物理层介绍

什么是OSI模型中的物理层？

在OSI网络模型中，物理层负责与实际硬件和信号机制交互。物理层是OSI网络模型中唯一真正处理两个不同站点的物理连接的层。此层定义了用于表示二进制信号的硬件设备、电缆、布线、频率、脉冲等。

物理层为数据链路层提供服务。数据链路层将帧交给物理层。物理层将其转换为表示二进制数据的电脉冲。然后，二进制数据通过有线或无线介质发送。

信号

当数据通过物理介质发送时，需要先将其转换为电磁信号。数据本身可以是模拟的，例如人声，也可以是数字的，例如磁盘上的文件。模拟和数字数据都可以用数字或模拟信号表示。

• 数字信号

  数字信号本质上是离散的，表示一系列电压脉冲。数字信号用于计算机系统电路中。

• 模拟信号

  模拟信号本质上是连续波形，由连续电磁波表示。

传输损伤

当信号通过介质传输时，它们往往会恶化。这可能有许多原因，如下所示

• 衰减

  为了让接收器准确地解释数据，信号必须足够强。当信号通过介质时，它往往会变弱。随着距离的增加，它会失去强度。

• 色散

  当信号通过介质传播时，它往往会扩散并重叠。色散量取决于使用的频率。

• 延迟失真

  信号以预定义的速度和频率通过介质发送。如果信号速度和频率不匹配，则信号可能以任意方式到达目的地。在数字介质中，这非常关键，因为某些比特可能比先前发送的比特更早到达。

• 噪声

  模拟或数字信号中的随机干扰或波动被称为信号噪声，它可能会扭曲所携带的实际信息。噪声可以分为以下几类

  • 热噪声

    热量会激发介质的电子导体，这可能会在介质中引入噪声。在一定程度上，热噪声是不可避免的。

  • 互调

    当多个频率共享一个介质时，它们的干扰会在介质中产生噪声。如果两个不同的频率共享一个介质，并且其中一个频率强度过高或组件本身功能不正常，则可能会导致生成的频率与预期不符。

  • 串扰

    这种噪声发生在外部信号进入介质时。这是因为一个介质中的信号会影响第二个介质中的信号。

  • 脉冲噪声

    这种噪声是由不规则的干扰引起的，例如闪电、电力、短路或组件故障。数字数据受这种噪声的影响最大。

传输介质

在两个计算机系统之间发送信息的介质称为传输介质。传输介质有两种形式。

• 导引介质

  所有通信线/电缆都是导引介质，例如双绞线、同轴电缆和光纤。在这种介质中，发送方和接收方直接连接，信息通过它发送（引导）。

• 非导引介质

  无线或开放空间被称为非导引介质，因为发送方和接收方之间没有连接。信息通过空中传播，任何包括实际接收者的人都可以收集信息。

信道容量

信息传输速度被称为信道容量。在数字世界中，我们将其计为数据速率。它取决于许多因素，例如

• 带宽：底层介质的物理限制。

• 错误率：由于噪声导致的信息接收错误。

• 编码：用于信号传输的级别数。

多路复用

多路复用是一种通过单一介质混合和发送多个数据流的技术。此技术需要称为多路复用器 (MUX) 的系统硬件来复用流并将其发送到介质上，以及解多路复用器 (DMUX) 来从介质接收信息并将其分配到不同的目的地。

交换

交换是一种机制，通过该机制，从源发送到目的地的数据/信息并非直接连接。网络具有互连设备，这些设备接收来自直接连接的源的数据，存储数据，分析数据，然后转发到最接近目的地的下一个互连设备。

交换可以分为以下几类

物理层的功用

• 它定义了物理设备和接口的物理特性和功能，以便能够进行传输。它说明了每个设备中引脚的数量以及每个引脚的用途。
• 它列出了用于传输比特的传输介质和信号类型，即电脉冲、光脉冲或无线电信号。
• 它定义了比特编码的过程，例如，对于电信号，多少伏特应该代表 0 比特和 1 比特。
• 它说明了数据传输速率，即每秒传输的比特数；以及比特的持续时间，即比特持续的时间。
• 它定义了网络设备的拓扑结构，即物理布局。
• 它还说明了传输方向，即传输是单工模式、半双工模式还是全双工模式。