1、Data and Computer Communications,Chapter 6 The Data Communications Interface,物理层的作用,尽可能屏蔽传输媒体的差异，透明传送和接收位流, 物理层的主要任务,确定与传输媒体的接口的一些特性： 机械特性、电气特性、功能特性和规程特性, 物理层向数据链路层提供的服务, 物理连接 物理服务数据单元（PSDU）：串行传输方式（1位）、并行传输方式（8位） 顺序化 故障报告 服务质量参数,物理层模型,6.1 Asynchronous and Synchronous Transmission,Timing problems req
2、uire a mechanism to synchronize the transmitter and receiver Two solutions Asynchronous Synchronous,Transmission Terminology,串行数据通信:数据通过一条单一的通信路径而不是一组并行线进行传输。串行通信的信号元素在传输线上每次一个地发送,每个信号元素可以是： 少于一位:如Manchester编码。 一位:NRZ-L和FSK分别是数字和模拟的例子 多于一位:如QPSK码。 数据通信的任务之一是建立同步机制。接收器必须识别各数据位每个时钟的起止时刻,它也必须知道每个位的持续时间
3、,以在适当的时刻对传输线采样,读出每个bit。 仿照发送器时钟,接收器将期望在每位的中央采样,对每一个位间隔设立一个数字窗口,Transmission Terminology,当发送器与接收器的时钟不完全一致准确时就会出现问题。假如偏移一个百分点(接收器的时钟比发送器的快或慢1%),则第一次采样将偏离位中央(位中央分别距位起始及位终止处0.5ms)0.01位时间(0.01ms)。在50次或更多次的采样后,接收器将因在不正确的位时间采样而出现错误(500.01=0.5ms)。 对较小的定时误差,这种差错可能会推迟出现,但只要发送器发送一个足够长的位串并且发送器和接收器之间没有同步机制,接收器与发
4、送器就有可能出现失去同步。,Asynchronous,Data transmitted on character at a time 5 to 8 bits Timing only needs maintaining within each character Resync with each character,Asynchronous (diagram),Asynchronous - Behavior,In a steady stream, interval between characters is uniform (length of stop element) In idle sta
5、te, receiver looks for transition 1 to 0 Then samples next seven intervals (char length) Then looks for next 1 to 0 for next charSimple Cheap Overhead of 2 or 3 bits per char (20%) Good for data with large gaps (keyboard),Character format,8-bit asynchronous character stream,Effect of timing error,As
6、ynchronous transmission,Asynchronous Transmission,通常有两种方式可以达到所希望的同步。第一种叫异步传输,该方案直观上看就是由避免发送长的、不间断的位串来解决定时问题。实际上每次只发送一个字符的数据,一个字符长度为5到8 bit长。定时和同步仅限于在每个字符期间维持；在每个新字符开始处接收器应有机会再同步过程。 当没有字符传送,发送器与接收器之间的传输线处于空闲Idle状态。空闲状态的定义等价于信号元素的二进制1。,Asynchronous Transmission,字符的开始信号是起始位,二进制0; 后跟5到8个bit构成实际的字符,字符以最低
7、位开始发送。最后的元素是停止位,表示为二进制1。 对停止位仅定义了最小长度,一般是1、1.5、或2倍于一个位间隔的时间；没有定义停止位的最大长度，停止位与空闲状态相同,发送器将一直发送停止信号,直到下一个要发送的字符准备就绪。 异步通信简单而廉价,但每个字符需要额外的两到三位。例如传送一个七位码,用一位停止位,对每九个bit里就要两位仅仅用来同步，额外开销是2/9=0.22。 通过传送起始位与停止位中间的大的数字位块可以减少额外开销的百分比, 位块越大,定时偏差就越大。为了使用大的数字位块,将采用另一种称作同步传输形式的同步方式。,Synchronous Transmission,为了使用大的
8、数字位块,将采用同步传输方式。同步传输模式无需起始和停止码传输字符块或位块, 可以确切地预见到每一位的离开或到达时间。 为防止定时漂移,发送器和接收器的时钟必须以某种形式同步。一种可能性是在收、发双方提供一条单独的时钟线,不然的话时钟信息必须嵌入数字信号中。 对数字信号,可以用双相位编码技术达到这一点。对模拟信号,有多种技术可以采用,如基于载波相位载波信号本身就可以用来同步接收器,象彩色全电视信号中的彩色付载波。,Synchronous - Bit Level,Block of data transmitted without start or stop bits Clocks must be
