OSI七层模型——物理层

OSI模型的物理层位于协议栈的底部。它是 TCP/IP 模型的网络接入层的一部分。如果没有物理层，就没有网络。本模块详细介绍了连接到物理层的三种方法。

1 物理层的用途

1.1 物理连接

不管是在家连接本地打印机还是将其连接到另一国家/地区的网站上，在进行网络通信之前，都必须在本地网络上建立一个物理连接。物理连接可以通过线缆进行有线连接，也可以通过无线电波进行无线连接。

物理连接类型的使用取决于网络设置。例如，在很多企业办公室，员工的台式电脑或笔记本电脑通过线缆物理连接到一台共享交换机上。这种类型的设置称为有线网络。数据通过物理电缆传输。

除了有线连接，许多企业还提供笔记本电脑、平板电脑和智能手机的无线连接。使用无线设备时，数据通过无线电波传输。随着个人和企业都发现了无线连接的优点，无线连接变得越来越普遍。无线网络上的设备必须连接无线接入点 (AP)或无线路由器，像图中显示的那样。

1.1.1 无线路由器

这些是接入点的组件：

1. 无线天线（在上图所示的路由器中，这些天线是嵌入式的。）
2. 几个以太网交换端口
3. 互联网端口

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与公司办公室类似，大多数家庭提供有线和无线网络连接。该图显示了一个家庭路由器和一台笔记本电脑连接到局域网（LAN）。

1.1.2 有线连接到无线路由器

网络接口卡

网络接口卡 (NIC) 将设备连接到网络。以太网网卡用于有线连接（如图所示），而无线局域网（WLAN）网卡用于无线连接。最终用户设备可能包括一种或两种类型的网卡。例如，网络打印机可能只有以太网网卡，因此必须通过以太网电缆连接到网络。其他设备，例如平板电脑和智能手机，可能只包含 WLAN 网卡，必须使用无线连接。

1.1.3 使用以太网网卡进行有线连接

在连接网络时，所有物理连接的性能水平并不是相等的。

1.2 物理层

OSI 物理层通过网络介质传输构成数据链路层帧的比特（位）。该层从数据链路层接收完整的帧，并将这些帧编码为一系列信号，传输到本地介质上。帧由经过编码的比特（位）构成，这些位可以被终端设备或中间设备接收。（注意：编码后，组成帧的位是一次一个地在介质上传送）

位是通过物理介质发送的。物理层将帧编码，并创建电子、光纤或无线电波信号来代表每个帧中的位。然后，将这些信号通过介质逐个发送。目的节点物理层从介质上检索每个信号，将其还原为位表示方式，然后将这些位作为一个完整的帧向上传递到数据链路层。

2 物理层的特征

2.1 物理层标准

OSI 上层的协议及操作是使用软件工程师和计算机科学家设计的软件来执行的。TCP/IP 协议簇中的服务和协议是由互联网工程任务组 (IETF) 定义的。

物理层由工程师开发的电子电路、介质和连接器组成。因此，由相关的电气和通信工程组织定义管制该硬件的标准是很合适的。

在物理层标准的制定和维护中涉及许多不同的国际和国家组织、政府监管机构和私营企业。例如，物理层硬件、介质、编码和信令标准由以下组织定义和管理：

• 国际标准化组织 (ISO)
• 电信工业协会/电子工业协会 (TIA/EIA)
• 国际电信联盟 (ITU)
• 美国国家标准学会 (ANSI)
• 电气电子工程师协会 (IEEE)
• 国家级电信管理局包括美国联邦通信委员会 (FCC) 和欧洲电信标准协会 (ETSI)。

除了这些组织之外，通常还有地方性布线标准组织，例如 CSA（加拿大标准协会）、CENELEC（欧洲电工标准化委员会）和 JSA/JIS（日本标准协会），开发本地规范。

