OSI模型中的物理层

OSI 模型是开放系统互连模型的缩写。它定义了数据从一个系统传输到另一个系统在计算机网络中的过程。例如，最基本的形式是，两个系统通过局域网 (LAN) 电缆连接在一起，并通过网络接口卡 (NIC) 共享数据，该网卡允许在网络上进行通信。但是，如果一个系统基于 Microsoft Windows，而另一个系统基于 macOS，那么这些计算机将如何通信呢？为了在不同架构的系统之间成功通信，国际标准化组织 (ISO) 于 1984 年提出了 7 层 OSI 模型。

OSI 模型中的每一层都是一个协议包。本文将详细介绍 OSI 模型中的物理层。

物理层是 7 层 OSI 模型中最底层也是第一层，它为硬件提供安全性。该层负责通过物理介质传输数据。它是 OSI 模型中最复杂的一层。

物理层将从数据链路层接收到的数据帧转换为比特，即转换为一和零的形式。它通过在不同的网络模式上实现所需的协议来维护数据质量，并通过有线或无线介质的数据传输来维持比特率。

物理层的属性

物理层有几个在 OSI 模型中实现的属性

1. 信号： 数据首先被转换为信号，以便高效传输。信号有两种类型

• 模拟信号： 这些信号本质上是连续的波形，并用连续的电磁波表示用于数据传输。
  • 数字信号： 这些信号本质上是离散的，并表示来自上层的网络脉冲和数字数据。

2. 传输介质： 数据通过传输介质从源头传输到目的地。传输介质有两种类型

• 有线介质： 通过电缆建立连接。例如，光纤电缆、同轴电缆和双绞线电缆。
• 无线介质： 使用无线通信网络建立连接。例如，Wi-Fi、蓝牙等。

3. 数据流： 它描述了数据流的速率和传输时间。影响数据流的因素如下

• 编码： 为在信道上进行传输而对数据进行编码。
• 错误率： 由于传输中的噪声而接收到错误数据。
• 带宽： 信道中数据传输的速率。

4. 传输模式： 它描述了数据流的方向。数据可以以以下三种传输模式传输

• 单工模式： 这种通信模式是单向通信，即设备只能发送数据。例如，鼠标、键盘等。
• 半双工模式： 这种通信模式支持单向通信，即只能传输或接收数据。例如，对讲机。
• 全双工模式： 这种通信模式支持双向通信，即设备可以同时发送和接收数据。例如，蜂窝通信。

5. 传输中的噪声： 传输的数据在数据传输过程中可能因多种原因而损坏。以下是一些原因

• 衰减： 这是通信信道上网络信号的逐渐劣化。
• 色散： 在色散的情况下，数据在传输过程中分散和重叠，导致原始数据丢失。
• 数据延迟： 传输的数据在规定的帧时间之外到达目标系统。

物理层执行各种功能和服务

• 它逐比特或逐符号传输数据。
• 它执行比特同步，这意味着一次只需要将一个比特从一个系统传输到另一个系统。传输过程中不应有比特重叠。可以通过提供时钟来实现比特同步。
• 比特率控制定义了每秒可以传输多少比特，即每秒发送的比特数。
• 物理层负责了解网络中设备之间的排列，称为物理拓扑，例如网状、环形、总线和星形。
• 数据传输的传输模式，有全双工、半双工和单工三种数据传输模式。
• 它负责点对多点、点对点或多点线路配置。
• 它负责异步串行通信中的流控制和启停信号。
• 物理信号的信号处理，如训练序列、脉冲整形、均衡滤波等。
• 它提供比特交织和其他信道编码。
• 它负责串行或并行通信。
• 它提供物理传输介质的标准化接口，包括传输线路信号电平的电气规范、电缆和连接器的机械规范、射频接口以及无线红外通信链路、红外规范。
• 物理层负责调制，即通过将数据添加到光神经信号或电信号上来将信息转换为无线电波。
• 该层负责电路交换。
• 该层涉及自动协商。信号主要有两种：数字信号和模拟信号。物理层决定使用哪种信号将数据从一个点传输到另一个点。
• 它还避免了网络中数据流之间的冲突，因为数据包不可恢复。
• 它负责转换从数据链路层接收到的数据以供进一步传输。

物理拓扑

物理拓扑是指网络中设备之间进行传输的连接的规格或结构。拓扑结构有四种类型，如下所示

星型拓扑

星形拓扑是一种网络拓扑，其中网络中的每个节点或设备都单独连接到一个中心节点，该节点可以是交换机或集线器。这种拓扑看起来像一颗星星，因此称为星形拓扑。

集线器不提供路由数据，但它将数据传输到连接到它的其他设备。这种拓扑的优点是，如果一根电缆发生故障，只有连接到该电缆的设备会受到影响，而其他设备则不会。

总线拓扑

总线拓扑由一条通信线路或电缆组成，该线路或电缆连接到每个节点。该网络的骨干是中心电缆，每个节点都可以通过中心电缆与其他设备通信。

信号从一个线路端子传输到另一个线路端子。端子在信号到达导线末端时停止信号，以避免信号反射。每个计算机都独立地与其他计算机通信，这被称为点对点网络。每台计算机都有一个唯一的地址，因此如果要将消息发送到特定计算机，设备可以直接与该计算机通信。

总线拓扑的优点是，一个设备的故障不会影响其他设备。总线拓扑的构建成本不高，因为它只使用一根电线，并且适用于小型网络。

环形拓扑

在环形拓扑中，设备以环形连接，以便每个设备都有两个邻居进行通信。数据沿环形在一个方向上移动。

正如您在下面看到的，所有四个设备都以环形连接。每个设备都有两个邻居。节点 2 和节点 4 是节点 1 的邻居；同样，节点 1 和节点 3 是节点 2 的邻居，等等。

环形拓扑的优点是，如果您想在环形中添加另一个设备，您需要额外的电缆。同样，您可以移除一个设备并连接导线。

网状拓扑

在网状拓扑中，每个系统都直接连接到所有其他系统。网状拓扑的优点是不会出现流量问题，因为每个设备都有专用的通信线路。如果一个系统无法运行，也不会影响其他设备。它提供了更多的安全或隐私。

网状拓扑的缺点是它比其他拓扑昂贵且复杂。

物理层的重要性

• 如果没有在物理层进行正确的数据转换，网络就无法运行。
• 物理层负责维护硬件与网络模式之间的通信。
• 它处理要传输的数据的数据流速率以及传输数据的时间范围。

结论

• 在本文中，您学习了 OSI 模型中的物理层。物理层提供了通过网络链路传输和接收比特所需的硬件。
• 您已经学习了物理层的属性，例如用于数据传输的信号类型、传输的有线和无线介质、数据流速率以及传输中的噪声。
• 您已经阅读了物理层的各种功能和职责。
• 您已经学习了物理拓扑，如星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑和网状拓扑。
• 最后，您已经了解了物理层在 OSI 模型中的重要性。