OSI体系结构（一）——物理层详解

前言

我们知道，虽然OSI协议的实现太过于复杂，几乎没有厂商可以生产出符合该协议的通信产品，但OSI七层模型的体系结构，概念十分清晰，理论也很完整。本文就OSI体系结构来进行介绍和对比。

国际标准化组织除了定义了OSI参考模型外，还开发了实现7个功能层次的各种协议和服务标准，这些协议和服务统称为“OSI协议”。OSI协议是一些已有的协议和OSI新开发的协议的混合体。例如，大部分物理层和数据链路层协议采用的是现有的协议，而数据链路层以上的是由该组织自行起草的。产生OSI协议的目的是提出能满足所有组网需求的国际标准，但到目前为止，实现情况距离这一目标还非常遥远。

虽然OSI协议集缺乏商业动力，但OSI/RM作为网络系统的知识框架，对于学习和理解网络标准还是十分有用的。和其他的协议集一样，OSI协议是实现某些功能过程的描述和说明。每一个OSI协议都详细的规定了特定层次的功能特性。
OSI协议集如下图所示：

下面我们来分别说明7个功能层次的各种协议与各层的功能：

在物理层中，OSI采用了各种现有的协议，其中有RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN，以及FDDI、IEEE 802.3、IEEE 802.4和IEEE 802.5的物理层协议。

物理层（Physical Layer）是OSI模型中最低的一层，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媒体（即通信通道），物理层的传输单位为比特（bit），即一个二进制位（0或1）。实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体。但是需要注意的一点是，物理层并不是指具体的物理设备，也不是指用来传输信息的物理媒体，指的是传输原始比特流的物理连接。

物理层规定：激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。通俗的讲，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体种类繁多，通信手段也有多种方式。物理层的作用就是尽可能地屏蔽掉传输过程中存在的这些差异。同时也规范了传输媒体的相关特性，如：
（1）机械特性（接线器的形状、尺寸、引脚数目、排列等）
（2）电气特性（物理媒体的电压范围等）
（3）功能特性（电平变化的意义等）

敲黑板！：屏蔽指的是减小传输过程中各传输介质所带来的差异，是减小，而非消除。传输信息的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，不在物理层协议之内。因此也有一种说法，称物理媒体为第0层。

下面我们通过一个简单的例子来说明数据通信系统的模型问题。

如上图所示，数据通信系统大致可划分为三部分，即源系统（发送方）、传输系统（传输网络）、目的系统（接收方）。

源系统一般包括如下两部分：

源点：源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站、信源。

发送器：通常，源点产生的数字比特流需要经过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器，当然了，现如今绝大多数计算机使用内置的调制解调器（包含调制器、解调器），用户在计算机外部看不到调制解调器。

目的系统一般也包含两部分：

接收器：信息从源点产生，经由发送器编码后发送。接收器则用于传输系统中传送来的信息，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它将模拟信号解调，还原出发送端产生的比特流。

终点：接收器将模拟信号解调为目的设备能够识别处理的比特流后，终点设备便从接收器获取经解调后的信息，并将信息输出。终点又称为目的站、信宿。

下面我们介绍几个常用的术语：
信息：如语音、文字、图像、视频等，都是信息。
数据：使用特定的方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器或人产生。
信号：数据的电气或电磁表现。

根据信号中代表信息的参数的取值方式不同，信号又可以分为两类：
模拟信号（连续信号）：代表信息的参数的取值是连续的。
数字信号（离散信号）：代表信息的参数的取值是离散的。

数据在传输介质中传输——信道

信道（channel）与电路并不是等同的概念。信道一般用来表示向某一方向传送信息的媒体，因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

模拟信道的带宽
模拟信道的带宽如上图所示，信道带宽为W=f2-f1 。f1是信道能够通过的最低频率，f2是信道能够通过的最高频率，二者都是由信道的物理特性决定的。为使信号在传输的过程中的失真小一些，信道要有足够的带宽。

数字信道是一种离散信道，它只能传送去离散值的数字信号。信道带宽决定了信道中能不失真地传输脉冲序列的最高速率。一个数字脉冲称为一个码元，以码元的速率（单位：波特，Baud）表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T

早在1924年，贝尔实验室的研究员亨利·奈奎斯特就推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率，即奈奎斯特定理:若信道带宽为W，则最大码元速率为B=2W （Baud）