2.2 物理组件

物理层标准管理三个功能区：

• 物理组件
• 编码
• 信令

物理组件

物理组件是电子硬件设备、介质和其他连接器，它们用于传输用于表示位的信号。网卡、接口和连接器、线缆材料以及线缆设计等硬件组件均按照物理层的相关标准进行规定。Cisco 1941 路由器上的各种端口和接口也属于物理组件，根据标准使用特定连接器和引脚。

2.3 编码

编码或线路编码是一种将数据位流转换为预先定义“代码”的方法。这些代码就是位的编组，用于提供一种可预测模式，以便发送者和接收者均能识别。换句话说，编码是用于表示数字信息的方法或模式。这类似于摩尔斯电码如何使用一系列点和短划线编码消息。

例如，曼彻斯特编码的 0 位表示为从高到低的电压转换，而 1 位表示为从低到高的电压转换。曼彻斯特编码的一个示例如图所示。转换在每个位周期的中间进行。这种类型的编码用于 10 Mbps 的以太网。更快的数据速率需要更复杂的编码。曼彻斯特编码用于较旧的以太网标准，如 10BASE-T。 以太网 100BASE-TX 使用 4B/5B 编码。1000BASE-T 使用 8B/10B 编码。

转换在每个周期的中间进行

2.4 信令

物理层必须在介质上生成代表“1”和“0”的电信号、光信号或无线信号。表示位的方法称为信令方法。物理层标准必须定义哪种类型的信号代表“1”，而哪种类型的信号代表“0”。这可以简单到只是改变电信号或光脉冲的级别。例如，长脉冲可能代表 1，而短脉冲可能代表 0。

这类似于莫尔斯电码中使用的信令方法，可以使用一系列开关音、灯或点击通过电话线或在海上船舶之间发送文本。

2.5 带宽

不同的物理介质所支持的位传输速率不同。数据传输的讨论通常都会提及带宽。带宽是介质承载数据的能力。数字带宽可以测量在给定时间内从一个位置流向另一个位置的数据量。带宽通常使用千位每秒 (kbps)、兆位每秒 (Mbps) 或千兆位每秒 (Gbps) 来度量。有时带宽被认为是位传输的速度，而这是不准确的。例如，在 10Mbps 和 100Mbps 的以太网上，都以电的速率发送位。不同的是每秒传输的位的数量。

多种因素的结合，决定了网络的实际带宽：

• 物理介质的属性
• 信令和检测网络信号所选用的技术

物理介质属性、当前技术和物理法则共同扮演确定可用带宽的角色。

该表显示了带宽的常用计量单位。

带宽单位	缩写	当量
位/秒	bps	1 bps = 带宽的基本单位
千位/秒	Kbps	1 Kbps = 1,000 bps = 10^3 bps
兆位/秒	Mbps	1 Mbps = 1,000,000 bps = 10^6 bps
千兆位/秒	Gbps	1 Gbps = 1,000,000,000 bps = 10^9 bps
兆兆位/秒	Tbps	1 Tbps = 1,000,000,000,000 bps = 10^12 bps

2.6 带宽术语

用来衡量带宽质量的术语包括:

• 延迟
• 吞吐量
• 实际吞吐量

延迟

延迟是指数据从一个给定点传送到另一给定点所用的时间，包括时延。

在拥有多个网段的网际网络或网络中，吞吐量不能超过从源到目的地之间路径的最低链路。纵使这些网段全部或多数具备高速带宽，它也只使用那段低速率路径的吞吐量，这就会造成整个网络的吞吐量瓶颈。

吞吐量

吞吐量是给定时段内通过介质传输的位的量度。

由于各种因素的影响，吞吐量经常与物理层实施中指定的带宽不符。吞吐量通常低于带宽。影响吞吐量的因素有很多:

• 流量大小
• 流量类型
• 从源通往目的地的过程中遇到的网络设备数量所造成的延时。

许多在线速率测试可以测出互联网连接的吞吐量。图中提供了一个速率测试结果的示例。

实际吞吐量

用于评估可用数据传输的第三个测量标准称为实际吞吐量。实际吞吐量是在给定时间段内传输的有用数据的衡量标准。实际吞吐量就是吞吐量减去建立会话、确认、封装和重传所产生的流量开销。实际吞吐量总是低于吞吐量，而吞吐量通常低于带宽。 