9、 synchronized Can use separate clock line Good over short distances Subject to impairments Embed clock signal in data Manchester encoding Carrier frequency (analog),Synchronous - Block Level,Need to indicate start and end of block Use preamble and postamble e.g. series of SYN (hex 16) characters e.g
10、. block of 11111111 patterns ending in 11111110More efficient (lower overhead) than async,Synchronous (diagram),6.2 Line Configuration,Topology Physical arrangement of stations on medium Point to point Multi point Computer and terminals, local area network Half duplex Only one station may transmit a
11、t a time Requires one data path Full duplex Simultaneous transmission and reception between two stations Requires two data paths (or echo canceling),Traditional Configurations,(a) Generic interface to transmission medium,(b) Typical configuration,区别不同数据链路结构的三个特征是拓扑(Topology)、复用双工(Duplexity)和连线规则(Lin
12、e Discipline),数据链路的拓扑指的是在一数据链路上各站点的物理排列。如果只有两台工作站,链路是点对点连接；如果多于两个站点,则为多点拓朴。传统的一种多点连接用于一台(主站)和一系列终端(从站)的场合。,双工,半双工链路可以发送和接收,但不能同时进行,该模式称为“双向更换(two-way alternate)” 。 全双工链路上的两个站点可以同时相互发送和接收数据,该模式称为“双向同时(two-way simultaneous)”。 数字化信号直接传送要求波导传输介质,通常全双工需要独立的两条路径(如两路双绞线),而半双工只需一条。 对模拟化信号,无论采用波导或非波导传输,复用技术将
13、取决于可用的频率,如果一工作站在同一频率上发送和接收信号,它只能工作在半双工模式下(除非使用两条独立的、相互绝缘的波导传输导体)；如果工作站发送和接收各占一段频率,它便可以以全双工模式工作。,点对点链路Point-to-Point Link,点对点链路是简单的。考虑一个已初始化好准备信息交换的半双工链路，一次交换的一个帧。 如果某站点希望向对方发送数据,首先先向对方工作站执行一次查询(标明enq),第二个工作站用一个正的应答信号(ask)回应,以表示它已就绪。 第一工作站则开始发送一批数据。无论在何种场合,在一定量的数据送完后,第一工作站暂停等待结果。第二工作站应答以数据成功收到(ack),第
14、一工作站则发送一个传送结束消息(eot),该消息结束信息交换并返回到系统的初始状态。,对等传输,多点链路Multipoint Links,选择多点链路线路的规则首先将取决于有没有指定主设备站点。当有一个主工作站,数据仅在主、次两站点之间交换,而不是两个次级站点之间交换。此时大多数通用的规则称为点名和选择(Poll & Select): 点名:主站向从站请求数据。 选择:主站向从站发送数据,通知某个从站数据正在发出。 各流程的时间合计为:TN=无信息可送的终端点名时间和 这里： tprop=传播时间=t1-t0=t5-t4tpoll=传送点名的时间=t2-t1tproc=应答前处理点名的时间=t
15、3-t2tnak=传送一个负点名的时间=t4-t3,多点链路Multipoint Links,一次成功点名的情况,这时时间为：通常大多数点名的形式是巡回呼叫点名(Roll-Call Polling),主设备按既定顺序选择各个次设备点名。最简单的情况是主设备按循环轮转方式(Round-Robin)依次点名每个次设备,对n个次设备,为S1, S2, Sn；然后再重复次序列。其时间可表示为：这里：Tc=一次完整点名周期的时间TN =不包括数据传输点名一个次设备需要的平均时间TD =传输数据时间=n=次工作站数k=整个周期里传送数据的次工作站数,另一种线路规则是竞争(Contention),在该模式里
16、,不存在主设备,代之以一个同等工作站群。如果线路空闲,工作站便可以传输数据；否则必须等待。这个技术被广泛使用在局域网及卫星通信系统中。 所有多点线路规则的特征之一是寻址,在巡回点名中,发自主设备的传输必须指明要访问的从设备。在对等通信场合, 都必须指明发送器与接收器二者。有三种情况: 点对点:无需地址 主-次多点:需要一个地址,指明次设备对等多点:需要两个地址,指明发送器和接收器,6.3 Interfacing,Data processing devices (or data terminal equipment, DTE) do not (usually) include data tran
17、smission facilities Need an interface called data circuit terminating equipment (DCE) e.g. modem, NIC DCE transmits bits on medium DCE communicates data and control info with DTE Done over interchange circuits Clear interface standards required,Characteristics of Interface,Mechanical Connection plug
