物理层概述

目录

基本介绍

四个重要特性

物理层的常用标准

EIA RS-232

EIA RS-449

RJ-45?

数字传输系统?

宽带接入技术

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基本介绍

物理层是网络体系结构中的最低层，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媒体上为上一层(指数据链路层)提供传送比特流的一个物理连接。

物理层的主要功能——为它的服务用户(即数据链路层的实体)在具体的物理介质上提供“透明”传输比特流的能力。 ?

物理层的作用——尽可能屏蔽计算机网络使用的物理设备、传输介质和通信方式的差异，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。

四个重要特性

物理层的协议与具体的物理设备、传输介质及通信手段有关。用于物理层的协议也常称为规程。物理层的许多协议是在OSI/RM公布以前制定的，并没有用OSI术语进行描述，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四个重要特性：

• 机械特性：主要定义物理连接的边界点，即接线器物理结构。规定所用接线器的形状和尺寸、插针或插孔的数目和排列次序、固定和锁定装置等。
• 电气特性：主要定义物理连接的边界点，即接线器物理结构。规定所用接线器的形状和尺寸、插针或插孔的数目和排列次序、固定和锁定装置等。
• 功能特性：主要对各接口信号线作出确切的功能定义以及相互间的操作关系
• 规程特性?：主要规定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。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。

物理层的常用标准

EIA RS-232

RS-232-C接口的机械特性

• 使用25芯接线器(与ISO 2110兼容)。
• 在DTE侧采用针式(凸插头)结构，DCE侧采用孔式(凹插座)结构。
• 实际使用可采用芯针较少的9芯接线器。

RS-232-C接口的电气特性

• 采用单端发送单端接收、双极性电源供电，其逻辑1电平为-5V～-15V，逻辑0电平为+5V～+15V，过渡区为-3V～+3V。噪声容限为2V。
• RS-232-C的接口电平不能和TTL、DTL输出、输入的电平(1为2.4V，0为0.4V)相兼容，而必须外加传输线驱动/接收器实现电平的转换。由于目前使用的多芯电缆线间电容为150pF/m，而信号线上最大负载电容应低于2500pF，所以，RS-232-C的最大传输距离为15m。实际的数据传输速率应根据传输距离和信道质量加以选择

RS-232-C接口的功能特性

• 信号线的功能定义见表5-6。信号线共20条，可分为四类：数据线(4条)、控制线(11条) 、定时线(3条)和地线(2条) 。其余5条是未定义或专用的。
• RS-232-C接口有主、辅两种信道。辅信道用于在互连设备之间传送一些辅助的控制信息，通常很少使用，其速率低于主信道。

?RS-232-C接口的规程特性

• 规程特性描述了在不同的条件下，各条信号线呈现“接通”(正电平，逻辑0)或“断开”(负电平，逻辑1)状态的顺序和关系。例如， DTE若想将数据发往传输线路，必须做到CC、CD、CA、CB这4条控制线全部呈“接通”状态，也就是既做到设备就绪，又做到线路就绪。
• 由于RS-232-C对许多用户环境有所限制，而用户又迫切要求改善原有特性，如提高速率、增大距离、追加某些必要的功能(如环回测试)等。于是，EIA于1987年将C版本修订为D版本，1991年又修订为E版本，1997年再修订为F版本。因各版本修订内容不多，许多厂商仍用为原来的旧名称RS-232-C。

EIA RS-449

EIA RS-449 是为替代EIA RS-232-C而提出的物理层标准接口。由 3 个标准组成。

• RS-449　规定了接口的机械特性、功能特性的过程特性(相当于V.35)。
• RS-423-A　规定采用非平衡传输时(即所有的电路共用一个公共地)的电气特性。
• RS-422-A　规定采用平衡传输时(即所有的电路没有公共地)的电气特性

?RS-449接口的机械特性

• 使用37芯和9芯接线器，后者用于辅信道操作。

?RS-449接口的电气特性

• RS-423-A规定了采用差动接收的非平衡电气连接特性。信号电平采用±6V的负逻辑，过渡区为-4～+4V。当传输距离为100m时，速率为10kb/s；距离为10m时，速率为300kb/s。
• RS-422-A规定了采用平衡电气连接特性，信号电平采用±6V 的负逻辑，过渡区为-2～+2V。传输距离为1000m时，速率为100kb/s；距离为10m时，速率可达10Mb/s。 ?