3 铜缆布线

3.1 铜缆布线的特征

铜缆布线是当今网络中最常用的布线类型。事实上，铜缆布线不仅仅是电缆的一种。有三种不同类型的铜缆布线，每一种都用于特定的情况。

网络使用铜介质是因为其价格低廉、易于安装、对电流的电阻低。但是，铜介质受到距离和信号干扰的限制。

在铜缆中，通过电脉冲传输数据。目的设备网络接口中的探测器接收的信号必须可成功解码为与发送的信号相符。但是，信号传输的距离越远，信号下降就越多。这称为信号衰减。因此，所有铜介质必须严格遵循指导标准所指定的距离限制。

电脉冲的时间和电压值易受两个干扰源的干扰：

• 电磁干扰 (EMI) 或射频干扰 (RFI) - EMI 和 RFI 干扰信号会扭曲和损坏通过铜介质承载的数据信号。EMI 和 RFI 的潜在来源包括无线电波和电磁设备（如荧光灯或电动机）。
• 串扰 - 串扰是一根电线中信号的电场或磁场对邻近电线中的信号造成的干扰。在电话线上，串扰会由相邻电路中另一语音会话的接听部分引起。具体而言，当电流流经电线时，会在电线周围产生一个较小的环形磁场，而相邻电线可能接收到该磁场。

该图显示的是数据传输如何受到干扰的影响。

 纯数字信号电压时间干扰信号电压时间被干扰的数字信号电压时间计算机读取的内容已改变的信号

1. 传输纯数字信号
2. 在介质上有一个干扰信号
3. 数字信号被干扰信号破坏了。
4. 接收计算机读取一个已改变的信号。注意，0位现在被解释为1位。

为了应对 EMI 和 RFI 的负面影响，某些类型的铜缆会用金属屏蔽套包裹，并要求适当的接地连接。

为了应对串扰的负面影响，某些类型的铜缆将相反电路线对绞合在一起以有效消除串扰。

使用以下建议也可以限制电子噪音对铜缆的影响：

• 选择的电缆类型或类别要适合特定的网络环境。
• 设计电缆基础设施时应规避建筑结构中已知和潜在的干扰源。
• 使用包括正确处理和端接电缆的布线技术。

3.2 铜缆布线的类型

网络中使用的铜介质有三种主要类型。

3.3 非屏蔽双绞线 (UTP)

非屏蔽双绞线 (UTP) 布线是最常用的网络介质。通过 RJ-45 连接器端接的 UTP 布线用于网络主机与中间网络设备的互连，例如交换机和路由器。

在 LAN 中，UTP 电缆由四对用颜色标记的电线组成。这些电线绞合在一起，并用软塑料套包裹，以避免较小的物理损坏。电线的扭绞有助于防止电线之间的串扰。

如图所示，颜色标记用于标识各对绞线对和电线，以方便电缆端接。

图中的数字表明了非屏蔽双绞线的一些关键特征:

1. 外层护套可防止铜缆受到物理损坏。
2. 线对扭绞可防止信号串扰。
3. 颜色编码的塑料绝缘层使电线之间相互隔离并标识每个线对。

3.4 屏蔽双绞线 (STP)

屏蔽双绞线 (STP) 比 UTP 布线提供更好的噪声防护。但是，与 UTP 电缆相比，STP 电缆更加昂贵而且不易安装。和 UTP 相同，STP 也使用 RJ-45 连接器。

STP 电缆结合屏蔽技术来应对 EMI 和 RFI，使用线缆扭绞技术来应对串扰。为了充分利用屏蔽的优势，STP 电缆使用特殊屏蔽 STP 数据连接器进行端接。如果电缆接地不正确，屏蔽就相当于一个天线，会接听多余信号。

