前言
我們知道，雖然OSI協議的實現太過於複雜，幾乎沒有廠商可以生產出符合該協議的通信產品，但OSI七層模型的體系結構，概念十分清晰，理論也很完整。本文就OSI體系結構來進行介紹和對比。
國際標準化組織除了定義了OSI參考模型外，還開發了實現7個功能層次的各種協議和服務標準，這些協議和服務統稱爲“OSI協議”。OSI協議是一些已有的協議和OSI新開發的協議的混合體。例如，大部分物理層和數據鏈路層協議採用的是現有的協議，而數據鏈路層以上的是由該組織自行起草的。產生OSI協議的目的是提出能滿足所有組網需求的國際標準，但到目前爲止，實現情況距離這一目標還非常遙遠。
雖然OSI協議集缺乏商業動力，但OSI/RM作爲網絡系統的知識框架，對於學習和理解網絡標準還是十分有用的。和其他的協議集一樣，OSI協議是實現某些功能過程的描述和說明。每一個OSI協議都詳細的規定了特定層次的功能特性。
OSI協議集如下圖所示：
下面我們來分別說明7個功能層次的各種協議與各層的功能：
在物理層中，OSI採用了各種現有的協議，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的物理層協議。
物理層（Physical Layer）是OSI模型中最低的一層，位於OSI參考模型的最底層，它直接面向實際承擔數據傳輸的物理媒體（即通信通道），物理層的傳輸單位爲比特（bit），即一個二進制位（0或1）。實際的比特傳輸必須依賴於傳輸設備和物理媒體。但是需要注意的一點是，物理層並不是指具體的物理設備，也不是指用來傳輸信息的物理媒體，指的是傳輸原始比特流的物理連接。
物理層規定：激活、維持、關閉通信端點之間的機械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。該層爲上層協議提供了一個傳輸數據的可靠的物理媒體。簡單的說，物理層確保原始的數據可在各種物理媒體上傳輸。通俗的講，現有的計算機網絡中的硬件設備和傳輸媒體種類繁多，通信手段也有多種方式。物理層的作用就是儘可能地屏蔽掉傳輸過程中存在的這些差異。同時也規範了傳輸媒體的相關特性，如：
（1）機械特性（接線器的形狀、尺寸、引腳數目、排列等）
（2）電氣特性（物理媒體的電壓範圍等）
（3）功能特性（電平變化的意義等）
敲黑板！：屏蔽指的是減小傳輸過程中各傳輸介質所帶來的差異，是減小，而非消除。傳輸信息的物理媒體，如雙絞線、同軸電纜、光纜、無線信道等，不在物理層協議之內。因此也有一種說法，稱物理媒體爲第0層。
下面我們通過一個簡單的例子來說明數據通信系統的模型問題。
如上圖所示，數據通信系統大致可劃分爲三部分，即源系統（發送方）、傳輸系統（傳輸網絡）、目的系統（接收方）。
源系統一般包括如下兩部分：
源點：源點設備產生要傳輸的數據。源點又稱爲源站、信源。
發送器：通常，源點產生的數字比特流需要經過發送器編碼後才能在傳輸系統中進行傳輸。典型的發送器就是調製器，當然了，現如今絕大多數計算機使用內置的調制解調器（包含調製器、解調器），用戶在計算機外部看不到調制解調器。
目的系統一般也包含兩部分：
接收器：信息從源點產生，經由發送器編碼後發送。接收器則用於傳輸系統中傳送來的信息，並將其轉換爲能夠被目的設備處理的信息。典型的接收器就是解調器，它將模擬信號解調，還原出發送端產生的比特流。
終點：接收器將模擬信號解調爲目的設備能夠識別處理的比特流後，終點設備便從接收器獲取經解調後的信息，並將信息輸出。終點又稱爲目的站、信宿。
下面我們介紹幾個常用的術語：
信息：如語音、文字、圖像、視頻等，都是信息。
數據：使用特定的方式表示的信息，通常是有意義的符號序列。這種信息的表示可用計算機或其他機器或人產生。
信號：數據的電氣或電磁表現。
根據信號中代表信息的參數的取值方式不同，信號又可以分爲兩類：
模擬信號（連續信號）：代表信息的參數的取值是連續的。
數字信號（離散信號）：代表信息的參數的取值是離散的。
數據在傳輸介質中傳輸——信道
