第三章 OSI 体系结构和物理层

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第三章OSI 体系结构和物理层

中北大学电子与计算机科学技术学院School of Electronics and Computer Science and Technology . NUC

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§3 OSI 体系结构和物理层

• 本章内容• 计算机网络的体系结构• 物理层（协议、传输介质、设备）• 编码与调制技术



§3-1 计算机网络体系结构• 计算机网络是由多个互连的结点组成的，结点之间要

不断地交换数据和控制信息。要做到有条不紊地交换数据，每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。

• 我们把这种由通信双方共同遵守的通信语义和通信规则的集合称为网络协议。一个网络协议从功能角度讲主要由以下三要素构成：

• 语法：即用户数据与控制信息的结构和格式；• 语义：即需要发出何种控制信息，以及完成的动作

与做出的响应；• 时序：即对事件实现顺序的详细说明和速度匹配。



计算机网络体系结构• 网络协议是实现计算机网络的必要条件之一。• 对于一个功能完备的计算机网络而言，完整的数据交换需

要建立一套复杂的协议集，复杂的网络协议最好的组织方式是层次结构模型。

• 这种相关协议的集合即构成网络的体系结构。• 世界上第一个网络体系结构是 IBM 公司于 1974 年提出的

SNA（ System Network Architecture ，系统网络体系结构）。



OSI和 TCP/IP



ISO/OSI 参考模型 • 国际标准化组织 ISO 发布的标准是 ISO/IEC7498 ，又称为 X.200 建议。

• 该体系定义了网络互连的七层框架结构，即 OSI（ Open Systems Interconnection ）开放系统互连参考模型。

• 在这一框架下， ISO 又进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互连性（ Interconnection ）、互操作性（ Interoperation ）和应用的可移植性（ Portability ）



为什么要制定 OSI 模型？ • 多机种计算机之间进行通信时对话非常困难• 通信软件的开发费用相当高• 唯一可行的办法是使计算机生产厂家实现一套共同的对话

标准• OSI 是一个定义异种计算机连接标准的主体结构• “ 开放”表示它可以连接任何两个遵守参考模型和有关

标准的异种计算机系统



OSI 模型的好处 • 简化了网络通信设计的复杂性。 • 根据所完成的处理或技术上明显不同来划分层次 .

• 易于实现技术上的更新换代



OSI模型中层次之间的关系

• 层与层之间的关系是上下连接的关系，下层对上层提供服务，每层都利用下一层所提供的服务实现该层功能。并向上层提供服务。

• 上层不必去具体考虑（也没必要考虑）下层为提供完成所需的服务而采取的细节（方法、手段、途径），可以实现透明传输。

• 下层要保证向上层传输信息的质量。包括：错误检查、流量和速度控制，实现成本等。



OSI标准的三级抽象

• OSI 标准制定过程中采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就是分层的体系结构方法。

• 在 OSI 中，采用三级抽象：• 体系结构：定义了开放系统的层次结构、层次之间的

相互关系以及各层所包括的可能的服务。• 服务定义：详细说明了各层提供的服务。• 协议规程说明：定义应当发送什么样的控制信息，以

及应当用怎样的过程来解释这个控制信息。



OSI的层次结构

• 将整个通信功能划分为七个层次，划分层次的原则是：• 网中各结点都有相同的层次• 不同结点的同等层具有相同的功能• 同一结点内相邻层之间通过接口通信• 每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务• 不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信

• 服务、接口、协议



名词术语解释

• 层次：网络体系结构的基本组成部分 • 实体：每层中实现该层某一功能的软件或硬件，它也实现

与另一个系统中同等实体通信的协议 • 同等实体：互相通信的一对结点在同一层中相对应的实体• 协议：

• 在某一个具体的层次中指导实体之间通信的规则• 在Ｎ层中，Ｎ层协议定义了为实现Ｎ层的服务，实体应如何与另外

一个结点中的同等实体进行信息的交换。 • 句法协议规则定义了所交换的信息的格式• 语义规则定义了发送者与接收者所必须完成的操作，如：在什么条

件下，数据必须重发、回答或拒绝。



名词术语解释

• 服务：• 为上层提供的技术基础和通信手段 • 被高层看得见的功能

• 服务访问点 SAP ：• 在网络同一个结点中，相邻两层的实体，相互作用的地

方。每个实体通过 SAP 与它的上、下层中的实体通信



开放系统互连参考模型结构

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

链路层

物理层

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

链路层

物理层

网络层

链路层

物理层

网络层

链路层

物理层

应用层协议

表示层协议

会话层协议

传输层协议

网络层协议

链路层协议

物理层协议

通信子网

端系统A 端系统B

端结点端结点转接结点转接结点



物理层

• 物理层的主要作用是产生并检测电压发送和接收带有数据的电气信号。

• 物理层不提供数据的纠错服务，但在物理层上能对数据的传输速度作一定的控制，并能监测数据的出错率。

• 物理层传输电气信号的载体被称为位流或比特流



数据链路层

• 数据链路层位于 OSI 模型的第二层，数据链路层的主要作用是把从网络层接收到的数据分割成可以被物理层传输的帧，数据链路层直接控制着网络层与物理层的通信。



数据链路层

• 通过数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。

• 第一个有意义的层次。• 有很强的纠错功能（ CRC校验）。• 差错恢复：办法是通知发送方重发出现错误的报文。• 流量控制：为了使网络中的信息尽快的流动，以避免整个

