物理层协议

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Table of Contents

介绍

主要功能

组成部分

重要内容

重要标准

特性

接口协议

通信硬件

编程方法

DOS通信

PC通信

BIOS

常见的物理层设备

参考资料

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介绍

物理层（或称物理层，Physical Layer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。局域网与广域网皆属第1、2层。

物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。如果您想要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”。

OSI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、IEEE802.4、和IEEE802.5的物理层协议。 [1] 

主要功能

物理层要解决的主要问题：

（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。

（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。 （3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。 [2] 

物理层主要功能：为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。

1.为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。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。所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。

2.传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（BIT）数），以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。

3. 完成物理层的一些管理工作。 [3] 

组成部分

物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。通信用的互连设备指DTE和DCE间的互连设备。DTE即数据终端设备，又称物理设备，如计算机、终端等都包括在内。而DCE则是数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器等。数据传输通常是经过DTE──DCE，再经过DCE──DTE的路径。互连设备指将DTE、DCE连接起来的装置，如各种插头、插座。LAN中的各种粗、细同轴电缆、T型接、插头，接收器，发送器，中继器等都属物理层的媒体和连接器。 [4] 

重要内容

物理层的接口的特性

（1） 机械特性

指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

（2） 电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

（3） 功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。

（4）规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层的主要特点：

（1）由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械，电气，功能和规程特性。

（2）由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。 [2] 

信号的传输离不开传输介质，而传输介质两端必然有接口用于发送和接收信号。因此，既然物理层主要关心如何传输信号，物理层的主要任务就是规定各种传输介质和接口与传输信号相关的一些特性。

1．机械特性

也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点，如接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸都有严格的规定。

已被ISO 标准化了的DCE接口的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。

DTE（Data Terminal Equipment，数据终端设备，用于发送和接收数据的设备，例如用户的计算机）的连接器常用插针形式，其几何尺寸与．DCE（Data Circuit-terminating Equipment，数据电路终接设备，用来连接DTE与数据通信网络的设备，例如Modem调制解调器）连接器相配合，插针芯数和排列方式与DCE连接器成镜像对称。

2．电气特性

规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、信号的识别、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。

3．功能特性

指明物理接口各条信号线的用途（用法），包括：接口线功能的规定方法，接口信号线的功能分类--数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线4类。

4．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。

以上4个特性实现了物理层在传输数据时，对于信号、接口和传输介质的规定。

重要标准

物理层的一些标准和协议早在OSI/TC97/C16 分技术委员会成立之前就已制定并在应用了，

OSI也制定了一些标准并采用了一些已有的成果。下面将一些重要的标准列出，以便读者查阅。

ISO2110:称为"数据通信----25芯DTE/DCE接口连接器和插针分配"。它与EIA（美国电子工业协会）的"RS-232-C"基本兼容。

ISO2593:称为"数据通信----34芯DTE/DCE----接口连接器和插针分配"。

ISO4902:称为"数据通信----37芯DTE/DEC----接口连接器和插针分配"。与EIARS-449兼容。

CCITT V。24:称为"数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备之间的接口电路定义表"。其功

能与EIARS-232-C及RS-449兼容于100序列线上。

特性

反映在物理接口协议中的物理接口的4个特性是机械特性、电气特性、功能特性与规程特性。：

（1）机械特性， 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定。

（2）电气特性， 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进制位流时线路上信号电压高低、阻抗匹配情况、传输速率和距离的限制等．早期的电气特性标准定义物理连接边界点上的电气特性，而较新的电气特性标准定义的都是发送器和接收器的电器特性，同时还给出了互连电缆的有关规定．比较起来，较新的标准更有利于发送和接收线路的集成化工作．物理层接口的电气特性主要分为三类：非平衡型，新的非平衡型和新的平衡型。

非平衡型的信号发送器和接收器均采用非平衡方式工作，每个信号用一根导线传输，所有信号共用一根地线．信号的电平是用+5V～+15V，表示二进制"0"，用-5V～-15V，表示二进制"1"．信号传输速率限于20Kbps以内，电线长度限于15M以内．由于信号线是单线，因此线间干扰大，传输过程中的外界干扰也很大。

在新的非平衡型标准中，发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）．每个信号用一根导线传输．所有信号共用两根地线，即每个方向一根地线．信号的电平使用+4v~+6v表示二进制"0"，用－4V～－6V表示二进制"1"．当传输距离达到1000M时，信号传输速率在3kbps以下，随着传输速率的提高，传输距离将缩短．在10M以内的近距离情况下，传输速率可达300kbps。由于接收器采用差分方式接收，且每个方向独立使用信号地，因此减少了线间干扰和外界干扰．