信道（channel）與電路並不是等同的概念。信道一般用來表示向某一方向傳送信息的媒體，因此，一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
模擬信道的帶寬
模擬信道的帶寬如上圖所示，信道帶寬爲W=f2-f1 。f1是信道能夠通過的最低頻率，f2是信道能夠通過的最高頻率，二者都是由信道的物理特性決定的。爲使信號在傳輸的過程中的失真小一些，信道要有足夠的帶寬。
數字信道是一種離散信道，它只能傳送去離散值的數字信號。信道帶寬決定了信道中能不失真地傳輸脈衝序列的最高速率。一個數字脈衝稱爲一個碼元，以碼元的速率（單位：波特，Baud）表示單位時間內信號波形的變換次數，即單位時間內通過信道傳輸的碼元個數。若信號碼元寬度爲T秒，則碼元速率B=1/T。
早在1924年，貝爾實驗室的研究員亨利·奈奎斯特就推導出有限帶寬無噪聲信道的極限波特率，即奈奎斯特定理:若信道帶寬爲W，則最大碼元速率爲B=2W （Baud）
注：奈奎斯特定理爲無噪聲情況下的信道最大碼元速率。
碼元攜帶的信息量有碼元取的離散值的個數決定。一個碼元攜帶的信息量n（位）與碼元的種類N關係如下：
N=log2N（N=2n）
單位時間內在信道上傳送的信息量（位數）稱爲數據速率。在一定的波特率下提高速率的途徑就是用一個碼元表示更多的位數。用R表示數據速率，則有如下公式：
R=B log2N=2W log2N（bps）
上式爲無噪聲理想情況下的數據速率極限值，而在實際應用中，信道會受到各種各樣的噪聲干擾，遠遠達不奈奎斯特定理計算出的數值。香農（Shannon）經過研究提出了有噪聲信道的極限數據速率，即著名的香農定理：
C=W log2 (1+S/N)
其中，W爲信道帶寬，S爲信息的平均功率，N爲噪聲平均功率，S/N稱爲信噪比。由於實際使用中S和N的比值太大，故常取分貝數（dB）。分貝與信噪比的關係爲:
dB=10log10 S/N
注：無論使用何種調製方式，只要給定了信噪比，則單位時間內最大信息傳輸量就確定了。當然，這個公式計算出的是極限值，實際應用中並不能達到這個極限值。
在實際應用中，有噪聲信道數據速率增加意味着傳輸速度的提升，當然也意味着出現差錯的概率增加。我們用誤碼率表示出現差錯的概率。則有誤碼率公式：
Pc=Ne (出錯的位數)/N（傳輸的總位數）
在通信網絡中，誤碼率一般要求低於 。在誤碼率低於一定數值時，可以用差錯控制的辦法進行檢查和糾正。
信道延遲
信號在信道中傳播，從信源到達信宿需要一定的時間，這個時間與二者的距離有，也與信道中信號的傳輸速率有關。對於網絡，我們經常需要知道信源與信宿之間的時延，以便使用某種服務。如500m同軸電纜的時延爲2.5μs，衛星信道的時延爲270ms，電信號的傳輸速度爲200m/μs,電信號具體的時延還需要考慮二者之間的距離。
傳輸媒體
傳輸媒體是數據傳輸系統中在發送器與接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分爲兩類：
導引型傳輸媒體：在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿着固體媒體（同軸電纜或光線等）傳播。
非導引型傳輸媒體：指自由的空間，不規定傳輸方向。在非導引型傳輸媒體中的傳輸稱爲無線傳輸。
導引型傳輸媒體
（1）雙絞線
把兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，按照一定規則絞合起來就構成了雙絞線。絞合可減少對相鄰導線的電磁干擾。
模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般爲幾到十幾公里，距離太長時需要加放大器以便將衰減了的信號放大到合適的數值（模擬傳輸時），或者需要加裝中繼器對失真的數字信號進行整形（數字傳輸時）。導線越粗，傳輸距離越遠。爲提高雙絞線抗地磁干擾的能力，可以在雙絞線的外面再加一層用金屬絲編織的屏蔽層，套接後即爲屏蔽雙絞線（STP，shielded twisted pair）。
