概述
物理层是OSI的最底层，为数据通信的介质提供规范和定义。它直接面向实际承担数据传输的物理媒体，主要关心的是在通信线路上传输比特流的问题（信号，接口等）。
功能
1.为设备提供传输数据的实际通路。
2.传输数据
特性
1.机械特性：指明通信实体间硬件连接接口的机械特点。
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路特性。
3.功能特性：指明物理接口各条信号线的用途。
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.
信号
首先了解信息,数据,信号的概念
信息:人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识.
数据:用于描述事物的某些属性的具体量值.
信号:信息传递的媒介.
模拟信号:信号参数(幅度,频率等)的大小连续变化的电磁波,可以按不同的频率在媒体上传输.
数字信号:不连续的物理量,信号参数也不连续变化.
信号的相关指数
频率:在一个固定时间段内信号幅度变化的次数值.用每秒周期数或Hz表示.
带宽:信号在信道中传输可使用的最高频率与最低频率之差,用Hz表示.
注意:这里的"带宽"与用来描述网络介质吞吐量的"带宽"不一样,那个带宽是指数据传输率,常用"字节/秒"来表示.
数据传输率:设备在某种网络协议标准下的数据发送和接收能力.
比特率:单位时间内传输实际信息的比特率,单位为比特/秒.
信号的失真
噪声:在信号传输处理过程中因设备自身,环境干扰等原因而产生的与输入信号无关的信号.
信噪比:信号中正常信号与噪声的比例,常用分贝(dB)表示.
信号的衰减:随着信号的传播,能量逐渐减少.
数字信号的优点:1.抗干扰能力强 2.远距离传输仍能保证质量.
本节讲述基本概念,下节将接口和介质.
串行接口
分为同步接口和异步接口，同步接口对应于同步通信，异步接口对应于异步通信。以前的电脑通过“猫”拨号上网就是用的EIA-232接口。
同步通信：发送方和接收方同时，同时同步调进行数据的发送和接受。
异步通信：发送方和接收方不要求同时进行数据的发送和接收。
接口标准：1.EIA（美国电子工业协会）的EIA-232接口
2.ITU-T的V系列和X系列接口
3.ISO的ISO 2110，ISO 1177等。
以太网接口
RJ-45:RJ是描述公用电信网络的接口，常用的有RJ-11（电话线）和RJ-45（网线）。
光纤接口:用于连接两根或多根非永久连接的光纤的无源组件。
常见类型：FC圆形带螺纹光纤接头
ST卡式圆形接头
SC方形接头
LC窄体方形接头
MT-RJ收发一体的方形光纤接头
传输介质
有线介质：双绞线，光纤，同轴电缆
无线介质：无线电，微波，激光，红外，蓝牙
双绞线是目前使用最广，价格相对便宜的一种传输介质。由两根铜线相互缠绕组成，以减少对邻近线对的电气干扰。由若干对双绞线构成的电缆称为双绞线电缆，又分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP.
双绞线的有关标准
五类：10MBps的100Base-TX和100Base -T4，支持高达100MHz的数据通信。传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为1000Mbps的数据传输，主要用于100base-T网络。
六类：传输频率200MHz
下面以超五类双绞线为例讲解双绞线的性能指标。
参数名称 含义 合格标准
衰减（attenuation） 信号经过线缆时的强度损失，单位为分贝 21.6
近端串扰（NEXT,Near-End Coss Talk） 电缆中某导线上传输的信号对其它导线信号产生的噪声称为串扰，近端串扰是出现在发送端的串扰。 32.3
额定传输速度（NVP,nominal velocity of propagation) 是信号在线缆传输中的速度，以光速的百分比形式表示 60%～90%
衰减串扰比（ACR,Attenuation-to-Crosstalk Ratio） 串扰与衰减量的比例关系，单位为分贝 10.7
回波损耗（RL,Return Loss） 信号源输入给数据传输系统的信号与信号源接收到的反射信号的功率之比 11.0
六类布线系统
六类系统向下兼容三类，五类，超五类布线产品，同时满足混合使用的要求，提供两倍于超五类的带宽，改善了在串扰及回波损耗方面的性能。
六类相比五类和超五类，做了许多改进：
最高工作带宽200MHz，按照250MHz下检测进行设计，可作为UTP和STP的解决方案包括超五类的所有测试，并加入了新的参量。
光传输系统
组成：光源 光纤传输介质 检测器
传输过程
电信号;光源（发光二极管或激光二极管）;光信号（在光纤<超细玻璃纤维>输）;光纤检测器(光电二极管);放大器;电信号
光信号在光纤中的传输;光脉冲在光纤中的传输时利用了光电全反射原理
光纤分为多模光纤和单模光纤
光缆结构
光缆的传播特性
1.损耗 2.色散
单模光纤与多模光纤比较
单模光纤 多模光纤
用于高速的、长距离 用于低速度，短距离
