物理层接口及其协议
第3章 物理层协议及分析
信号地线
3．3常见的物理层接口
3．3．1 RS-232接口
1、机械特性 2、电气特性 3、功能特性 4、规程特性
3．3常见的物理层接口
A站 RS-232 DTE CD（20） DCE DCE
…
D站 RS-232 DTE CD（20）
…
CC（6） CA（4） II CB（5） III CF（8） DB（15） BA（2） IV DD（17） BB（3） CA（4） CB（5） V CF（8）
发生器
平衡 互连电缆
负载 电缆 端接 RL R B' 接收
CCITT V.11/X.27 (EIA RS-422A)
A ห้องสมุดไป่ตู้ B C
A' 发生器 接口 负载 接口 Vg
C'
互连电缆 发生器 负载
CCITT V.28 (EIA RS-232A)
G
接口 点
R
采用分立元件技术 非平衡接口 每个电路使用一根导线 两个方向共用一个信号地线 信号速率 20kbit/s 距离 15m 发生器串扰较大
M
M
四线数 字环路
…
(a)用于模拟信道 图3.1 连接信道的DCE设备
(b)用于数字信道
3．2物理层接口基本特性分析
1、机械特性 2、电气特性 3、功能特性 4、规程特性
V系列建议 X系列建议 I系列建议 EIA标准 终 端 D T E D C E
…
V系列建议 I系列建议 线路 D C E
V系列建议 X系列建议 I系列建议 EIA标准
3．3．3 X.21接口
表 3.3 X.24 和 X.21 功能定义表
电路符号 G Ga T R C I S B F X Gb 电 路 名 称 信号地线或公共回线 DTE公共回线 发送线 接收线 控制线 指示线 信号码元定时 字节定时 帧开始识别 DTE信号码元定时 DCE公共回线 控制 数据/控制 数据/控制 控制 控制 定时 定时 定时 定时 控制 类 型 X.24接口电路 来自DCE 到DCE X.21接口电路 来自DCE 到DCE
ModBusRTU通讯协议
ModBusRTU通讯协议协议名称：ModBusRTU通讯协议一、协议概述ModBusRTU通讯协议是一种串行通信协议，用于在工业自动化领域中实现设备之间的数据交换。
本协议规定了通信的物理层、数据帧格式、功能码及其对应的数据格式，以及通信过程中的错误处理等。
二、物理层1. 通信接口：本协议使用RS485接口进行通信，支持多主机和多从机的通信方式。
2. 通信波特率：支持的通信波特率范围为9600bps至115200bps，可根据实际需求进行设置。
3. 数据位：通信数据位为8位。
4. 停止位：通信停止位为1位。
5. 校验位：通信校验位可选择为无校验、奇校验或偶校验。
三、数据帧格式1. 帧起始符：每个数据帧以一个起始符开始，起始符为一个字节，固定为0xFF。
2. 从机地址：紧随起始符之后的一个字节为从机地址，用于标识通信中的从机设备。
3. 功能码：从机地址之后的一个字节为功能码，用于指示从机设备执行的操作类型。
4. 数据域：功能码之后的数据域长度可变，根据功能码的不同而不同。
5. CRC校验码：数据域之后为两个字节的CRC校验码，用于检测数据传输过程中是否出现错误。
6. 帧结束符：每个数据帧以一个结束符结束，结束符为一个字节，固定为0x00。
四、功能码及数据格式1. 读取线圈状态（功能码：0x01）请求帧格式：[起始符][从机地址][功能码][起始地址高字节][起始地址低字节][读取数量高字节][读取数量低字节][CRC校验码][结束符]响应帧格式：[起始符][从机地址][功能码][字节数][线圈状态][CRC校验码][结束符]数据格式：线圈状态为一个字节，每个位表示一个线圈的状态（0表示OFF，1表示ON）。
2. 读取离散输入状态（功能码：0x02）请求帧格式：[起始符][从机地址][功能码][起始地址高字节][起始地址低字节][读取数量高字节][读取数量低字节][CRC校验码][结束符]响应帧格式：[起始符][从机地址][功能码][字节数][离散输入状态][CRC校验码][结束符]数据格式：离散输入状态为一个字节，每个位表示一个输入的状态（0表示OFF，1表示ON）。
mipi接口协议
mipi接口协议MIPI（Mobile Industry Processor Interface）接口协议是一种应用于移动设备的串行接口协议，旨在提供高带宽、低功耗的数据传输解决方案。
MIPI接口协议由MIPI联盟开发和推广，广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备中。
