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第3章 物理层
内容提要：物理层主要负责在物理链路上传输非结构的比特流，提供为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性。物理层为计算机通信网络进行信息传输提供实际传输通道，物理层协议是本章的知识要点。
物理层是OSI/RM模型中的最底层，但它既不是指连接计算机的具体物理设备，也不是指负责信号传输的具体物理介质，而是指在连接开放系统的物理介质上为上一层（指数据链路层）提供传送比特流的一个物理连接。用OSI的术语来说，物理层的主要功能就是为它的服务用户（数据链路层的实体）在具体的物理介质上提供发送或接收比特流的能力。这种能力具体表现为物理层首先要建立一个连接，然后在整个通信过程中保持这种连接，当通信结束时，又释放这种连接。实际上，这是一个资源管理问题。
目前，可供计算机网络使用的物理设备和传输介质种类很多，特性各异，物理层的作用就在于要屏蔽这些差异，使得数据链路层不必去考虑物理设备和传输介质的具体特性，而只要考虑完成本层的协议和服务。
物理层的协议是面向通信的协议，通常也称为通信规程，它与具体的物理设备、传输介质及通信手段有关。物理层的许多协议是在OSI模型公布之前制定的，并为众多的厂商接受和采纳，当然这些物理层协议与OSI的严格要求相比有一定的差距，因为它们既没有按照OSI那样严格的分层来制定，也没有像OSI那样将服务定义和协议规范区分开来。因此，对物理层协议就不便利用OSI的术语加以阐述，而只能将物理层实现的主要功能描述为与传输介质接口有关的一些特性，即机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。物理层就是通过这四个特性的作用，在数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间，实现物理通路的连接。
3.1 物理层接口特性
物理层位于OSI参考模型的最底层，它直接面向实际承担数据传输的物理介质（即信道）。物理层是指在物理介质之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接，其传输单位为比特。
物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。其作用是确保比特流能在物理信道上传输。
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、功能的和规程的手段。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（Consultative Committee for International Telegraph and Telephone，国际电报电话咨询委员会）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指的是数据终端设备（Date Terminal Equipment），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；（DCTE或）DCE指的是数据电路终接设备（Date Circuit Terminating Equipment）或数据通信设备（Date Communications Equipment），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。
DTE-DCE的接口框图如图3.1所示，物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其他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
机械特性规定了物理连接时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列出了一类已被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。
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| （点击查看大图）图3.1 DTE-DCE接口框图 |
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| 图3.2 常用连接机械特性 |
2．电气特性
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回路的特性，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气参数。
DTE/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。图3.3给出了这三种电气连接方式的结构。
（a）非平衡发送器/接收器
（b）非平衡发送器/差动接收器
（c）平衡发送器/差动接收器
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| （点击查看大图）图3.3 电气连接方式 |
非平衡方式采用分立元件技术设计非平衡接口，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≤20kb/s，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。CCITT V.28建议采用这种电气连接方式，EIA RS-232C标准基本与之兼容。
差动接收器的非平衡方式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300kb/s，传输距离为10m（300kb/s时）～1000m（≤3kb/s时）。CCITT V.10/X.26建议采用这种电气连接方式，EIA RS-423标准与之兼容。
平衡方式采用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≤10Mb/s，传输距离为10m（10Mb/s时）～1000m（≤100kb/s时）。CCITT V.11/X.27建议采用这种电气连接方式，EIA RS-423标准与之兼容。
3．功能特性
功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其他信号之间的关系。
DTE/DCE标准接口的功能特性主要是对各接口信号线作出确切的功能定义，并确定相互间的操作关系。对每根接口信号线的定义通常采用两种方法：一种方法是一线一义法，即每根信号线定义为一种功能，CCITT V24、EIA RS-232-C、EIA RS-449等都采用这种方法；另一种方法是一线多义法，指每根信号线被定义为多种功能，此法有利于减少接口信号线的数目，它被CCITT X.21所采用。
接口信号线按其功能一般可分为接地线、数据线、控制线、定时线等类型。对各信号线的命名通常采用数字、字母组合或英文缩写三种形式，如EIA RS-232-C采用字母组合，EIA RS-449采用英文缩写，而CCITT V.24则以数字命名。在CCITT V.24建议中，对DTE/DCE接口信号线的命名以1开头，所以通常将其称为100系列接口线，而用于DTE/ACE接口信号线命名以2开头，故将它称做200系列接口信号线。
4．规程特性
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。
DTE/DCE标准接口的规程特性规定了DTE/DCE接口各信号线之间的相互关系、动作顺序以及维护测试操作等内容。规程特性反映了在数据通信过程中，通信双方可能发生的各种可能事件。由于这些可能事件出现的先后次序不尽相同，而且又有多种组合，因而规程特性往往比较复杂。描述规程特性一种比较好的方法是利用状态变迁图。因为状态变迁图反映了系统状态的变迁过程，而系统状态迁移正是由当前状态和所发生的事件（指当时所发生的控制信号）所决定的。
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。