物理层协议
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Table of Contents
介紹
主要功能
組成部分
重要內容
重要標準
特性
接口協議
通信硬件
編程方法
DOS通信
PC通信
BIOS
常見的物理層設備
參考資料
介紹
物理層（或稱物理層，Physical Layer）是計算機網絡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，功能的和規范的特性。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。局域網與廣域網皆屬第1、2層。
物理層是OSI的第一層，它雖然處于最底層，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。如果您想要用盡量少的詞來記住這個第一層，那就是“信號和介質”。
OSI采納了各種現成的協議，其中有RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN、以及FDDI、IEEE802.3、IEEE802.4、和IEEE802.5的物理層協議。?[1]?
主要功能
物理層要解決的主要問題：
（1）物理層要盡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（一般為串行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。?[2]?
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），以減少信道上的擁塞。傳輸數據的方式能滿足點到點，一點到多點，串行或并行，半雙工或全雙工，同步或異步傳輸的需要。
3. 完成物理層的一些管理工作。?[3]?
組成部分
物理層的媒體包括架空明線、平衡電纜、光纖、無線信道等。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，如計算機、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，如調制解調器等。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。?[4]?
重要內容
物理層的接口的特性
（1） 機械特性
指明接口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
指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
（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 指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。
物理層的主要特點：
（1）由于在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采用，加之，物理層協議涉及的范圍廣泛，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接口的機械，電氣，功能和規程特性。
（2）由于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復雜。?[2]?
信號的傳輸離不開傳輸介質，而傳輸介質兩端必然有接口用于發送和接收信號。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接口與傳輸信號相關的一些特性。
1．機械特性
也叫物理特性，指明通信實體間硬件連接接口的機械特點，如接口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接口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，用于發送和接收數據的設備，例如用戶的計算機）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與數據通信網絡的設備，例如Modem調制解調器）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
指明物理接口各條信號線的用途（用法），包括：接口線功能的規定方法，接口信號線的功能分類--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
指明利用接口傳輸比特流的全過程及各項用于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，對于信號、接口和傳輸介質的規定。
重要標準
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并在應用了，
OSI也制定了一些標準并采用了一些已有的成果。下面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接口連接器和插針分配"。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----接口連接器和插針分配"。
ISO4902:稱為"數據通信----37芯DTE/DEC----接口連接器和插針分配"。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接口電路定義表"。其功
能與EIARS-232-C及RS-449兼容于100序列線上。
特性
反映在物理接口協議中的物理接口的4個特性是機械特性、電氣特性、功能特性與規程特性。：
（1）機械特性， 指明接口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的尺寸都有嚴格的規定。
（2）電氣特性， 指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