MIPI接口协议定义了设备之间的物理连接和通讯协议，主要包括物理层接口（PHY）、数据链路层接口（Data Link）和传输层接口（Transport）。
物理层接口负责电信号的发送和接收，数据链路层接口负责数据的格式化和错误检测，传输层接口负责数据的拆分和组装。
MIPI接口协议的特点是高带宽和低功耗。
MIPI的物理层接口采用差分信号传输，可以支持高速数据传输。
而且MIPI接口的传输速率可以根据实际应用需求进行调整，最高可以达到几十Gbps的数据传输速率。
MIPI的低功耗设计使得移动设备在传输大量数据时能够保持较低的功耗，延长设备的待机时间。
MIPI接口协议还具有一定的灵活性和扩展性。
MIPI接口协议可以支持多种不同类型的数据传输，包括视频、音频、传感器数据等。
而且MIPI接口协议还支持多种不同的通信模式，比如点对点通信、广播通信等。
此外，MIPI接口协议还支持软件控制，可以通过软件配置接口的参数和功能。
MIPI接口协议在移动设备中的应用非常广泛。
比如，MIPI接口协议常用于手机中的摄像头接口，可以实现高速、高质量的图像传输。
MIPI接口还可以用于显示接口，实现高分辨率、高刷新率的显示效果。
此外，MIPI接口还可以用于传感器接口、触摸屏接口等。
总之，MIPI接口协议是一种应用于移动设备的串行接口协议，提供了高带宽和低功耗的数据传输解决方案。
MIPI接口协议的特点是高带宽、低功耗、灵活性和扩展性，广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备中。
随着移动设备的不断发展，MIPI接口协议也将不断进化和完善，为移动设备提供更高效、更可靠的数据传输方案。
Iu口上部分协议简介
Iu-CS接口协议栈结构如图1-5所示
RANAP：无线接入网络应用协议
Iu UP Protocol Layer：Iu接口用户面协议层
Iu-PS接口协议栈结构如图1-6所示。
IP：IP协议(Internet Protocol)提供了一种全球统一的编址方式，屏蔽了物理网络地址的差异，使路由查找成为可能。同时，IP协议提供了一种全球统一的报文格式，屏蔽了网络链路层差异，使网络互联成为可能。 IP数据报协议非常简单，不能保证传输的可靠性。IP协议实现点到点的传输，IP层对等实体之间的通信不经过中间机器，对等实体所在机器位于同一物理网络，对等机器之间拥有直接的物理连接，IP层点到点通信的关键是寻径，根据信宿IP地址如何确定通信的下一点。
ALCAP： ALCAP（Access Link Control Application Part，接入链路控制应用协议），又称为Q.AAL2协议，遵循ITU-T Q.2630.1规范，处于Iub/Iur/Iu-CS传输网络层的控制面，信令承载类型为SAAL UNI和MTP3-B。ALCAP内部由两个层面组成，Q.AAL2协议处理层以及两个STC适配层。Q.AAL2协议处理层完成所有的协议功能，STC 完成原语适配以屏蔽底层差异（SAAL、MTP3-B）。 ALCAP的基本功能是在两个信令点之间建立、释放AAL2连接。同时，对该信令系统内微信元的通道、通路等资源进行必要的维护和管理。由ALCAP所控制的这些AAL2连接将作为无线网络层控制面和无线网络层用户面的传输载体。
SSCOP：SCCOP为SSCOP用户（即SSCF实体）提供传输信息长度可达64k字节可靠性传输过程。
SSCF：SSCF的功能是SSCOP和上层用户的适配层，其中，上层用户主要指NBAP、MTP3-B以及STC（Signal Transport Convert，信令传输转换）。因为SAAL上层不同，如MTP3-B位于NNI，NNI的链路质量一般较高，同时需要SAAL支持链路质量验证和配合 MTP3-B进行链路倒换功能；而NBAP位于UNI，链路的质量一般较差，时延较大。因此SSCF分为SSCF-NNI和SSCF-UNI以适配不同的上层用户。
计算机网络协议基础知识介绍常见的网络协议及其作用
计算机网络协议基础知识介绍常见的网络协议及其作用计算机网络协议是计算机网络通讯中的重要组成部分，它定义了计算机之间进行通信所必须遵循的规则和标准。
网络协议的作用是确保计算机之间能够相互通信，实现数据的传输和交换。
在计算机网络中，常见的网络协议种类繁多，每个协议都有着不同的作用和功能。
本文将对常见的网络协议进行介绍，以便读者对计算机网络协议有一个基础的理解。
一、物理层协议物理层协议是计算机网络通信中最底层的协议，它负责控制和传输比特流，将0和1的电信号转化为比特流进行传输。
常见的物理层协议有以下几种：1. 以太网协议（Ethernet）：以太网是计算机局域网中最常用的一种物理层协议，它规定了局域网中计算机之间的通信方式和数据交换的标准。
