第3章物理层 本章学习目标 .了解物理层的功能。 .掌握DTE 和DCE 的概念。 .掌握物理层的基本特征。 .了解物理层常见的技术标准。 .掌握物理层下面的传输媒体。 .了解常见的宽带接入技术。 .掌握网线的制作过程。 .熟悉网络仿真软件PacketTracer的使用。 本章主要讲解计算机网络层次结构的最底层———物理层,详细讲解物理层的功能,介绍 DTE 和DCE 的基本概念,分析物理层的基本特征,详细探讨物理层常见的技术标准。 本章详细讲解物理层下面的传输媒体,分析常见的宽带接入技术。最后的实验主要是 练习网线的制作,以及熟悉网络仿真软件PacketTracer的使用。 3.物理层的基本概念 1 3.1 物理层的功能 1. 物理层位于OSI 参考模型的最底层,它直接面向实际承担数据传输的物理媒体。物理 层是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,涉及信号的编码、解 码和同步。现有的计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类繁多,而通信手段也有许多 不同的方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异,使物理层上的数据链路层感 觉不到这些差异,这样可使数据链路层只考虑如何完成本层的协议和服务即可,而不必考虑 网络具体的传输是如何实现的。物理层的协议常称为物理层规程,要解决的是主机、工作站 等数据终端设备与通信线路上数据通信设备之间的接口问题。 物理层需要提供与传输介质相连的接口,接口通常用连接器实现,连接器有多根传输 线,每根线标识特定的功能,每根线之间需要规定哪根线先动作,哪根线后动作。物理连接 分为点对点连接和点对多点连接。 数据在计算机中多采用并行传输方式,在通信线路上的传输方式一般都是串行传输(主 要出于经济上的考虑)。物理层还需要完成传输方式的转换。 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据比特流,而不是指 具体的传输介质。信号的传输离不开传输介质,而传输介质两端必然有接口用于发送和接 收信号。物理层主要关心如何传输信号,它的主要任务是确定与传输媒体的接口有关的一 些特性。由于物理连接的方式很多,传输媒体的种类也很多,因此具体的物理层协议也相当 第3 章 物理层 81 复杂。 3.1.2 DTE/DCE 物理层涉及通信用的互连设备主要有两大类,分别是DTE和DCE。 DTE(DataTerminalEquipment)———数据终端设备,指的是位于用户网络接口用户端 的设备,它能够作为信源、信宿或同时作为二者,它的功能是产生、处理数据。数据终端设备 通过数据通信设备(如调制解调器)连接到一个数据网络上,并且通常使用数据通信设备产 生的时钟信号。数据终端设备是一个广义的概念,广域网常用的数据终端设备一般有路由 器、主机、工作站等。 DCE(DataCircuit-TerminatingEquipment)———数据通信设备,指的是具有一定数据 处理能力和数据收发能力的设备,由DTE提供或接收数据。常见的DCE设备有数据通信 设备或电路连接设备,如调制解调器(MODEM)、路由器,以及连接DTE设备的通信设备。 DCE提供了一个用于与DTE设备进行数据传输的时钟信号,其功能是沿传输介质发送和 接收数据。 3.1.3 物理层的基本特性 在OSI之前,许多物理规程或协议已经制定出来了,在数据通信领域中,这些物理规程 已被许多商品化的设备所采用。 DTE和DCE之间的接口标准特性包括机械的、电气的、功能的以及过程的。同样,物 理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的机械、电气、功能和过程特性。 1)机械特性 机械特性也称物理特性,指明通信实体间硬件连接接口的机械特点,如接口所用连接器 的形状和尺寸、引线数目的排列、固定和锁定装置等。这很像日常生活中的各种规格的电源 插头,其尺寸都有严格的规定。 2)电气特性 电气特性规定了在物理连接上,导线的电气连接及有关电路的特性,一般包括接收器和 发送器电路特性的说明、信号的识别、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器 的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。 3)功能特性 功能特性指明物理接口各条信号线的用途(用法),包括接口线功能的规定方法、接口信 号线的功能分类,如数据信号线、控制信号线、定时信号线以及接地线等。 