【正文】 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 1/103 第二講 物理層簡(jiǎn)介 主講教師：王雷 2023年 10月 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 2/103 上講內(nèi)容回顧： ?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義 ?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類 ?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的演變歷程 ?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì) ?OSI模型 ?TCP/IP模型 ?OSI與 TCP/IP模型的區(qū)別 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 3/103 本講內(nèi)容提要： ?物理層的功能 ?信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) ?傳輸介質(zhì) ?數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的通信方式 ?數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方法 ?模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 ?多路復(fù)用技術(shù) ?數(shù)據(jù)交換技術(shù)（廣域網(wǎng)） LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 4/103 一 .物理層的功能簡(jiǎn)介 ： ?利用傳輸介質(zhì)為通信的節(jié)點(diǎn)之間建立 、 管理與釋放物理連接； ?對(duì) 信號(hào) 進(jìn)行調(diào)制或轉(zhuǎn)換 ， 使得用戶設(shè)備中的信號(hào)定義能與信道上實(shí)際傳送的信號(hào)相匹配 ， 以便這些信號(hào)可以經(jīng)由 物理線纜 （ 例如：雙絞線 、 同軸電纜 、 光纖等 ） 或是 無(wú)線信道 來(lái)進(jìn)行傳送； ?實(shí)現(xiàn) 比特流 的 透明傳輸 ， 為數(shù)據(jù)鏈路層提供服務(wù) 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 5/103 一 .物理層的功能簡(jiǎn)介 (Cont.) ： 物理層是 OSI 參考模型中的 第一層 ， 是整個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)的基礎(chǔ) ， 它是 唯一 直接提供 原始比特流傳輸 的層 。 物理層設(shè)計(jì)的目的：是為了保證當(dāng)發(fā)送方發(fā)送的信號(hào)為二進(jìn)制 “ 1” 時(shí) ， 接收方接收到的也是二進(jìn)制 “ 1” ， 而不是二進(jìn)制 “ 0” 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 6/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 、數(shù)據(jù)與信號(hào)的基本概念 ?信息 （ Information） 是指對(duì)客觀事物的反映 ， 可以是對(duì)物質(zhì)的形態(tài) 、 大小 、 結(jié)構(gòu) 、 性能等的描述 ， 也可以是物質(zhì)與外部的聯(lián)系 。 信息的載體 是數(shù)字 、 文字 、 語(yǔ)音 、 圖形 、 以及圖像等 。 計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備所產(chǎn)生和交換的信息都是由 二進(jìn)制代碼 表示的字母 、 數(shù)字或控制符號(hào)的組合 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 7/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) ?數(shù)據(jù) （ Data） 是指對(duì)客觀事物的 符號(hào)表示 。 在計(jì)算機(jī)科學(xué)中 ， 數(shù)據(jù)是指所有能輸入到計(jì)算機(jī)并被計(jì)算機(jī)程序所處理的 符號(hào) 的總稱 ， 是用于輸入電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 ， 具有一定意義的數(shù)字 、 字母 、 符號(hào)以及模擬量等的通稱 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 8/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) ?信號(hào) （ Signal） 是 數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的電信號(hào)的表示形式 ， 數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 信號(hào) 才能在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸 。 按照在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘?hào)類型不同 ，信號(hào)可以分為 模擬信號(hào) 和 數(shù)字信號(hào) 兩類 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 9/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) ※ 模擬信號(hào) （ Analog Signal） ：是指 在時(shí)間或幅度上連續(xù)的信號(hào) ， 因此 ， 通常又稱為 連續(xù)信號(hào) 。 