2. 无线局域网协议（Wi-Fi）：Wi-Fi协议是一种无线局域网技术，它能够将计算机通过无线方式连接到局域网中。
3. 蓝牙协议（Bluetooth）：蓝牙协议是一种短距离无线通信技术，它主要用于个人设备之间的通信，如手机、耳机等。
二、数据链路层协议数据链路层协议负责将比特流划分为数据帧进行传输，控制物理层传输的可靠性和流量控制。
常见的数据链路层协议包括：1. 点对点协议（PPP）：PPP是一种广泛应用于计算机网络的数据链路层协议，它通过串行线路连接计算机之间的通信。
2. 以太网协议（Ethernet）：以太网协议在物理层和数据链路层都有作用，它不仅规定了局域网中计算机之间的通信标准，还定义了数据帧的格式和传输方式。
3. 网络接口层协议（NIC）：NIC是一种常用的网络接口设备，它可以将计算机与网络中其他设备进行连接。
三、网络层协议网络层协议负责数据包在网络中的传输和路由选择。
常见的网络层协议包括：1. 互联网协议（IP）：IP协议是互联网中最重要的网络层协议，它定义了互联网中计算机的地址分配和路由选择等规则。
2. 路由信息协议（RIP）：RIP是一种用于路由选择的网络层协议，它能够根据网络中的路由信息自动计算路由表。
OSI七层模型及其对应的协议
OSI 七层模型及其对应的协议OSI参考模型分为物理层、数据链路层、⽹络层、传输层、会话层、表⽰层、应⽤层。
如下表所⽰：1 物理层在OSI参考模型中，物理层（Physical Layer）是参考模型的最低层，也是OSI模型的第⼀层。
物理层的主要功能是：利⽤传输介质为数据链路层提供物理连接，实现⽐特流的透明传输。
物理层的作⽤是实现相邻计算机节点之间⽐特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。
使其上⾯的数据链路层不必考虑⽹络的具体传输介质是什么。
“透明传送⽐特流”表⽰经实际电路传送后的⽐特流没有发⽣变化，对传送的⽐特流来说，这个电路好像是看不见的。
2 数据链路层数据链路层（Data Link Layer）是OSI模型的第⼆层，负责建⽴和管理节点间的链路。
该层的主要功能是：通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为⽆差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。
在计算机⽹络中由于各种⼲扰的存在，物理链路是不可靠的。
因此，这⼀层的主要功能是在物理层提供的⽐特流的基础上，通过差错控制、流量控制⽅法，使有差错的物理线路变为⽆差错的数据链路，即提供可靠的通过物理介质传输数据的⽅法。
该层通常⼜被分为介质访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）两个⼦层。
1）MAC⼦层的主要任务是解决共享型⽹络中多⽤户对信道竞争的问题，完成⽹络介质的访问控制； 2）LLC⼦层的主要任务是建⽴和维护⽹络连接，执⾏差错校验、流量控制和链路控制。
数据链路层的具体⼯作是接收来⾃物理层的位流形式的数据，并封装成帧，传送到上⼀层；同样，也将来⾃上层的数据帧，拆装为位流形式的数据转发到物理层；并且，还负责处理接收端发回的确认帧的信息，以便提供可靠的数据传输。
3 ⽹络层⽹络层（Network Layer）是OSI模型的第三层，它是OSI参考模型中最复杂的⼀层，也是通信⼦⽹的最⾼⼀层。
它在下两层的基础上向资源⼦⽹提供服务。
其主要任务是：通过路由选择算法，为报⽂或分组通过通信⼦⽹选择最适当的路径。
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。
TCPIP模型及OSI七层参考模型各层的功能和主要协议
TCPIP模型及OSI七层参考模型各层的功能和主要协议注：⽹络体系结构是分层的体系结构，学术派标准OSI参考模型有七层，⽽⼯业标准TCP/IP模型有四层。
后者成为了事实上的标准，在介绍时通常分为5层来叙述但应注意TCP/IP模型实际上只有四层。
1、TCP/IP模型（1）物理层物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，⽽提供具有机械的，电⼦的，功能的和规范的特性，确保原始的数据可在各种物理媒体上传输，为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。
