计算机网络体系结构中物理层的主要功能； 物理层的主要网络组件及组网规范； 物理层故障诊断与维护。
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本章学前要求
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对网络体系结构有清楚的理解。 已经掌握局域网组网工程方面的知识。 对常用的组网传输介质与设备的使用方法比较 了解。
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3.1 物理层的功能
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3.2 物理层的组件
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下一页图3-6 非屏蔽来自绞线 图3-6屏蔽双绞线退 出
双绞线一般由两根22～26号绝缘铜导线相互缠绕而成。如果把一 对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。在双绞线电 缆内,不同线对具有不同的扭绞长度,一般地说,扭绞长度在38.1cm至 14cm内,按逆时针方向扭绞,相临线对的扭绞长度在12.7cm以上。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,但价格较为低廉。目前,双绞线可分为非屏蔽双绞线 (UTP:Unshilded Twisted Pair)和屏蔽双绞线(STP:Shielded Twisted Pair)。
3.2 物理层的组件
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NEXT并不表示在近端点所产生的串扰值,它只是表示在近端 点所测量到的串扰值。这个量值会随电缆长度不同而变,电缆越长, 其值变得越小。同时发送端的信号也会衰减,对其它线对的串扰也 相对变小。实验证明,只有在40米内测量得到的NEXT是较真实的。 如果另一端是远于40米的信息插座,那么它会产生一定程度的串扰, 但测试仪可能无法测量到这个串扰值。因此,最好在两个端点都进 行NEXT测量。现在的测试仪都配有相应设备,使得在链路一端就 能测量出两端的NEXT值。 (3)直流电阻 TSB67无此参数。直流环路电阻会消耗一部分信号,并将其转 变成热量。它是指一对导线电阻的和,11801规格的双绞线的直流 电阻不得大于19.2欧姆。每对间的差异不能太大(小于 0.1欧姆),否 则表示接触不良,必须检查连接点。 (4)特性阻抗 与环路直流电阻不同,特性阻抗包括电阻及频率为1～100MHz 的电感阻抗及电容阻抗,它与一对电线之间的距离及绝缘体的电气 性能有关。各种电缆有不同的特性阻抗,而双绞线电缆则有100欧 姆 、120欧姆及150欧姆几种。
3.1 物理层的功能
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1．定义DTE和DCE之间互联规则 OSI模型的物理层所做的定义为：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。比特流传输可以采用 异步传输，也可以采用同步传输完成。 另外，CCITT在X.25建议书第一级（物理级）中也做了类似的定 义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在DTE和DCE之间 实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。这里的DTE(Date 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(Date Circuit Terminating Equipment 或 Date Communications Equipment)， 指的是数据电路终接设备或数据通信设备，是对为用户提供入接点 的网络设备的统称，如自动呼叫应答设备、调制解调器等。
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3.2.2 网络传输介质 网络传输介质是网络中传输数据、连接各网络站点的实体。网 络信息还可以利用无线电系统、微波无线系统和红外技术等传输。 目前常见的网络传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等。当构建 网络时存在多种网络介质可供选择。彻底地了解各种介质的功能、 特点、安装事项、测试需求以及故障排除的方法等对正确地选择网 络介质至关重要。下面我们主要讨论的是铜质电缆以及光纤介质。 1．双绞线 1）双绞线概述。双绞线(TP:Twisted Pairwire)是网络综合布线工 程中最常用的一种传输介质。双绞线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,可降低信 号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发 出的电波抵消。图3-6和图3-7所示为两种常见的双绞线类型。
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3.1 物理层的功能
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RS-232C的功能特性定义了25芯标准连接器中的20根信号线，其 中2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线、剩下的5根 线做备用或末定义。表3-1给出了其中最有用的10根信号线的功能特 性。
RS-232C功能特性
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引脚号 信号线
AA BA BB CA CB CC AB CF CD CE
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图3-7常用双绞线分类
3.2 物理层的组件
