3.1 物理層基本概念

物理層并非僅指連接計算機的具體物理設備或負責信號傳輸的具體物理設備，而是指在連接開放系統的傳輸介質上，為數據鏈路層提供一個透明的原始比特流傳輸的物理連接，即構造一個可以傳輸各種數據比特流的透明通信信道。物理層負責解決如何為信息傳輸提供物理鏈路，如何將信息變換為適合物理鏈路傳輸的光、電信號，或者將所傳輸的信號變換為終端設備可接收的數據形式，以及在物理鏈路中傳輸數據時如何應答等問題。

3.1.1 物理層定義

1.物理層定義

ISO對OSI模型的物理層給出的定義：在物理信道實體之間合理地通過中間系統，為比特流傳輸所需的物理連接的激活、保持和去除提供機械的、電氣的、功能性和規程性的手段。比特流傳輸可以采用異步傳輸，也可以采用同步傳輸完成。另外，CCITT在X.25（公共分組交換網）建議書中也做了類似的定義：利用物理的、電氣的、功能的和規程的特性在DTE和DCE之間實現對物理信道的建立、保持和拆除功能。這里的DTE（Date Terminal Equipment）是指數據終端設備，是對屬于用戶所有的連網設備或工作站的統稱，它們是通信的信源或信宿，如計算機終端等；DCE（Data Circuit Terminating Equipment或Data Communications Equipment）是指數據電路端接設備或數據通信設備，是對為用戶提供接入點的網絡設備的統稱，如自動呼叫應答設備、調制解調器等。

在計算機網絡中，計算機終端和外部設備之間的連接需要有標準的接口，這樣在設計網絡系統時可以任意選擇適合于該系統的設備，以構成較合理的系統。這里的接口是指DTE和DCE之間的界面，為了使不同廠家的產品能夠交換或互連，DTE和DCE在插接方式、引線分配、電氣特性及應答關系上均應符合統一的標準和規范，即DTE-DCE接口標準及ISO為各種數據通信系統提出的OSI參考模型中的物理層協議。

2.物理層提供的主要服務

物理層從邏輯角度可以說是傳輸介質與數據鏈路層之間的接口，其對應于傳輸介質與數據鏈路層的邏輯位置如圖3-1所示。

物理層定義了在物理傳輸介質上傳輸比特流所必需的功能，它向數據鏈路層提供的服務主要包括以下內容。

（1）物理連接的建立、維持和釋放

當數據鏈路層實體發出建立物理連接的請求時，物理層實體使用相關的接口協議（物理層協議）完成這種連接的建立。并且在數據信號傳輸過程中要維持這個連接，當傳輸結束后釋放這個連接。

（2）數據的傳輸

物理層為數據傳輸提供服務，需要形成適合數據傳輸需要的實體。該實體應提供足夠的帶寬，且保證數據能正確通過。傳輸數據的方式要能滿足點到點、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）物理層管理

可以對物理層內的一切活動進行管理。在將數據發送到物理傳輸介質之前，本地節點必須處理原始的數據流，把從數據鏈路層接收的數據幀轉換為用0和1表示的適合傳輸介質的電、光或電磁信號。

3.物理層解決的主要問題

物理層為數據傳輸提供可靠的環境，它通常由計算機和傳輸介質之間的實際界面組成，可定義電氣信號、符號、線的狀態和時鐘要求、數據編碼和數據傳輸用的連接器，如最常用的RS-232標準、10BaseT的曼徹斯特編碼以及RJ-45等。

為建立可靠的傳輸環境，物理層需要解決的主要問題如下。

（1）傳輸介質與接口的物理特性

物理層定義了設備與傳輸介質之間的接口特性，也定義了傳輸介質的類型。物理層定義的傳輸介質包括有線和無線信道，包括所用連接器類型、插腳引線或引線管腳分配，以及將比特值轉換為電信號的方式。例如，對于局域網，物理層在定義其他協議的同時，還定義了允許使用的電纜類型、將網絡電纜連接到硬件設備的連接器類型、電纜長度限制以及終端類型等。

物理層通信用的互連設備是指DTE和DCE間的互連設備，電路連接設備指將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、雙絞線、T形接頭、插頭、接收器、發送器、中繼器等都屬于物理層的傳輸介質和連接器。

（2）比特的表示

物理層的數據是沒有任何含義的比特流（由0和1所組成的比特流）。為了傳輸，比特必須編碼成為電信號或光信號。物理層定義編碼的類型，即如何將0和1轉換成信號。例如，EIA RS-232C 標準規定了串行通信中的電氣和物理特性。

（3）數據速率

物理層同時也定義傳輸信道的數據速率。即物理層定義了傳輸一個比特所要持續的時間。

（4）位同步

發送端的時鐘與接收端的時鐘必須同步，以使發送端與接收端達到位同步，即雙方收發協調。

（5）傳輸方式

物理層還需要定義兩臺設備之間的傳輸方向：單工、半雙工和全雙工。

（6）線路配置

物理層涉及設備與傳輸介質如何連接問題，不同傳輸配置所需的物理線路配置也不同。例如，在點到點配置中，兩個設備通過一條專用鏈路連接。而在點到多點配置中，許多設備將共享一條鏈路。

（7）物理拓撲

物理拓撲定義如何將物理設備連接成網絡。節點的連接方式可以為總線拓撲、星形拓撲、環形拓撲和網狀拓撲等。

3.1.2 物理層的接口特性

物理層接口主要解決網絡節點與物理信道如何連接的問題。物理層接口規定了機械特性、電氣特性、功能特性以及規程特性等4個特性，其目的是為了便于不同的制造廠家能夠根據公認的標準各自獨立地制造設備，且各廠家的產品都能夠相互兼容。

1.機械特性

物理層接口的機械特性涉及的是DTE和DCE的實際物理連接。它規定了物理連接時所使用的可插接連接器的形狀和尺寸、連接器中引腳的數量與排列情況、電纜最大或最小長度、固定和鎖定裝置等。典型情況下，信號及控制信息的交換電路的多條通信線被捆扎成一根電纜，在電纜的兩端各有一個終接插頭，可以是插頭（“公”）或者插座（“母”）。在電纜兩端與其相連的DTE和DCE設備上必須具有“性別”相反的插頭，以實現物理上的連接。例如，常用于串行通信的EIA RS-232-C標準使用25針插座，CCITT的X.21標準（X.25的物理層）使用15針插座，EIA RS-449使用37針和9針插座等。

2.電氣特性

物理層接口的電氣特性規定了在物理連接上傳輸二進制比特流時線路上信號電平的高低、阻抗及阻抗匹配、最大傳輸速率及距離限制等問題。

3.功能特性

物理層接口的功能特性規定了物理接口上各條信號線的功能分配及含義。物理層接口的信號線一般分為數據線、控制線、定時線和地線4類。

4.規程特性

物理層接口的規程特性定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程，包括各信號線的工作規則和順序。對于不同的網絡、不同的通信設備、不同的通信方式和不同的應用，物理層接口定義了不同的規程特性。

物理層接口的4個特性描述了物理鏈路的連接規則，物理信號的編碼規則、傳遞規則。