物理层

　　⑴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.

 　　⑵ 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.

 　　⑶ 完成物理层的一些管理工作.

        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。

　　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".

 　　ISO4092: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.

　　描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，主要包括以下几方面内容：

    （1）机械特性， 指明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的尺寸都有严格的规定。

 　　（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。

　 　　物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进制位流时线路上信号电压高低、阻抗匹配情况、传输速率和距离的限制等．早期的电气特性标准定义物理连接边界点上的电气特性，而较新的电气特性标准定义的都是发送器和接收器的电器特性，同时还给出了互连电缆的有关规定．比较起来，较新的标准更有利于发送和接收线路的集成化工作．物理层接口的电气特性主要分为三类：非平衡型，新的非平衡型和新的平衡型．

 　　非平衡型的信号发送器和接收器均采用非平衡方式工作，每个信号用一根导线传输，所有信号共用一根地线．信号的电平是用+5V～+15V，表示二进制"0"，用-5V～-15V，表示二进制"1"．信号传输速率限于20Kbps以内，电线长度限于15M以内．由于信号线是单线，因此线间干扰大，传输过程中的外界干扰也很大．在新的非平衡型标准中，发送器采用非平衡方式工作．接收器采用平衡方式工作（即差分接收器）．每个信号用一根导线传输．所有信号共用两根地线，即每个方向一根地线．信号的电平使用+4v~+6v表示二进制"0"，用－4V～－6V表示二进制"1"．当传输距离达到1000M时，信号传输速率在3kbps以下，随着传输速率的提高，传输距离将缩短．在10M以内的近距离情况下，传输速率可达300kbps.由于接收器采用差分方式接收，且每个方向独立使用信号地，因此减少了线间干扰和外界干扰．

 　　新的平衡型标准规定，发送器和接收器均以差分方式工作，每个信号用两根导线传输，整个接口无需共用信号就可以正常工作，信号的电平由两根导线上信号的差值表示．相对于某一根导线来说，差值在+4V～+6V表示二进制"0"，差值在－4V～－6V表示二进制"1"．当传输距离达到1000M时，信号传输率在100kbps以下；当在10m以内的近距离传输时，速率可达10Mbps.由于每个信号均使用双线传输，因此线间干扰和外界干扰大大削弱，具有较高的抗共模干扰能力．

 　　（3）功能特性， 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

 　　（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。

　网络节点的物理层控制网络节点与物理通信通道之间的物理连接。物理层上的协议有时也称为接口。物理层协议规定与建立、维持及断开物理信道有关特性，这些特性包括机械的、电气的、功能性的和规程性的四个方面。这些特性保证物理层能通过物理信道在相邻网络节点之间正确地收、发比特流信息，即保证比特流能送上物理信道，并且能在一端取下它。物理层仅单纯关心比特流信息的传输，而不涉及比特流中各比特之间的关系（包括信息格式及其含义），对传输差错也不作任何控制，这就象装御工只管装或御货物，但并不关心货物为何物和作何用一样。

 　　ISO对OSI模型的物理层所作定义为：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、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.21建议第一级（物理级）中也作了类似定义：利用物理的、电气的、功能和规程特性在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。

 　　DTE（Data 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通称，它们是数据的源或目的或既是源又是目的，例如数据输入/输出设备、通信处理机或计算机。DTE具有根据协议控制数据通信的功能。DCE（Data Circuit-Terminating Equipment或Data Communications Equipment）指的是数据电路终接设备或数据通信设备，前者为CCITT所用，后者为EIA所用。
       

        DCE是对网络设备的通称，该设备为用户设备提供入网的连接点。自动呼叫应答设备、调制解调器及其它一些中间装置均属DCE。图2.1是DTE/DCE的接口框图，由图中可见，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、信号的功能特性以及交换电路的规程特性，这样做的基本目的就是便于不同的设备和制造厂家能够根据公认的标准各自独立地制造设备，使各个不同厂家的产品都能相互兼容。