18、s Electrical Voltage, timing, encoding Functional Data, control, timing, grounding Procedural Sequence of events,V.24/EIA-232-F,ITU-T v.24 Only specifies functional and procedural References other standards for electrical and mechanical EIA-232-F (USA) RS-232 Mechanical ISO 2110 Electrical v.28 Func
19、tional v.24 Procedural v.24,Mechanical Specification,Electrical Specification,Digital signals Values interpreted as data or control, depending on circuit More than -3v is binary 1, more than +3v is binary 0 (NRZ-L) Signal rate 20kbps Distance 15m For control, more than-3v is off, +3v is on,Functiona
20、l Specification,(See table in Stallings chapter 6),Local and Remote Loopback,Procedural Specification,E.g. Asynchronous private line modem When turned on and ready, modem (DCE) asserts DCE ready When DTE ready to send data, it asserts Request to Send Also inhibits receive mode in half duplex Modem r
21、esponds when ready by asserting Clear to send DTE sends data When data arrives, local modem asserts Receive Line Signal Detector and delivers data,EIA-232-D 标准 （RS-232-C）, DTE(数据终端设备)：具有一定数据处理能力及收发数据能力的设备，如计算机。 DCE(数据终端设备)：在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如MODEM, 机械特性：25针插座 电气特性：低于-3伏表示“1”，
22、 高于4伏表示“0”，最大速率为20Kbps, 最大电缆长度为15米。 功能特性：引脚信号的含义，如DTR表示DTE通电，DSR表示DCE通电 规程特性： 动作的顺序,EIA-232-F,Mechanical: ISO 2110 Electrical: V.28 Functional: V.24 Procedural: V.24,RS-449标准，用于模拟信道的宽带电路 包含3个标准, RS-449：规定机械特性、功能特性和规程特性，与CCITT V.35一致 RS-423-A：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-422-A：规定电气特性为平衡
23、传输，无公共地，电缆长度超过60米，最大数据率为2Mbps,X.21建议书 数字信道接口标准，规定DTE在建立和释放呼叫时与DCE交换的信息，此时DCE表示DTE和网络接口的设备, 机械特性：15根引脚 功能特性：8条信号线,X.21规程特性, X.21bis 建议: 用于EIA-232-D/V.24设备的过渡，使用模拟信道，DCE为同步MODEM,ISDN Interface,Dial Up Operation (1),Dial Up Operation (2),Dial Up Operation (3),Null Modem,利用虚MOEM连接两台计算机,ISDN Physical Int
24、erface Diagram,ISDN Physical Interface,Connection between terminal equipment (c.f. DTE) and network terminating equipment (c.f. DCE) ISO 8877 Cables terminate in matching connectors with 8 contacts Transmit/receive carry both data and control,ISDN Electrical Specification,Balanced transmission Carri
25、ed on two lines, e.g. twisted pair Signals as currents down one conductor and up the other Differential signaling Value depends on direction of voltage Tolerates more noise and generates less (Unbalanced, e.g. RS-232 uses single signal line and ground) Data encoding depends on data rate Basic rate 192kbps uses pseudoternary Primary rate uses alternative mark inversion (AMI) and B8ZS or HDB3,