注：奈奎斯特定理为无噪声情况下的信道最大码元速率

码元携带的信息量有码元取的离散值的个数决定。一个码元携带的信息量n（位）与码元的种类N关系如下：
N=log2N（N=2n）

单位时间内在信道上传送的信息量（位数）称为数据速率。在一定的波特率下提高速率的途径就是用一个码元表示更多的位数。用R表示数据速率，则有如下公式：
R=B log2N=2W log2N（bps）
上式为无噪声理想情况下的数据速率极限值，而在实际应用中，信道会受到各种各样的噪声干扰，远远达不奈奎斯特定理计算出的数值。香农（Shannon）经过研究提出了有噪声信道的极限数据速率，即著名的香农定理：
C=W log2 (1+S/N)
其中，W为信道带宽，S为信息的平均功率，N为噪声平均功率，S/N称为信噪比。由于实际使用中S和N的比值太大，故常取分贝数（dB）。分贝与信噪比的关系为:
dB=10log10 S/N

注：无论使用何种调制方式，只要给定了信噪比，则单位时间内最大信息传输量就确定了。当然，这个公式计算出的是极限值，实际应用中并不能达到这个极限值。

在实际应用中，有噪声信道数据速率增加意味着传输速度的提升，当然也意味着出现差错的概率增加。我们用误码率表示出现差错的概率。则有误码率公式：
Pc=Ne (出错的位数)/N（传输的总位数）

在通信网络中，误码率一般要求低于10^-6 。在误码率低于一定数值时，可以用差错控制的办法进行检查和纠正。

信道延迟
信号在信道中传播，从信源到达信宿需要一定的时间，这个时间与二者的距离有，也与信道中信号的传输速率有关。对于网络，我们经常需要知道信源与信宿之间的时延，以便使用某种服务。如500m同轴电缆的时延为2.5μs，卫星信道的时延为270ms，电信号的传输速度为200m/μs,电信号具体的时延还需要考虑二者之间的距离。

传输媒体

传输媒体是数据传输系统中在发送器与接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两类：
导引型传输媒体：在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（同轴电缆或光线等）传播。
非导引型传输媒体：指自由的空间，不规定传输方向。在非导引型传输媒体中的传输称为无线传输。

导引型传输媒体

（1）双绞线
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，按照一定规则绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里，距离太长时需要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（模拟传输时），或者需要加装中继器对失真的数字信号进行整形（数字传输时）。导线越粗，传输距离越远。为提高双绞线抗地磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加一层用金属丝编织的屏蔽层，套接后即为屏蔽双绞线（STP，shielded twisted pair）。

双绞线示意图

1991年，美国电子工业协会EIA和电信行业协会TIA联合发布了标准EIA/TIA-568，即“商用建筑物电信布线标准”。这个标准规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A。此标准规定了5个种类的UTP标准（1-5类线）。

（2）同轴电缆

同轴电缆由内导体铜制芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

（3）光缆

光缆有能传送光波的超细玻璃纤维制成，外包一层比玻璃折射率低的材料。进入光纤的光波在两种材料的界面上形成全反射，从而不断的向前传播。

光纤信道中的光源可以是发光二极管（LED，light emitting diode）或注入式激光二极管（ILD，injection laser diode）。这两种器件在有电流通过时产生发出光脉冲，光脉冲通过光导纤维传播到达接收端。接收端利用光电二极管（遇光产生电信号）做成光检测器，这样就形成了一个单向的光传输系统。

存在多条从不同角度入射的光线在一条光纤中传播的情况，这样的光纤称为多模光纤。但是光脉冲在多模光纤中传输是会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤仅适合近距离传输。
若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就成为波导，光在其中无反射地沿直线传播，这种光纤称为单模光纤。

光导纤维作为传输介质，其优点是很多的。首先它具有很高的数据速率（可达1000Mbps）、极宽的频带、低误码率（与同轴电缆相比，低两个数量级左右，只有10-9）和低延迟。其次，光传输不受电磁干扰，不可能被窃听，安全和保密性良好。最后，光纤的重量轻、体积小、铺设容易，便于施工。

（4）无线信道

通过空间传输信号的，称为无线信道。无线信道包括微波、红外和短波信道等。

从通信双方信息交互的方式来看，存在以下三种基本方式：
（1）单工：即只能有一个方向的通信而没有反方向的。无线电广播和有线电广播就属于单工通信。
（2）半双工：通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送或接收。
（3）全双工：通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而不管是半双工还是全双工通信，均需要两条信道（每个方向各一条）。