网络或用户过载。• 提供串行通信中的字符和帧同步，该层必须产生和识别帧

的边界。• 数据链路层由下面的物理层提供支持，它在物理上互相连

接的结点间为上一层提供显然没有差错的链路。



网络层

• 网络层位于 OSI 模型的第三层，网络层主要负责将分组从源端传输到目的端，这可能要跨越多个网络（链路）。

• 传输层负责将完整的报文进行端到端的传输，而网络层则确保每一个分组能够从它的源端到达目的端。



网络层

• 为数据分组进行路由选择，并负责通信子网的流量控制、拥塞控制。

• 网络层协议的设计就是要保证发送端传输层所传下来的数据分组能准确无误地传输到目的站的传输层。

• 网络层的数据单元为分组。• 对于一个通信子网，各结点只包含到网络层为止的低三层

协议，对于分组交换网络，只有经过网络层才能实现两个系统间的通信。



传输层

• 传输层负责将报文能准确、可靠、顺序地进行源端到目的端（端到端， end-to-end ）的传输。



传输层

• 基本功能：提供端到端（进程 - 进程）的可靠通信，即向高层用户屏蔽通信子网的细节，提供通用的传输接口。

• 主要功能：• 把传输地址映射为网络地址• 把端到端的传输连接复用到网络连接上• 传输连接管理• 端到端的顺序控制、差错检测及恢复、分段处理及

QoS监测，加速数据传送• 传输协议的简单 / 复杂决定于子网服务的多少



会话层

• 会话层的作用主要是在网络中不同用户、节点之间建立和维护通信通道，同步两个节点之间的会话，决定通信是否被中断以及中断时决定从何处重新发送。

• 会话层的责任主要有：对话控制、同步



表示层

• 表示层为开放系统的两个进程之间传送的数据提供格式变换服务，以使应用层能理解所交换数据的意义。

• 数据格式化、数据压缩、数据加密



应用层

• 应用层直接面对用户进程，主要功能是为应用系统提供访问 OSI 环境的接口和服务。



OSI 七层参考模型

4. 传输层

2. 数据链路层

3. 网络层

1. 物理层

5. 会话层

6. 表示层

7. 应用层

面向用户应用

面向数据传输

• OSI 的核心思想是两个终端用户在远程通讯网络中的通讯可以分成层，每层有自己的功能集。

• 层与层之间相互独立而又相互依靠



协议数据单元

• 协议数据单元（ PDU， Protocol Data Unit ）是指某层对等实体之间通信时，该层协议所操纵的数据单元。

• 在 OSI 参考模型中，每一层都有特定的协议数据单元PDU ，是一定格式的固定长度或可变长度的信息包。

(N)PCI (N)UDI

(N-1)PCI (N-1)UDI

(N)PDU

(N-1)PDU



层间的服务关系

N+1实体

N层实体

N-1实体

N+1实体

N层实体

N-1实体

N服务

N服务

N-1服务

N-1服务

交换原语

交换原语

对等层通信



层间的数据格式

（N+1）PCI （N+1）PDU（N+1）SDU+

（N）PCI （N）SDU+ （N）PDU

（N-1）PCI （N-1）SDU+ （N-1）PDU

SAR：服务访问点

PCI：协议控制信息SDU：服务数据单元

PDU：协议数据单元

SAP



附：服务原语OSI 模型中，将服务原语划分为四类：• 请求 (request) ：由服务用户发往服务提供者，请求它完

成某项工作，如发送数据。• 指示 (indication) ：由服务提供者发往服务用户，指示发

生了某些事件。比如说，接收到一个远地送来的数据。这些事件往往是由服务提供者远地对等实体应远地服务用户请求采取某些动作而发生的。

• 响应 (response) ：由服务用户发往服务提供者，作为对前面发生的指示的响应。

• 确认 (confirm) ：由服务提供者发往服务用户，作为对前面发生的请求的证实。



四类服务原语间的关系

• 确认的服务：要使用请求、指示、响应和证实四类原语。• 非确认的服务：只使用请求和指示两类原语。



对等通信

• 在发送 / 接收端同一层次中的实体，称为同等实体，在概念上可以认为信息是在同等实体之间进行传输的。但同等实体之间，并不存在直接的物理连接，因此这种传输称为虚拟传输。

• 同等实体之间信息的交换具体是由下边层次的实际传输来完成的。

• 同等实体之间协议的作用是使同等实体在接收到下层的信息以后，可以进行正确操作。即：同等实体之间，使用共同的标准或约定，来封装和拆装信息，以保证双方可以相互理解对方信息的含义。



