物理層

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物理層（Physical Layer）

　　物理層是電腦網路OSI模型中最低的一層。物理層規定:為傳輸數據所需要的物理鏈路創建、維持、拆除，而提供具有機械的，電子的，功能的和規範的特性。簡單的說，物理層確保原始的數據可在各種物理媒體上傳輸。區域網與廣域網皆屬第1、2層。

　　物理層是OSI的第一層，它雖然處於最底層，卻是整個開放系統的基礎。物理層為設備之間的數據通信提供傳輸媒體及互連設備，為數據傳輸提供可靠的環境。如果您想要用儘量少的詞來記住這個第一層，那就是“信號和介質”。

　　物理層要解決的主要問題：

　　（1）物理層要儘可能地屏蔽掉物理設備和傳輸媒體，通信手段的不同，使數據鏈路層感覺不到這些差異，只考慮完成本層的協議和服務。

　　（2）給其服務用戶（數據鏈路層）在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流（一般為串列按順序傳輸的比特流）的能力，為此，物理層應該解決物理連接的建立、維持和釋放問題。

　　（3）在兩個相鄰系統之間唯一地標識數據電路。

　　物理層主要功能：為數據端設備提供傳送數據通路、傳輸數據。

　　1.為數據端設備提供傳送數據的通路，數據通路可以是一個物理媒體，也可以是多個物理媒體連接而成。一次完整的數據傳輸，包括激活物理連接，傳送數據，終止物理連接。所謂激活，就是不管有多少物理媒體參與，都要在通信的兩個數據終端設備間連接起來，形成一條通路。

　　2.傳輸數據，物理層要形成適合數據傳輸需要的實體，為數據傳送服務。一是要保證數據能在其上正確通過，二是要提供足夠的帶寬（帶寬是指每秒鐘內能通過的比特（BIT）數），以減少通道上的擁塞。傳輸數據的方式能滿足點到點，一點到多點，串列或並行，半雙工或全雙工，同步或非同步傳輸的需要。

　　3.完成物理層的一些管理工作。

　　物理層的媒體包括架空明線、平衡電纜、光纖、無線通道等。通信用的互連設備指DTE和DCE間的互連設備。DTE即數據終端設備，又稱物理設備，如電腦、終端等都包括在內。而DCE則是數據通信設備或電路連接設備，如數據機等。數據傳輸通常是經過DTE──DCE，再經過DCE──DTE的路徑。互連設備指將DTE、DCE連接起來的裝置，如各種插頭、插座。LAN中的各種粗、細同軸電纜、T型接、插頭，接收器，發送器，中繼器等都屬物理層的媒體和連接器。

　　物理層的介面的特性

　　（1） 機械特性

　　指明介面所用的接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。

　　（2） 電氣特性

　　指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。

　　（3） 功能特性

　　指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何意。

　　（4）規程特性 指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

　　（1）由於在OSI之前，許多物理規程或協議已經制定出來了，而且在數據通信領域中，這些物理規程已被許多商品化的設備所採用，加之，物理層協議涉及的範圍廣泛，所以至今沒有按OSI的抽象模型制定一套新的物理層協議，而是沿用已存在的物理規程，將物理層確定為描述與傳輸媒體介面的機械，電氣，功能和規程特性。

　　（2）由於物理連接的方式很多，傳輸媒體的種類也很多，因此，具體的物理協議相當複雜。

　　信號的傳輸離不開傳輸介質，而傳輸介質兩端必然有介面用於發送和接收信號。因此，既然物理層主要關心如何傳輸信號，物理層的主要任務就是規定各種傳輸介質和介面與傳輸信號相關的一些特性。

　　1．機械特性

　　也叫物理特性，指明通信實體間硬體連接介面的機械特點，如介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。這很像平時常見的各種規格的電源插頭，其尺寸都有嚴格的規定。

　　已被ISO 標準化了的DCE介面的幾何尺寸及插孔芯數和排列方式。

　　DTE（Data Terminal Equipment，數據終端設備，用於發送和接收數據的設備，例如用戶的電腦）的連接器常用插針形式，其幾何尺寸與．DCE（Data Circuit-terminating Equipment，數據電路終接設備，用來連接DTE與數據通信網路的設備，例如Modem數據機）連接器相配合，插針芯數和排列方式與DCE連接器成鏡像對稱。

　　2．電氣特性

　　規定了在物理連接上，導線的電氣連接及有關電路的特性，一般包括：接收器和發送器電路特性的說明、信號的識別、最大傳輸速率的說明、與互連電纜相關的規則、發送器的輸出阻抗、接收器的輸入阻抗等電氣參數等。

