物理层

• 物理层接口与协议
• • 物理层接口
  • 物理层功能和提供的服务
  • • 械特性
    • 电气特性
    • 信 的功能特性
    • 规范特性
  • 物理层协议标准
  • • EIA RS-232C接口标准
    • ITU V.35接口标准
    • IEEE 802系列标准
• 物理层介质
• • 双绞线
  • • 双绞线的类型
    • 双绞线的型
    • UTP接头
    • UTP电缆类型
  • 同轴电缆
  • 光纤介质
  • 无线传输介质
• 数据通信技术
• • 数据通信系统模型
  • 数据传输速率
  • 信道容量
• 数据交换技术
• • 电路交换
  • • 电路建立
    • 数据传输
    • 电路拆除
    • 优点和缺点
  • 文交换
  • 分组交换
  • • 虚电路方式
    • 数据 方式
    • 虚拟电路分组交换与数据 方式对比

物理层接口与协议

物理层位于OSI参考模型的底层，直接面向实际承担数据传输的物理介质，主要功能是实现比特（Bit）流的传输，为上一层（数据链路层）提供数据传输服务。

物理层不是指具体的物理设备或物理介质，而是指使用物理介质为数据链路层提供传输比特流的物理连接。

进入物理层的数据链路帧包含着代表应用层、表示层、会话层、传输层、 络层信息的比特串，这些比特串按照特定协议的要求通过铜缆、光纤或空气等物理介质传输，从一台设备传输到另一台设备。

有可能很多协议的比特流共享此介质，也可能产生物理畸变。为了使数据链路帧通过介质传输，物理层对数据链路帧进行编码以使在介质的另一端的设备可以识别。信 经介质传输后，被解码为代表数据的原始比特，并封装成完整帧送给数据链路层。下图示意了完整的封装过程及被编码的二进制比特通过物理层介质传输到目的地的过程。

IEEE 802系列标准

IEEE为局域 制定了802.1至802.9一系列标准，其中包括物理层标准。

下图所示为IEEE 802标准与OSI参考模型的对应关系。

IEEE 802.3是在以太 （Ethernet）规范的基础上发展起来的，定义了物理层和数据链路层标准，物理层的核心机制是带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）机制。

物理层介质

物理层的传输介质是通信 络中发送方和接收方直接的物理通路，计算机 络中采用的传输介质可以分为有线和无线两大类。

常用的三种有线传输介质是双绞线、同轴电缆和光纤；

常用的无线传输介质主要是电磁波和激光，用于无线电通信、微波通信、红外通信、蓝牙通信、激光通信等。

双绞线

双绞线是局域 中最基本的传输介质，由具有绝缘保护层的4对8芯线组成，每2条线缠绕在一起，称为一个线对。

两根绝缘隔离的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信 干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电磁波会被另一根线上发出的电磁波抵消。

不同线对具有不同的扭绞长度，能够较好地降低信 的干扰辐射。

双绞线两端安装RJ-45接头，用于连接 卡和交换机或路由器的以太口，双绞线的传输范围一般是100 m。

双绞线的类型

双绞线可以分为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）。

非屏蔽双绞线原先是为模拟语言通信而设计的，现在同样支持数字信 ，特别适合较短距离的信息传输，一般五类以上的UTP双绞线的传输速率可以达到100 Mbps。

屏蔽双绞线的价格相对较高，安装时比UTP线缆困难，必须有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术，但它有较高的传输速率。

双绞线的型

EIA/TIA为双绞线电缆定义了6种不同规格的型 。

• 一类线：主要用于传输语音，不用于数据传输。
• 二类线：传输频率为1 MHz，用于语音和最高速率为4 Mbps的数据传输。
• 三类线：传输频率为16 MHz，用于语音及最高传输速率为10 Mbps的数据传输，主要用于10Base-T 络。
• 四类线：传输频率为20 MHZ，用于语音及最高传输速率为16 Mbps的数据传输，主要用于10/100Base-T 络。
• 五类线及超五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输速率为 100 Mbps，用于语音及最高传输速率为 100 Mbps 的数据传输，主要用于10/100Base-T 络，短距离传输也可达到1 Gbps。五类非屏蔽双绞线是最常见的以太 电缆。
• 六类线：传输性能高于五类、超五类标准，最适用于传输速率高于1 Gbps的应用。

UTP接头

UTP双绞线是局域 最常使用的物理连接介质，UTP电缆通常使用ISO 8877指定的RJ-45接头进行端接，该接头可用于多种物理层规范，包括以太 。

如图所示，RJ-45接头是按接在电缆末端的插头型组件，插孔是插座型组件，位于 络设备、墙壁、小间隔板插座或配线面板之上。

无线介质不使用金属或玻璃纤维导体进行电磁信 传递，由于各种各样的电磁波都可以用来承载信 ，所以电磁波被认为是一种介质。

电磁波按频率从低到高可以分为无线电波、微波、红外线。作为 络介质，无线不像有线介质受限于导体或路径，无线介质是所有介质中可移动性最大的介质，使用无线介质的设备数量也不断增加。