层次结构模型中数据通信过程

物理通信

设备 A 设备 B中间节点中间节点

应用层应用层7-6 层接口

表示层表示层6-5 层接口会话层会话层

5-4 层接口传输层传输层

4-3 层接口网络层网络层

3-2 层接口数据链路层数据链路层2-1 层接口

物理层物理层

应用层应用层7-6 层接口

表示层表示层6-5 层接口会话层会话层

5-4 层接口传输层传输层

4-3 层接口网络层网络层

3-2 层接口数据链路层数据链路层2-1 层接口

物理层物理层

7

6

5

4

3

2

1

对等协议（第 7层）对等协议（第 6层）对等协议（第 5层）对等协议（第 4层）

网络层网络层

数据链路层数据链路层

物理层物理层

网络层网络层

数据链路层数据链路层

物理层物理层

第 3层第 2层第 1层

第 3层

第 3层

第 2层第 1层

第 2层第 1层



数据封装

传输层

数据链路层

物理层

网络层

数据

数据传输层报头

数据网络层报头

数据数据链路层报头

0101110101001000010

表示层

应用层

会话层报文Segment

分组Packet

比特Bit

数据帧Frame



数据通信过程

7

6

5

4

3

2

1

L7 数据L7 数据

L7 数据L7 数据 H6H6





010101000011110000101010010101000011110000101010

T2T2

7

6

5

4

3

2

1

L7 数据L7 数据






010101000011110000101010010101000011110000101010

T2T2

传输媒体传输媒体



数据拆封

数据

网络层报头 + 传输层报头 + 数据

数据链路层报头

传输层报头 + 数据

网络层报头

数据

传输层报头

0101110101001000010

传输层

数据链路层

物理层

网络层

表示层

应用层

会话层



OSI参考模型中 PDU的传输过程

Upper Layer Data

Upper Layer DataTCP Header

DataIP Header

DataLLC Header

DataMAC Header

0101110101001000010

FCS

FCS链路层

物理层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

链路层

物理层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

PDU

报文

分组

帧

比特 0101110101001000010

LLC Hdr＋IP＋TCP＋Upper Layer Data

IP＋TCP＋Upper Layer Data

TCP＋Upper Layer Data

Upper Layer Data

Upper Layer Data



对 OSI参考模型的评价

• OSI 参考模型是国际标准化组织 ISO 制定的一个国际标准，但是，它并没有成为事实上的国际标准，取而代之的是TCP/IP 协议。

• 实际上 OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型两者之间有着共同之处，即都采用层次模型结构，在某些层次上有着相似的功能。但两者都存在着自身的缺陷，都不是完美的。

• OSI 作为一个国际标准出台，却没有成为实际中的标准，究其原因有两方面：

• 历史原因• 自身缺陷



TCP/IP协议栈

• 协议栈：利用一组协议完成 OSI 所实现的功能；• TCP/IP 协议栈：是一组由不同的协议组合在一起构成的。

应用层

表示层会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

应用层

传输层

Internet 层

网络接口层



TCP/IP协议体系

• 按照层次结构思想， TCP/IP 协议分布于不同的层次，组成了一组从上到下单向依赖的协议栈或协议簇。

HTTP SMTP DNSFTPSNMP

TCP UDP

...

IPICMP IGMP

RARPARP

底层局域网和广域网协议

应用层

传输层

网际层

网络接口层



TCP/IP协议的特点

• 开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件和操作系统；

• 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适应于互联网中；

• 统一的网络地址分配方案，将整个 TCP/IP 网际的设备地址实现唯一编址；

• 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。



TCP/IP协议体系



应用层协议分类

• 依赖于面向连接的 TCP 协议，主要有：• 文件传送协议 FTP

• 电子邮件协议 SMTP

• 超文本传输协议 HTTP

• 依赖于面向连接的 UDP 协议，主要有：• 简单网络管理协议 SNMP

• 简单文件传输协议 TFTP ；• 既依赖于 TCP 协议，也可以依赖于 UDP 协议：

• 域名服务 DNS



§3-2 物理层

• 在 OSI 参考模型当中，物理层为数据链路层提供了一个物理连接，构造了一个透明通信信道来传输各种数据的比特流。



物理层模型

• 大多数网络体系结构的物理层协议使用的模型• DTE（ Data Terminal Equipment ，数据终端设备）：泛指网络中

的信源或信宿设备，即网络中的用户端设备，如主机、终端、各种 I/O 设备等；

• DCE（ Data Communication Equipment ，数据通信设备）：是对网络设备的通称，是用户端设备入网的连接点，如调制解调器、多路复用器等。

• DCE（ Data Circuit-terminating Equipment ）数据电路端接设备

DTE DCE DCE DTE

传输线路

物理链路



DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连

DTE

DCE DCE串行比特传输

信号线与控制线

通信环境

通信设施

DTE

信号线与控制线

用户设施

用户环境



物理层协议

• OSI 参考模型中的物理层协议是关于 DTE和 DCE 或其它通信设备之间接口的一组约定，主要解决网络结点物理链路如何连接的问题。

• DTE和 DCE 之间的接口必须高度协调工作，这需要对DTE和 DCE 接口进行标准化，这种接口标准就是所谓的物理层协议。

• 因此，物理层协议也常称为物理层接口协议。



物理层

• 物理层关心的是以下的一些内容：• 接口和媒体的物理特性位的表示• 传输速率• 位的同步• 线路配置：设备与媒体的连接• 物理拓扑：星状拓扑、环状拓扑、总线拓扑等等• 传输模式：单工、半双工或全双工。



物理层的功能

• OSI 参考模型的物理层定义为：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建立、维持和拆除提供机械的、电气的、功能性的和规程性的手段。

• 由此可以看出，物理层主要有以下三个基本功能：• 物理层连接的建立、维持和拆除• 比特传输• 物理层管理



物理层接口特性

• 物理层协议规定了 DTE/DCE 接口标准的四个特性：• 机械特性• 电气特性• 功能特性• 规程特性

• 根据这些接口标准特性，不同的计算机和设备制造厂家能够各自独立的制造设备，并使各个不同厂家的产品能够相互兼容。



机械特性

• DTE和 DCE 接口问题首先涉及到机械问题，即规定机械上分界的方法。

• DTE和 DCE 之间有许多条线路，通常采用连接器实现机械上的互连，即一种设备（如 DTE ）的引出导线连接插头，另一种设备（如 DCE ）的引出导线连接插座，然后通过插头和插座将两者设备连接起来。

