物理层

OSI物理层
制作人：邓荣嘉
目录
物理层 (1)
主要功能 (2)
物理层要解决的主要问题： (2)
组成部分 (2)
重要内容 (3)
重要标准 (4)
通信硬件 (5)
编程方法 (6)
常见的物理层设备 (6)
物理层在无线传感器中的应用 (6)
物理层
物理层（或称物理层，Physical Layer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。

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。

简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

局域网与广域网皆属第1、2层。

物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。

物理层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。

如果您想要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”。

OSI采纳了各种现成的协议，其中有RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN、以及FDDI、IEEE802.3、IEEE802.4、和IEEE802.5的物理层协议。

物理层关注在一条通道上传输原始比特。

设计问题必须确保当一方发送了比特1时，另一方收到的也是比特1，而不是比特0。

这里的典型问题包括用什么电子信号来表示1和0、一个比特持续多少秒、传输是否可以在两个方向上同时进行、初始连接如何建立、当双方结束后如何撤销连接、网络连接器有多少针对以及每一针的用途是什么等。

这些设计问题主要涉及机械、电子和时序接口，以及物理层之下的物理传输介质等。

该层定义了了比特作为信号在通道上发送时相关的电气、时序和其他接口。

物理层是构建网路的基础。

物理信道的不同特征决定了其传输性能的不同（比如，吞吐量、延迟和误码率），所以物理层是我们展开网络旅行的始发地。

物理层一般有三种传输介质：有线（铜线和光纤）、无线（陆地无线电）和卫星。

这里要说的是信号在物理层存在的两种方式，数字信号（电脑可以识别的0和1即比特），模拟信号是铜线和光纤等可以传输的电信号或者无线信号，在悠闲中模拟信号的存在方式诸如连续变化的电压，而在无线传输中类似光照强度或者声音强度。

主要功能
物理层主要功能：为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。

1.为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。

一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。

所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。

2.传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。

一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（BIT）数），以减少信道上的拥塞。

传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。

3. 完成物理层的一些管理工作。

物理层要解决的主要问题：
（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。

（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。

（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。

组成部分
物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。

通信用的互连设备指DTE和DCE间的互连设备。

DTE即数据终端设备，又称物理设备，如计算机、终端等都包括在内。

而DCE则是数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器等。

数据传输通常是经过DTE──DCE，再经过DCE──DTE的路径。

互连设备指将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、T型接、插头，接收器，发送器，中继器等都属物理层的媒体和连接器。

重要内容
物理层的接口的特性
（1）机械特性
指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

（2）电气特性
指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

（3）功能特性
指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。

（4）规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层的主要特点：
（1）由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械，电气，功能和规程特性。

（2）由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。

[2]
信号的传输离不开传输介质，而传输介质两端必然有接口用于发送和接收信号。

因此，既然物理层主要关心如何传输信号，物理层的主要任务就是规定各种传输介质和接口与传输信号相关的一些特性。

1．机械特性
也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点，如接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。

这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸都有严格的规定。

已被ISO 标准化了的DCE接口的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。

DTE（Data Terminal Equipment，数据终端设备，用于发送和接收数据的设备，例如用户的计算机）的连接器常用插针形式，其几何尺寸与．DCE（Data
Circuit-terminating Equipment，数据电路终接设备，用来连接DTE与数据通信网络的设备，例如Modem调制解调器）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电路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、信号的识别、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。

3．功能特性
指明物理接口各条信号线的用途（用法），包括：接口线功能的规定方法，接口信号线的功能分类--数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线4类。