物理層的電氣特性規定了在物理連接上傳輸二進制位流時線路上信號電壓高低、阻抗匹配情況、傳輸速率和距離的限制等．早期的電氣特性標準定義物理連接邊界點上的電氣特性，而較新的電氣特性標準定義的都是發送器和接收器的電器特性，同時還給出了互連電纜的有關規定．比較起來，較新的標準更有利于發送和接收線路的集成化工作．物理層接口的電氣特性主要分為三類：非平衡型，新的非平衡型和新的平衡型。
非平衡型的信號發送器和接收器均采用非平衡方式工作，每個信號用一根導線傳輸，所有信號共用一根地線．信號的電平是用+5V～+15V，表示二進制"0"，用-5V～-15V，表示二進制"1"．信號傳輸速率限于20Kbps以內，電線長度限于15M以內．由于信號線是單線，因此線間干擾大，傳輸過程中的外界干擾也很大。
在新的非平衡型標準中，發送器采用非平衡方式工作．接收器采用平衡方式工作（即差分接收器）．每個信號用一根導線傳輸．所有信號共用兩根地線，即每個方向一根地線．信號的電平使用+4v~+6v表示二進制"0"，用－4V～－6V表示二進制"1"．當傳輸距離達到1000M時，信號傳輸速率在3kbps以下，隨著傳輸速率的提高，傳輸距離將縮短．在10M以內的近距離情況下，傳輸速率可達300kbps。由于接收器采用差分方式接收，且每個方向獨立使用信號地，因此減少了線間干擾和外界干擾．
新的平衡型標準規定，發送器和接收器均以差分方式工作，每個信號用兩根導線傳輸，整個接口無需共用信號就可以正常工作，信號的電平由兩根導線上信號的差值表示．相對于某一根導線來說，差值在+4V～+6V表示二進制"0"，差值在－4V～－6V表示二進制"1"．當傳輸距離達到1000M時，信號傳輸率在100kbps以下；當在10m以內的近距離傳輸時，速率可達10Mbps。由于每個信號均使用雙線傳輸，因此線間干擾和外界干擾大大削弱，具有較高的抗共模干擾能力。
（3）功能特性，規定了接口信號的來源、作用以及其他信號之間的關系。即物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。物理接口信號線一般分為數據線、控制線、定時線和地線。
DTE/DCE標準接口的功能特性主要是對各接口信號線作出確切的功能定義，并確定相互間的操作關系。對每根接口信號線的
定義通常采用兩種方法：一種方法是一線一義法，即每根信號線定義為一種功能，CCITT V24、EIA RS-232-C、EIA RS-449等都采用這種方法；另一種方法是一線多義法，指每根信號線被定義為多種功能，此法有利于減少接口信號線的數目，它被CCITT X。21所采用。
接口信號線按其功能一般可分為接地線、數據線、控制線、定時線等類型。對各信號線的命名通常采用數字、字母組合或英文縮寫三種形式，如EIA RS-232-C采用字母組合，EIA RS-449采用英文縮寫，而CCITT V。24則以數字命名。在CCITT V。24建議中，對DTE/DCE接口信號線的命名以1開頭，所以通常將其稱為100系列接口線，而用于DTE/ACE接口信號線命名以2開頭，故將它稱做200系列接口信號線。
（4）規程特性， 定義了再信號線上進行二進制比特流傳輸的一組操作過程，包括各信號線的工作順序和時序，使得比特流傳輸得以完成。
DTE/DCE標準接口的規程特性規定了DTE/DCE接口各信號線之間的相互關系、動作順序以及維護測試操作等內容。規程特性反映了在數據通信過程中，通信雙方可能發生的各種可能事件。由于這些可能事件出現的先后次序不盡相同，而且又有多種組合，因而規程特性往往比較復雜。描述規程特性一種比較好的方法是利用狀態變遷圖。因為狀態變遷圖反映了系統狀態的變遷過程，而系統狀態遷移正是由當前狀態和所發生的事件（指當時所發生的控制信號）所決定的。
不同的物理接口標準在以上4個重要特性上都不盡相同。實際網絡中比較廣泛使用的是物理接口標準有EIA-232-E、EIA RS-449和CCITT的X。21建議。EIA RS-232C仍是目前最常用的計算機異步通信接口。
接口協議
電話網絡modems-V。92
IRDA物理層
USB物理層
EIARS-232，EIA-422，EIA-423，RS-449，RS-485
Ethernet physical layerIncluding10BASE-T，10BASE2，10BASE5，100BASE-TX，100BASE-FX。100BASE-T，1000BASE-T，1000BASE-SX還有其他類型
Varieties of802。11Wi-Fi物理層
DSL（DSL包括ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，非對稱數字用戶線)、RADSL、HDSL和VDSL等等）
ISDN（綜合業務數字-Integrated Services Digital Network）
T1 and otherT-carrierlinks， and E1 and otherE-carrierlinks
SONET/SDH：SONET （Synchronous Optical Network）同步光纖網絡。
Optical Transport Network（OTN）：是以波分復用技術為基礎、在光層組織網絡的傳送網，是下一代的骨干傳送網。
GSMUm air interface物理層
Bluetooth物理層
ITURecommendations: seeITU-T
IEEE 1394 interface
TransferJet物理層：無線傳輸技術
Etherloop
ARINC 818航空電子數字視頻總線：現有民航客機的機載無線電系統均為arinc公司。發動機數據傳輸的acarcs系統也由它來提供
G。hn/G。9960物理層
CAN bus（controller area network）物理層
DSL的中文名是數字用戶線路，是以電話線為傳輸介質的傳輸技術組合。DSL技術在傳遞公用電話網絡的用戶環路上支持對稱和非對稱傳輸模式，解決了經常發生在網絡服務供應商和最終用戶間的“最后一公里”的傳輸瓶頸問題。由于DSL 接入方案無需對電話線路進行改造，可以充分利用可以已經被大量鋪設的電話用戶環路，大大降低額外的開銷。因此，利用銅纜電話線提供更高速率的因特網接入，更受用戶的歡迎，得到了各個方面的重視，在一些國家和地區得到大量應用。