例如：電話通信中在用戶線上傳送的音頻信號(hào) ， 是用電流的頻率直接反映聲音的頻率 ， 用電流的強(qiáng)弱直接反映聲音的分貝值 ， 其幅度取值是隨著用戶聲音大小的連續(xù)變化而連續(xù)變化的 ， 其 波形為正弦波 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 10/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) ※ 數(shù)字信號(hào) （ Digital Signal） ：是指 在時(shí)間上與幅度上都是離散的 、 不連續(xù)的信號(hào) ， 因此通常又稱為 離散信號(hào) 。 例如：由計(jì)算機(jī)或終端等數(shù)字設(shè)備直接發(fā)出的二進(jìn)制信號(hào) ， 其幅度取值只有兩種 ， 即 “1”或 “0”， 分別用高 （ 或低 ） 電平或低 （ 或高 ） 電平表示 ， 其 波形為方波 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 11/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 0V ( t )t0V ( t )t模擬信號(hào)波形圖 數(shù)字信號(hào)波形圖 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 12/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 、頻帶與寬帶傳輸 ?信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù)稱為 頻率（ Frequency） ， 頻率的單位為 赫茲（ Hz） 。 ?信號(hào)包含的最高頻率與最低頻率之間的頻率范圍稱為 頻帶 （ Band） ， 不同的信號(hào)具有不同的頻帶 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 13/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 、頻帶與寬帶傳輸 ?信源 （ 模擬信源 、 數(shù)字信源 ） 所發(fā)出的沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制 （ 頻譜搬移與變換 ） 的 原始電信號(hào) （ 無(wú)論是數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào) ）稱為 基帶信號(hào) （ Base Band Signal） ， 數(shù)字信號(hào)也被稱為 數(shù)字基帶信號(hào) 。 基帶信號(hào)所固有的頻帶 ， 稱為基本頻帶 ， 簡(jiǎn)稱為 基帶 （ Base Band） 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 14/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 、頻帶與寬帶傳輸（ Cont.） ?在信道中直接傳送基帶信號(hào)的方式 ， 稱為 基帶傳輸 （ Base Band Transmission） 。 在基帶傳輸中 ， 整個(gè)信道只傳輸一種信號(hào) ， 因此 ， 基帶傳輸?shù)男诺览寐屎艿?。 由于在近距離范圍內(nèi)基帶信號(hào)的衰減不大 ， 從而信號(hào)內(nèi)容不會(huì)發(fā)生變化 。 因此 ， 在傳輸距離較近時(shí) ， 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常都采用基帶傳輸方式 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 15/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 、頻帶與寬帶傳輸（ Cont.） 例如：從計(jì)算機(jī)到監(jiān)視器 、 打印機(jī)等外設(shè)的信號(hào)就是采用基帶傳輸?shù)?。 另外 ， 大多數(shù)的局域網(wǎng) ， 如：以太網(wǎng) 、 令牌環(huán)網(wǎng)等 ，也都使用基帶傳輸 ， 常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 10BaseT所使用的就是基帶信號(hào) 。 基帶信號(hào)的頻譜中由于含有豐富的低頻分量乃至直流（ 零頻 ） 分量 ， 例如：語(yǔ)音信號(hào)為 300~3400Hz， 圖像信號(hào)為 0~6MHz， 因此 ， 出于抗干擾和提高數(shù)據(jù)傳輸率的考慮 ， 基帶信號(hào)不適合用于遠(yuǎn)距離通信 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 16/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 、頻帶與寬帶傳輸（ Cont.） ?在遠(yuǎn)距離通信時(shí) ， 通常所采用的傳輸方式為 頻帶傳輸 （ Frequency Band Transmission） ， 即：首先將基帶信號(hào)變換 （ 調(diào)制 ） 成便于在 模擬信道中傳輸?shù)?、 具有較高頻率范圍 的模擬信號(hào) （ 稱為頻帶信號(hào) ， Frequency Band Signal） ， 然后再將這種頻帶信號(hào)在模擬信道中進(jìn)行傳輸 。 顯然 ， 模擬信道不適用于直接傳輸頻帶很寬 、 但能量集中在低頻段的數(shù)字基帶信號(hào) 。 頻帶傳輸在傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端都需要設(shè)置 調(diào)制解調(diào)器 （ Modem） 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 17/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 小知識(shí)：為什么在遠(yuǎn)距離通信時(shí) ， 要采用 頻帶傳輸 ？ 即：為什么在遠(yuǎn)距離通信時(shí) ， 要將基帶信號(hào)變換 （ 調(diào)制 ） 成 具有較高頻率范圍 的 頻帶信號(hào) ，才便于在模擬信道中進(jìn)行傳輸 ？ 由 電磁波速率＝電磁波波長(zhǎng) *電磁波頻率 可知 ，當(dāng)電磁波頻率越高時(shí) ， 電磁波波長(zhǎng)越短 ， 此時(shí)的電磁波由于波長(zhǎng)短 ， 能量大 ， 因此能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 18/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 、頻帶與寬帶傳輸（ Cont.） ?