4．规程特性
指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE/DCE双方在各自电路上的动作序列。

以上4个特性实现了物理层在传输数据时，对于信号、接口和传输介质的规定。

重要标准
物理层的一些标准和协议早在OSI/TC97/C16 分技术委员会成立之前就已制定并在应用了，
OSI也制定了一些标准并采用了一些已有的成果。

下面将一些重要的标准列出，以便读者查阅。

ISO2110:称为"数据通信----25芯DTE/DCE接口连接器和插针分配"。

它与EIA（美国电子工业协会）的"RS-232-C"基本兼容。

ISO2593:称为"数据通信----34芯DTE/DCE----接口连接器和插针分配"。

ISO4902:称为"数据通信----37芯DTE/DEC----接口连接器和插针分配"。

与EIARS-449兼容。

CCITT V。

24:称为"数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备之间的接口电路定义表"。

其功
能与EIARS-232-C及RS-449兼容于100序列线上。

通信硬件
物理层常见设备有：网卡光纤、CAT-5线（RJ-45接头）、集线器有整波作用、Repeater加强信号、串口、并口等。

通信硬件包括通信适配器（也称通信接口）和调制解调器（MODEM）以及通信线路。

从原理上讲，物理层只解决DTE和DCE之间的比特流传输，尽管作为网络节点设备主要组成部分的通信控制装置，其本身内涵在物理层、数据链路层、甚至更高层，在内容上分界并不很分明，但它所包含的MODEM接口、比特的采样发送、比特的缓冲等功能是确切属于物理层范畴的。

为了实现PC机与调制解调器或其它串行设备通信，首先必须使用电子线路将PC机内的并行数据转成与这些设备相兼容的比特流。

除了比特流的传输之外，还必须解决一个字符由多少个比特组成及如何从比特流中提取字符等技术问题，这就需要使用通信适配。

通信适配器可以认为是用于完成二进制数据的串、并转换及一其它相关功能的电路。

通信适配器按通信规程来划分可分为TTY（Tele Type Writer，电传打字机）、BSC（Birary Synchronous Commuication，二进制同步通信）和HDLC（High－level Data link Control，高级数据链路控制）三种。

IBM PC 异步通信适配器：使用TTY规程的异步通信适配采用RS－232C接口标准。

这种通信适配器除可用于PC机联机通信外，还可以连接各种采用RS－232C 接口的外部设备。

例如，可连接采用RS-232C接口的鼠标器、数字化仪等输入设备；可连接采用RS-232C接口的打印机、绘图仪及CRT显示器等各种输出设备。

可见，异步通信适配器的用途是很广泛的。

异步通信规程将每个字符看成一个独立的信息，字符可顺序出现在比特流中，字符与字符间的间隔时间是任意的（即字符间采用异步定时），但字符中的各个比特用固定的时钟频率传输。

字符间的异步定时和字符中比特之间的同步定时，是异步传输规程的特征。

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异步传输规程中的每个字符均由四个部分组成：
1位起始位：以逻辑“0”表示，通信中称“空号”（SPACE）。

5～8位数据位：即要传输的内容。

1位奇/偶检验位：用于检错。

1～2位停止位：以逻辑“1”表示，用以作字符间的间隔。

这种传输方式中，每个字符以起始位和停止位加以分隔，故也称“起--止”式传输。

串行口将要发送的数据中的每个并行字符，先转换成串行比特串，并在串前加上起始位，串后加上检验位和停止位，然后发送出去。

接收端通过检测起始位，检验位和停止位来保证接收字符中比特串的完整性，最后再转换成并行的字
符。

串行异步通信适配器本身就象一个微型计算机，上述功能均由它透明地完成，不须用户介入。

早期的异步通信适配器被做成单独的插件板形成，可直接插在PC机的系统扩充槽内供使用，后来大多将异步通信适配器与其他适配器（如打印机、磁盘驱动器等的适配器）做在一块称作多功能板的插件板上。

也有一些高档微机，已将异步通信适配器做在系统主板上，作为微机系统的一个常规部件。

编程方法
PC机的异步串行通信编程方法内容包括DOS、WINDOWS和BIOS级PC通信、基于异步通信与器的系统的PC通信以及通信编程方法。

常见的物理层设备
网卡
光纤
CAT-5线
RJ-45接头
集线器有整波作用。

Repeater加强信号。

串口
并口
物理层在无线传感器中的应用
所谓的物理层，是指光纤、电缆或者电磁波等真实存在的物理媒介。

而物理层在无线传感器中就是传感器和网关等设备，通过改变网关的物理层网络协议以配置传感器，进而作用于传输传感器所接收到的信息并实时上传到服务器，帮助我们观测数据，知道传感器的工作状态是否正常。

还能测试传感器周围的光照、土壤湿度、水分及温度等。