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3）双绞线的性能指标。对于双绞线,用户最关心的是表征其性能 的几个指标，这些指标包括衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电 容、直流电阻等。 (1)衰减 衰减(Attenuation)是沿链路的信号损失度量。衰减与线缆的长度 有关系,随着长度的增加,信号衰减也随之增加。衰减用"db"作单 位,表示源传送端信号到接收端信号强度的比率。由于衰减随频 率而变化,因此,应测量在应用范围内的全部频率上的衰减。 (2)近端串扰 串扰分近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT),测试仪主要是测量 NEXT,由于存在线路损耗,因此FEXT的量值的影响较小。近端串 扰损耗是测量一条UTP链路中从一对线到另一对线的信号耦合。 对于UTP链路,NEXT是一个关键的性能指标,也是最难精确测量的 一个指标。随着信号频率的增加,其测量难度将加大。
功能说明
保护地线(GND) 发送数据(TD) 接收数据(RD) 请求发送(RTS) 清除发送(CTS) 数据设备就绪(DSR) 信号地线(Sig.GND) 载波检测(CD) 数据终端就绪(DTR) 振铃指示(RI)
信号线型
地线 数据线 数据线 控制线 控制线 控制线 地线 控制线 控制线 控制线
连接方向
3.1 物理层的功能
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图3-3 RS-232C的远程连接和近地连接
RS-232C标准接口也可以如图3-3(b)所示用于直接连接两台 近地设备，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。由于这两 种设备必须分别以DTE和DCE方式成对出现才符合RS-232C标准 接口的要求，所以在这种情况下要借助于一种采用交叉跳接信号 线方法的连接电缆，使得连接在电缆两端的DTE通过电缆看对方 都好象是DCE一样，从而满足RS-232C接口需要DTE-DCE成对使 用的要求。这种使用方式目前被广泛采用。
→DCE →DTE →DCE →DTE →DTE →DTE →DCE →DTE
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表3-1 RS-232C引脚功能特性
3.2 物理层的组件
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物理层对所设计的网络的可靠性、高效能有着重要的影响。网 络的传输介质与设备的选择、安装及测试在决定网络能否满足用户 现在以及将来的信息系统需要的过程中起着至关重要的作用。 3.2.1 物理层组件概述 物理层组件包括网络传输介质、连接器、接插面板以及网卡、 集线器、收发器、介质转换器等设备。 铜缆可以分为两种类型：同轴电缆与双绞线。在以太网中使用 比较广泛的同轴电缆类型是细电缆和粗电缆。双绞线双被分为5类， 其中只有从种类3到种类5的电缆可以应用于局域网组网之中。 现在新设计的网络中已经不再使用同轴电缆，但是在已经安装 网络中仍然在使用同思电缆。它的带宽为10Mbps，由于具有总路线 式的拓扑结构，因此在解决故障的过程中会遇到很多困难。同轴电 缆的主要优点是分段长度较长且抗干扰能力强。 五类非屏蔽双绞线（5E）是现在的标准铜质线缆，它所支持的 带宽最高可以达到1000Mbps,最大分段长度为100米，但是可以通过 使用转发器来扩展。由于缺乏抗电磁能力，所以必须特别注意双绞 线的正确终端联结方式。
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第三 章 物理层维护
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本章学习目标
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了解物理层在整个网络体系结构中的功能与作 用。 正确识别物理层的网络组件，重点掌握网络物 理层的传输介质、传输设备的特性。 掌握物理层网络设备的组网标准与规范，常用 的测试方式与故障排除。
本章要点内容
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3.1 物理层的功能
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图3-2 DTE-DCE接口框图
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DTE-DCE的接口框如图3-2所示，物理层接口协议实际上是DTE和 DCE或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络节点与物理信 道如何连接的问题。物理层协议规定了标准接口的机械连接特性、 电气信号特性、信号功能特性以及交换电路的规程特性，这样做的 主要目的，是为了便于不同的制造厂家能够根据公认的标准各自独 立地制造设备，使各个厂家的产品都能够相互兼容。
3.2 物理层的组件
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2）双绞线的规格型号。EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不 同质量的型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五类。 双绞线分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线两大类。在这两大类 中又分100欧姆电缆、双体电缆、大对数电缆、150欧姆屏蔽电缆。 具体型号有多种,如图3-7所示：
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3.1 物理层的功能
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2．网络互联的接口标准举例 EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口， 下面以此为例来讨论网络互联的接口标准在整个网络组建中的功能 与作用。 RS-232标准提供了一个利用公用电话网络作为传输媒体，并通过调 制解调器将远程设备连接起来的技术规定。远程电话网相连接时， 通过调制解调器将数字转换成相应的模拟信号，以使其能与电话网 相容；在通信线路的另一端，另一个调制解调器将模拟信号逆转换 成相应的数字数据，从而实现比特流的传输。图3-3(a)给出了两台远 程计算机通过电话网相连的结构图。从图中可看出，DTE实际上是 数据的信源或信宿，而DCE则完成数据由信源到信宿的传输任务。 RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个 DCE之间的电话网没有直接的关系。