显示的 STP 电缆有四对电线，每一对使用金属箔包裹，然后整体再用金属编织网或金属箔包裹。

图中的数字表明了屏蔽双绞线的一些关键特征:

1. 外层护套
2. 金属编织或箔屏蔽
3. 金属箔屏蔽
4. 双绞线

同轴电缆

同轴电缆，或简称同轴，由于它的两根导线共享同一个中轴而得名。如图所示，同轴电缆包括：

• 一根用于传输电子信号的铜导线。
• 包裹着铜导线的柔软的塑料绝缘层。
• 绝缘材料的表皮是编织铜线或金属箔，作用相当于电路中的第二条电线，而且还可作为内部导体的屏蔽层。这个第二层，或称屏蔽层，还可减少许多外部电磁干扰。
• 整个电缆由一层电缆表皮覆盖，使其免于较小的物理损坏。

同轴电缆使用许多不同类型的连接器。图中显示了卡口式Neill–Concelman (BNC)、N 型和 F 型连接器。

虽然 UTP 电缆在现代以太网安装中最终取代了同轴电缆，但在以下情形中仍采用同轴电缆设计：

• 无线安装 - 用同轴电缆将天线连接到无线设备。同轴电缆可传送天线和无线电设备之间的射频 (RF) 能量。
• 有线电视互联网安装 - 有线电视服务提供商为其客户提供互联网连接，他们会使用光缆替换同轴电缆和支撑放大元件部分。但是，客户所在地的布线仍采用同轴电缆。

图中的数字表明了同轴电缆的一些关键特征:

1. 外层护套
2. 铜网屏蔽
3. 塑料绝缘层
4. 铜质导线

4 UTP 布线

4.1 UTP 布线的属性

由于 UTP 布线是 LAN 中使用的标准，因此本主题将详细介绍其优点和局限性，以及如何来避免出现问题。

在用作网络介质时，UTP电缆由四对用颜色标记的铜线组成。这些铜线扭绞在一起，并用软塑料套包裹。在安装过程中，它尺寸较小是有利的。

UTP 电缆并不使用屏蔽层来对抗 EMI 和 RFI 的影响。相反，电缆设计者发现他们可以通过以下方式来减少串扰的负面影响：

• 抵消 - 电缆设计者现在对电路中的电线进行配对。当电路中的两根电线紧密排列时，彼此的磁场正好相反。因此，这两个磁场相互抵消，也抵消了所有的外部 EMI 和 RFI 干扰信号。
• 变化每个线对中的扭绞次数 - 为了进一步增强配对电线的抵消效果，设计者会变化电缆中每个线对的扭绞次数。UTP 电缆必须遵守精确的规定来管理每米（3.28 英尺）电缆所允许的扭绞次数或编织数。请注意，图中橙色/橙白色线对比蓝色/蓝白色线对的扭绞次数要少。每个彩色线对扭绞的次数不同。

UTP 电缆仅通过线对扭绞的抵消效果来减小信号衰减，并为网络介质中的线对提供有效的自屏蔽。

4.2UTP 布线标准和连接器

UTP 布线遵循由 TIA/EIA 共同制定的标准。具体而言，TIA/EIA-568 规定了 LAN 安装的商业布线标准，它是 LAN 布线环境中最常用的标准。定义的一些要素如下：

• 电缆类型
• 电缆长度
• 连接器
• 电缆端接
• 测试电缆的方法

电气电子工程师协会 (IEEE) 定义了铜缆的电气特性。IEEE 按照它的性能对 UTP 布线划分等级。电缆分类的依据是它们承载更高速率带宽的能力。例如，5类电缆通常用于 100BASE-TX 快速以太网安装。其他类别包括增强型 5类电缆、6类电缆 和 6a 类电缆。

为了支持更高的数据传输速率，人们设计和构造了更高类别的电缆。随着新的千兆位以太网技术的开发和运用，如今已经很少采用 5e 类电缆，新建筑安装推荐使用 6 类电缆。