• 为了使不同厂家生产的 DTE和 DCE 设备便于互连，物理层的机械特性对于连接器的几何参数，包括连接器的引脚数量、排列方式、几何尺寸等作出详细规定。



常见连接器标准

标准几何参数

适用范围兼容标准( EIA)引脚排列两端固定点间距

ISO-2110

25 13/12 46.91~47.17mm 音频调制解调器 232、 366A

ISO-2593

34 9/8/9/8

42.67~43.08mm V.35建议宽带调制解调器

无

ISO-4902

379

19/185/4

63.37~63.63mm24.87~25.12mm

音频和宽带调制解调器 449

ISO-4903

15 8/7 33.20~33.45mm X.20/X.21/X.22建议公共数据接口



Connections at the CSU/DSURouter connectionsRouter connections

EIA/TIA-232 EIA/TIA-449 EIA-530V.35 X.21

End user device

Service Provider

DTE

DCE



电气特性

• 物理层的电气特性是有关电气接口方面的详细规定，主要包括两个方面：电气接口连接方式和电气参数

RS-232标准电气特性接口电路方式单端驱动非差分接收电路速率上限 20kb/s

距离上限 15m

输出阻抗 Ro＜ 300Ω

输入阻抗 Ri＝ 3～ 7kΩ

“逻辑 1” － 15～－ 5V的负电平 “逻辑 0” 5～ 15V的正电平



功能特性

• 物理层的功能特性是对连接器各芯线的含义、功能以及和各信号之间的对应关系的规定。

• EIA-RS-232 为例， RS-232 功能特性定义了 ISO-2110 标准的 25芯接口线中的 20 根信号线，剩余 5 根中的 2 根作为保留线，以供测试用， 3 根未作定义。

• 20 根接口信号线按功能分为 5类：

A类为接地线； B类为数据线； C类为控制线；

D类为定时线； S类为次信道信号线。



规程特性

• 物理层的规程特性是对接口界面上进行信号传输的控制过程和控制步骤的规定。是 DTE和 DCE 为建立、维持、释放线路连接等过程中，所要求的各控制信号变化的协调关系。

• 不同的接口标准，其规程特性不同。规程特性对于不同的网络、不同的通信设备、不同的通信方式、不同的应用，各自有不同的规程特性。



物理层协议

• 在物理层， OSI 参考模型采纳了各种现成的协议，其中有 RS-232、 RS-449、 X.21、 V.35、 ISDN 以及 FDDI、IEEE802.3、 IEEE 802.4、 IEEE 802.5 的物理层协议。

• RS-232

• RS-449



EIA-RS-232

• EIA-RS-232 是美国电子工业协会 EIA于 1962 年颁布的，并于 1963 年修改为 RS-232A， 1965 年修改为 RS-232B，1969 年修改为 RS-232C， 1987 年修改为 RS-232D， 1991 年又修订为 EIA-232-E 。统称为 EIA-RS-232 标准。

• 机械特性： DB-25（ 13＋ 12引脚）；• 电气特性：负逻辑

• 逻辑 0 相当于对信号地线有 +5～ +15V 的电压，表示数据 0 或控制线的接通状态；

• 逻辑 1 相当于对信号地线有－ 5～－ 15V 的电压，表示数据 1 或控制线的断开状态；

• 电缆长度不超过 15米，数据传输率不超过 20kbps 。



EIA-RS-232接口功能特性

• RS-232 功能特性定义了 ISO-2110 标准的 25芯接口线中的 20 根信号线，剩余 5 根中的 2 根作为保留线，以供测试用， 3 根未作定义。

• 20 根接口信号线按功能分为 5类：• A类为接地线；• B类为数据线；• C类为控制线；• D类为定时线；• S类为次信道信号线。

表 2-4 EIA-RS-232接口功能特性引脚编号线路名称功能说明线路类型方向

1 AA 保护地地线2 BA 发送数据数据线 DTE→DCE

3 BB 接收数据数据线 DCE→DTE

4 CA 请求发送控制线 DTE→DCE

5 CB 允许发送控制线 DCE→DTE

6 CC 数据通信设备就绪控制线 DCE→DTE

7 AB 信号地地线8 CF 载波检测控制线 DCE→DTE

9 －（保留供测试用）10 －（保留供测试用）11 （未定义）12 SCF 次信道载波检测次信道控制线 DCE→DTE

13 SCB 次信道清除发送次信道控制线 DCE→DTE

14 SBA 次信道发送数据次信道数据线 DTE→DCE

15 DB 发送器定时定时信号 DCE→DTE

16 SBB 次信道接收数据次信道数据线 DCE→DTE

17 DD 接收器定时定时信号 DCE→DTE

18 （未定义）19 SCA 次信道请求发送次信道控制线 DTE→DCE

20 CD 数据终端就绪控制线 DTE→DCE

21 CG 信号质量检测控制线 DCE→DTE

22 CE 振铃指示控制线 DCE→DTE

23 CH/CI 数据信号速率选择控制线 DCE→DTEDTE→DCE

24 DA 发送器定时定时信号 DTE→DCE

25 （未定义）



EIA-RS-232 规程特性开始

CD为“ ON”