（2）数据链路层主要提供链路控制（同步，异步，⼆进制，HDLC），差错控制（重发机制），流量控制（窗⼝机制）1） MAC：媒体接⼊控制，主要功能是调度，把逻辑信道映射到传输信道，负责根据逻辑信道的瞬时源速率为各个传输信道选择适当的传输格式。
MAC层主要有3类逻辑实体，第⼀类是MAC-b，负责处理⼴播信道数据；第⼆类是MAC-c，负责处理公共信道数据；第三类是MAC-d，负责处理专⽤信道数据。
2）RLC：⽆线链路控制，不仅能载控制⾯的数据，⽽且也承载⽤户⾯的数据。
RLC⼦层有三种⼯作模式，分别是透明模式、⾮确认模式和确认模式，针对不同的业务采⽤不同的模式。
3）BMC：⼴播/组播控制，负责控制多播/组播业务。
4）PDCP：分组数据汇聚协议，负责对IP包的报头进⾏压缩和解压缩，以提⾼空中接⼝⽆线资源的利⽤率。
（3）⽹络层提供阻塞控制，路由选择（静态路由，动态路由）等1）IP：IP协议提供不可靠、⽆连接的传送服务。
IP协议的主要功能有：⽆连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。
IP地址是重要概念2）ARP：地址解析协议。
基本功能就是通过⽬标设备的IP地址，查询⽬标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进⾏。
以太⽹中的数据帧从⼀个主机到达⽹内的另⼀台主机是根据48位的以太⽹地址（硬件地址）来确定接⼝的，⽽不是根据32位的IP地址。
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2 物理层的特性（2）
电气特性
- 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、 传输速率和距离限制。 - 早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIA RS-232-C、 V.28；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而 且给出了有关对连接电缆的控制。 - CCITT 标准化的电气特性标准 • CCITT V.10/X.26：新的非平衡型电气特性，EIA RS423-A • CCITT V.11/X.27 ：新的平衡型电气特性，EIA RS-422A • CCITT V.28：非平衡型电气特性，EIA RS-232-C • CCITT X.21/EIA RS-449
规程特性
- 分成四个工作阶段：空闲，呼叫控制，数据传送，清除
14
4 传输介质（1）--双绞线
磁介质
- 37芯或9芯连接器。
电气特性
- 与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性 RS-423-A，20Kbps以下 - 其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A 和RS-423-A，20Kbps ~ 2Mbps
12
3 典型的物理层标准接口（4）
功能特性
- 定义了30条功能线。
规程特性
8
3 典型的物理层标准接口（2）
功能特性
- 定义了21条线，许多子集，基本与CCITT V.24兼容。 - Fig. 2-21(3rd edition)
规程特性
- 对不同的功能子集，有不同的规程。 - RS-232-C 有14种不同的接口类型，适合于：单工，半 双工，全双工，同步，异步
RS-232-C的不足与改进
4
2 物理层的特性（1）
机械特性
- 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物 理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。 - 常用的标准接口 • ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A；用于音频MODEM、公用数据网络 的接口中 • ISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM • ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449； 用于音频和宽带MODEM • ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22 ；用于公用数据网络的接口中
- 基本上以RS-232-C为基础。