雙絞線示意圖
1991年，美國電子工業協會EIA和電信行業協會TIA聯合發佈了標準EIA/TIA-568，即“商用建築物電信佈線標準”。這個標準規定了用於室內傳送數據的無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的標準。1995年將佈線標準更新爲EIA/TIA-568-A。此標準規定了5個種類的UTP標準（1-5類線）。
（2）同軸電纜
同軸電纜由內導體銅製芯線、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層組成。由於外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據。
（3）光纜
光纜有能傳送光波的超細玻璃纖維製成，外包一層比玻璃折射率低的材料。進入光纖的光波在兩種材料的界面上形成全反射，從而不斷的向前傳播。
光纖信道中的光源可以是發光二極管（LED，light emitting diode）或注入式激光二極管（ILD，injection laser diode）。這兩種器件在有電流通過時產生髮出光脈衝，光脈衝通過光導纖維傳播到達接收端。接收端利用光電二極管（遇光產生電信號）做成光檢測器，這樣就形成了一個單向的光傳輸系統。
存在多條從不同角度入射的光線在一條光纖中傳播的情況，這樣的光纖稱爲多模光纖。但是光脈衝在多模光纖中傳輸是會逐漸展寬，造成失真。因此多模光纖僅適合近距離傳輸。
若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就成爲波導，光在其中無反射地沿直線傳播，這種光纖稱爲單模光纖。
光導纖維作爲傳輸介質，其優點是很多的。首先它具有很高的數據速率（可達1000Mbps）、極寬的頻帶、低誤碼率（與同軸電纜相比，低兩個數量級左右，只有）和低延遲。其次，光傳輸不受電磁干擾，不可能被竊聽，安全和保密性良好。最後，光纖的重量輕、體積小、鋪設容易，便於施工。
（4）無線信道
通過空間傳輸信號的，稱爲無線信道。無線信道包括微波、紅外和短波信道等。
從通信雙方信息交互的方式來看，存在以下三種基本方式：
（1）單工：即只能有一個方向的通信而沒有反方向的。無線電廣播和有線電廣播就屬於單工通信。
（2）半雙工：通信的雙方都可以發送信息，但不能同時發送或接收。
（3）全雙工：通信的雙方可以同時發送和接收信息。
單向通信只需要一條信道，而不管是半雙工還是全雙工通信，均需要兩條信道（每個方向各一條）。
非導引型媒體
非導引型媒體(unguided medium)：電波在空氣或外層空間中傳播，如 無線電頻譜等。
注：物理媒體的性能對網絡的通信、速度、距離、價格
以及網絡中的結點數和可靠性都有很大影響，要進行適當的選擇。
來自信源的信號常稱爲基帶信號（基本頻帶信號）。基帶信號往往包含較多的低頻成分，甚至有直流成分。許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。爲解決這一問題，就必須對基帶信號進行調製（modulation）。
數據的編碼與調製
調製分爲兩大類：一類是僅對基帶信號的波形進行變換，使之能夠與信道特性相適應，變換後的信號依舊是基帶信號，這種調製稱爲基帶調製，又稱爲編碼。
另一類調製爲帶通調製，即使用載波的方式，把基帶信號的頻率範圍變爲較高的頻段，並轉換爲模擬信號。經過載波調製後的信號稱爲帶通信號。
數據編碼
常用編碼方案：
單極性碼：只使用正的或負的電壓表示數據。如上圖中，用+1V表示二進制數字“0”，用0V表示二進制數字“1”。單極性碼常用於電傳打字機（TTY）接口以及PC與TTY兼容的接口中。這種編碼方式需要單獨的時鐘信號配合定時。否則當傳送一長串數據時，發送機與接收機的時鐘將無法定時。另外，單極性碼的抗噪聲性並不好。