CC为“ ON” ？

CB为“ ON” ？

CA为“ ON” ？

开始发送数据

CD为“ ON” ？

继续发送数据

超时？

超时？

是否

是

是

是

是

是

否

否

否

CD 数据终端就绪 DTE→DCE

CC 数据通信设备就绪 DCE→DTE

CA 请求发送 DTE→DCE

CB 允许发送 DCE→DTE



EIA-232 /V.24 的信号定义

• 在某些情况下，可以只用 9 个引脚（振铃指示不用）。这样就可以使用 9 根引脚的插座。

（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃指示

DTE

计算机或终端

DCE

调制解调器



利用虚MOEM连接两台计算机

插头插头插座插座

计算机虚调制解调器计算机

（ 1 ）保护地（ 2 ）发送（ 3 ）接收（ 4 ）请求发送（ 5 ）允许发送（ 6） DCE 就绪（ 7 ）信号地（ 8 ）载波检测（ 20） DTE 就绪（ 22 ）振铃指示

（ 1 ）保护地（ 2 ）发送（ 3 ）接收

（ 4 ）请求发送（ 5 ）允许发送（ 6） DCE 就绪（ 7 ）信号地（ 8 ）载波检测（ 20） DTE 就绪（ 22 ）振铃指示



EIA-RS-232兼容标准

• 许多产品厂商都声称自己的串行接口是“与 EIA-RS-232标准兼容”，这只是说，该产品的电气特性和机械特性与接口 RS-232 标准没有矛盾。



RS-449 接口标准

• EIA-RS-232 是获得广泛使用的串行通信接口标准，但也存在缺陷，主要表现为：

• 数据传输速率和传输距离有限，其速率限于 20kb/s ，距离为 15m ；

• 采用单端驱动非差分接收电路，电气性能不佳，易受干扰；

• 每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线，各信号成分之间易产生串扰。

• 为解决以上问题， EIA于 1973 年开始着手对 RS-232 进行修改，并在 1977～ 1979 年间颁布 RS-449、 RS-423A和 RS-422A 系列标准。



RS-449 系列协议

• RS-449 采用了 ISO-4902 标准的 37芯连接器和 9芯连接器两种物理接口，在电气方面则应用了集成电路技术。

• RS-423A ：规定电气特性为非平衡传输，有公共地，电缆长度 10米，最大数据率为 300kbps;

• RS-422A ：规定电气特性为平衡传输，无公共地，电缆长度超过 60米，最大数据率为 2Mbps

电气特性 RS-422A RS-423A

机械特性RS-449功能特性

规程特性



X.21建议书

• EIA-232 是为在模拟信道上传输数据而制定的一种接口标准。在 1976年 CCITT 通过了数字信道接口标准的建议书X.21 。

• X.21 规定了用户的 DTE 在建立和释放一个呼叫时应当和DCE 交换哪些信息。数字信道当然不需要使用调制解调器。因此这里的 DCE 不再表示调制解调器，而是 DTE 和网络接口的一个设备。

• 机械特性： 15 根引脚• 功能特性： 8 条信号线



X.21使用的 8 条信号线

DTE DCE

T （发送）C （控制）

R （接收） I （指示） S （位定时）B （字节定时，可选）

Ga（DTE 公共回线）

G （地）



X.21bis 建议

• 为了使基于现行接口标准 EIA-232/V.24 的设备易于向X.21 标准过度， CCITT 又制定了一个 X.21bis 建议书。

• X.21bis 的接口与X.21 相同，但数据网使用的是模拟信道，而 DCE 是同步工作的调制解调器。

主叫 DTE DCEC 接通， T=0

R=“++...+”

T= 被叫地址

R= 呼叫进行信号

R=1 ， I 接通T= 数据

C 断开， T= 0

R=0， I 断开

建立连接

拆除连接



补充： CCITT的物理层协议

• 我们知道，计算机网络最早使用的是模拟电话信道。因此，国际电报与电话咨询委员会 CCITT较早地开发和建立了适合于电话网的标准，这些标准与目前最流行的 EIA 系列标准相兼容，作为 DTE和 DCE 之间的模拟接口标准，其应用非常广泛。

• V 系列

针对以电话网作为基础的模拟通信设备• X 系列

针对以公共数据网为基础的数字通信设备• I 系列（针对综合业务数字网 ISDN ）



传输介质



RJ-45

T568BT568A

12345678

12345678

12345678

12345678

12345678

12345678

直通线交叉线

跳线

• DTE ：网络终端设备

Computer、 Router

• DCE ：网络通信设备

Switch、Modem



5类双绞线的线序

• 直连网线

• 交叉网线

Side 1

Side 2

Side 1

12345678

123456781=白 / 橙2= 橙3=白 / 绿4= 蓝5=白 / 蓝6= 绿7=白 / 棕8= 棕

Side 2

Side 1 Side 2Side 1

Side 2

12345678

12345678

1=白 / 橙2= 橙3=白 / 绿4= 蓝5=白 / 蓝6= 绿7=白 / 棕8= 棕

1=白 / 橙2= 橙3=白 / 绿4= 蓝5=白 / 蓝6= 绿7=白 / 棕8= 棕

1=白 / 橙2= 橙3=白 / 绿4= 蓝5=白 / 蓝6= 绿7=白 / 棕8= 棕



常见设备接口

• Quidway R 系列路由器



V.35规程的机械特性

• DB34 （外接网络端） --DB50 （路由器端）• DTE端为 34针型插头• DCE端为 34孔型插头



常见光纤接头

FC－ PC 型光尾纤接头外形图 SC－ PC 型光尾纤接头外形图

ST-PC 型光尾纤接头外形图 FC/PC－ SC/PC 型光尾纤外形图



物理层设备 - 中继器

• 负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。

应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层物理层

应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层

中继器



中继器的功能

中继器

衰减的信号再生的信号



中继器的作用

• 用中继器可扩大网络的范围• 用中继器可增加网络节点的数目• 用中继器可互连不同的传输介质

光电转换器



使用中继器的注意事项

• 中继器无路径检测和交换功能，不能过滤网络业务，只是将所有经过的数据都转发到所有输出段，而不论它是否需要去那里，致使网络上有过多的无效业务量，增加了网络负载；不具备检错和纠错功能，出错的数据单元仍被传递；中继器还会引入设备时延。