非导引型媒体

非导引型媒体(unguided medium)：电波在空气或外层空间中传播，如 无线电频谱等。

注：物理媒体的性能对网络的通信、速度、距离、价格以及网络中的结点数和可靠性都有很大影响，要进行适当的选择。

来自信源的信号常称为基带信号（基本频带信号）。基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有直流成分。许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。

数据的编码与调制

调制分为两大类：一类是仅对基带信号的波形进行变换，使之能够与信道特性相适应，变换后的信号依旧是基带信号，这种调制称为基带调制，又称为编码。

另一类调制为带通调制，即使用载波的方式，把基带信号的频率范围变为较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号。

数据编码

常用编码方案

单极性码：只使用正的或负的电压表示数据。如上图中，用+1V表示二进制数字“0”，用0V表示二进制数字“1”。单极性码常用于电传打字机（TTY）接口以及PC与TTY兼容的接口中。这种编码方式需要单独的时钟信号配合定时。否则当传送一长串数据时，发送机与接收机的时钟将无法定时。另外，单极性码的抗噪声性并不好。

极性码：此编码方式使用正电压表示二进制数“0”，用负电压表示二进制数“1”。这种编码方式比单极性码的电平差大，因而抗干扰性较好，但仍然需要额外的时钟信号。

双极性码：此编码方案中，信号在正、负、零电压之间变化。一种典型的信号交替反转码（Alternate Mark Inversion，AMI）就是双极性码。在AMI信号中，数据流遇到“1”使电平在正和负之间交替翻转，遇到“0”时保持零电平。双极性是三进制信号编码方法，它比二进制编码相比，抗噪声性更好。AMI有内在的检错能力，当正负脉冲交替出现的规律被打乱时容易被识别出来，这种情况叫AMI违例。
缺点：当传送长串“0”是会失去同步信息。

归零码：归零码（Return to Zero，RZ）中，码元中间的信号回归零电平，因此，任意两个码元之间被零电平隔开。与仅在码元之间有电平转换的编码方式相比，RZ具有更好的抗噪声性。如上图所示，从正电平到零电平的转换边表示码元“0”，从负电平到零电平的转换边表示码元“1”。每一位码元中间都有电平转换，使这种编码成为自定时编码。

双相码：同RZ相似，双相码要求每一位中都要有一个电平转换，故此编码方式最大的优点就是自定时，同时也具有检错功能。

不归零码：Not Return to Zero，NRZ。当出现“1”时电平翻转，出现“0”时电平不翻转。区分“0”和“1”的方法是观察电平是否发生转换。

曼彻斯特编码：曼彻斯特编码（Manchester Code）是一种自定义双相码，即电平变化的意义是可以自主定义的。一种情况是，从高电平转换为低电平表示“0”，从低电平转换为高电平表示“1”。因为可以自定义，从高到低表示“1”，从低到高表示“0”也是可以的。

差分曼彻斯特编码：差分曼彻斯特编码中，码元中间的电平转换边只作为定时信号而不表示数据。该编码的特点是：在“0”前沿有电平翻转，在“1”前沿没有电平翻转。

多电平编码：这种编码方式可以取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位。与二进制编码方式相反，多电平码的数据速率大于波特率，因此可以提高频带的利用率。但这种编码方式抗噪声性较差，数据在传输过程中容易畸变到无法区分。

4B/5B编码：在双相码中，每位中间都有一次电平的跳变。因此数据速率为波特率的二分之一。为提高编码的效率，降低电路成本，可采用4B/5B编码的方式。

这实际上是一种两级的编码方案。由于其编码的方式比较复杂，在这里便只简单的说一下其过程： 4B/5B编码是百兆以太网中线路层编码类型之一，就是用5bit的二进制数来表示4bit二进制数，其编码效率为80%。其编码规则如下图所示

5位二进制代码的状态共32种，这就保证了在介质上传输的代码能够提供更多的同步信息。8B/10B编码方式其原理与此编码方式原理相同。

调制技术

数据不仅可以用方波脉冲传输，也可以用模拟信号传输。前文讲到，调制分为两大类：基带调制（数字信号，编码）和带通调制（模拟信号，调制）。现在我们来说说调制技术。

可以通过调制模拟载波信号的——幅度、频移和相移来表示数字数据。3种基本模拟调制方式如下图所示：

幅度键控（ASK）：幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。调幅技术实现起来简单，但抗干扰性能较差。

频移键控（FSK）：以数字信号控制载波频率变化的调制方式，根据已调波的相位连续与否，频移键控分为两类：相位不连续的频移键控和相位连续的频移键控。频移键控（Frequency-shiftkeying）是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。