新的平衡型标准规定，发送器和接收器均以差分方式工作，每个信号用两根导线传输，整个接口无需共用信号就可以正常工作，信号的电平由两根导线上信号的差值表示．相对于某一根导线来说，差值在+4V～+6V表示二进制"0"，差值在－4V～－6V表示二进制"1"．当传输距离达到1000M时，信号传输率在100kbps以下；当在10m以内的近距离传输时，速率可达10Mbps。由于每个信号均使用双线传输，因此线间干扰和外界干扰大大削弱，具有较高的抗共模干扰能力。

（3）功能特性，规定了接口信号的来源、作用以及其他信号之间的关系。即物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。

DTE/DCE标准接口的功能特性主要是对各接口信号线作出确切的功能定义，并确定相互间的操作关系。对每根接口信号线的

定义通常采用两种方法：一种方法是一线一义法，即每根信号线定义为一种功能，CCITT V24、EIA RS-232-C、EIA RS-449等都采用这种方法；另一种方法是一线多义法，指每根信号线被定义为多种功能，此法有利于减少接口信号线的数目，它被CCITT X。21所采用。

接口信号线按其功能一般可分为接地线、数据线、控制线、定时线等类型。对各信号线的命名通常采用数字、字母组合或英文缩写三种形式，如EIA RS-232-C采用字母组合，EIA RS-449采用英文缩写，而CCITT V。24则以数字命名。在CCITT V。24建议中，对DTE/DCE接口信号线的命名以1开头，所以通常将其称为100系列接口线，而用于DTE/ACE接口信号线命名以2开头，故将它称做200系列接口信号线。

（4）规程特性， 定义了再信号线上进行二进制比特流传输的一组操作过程，包括各信号线的工作顺序和时序，使得比特流传输得以完成。

DTE/DCE标准接口的规程特性规定了DTE/DCE接口各信号线之间的相互关系、动作顺序以及维护测试操作等内容。规程特性反映了在数据通信过程中，通信双方可能发生的各种可能事件。由于这些可能事件出现的先后次序不尽相同，而且又有多种组合，因而规程特性往往比较复杂。描述规程特性一种比较好的方法是利用状态变迁图。因为状态变迁图反映了系统状态的变迁过程，而系统状态迁移正是由当前状态和所发生的事件（指当时所发生的控制信号）所决定的。

不同的物理接口标准在以上4个重要特性上都不尽相同。实际网络中比较广泛使用的是物理接口标准有EIA-232-E、EIA RS-449和CCITT的X。21建议。EIA RS-232C仍是目前最常用的计算机异步通信接口。

接口协议

1. 电话网络modems-V。92

2. IRDA物理层

3. USB物理层

4. EIARS-232，EIA-422，EIA-423，RS-449，RS-485

5. Ethernet physical layerIncluding10BASE-T，10BASE2，10BASE5，100BASE-TX，100BASE-FX。100BASE-T，1000BASE-T，1000BASE-SX还有其他类型

6. Varieties of802。11Wi-Fi物理层

7. DSL（DSL包括ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线)、RADSL、HDSL和VDSL等等）

8. ISDN（综合业务数字-Integrated Services Digital Network）

9. T1 and otherT-carrierlinks， and E1 and otherE-carrierlinks

10. SONET/SDH：SONET （Synchronous Optical Network）同步光纤网络。

11. Optical Transport Network（OTN）：是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。

12. GSMUm air interface物理层

13. Bluetooth物理层

14. ITURecommendations: seeITU-T

15. IEEE 1394 interface

16. TransferJet物理层：无线传输技术

17. Etherloop

18. ARINC 818航空电子数字视频总线：现有民航客机的机载无线电系统均为arinc公司。发动机数据传输的acarcs系统也由它来提供

19. G。hn/G。9960物理层

20. CAN bus（controller area network）物理层

DSL的中文名是数字用户线路，是以电话线为传输介质的传输技术组合。DSL技术在传递公用电话网络的用户环路上支持对称和非对称传输模式，解决了经常发生在网络服务供应商和最终用户间的“最后一公里”的传输瓶颈问题。由于DSL 接入方案无需对电话线路进行改造，可以充分利用可以已经被大量铺设的电话用户环路，大大降低额外的开销。因此，利用铜缆电话线提供更高速率的因特网接入，更受用户的欢迎，得到了各个方面的重视，在一些国家和地区得到大量应用。

综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）是一个数字电话网络国际标准，是一种典型的电路交换网络系统。在ITU的建议中，ISDN是一种在数字电话网IDN的基础上发展起来的通信网络，ISDN能够支持多种业务，包括电话业务和非电话业务。