无线介质已经成为家庭 络的首选介质，无线连接在企业 络中也迅速受到欢迎。

3G和4G移动 络及卫星通信使用的是不同频率的微波通信，短距离手机互连可以使用蓝牙通信，而家用遥控器一般使用红外线通信。
在无线数据通信领域，IEEE和电信行业标准涵盖了数据链路层和物理层，常见的三种无线数据通信标准如下所述。

• IEEE 802.11标准：无线LAN（WLAN）技术，通常称为Wi-Fi（Wi-Fi不是标准，是Wi-Fi联盟的商标）。
• IEEE 802.15 标准：无线个域 （WPAN），通常称为蓝牙，采用设备配对过程进行距离1～100 m的通信。
• IEEE 802.16：微波接入全球互通（WiMAX），采用点到多点拓扑，提供无线宽带接入。
  另外，移动电话和卫星通信也可以提供数据 络连接。

多年来，IEEE制定了众多802.11标准，如下表所示。

局域 用户通过Internet上 通信

如二进制的一个波形可以表示为0和1两种状态，所以N=2；

通常，N=2k，K为一个波形表示的二进制信息位数，K=lbN；当N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。

当N有两个离散值时，数据传输速率的公式就可简化为S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。由此，可引出另一技术指标——信 传输速率，也称码元速率、调制速率或波特率（单位为波特，记作Baud）。信 传输速率表示单位时间内通过信道传输的码元个数，也就是信 经调制后的传输速率。若每个码元所含的信息量为1比特，则波特率等于比特率。

计算公式如下：

数据交换技术

计算机 络主要进行的是数据通信。

数据经编码后在通信线路上进行传输，通常需要经过中间节点，将数据从信源逐点传送到信宿，从而实现两个设备间的通信。

这些中间节点不关心传输的数据的内容，而是提供一种交换功能，使数据从一个节点传到另一个节点，直至目的地。

通常将作为信源或信宿的一批设备称为 络站，而将提供通信的设备称为节点。这些节点的集合便称为通信 络。如果这些节点连接的设备是计算机和终端的话，那么节点加上站点就构成了计算机 络。

数据传输交换 络按传送技术划分，分为电路交换 、 文交换 和分组交换 。

电路交换

电话交换 是使用电路交换（Circuit Switching）的典型例子。

采用电路交换技术进行数据传输期间，在源和目的节点之间有一条利用中间节点构成的专用物理连接线路，直到数据传输结束，这条物理线路才被释放被其他通信所用。如果两个相邻节点之间的通信容量很大，这两个节点之间可以复用多条线路。

用电路交换技术完成数据传输，需要经历三个过程

1. 电路建立
2. 数据传输
3. 电路拆除

电路建立

如同打电话需要先通过拨 在通话双方之间建立一条通路一样，在传输数据前，要先通过呼叫建立一条端到端的电路。当某两个站点（H1，H2）想建立连接时，呼叫方向与之相连的节点A提出请求，该节点在可能到达目的的路径上寻找可用的路径到达下一个节点B，A节点选择经过B节点的电路并且在此电路上分配一个未使用的通道AB，告诉B还要连接到C节点。B再呼叫C，建立电路BC，最后节点C完成到站点H2的连接。这样，H1和H2之间就建立了一条专用的物理电路ABC，可以进行数据传输，如图所示。

数据 方式

在数据 方式中，每个分组的传送是被单独处理的，

每个分组被称为数据 。每个数据 自身都带有足够的地址信息，一个节点接收到一个数据 后，根据数据 中的地址信息和节点中存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据 发送到下一个节点。

当某一个站点要发送一个 文时，先把 文拆分成若干个带有序列 和地址信息的数据 ，依次发送到 络节点上，此后，各个数据 所走的路劲可能不再相同，因为各个节点随时会根据 络流量、故障等情况选择新的路由，因此不能保证各个数据 按顺序到达目的地，甚至丢失部分数据 。在整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据 做路由选择。

虚拟电路分组交换与数据 方式对比

虚电路分组交换适用于两端间的长时间数据交换，尤其在交互式会话中，免去每个分组都要增加的地址信息的开销，提供了更可靠的通信能力，保证每个分组正确到达，且维持发送时的 文顺序。弱点是一旦某个节点或某条链路出现故障彻底失效，则所有经过故障点的虚电路全部被破坏。

数据 分组交换省去了呼叫建立阶段，在传输少量分组时比虚电路更简便灵活，不同分组可以绕开故障区而到达目的地，因此故障的影响面要比虚电路小的多。但是数据 不能保证分组的按序到达，数据的丢失也不会立即知晓。目前，以太 交换机最常使用的都是数据 交换方式。

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