2.2 物理層

2.2.1 物理層的功能

物理層是OSI參考模型中的最底層，也是最重要、最基礎的一層。物理層并不是指連接計算機的具體的物理設備或具體的傳輸介質，而是指在物理傳輸介質之上為上層提供一個傳輸原始比特流的物理連接，它是建立在通信介質基礎上的、實現設備之間聯系的物理接口。物理層主要的任務是為物理上相互關聯的通信雙方提供物理連接，并在物理連接上透明地傳輸比特流。物理層的主要功能是提供建立、維護和拆除物理鏈路所需的機械、電氣、功能和規程特性，保證比特流的透明傳輸。

機械特性規定了物理連接器的形狀、規格、尺寸、引腳數量和排列等。電氣特性規定了傳輸二進制位流時線路上的信號電壓的高低（用什么電平分別表示0或1）、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等。功能特性規定了物理接口上各信號線的功能。規程特性定義了利用信號線傳輸二進制位流的一組操作規程，即各信號線工作的規則和先后順序，如怎樣建立和拆除物理連接、全雙工還是半雙工操作以及是同步傳輸還是異步傳輸等。

2.2.2 典型協議及接口標準

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、IEEE 802.3、IEEE 802.4和IEEE 802.5的物理層協議。物理層接口標準很多，分別應用于不同的物理環境。其中EIA RS-232C是一個25針連接器且許多微機系統都配備的異步串行接口，CCITT X.21是公用數據網同步操作的數據終端設備（DTE）和數據電路端接設備（DCE）間的接口。

EIA RS-232C是由美國電子工業協會EIA（Electronic Industry Association）在1969年頒布的一種目前使用最廣泛的串行物理接口，其中RS是指Recommended Standard，其意思是推薦標準，232是標識號碼，而后綴C則表示該推薦標準已被修改過的次數。

RS-232標準提供了一個利用公用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轉換成相應的模擬信號，以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，從而實現比特流的傳輸。圖2.5給出了兩臺遠程計算機通過電話網相連的結構框圖。從圖中可以看出，DTE（數據終端設備）實際上是數據的信源或信宿，而DCE（數據通信設備）則完成數據由信源到信宿的傳輸任務。RS-232C標準接口只控制DTE與DCE之間的通信，與連接在兩個DCE之間的電話網沒有直接的關系。

RS-232C標準接口也可以用于直接連接兩臺近地設備，如圖2.5（b）所示，此時既不使用電話網也不使用調制解調器。由于這兩種設備必須分別以DTE和DCE方式成對出現才符合RS-232C標準接口的要求，所以在這種情況下要借助一種采用交叉跳接信號線方法的連接電纜，使得連接在電纜兩端的DTE通過電纜看對方都好像是DCE一樣，從而滿足RS-232C接口需要DTE和DCE成對使用的要求。這根連接電纜也稱為零調制解調器（Null Modem）。

RS-232C的機械特性規定使用一個25芯的標準連接器，并對該連接器的尺寸及針或孔芯的排列位置等都做了詳細說明。

RS-232C的電氣特性規定邏輯1的電平為-15～-3V，邏輯0的電平為+3～+15V，即RS-232C采用+15V和-15V的負邏輯電平，+3V和-3V之間為過渡區域，不做定義。RS-232C接口的電氣特性如圖2.6所示，其電氣表示如表2.1所示。

RS-232C電平高達+15V和-15V，較之0～3V的電平來說具有更強的抗干擾能力。但是，即使用這樣的電平，若兩設備利用RS-232C接口直接相連（即不使用調制解調器），它們的最大距離也僅約15m，而且由于電平較高，通信速率反而受到影響。RS-232C接口的通信速率小于20Kb/s（標準速率有150b/s、300b/s、600b/s、1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、19200b/s等幾擋）。

RS-232C的功能特性定義了25芯標準連接器中的20根信號線，其中2根地線、4根數據線、11根控制線、3根定時信號線、剩下的5根線作為備用或未定義。表2.2所示為其中最常用的10根信號的功能特性。

RS-232C的DTE-DCE連接如圖2.7所示。若兩臺DTE設備，如兩臺計算機在近距離直接連接，則可采用如圖2.8所示的方法，圖2.8（a）所示為完整型連接，圖2.8（b）所示為簡單型連接。

RS-232C的工作過程是在各根控制信號線有序的ON（邏輯0）和OFF（邏輯1）狀態的配合下進行的。在DTE-DCE連接的情況下，只有CD（數據終端就緒）和CC（數據設備就緒）均為ON狀態時，才具備操作的基本條件。此后，若DTE要發送數據，則必須先將CA（請求發送）置為ON狀態，等待CB（清除發送）應答信號為ON狀態后，才能在BA（發送數據）上發送數據。