第三章 传输层

物理层位于OSI参考模型的最底层，它的主要功能是实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。它直接面向实际承担数据传输的物理介质（即通信信道）。物理层的传输单位为比特（bit），即一个二进制位（“0”或“1”）。必须强调的是，物理层不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理介质，而是指在物理介质之上为上一层（即数据链路层）提供一个原始传输比特流的物理连接。

3.1 物理层接口与协议

3.1.1 物理层接口

物理层上的协议有时也称为接口。物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道有关的特性，这些特性包括机械的、电气的、功能性的和规程性的四个方面。

ISO对OSI模型的物理层所作的定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。

DTE（Data Terminal Equipment）指的是数据终端设备，是对属于用户所有的连网设备或工作站的统称，它们是通信的信源或信宿，如计算机、终端等。

DCE（Data Circuit-Terminating Equipment或Data Communications Equipment），指的是数据电路终接设备或数据通信设备，是对用户提供入网连接点的网络设备的统称，如自动呼叫应答设备、调制解调器等。

3.1.2 物理层的功能和提供的服务

1.机械特性

2.电气特性

DTE与DCE接口的各根导线（也称电路）的电气连接方式有非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种。

3.信号的功能特性

物理层的功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。。接口信号线按功能一般可分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线等四类。

4.规程特性

物理层的规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的音乐使得比特流传输得以完成。

3.1.3 物理层协议举例

1.EIA RS-232C接口标准

EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA（Electionic Industry Association）在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口标准。RS（Recommended Standard）的意思是“推荐标准”，232是标识号码，而后缀“C”则表示该推荐标准已被修改过的次数。

2.EIA RS-449及RS-422与RS-423接口标准

3.100系列和200系列接口标准

4.X.21和X.21 bis建议

3.2 传输介质

传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线两大类。双绞线、同轴电缆和光纤是常用的三种有线传输介质；无线电通信、微波通信、红外通信以及激光通信的信息载体都属于无线传输介质。

3.2.1 双绞线

双绞线分为两种：无屏蔽和屏蔽的。无屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twist Pair）。屏蔽双绞线（STP，Shielded Twist Pair）

3.2.2 同轴电缆

同轴电缆分为基带同轴电缆（阻抗50Ω）和宽带同轴电缆（阻抗75Ω）。基带同轴电缆又分为粗缆和细缆两种，都用于直接传输数字信号；宽带同轴电缆用于频分多路复用的模拟信号传输，也可用于不使用频分多路复用的高速数字信号和模拟信号的传输。闭路电视所使用的CATV电缆就是宽带同轴电缆。

3.2.3 光纤

光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的潮汐石英纤维外加保护层构成。

光源可采用发光二极管LED（Light Emitting Diode）和注入型激光二极管ILD（Injection Laser Diode）。

在接收端用来把光波转换为电能的检波器是一个光电二极管，目前常用的两种固态器件是PIN检波器和APD检波器。

3.2.4 无线传输介质

无线传输介质通过空间传输，不需要架设或铺埋电缆或光纤，目前常用的技术按照频率由低到高排列有：无线电波、微波、红外线和可见光。

第一代蜂窝移动通信是模拟方式，这是指用户的语音信箱的传输以模拟语音的方式出现的。第二代蜂窝移动通信是数字方式。数字方式涉及语音信号的数字化与数字信息的处理、传输问题。

解决多址接入的方法称为多址接入技术。在蜂窝移动通信系统中，多址接入的方法主要有3种：频分多址接入FDMA、时分多址接入TDMA与码分多址接入CDMA。

微波通信、红外通信、激光通信都需要在发送方和接收方之间有一条视线（Line of Sight）通路，故统称它们为视线介质。

3.2.5 传输介质的选择

传输介质的选择取决于以下诸因素：网络拓扑结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。

3.3 数据通信技术

3.3.1 通信信道

1.数据传输速率

所谓数据传输速率，是指每秒能传输的二进制信息位数，单位为位/秒（Bits Per Second），记作bps或b/s。

R=1/T*log2N

式中T为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码情况）或重复周期（归零码情况），单位为秒。一个数字脉冲也称为一个码元，N为一个码元说去的有效离散值的个数，也称调制电平数。

