3.2 物理層標準

計算機通信網絡中常用的物理層標準有廣域網物理層標準EIA-RS-232、EIA-449、CCITT V.24和局域網物理層標準IEEE 802等。目前，實際網絡中應用比較廣泛的物理層標準主要有EIA-RS-232和IEEE 802.3（以太網標準），下面主要介紹這兩個標準。

3.2.1 EIA-RS-232標準

EIA-RS-232是美國電子工業協會EIA（Electronic Industries Association）制定的物理層接口標準，也是目前數據通信與網絡中應用最廣泛的一種標準。它的前身是EIA在1969年制定的RS-232-C標準。RS（Recommended Standard）表示是EIA的一種“推薦標準”，232是標準號，C表示修改次數。它最初主要用于近距離的DTE和DCE設備之間的通信，后來被廣泛用于計算機的串行接口（如COM1、COM2等）與終端或外設之間的近地連接標準。

EIA-RS-232（習慣稱為RS-232-C）被CCITT采納并做了很小的修改后，制定出了CCITT的V系列標準（V.24和V.28等），并推薦為國際標準。因此，EIA-232和CCITT V.24接口是等效的。在電話網（含電話專線和電話交換網）中進行數據通信的DTE和DCE之間的接口采用的標準是V系列。此外，國際標準化組織的ISO 2110和ISO 1177也與RS-232-C類似。

RS-232-C標準提供的是利用公共電話網絡作為傳輸媒體，并通過調制解調器將遠程設備連接起來的技術規定。遠程電話網相連接時，通過調制解調器將數字數據轉換成相應的模擬信號，使其能與電話網相容；在通信線路的另一端，另一個調制解調器將模擬信號逆轉換成相應的數字數據，從而實現比特流的透明傳輸。

1.RS-232-C機械特性

RS-232-C可以有多種類型的連接器（接口），如25針連接器（DB-25）、15針連接器（DB-15）和9針連接器（DB-9）。其中以DB-25、DB-9最為常見，如圖3-2所示。不論哪種類型的接口，一般規定插孔連接DTE設備、針端連接DCE設備。

2.RS-232-C電氣特性

RS-232-C采用“負邏輯”，規定數據線上邏輯“1”的電壓范圍是-3V~-15V，邏輯“0”的電壓范圍是+3~+15V，最高能承受±30V的信號電平。為了表示一個邏輯“1”，驅動器必須提供-5V~-15V的電壓；為了表示一個邏輯“0”，驅動器必須提供+5V~+15V的電壓。標準預留了2V的余地，以防噪聲和傳輸衰減。

3.RS-232-C功能特性

RS-232-C功能特性規定了連接器中各引腳的名稱、功能等。25針的連接器和9針連接器各信號線的名稱如圖3-3所示，功能如表3-1、表3-2所示。

25針RS-232-C連接器信號線分為兩大類：一類是DTE和DCE數據傳送信號；另一類是為了正確無誤地傳輸數據而設計的聯絡控制信號。

（1）數據傳送信號

● 發送數據（Transmitting Data，TxD）。TxD是DTE向DCE發送數據的線路，數據按串行格式發送，即按先低位后高位的順序發送。該引腳有兩種信號狀態：正信號為空號（Space），表示二進制“0”；負信號為傳號（Mark），表示二進制“1”。當沒有數據發送時，DTE將此引腳置為傳號狀態，字符或文字之間的傳輸間隔也置為傳號狀態。

● 接收數據（Receive Data，RxD）。RxD是DCE接收DTE發送過來的數據的線路，當收不到載波信號時（引腳8為負），這條線會被迫進入傳號狀態。

（2）聯絡控制信號

● 請求發送信號（Request To Send，RTS）。RTS是DTE向DCE發出的聯絡信號。RTS=1表示DTE請求向DCE發送數據。

● 允許發送（Clear To Send，CTS）。CTS是DCE向DTE發出的聯絡信號。CTS=1表示本地DCE響應DTE向DCE發出的RTS信號，且本地DCE準備向遠程DCE發送數據。

● 數據準備就緒（Data Set Ready，DSR）。DSR是DCE向DTE發出的聯絡信號。DSR指出本地DCE的工作狀態。當DSR=1時，表示本地DCE未處于通話狀態，這時本地DCE可以與遠程DCE建立通信信道。

● 數據終端就緒信號（Data Terminal Ready，DTR）。DTR是DTE向DCE發出的聯絡信號。DTR=1表示DTE處于就緒狀態，本地DCE和遠程DCE之間已建立通信信道；DTR=0表示本地DTE未準備好，迫使DCE終止通信工作。

● 數據載波檢測信號（Data Carrier Detect，DCD）。DCD是DCE向DTE發出的狀態信息。DCD=1表示本地DCE檢測到遠程DCE發來的載波信號。

● 振鈴指示信號（Ring Indication，RI）。RI是DCE向DTE發出的狀態信息。RI=1表示本地DCE收到遠程DCE振鈴信號。

4.RS-232-C規程特性

RS-232-C的規程特性規定了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。RS-232-C的操作過程是在各條聯絡控制線有序的ON（邏輯“0”）和OFF（邏輯“1”）狀態配合下進行的。只有當TDR和DSR均為ON狀態時，才具備操作的基本條件。若DTE要發送數據，首先應將RTS置為ON狀態，等待CTS應答信號為ON狀態后，才能在TxD上發送數據。

RS-232-C有遠程連接和近地連接兩種數據交換連接方式。

（1）遠程連接數據交換規程

通過公共電話交換網絡連接的兩臺遠程計算機示意圖如圖3-4所示。DTE設備是數據的信源或信宿，DCE設備是完成數字數據和模擬信號之間相互轉換的設備，一般稱為調制解調器。RS-232-C標準接口只用于控制本地DTE設備與DCE設備之間的通信，與連接在兩個DCE設備之間的公共電話交換網沒有直接關系。

