物理层的功能、优缺点

在本网络文章中，我们将介绍物理层的功能、优点和缺点。我们还将介绍物理层使用的拓扑结构和组件。

什么是物理层？

在计算机网络中，有一个七层模型称为OSI模型。物理层是OSI模型的第一层或基础层。该层负责处理负责促进计算机网络连接的物理连接。它与连接不同设备以形成网络的物理连接有关。该层可以由称为PHY芯片的芯片组实现。

它充当网络中不同设备之间通信和共享文件的媒介。它提供电气、机械或物理手段来传输网络中的消息或资源。物理层指定了这些物理连接的各种属性。它指定了连接材料的属性和形状。它还确定了电气连接的类型以及用于传输的频率。它还指定了用于传输数据的代码行，类似于物理层定义的低级参数。

物理层执行的功能

OSI模型中的物理层决定了数据流的原始比特将通过网络中不同节点之间的物理线缆或连接传输的媒介。

数据比特流被组合成代码或符号，并转换为物理信号。该信号通过传输媒介传输。传输媒介可以是连接网络中节点的任何线缆。

该层还包括负责通过网络传输数据的电子电路技术。它充当网络中更高级功能的底层。这些功能可以使用具有无数硬件组件的各种硬件技术来实现，这些组件的特性可能各不相同。

在计算机网络的OSI模型中，物理层的任务是将数据链路层转发的逻辑通信请求进行转换，使其适合硬件相关的操作，例如接收和发送这些信号。

物理层负责生成逻辑数据包。这些数据包承载了数据链路层中在计算机网络中不同节点之间共享的信息。

物理层的优点

物理层处理网络的物理方面。物理层执行的主要功能如下：

1. 数据通过物理传输媒介逐位或逐符号在物理层传输。
2. 物理层还为传输媒介提供了标准化的接口。它指定了网络中物理连接的机械规范。这些规范包括线缆和连接线的物理能力，例如线缆长度。它还规定了传输线的电气规范、信号电平和阻抗。
3. 该层还负责确定媒介的电磁兼容性。它包括电磁频谱的频率及其范围。它还规定了传输的信号强度和带宽。
4. 用于连接网络中节点的线缆。基于物理层定义的上述属性，这些线缆也各不相同。它们可以是电气的或光学的。它们有时并非都是物理的，因为它们可以是无线通信链路，如无线电信号或自由空间光通信。
5. 进行线路编码以将数据转换为电信号。这些电信号可以调制到不同的载波上。数据流在比特级别进行管理。在比特级别管理数据的过程称为比特同步。它在同步串行通信中执行，并在异步通信中进行控制。它还通过使用简单的电路或复用技术，允许多个节点共享网络中的传输媒介。
6. 一些复杂的MAC协议允许用户在不同节点之间共享传输媒介。这些协议实现了载波侦听和冲突检测。它还使用均衡和脉冲成形等信号处理技术来提高网络中数据传输的可靠性和效率。
7. 该层还确定了数据从网络中的一个节点传输到另一个节点的速度。这个速度称为数据速率，对于网络中的不同节点可以不同。
8. 它还负责执行比特同步。它有一个时钟，通过在比特级别同步数据来管理发送方和接收方。
9. 它还有助于确定数据传输的方向。数据可以在一个方向或两个方向上传输。
10. 它确定了网络的物理拓扑。网络拓扑可以定义为网络中节点的排列。它由网络中节点或设备连接的模式决定。物理拓扑的各种类型有总线型、网状型、星型和环型。
11. 它还通过提供物理媒介来促进传输。它还负责处理与媒介接口相关的决策。
12. 它提供了两种数据传输配置。它们可以是点对点配置（将数据从一个节点传输到另一个节点）或多点配置（同时将数据发送到多个节点）。
13. 它还提供了个人计算机等设备与网络中其他节点之间的接口。
14. 它还有一个用于比特数据单元的协议。
15. 许多对网络至关重要的重要设备都在物理层工作。这些设备是集线器、以太网等。
16. OSI模型中的物理层属于硬件层；因此，它负责处理网络的物理组件。它负责建立和处理这些网络组件之间的连接。
17. 该层还负责通信过程中的另一个重要过程，即调制。调制是将数据添加到电信号或光信号中，通过无线电波传输，使其适合通过媒介传输的过程。
18. 它还充当交换机制，其中数据包可以从设备的一个端口传输到另一个设备的另一个端口。发送端口是发送方端口，接收端口是目标端口。