• 因此，中继器只有当网络负载很轻和网络延时要求不高的条件下才能使用。

• 使用中继器应当注意两点：• 不能形成环路，环路将导致广播风暴而使网络崩溃；• 考虑到网络的传输延迟和负载情况，不能无限制地使

用中继器。



以太网 5-4-3 法则示意

4

4

5

32

1

3

2

1



物理层设备 - 集线器

• 集线器 Hub 是中继器的一种扩展形式，是一个多端口的中继器，属于 OSI 参考模型物理层的网络连接设备。集线器是以星形拓扑结构连接网络结点的一种中枢网络设备。



集线器的分类

Hub 分类端口数量 8口、 16口、 24口带宽 10 Mb/s、 100 Mb/s、 10/100 M/ps

配置形式独立式、堆叠式、模块式管理方式切换式、共享式、堆叠共享式工作方式被动无源、主动有源、智能、交换



独立式集线器

• 最简单的集线器通过逻辑的以太网总线网络或令牌环网提供着中央网络连接，以在物理上以星形的形式连接起来。这种集线器一般提供固定的端口数（通常是 4、 8、 12或 24 个端口），用于一个计算机工作组，适合于较小的独立部门，如家庭、办公室或实验室环境。

• 这种集线器很多没有管理软件或协议来为我们提供网络管理功能。它可以是无源的，也可以是有源的，有源集线器使用的更多。



堆叠式集线器

• 堆叠式集线器类似于独立式集线器，但它有一个特殊的高速端口可以把集线器堆叠起来以获得更好的效果。从逻辑上来看，堆叠式集线器代表了一个大型的集线器。也就是说，集线器可以堆放在一起（也被称为堆栈式集线器）。



堆叠－菊花链



堆叠 - 主从式

1 M2031图堆叠模块前面板

M2031



模块式集线器

• 模块式集线器也被称为底盘集线器，它可以通过底盘上的主板和插槽提供大量可选的接口选项，可以插入不同的适配器。其中一些集线器带有冗余的底板和电源，还有风扇。同时，有些模块允许我们不必关闭整个集线器便可替换那些有缺陷的模块。

• 集线器的底板给插入模块准备了多条总线，这些插入模块可以用于多个不同的段，如以太网、快速以太网、 FDDI和 ATM 中。

• 有些集线器还包含有网桥、路由器或交换模块。



智能型集线器

• 智能型集线器能够处理数据、监视数据传输并提供故障排除信息。由于可以在网络中的任何地方对其实施管理，智能型集线器又被称作管理型集线器。

• 要注意的是，具有网络管理能力的独立式、堆叠式或模块式集线器都可以认为是智能设备。



集线器的使用

O

主干端口

上行链接端口管理控制台端口

连接和/或通信LED 电源开关

数据端口通风扇



计算机和集线器的连接

数据端口

RJ -45连接器

线缆

网络接口卡

RJ -45连接器



§3-3 编码与调制技术• 在 OSI 参考模型当中，物理层为数据链路层提供了一个

物理连接，构造了一个透明通信信道来传输各种数据的比特流。



模拟传输和数字传输

话音电话模拟

数字Modem

模拟

模拟CODEC

数字

数字数字传输数字

模拟数据 , 模拟信号

数字数据，模拟信号数字数据，数字信号

模拟数据，数字信号



1 、数字数据编码为数字信号

• 在数据通信设备内部，由于各电路功能模块之间以及模块内部的元器件之间距离很短，且工作环境可以通过各种措施加以保护，所以通常将原始的二进制并行或串行数据直接进行传输。

• 而在远程传输数据时，为了便于同步 ,减少在传输媒质中的传输损耗和提高抗环境干扰能力，需要将传输的数据进行编码。

• 数字信号是离散的、非连续性电压脉冲序列。一个脉冲就是一个信号元素。数据的传输是通过把所有的数据比特编码成信号码元来完成的。从数据的比特到信号码元的映射关系，就是编码机制。



基本概念• 单极性码和双极性码• 不归零码和归零码 • 同步• 差分• 波特率→比特率



常见的编码波形

0 1 100 0 0 1 10 00 0

+E +V-E

+E-B -V

+E

+E

0

+E0

-E

+E0

+E

0

(a)

(b)