4)过程特性 过程特性指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序, 包括事件的执行顺序和数据传输方式,即在物理连接建立、维持和交换信息时,DTE/DCE 双方在各自电路上的动作序列。 3.1.4 物理层标准 1. 物理层标准组织及常用标准 由于物理层的物理连接方式很多,可以是点对点,也可以采用多点连接或广播连接;而 计算机网络技术原理与实验 传输媒体的种类也非常多,如架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆以及各种波段的无线信道 等,因此物理层的协议种类较多,定义物理层协议标准的组织相对也较多。 通常,定义物理层协议标准的组织有:①国际标准化组织( 会(IEEE);③美国国家标准学会(ANSI);④国际电信联盟( ISO);②电气电子工程师协 ITU);⑤电子工业联盟/电信工 业协会(EIA/TIA);⑥国有电信机构,如美国联邦通信委员会(FCC )。 常见的物理层标准有:①EIARS---24, 232;②EIARS449;③EIA/TIA612/613;④V. 是ITU-T[前身为国际电报电话咨询委员会(CCITT)]发布的物理层接口标准;⑤V.是 ITU-T标准,普遍用在美国和欧洲。 35, 2.EIARS-232-C/V. 24 EIARS-232-C标准简称为RS-232,是由美国电子工业协会(ElectronicIndustryAsociation,EIA)在1969年制定的串行通信物理接口标准,它的全名是“数据终端设备(DTE)和 数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”,RS的意思是“推荐标准” (RecommendedStandard),232是标识号码,后缀C表示该推荐标准已被修改过的次数。 该标准最初是数据通信时,是为连接DTE和DCE而制定的。若通信距离较近(<12m), 以用电缆线直接连接标准RS-232端口;若通信距离较远,则需附加调制解调器(MODEM )。(可) 图3.DCE为插座。 1为两个DTE通过DCE进行通信的例子。DTE为插头, 图3. 1 两个DTE通过DCE进行通信的例子 该标准规定采用一个25脚的DB-25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规 定,还对各种信号的电平加以规定。后来,-232简化成DB IBM的PC将RS9连接器。因 此,RS-232通常以9个引脚(DB-9)或25个引脚(DB-25)的形态出现,一般个人台式计算机 ---2 上会有两组RS232接口,分别称为COM1和COM2 。DB25与DB9的引脚定义如图3. 所示。表3.1为DB-9与DB-25引脚的对应关系。 表3. 1 DB9与DB25 引脚的对应关系 DB-9针号DB-25针号信号,功能DB-9针号DB-25针号信号,功能 1 8 DCD,载波检测6 6 DSR,DCE就绪 2 3 RxD,接收数据7 4 RTS,请求发送 3 2 TxD,发送数据8 5 CTS,允许发送 4 20 DTR,DTE就绪9 22 RI,振铃 5 7 GND,信号地 第3 章 物理层 83 图3.2 DB-25与DB-9的引脚定义 CCITT采用了RS-232标准,但用自己的命名体系将其命名为CCITTV.24,并对每条 引线也重新命名。CCITT的V.24标准与RS-232-C接口标准兼容,是一种非常实用的异步 串行通信接口。 RS-232的特性如下。 1)机械特性 EIA-232-C使用ISO2110关于插头座的标准。DB25的25根引脚(公头)分为上、下两 排,分别有13和12根引脚,面对针脚引线,编号从左到右分别规定为1~13和14~25。25 个孔(母头)分为上、下两排,分别有13和12个孔,面对孔,编号从右到左分别规定为1~13 和14~25。 DB-9的9根引脚分为上、下两排,分别有5和4根引脚,面对针脚引线,编号从左到右 分别规定为1~5和6~9。9个孔分为上、下两排,分别有5和4个孔,面对孔,编号从右到 左分别规定为1~5和6~9。 在微型计算机的RS-232C串行端口上,大多使用9针连接器DB-9。 2)电气性能 与V.28建议书一致,采用负逻辑电平,用-15~-3V 表示逻辑“1”电平,用+3~ +15V 表示逻辑“0”电平。当连接电缆线的长度不超过15m 时,允许数据传输速率不超过 20kb/s。 3)功能特性 与CCITT的V.24建议书一致,它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根 以及该引脚的作用。 4)过程特性 规定了DTE和DCE之间信号时序的应答关系。 