/RM层次结构简介 光纤的分类方法比较多，常见的有以下几种（各分类的具体特性参见书中介绍。）：u按光纤工作波长的不同可分为：紫外光纤、可见光纤、近红外光纤、红外光纤等几种。u按光纤折射率分布的不同可分为：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其他（如三角形、W形
13、、凹陷型等）。u按光纤传输模式的不同可以分为：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）和多模光纤。u按光纤组成材料的不同可分为：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料、金属材料和塑料等。u按光纤制造方法的不同可分为：轴向汽相沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等。3.6 光纤结构及主要应用 3.6.1 光纤结构及主要附件 下面左、右图所示的分别为单芯光纤和多芯光纤截面结构示意图。光纤中的接口类型比较多，常见的有ST、SC、FC、LC等。各自结构和主要应用参见书中介绍。3.6.2 光纤色散 所谓色散是指入射到光纤的光脉冲经光纤传输以后，出射端光脉冲将发生
14、时间展宽的这种现象。光纤色散按产生原因的不同，大致可分为3种：模式色散、材料色散和波导色散。“材料色散”和“波导色散”都与光波长有关，所以又统称为“波长色散”。“模式色散”仅在多模光纤中存在，在单模光纤中不产生模式色散，而只有材料色散和波导色散。通常各种色散的大小顺序是模式色散材料色散波导色散。各种色散主要特性参见书中介绍。3.7 物理层接口 计算机网络通信中，DTE和DCE之间有很多个同类型的接口，目前最通用的类型如下。u美国电子工业协会EIA的RS-232C接口。uITU-T的V系列接口和X系列接口。u国际标准化组织ISO和ISO 2110、ISO 1177等。3.7.1 串行接口标准 在
15、计算机网络数据通信中，有几个接口标准是经常见到和用到的，那就是通常所说的RS-232、RS-422与RS-485标准。各种接口标准及主要特性参见书中介绍。3.7.2 RS-232串行接口标准 EIA RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。一个完整的RS-232接口有22根线，采用标准的25芯插头座（DB-25）。除此之处，目前广泛应用的还有一种9芯的RS-232接口（DB-9）。它们的外观都是一个D形的，不过，对接的两个接口又分为针式的“公头”和孔式的“母头”两种，DB-9“母头”和“公头”与DB-25的“母头”和“公
16、头”分别如下面图左、右图所示。有关RS-232标准及接口引脚信号分配参见书中介绍。3.7.3 其他EIA标准接口 除了前面介绍的EIA RS-232接口外，在EIA接口标准中，常见的串行接口协议还有诸如EIA-422、EIA-449、EIA-485、EIA-530等。各标准的具体介绍参见书中说明。3.7.4 X.21接口规范 X.21的设计目标之一是要减少RS-232之类的串行接口中的信号线的数目，采用15芯标准连接器代替原来的25芯连接器，而且其中仅定义了8条接口线。X.21的另外一个设计目的是允许接口在比EIA RS-232C更长的距离上进行更高速率的数据传输，其电气特性类似于EIA RS-422的平衡接口，支持最大的DTE-DCE电缆距离是300m。X.21可以按同步传输的半双工或全双工方式运行，传输速率最大可达10Mb/s。X.21的接口规范参见书中介绍。