圖3-4中主機A與主機B同步全雙工數據交換過程如圖3-5所示。

主機A向主機B發送數據工作過程如下（以主機A側RS-232-C的工作過程為例）。

1）傳輸前的準備工作。激活兩個地線，即保護地（1號引腳）和信號地（7號引腳）被激活。

2）主機A（DTE）準備發送數據。保證主機A和本側的DCE及主機B和主機B側的DCE設備全部準備就緒。

● 當主機A有數據要發送時，置DTR（20號引腳）為ON狀態，通知本地DCE，主機A已做好通信準備。

● 若本地DCE也已做好通信準備，則本地DCE置DSR（6號引腳）為ON狀態，以響應主機A的DTR信號，表示主機A與本地DCE連接成功，主機A和本地DCE可以開始控制信號的收發。

3）在發送端和接收端之間建立物理連接。主機A置請求發送RTS（4號引腳）為ON狀態，通知本地DCE請求發送數據。本地DCE檢測到主機A的RTS信號后，完成以下兩個動作。

● 在DCD（8號引腳）線上向遠端的DCE（主機B側的DCE）發送載波。

● 通過延遲電路控制清除發送信號CTS（5號引腳）的接通。

遠端的DCE檢測到載波后，置自身的DCD（8號引腳）為ON狀態，通知主機B準備接收數據。

4）發送數據。主機A檢測到本地DCE發出的CTS為ON狀態后，則分別通過發送數據TxD（2號引腳）和時鐘信號XCK（24號引腳）將數據傳送到本地DCE。本地DCE將數據轉換成模擬信號后通過公共電話交換網絡將數據發送出去。主機B側的DCE（調制解調器）接收到模擬信號后，將它還原為數字數據并連同時鐘脈沖一起分別通過RxD（3號引腳）和RCK（17號引腳）傳送給主機B。

5）發送結束，清除發送信號。當主機A發送結束后，置請求發送信號線RTS（4號引腳）為OFF狀態，通知本地DCE發送結束。本地DCE檢測到主機A的RTS為OFF后，則停止向遠端DCE發送載波，并置清除發送信號CTS（5號引腳）為OFF狀態，以此作為對主機A的RTS信號的應答。遠端的DCE檢測不到載波后，置載波檢測DCD（8號引腳）和振鈴指示RI（22號引腳）為OFF。本地DTE置DTR（20號引腳）為OFF狀態，本地DCE置DSR（6號引腳）為OFF狀態，恢復初始狀態。

（2）近地連接數據交換規程

RS-232-C標準接口也可以用于直接連接兩臺近地設備，如圖3-6所示。近地連接不通過公共電話網傳輸，因此也不需要調制解調器，稱為零調制解調器。因為RS-232-C標準要求連接的兩個設備必須為DTE和DCE設備，因此，主機C和主機D必須分別以DTE和DCE方式出現才能符合RS-232-C標準接口的要求，RS-232-C接口需要借助于一種采用交叉跳接信號線方法的連接電纜，使連接在電纜兩端的DTE設備通過電纜看對方都好像是DCE一樣，從而滿足RS-232-C接口需要在DTE和DCE之間成對使用的要求，如圖3-7所示。

3.2.2 IEEE 802.3標準

IEEE 802工作組主要定義了局域網中數據鏈路層和物理層的規范，成為局域網的國際標準。其中，IEEE 802標準的物理層實現了比特流的發送與接收，具體包括信號的特性、比特流的編碼/解碼方式、傳輸介質的類型、網絡的拓撲結構以及傳輸速率等規范。

目前應用最廣泛的局域網是以太網。根據數據傳輸速率的不同，以太網可以分為傳統以太網（10Mbit/s）、快速以太網（100Mbit/s）、千兆以太網（1000Mbit/s或1Gbit/s）和萬兆以太網（10Gbit/s）。

1.以太網的物理層結構

IEEE 802.3標準給出的以太網物理層結構主要包括4個功能子層和兩個接口子層，其結構如圖3-8所示。

（1）功能子層

PMD：物理介質相關（Physical Medium Dependent）子層。

PMA：物理介質連接（Physical Medium Attachment）子層。

PCS：物理編碼子層（Physical Coding Sublayer），完成對信號的編碼和譯碼、收發處理、管理和控制等功能，如完成4B/5B編碼。

RS：協調子層（Reconciliation Sublayer），協調物理層與數據鏈路層之間的信息傳遞。

（2）接口子層

MDI：介質相關接口（Medium Dependent Interface）。MDI是將收發器與物理介質相連接的硬件，對于雙絞線介質，就是一個插座。

MII：介質無關接口（Media Independent Interface）。它是物理層芯片與MAC層芯片之間的接口。圖3-8中的xMII用于表示多種不同速率以太網的介質無關接口。用MII表示100Mbit/s的以太網，GMII表示1Gbit/s的以太網，XGMII表示10Gbit/s的以太網。

2.常用以太網物理層標準

以太網接口常用接口類型有雙絞線接口（電口）和光纖接口（光口）兩種。另外還有早期的同軸電纜接口。

常用的以太網物理層標準如表3-3所示。標準名稱說明：起始數字表示傳輸速率，如10Base中的“10”表示信號的傳輸速率為10Mbit/s；Base表示傳輸的信號是基帶信號；-5表示粗纜，-2表示細纜；-T表示傳輸介質的類型是雙絞線，UTP為非屏蔽雙絞線，STP為屏蔽雙絞線；-F表示傳輸介質的類型是光纜。