若一个码元可取N种离散值，则该码元便能携带log2N位二进制信息。

信号传输速率，也称码元速率、调制速率或波特率，单位为波特（Baud）。信号传输速率表示单位时间内通过信道传输的码元个数，也就是信号经调制后的传输速率。若信号码元的宽度为T秒，则码元速率定义为：

B=1/T(Baud)

2.信道容量

信道容量表征一个信道传输数据的能力，单位也用位/秒（bps）。信道容量与数据传输速率的区别在于，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者则表示实际的数据传输速率。

奈奎斯特（Nyquist）首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值B与信道带宽H的关系：

B=2*H(Baud)

其中，H是信道的宽度，也称频率范围，即信道能传输的上、下限频率的差值，单位为Hz。由此可推出表征信道传输能力的奈奎斯特公式：

C=2*H*log2N(bps)

此处，N仍然表示携带数据的码元可能取的离散值的个数，C即是该信道最大的数据传输速率。

计算信道容量的香农公式：

C=H*log2(1+S/N)(bps)

其中，S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则为信噪比。

由于实际使用的信道的信噪比要足够大，故常表示为10log10(S/N)，以分贝（dB）为单位来计量。

3.误码率

误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标，它定义为二进制数据位传输出错的概率。设传输二进制数据总数为N位，其中出错的位数为Ne，则误码率表示为：

Pe=Ne/N

计算机网络中，一般要求误码率低于10-9，即平均每传输109位数据仅允许错一位。

4.通信方式

通信有两种基本方式，即串行方式和并行方式。通常情况下，并行方式用于近距离通信，串行方式用于远距离通信。

（1）并行通信方式。在并行数据传输中有多个数据位。

（2）串行通信方式。串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，与同时可传输好几位数据的并行传输相比，串行数据传输的速度要比并行传输慢的多。

（3）串行通信的方向性结构。串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。

单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，因而半双工通信实际上是一种可切换方向的单工通信；全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。

3.3.2 模拟数据通信和数字数据通信

（1）数据。数据可定义为有意义的实体，它涉及事物的存在形式。数据可分为模拟数据和数字数据两大类。模拟数据是在某个区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。

（2）信号。信号是数据的电子或电磁编码。对应模拟数据和数字数据，信号也可分为模拟信号和数字信号。

（3）信息。信息是数据的内容和解释。

（4）信源。信源即通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。

（5）信宿。信宿即通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。

（6）信道。信道是信源和信宿之间的通信线路。

调制解调器MODEM（Modulater Demodulater）将数字数据调制转换为模拟信号，使之能在适合于此种模拟信号的介质上传输。

对于声音数据来说，完成模拟数据和数字信号转换的功能设施是编码解码器CODEC(Coder Decoder)。

模拟传输系统要用放大器来增强信号中的能量，但同时也会使噪音分量增强，以致于引起信号畸变。

数字传输的衰减也会危及数据的完整性，数字信号只能在一个有限的距离内传输，为了获得更大的传输距离，可以使用中继器。中继器接收衰减了的数字信号，把数字信号恢复为“0”、“1”的标准电平，然后重新传输这种新的信号，这样就有效地克服了衰减。

3.3.3 多路复用技术

一个信道同时传输多路信号，即多路复用技术（Multiplexing）。

频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）是两种最常用的多路复用技术。

对于光纤信道，还是用频分多路复用的一个变种称为波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）。

1.频分多路复用FDM

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下，可将该物理通道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的自信道，每个子信道传输一路信号，这样就是频分多路复用。

2.时分多路复用

若介质能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，就可采用时分多路复用TDM技术，也即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。

3.波分多路复用