　　机械特性：DTE和DCE之间的接口首先涉及从机械上分界的问题，即规定机械上分界的方法，DTE、DCE作为两种分立的不同设备通常采用连接器实现机械上的互连，即一种设备的引出导线连接插头、另一种设备的引出导线连接插座，然后通过插头、插座将两种设备连接起来。为了使不同厂家生产的DTE、DCE设备便于连接，物理层的机械特性对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及其排列方式、锁定装置形式等作了详细的规定。图2.2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。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连接器成镜象对称。 25芯接头：ISO－2110标准，EIARS－232C和EIARS－366A等标准均与之相兼容。这种25芯的连接器可用于串/并行音频调制解调器、公用数据网络接口、电报（包括用户电报）接口和自动呼叫设备中。34芯接头：ISO－2593标准，这种连接器可用于CCITT V.25建议的宽带调制解调器中。虽然还没有一个EIA标准与之对应，但这种标准在美国已获应用。37芯及9芯接头：ISO－4902标准，用于串行音频和宽带调制解调器中，与EIARS－449标准兼容。15芯接头：ISO－4903标准，这种连接器可用于CCITT X.20、X.21和X.22建议中规定的公用数据网接口中。 　　电气特性：DTE与DCE之间有多根导线相连，这组导线中除了地线是无方向性的以外，其它信号线均有方向性。物理层的电气特性规定了这组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、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大数据传输的说明，以及与互连电缆相关的规则等。DTE与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非平衡方式：采用分立元件技术设计的非平衡接口，每个电路使用一根导线，收发两个方向共用一根信号地线，信号速率小于等于20kbps，传输距离小于等于15m。由于共用信号地线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。 采用差动接收器的非平衡方式：采用集成电路技术设计的非平衡接口，与前一种方式相比，发生器仍使用非平衡式，但接收器使用差动接收器。每个电路使用一根导线，每个方向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300kbps，传输距离10m（300kbps时）至1000m（<=3kbps时）。CCITT V.10/X.26建议采用这种电气连接方式。EIA RS－432A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，使用平衡式发生器和差动式接收器，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小于10Mbps，传输距离为10m（10Mbps时）至1000m（<=100kbps时）。CCITT V.11/X.27建议采用这种电气连接方式。EIA RS－422A标准与之兼容。图2.3给出这三种电气连接方式的结构。

　　物理层的电气特性还规定了DTE/DCE接口线的信号电平、发生器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数。表2.1给出CCITT V.28、V.10和V.11建议中的接口线信号电平。

 　　表2.1 CCITT V.28、V.10、V.11信号电平：物理层协议：“1”电平、 “0”电平。

 　　CCITT V.28建议 相对于信号地－5～+15伏 相对于信号地+5～+15伏

 　　CCITT V.10建议 相对于信号地－4～+6伏 相对于信号地+4～+6伏

 　　CCITT V.11建议 －2～－6伏差动信号 +2～+6伏差动信号 功能特性：物理层的功能特性是指接口的信号根据其来源、作用以及与其它信号之间的关系而各自具有的特定功能。CCITT V.24建议采用每根接口信号线定义一个功能的方法，这个建议已使用很多年了，是规定接口信号线功能的主要标准之一。而CCITT X.24则建议采用每根接口信号线可定义多个功能的方法，这种多重复用一根接口信号线的方法可以减少接口信号线的数量。EIARS－232和EIARS－499标准采用V.24建议，CCITT X.21接口则采用X.24建议。接口信号线按功能一般可分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线等四类。信号线的名称可以采用数字、字母组合或英文缩写三种方式来命名。CCITT V.24建议数字命名法。

 　　按CCITT V.24建议的接口信号线命名方法，DTE－DCE接口信号线的名称的第一位均为“1”，所以也有将其称作100系列接口信号线的说法。相应的，CCITT V.24建议用于DTE－ACE（Automatic Calling Equipment，自动呼叫设备）接口信号线的名称的第一位均为“0”，故又有将这种接口标准称作200系列接口信号线的说法。其它还有一些常用的接口标准，如X.25（分组型公用数据网DTE－DCE接口标准）、X.20（公用数据网起止式传输业务的DTE－DCE接口标准）、X.20 bis（连接在公用数据网上的V系列建议起止式传输DTE－DCE兼容性接口标准）等。