(d) 交替反转码AMI码

(e) 三阶高密双极性码HDB3码

单极性不归零码NRZ

单极性相位编码曼彻斯特码

0

+E( c) 差分曼彻斯特编码

-E



常见的数字信号编码

不归零电平NRZ-L

0 = 高电平1 = 低电平

不归零 1制NRZ1

0 = 在间隔的起始位置没有跳变1 = 在间隔的起始位置跳变

双极性 AMI0 = 没有线路信号1 = 正电平或负电平，连续的比特 1在这两者间交替

伪三进制码 0 = 正电平或负电平，连续的比特 0在这两者间交替1 = 没有线路信号

曼彻斯特编码 0 = 在间隔的中间位置由高向低跳变1 = 在间隔的中间位置由低向高跳变

差分曼彻斯特编码

在间隔的中间位置总有一次跳变0 = 在间隔的起始位置跳变1 = 在间隔的起始位置没有跳变



常见的数字信号编码

不归零电平NRZ-L

0 = 高电平1 = 低电平

不归零 1制NRZ1

0 = 在间隔的起始位置没有跳变1 = 在间隔的起始位置跳变

双极性 AMI0 = 没有线路信号1 = 正电平或负电平，连续的比特 1在这两者间交替

伪三进制码 0 = 正电平或负电平，连续的比特 0在这两者间交替1 = 没有线路信号

曼彻斯特编码 0 = 在间隔的中间位置由高向低跳变1 = 在间隔的中间位置由低向高跳变


在间隔的中间位置总有一次跳变0 = 在间隔的起始位置跳变1 = 在间隔的起始位置没有跳变

0 0 01 1 1 0 0 0 1 1

同步时钟

NRZ-L

NRZ1

双极性AMI

伪三进制码

曼彻斯特编码




⑴ 不归零码• 传输数字信号时最常用、最简单的方法就是使用两个不同

的电平来表示二进制数字。这种策略中一个比特周期内其电平恒定，没有变化。

• NRZ –L、 NRZ1

• 不归零码能有效的利用带宽，也最容易实现。但由于具有直流成分，缺乏同步能力，很容易由于收发设备间的定时漂移而导致失去同步。所以一般用于数据磁记录，而并不适合网络信号传输。

• 差分：在复杂传输结构下，检查信号跳变要比检查信号的正负显得更为可靠。



⑵ 多电平二进制• 这种编码使用了多于两个的信号电平• 双极性 AMI （交替反转）和伪三进制码 • 在双极性 AMI 的情况下，没有信号表示二进制的 0 ，而二进制的 1 由正脉冲和负脉冲交替表示。使用这种方法使得即使发送的数据是较长的 1比特串，仍然不会失去同步，信号中的每一个 1 都将导致电平跳变，保证了收发双方同步的建立与维护。只是在出现较长的 0比特串时仍然是个问题。

• 伪三进制码使用情况与此类似，只是在表示时，正负交替的电平表示的是比特 0 ，而没有信号时表示比特 1



⑶ 双相位• 规定信号在每一个传输的比特周期内都要至少完成一次电平跳变，有时要完成两次跳变。因此它的最大调制率是NRZ 的两倍，相应的需要更大的带宽。

• 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 • 由于双相位编码在每个比特时间周期内均存在预知的跳变，因此接受器可以根据跳变来建立同步，实现内同步

• 双相位编码技术在数据传输中使用广泛，曼彻斯特编码应用于 IEEE802.3 标准，用于实现基于同轴电缆和双绞线的总线式以太网；而差分曼彻斯特编码在 IEEE802.5 规定的屏蔽双绞线令牌环网中也有定义。



补充：局域网编码技术的发展 • 用户感兴趣的通信速率是从应用层次对通信做出的描述。

为提高通信速率，有两个途径可以考虑：一是提高线缆系统的传输性能，由此决定了带宽；另外是选择合适的编码系统，从而决定由波特率到比特率的转换因子。

• 合适的编码系统可以获得更高的通信速率。

)(2 BaudWB

波特率→比特率



4B/5B-NRZ1



4B/5B-NRZ1

• NRZ-L 使用一个信号电平来表征一个比特，数据传输率是信道带宽的 2倍。但由于信号电平变化无法预测，而导致缺少同步； NRZ1 使用的是差分技术，可以提高可靠性，但同样缺少同步；曼彻斯特编码自带时钟信息，保证同步，但这种信号的效率只有 50% ；

• 4B/5B 编码可以提高效率。在这种方案中，数据中的每 4位比特被编码到一个 5位码组中，这样 100Mbps只需要125Mbaud ，效率为 80% 。我们可以注意到编组时 32 种模式中只需要 16 种表示数据，选择依据是码组中至少有两次变化，信号中不允许一行中连续超过 3个 0 ，保证了同步。

• 4B/5B-NRZ1 编码是同步技术和差分技术的结合体现。



MLT-3

• 4B/5B-NRZ1 由于信号集中产生线路辐射的原因，虽然在光纤上是高效的，但不适合双绞线。 100Base-TX 和双绞线上的 FDDI 采用 MLT-3 编码。

• MLT-3 编码输出的每个二进制都有变化，用三级信号表示：正电压 +V 、负电压 -V 和零电压 0

• 编码规则如下：• 如果下一比特是 0 ，则输出值与前面的值相同• 如果下一比特是 1 ，则输出值就要有一个转变：如果前面输出的值是 +V或 -V ，则下一输出为 0 ；如果前面输出的值是 0 ，则下一输出的值与上一个非 0值符号相反。



MLT-3 示例• 如果下一比特是 0 ，则下一个输出的值与前面的值相同• 如果下一比特是 1 ，则下一输出的值就要有一个转变：

• 如果前面输出的值是 +V或 -V ，则下一输出为 0 ；• 如果前面输出的值是 0 ，则下一输出的值与上一个非

0值符号相反。

1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

0

＋V

－V



技术探讨• 目前有两种基本的编码系列。第一种是每 N 位添加一个同步位，以使同步成为可能 ( 如当 N=1 时，为 Manchester 编码；当 N=4 时，为 4B5B 编码 ) ，但这需要一个比原来更大的带宽。而且同步位越多，带宽需要越大。为了减小带宽，采用每 7 位添加一个同步位 ( 即 7B8B 编码 ) 的编码系统是可能的，但随之而来的是，当传输较长一串相同类型的位流时，同步就变得非常困难了。

