计算机网络中的物理层

今天主要介绍下物理层，基本摘抄自《深入理解计算机网络》这本书，同时加入了自己的一些看法。

（1） 物理层作用
计算机网络设备之间的连接必须依靠物理层的传输介质和相关协议进行。物理层主要负责在物理传输介质之上为“数据链路层”提供一个原始比特流（也就是数据是以一个个0或1的二进制代码形式表示的）的物理连接。其具体作用如下：

1） 构建数据通路
“数据通路”就是完整的数据传输通道，可以是一段物理介质，也可以是由多段物理介质连接而成的。一次完整的数据传输，包括激活物理连接、传送数据、终止物理连接三个主要阶段。所谓“激活物理连接”，就是不管有多少段物理介质参与，在通信的两个数据终端设备间都要在电气上连接起来，形成一条可以在上面连续传输数据的通路。

2） 透明传输
物理层中可用的传输介质类型（如不同类型的同轴电缆、双绞线和光纤等）非常多，各自又有相应的通信协议和标准来支持，这就决定了不同的计算机网络可能有不同的“路”。物理层除了要把这些不同的“路”修好外，还要确保这些不同的“路”能“连通”起来，形成通路，最终实现把比特流传输到对端“物理层”，然后向“数据链路层”提交的目的。

要实现上述功能，需要物理层具有屏蔽不同传输介质类型和通信协议的功能，让进行网络通信的各方只看到有“路”可行，而不管修这些“路”所用的具体“材料”和相关标准，这就是物理层的“透明传输”功能。

3）传输数据
无论是从网络体系结构中哪层发起的通信，最终的数据都得通过最低的“物理层”传输出去，因为这是网络通信的唯一物理通道。但“物理层”的传输单位是比特（bit，也就是“位”，数据中的一个二进制的0或1就代表1位）。“物理层”的基本作用是在发送端通过物理层接口和传输介质将数据按比特流的顺序传送到接收端的物理层。

4）数据编码
要使数据能在“物理层”上有效、可靠地传输，最关键的是要确保数据比特流能在对应的“信道”中正常通过。这就涉及“物理层”的数据编码功能，因为不同传输介质所支持的数据编码类型不一样（如归零码、非归零码、曼彻斯特码、差分曼彻斯特码等）。

5）数据传输管理
“物理层”还具有一定的数据传输管理功能，如基于比特流的数据传输流量控制、差错控制、物理线路的激活和释放等。

（2） 对物理层的理解
“物理层”并不是特指某种传输介质，而是指通过传输介质，以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路。

我打个比方—修路，物理层中的传输介质就是修路的材料，不同路段的材料不同，就如物理层传输介质有双绞线、光纤等等，这些材料是不叫“路”的，只有根据不同的标准对这些材料进行铺设才能形成不同的“路”（高速公路和普通公路之比），这相当于物理层中的通信协议和标准。

（3） 物理层所定义的特性
总体来说，“物理层”的主要任务是定义与传输介质、连接器及其接口相关的机械特性、电气特性、功能特性和规程（也就是我们通常所说的“协议”）特性这四个方面。

物理层的“机械特性”定义了传输介质接线器、物理接口的形状和尺寸、引线数目和排列顺序，以及连接器与接口之间的固定和锁定装置。

物理层的“电气特性”规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电压的高低、阻抗匹配情况，以及传输速率和传输距离限制等参数属性。

物理层的“功能特性”是指明传输介质中各条线上所出现的某一电平的含义，以及物理接口各条信号线的用途，包括：接口信号线的功能规定，接口信号线的功能分类。

物理层的“规程特性”指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE/DCE双方在各自电路上的动作序列。

每一种计算机网络都有对应的物理层规程（也就是通信协议），如我们常见的以太网，对应的物理层规程是IEEE 802.3系列标准，而在WLAN中，对应的物理层规程是IEEE 802.11系列接入规程。目前在广域网中，由CCITT建议的物理层中使用的规程有V.24、V.25、V.54等V系列标准，以及X.20、X.20 bis、X.21、X.21 bis等X系列标准。它们分别适用于各种不同的交换电路中。比较重要的新规程是EIA RS-499和X.21，而经典的EIA RS-232C仍是目前最常用的计算机异步通信接口标准。