 　　规程特性：物理层的规程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。一个标准的最后形成，是一个需要经过不断的探讨和逐步完善的过程。目前，有关专家正在考虑是否将物理层规程特性中的部分较高级的功能划分到OSI模型的第二层即数据链路层中去。

 　　目前由CCITT建议在物理层使用的规程有V.24、V.25、V.54等V系列标准，以及X.20、X.20 bis、X.21、X.21 bis等X系列标准，它们分别适用于各种不同的交换电路中。物理层中较重要的新规程是EIARS－499 及X.21，然而经典的EIARS－232C仍是目前最常用的计算机异步通信接口。

　　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。

 　　异步传输规程中的每个字符均由四个部分组成：

 　　（1）1位起始位：以逻辑“0”表示，通信中称“空号”（SPACE）。

 　　（2）5～8位数据位：即要传输的内容。

 　　（3）1位奇/偶检验位：用于检错。

 　　（4）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。现在也有一些高档微机，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。

 　　IBM－PC异步通信适配器主要由一片INS8250大规模集成电路芯片组成，其结构框图参见图2.14，所有功能可以通过程序对INS8250进行设置。供编程设置的接口特性有：

 　　（1）数据传输速率可在50bps至9600bps之间选择。

 　　（2）5～8位数据字符比特数的选择。

 　　（3）奇/偶检验位的选择。

 　　（4）1位、1位半及2位停止位的选择。

 　　（5）可分别控制发送、接收、线路状态及数据设备中断。

 　　（6）MODEM控制功能的选择。 INS8250是美国国家半导体公司（NSC）设计的用于8位微机的异步通信接口芯片，为与16位微机相配合，NSC又设计了NS16450异步通信接口芯片，它是INS8250的改进型，主要是速度方面的性能提高了，以适应高性能CPU的读/写时间的要求。但软件方面NS16450完全与INS8250兼容，且封装结构和引脚也完全一致。现在NS16450已经成为微机用异步通信接口芯片的工业标准。从图2.14可以看出IBM-PC异步通信适配的工作原理。首先，可通过程序对INS8250的传输速率、数据格式等进行初始化设置。发送数据时，INS8250便根据设置的参数将要发送的8位并行字符信息转换成串行比特流，并自动加上起始位、检验位和停止位按指定的速率经RS－232C接口发送至外部设备或MODEM。接收数据时，INS8250将外部设备或MODEM发送来的串行比特流数据经RS－232C接口接收并去除起始位、停止位，自动进行奇/偶检验，再转换成8位并行字符数据送给PC机。在整个传输过程中，INS8250对传输过程中的各种状态进行检测，并且PC机可以直接读取这些状态或者由这些状态产生的中断请求，以便全面地对整个传输过程进行控制。

 　　异步通信适配与外部设备或MODEM的连接是通过EIARS－232C标准接口，采用标准的25芯DTE连接器完成的。因为PC机内部使用的信号电平是TTL电平，即0～5伏的正逻辑电平，所以发送和接收时都要进行TTL电平与RS－232C电平的转换，这一功能由通信适配器中的RS-232C驱动器实现。需要说明的是，IBM PC 的异步通信适配器是一种实用技术，它遵循EIARS－232C的标准，但并未用全RS－232C的全部定义。出于实际应用考虑，它没有选用RS－232C标准接口中定义的辅信道接口功能，而利用空余出来的接口信号线位置设置了一种称作“电流环”的接口。电流环也是串行接口中的一种驱动形式，门用于连接具有电流环接口的外部设备。电流环是以其中流动的20mA电流的有、无来表示信号的逻辑状态的。电流环接口只有数据输入/输出部分，没有MODEM控制信号，无法连接MODEM。与RS－232C接口比较，电流环接口采用了光电耦合技术，具有隔离作用，使直接数据传输距离比RS－232C接口长。INS 8250中包含一个可编程波特率发生器，外接晶振频率可取1.8432或3.072MHz，并能够用1至65525之中的任何除数对它进行分频，除数以16位二进制形式存放于两个8位寄存器（即分频数锁存器）中，用户可通过写入锁存器的除数来选择通信适配器的传输速率。