相移键控（PSK）：一种用载波相位表示输入信号信息的调制技术。相移键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫作绝对移相。以二进制调相为例，取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180°。

正交幅度调制（QAM）：正交幅度调制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为90度（π/2）的正弦波，因此被称作正交载波。

QPSK四相相移键控（QuadraturePhaseShiftKeying)：利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。 QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45°，135°，225°，315°，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特 码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息 比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。

脉冲编码调制

将数字信号转换为模拟信号，其在数字通道中传输时效率高，失真小。接收方接收时需要使用编码解码器将模拟信号重新还原为数字信号。模拟信号转换为数字信号的过程叫做模拟信号的数字化。常用的数字化技术就是脉冲编码调制技术（Pulse Code Modulation，PCM）。

取样

每个一段时间，模拟信号的当前值作为样本，一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区间内随时间变化的值。由奈奎斯特定理得，取样速率大于等于模拟信号最高频率的两倍，可以用得到的样本空间来恢复原来的模拟信号。即：f=1/T=2fmax
f为取样频率，T为取样周期，fmax 为信号的最高频率。

量化

取样后的样本是连续值，这些样本必须量化为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。

编码

把量化后的值变成相应的二进制代码，可以得到二进制代码序列，其中每个二进制代码都可用一个脉冲串（4位）来表示。这个脉冲串就代表了经PCM编码的模拟信号。

注：取样的速率由模拟信号的最高频率决定。量化级的多少决定取样的精度。在实际应用中，取样的速率不要太高，以免编码解码器的工作频率太快；量化的等级不要太多，能满足需要即可，以免得到的数据量太大。

多路复用技术

多路复用技术是把多个低信道组合成一个高速信道的技术，它可以有效的提高数据链路的利用率，从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务，也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。

频分多路复用技术FDM（Frequency Division Multiplexing）：在一条通信线路上设置多个信道，每路信道的信号以不同的载波频率进行调制，各路信道的载波频率互不重叠，这样一条通信线路就可以同时传输多路信号。

时分多路复用技术TDM（Time Division Multiplexing）：以信道传输时间作为分割对象，通过多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现，因此时分多路复用更适用于数字信号的传输。它又分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。

波分多路复用技术WDM（Wavelength Division Multiplexing）：是光的频分多路复用，它是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。

数字传输系统

T1载波

在实际应用中，应用多路复用技术建立的更高效、更高带宽的通信线路，在美国和日本使用很广的一种通信标准是贝尔的系统的T1 载波。

T1 载波也叫一次群， T1载波的帧结构中,包含24个信道数据(每个8bit),1bit帧同步数据,共193bit每帧,传输一帧的时间是125μs,每个信道数据(8bit)中有7bit是数据，1bit是控制信息。它按照时分多路复用的原理将24路话音信道复合在一条1.544Mbps 的高速信道上。所以对每一路话音通道来说，其数据传输的比特率为7b/125μs=56kb/s,控制信息传输的比特率为1b/125μs=8kb/s,总的比特率为193b/125μs=1.544Mb/s（其中125us为一个取样周期）。

T1载波的更高级复用

E1载波

除北美和日本之外，世界其他地区广泛使用的是E1载波。E1载波是一种2.048Mbps速率的PCM载波。采用同步时分复用技术将30个话音信道（64K）和２个控制信道（16K）复合在一条2.048Mb/s的高速信道上。所谓的同步时分复用是：每个子通道按照时间片轮流占用带宽，但每个传输时间划分固定大小的周期，即使子通道不使用也不能够给其他子通道使用。

E1载波的帧结构

E1载波中，30个子信道用于话音传送数据，2个子信道（CH0、CH16）用于传输控制信令。

同步数字系列

光纤线路的多路复用标准有两个。美国标准叫同步光纤网络（synchronous optical network，SONET）。ITU-T在SONET 的基础上制定出的国际标准叫做同步数字系列（synchronous digital hierarchy，SDH）。SDH的基本速率是155.52Mbps，称为第1级同步传递模块（synchronous transfer module），即STM-1，相当于SONET体系的OC-3速率。

差错控制

奇偶校验是最常用的检错方法。其原理和具体的编码生成过程和校验过程可详见于拙作：

汉明校验码

循环冗余校验码

END
至此，物理层的绝大部分内容均已讲解。存在的不足欢迎大家私聊指正。

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来源：51CTO

作者：wx5e2e56c1a480f

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