计算机物理层的研究(计算机学院xxxx班xxxxxxxxxx)1前言众所周知，随着计算机网络的普及，越来越多的人通过计算机通信，而物理层则是计算机网络中重要的一个组成部分，在数据传输通信间发挥着重要的作用，物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。

物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。

2 物理层的接口类型与特征网络节点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，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。

物理层图2.1物理层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。

物理层图2.2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。

图2.3物理层非平衡方式：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。

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。

物理层表2.1 物理层的电气特性还规定了DTE/DCE接口线功能特性：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，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3 网络传输介质和网络设备的品牌型号、功能特性、和性能指标3.1网络传输介质到另一方，有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。

双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。

⑵无线传输介质指我们周围的自由空间。

我们利用无线电波在自由空间的传播可以实现多种无线通信。

在自由空间传输的电磁波根据频谱可将其分为无线电波、微波、红外线、激载体，常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。

3.2 网络设备中继器是局域网互连的最简单设备，它工作在OSI体系结构的物理层，它接收并识别网要保证每一个分支中的数据包和逻辑链路协议是相同的。

例如，在802.3以太局域网和802.5令牌环局域网之间，中继器是无法使它们通信的。

网桥工作于OSI体系的数据链路层。

所以OSI模型数据链路层以上各层的信息对网桥来说是毫无作用的。

所以协议的理解依赖于各自的计算机。

网桥包含了中继器的功能和特性，不仅可以连接多种介质，还能连接不同的物理分支，如以太网和令牌网，能将数据包在更大的范围内传送。

网桥的典型应用是将局域网分段成子网，从而降低数据传输的瓶颈，这样的网桥叫“本地”桥。

用于广域网上的网桥叫做“远地”桥。

两种类型的桥执行同样的功能，路由器工作在OSI体系结构中的网络层，这意味着它可以在多个网络上交换和路由数据数据包。

路由器通过在相对独立的网络中交换具体协议的信息来实现这个目标。

比起网桥，路由器不但能过滤和分隔网络信息流、连接网络分支，还能访问数据包中更多的信息。

并且用来提高数据包的传输效率。

网关把信息重新包装的目的是适应目标环境的要求。

网关能互连异类的网络，网关从一个环境中读取数据，剥去数据的老协议，然后用目标网络的协议进行重新包装。

网关的一个较为常见的用途是在局域网的微机和小型机或大型机之间作翻译。

使路由更稳定。

硬件防火墙是保障内部网络安全的一道重要屏障。

它的安全和稳定，重要的。

4数据编码技术数据编码是指把需要加工处理的数据库信息，用特写的数字来表示的一种技术，是根据成，并作为传送、接受和处理的一组规则和约定。

由于计算机要处理的数据信息十分庞杂，有些数据库所代表的含义又使人难以记忆。

为了便于使用，容易记忆，常常要对加工处理的对象进行编码，用一个编码符合代表一条信息或一串数据。

对数据进行编码在计算机的管理中非常重要，可以方便地进行信息分类、校核、合计、检索等操作。

因此，数据编码就成为计算机处理的关键。

即不同的信息记录应当采用不同的编码，一个码点可以代表一条信息记录。

人们可以利用编码来识别每一个记录，区别处理方法，进行分类和校核，从而克服项目参差不齐的缺点，节省存储空间，提高处理速。

几种常见的数据编码方案有：单极性码,极性码,双极性码,归零码,不归零码,双相码，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码，多电平编码。

单极性码:在这种编码方案中，只适用正的(或负的)电压表示数据。

单极性码用在电传打字机接口以及PC机和TTY兼容的接口边表示"0",低电平到高电平的转换边表示"1",位中间的电平转换边既表示数据代码,也作定时信号使用.曼彻斯特编码用在以太网中. 差分曼彻斯特码:码元中间的电平转换边只作定时信号,而不表示数据.数据的表示在于每一位开始处是否有电平转换:有电平转换表示0,无电平转换表示1,差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。

5 数据调制技术“调制”是用模拟信号承载数字或模拟数据。

“调制”与“解调”才是完全相反的两个过程。

模拟通信中可采用调幅、调频、调相等多种调制方式来调制信号；在数字通信中，数字数据通常采用：幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase Shift Keying，PSK）这三种调制方式常用的数字调制技术有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。

更有将幅度与相位联合调制的QAM技术数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形。

所用载波一般是余弦信号，调制信号为数字基带信号。

利用基带信号去控制载波的某个参数，就完成了调制。

调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。

其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数有栽一个上，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制，或相位调制。

调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参量进行调制，其基本公式：载波S（t）= Acos（ωt+ψ）S（t）的参量包括：幅度A、频率ω、初相位ψ，调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。