成本高 低成本
端接较难 端接较易
窄芯线，需要做激光源 宽芯线，聚光好，光源可采用激光或发光二极管
耗散极小，高效 耗散大，低效
无线通信
无线介质指信号通过空气等无形介质传播，信号不被约束在一个物理导体内。
主要包括:无线电，微波，红外，激光卫星通信等
无线电：利用地面发射的无线电波通过电离层的反射，或电离层与地面的多次反射而到达接收端的一种远距离通信方式
特点：传播距离远，容易穿过建筑物，全方向传播
无线电波的传播特性与频率有关
1.频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减
2.频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收
3.不稳定，容易受到其他电子设备的各种电磁干扰
微波是能量集中于一点并沿直线传播，且频率在1GHz以上的无线电波
微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式
使用频率范围一般在1GHz至20GHz左右
需要使用中继站延长传输距离
成本低，常用于长途通信
缺点是保密性不如电缆和光缆好
以太网标准中的线缆规范
以太网标准 传输介质 拓扑 接口 最大传输距离（M） 速率（Mb/s）
10BASE-T 2对三类或以上UTP 星形 RJ-45 100 10
100BASE-TX 2对5类UTP以上 星形 RJ-45 100 100
1000BASE-T 4对5类UTP以上 星形 RJ-45 100 1000
1000BASE-LX 光缆 星形 SC 5000 1000
1000BASE-SX 多模光缆 星形 SC 550 1000
线缆连接
EIA/TIA 568A和568B
管脚号 用途 颜色
1 发送+ 绿白
2 发送- 绿色
3 接收+ 橙白
4 不使用 蓝色
5 不使用 蓝白
6 接收- 橙色
7 不使用 棕白
8 不使用 棕色
T568A标准中RJ-45连接器的管脚号和颜色编码
T568B 的线序为：橙白，橙色，绿白，蓝色，蓝白，绿色，棕白，棕色。
用ISO/OSI的术语讲，物理层的作用就是给其服务用户（DL或DL实体）提供在一条物理传输介质上传送和接收比特流的能力
注意：
物理层不是指具体的传输介质（媒体）
物理层不包括传输介质，只是使用传输介质
2、物理层的设计
在物理层设计中，必须解决的问题是：
如何使用传输介质
如何保证一端接收的比特就是另一端所发送的比特（即位同步）
具体问题包括：
“0”和“1”用何种、以及多少电压表示？
每一个比特持续多长时间？
连接传输介质的接口的形状、引脚数、排列、用途、关系等
如何建立和释放连接？
3、数据通信基础
3.1、信道带宽
信息的最小单位是“比特”（bit），可能的取值是“0”或“1”。
需要利用电压或电流对其进行编码，使之能在传输介质上传输
信道：一般用来表示向某一方向传输信息的媒体，一条电路上往往包含一条发送信道和一条接收信道
带宽：通信信道允许通过的信号频率的范围，体现为传输信道的最高频率和最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。标准电话话路300-3400Hz（3100Hz），理想：2400Hz
信道的带宽：在信道上传输的电压或电流可以表示成时间t的单值函数f(t)，根据付里叶(Fourier)分析，任何正常的周期为T的函数都能表示为无限多个正弦和余弦函数之和。一个信道要能正确地传输某一信号，自然要求对该信号的所有分量都能正确传输
码元速率(baud波特)：每秒钟信号变化的次数，指每秒钟传送的码元数
信息速率(bps位/秒)：指每秒钟传送的位（比特）数
3.2、数据编码
计算机处理二进制数据，模拟信号和数据信号都可以用来表示二进制数据
数据编码需要解决的问题：改变信号表示并正确传输二进制数据
（1）用数字信号表示数字数据
不归零制(NRZ, Non-Return to Zero)
反向不归零制(NRZI, Non-Return to Zero, Invert on ones)
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码
4B/5B，8B/10B，8B/6T编码等
（2）用模拟信号表示数字数据
幅移键控法 (ASK—Amplitude Shift Keying, or Amplitude modulation)
频移键控法 (FSK—Frequency Shift Keying, or Frequency modulation)
相移键控法 (PSK—Phase Shift Keying, or Phase modulation)
3.3、通信线路的连接方式
（1）点对点连接：通常采用点-点传输技术，主计算机和终端直接连接，主计算机和主计算机之间直接连接，星形、环形等属于点-点连接方式
（2）多点连接：一条线路连接两个以上的站点，通常采用广播传输技术，总线形属于多点连接方式
3.4、线路通信方式
根据数据在某一时间信息的传输方向和特点，线路通信方式可分为：单工通信，半双工通信，全双工通信