?RS-449接口的功能特性

• 对30条信号线作了功能性定义。与RS-232-C相比，新增的信号线主要是为了解决环回测试和其他功能的问题。
• 这些信号线包括：发送公共回线(SC)、接收公共回线(RC)、本地环路返回(LL)、远程环路返回(RL)和测试模式(TM)等。

RS-449接口的规程特性

• 沿用了RS-232-C的规程特性。

RJ-45?

?RJ-45连接器指的是由IEC(60)603-7标准化的接插件标准定义的8芯的模块化插孔或插座，又称RJ-45插头。IEC (60)603-7是ISO/IEC 11801国际通用综合布线标准的连接硬件的参考标准。

RJ-45插头是一种只能沿固定方向插入并自动防止脱落的塑料接头，俗称“水晶头”。

RJ-45插头上的网线排序的两种方式

• T568A线序，用于网络设备需要交叉连接的场合。所谓“交叉”是指网线的一端按T568A线序连接，另一端按T568B线序连接。交叉连接适用于连接两个网络设备，如两台计算机、集线器或交换机之间。

• T568B线序，用于网络设备直通连接的场合。网线两端都使用T568B线序。直通连接适用于布线系统用户工作区的墙壁插座到计算机，以及两台不同网络设备之间的连接。

RJ-45上各条网线的用途?

线序	功用	线序	功用
1	发送+	5	不用
2	发送－	6	接收－
3	接收+	7	不用
4	不用	8	不用

注意：

• 线序不能随意改动的。如果将线序随意搞乱，将1和3作为发送，2和4作为接收，那么这些线的抗干扰能力就会下降，从而不能保证网络的正常工作。
• 第4芯和5芯可用于话音服务。

数字传输系统?

?在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆的，而长途干线则采用频分复用FDM的模拟传输方式。与模拟通信相比，数字通信无论在传输质量上还是经济上都有明显的优势。

目前，长途干线大都采用时分复用TDM的数字传输方式。PCM传输体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话

由于历史原因，旧的数字传输系统存在许多缺点，最主要是两个方面：

• 速率标准不统一：如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的基于光纤高速数据传输就很难实现。
• 通信不是同步传输：在过去相当长的时间，为了节省经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。?当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成了很大的问题。

?PCM有两个互不兼容的国际标准

北美使用的T1系统，共有24个话路。每个话路的采样脉冲用7bit编码，信令码元用1bit，因此一个话路占用8比特。帧同步是在24路编码之后再加上1比特，这样每帧共有193比特。因为采样频率为8kHz，所以T1一次群的数据率为1.544Mb/s。

?欧洲使用的E1系统，每个时分复用帧（其长度T＝125ms）被划分为32个相等的时隙，其编号为CH0～CH31。CH0作为帧同步，CH16用作传送信令。其余30个时隙作为用户使用的话路。每个时隙传送8比特，因此整个32个时隙共有256比特。同样取采样频率为8kHz，所以E1一次群的数据率为2.048Mb/s。

我国采用E1标准。日本的一次群采用T1，但另立一套高次群的标准。

当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

为了达到数据通信系统的有效、可靠工作，系统必须有一个性能良好的同步系统。

在提出同步数字系列之前。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步PDH方式。PDH采用脉冲填充法以补偿因频率不准确而造成的定时误差。当传输速率较低时，发收时钟的细微差异并不会造成严重的影响，但当数据传输速率不断提高，发收时钟的同步就显得十分重要，就成为一个亟待解决的问题。

?同步光纤网 SONET

1988年，美国首先提出采用光纤传输的物理层标准，取名为同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)。该标准规定：整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，如铯原子钟，精度优于±1×10-11。并对速率、光纤接口、操作和维护作了规定。

SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路等级结构，第1级同步传送信号STS-1(Synchronous Transport Signal)的传输速率是51.84Mb/s。对光信号则称为第1级光载波OC-1(Optical Carrier)。

?同步数字系列 SDH

?ITU-T于1988年以美国标准 SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH 。

一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。其主要区别是：SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

SONET/SDH规定

• 标准光信号的波长为1310nm和1550nm。
• 在物理层为宽带接口使用帧结构的传输技术。如SDH的帧结构为块状帧，其基本信号为STM-1，并可用N个STM-1复用组成STM-N。SDH简化了复用和分用技术，需要时可直接接入到低速支路。SDH还采用自愈混合环形网络结构，并与数字交接系统DACS结合使用，提高了通信网的灵活性和可靠性?