綜合業務數字網（Integrated Services Digital Network，ISDN）是一個數字電話網絡國際標準，是一種典型的電路交換網絡系統。在ITU的建議中，ISDN是一種在數字電話網IDN的基礎上發展起來的通信網絡，ISDN能夠支持多種業務，包括電話業務和非電話業務。
TransferJet，一種近距離無線傳輸技術標準，由索尼公司研發，于2008年發表。TransferJet技術，類似于近場通訊技術，能讓兩個貼近的電子裝置，以點對點方式，高速交換資料。它的傳輸率可以達到375Mbps，主要運作于560MHz頻帶中，采用4.48GHz頻道。它與其他近場通訊技術的主要不同，在于它采取電感磁場原理，而不是無線電頻率的技術來實做，這讓它不會受到其他無線技術的干擾或退化現象。
Etherloop?是一“下一代”DSL?結合特點的技術 以太網 并且DSL。 它允許聲音的組合和數據傳輸在標準電話線。 在合適條件下它將準許6兆的速度每秒在距離21,000英尺。
EtherLoop采用了點到點方式，即在中心局和用戶之間定義一個“主端”，另一個為“從端”，從端只能在主端允許的時候發送消息，這樣就高效低解決了所有的碰撞問題，在本質上是一種星形的網絡拓撲結構。
EtherLoop還利用了半雙工以太網靈活的對稱性，也就是說每個方向上傳輸的時間和該方向上提供的信息流量是成正比的。并不將固定的上/下行帶寬分配給用戶，而是根據用戶的實際流量來動態分配帶寬。
EtherLoop使用了獨一無二的“頻率管理（SpectrumManager）”軟件
1、在發送端靜默的時期內進行信號質量的監控，測量出串話和干擾的大小，設備能夠通過不斷地改變內部頻率來降低串話和干擾。
2、采用比特率調整技術來實現這一功能；
3、調制解調器可以通過比特率調整來及時適應它收到的或是產生的噪聲，從而提高了調制解調器的發送質量，降低了同一個電纜束中的相互干擾。
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通信硬件
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、并口等。
通信硬件包括通信適配器（也稱通信接口）和調制解調器（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，盡管作為網絡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，在內容上分界并不很分明，但它所包含的MODEM接口、比特的采樣發送、比特的緩沖等功能是確切屬于物理層范疇的。為了實現PC機與調制解調器或其它串行設備通信，首先必須使用電子線路將PC機內的并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，還必須解決一個字符由多少個比特組成及如何從比特流中提取字符等技術問題，這就需要使用通信適配。通信適配器可以認為是用于完成二進制數據的串、并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，二進制同步通信）和HDLC（High－level Data link Control，高級數據鏈路控制）三種。
IBM PC 異步通信適配器：使用TTY規程的異步通信適配采用RS－232C接口標準。這種通信適配器除可用于PC機聯機通信外，還可以連接各種采用RS－232C接口的外部設備。例如，可連接采用RS-232C接口的鼠標器、數字化儀等輸入設備；可連接采用RS-232C接口的打印機、繪圖儀及CRT顯示器等各種輸出設備。可見，異步通信適配器的用途是很廣泛的。異步通信規程將每個字符看成一個獨立的信息，字符可順序出現在比特流中，字符與字符間的間隔時間是任意的（即字符間采用異步定時），但字符中的各個比特用固定的時鐘頻率傳輸。字符間的異步定時和字符中比特之間的同步定時，是異步傳輸規程的特征。
異步傳輸規程中的每個字符均由四個部分組成：
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：用于檢錯。
1～2位停止位：以邏輯“1”表示，用以作字符間的間隔。這種傳輸方式中，每個字符以起始位和停止位加以分隔，故也稱“起--止”式傳輸。串行口將要發送的數據中的每個并行字符，先轉換成串行比特串，并在串前加上起始位，串后加上檢驗位和停止位，然后發送出去。接收端通過檢測起始位，檢驗位和停止位來保證接收字符中比特串的完整性，最后再轉換成并行的字符。串行異步通信適配器本身就象一個微型計算機，上述功能均由它透明地完成，不須用戶介入。早期的異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，后來大多將異步通信適配器與其他適配器（如打印機、磁盤驅動器等的適配器）做在一塊稱作多功能板的插件板上。也有一些高檔微機，已將異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。
編程方法
PC機的異步串行通信編程方法內容包括DOS、WINDOWS和BIOS級PC通信、基于異步通信與器的系統的PC通信以及通信編程方法。
DOS通信
PC機一般常有兩個異步串行端口，分別稱作COM1和COM2，它們都符合RS-232C標準。在DOS操作系統中，COM1、COM2被作為I/O設備進行管理，COM1、COM2便是它們的邏輯設備名。據此，DOS便可通過對COM1、COM2操作實現異步串行通信。DOS的MODE命令可用以設置異步串行端口的參數，DOS的COPY命令允許將異步串行端口作為一個特殊的"文件"，進行數據傳輸。下面舉一個利用DOS的MODE、COPY命令，進行雙機鍵盤輸入字符傳輸的例子。 MODE命令的格式如下:
MODE 端口名:速率，校驗方式，數據位數，停止位位數
其中端口名為COM1或COM2；傳輸速率可選110、150、300、600、1200、2400、4800或9600bps；校驗方式為E（偶校驗）、（奇校驗）或N（無校驗）；數據位數為7或8位；停止位位數為1或2位。通信雙方設置的參數應一致，如雙方都打入如下命令:MODE COM1:1200，E，7，1則表示雙方以COM1為異步通信端口以1200bps、偶校、7位數據位、1位停止位的設置參數進行通信。DOS中有一標準控制臺COM，實際上作輸入時COM即鍵盤，作輸出時COM即顯示器。?[1]?