TransferJet，一种近距离无线传输技术标准，由索尼公司研发，于2008年发表。TransferJet技术，类似于近场通讯技术，能让两个贴近的电子装置，以点对点方式，高速交换资料。它的传输率可以达到375Mbps，主要运作于560MHz频带中，采用4.48GHz频道。它与其他近场通讯技术的主要不同，在于它采取电感磁场原理，而不是无线电频率的技术来实做，这让它不会受到其他无线技术的干扰或退化现象。

Etherloop 是一“下一代”DSL 结合特点的技术 以太网 并且DSL。 它允许声音的组合和数据传输在标准电话线。 在合适条件下它将准许6兆的速度每秒在距离21,000英尺。

EtherLoop采用了点到点方式，即在中心局和用户之间定义一个“主端”，另一个为“从端”，从端只能在主端允许的时候发送消息，这样就高效低解决了所有的碰撞问题，在本质上是一种星形的网络拓扑结构。

EtherLoop还利用了半双工以太网灵活的对称性，也就是说每个方向上传输的时间和该方向上提供的信息流量是成正比的。并不将固定的上/下行带宽分配给用户，而是根据用户的实际流量来动态分配带宽。

EtherLoop使用了独一无二的“频率管理（SpectrumManager）”软件
　　1、在发送端静默的时期内进行信号质量的监控，测量出串话和干扰的大小，设备能够通过不断地改变内部频率来降低串话和干扰。
　　2、采用比特率调整技术来实现这一功能；
　　3、调制解调器可以通过比特率调整来及时适应它收到的或是产生的噪声，从而提高了调制解调器的发送质量，降低了同一个电缆束中的相互干扰。

 

通信硬件

物理层常见设备有：网卡光纤、CAT-5线（RJ-45接头）、集线器有整波作用、Repeater加强信号、串口、并口等。

通信硬件包括通信适配器（也称通信接口）和调制解调器（MODEM）以及通信线路。从原理上讲，物理层只解决DTE和DCE之间的比特流传输，尽管作为网络节点设备主要组成部分的通信控制装置，其本身内涵在物理层、数据链路层、甚至更高层，在内容上分界并不很分明，但它所包含的MODEM接口、比特的采样发送、比特的缓冲等功能是确切属于物理层范畴的。为了实现PC机与调制解调器或其它串行设备通信，首先必须使用电子线路将PC机内的并行数据转成与这些设备相兼容的比特流。除了比特流的传输之外，还必须解决一个字符由多少个比特组成及如何从比特流中提取字符等技术问题，这就需要使用通信适配。通信适配器可以认为是用于完成二进制数据的串、并转换及一其它相关功能的电路。通信适配器按通信规程来划分可分为TTY（Tele Type Writer，电传打字机）、BSC（Birary Synchronous Commuication，二进制同步通信）和HDLC（High－level Data link Control，高级数据链路控制）三种。

IBM PC 异步通信适配器：使用TTY规程的异步通信适配采用RS－232C接口标准。这种通信适配器除可用于PC机联机通信外，还可以连接各种采用RS－232C接口的外部设备。例如，可连接采用RS-232C接口的鼠标器、数字化仪等输入设备；可连接采用RS-232C接口的打印机、绘图仪及CRT显示器等各种输出设备。可见，异步通信适配器的用途是很广泛的。异步通信规程将每个字符看成一个独立的信息，字符可顺序出现在比特流中，字符与字符间的间隔时间是任意的（即字符间采用异步定时），但字符中的各个比特用固定的时钟频率传输。字符间的异步定时和字符中比特之间的同步定时，是异步传输规程的特征。

1. 异步传输规程中的每个字符均由四个部分组成：

2. 1位起始位：以逻辑“0”表示，通信中称“空号”（SPACE）。

3. 5～8位数据位：即要传输的内容。

4. 1位奇/偶检验位：用于检错。

5. 1～2位停止位：以逻辑“1”表示，用以作字符间的间隔。这种传输方式中，每个字符以起始位和停止位加以分隔，故也称“起--止”式传输。串行口将要发送的数据中的每个并行字符，先转换成串行比特串，并在串前加上起始位，串后加上检验位和停止位，然后发送出去。接收端通过检测起始位，检验位和停止位来保证接收字符中比特串的完整性，最后再转换成并行的字符。串行异步通信适配器本身就象一个微型计算机，上述功能均由它透明地完成，不须用户介入。早期的异步通信适配器被做成单独的插件板形成，可直接插在PC机的系统扩充槽内供使用，后来大多将异步通信适配器与其他适配器（如打印机、磁盘驱动器等的适配器）做在一块称作多功能板的插件板上。也有一些高档微机，已将异步通信适配器做在系统主板上，作为微机系统的一个常规部件。