?SONET/SDH标准的意义

• 使不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一。
• 第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。
• 已成为公认的新一代理想的传输网体制。
• SDH标准也适合微波和卫星传输体制。

宽带接入技术

由于因特网的应用也越来越广泛，使用因特网的用户也越来越多，当然用户要求因特网的速率也是越高越好。

“宽带”尚无统一定义。通常有三种说法：①接入因特网远大于56kb/s的速率；②接入因特网要大于1Mb/s以上的速率；③美国联邦通信委员会FCC认为只要双向速率之和超过200kb/s的速率。

目前普遍认为指传输速率超过1Mb/s、具备非拨号接入的、24小时连接的网络基础设施及服务?

从宽带接入介质而言，宽带接入分为宽带有线接入和宽带无线接入两大类别。

宽带有线接入技术包括?

• 基于5/6类线的以太网接入技术
• 基于铜线的xDSL技术?
• 基于混合光纤/同轴电缆的接入技术?
• 光纤接入技术

基于5/6类线的以太网接入技术?

• 以太网已成为普遍使用的网络技术。但是，传统以太网技术不属于接入网的范畴，而是属于用户驻地网领域。
• 基于以太网技术的宽带接入网由局侧设备和用户侧设备组成。局侧设备一般位于小区内，或者位于商业大楼内。用户侧设备一般位于居民楼层内。局侧设备提供与IP骨干网的接口，用户侧设备提供与用户计算机相接的10/100BASE–T接口。局侧设备具有汇聚用户侧设备网管信息和计费功能
• 5类线(CAT5)，带宽100MHz，速率100MB/s，主要用于100BASE-T。超5类线(CAT5e)，带宽155M，主要用于吉比特以太网。6类线(CAT6)，带宽250M，用于架设10吉比特以太网，是未来发展的趋势。
• 基于5/6类线的高速以太网接入技术特别适合中国国情，适于发展FTTZ，再以快速以太网连接到用户的接入方式（用户端速率为10Mb/s或100Mb/s）。

基于铜线的xDSL技术

xDSL技术是利用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务的一种技术。xDSL是各种数字用户线接入技术的统称。其中，DSL是数字用户线的缩写，而字母x作为前缀，用以表示在数字用户线上实现不同的宽带接入方案。

基于混合光纤/同轴电缆接入技术

• 光纤同轴混合HFC接入技术是一种综合应用模拟和数字传输技术、同轴电缆和光缆技术、射频技术等高度分布式的接入网技术。它是电信网和有线电视网相结合的产物，是最先成熟和进入市场的宽带接入技术。
• HFC网除可接收CATV电视信号外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
• 传统有线电视网CATV是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV 网进行改造。

基于HFC接入技术

• HFC网的优点是有很宽的频带。并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。将现有的450MHz 单向传输的有线电视网络改造为750 MHz 双向传输的HFC网。
• HFC网的缺点是：①采用树状结构，安全保密性差；②采用双向传输，频率干扰问题不容忽视；③HFC网的上行信道是所有用户共享的，容易出现信道访问的冲突问题。

?光纤接入技术

• 光纤接入网是指接入网中的传输媒体为光纤的接入网。光纤接入网可分为两大类：有源光网络AON和无源光网络PON。因PON可靠性高、维护方便、投资较低，多采用PON结构。
• 目前流行PON结构有两种：一种是以太网无源光网络EPON，标准是802.3ah。EPON在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现以太网的接入。优点是与现有以太网兼容性好，且成本低，扩展性强，管理方便。另一种是吉比特无源光网络GPON，标准是ITU-T G.984。它采用通用封装方法，可承载多种业务，并能提供服务质量保证，是一种很有潜力的宽带光纤接入技术。