準備發送的PC機執行如下命令:COPY CON:COOM1:表示將從鍵盤收到的信息通過COM1串行口發送。
準備接收的PC機執行如下命令:COPY COM1:CON:則表示將接收來自COM1串行口信息，并在顯示器上顯示。
兩臺PC機分別執行完上述命令后，在發送方鍵盤上輸入的字符便會在接收方顯示器上顯示出來。上面介紹的是用DOS的MODE、COPPPY命令實現的最簡單的PC通信。在MS-DOS的高版本中（例如MS-DOS V6。0）還提供了一條命令，叫作INTERLNK，實際上它是一個通信程序。使用INTERLNK命令和一根連接兩臺PC機串行端口的電纜，可以使一臺PC機從另一臺PC機的磁盤驅動器中存取數據并運行程序，無需再使用軟盤去拷貝文件。用以鍵入命令的PC機叫客戶機（Client），與客戶機相連的PC機叫服務器（Server）。客戶機使用服務器的驅動器和打印機，服務器顯示兩臺PC 機的連機狀態。
當兩臺PC機被INTERLNK連接以后，服務器上的驅動器便以擴驅動器的形式映象到客戶機上，若兩臺PC機原來均有A、B、C三個驅動器，則連接后客戶機除了自身的三個驅動器外，又多了E、F、G（服務器驅動器映象）三個擴展驅動器，客戶機可以象使用自己的驅動器一樣使用這些擴展驅動器。使用INTERLNK時，每臺PC機上至少要有一個空閑的串行口，還要一根3號線或7號線的零調制解調器（Null MODEM）串行電纜線，客戶機上至少有16K空閑內存，服務器上至少有130K空閑內存。
在客戶機的CONFIG系統配置文件。SYS中添加如下命令：devive=c：\dos\interlnk。exe/drives：5
再重新啟動客戶機，便可裝入INTERLNK。這里假設interlnk。exe存于客戶機C驅動器的DOS子目錄中，/drives:5參數用于映象5個服務器驅動器，缺省情況下為3個驅動器。服務器上啟動INTERLNK不需要其CONFIG。SYS作任何改動，只需在DOS命令提示符下鍵入intersvr即可。此時，屏幕底部出現一行狀態信息，顯示INTERLNK的連接狀態。
PC通信
Microsoft Windows的應用程序Terminal允許用戶PC機與其它計算機連接并交換數據，也可仿真為將與之交換數據的遠程計算機所要求的終端類型。下面給出一臺PC機應用WINDOWS的Terminal從具有連機服務的遠程系統讀取文件的通信過程。
打開終端——使用設置（Settings）菜單設置參數——查閱文件——使用傳輸（Transfers）菜單接收一個文件——與遠程計算機脫機——使用phone菜單掛起調制解調器——使用文件（File）菜單存儲文件——退出終端
BIOS
在PC機的基本輸入輸出系統（BIOS）中的中斷14H提供了異步串行端口的服務功能，通過INT 14H提供的四種功能，可訪問串行通信端口，實現連機通信。INT 14H的串行口功能為。?[4]?
常見的物理層設備
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網卡
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光纖
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CAT-5線
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RJ-45接頭
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集線器有整波作用。
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Repeater加強信號。
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串口
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并口?[3]?
參考資料
- 1.??肖宛陽． 通信與信息系統：解放軍信息工程大學，2013
- 2.??第二章 物理層??．百度文庫．2012-04-25[引用日期2015-03-03]
- 3.??James F.Kurose著 陳鳴譯．《計算機網絡》：機械工業出版社，2009
- 4.??雷震甲 吳曉葵 嚴體華．網絡工程師教程：清華大學出版社，2011年：25
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總結
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