3.3 CCITT X.21 X.21：在公共数据网PDN中进行同步操作的 DTE/DCE之间的通用接口。 1980年的X.21由两部分组成：
- “通用接口”：真正的物理层部分； - 用于电路交换网络的呼叫控制规程，用于DTE之间的连 接，涉及到许多数据链路层和网络层的功能。
3
1 物理层的定义和功能（2）
几点说明
- 连接方式（点到点，点到多点） - 通信方式（单工，半双工，全双工） - 位传输方式（串行，并行）
物理层的四个重要特性
机械特性 (mechanical characteristics) 电气特性 (electrical characteristics) 功能特性 (functional characteristics) 规程特性 (procedural characteristics)
3.2 EIA RS-449/422-A/423-A EIA RS-449 是为替代RS-232-C而提出的物理层标准接口。 实际上是一体化的三个标准。 主要改进
- 改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率； - 增加了新的接口功能，例如，回送检查； - 解决了机械接口问题。
机械特性
6
2 物理层的特性（3）
功能特性
- 主要定义各条物理线路的功能。 - 线路的功能分为四大类： • 数据 • 控制 • 定时 • 地
规程特性
- 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
7
3 典型的物理层标准接口（1）
3.1 EIA RS-232-C 1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出 RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS232-C。用于DTE/DCE之间的接口。 机械特性
13
3 典型的物理层标准接口（5）
机械特性
- 15针连接器，ISO 4903。
电气特性
- 采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。 - 传输速率：600，2400，4800，9600，48000bps - DTE使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；DCE使用平衡型 电气特性
功能特性
- 定义了8条功能线。
Part Ⅱ
物理层接口及其协议
1
主要内容
1 物理层的定义和功能
2 物理层的特性
3 典型的物理层标准接口
3.1 EIA RS-232-C 3.2 EIA RS-449/422-A/423-A 3.3 CCITT X.21
4 传输介质 5 其它网络传输技术
2
1 物理层的定义和功能（1）
物理层的定义
- ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的 、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、 维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物 理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系 统内的传输也是在物理层的。
物理层的功能
- 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。
研究内容
- 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及 维护管理。
- 25芯连接器，DTE为插头，DCE为插座。
电气特性
- 采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+4V为 “0”，最 大 20Kbps，最长15m。 - 非平衡传输（unbalanced transmission）：所有电路共享一个 公用的地线。 - 平衡传输（balanced transmission）：每个主要电路需要两根线 ，没有公用的地线。
- 不足 • 传输性能低，距离短，速率低。 - 改进 • 重新设计，X.21； • 以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。
9
10
Caption: RS-232 connectors, showing wiring for three-wire connection.
11
3 典型的物理层标准接口（3）