　　3．功能特性

　　指明物理介面各條信號線的用途（用法），包括：介面線功能的規定方法，介面信號線的功能分類--數據信號線、控制信號線、定時信號線和接地線4類。

　　4．規程特性

　　指明利用介面傳輸比特流的全過程及各項用於傳輸的事件發生的合法順序，包括事件的執行順序和數據傳輸方式，即在物理連接建立、維持和交換信息時，DTE/DCE雙方在各自電路上的動作序列。

　　以上4個特性實現了物理層在傳輸數據時，對於信號、介面和傳輸介質的規定。

　　物理層的一些標準和協議早在OSI/TC97/C16 分技術委員會成立之前就已制定併在應用了，

　　OSI也制定了一些標準並採用了一些已有的成果。下麵將一些重要的標準列出，以便讀者查閱。

　　ISO2110:稱為"數據通信----25芯DTE/DCE介面連接器和插針分配"。它與EIA（美國電子工業協會）的"RS-232-C"基本兼容。

　　ISO2593:稱為"數據通信----34芯DTE/DCE----介面連接器和插針分配"。

　　ISO4902:稱為"數據通信----37芯DTE/DEC----介面連接器和插針分配"。與EIARS-449兼容。

　　CCITT V。24:稱為"數據終端設備（DTE）和數據電路終接設備之間的介面電路定義表"。其功

　　能與EIARS-232-C及RS-449兼容於100序列線上。

　　物理層常見設備有：網卡光纖、CAT-5線（RJ-45接頭）、集線器有整波作用、Repeater加強信號、串口、並口等。

　　通信硬體包括通信適配器（也稱通信介面）和數據機（MODEM）以及通信線路。從原理上講，物理層只解決DTE和DCE之間的比特流傳輸，儘管作為網路節點設備主要組成部分的通信控制裝置，其本身內涵在物理層、數據鏈路層、甚至更高層，在內容上分界並不很分明，但它所包含的MODEM介面、比特的採樣發送、比特的緩衝等功能是確切屬於物理層範疇的。為了實現PC機與數據機或其它串列設備通信，首先必須使用電子線路將PC機內的並行數據轉成與這些設備相兼容的比特流。除了比特流的傳輸之外，還必須解決一個字元由多少個比特組成及如何從比特流中提取字元等技術問題，這就需要使用通信適配。通信適配器可以認為是用於完成二進位數據的串、並轉換及一其它相關功能的電路。通信適配器按通信規程來劃分可分為TTY（Tele Type Writer，電傳打字機）、BSC（Birary Synchronous Commuication，二進位同步通信）和HDLC（High－level Data link Control，高級數據鏈路控制）三種。

　　IBM PC 非同步通信適配器：使用TTY規程的非同步通信適配採用RS－232C介面標準。這種通信適配器除可用於PC機聯機通信外，還可以連接各種採用RS－232C介面的外部設備。例如，可連接採用RS-232C介面的滑鼠器、數字化儀等輸入設備；可連接採用RS-232C介面的印表機、繪圖儀及CRT顯示器等各種輸出設備。可見，非同步通信適配器的用途是很廣泛的。非同步通信規程將每個字元看成一個獨立的信息，字元可順序出現在比特流中，字元與字元間的間隔時間是任意的（即字元間採用非同步定時），但字元中的各個比特用固定的時鐘頻率傳輸。字元間的非同步定時和字元中比特之間的同步定時，是非同步傳輸規程的特征。

　　非同步傳輸規程中的每個字元均由四個部分組成：

　　1位起始位：以邏輯“0”表示，通信中稱“空號”（SPACE）。

　　5～8位數據位：即要傳輸的內容。

　　1位奇/偶檢驗位：用於檢錯。

　　1～2位停止位：以邏輯“1”表示，用以作字元間的間隔。這種傳輸方式中，每個字元以起始位和停止位加以分隔，故也稱“起--止”式傳輸。串列口將要發送的數據中的每個並行字元，先轉換成串列比特串，併在串前加上起始位，串後加上檢驗位和停止位，然後發送出去。接收端通過檢測起始位，檢驗位和停止位來保證接收字元中比特串的完整性，最後再轉換成並行的字元。串列非同步通信適配器本身就象一個微型電腦，上述功能均由它透明地完成，不須用戶介入。早期的非同步通信適配器被做成單獨的插件板形成，可直接插在PC機的系統擴充槽內供使用，後來大多將非同步通信適配器與其他適配器（如印表機、磁碟驅動器等的適配器）做在一塊稱作多功能板的插件板上。也有一些高檔微機，已將非同步通信適配器做在系統主板上，作為微機系統的一個常規部件。