3. EIARS-449/V.35 RS-232具有传输性能低、距离短以及速率低的缺点,1977年以RS-232-C为基础进行 改进,提出RS-449标准。在CCITT(现在称为ITU-T)的建议书中,RS-449相当于V.35。 RS-449是一个一体化的3个标准,包含两个电气子标准RS-423-A 和RS-422-A,在保 计算机网络技术原理与实验 持与RS-232 兼容的前提下,重新定义了信号电平,改进了电气连接方式,提高了数据的传 输速率和最大传输距离。 功能特性:RS-449 采用37 根和9根引脚的插头座。 电气特性:RS-423-A规定采用半平衡式电气标准,将信号电平定义为6V(4为过渡区) 的负逻辑,提高了传输速率,加大了传输距离。 RS-422-A规定采用平衡式电气标准,将信号电平定义为6V(2V 为过渡区)的负逻辑, 并且采用完全独立的双线平衡传输,抗串扰能力大大增强,可将传输速率提高到2Mb/s,连 接电缆长度可超过60m 。 RS-35 用于宽带电路( 其典型传输速率为48168kb/都 449/V.一般都是租用电路), ~s, 用于点到点的同步传输 。 3.2 物理层下面的传输媒体 物理层下面的传输媒体分为有线传输媒体和无线传输媒体,常见的有线传输媒体有双 绞线、同轴电缆以及光纤;常见的无线传输媒体有无线电波、微波和红外线等。 2.双绞线 3.1 双绞线(TwistedPair,TP)是一种综合布线工程中最常用的传输介质,由两根具有绝 缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,目的是将导线在 传输中辐射出的电波互相抵消,有效降低信号干扰的程度。实际使用时将多对双绞线包在 一个绝缘电缆套管里,形成双绞线电缆,但日常生活中一般把双绞线电缆直接称为双绞线。 与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定 限制,但价格较低廉。 1. 双绞线的分类 双绞线可以根据有无屏蔽层进行分类,也可以从频率和信噪比角度进行分类。 首先根据有无屏蔽层进行分类,将双绞线划分为屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair, STP)与非屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair,UTP )。 屏蔽双绞线由4对不同颜色的传输线组成,在双绞线与外层绝缘层封套之间有一层金 属屏蔽层。屏蔽层可减少辐射,防止信息被窃听,也可阻止外部电磁干扰的进入。屏蔽双绞 线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。 非屏蔽双绞线同样由4对不同颜色的传输线组成,广泛应用于以太网中。电话线用的 是1对非屏蔽双绞线。在综合布线系统中,非屏蔽双绞线得到广泛应用,它的主要优点 如下: (1)无屏蔽外套,直径小,节省占用的空间,成本低。 (2)重量轻,易弯曲,易安装。 (3)具有阻燃性。 (4)具有独立性和灵活性,适用于结构化综合布线。 按照频率和信噪比分类,双绞线常见的有三类线、四类线、五类线、超五类线以及六类线 等。具体如下: 第3 章 物理层 85 (1)三类线(CAT3):指在美国国家标准协会(AmericanNationalStandardsInstitute, ANSI)、美国通信工业协会(TelecommunicationIndustryAssociation,TIA)以及美国电子 工业协会(ElectronicIndustriesAlliance,EIA)制定的EIA/TIA568标准中指定的电缆,该 电缆的传输频率为16MHz,最高传输速率为10Mb/s,主要应用于语音、10Mb/s以太网 (10Base-T)和4Mb/s令牌环,最大网段长度为100m,目前已淡出市场。 (2)四类线(CAT4):该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率 为16Mb/s(指的是16Mb/s令牌环)的数据传输,主要用于基于令牌的局域网和10BASET/ 100BASE-T网络中,最大网段长度为100m,未被广泛使用。 (3)五类线(CAT5):这类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,线缆最 高频率带宽为100MHz,最高传输率为1000Mb/s,主要用于100BASE-T 和1000BASE-T 网络,最大网段长度为100m。在双绞线电缆内,不同线对具有不同的绞距长度。 (4)超五类线(CAT5e):衰减小,串扰少,具有更高的衰减与串扰的比值以及更高的信 噪比、更小的时延误差,性能得到很大提高。超五类线主要用于千兆位以太网(1000Mb/s)。 (5)六类线(CAT6):该类电缆的传输频率为(1~250)MHz,它提供2倍于超五类的带 宽。六类线的传输性能远远高于超五类标准,适用于传输速率高于1000Mb/s的应用。 2.双绞线的制作 国际上最有影响力的3家综合布线组织为ANSI、TIA、EIA。在双绞线制作标准中应 用最广泛的是EIA/TIA-568A 和EIA/TIA-568B。这两个标准最主要的区别是线的排列顺 序不一样。实际工程项目中用得比较多的线序标准为EIA/TIA-568B。 EIA/TIA-568A 的线序为:白绿绿白橙蓝白蓝橙白棕棕 EIA/TIA-568B的线序为:白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕 根据EIA/TIA-568A 和EIA/TIA-568B标准,RJ-45水晶头各触点都在网络连接中,对 传输信号来说,它们起的作用分别是:1、2用于发送,3、6用于接收,所以8根线的双绞线 中,实际使用的是4根线。也就是说,只保证这4根线连通,这根双绞线电缆就可用于实际 工程项目中,并不需要8根线全部连通。 双绞线的制作步骤如下: (1)剪断:用网线钳剪一段满足长度需要的双绞线。 (2)剥皮:把剪齐的一端插入网线钳用于剥线的缺口中,稍微握紧压线钳慢慢旋转一 圈,让刀口划开双绞线的保护胶皮,拔下胶皮。当然,也可使用专门的剥线钳剥下保护胶皮。 注意剥皮的长度要适中,剥皮过长会导致网线外套胶皮不能被水晶头完全包住,这样实际使 用时由于水晶头的晃动会造成网线断裂、不能保护双绞线。剥线过短,导致双绞线不能插到 水晶头的底部,造成水晶头插针不能与网线完好接触。 (3)排序:剥除外皮后即可见到双绞线电缆的4对8条芯线,把每对相互缠绕的线缆解 开,解开后根据规则排列好顺序并理顺。 (4)剪齐:由于线缆之前是互相缠绕的,排列好顺序并理顺弄直之后,双绞线的顶端8 根线已经不再一样长了,此时用压线钳的剪线刀口把线缆顶部裁剪整齐。 (5)插入:把按照一定标准顺序整理好的线缆插入水晶头内。注意,插入时将水晶头 有塑料弹簧片的一面向下,有引脚的一面向上,插入时要求将8根线一直插到线槽的顶端。 (6)压线:将水晶头插入压线钳的8P槽内,用力握紧线钳,可以使用双手一起压,使得 计算机网络技术原理与实验 水晶头凸出在外面的引脚全部压入水晶头内。 (7)测试:将做好的网线的两头分别插入网线测试仪中,并启动开关,观察测线仪灯的 闪烁情况,判断网线制作是否成功。 两端做好水晶头的双绞线有直通线和交叉线之分。直通线也称为平行线,指的是双绞 线两端的线序相同,按照标准的做法是:如果一边做成EIA/TIA-568A 标准,则另一端同样 做成EIA/TIA-568A 标准;如果一端做成EIA/TIA-568B 标准,则另一端同样做成EIA/ TIA-568B 标准,总之两端的顺序相同,3和图3.如果确实忘 如图3.4所示。在工程项目中, 记了标准EIA/TIA-568A 或EIA/TIA-568B 的顺序,我们只需记住直通线的本质是两边的 线序相同即可,不按照标准做同样能够解决问题。当然,在实际工程项目中尽量按照标准做 网线水晶头,这样的网线抗干扰能力是最强的。 图3.3 双绞线直通线EIA/TIA568B 标准做法图3. 4 双绞线直通线EIA/TIA568A 标准做法 清楚直通线的本质,可以帮助我们解决一些实际问题。在实际工程中,利用标准做法的 双绞线主要使用其中的四根线,分别为白橙、橙、白绿和绿。我们发现,有时由于这四根线存 在断裂的情况,导致网络不能连通。如果清楚双绞线制作的本质,就可以使用其他颜色的线 代替那根断裂的线,从而使这根双绞线仍然能够正常使用。如果一直强调必须使用标准双 绞线的做法做这根双绞线,那么这根线永远做不通,而实际这根线是可以再次被使用的。 交叉线是双绞线另一种常见的做法。所谓交叉线,是指双绞线一端的1、2号线对应另 一端的3、6号位置。一端的3、2号位置,5所示。按照标准 6号线对应另一端的1、如图3. 的做法,如果双绞线的一端做成EIA/TIA-568A,则另一端做成EIA/TIA-568B;如果双绞 线的一端做成EIA/TIA-568B,则另一端做成EIA/TIA-568A 。这样的双绞线称为交 叉线。 图3. 5 双绞线的交叉线制作 清楚交叉线的本质,同样可以帮助我们解决实际问题。当编号为1、2、3、6的四根线中 第3 章 物理层 87 的某一根或几根出现断裂,可以利用其他线代替断裂的线,从而解决双绞线不通的问题。 3.双绞线线型的选择 在实际工程项目中,往往需要对双绞线的线型进行选择,选择是使用直通线,还是使用 交叉线? 关于双绞线的选择,总结出的规则如下。 (1)相同性质的设备之间用交叉线,不同性质的设备之间用直通线。 (2)将路由器和PC看成相同性质的设备;将交换机和集线器看成相同性质的设备。 