计算机网络原理 物理层接口与协议

计算机网络原理物理层接口与协议
物理层位于OSI参与模型的最低层，它直接面向实际承担数据传输的物理媒体(即信道)。

物理层的传输单位为比特。

物理层是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接。

物理层协议规定了与建立、连接和释放物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规和程性的特性。

其作用是确保比特流能在物理信道上传输。

图3-1 DTC-DCE接口
ISO对OSI模型的物理层所做的定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特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建议书第一级（物理级）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)指的是数据终端设备，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(Date Circuit Terminating Equipment 或Date Communications Equipment)，指的是数据电路终接设备或数据通信设备，是对为用户提供入接点的网络设备的统称，如自动呼叫应答设备、调制解调器等。

DTE-DCE的接口框如图3-1所示，物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题。

物理层协议规定了标准接口的机械连接特性、电气信号特性、信号功能特性以及交换电路的规程特性，这样做的主要目的，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。

使各个厂家的产品都能够相互兼容。

1．机械特性
规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。

图3-2 常见连接机械特征
图形3-2列出了各类已被ISO标准化了的DCE连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。

一般来说，DTE的连接器常用插针形式，其几何尺寸与DCE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的电咱路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明、以及与互连电缆相关的规则等。

物理层的电气特性还规定了DTE-DCE接口线的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电器参数。

(a)非平衡发送器和接收器(b)非平衡发送器和差动接收器(b)平衡发送器和差动接收器
图3-3 电气连接方式
DTE与DCE接口的各根导线（也称电路）的电气连接方式有非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种，如图3-3所示。

●非平衡方式采用分立元件技术设计的非平衡接口，每个电路使用一根导线，收发
两个方向共用一根信号地线，信号速率≤20kbps，传输距离≤15m。

由于使用共用
信号地线，所以会产生比较大的串扰。

CCITTV.28建议采用这种电气连接方式，EIA
RS-232C标准基本与之兼容。

●采用差动接收器的非平衡方式这类采用集成电路技术的非平衡接口，与前一种方
式相比，发送器仍使用非平衡式，但接收器使用差动接收器。

每个电路使用一根导
线，但每个方向都使用独立的信号地线，使串扰信号较小。

这种方式的信号速率可
达300kbps，传输距离为10m（300kbps时）-1000m(<=3kbps时）。

CCITT V.10/X.26
建议采用这种电气连接方式，EAI RS-423标准与之兼容。

●平衡方式采用集成集成电路技术设计的平衡接口，使用平衡式发送器和差动式接
收器，每个电路采用两根导线，构成各自完全独立的信号回路，使得串扰信号减至
最小。

这种方式的信号速率≤10Mbps，传输距离为10m（10Mbps时）-1000m(≤
100kbps时）。

CCITT V.11/X.27建议采用这种电气连接方式，EAI RS-423标准与之兼
容。

3．功能特性
规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。

4．规程特性
规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。

物理层中较重要的新规程是EIA RS-449及X.21，然而经典的EIA RS-232C仍是目前最常用的计算机异步通信接口。

5．物理层协议举例（EIA RS-232C接口标准）
EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口Recommended Standard)的意思是“推荐标准”，232是标识号码，而后缀“C”则表示该推荐标准已被修改过的次数。

RS-232标准提供了一个利用公用电话网络作为传输媒体，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。

远程电话网相连接时，通过调制解调器将数字转换成相应的模拟信号，以使其能与电话网相容；在通信线路的另一端，另一个调制解调器将模拟信号逆转换成相应的数字数据，从而实现比特流的传输。

图3-4(a)给出了两台远程计算机通过电话网相连的结构图。

从图中可看出，DTE实际上是数据的信源或信宿，而DCE则完成数据由信源到信宿的传输任务。

RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系。

(a)远程连接(b)近地连接
图3-4 RS-232C 的远程连接和近地连接
RS-232C 标准接口也可以如图3-4(b)所示用于直接连接两台近地设备，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。

由于这两种设备必须分别以DTE 和DCE 方式成对出现才符合RS-232C 标准接口的要求，所以在这种情况下要借助于一种采用交叉跳接信号线方法的连接电缆，使得连接在电缆两端的DTE 通过电缆看对方都好象是DCE 一样，从而满足RS-232C 接口需要DTE-DCE 成对使用的要求。

这根连接电缆也称作零调制解调器(Null Modem)。

RS-232C 的机械特性规定使用一个25芯的标准连接器，并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置等都做了详细说明。

顺便提一下，实际的用户并不一定需要用到RS-232C 标准的全集，这在个人计算机(PC)高速普及的今天尤为突出，所以一些生产厂家为RS-232C 标准的机械特性做了变通的简化，使用了一个9芯标准连接器将不常用的信号线舍弃。

RS-232C 的电气特性规定逻辑“1”的电平为-15至-5伏，逻辑“0”的电平为+5至+15伏，也即RS-232C 采用±15伏的负逻辑电平，±5伏之间为过渡区域不做定义。

RS-232C 接口的电气特性见图3-5，其电气表示见表3-1所示。

+15-15
+5-50
图3-5 RS-232C 接口的电气特性
表 3-1 RS-232C 电器信号表示
RS-232C 电平高达±15伏，较之0～5伏的电平来说具有更强的抗干扰能力。

但是，即使用这样的电平，若两设备利用RS-232C 接口直接相连(即不使用调制解调器)，它们的最大距离也仅约15m ，而且由于电平较高、通信速率反而能受影响，如图3-6所示。

RS-232C 接口的通信速率≤20Kbps(标准速率有150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200bps 等几档)。

RS-232C 的功能特性定义了25芯标准连接器中的20根信号线，其中2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线、剩下的5根线做备用或末定义。

表3-2给出了其中最常用的10根信号的功能特性。

图3-6 RS-232C 的DTE-DCE 连接
若两台DTE 设备，如两台计算机在近距离直接连接，则可采用图3-7的方法，图中(a)为完整型连接，
(b)为简单型连接。

图3-7 RS-232C 的DTE-DTE 连接
RS-232C 的工作过程是在各根控制信号线有序的“ON ”(逻辑“0”)和“OFF ”(逻辑“1”)状态的配合下进行的。

在DTE —DCE 连接的情况下，只有CD(数据终端就绪)和CC(数据设备就绪)均为“ON ”状态时，才具备操作的基本条件：此后，若DTE 要发送数据，则须先将CA(请求发送)置为“ON ”状态，等待CB(清除发送)应答信号为“ON ”状态后，才能在BA(发送数据)上发送数据。