3.1 物理层基本概念

物理层并非仅指连接计算机的具体物理设备或负责信号传输的具体物理设备，而是指在连接开放系统的传输介质上，为数据链路层提供一个透明的原始比特流传输的物理连接，即构造一个可以传输各种数据比特流的透明通信信道。物理层负责解决如何为信息传输提供物理链路，如何将信息变换为适合物理链路传输的光、电信号，或者将所传输的信号变换为终端设备可接收的数据形式，以及在物理链路中传输数据时如何应答等问题。

3.1.1 物理层定义

1.物理层定义

ISO对OSI模型的物理层给出的定义：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特流传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。比特流传输可以采用异步传输，也可以采用同步传输完成。另外，CCITT在X.25（公共分组交换网）建议书中也做了类似的定义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。这里的DTE（Date Terminal Equipment）是指数据终端设备，是对属于用户所有的连网设备或工作站的统称，它们是通信的信源或信宿，如计算机终端等；DCE（Data Circuit Terminating Equipment或Data Communications Equipment）是指数据电路端接设备或数据通信设备，是对为用户提供接入点的网络设备的统称，如自动呼叫应答设备、调制解调器等。

在计算机网络中，计算机终端和外部设备之间的连接需要有标准的接口，这样在设计网络系统时可以任意选择适合于该系统的设备，以构成较合理的系统。这里的接口是指DTE和DCE之间的界面，为了使不同厂家的产品能够交换或互连，DTE和DCE在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范，即DTE-DCE接口标准及ISO为各种数据通信系统提出的OSI参考模型中的物理层协议。

2.物理层提供的主要服务

物理层从逻辑角度可以说是传输介质与数据链路层之间的接口，其对应于传输介质与数据链路层的逻辑位置如图3-1所示。

物理层定义了在物理传输介质上传输比特流所必需的功能，它向数据链路层提供的服务主要包括以下内容。

（1）物理连接的建立、维持和释放

当数据链路层实体发出建立物理连接的请求时，物理层实体使用相关的接口协议（物理层协议）完成这种连接的建立。并且在数据信号传输过程中要维持这个连接，当传输结束后释放这个连接。

（2）数据的传输

物理层为数据传输提供服务，需要形成适合数据传输需要的实体。该实体应提供足够的带宽，且保证数据能正确通过。传输数据的方式要能满足点到点、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）物理层管理

可以对物理层内的一切活动进行管理。在将数据发送到物理传输介质之前，本地节点必须处理原始的数据流，把从数据链路层接收的数据帧转换为用0和1表示的适合传输介质的电、光或电磁信号。

3.物理层解决的主要问题

物理层为数据传输提供可靠的环境，它通常由计算机和传输介质之间的实际界面组成，可定义电气信号、符号、线的状态和时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器，如最常用的RS-232标准、10BaseT的曼彻斯特编码以及RJ-45等。

为建立可靠的传输环境，物理层需要解决的主要问题如下。

（1）传输介质与接口的物理特性

物理层定义了设备与传输介质之间的接口特性，也定义了传输介质的类型。物理层定义的传输介质包括有线和无线信道，包括所用连接器类型、插脚引线或引线管脚分配，以及将比特值转换为电信号的方式。例如，对于局域网，物理层在定义其他协议的同时，还定义了允许使用的电缆类型、将网络电缆连接到硬件设备的连接器类型、电缆长度限制以及终端类型等。

物理层通信用的互连设备是指DTE和DCE间的互连设备，电路连接设备指将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、双绞线、T形接头、插头、接收器、发送器、中继器等都属于物理层的传输介质和连接器。

（2）比特的表示

物理层的数据是没有任何含义的比特流（由0和1所组成的比特流）。为了传输，比特必须编码成为电信号或光信号。物理层定义编码的类型，即如何将0和1转换成信号。例如，EIA RS-232C 标准规定了串行通信中的电气和物理特性。

（3）数据速率

物理层同时也定义传输信道的数据速率。即物理层定义了传输一个比特所要持续的时间。

（4）位同步

发送端的时钟与接收端的时钟必须同步，以使发送端与接收端达到位同步，即双方收发协调。

（5）传输方式

物理层还需要定义两台设备之间的传输方向：单工、半双工和全双工。

（6）线路配置

物理层涉及设备与传输介质如何连接问题，不同传输配置所需的物理线路配置也不同。例如，在点到点配置中，两个设备通过一条专用链路连接。而在点到多点配置中，许多设备将共享一条链路。

（7）物理拓扑

物理拓扑定义如何将物理设备连接成网络。节点的连接方式可以为总线拓扑、星形拓扑、环形拓扑和网状拓扑等。

3.1.2 物理层的接口特性

物理层接口主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题。物理层接口规定了机械特性、电气特性、功能特性以及规程特性等4个特性，其目的是为了便于不同的制造厂家能够根据公认的标准各自独立地制造设备，且各厂家的产品都能够相互兼容。

1.机械特性

物理层接口的机械特性涉及的是DTE和DCE的实际物理连接。它规定了物理连接时所使用的可插接连接器的形状和尺寸、连接器中引脚的数量与排列情况、电缆最大或最小长度、固定和锁定装置等。典型情况下，信号及控制信息的交换电路的多条通信线被捆扎成一根电缆，在电缆的两端各有一个终接插头，可以是插头（“公”）或者插座（“母”）。在电缆两端与其相连的DTE和DCE设备上必须具有“性别”相反的插头，以实现物理上的连接。例如，常用于串行通信的EIA RS-232-C标准使用25针插座，CCITT的X.21标准（X.25的物理层）使用15针插座，EIA RS-449使用37针和9针插座等。

2.电气特性

物理层接口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平的高低、阻抗及阻抗匹配、最大传输速率及距离限制等问题。

3.功能特性

物理层接口的功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配及含义。物理层接口的信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线4类。

4.规程特性

物理层接口的规程特性定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和顺序。对于不同的网络、不同的通信设备、不同的通信方式和不同的应用，物理层接口定义了不同的规程特性。

物理层接口的4个特性描述了物理链路的连接规则，物理信号的编码规则、传递规则。