根据以上规则,可得出常见设备之间的连线情况,见表3.2。 表3.2 常见设备间线型选择 设备计算机集线器交换机路由器 计算机交叉线直通线直通线交叉线 集线器直通线交叉线交叉线直通线 交换机直通线交叉线交叉线直通线 路由器交叉线直通线直通线交叉线 3.2.2 同轴电缆 同轴电缆是指有两个同心导体,而导体和屏蔽层公用同一轴心的电缆。最常见的同轴 电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成,在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘 层,整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住。 同轴电缆从用途上可分为50Ω基带电缆和75Ω宽带电缆(即网络同轴电缆和视频同轴 电缆)两类。基带电缆又分细缆和粗缆两类。 1.细缆 细缆的最大传输距离为185m,使用时两端接50Ω 终端电阻。另外,它使用T 型连接 器、BNC接头与网卡相连,不需要另外购置集线器等有源设备。 2.粗缆 粗缆的最大传输距离可达到500m,不能与计算机直接连接,需要通过一个转接器转成 AUI接头,然后再接到计算机上。粗缆的最大传输距离比细缆长,主要用于网络主干。 3.2.3 光纤 光纤是光导纤维的简称,是一种由玻璃或塑料制成的纤维,可作为光传导介质,传输原 理是光的全反射。 细微的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲,而不至于断裂。光纤一端的发射装置 使用发光二极管(LightEmittingDiode,LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤,光纤另一 端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。 在日常生活中,由于光在光导纤维的传导消耗比电在电线传导的消耗低得多,因此光纤 被用作长距离的信息传递。 光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤只能传输一种模式,具有比多模光纤大得多 的带宽,适用于大容量、长距离通信。多模光纤容许不同模式的光在一根光纤上传输。 计算机网络技术原理与实验 3.4 无线电波 2. 无线电波是指在自由空间(包括空气和真空)传播的射频频段的电磁波。无线电技术的 原理在于,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载 于无线电波之上。当电波通过空间传播到达接收端,电波引起的电磁场变化又会在导体中 产生电流。通过解调信息从电流变化中提取信息,最终达到信息传递的目的。 3.5 微波 2. 微波是指频率为300MHz~300GHz 的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,即 波长在1mm~1m 的电磁波,微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁 波”。 3.6 红外线 2. 红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种,可当作传输媒介。红外线通信有两个 最突出的优点: (1)不易被人发现和截获,保密性强。 (2)几乎不受电气、天气及人为干扰,抗干扰性强。 3.实验一——网线制作 3 — 整个网线制作过程大致经过以下几个步骤:①认识工具和材料;②清楚网线制作标准; ③具体网线的制作过程;④测试制作好的网线。 3.认识网线制作工具和材料 3.1 制作网线需要涉及以下一些工具及材料:①网线(图3.图3. 8);④网线测试仪( 9)。 ③压线钳(图3.图3.6);②RJ-45 水晶头( 7); 图3.6 网线图3.45 水晶头 7 RJ 3.2 网线制作步骤 3. 以制作EIA/TIA-568B 直通线为例,整个制作过程经过以下几个步骤:①剪断;②剥皮; 第3 章 物理层 89 图3.8 压线钳 图3.9 网线测试仪 ③排序;④剪齐;⑤插入;⑥压制。 具体制作过程如下。 (1)剪断,如图3.10所示。 (2)剥皮,如图3.11所示。 图3.10 剪断 图3.11 剥皮 (3)排序,如图3.12所示。 按照EIA/TIA-T568B的顺序排序。具体线序如下:白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白 棕、棕。 (4)剪齐,如图3.13所示。 图3.12 排序 图3.13 剪齐 把每根线都理直后,再使用压线钳剪齐,使得露在保护层皮外的网线长度约为1.5cm。 (5)插入,如图3.14所示。 右手手指掐住线,左手拿水晶头,塑料弹簧片朝下,把网线插入水晶头。注意:务必把 外层的皮插入水晶头内,否则水晶头容易松动。图3.15为不标准的做法。 计算机网络技术原理与实验 图3.14 插入图3. 15 不标准的做法 在水晶头末端检查网线插入的情况(图3.要求每根线都能紧紧地顶在水晶头的 末端 ( 。 6)压制,如图3.16), 17 所示 。 把水晶头完全插入,用力压紧,能听到“咔嚓”声,可重复压制多次 。 图3.16 在水晶头的末端检查插入情况图3. 17 压制 3.3 测试 3. 将做好的网线的两头分别插入网线测试仪中,并启动开关,如 图3.18 所示,如果两边的指示灯同步亮,则表示网线制作成功。 网线制作注意事项如下。 ①剥线时不可太深、太用力,否则容易把网线剪断。 ②一定把每根网线捋直,排列整齐。 ③把网线插入水晶头时,8根线头中的每一根都要紧紧地顶到 水晶头的末端,否则可能不通 。 图3.18 测试④捋线时不要太用力,以免把网线捋断 。 3.宽带接入技术 4 在互联网发展的初期,用户利用电话线通过调制解调器连接到互联网服务提供商 (InentSriePoieISP), 从而实现与互联网的连接。采用这种方式连接互联网的 treevcrvdr, 最高速率只能达到56kb/s,并且电话和上网两者不能同时进行。为了提高上网速率,已经 有多种宽带接入技术进入用户的家庭。对于“宽带”的理解,目前并没有很严格的定义,不同 第3 章 物理层 91 时期对它的理解不一样,从一般的角度理解,它是能够满足人们感官的各种媒体在网络上传 输所需要的带宽,是一个动态的、发展的概念。当初,由于拨号上网速率的上限是56kb/s, 因此将56kb/s及其以下的接入方式称为“窄带”,之上的接入方式称为“宽带”。美国联邦通 信委员会(FederalCommunicationsCommission,FCC)2015年1月7日做了年度宽带进程 报告,在报告中对“宽带”进行了重新定义,原定的下行速度4Mb/s调整成25Mb/s,原定的 上行速度1Mb/s调整成3Mb/s。 宽带接入技术主要包括铜线宽带接入技术、HFC技术、光纤接入技术、以太网接入技术 以及无线接入技术。 3.4.1 铜线宽带接入技术 铜线宽带接入技术即DSL技术,主要包括高速率数字用户线路(HDSL)、非对称数字 用户线路(ADSL)以及超高速率数字用户线路(VDSL)。传统的通过调制解调器拨号实现 用户的接入,速率为56kb/s,但是这种速率远远不能满足用户对宽带业务的需求。虽然铜 线的传输带宽非常有限,但是由于电话网的普及,从而可以充分利用电话网的宝贵资源。这 里需要先进的调制技术和编码技术。 全铜线接入网在双绞线上采用先进的数字处理技术提高双绞线的传输速率。但是,当 传输速率增加到T1(1544kb/s)和E1(2048kb/s)时,串扰和符号间干扰迅速增加。为了改 善通信质量,可采用非对称数字用户线路(ADSL)和超高速数字用户线路(VDSL)。 1. ADSL技术 ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine,非对称数字用户线路)是DSL 技术的一 种,也可称为非对称数字用户环路,是一种数据传输方式。1989年,美国Bellcore(1984年 以后,按照美国政府分拆AT&T 的协议,从贝尔实验室中分割成立了Bellcore)首先提出 ADSL 技术。 ADSL为高速数字用户环路,它与电话线相连,接入方式是双绞线入户,通过分离器分 出两对线,其中一对线连接电话机,另一对线连接ADSL Modem,ADSL Modem 通过五类 线与计算机相连,具有高速传输、上网和打电话互不干扰、独享带宽、安全可靠、安装方便快 捷、价格实惠的优点。Modem 俗称“猫”,它的作用是将模拟信号和数字信号互相转换,以便 在电话线路上传输信号。 ADSL技术采用频分复用技术把普通的电话线分成电话、上行和下行三个相对独立的 信道,从而避免了相互之间的干扰。用户可以边打电话边上网,不用担心上网速率和通话质 量下降的情况。理论上,ADSL可在5km 范围内,在一对铜缆双绞线上提供最高1Mb/s的 上行速率和最高8Mb/s的下行速率,能同时提供话音和数据业务。 ADSL技术能够充分利用公共交换电话网(PublicSwitched TelephoneNetwork, PSTN),只在线路两端加装ADSL设备即可为用户提供高宽带服务,无须重新布线,从而可 极大地降低服务成本。同时,ADSL用户独享带宽,线路专用,不受用户增加的影响。 ADSL最大的优点是可以利用现有电话网中的用户线(铜线),而不需要重新布线。有 许多古老的建筑,电话线早已存在。但若重新铺设光纤,往往会对原有的建筑产生一些损 伤。