3.5、多路复用
多路复用技术：把多路信号同时放到一条物理主干信道上，允许多台设备共享一条信道，从而提高信道的使用效率
目前普遍使用的有以下三种：
频分多路复用（FDM）
时分多路复用（TDM）
波分多路复用（WDM）
3.5.1、频分多路复用
将信道的有效带宽划分成若干频段，每个频段作为一个独立的信道分别分配给用户形成数据传输子通道——逻辑信道
每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输，在该用户没有数据传输时，别的用户也不能使用
3.5.2、时分多路复用
在TDM中，用户轮流（分时）使用整个信道，并且可以全部由数字电路完成，但它只适用于数字数据的传输
TDM将物理信道的使用时间划分成若干时间片（时隙），每个用户在分配给自己的时间片内进行传输
时隙的分配
固定分配：同步时分多路复用（STDM），例如PCM系统
动态分配：异步时分多路复用（ATDM），例如ATM系统
3.5.3、波分多路复用
在光纤信道上采用WDM，WDM是频分多路复用的一个变种
3.6、基带传输与宽带传输
基带传输：以信号的固有频率（未经过调制）进行的传输。数据转换为信号时，这个原始信号所固有的频带称为基带，这样的信号称为基带信号。基带信号容易发生畸变，因此传输距离有限。LAN主要采用基带传输。在基带传输中，不能使用频分多路复用器
宽带传输：对信号进行调制，然后进行的传输。可以实现信道的频分多路复用，提高信道的利用率
4、传输介质
物理层可以使用不同的传输介质把原始比特流从一台机器传到另一台机器
传输介质一般可以分为两类：有界的，例如铜线，光纤等；*的，例如无线电波，激光等
4.1、双绞线
特点：两条绝缘铜线（直径1mm）相互绞合，以减少临近线对的干扰
分为两类：无屏蔽双绞线(UTP)、屏蔽双绞线(STP)
4.2、同轴电缆
特点：由铜线芯、绝缘层、外导体屏蔽层和塑料保护外层构成
5、模拟传输
在电话系统中，一条标准话路的频率范围为300~3400Hz，典型的工作带宽为3000Hz，不合适高速数据通信
在利用模拟电话网实现计算机通信时，需要MODEM，实现数字/模拟和模拟/数字信号之间的转换
5.1、计算机与Moden接口
计算机或终端与MODEM的接口是一个典型的物理层协议，最著名的标准是EIA的RS-232C和RS-449
5.2、Moden
数字/模拟信号的转换可以单独或组合使用前面介绍的ASK、FSK、PSK方法
为了获得更高的数据传输速率，需要使用更为复杂的多元调制技术。
6、数字传输
为了在主干中继线路上高质量地传输更多的话路，许多先进国家将传统的模拟传输干线更换成数字传输干线，并大量使用光纤。显然，数字线路更适合传输数字数据，但用户线路仍然大量使用模拟线路
使用数字传输系统模拟信号，需要解决以下问题：
模拟信号采样：以什么频率进行采样
采样值量化：用多少或哪些值表示样本
编码：使用多少二进制位，如何编码以表示每个量化值
6.1、脉码调制（PCM）
现代数字传输系统基本都采用脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)，并与时分复用技术结合使用
目前有两个不兼容的PCM国际标准
北美，日本的T1标准——24路PCM
欧洲的E1标准—————30路PCM
7、物理层协议
物理层的任务：以适合的方式对数据进行编码，利用各种通信方式，在各种不同的通信信道上传输原始比特流
可以将物理层的主要任务描述为确定与传输介质接口的一些特性：
机械特性：接口所使用的连接器的形状、尺寸、引脚数、排列等
电气特性：规定线路的连接方式、适用元件、传送速率、信号电平、电缆长度和阻抗等
功能特性：反映接口电路的功能，即接口中各条信号线的用途；接口线类型：数据/控制/定时/接地；接口线命名
规程特性：进行位流传输的过程及事件发生的可能次序
ISO、CCITT、IEEE和EIA均为物理层制订标准和建议
7.1、DCE和DTE
当把构成数据通信网络的元素分为提供服务的通信网和使用通信网的用户来考虑时，将前者称为DCE，后者称为DTE
DCE：数据电路端接设备（Data Circuit-terminating Equipment），在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，负责建立、保持和释放数据链路的连接。MODEM是一种常用DCE
DTE：数据终端设备（Data Terminal Equipment），具有一定数据处理能力，以及发送和接收数据能力的设备。计算机、终端等是常用DTE
7.2、EIA RS-232C
机械特性：使用25根引脚的DB-25插头座
电气特性：与CCITT的V.28建议书一致。逻辑0：+3V或更高的电压，逻辑1：-3V或更低的电压。当连接电缆线的长度不超过15m时，允许数据传输速率不超过20kb/s
功能特性：与CCITT V.24建议书一致。它规定了什么电路应该连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚的作用
规程特性：规定了在DTE与DCE之间所发生的事件的合法序列.