下图显示了三种类型的UTP电缆:

-3 类电缆最初用于语音线路的语音通信，但后来用于数据传输。 -5 类和5e 类电缆用于数据传输。5类电缆支持 100Mbps，5e 类电缆支持 1000 Mbps -6类电缆在每对线之间增加了一个分隔器以支持更高的速度。 6类电缆支持高达 10 Gbps。 -7类电缆也支持 10 Gbps。 -8类电缆支持 40 Gbps。

一些制造商制造的电缆超出了 TIA/EIA 6a 类电缆的规格，将其称为 7 类电缆。

 

UTP 电缆的端头通常为 RJ-45 连接器。TIA/EIA-568 标准描述为以太网电缆进行引脚分配（引出线）的电线颜色标记。

如图所示，RJ-45 连接器是压接在电缆末端的插头型组件。

4.2.1RJ-45 UTP 插头

插槽，如图所示，是网络设备、墙壁、小间隔板插座或配线面板的插座型组件。如果端接不正确，每根电缆都将是物理层性能降低的潜在源头。

4.2.2 RJ-45 UTP 插口

此图显示了端接不良的UTP电缆的示例。端接不良的连接器解开的电线裸露在外，且没有被电线表皮全部覆盖。

4.2.3 端接不良的 UTP 电缆

下图显示了端接良好的 UTP 电缆。端接良好的连接器解开的电线长度恰好能满足连接器的连接需要。

4.2.4 端接良好的 UTP 电缆

注意: 电缆端接不当会影响传输性能。

4.3 直通和交叉UTP电缆

根据不同的布线约定，不同的场合可能需要使用不同的 UTP 电缆。这意味着要按照不同的顺序将电缆中的单个电线连接到 RJ-45 连接器的不同引脚组中。

以下是通过使用指定的布线约定得到的主要电缆类型：

• 以太网直通电缆 -最常见的网络电缆类型。它通常用于主机到交换机和交换机到路由器的互连。
• 以太网交叉电缆 -用于互连相似设备的电缆。例如，交换机到交换机、主机到主机或路由器到路由器的连接。但是，由于网卡使用介质相关接口交叉（auto-MDIX）来自动检测电缆类型并进行内部连接，因此现在已将交叉电缆视为传统电缆。

注意: 另一种类型的电缆是思科专有的全反电缆。它用于连接路由器或交换机的控制台端口。

在设备间错误使用交叉电缆或直通电缆不会损坏设备，但也无法连通设备并进行通信。这种常见错误，如果没有连通，首先应进行故障排除，检查设备连接是否正确。

该图标识了 568A 和 568B 标准的各个线对。

该表显示了这些电缆的 UTP 电缆类型、相关标准以及典型应用。

4.3.1 Cable Types and Standards

电缆类型	标准	应用
以太网直通线	两端均为 T568A 或两端均为 T568B	将网络主机连接到交换机或集线器之类的网络设备
以太网交叉线	一端为 T568A，另一端为 T568B	连接两个网络主机或连接两台网络中间设备 （交换机到交换机或路由器到路由器）
全反电缆	思科专有	使用适配器连接工作站串行端口与路由器 控制台端口。

5 光纤布线

5.1 光纤布线的属性

正如您所知，光纤布线是网络中使用的另一种类型的布线。因为它是昂贵的，所以在各种类型的铜缆布线中并不常用。但是光纤布线具有某些特性，使其成为某些情况下的最佳选择，您将在本主题中发现这一点。

与其他网络介质相比，光缆能够以更远的距离和更高的带宽传输数据。不同于铜缆，光缆传输信号的衰减更少，并且完全不受 EMI 和 RFI 影响。光纤常用于互连网络设备。

光纤是一种由非常纯的玻璃制成的极细透明的弹性线束，和人的头发差不多大。通过光缆传输时，位会被编码成光脉冲。光缆用作波导管或“光导管”，以最少的信号丢失来传输两端之间的光。