从保护原有建筑考虑,使用ADSL进行宽带接入就非常合适。ADSL的上网连接方式 如图3.19所示。 计算机网络技术原理与实验 图3. 19 ADSL 的上网连接方式 ADSL 的特点总结如下: ①ADSL 上、下行速率不一致,下行速率往往高于上行速率。 ② 双绞线的低频段0~4kHz 用于电话通信,ADSL 利用电话线的高频部分(26kHz~ 2MHz)进行数字传输。其原理相当简单:经ADSLModem 编码的信号通过电话线传到电 话局,经过一个信号识别/分离器,如果是语音信号,就传到电话交换机上,接入PSTN 网; 如果是数字信号,就直接接入Internet。 ③ADSL 使用频分复用技术将话音与数据分开,话音和数据分别在不同的通路上运 行,所以互不干扰。 19 所示,通过ADSL 宽带上网,物理上连接好后如图3.需要在上网的计算机上设置宽 带拨号连接,具体操作过程如下(以Windows10 操作系统为例): 右击桌面上的“网络” 在弹出的快捷菜单中选择“, 20 所示的 窗口。 图标, 属性”弹出如图3. 图3. 20 网络和共享中心 在图3.20 所示的窗口中单击“设置新的连接或网络” 弹出如图3. 按钮, 21 所示的窗口。 第3 章 物理层 93 图3.21 设置连接或网络 选择图3.21中的“连接到Internet”,单击“下一步”按钮,弹出如图3.22所示的窗口。 图3.22 连接到Internet 在图3.22窗口中选择“仍要设置新连接”选项,弹出如图3.23所示的窗口。 在图3.23所示的窗口中选择“宽带(PPPoE)”,弹出如图3.24所示的窗口。 在图3.24中输入宽带上网的用户名和密码后,单击“连接”按钮。如果输入的用户名及 密码正确,则ADSL宽带上网连接成功。 计算机网络技术原理与实验 图3.oE 23 宽带PPP 图3. 24 输入身份验证窗口 2.VDSL技术 VDSL(VeryHighSpedDigitalSubscriberLine,超高速数字用户线路)是一种非对称 DSL技术。和ADSL技术一样,VDSL也使用双绞线进行语音和数据的传输。它利用现有 的电话线路在用户端安装一台VDSLModem 。最重要的是,无须为宽带上网重新布设或变 动线路。 VDSL技术的特点如下: 至更高。 高速传输——短距离内的最大下传速率可达55Mb/s,上传速率可达19.s,甚 ① —2Mb/ 第3 章 物理层 95 ② 互不干扰———VDSL数据信号和电话音频信号以频分复用原理调制,互不干扰。 ③ 独享带宽———利用电话网络构成星形结构的网络拓扑,骨干网采用光纤传输,独享 带宽。 3.4.2 光纤同轴混合技术 HFC(HybridFiberCoax,光纤同轴混合)技术网是在目前覆盖面很广的有线电视网的 基础上开发的一种居民宽带接入网,除可传送电视节目外,还能提供电话、数据和其他宽带 业务。传 统的有线电视网络采用树形拓扑,传输介质为同轴电缆,采用模拟信道和频分多路复 用(FDM)单向传输。20世纪90年代初,随着光传输技术的成熟与发展,人们开始考虑在有 线电视系统中采用光传输,形成光传输的有线电视网,也就是HFC。HFC具有频带宽、容 量大的优点。HFC主干线路采用光纤,光纤结点以下用同轴电缆组成树形拓扑。 随着HFC的推广,人们开始思考如何充分利用其优点。1993年年初,Bellcore提出在 HFC上同时传输广播信息、电信信息,包括模拟信息以及数字信息,实现“全业务”接入。该 方案的提出促进了有线电视经营者和电信经营者在经营方面的相互渗透。在HFC上利用 电缆调制解调器(CableModem,CM)技术提供高速上网业务。电缆调制解调器可以做成一 个单独的设备(类似ADSL的调制解调器),也可以做成内置式的安装在电视机的机顶盒 里。用户只要把自己的计算机连接到电缆调制解调器,就可以上网。图3.25所示为HFC 网络拓扑结构图。 图3.25 HFC网络拓扑结构图 HFC的主要优点是基于现有的有线电视网络,提供窄带、宽带及数字视频业务,缺点是 必须对现有有线电视网进行双向改造,以提供双向业务传送。 3.4.3 光纤接入技术 光纤宽带接入是指用光纤作为主要的传输媒介,实现接入网的信息传送功能。光纤通 信具有通信容量大、质量高、性能稳定、防电磁干扰、保密性强等特点。 光纤接入网可分为无源光网络(PassiveOpticalNetwork,PON)和有源光网络(Active OpticalNetwork,AON)。所谓的“源”,指的是电源、能量源或功率源,没有此类“源”的电子 设备就称为无源设备,没有能量源进行放大或转换。PON 由于具有扩展更方便、投资成本 计算机网络技术原理与实验 更低以及可靠性和安全性更高等优点而得到广泛应用。同时,无源光网络降低了故障率,而 有源部件更容易出现故障。 