• 另一种编码系列是通过增加电平个数以减小带宽，电平数越多，带宽需要越少。然而，当传输一长串由 0 编码后得到的连续信号时，同步就变得几乎不可能了。如，当我们采用 5 个电平数的时候就需要 4 个比较器，而且每个比较器都应该有其合适的公差范围。这就是说，当我们选择电平总数的时候，我们还应该把信噪比 (SNR) 考虑进去，以便能识别这几种不同的电平。



几种编码方式比较• 用户感兴趣的通信速率是从应用层次对通信做出的描述。

为提高通信速率，有两个途径可以考虑：• 提高线缆系统的传输性能，由此决定了带宽；• 选择合适的编码系统，从而决定转换因子。

编码方式带宽同步Manchester每一个传送的数据位都添加一个同步位，从而建立一个正的或负的前导转换位双倍原带宽时钟恢复。

4B5B每四位添加一个附加位，形成一个整体。构成与前四位不同的标志。 1.25倍原带宽。每五位一次时钟同步。NRZ1遇到 1时状态从一个电位转到另一个电位，遇 0时则保持原状态不变，共有两个电位保持原带宽当传输一长串 0时

没有同步的可能性MLT-3遇到 1时状态从一个电位转到另一个电位，总共有三个电位，遇到 0时则保持原状态不变。原带宽的 50%

当传输一长串 0时没有同步的可能性



部分应用及其编码方式

应用位速率带宽编码Ethernet 10Mbps 10MHz Manchester

Token Ring 16Mbps 16MHz Manchester

TP-PMD 100Mbps 62.5MHz NRZ1+4B5B

TP-PMD 100Mbps 31.25MHz MLT-3+4B5B

ATM 155Mbps 48.4735MHz MLT-3+4B5B



2 、数字数据调制为模拟信号

• 用模拟信号来传输数字数据的传输方式，常见的是将计算机的数字数据利用调制解调器进行调制，通过用户模拟线（如电话线）传输到另一台计算机。

• 最简单的模拟信号：正弦信号

)2sin()( ftAtS

• 幅移键控（ ASK）

• 频移键控（ FSK ）• 相移键控（ PSK ）



最基本的调制方法

• 调制就是进行波形变换（频谱变换）。 • 最基本的二元制调制方法有以下几种：

• 调幅 (AM) ：载波的振幅随基带数字信号而变化• 调频 (FM) ：载波的频率随基带数字信号而变化• 调相 (PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变

化。



调制技术

00 00 11 11 00 11 0000 00 11 00

ASKASK

FSKFSK

PSKPSK



多级调制方法 1

0101 10100000

00 +9+900

+18+1800

+27+2700

1111 +90+90：： 0101

00：： 0000

+270+270：： 1111

+180+180：： 1111

4-PSK4-PSK

• 数据率 = n × 信号速率



多级调制方法 2

11

45º 16-QAM16-QAM （正交振幅调制）：（正交振幅调制）：

使用振幅和相位的使用振幅和相位的 1616 种组合种组合

练习：已知某传输系统使用 64－ QAM 调制信号，波特率为 10Mband ，求该信道的数据传输速率。



3 、模拟数据转换为数字信号

• 模拟数据转化为数字信号的目的是利用数字信道来传输模拟数据，如话音是模拟数据，为了避免由于模拟传输带来的噪音，利用数字传输的优点，所以要求把模拟数据转换成数字信号。

• 模拟数据数字化（ digitization ）。• 模拟数据转化为数字信号的两个主要技术：

• 脉码调制 PCM（ Pulse Code Modulation ）• 增量调制 DM（ Delta Modulation ）



脉码调制（ PCM ）

3.23.23.93.9

2.82.8 3.43.41.21.2

4.24.2

33 44 33 33

11

44

011011 100100 011011 011011 001001 100100

原始信号原始信号

PAMPAM脉冲脉冲

PCM PCM 脉冲脉冲有量化差错有量化差错

011100011011001100011100011011001100 PCM PCM 输出输出



增量调制（ DM ）

- d+d

t

t

t

信号幅值

信号幅值

二进制数信号幅值D1 D2 D3 D4

0

0

0

（a）

（b）

（c）



4 、模拟数据转换为模拟信号

• 把输入信号 m 与一个频率为 f 的载波信号经调制合并为信号 s ，它的带宽（通常）以 f 为中心。

• 是为了实现传输的有效性，需要将低频信号（如语音）搬迁到较高的频带进行传输

• 将模拟信号放大• 通过调制就可以使用频分复用技术

• 模拟信号转换可以通过调幅 (AM) 、调频 (FM) 和调相(PM) 三种方法实现



调幅 (AM)



调频 (FM)



内容回顾

• 网络体系结构（ OSI-RM和 TCP/IP-RM ）• 协议数据单元• 物理层（概念、功能、协议）• 传输介质和物理层设备• 编码与调制技术



自测题

按要求表示数字信号编码波形：

0 1 1 0 1 0 0 1

同步时钟

NRZ

曼彻斯特编码




休息中北大学电子与计算机科学技术学院

School of Electronics and Computer Science and Technology . NUC

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第三章 OSI 体系结构和物理层