例如，想象有一个空纸巾卷筒，其内部像是由一个镜子覆盖，长为 1000 米，并且有一个小激光棒用于以光速发出莫尔斯电码信号。实质上这就是光缆运行的方式，只不过其直径更小，并且使用了复杂的光技术。

 

5.2光纤介质的类型

光缆通常分为两种类型：

• 单模光纤 (SMF)：单模光纤包含一个极小的芯，使用昂贵的激光技术来发送单束光，如图所示。单模光纤在跨越数百公里的长距离传输情况下很受欢迎，例如应用于长途电话和有线电视中的光纤。

• 多模光纤 (MMF)：多模光纤包含一个稍大的芯，使用 LED 发射器发送光脉冲。具体而言，LED 发出的光从不同角度进入多模光纤，如图所示。普遍用于 LAN 中，因为它们可以由低成本的 LED 提供支持。它可以通过长达 550 米的链路提供高达 10 Gb/s 的带宽。

 多模和单模光纤之间的主要区别之一就是色散的数量。色散是指光脉冲在时间上的分布。色散增加意味着信号强度损失增加。多模光纤具有比单模光纤更大的色散。这就是为什么多模光纤在信号丢失之前只能传播 500 米。

5.3 光纤布线的使用

目前光纤布线用于四类行业：

• 企业网络 - 用于主干布线和基础设施设备互连。
• 光纤到户 (FTTH) - 用于为家庭和小型企业提供不间断宽带服务。
• 长距离传输网络 - 由服务提供商用于连接国家/地区与城市。
• 水下有线网络 - 用于提供可靠高速、高容量的网络解决方案，使其在深度与横跨海洋的距离相当的严酷海下环境中仍能生存。在互联网上搜索“海底电缆电信地理地图”，以在线查看各种地图。

5.4 光纤连接器

光纤连接器在光纤末端连接。有多种类型的光纤连接器。各种连接器类型的主要区别在于尺寸和耦合方式。企业根据其装备来决定将要使用的连接器类型。

注意: 一些交换机和路由器具有通过小型可插拔（SFP）收发器支持光纤连接器的端口。在互联网上搜索各种类型的 SFP。

 

 

 直到最近，光还只能在光纤上沿一个方向传播。因此，需要两根光纤来支持全双工操作。因此，光纤跳线是将两根光纤线缆捆绑在一起，并通过一对标准的单光纤接头端接。有些光纤连接器可以在单个连接器上同时传送和接收光纤，称为双工连接器，如图中的双工多模 LC 连接器所示。诸如100BASE-BX之类的BX标准使用不同的波长在单个光纤上发送和接收数据。 

5.5 光纤接插线

需要使用光纤接插线（即光纤跳线）互连基础设施设备。人们使用不同颜色来区分单模和多模接插线。黄色表皮的是单模光缆，橙色（或浅绿色）的是多模光缆。

下面图片依次为：

• SC-SC 多模接插线
• LC-LC 单模接插线
• ST-LC 多模接插线
• SC-ST 单模接插线

 

 

  注意: 光缆在未使用时应该用一个小塑料盖保护起来。

5.6 光纤与铜缆

与铜缆相比，使用光缆有许多优点。表中显示了其中一些不同点。

目前，在大多数企业环境中，光纤主要用作数据分布层设备间的高流量点对点连接的主干布线。它也用于拥有多栋建筑物的校园建筑物互连。光缆不会导电且信号丢失率低，因此非常适合这些场合应用。

5.6.1 UTP and Fiber-Optic Cabling Comparison

表标题

实施问题	UTP 布线	光纤布线
支持的带宽	10 Mb/s - 10 Gb/s	10 Mb/s - 100 Gb/s
距离	相对较短（1 至 100 米）	相对较长（1 至 100,000 米）
不易受到 EMI 和 RFI 干扰	低	高（完全不受影响）
不易受电气危险的影响	低	高（完全不受影响）
介质和连接器成本	最低	最高
安装技能要求	最低	最高
安全预防措施	最低	最高