相對(duì)一般說(shuō)的頻帶傳輸而言 ， 比音頻（ 4KHZ） 還要寬的頻帶稱為 寬帶 （ Broad Band） 。 使用這種寬頻帶傳輸?shù)南到y(tǒng) ， 稱為 寬帶傳輸系統(tǒng) （ Broad Band Transmission System） 。 顯然 ， 寬帶傳輸系統(tǒng)多是模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng) ，傳輸?shù)氖悄M信號(hào) 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 19/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 、頻帶與寬帶傳輸（ Cont.） 與基帶傳輸相比 ， 寬帶傳輸具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)： ※ 能在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸聲音 、 圖像和數(shù)據(jù)信息 ， 從而使得系統(tǒng)可具有多種用途 。 ※ 一條寬帶信道能劃分為多條邏輯基帶信道 ， 實(shí)現(xiàn) 多路復(fù)用 ， 因此 ， 寬帶傳輸系統(tǒng)中信道的容量 大大增加了 。 ※ 寬帶 （ 寬頻帶 ） 傳輸?shù)木嚯x比基帶傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn) 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 20/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) ?數(shù)據(jù)通信 是指在不同的計(jì)算機(jī)之間傳送表示字符 、 數(shù)字 、 語(yǔ)音 、 圖像的二進(jìn)制代碼的過(guò)程 。 按照在傳輸介質(zhì)上 傳輸?shù)男盘?hào)類型不同 ， 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可分為 模擬通信系統(tǒng) 與 數(shù)字通信系統(tǒng)兩種 。 其中 ， 信道中傳輸 模擬信號(hào) 的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng) ， 信道中傳輸 數(shù)字信號(hào) 的系統(tǒng)則稱為數(shù)字通信系統(tǒng) 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 21/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 通信系統(tǒng)的一般組成模型如下圖所示： 信 源接 收 設(shè) 備信 道發(fā) 送 設(shè) 備信 宿噪 聲 源( 發(fā) 送 端 ） ( 接 收 端 )LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 22/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) ?模擬通信系統(tǒng)的組成可由通信系統(tǒng)一般模型略加改變而成 ， 主要完成了以下兩種重要變換： ※ 連續(xù)消息 到 電信號(hào)相互變換 ；例如：把聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的麥克風(fēng) 。 ※ 基帶信號(hào) （ 模擬基帶信號(hào) ） 到 調(diào)制信號(hào)（ 頻帶信號(hào) ） 的變換 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 23/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) 為了完成 基帶信號(hào) 到 頻帶信號(hào) 的變換 ， 如下圖所示 ， 在模擬通信系統(tǒng)中需要將通信系統(tǒng)一般組成模型中的 發(fā)送與接收設(shè)備 分別用 調(diào)制器 、 解調(diào)器 來(lái)代替 。 信 源解 調(diào) 器信 道調(diào) 制 器信 宿噪 聲 源( 發(fā) 送 端 ） （ 接 收 端 ）LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 24/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) ?在數(shù)字通信系統(tǒng)中 ， 若信源產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào) （ 例如：計(jì)算機(jī)或終端等數(shù)字設(shè)備直接發(fā)出的二進(jìn)制信號(hào) ） ， 而傳輸使用的是模擬信道 （ 例如：公用電話線路等 ） ， 則稱為 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸通信系統(tǒng) 。 ?若信源產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào) ， 而傳輸使用的也是數(shù)字信道 ， 則稱為 數(shù)字信號(hào)的數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng) 。 ?若信源產(chǎn)生的是模擬信號(hào) ， 而傳輸使用的是數(shù)字信道 ， 則稱為 模擬信號(hào)數(shù)字化后的數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng) 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 25/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) （ Cont.） ?數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸通信系統(tǒng) ：數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸通信系統(tǒng)的組成模型如下圖所示 。 信源信 道噪 聲 源加密器編碼器調(diào)制器解調(diào)器譯碼器解密器信宿同 步LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 26/103 二 .信息、數(shù)據(jù)與信號(hào) （ Cont.） ?數(shù)字基帶傳輸