物理层的缺点

• 数据顺序传输：虽然物理层尝试按顺序将数据发送到接收节点，但它没有错误控制或流量控制；因此，数据可能会丢失、重复或修改。
• 故障检测：物理层没有机制来解决任何故障；因此，在物理层出现任何故障时，它会通知数据链路层。
• 终止物理连接：当用户想要断开连接时，物理层通过停用网络中节点之间的物理链路来断开整个连接。
• 同步：物理层无法执行数据链路层执行的字符和帧同步。

物理拓扑：优点和缺点

它可以被称为网络中节点的地理表示。网络中有四种常见的物理拓扑类型。这四种拓扑结构如下：

• 总线拓扑：在总线拓扑中，网络中的所有设备都通过公共线缆连接。公共线缆称为网络主干线缆。节点与线缆之间的连接是通过分支线实现的。它比网状和星型拓扑便宜。在该拓扑中，重新安装或重新连接节点并不容易。
• 星型拓扑：在此拓扑中，网络中的所有节点都与充当网络控制器的中央组件具有专用点对点连接。中央设备是集线器。与网状拓扑相比，在星型拓扑中设置节点更容易。此拓扑缺乏容错能力。整个网络依赖于中央组件。如果它发生故障，则整个网络将失败。
• 环型拓扑：在此拓扑中，网络中的节点使用中继器以圆形方式连接。由于它是一个类似于环的圆形排列，因此称为环型拓扑。只有当节点拥有令牌时，节点才可能将数据传输到另一个节点。节点必须拥有令牌才能使用网络传输数据。监控器负责将令牌放入环型拓扑中。
• 网状拓扑：在这种拓扑类型中，网络中的每个节点都与其他所有节点连接。这意味着网络中每个设备之间都存在专用的点对点连接。它是安全的，因为在此拓扑中，每两个设备都有单独的连接，但安装成本高且复杂。

物理层中的配置类型

• 点对点配置：每个设备都在节点之间具有一对一的链接，完全专用于在这些两个设备之间传输数据。
• 多点配置：在此配置中，没有专用连接；相反，所有网络节点都通过一条线路连接。所有设备都使用相同的链路相互传输数据。

传输媒介的模式

根据信息在网络中传输的方向，有三种传输媒介模式。这些模式如下：

• 单工模式：此模式用于两个节点之间，只有一个节点可以传输数据，而另一个节点只能接收数据。例如，键盘到系统的输入发送。电视和广播广播也以单工模式实现。
• 半双工：在此模式下，两个设备都可以传输和接收网络中的数据，但一次只有一个设备可以传输数据；也就是说，使用此传输方法，两个设备不可能同时传输数据。例如，对讲机和警用无线电。
• 全双工模式：此传输模式允许连接在网络中的两个节点同时传输和接收数据。例如，聊天应用程序、语音通话和视频会议。如今，这种传输模式是最常用的。

实施物理层使用的物理组件

PHY

PHY是物理层的缩写。它是系统中的一个电子元件，用作系统主板上的集成电路。PHY是实现OSI模型中网络接口控制器物理层功能的必备IC。

该电路建立与称为 MAC 的链路层设备的连接。MAC 是介质访问控制的缩写。这使用户能够将 MAC 与物理媒介（如光纤或铜缆）连接起来。PHY 设备包含物理编码子层和依赖于媒介的层功能。

PHY 芯片与光纤通信中的模块化收发器一起使用，以在网络模型中形成 PMA 子层。

以太网 PHY

它是OSI模型中在网络模型物理层运行的组件。该组件用于实现以太网连接的物理层部分。以太网 PHY 的功能是为物理媒介或链路提供模拟信号物理访问。以太网 PHY 通常与独立于媒介的接口（MII）接口。它位于微控制器或其他能够执行和管理系统中更高层功能的系统中的 MAC 芯片上。

以太网 PHY 芯片的主要功能是实现以太网帧的硬件发送和接收功能。它充当系统中更高层与以太网线路模块模拟域之间的接口。链路层是 OSI 模型中的下一层，数据域是数字的。因此，它充当数字和模拟数据之间的桥梁。

PHY 仅有时负责管理 MAC 地址。MAC 地址由数据链路层执行。同样，网卡执行 BootROM 和 Wake on LAN 功能。