编程方法

PC机的异步串行通信编程方法内容包括DOS、WINDOWS和BIOS级PC通信、基于异步通信与器的系统的PC通信以及通信编程方法。

DOS通信

PC机一般常有两个异步串行端口，分别称作COM1和COM2，它们都符合RS-232C标准。在DOS操作系统中，COM1、COM2被作为I/O设备进行管理，COM1、COM2便是它们的逻辑设备名。据此，DOS便可通过对COM1、COM2操作实现异步串行通信。DOS的MODE命令可用以设置异步串行端口的参数，DOS的COPY命令允许将异步串行端口作为一个特殊的"文件"，进行数据传输。下面举一个利用DOS的MODE、COPY命令，进行双机键盘输入字符传输的例子。 MODE命令的格式如下:

MODE 端口名:速率，校验方式，数据位数，停止位位数

其中端口名为COM1或COM2；传输速率可选110、150、300、600、1200、2400、4800或9600bps；校验方式为E（偶校验）、（奇校验）或N（无校验）；数据位数为7或8位；停止位位数为1或2位。通信双方设置的参数应一致，如双方都打入如下命令:MODE COM1:1200，E，7，1则表示双方以COM1为异步通信端口以1200bps、偶校、7位数据位、1位停止位的设置参数进行通信。DOS中有一标准控制台COM，实际上作输入时COM即键盘，作输出时COM即显示器。 [1] 

准备发送的PC机执行如下命令:COPY CON:COOM1:表示将从键盘收到的信息通过COM1串行口发送。

准备接收的PC机执行如下命令:COPY COM1:CON:则表示将接收来自COM1串行口信息，并在显示器上显示。

两台PC机分别执行完上述命令后，在发送方键盘上输入的字符便会在接收方显示器上显示出来。上面介绍的是用DOS的MODE、COPPPY命令实现的最简单的PC通信。在MS-DOS的高版本中（例如MS-DOS V6。0）还提供了一条命令，叫作INTERLNK，实际上它是一个通信程序。使用INTERLNK命令和一根连接两台PC机串行端口的电缆，可以使一台PC机从另一台PC机的磁盘驱动器中存取数据并运行程序，无需再使用软盘去拷贝文件。用以键入命令的PC机叫客户机（Client），与客户机相连的PC机叫服务器（Server）。客户机使用服务器的驱动器和打印机，服务器显示两台PC 机的连机状态。

当两台PC机被INTERLNK连接以后，服务器上的驱动器便以扩驱动器的形式映象到客户机上，若两台PC机原来均有A、B、C三个驱动器，则连接后客户机除了自身的三个驱动器外，又多了E、F、G（服务器驱动器映象）三个扩展驱动器，客户机可以象使用自己的驱动器一样使用这些扩展驱动器。使用INTERLNK时，每台PC机上至少要有一个空闲的串行口，还要一根3号线或7号线的零调制解调器（Null MODEM）串行电缆线，客户机上至少有16K空闲内存，服务器上至少有130K空闲内存。

在客户机的CONFIG系统配置文件。SYS中添加如下命令：devive=c：\dos\interlnk。exe/drives：5

再重新启动客户机，便可装入INTERLNK。这里假设interlnk。exe存于客户机C驱动器的DOS子目录中，/drives:5参数用于映象5个服务器驱动器，缺省情况下为3个驱动器。服务器上启动INTERLNK不需要其CONFIG。SYS作任何改动，只需在DOS命令提示符下键入intersvr即可。此时，屏幕底部出现一行状态信息，显示INTERLNK的连接状态。

PC通信

Microsoft Windows的应用程序Terminal允许用户PC机与其它计算机连接并交换数据，也可仿真为将与之交换数据的远程计算机所要求的终端类型。下面给出一台PC机应用WINDOWS的Terminal从具有连机服务的远程系统读取文件的通信过程。

打开终端——使用设置（Settings）菜单设置参数——查阅文件——使用传输（Transfers）菜单接收一个文件——与远程计算机脱机——使用phone菜单挂起调制解调器——使用文件（File）菜单存储文件——退出终端

BIOS

在PC机的基本输入输出系统（BIOS）中的中断14H提供了异步串行端口的服务功能，通过INT 14H提供的四种功能，可访问串行通信端口，实现连机通信。INT 14H的串行口功能为。 [4] 

常见的物理层设备

• 网卡

• 光纤

• CAT-5线

  • RJ-45接头

• 集线器有整波作用。

• Repeater加强信号。

• 串口

• 并口 [3] 

参考资料

• 1.  肖宛阳． 通信与信息系统：解放军信息工程大学，2013
• 2.  第二章 物理层  ．百度文库．2012-04-25[引用日期2015-03-03]
• 3.  James F.Kurose著 陈鸣译．《计算机网络》：机械工业出版社，2009
• 4.  雷震甲 吴晓葵 严体华．网络工程师教程：清华大学出版社，2011年：25