典型的基于PON的光纤宽带接入的网络结构由三部分组成,如图3. 26所示。 图3. 26PON的光纤宽带接入网络的组成 ①OLT:OLT(OpticalLineTerminal,光线路终端)是连接到Internet光纤干线的终 端设备,它将来自Internet的数据发送到无源的1∶ N 无源光纤分路器(POS),然后用广播 方式发送给所有用户端的ONU(OpticalNetworkUnite,光网络单元)。 ②POS:POS(PasiveOpticalSpliter,无源光纤分路器)是一个连接OLT和ONU的 无源设备,它的功能是分发下行数据并汇聚上行数据。 ③ONU:ONU(OpticalNetworkUnit,光网络单元),平常说的光猫就是一种特殊 的ONU,它的主要作用是实现计算机的数字数据与光纤上的光信号之间的相互转换。 它的一端用光纤与POS相连,另一端用双绞线与计算机直接相连,或者连接一个小型 局域网。 ONU的位置具有很大的灵活性。根据ONU的不同位置,光纤接入又可分为以下几种 不同类型,统称为FTTx(Fibertothex )。 ①FTTH:FiberToTheHome(光纤到户,简称为光宽带)。 ②FTTB:FiberToTheBuilding(光纤到楼宇)。 ③FTTC:FiberToTheCurb(光纤到路边)。 ④FTTZ:FiberToTheZone(光纤到小区)。 ⑤FTTF:FiberToTheFloor(光纤到楼层)。 ⑥FTTO:FiberToTheOfice(光纤到办公室)。 ⑦FTTD:FiberToTheDesk(光纤到桌面)。 以FTTB为例,从OLT出来的光纤,经过光纤配线架和POS,到了大楼里,就直接进入 大楼弱电间的ONU 。 从ONU到用户的个人计算机,一般使用以太网连接。从总的趋势看,光网络单元 第3 章 物理层 97 ONU 越来越靠近用户的家庭,因此有了“光进铜退”的说法。 FTTx+LAN 的宽带接入方式介绍如下。 目前大量采用FTTx+LAN 的宽带接入方式,该接入方式是一种以光纤加上局域网方 式的社区宽带网,这种宽带接入方式适合大的集团用户和新建的小区,是一种成熟的本地宽 带接入方式,它传输的信号是纯数字信号,可以直接通过网卡接入计算机,不需要另外添加 其他设备。它同样具有高速传输、安装快捷、价格实惠等优点,可实现百兆到小区,两兆到桌 面,用户接入后可进行下载文件、VOD 视频点播、远程教学、家庭办公、网上炒股及互动游 戏,大大方便了用户使用。特别需要指出的是,它不和电话线相连,此类宽带只要用户计算 机上具备网卡设备即可。(注:通常网卡上有两个灯,一个为电源灯,另一个为信号灯,有的 网卡只有一个数据灯) 3.4.4 以太网接入技术 利用以太网技术,采用光缆加双绞线的方式对社区进行综合布线,形成局域网,用户计 算机通过与以太网相连实现上网。以太网接入技术实现宽带上网可以提供10M 以上的 带宽。 3.4.5 无线接入技术 宽带无线接入是指能够以无线传输方式向用户提供高数据速率接入Internet的技术。 IEEE根据覆盖范围将宽带无线接入划分为WPAN、WLAN、WMAN 以及WWAN,覆盖范 围由10m 以内到100m 以内,再到城市范围覆盖,再到极大范围覆盖。 目前ISP提供的常见的宽带接入方式见表3.3。 表3.3 目前ISP提供的常见的宽带接入方式 常见的宽带接入方式简 介是否需要猫独/共享带宽 FTTH 光纤直接入户的宽带上网方式,下行最高1000M 需要光猫独享带宽 FTTX+LAN 光纤+局域网方式。光纤到楼,从楼内接入用户家不需要共享带宽 ADSL 上、下行不对称的数据传输方式,下行最高8M 需要ADSL猫独享带宽 CableModem 有线电视光缆接入方式,简称CM 需要CM 猫共享带宽 3.5 实验二———PackerTracer模拟仿真工具简介 3.5.1 PacketTracer简介 PacketTracer是由Cisco公司发布的一款辅助学习软件,为学习网络课程的初学者提 供设计、配置、排除网络故障的模拟环境。使用者可以在软件的图形界面上直接通过拖曳的 方法建立网络拓扑结构,并且可以提供数据包在网络传输过程中详细的处理过程,观察网络 计算机网络技术原理与实验 的实时运行情况。通过该软件,学习者可以部分验证计算机网络的工作原理。下面简单介 绍该软件的使用过程。 1. 软件的安装 下面以PacketTracer5 为例介绍其安装过程。PacketTracer5 的安装非常方便,通过 安装提示单击“下一步)”按钮即可按照默认配置完成安装,具体的安装过程如图3. 图3. Next( 27~ 34 所示。 图3. 27 安装欢迎界面 图3. 28 同意许可协议 第3 章 物理层 99 图3.29 选择安装目录 图3.30 选择开始菜单文件夹 图3.31 选择附加任务