極性碼：此編碼方式使用正電壓表示二進制數“0”，用負電壓表示二進制數“1”。這種編碼方式比單極性碼的電平差大，因而抗干擾性較好，但仍然需要額外的時鐘信號。
雙極性碼：此編碼方案中，信號在正、負、零電壓之間變化。一種典型的信號交替反轉碼（Alternate Mark Inversion，AMI）就是雙極性碼。在AMI信號中，數據流遇到“1”使電平在正和負之間交替翻轉，遇到“0”時保持零電平。雙極性是三進制信號編碼方法，它比二進制編碼相比，抗噪聲性更好。AMI有內在的檢錯能力，當正負脈衝交替出現的規律被打亂時容易被識別出來，這種情況叫AMI違例。
缺點：當傳送長串“0”是會失去同步信息。
歸零碼：歸零碼（Return to Zero，RZ）中，碼元中間的信號迴歸零電平，因此，任意兩個碼元之間被零電平隔開。與僅在碼元之間有電平轉換的編碼方式相比，RZ具有更好的抗噪聲性。如上圖所示，從正電平到零電平的轉換邊表示碼元“0”，從負電平到零電平的轉換邊表示碼元“1”。每一位碼元中間都有電平轉換，使這種編碼成爲自定時編碼。
雙相碼：同RZ相似，雙相碼要求每一位中都要有一個電平轉換，故此編碼方式最大的優點就是自定時，同時也具有檢錯功能。
不歸零碼：Not Return to Zero，NRZ。當出現“1”時電平翻轉，出現“0”時電平不翻轉。區分“0”和“1”的方法是觀察電平是否發生轉換。
曼徹斯特編碼：曼徹斯特編碼（Manchester Code）是一種自定義雙相碼，即電平變化的意義是可以自主定義的。一種情況是，從高電平轉換爲低電平表示“0”，從低電平轉換爲高電平表示“1”。因爲可以自定義，從高到低表示“1”，從低到高表示“0”也是可以的。
差分曼徹斯特編碼：差分曼徹斯特編碼中，碼元中間的電平轉換邊只作爲定時信號而不表示數據。該編碼的特點是：在“0”前沿有電平翻轉，在“1”前沿沒有電平翻轉。
多電平編碼：這種編碼方式可以取多個電平之一，每個碼元可代表幾個二進制位。與二進制編碼方式相反，多電平碼的數據速率大於波特率，因此可以提高頻帶的利用率。但這種編碼方式抗噪聲性較差，數據在傳輸過程中容易畸變到無法區分。
4B/5B編碼：在雙相碼中，每位中間都有一次電平的跳變。因此數據速率爲波特率的二分之一。爲提高編碼的效率，降低電路成本，可採用4B/5B編碼的方式。
這實際上是一種兩級的編碼方案。由於其編碼的方式比較複雜，在這裏便只簡單的說一下其過程： 4B/5B編碼是百兆以太網中線路層編碼類型之一，就是用5bit的二進制數來表示4bit二進制數，其編碼效率爲80%。其編碼規則如下圖所示
5位二進制代碼的狀態共32種，這就保證了在介質上傳輸的代碼能夠提供更多的同步信息。8B/10B編碼方式其原理與此編碼方式原理相同。
調製技術
數據不僅可以用方波脈衝傳輸，也可以用模擬信號傳輸。前文講到，調製分爲兩大類：基帶調製（數字信號，編碼）和帶通調製（模擬信號，調製）。現在我們來說說調製技術。
可以通過調製模擬載波信號的——幅度、頻移和相移來表示數字數據。3種基本模擬調製方式如下圖所示：
幅度鍵控（ASK）：幅度鍵控可以通過乘法器和開關電路來實現。載波在數字信號1或0的控制下通或斷，在信號爲1的狀態載波接通，此時傳輸信道上有載波出現；在信號爲0的狀態下，載波被關斷，此時傳輸信道上無載波傳送。那麼在接收端我們就可以根據載波的有無還原出數字信號的1和0。調幅技術實現起來簡單，但抗干擾性能較差。
頻移鍵控（FSK）：以數字信號控制載波頻率變化的調製方式，根據已調波的相位連續與否，頻移鍵控分爲兩類：相位不連續的頻移鍵控和相位連續的頻移鍵控。頻移鍵控（Frequency-shiftkeying）是信息傳輸中使用得較早的一種調製方式,它的主要優點是：實現起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。
相移鍵控（PSK）：一種用載波相位表示輸入信號信息的調製技術。相移鍵控分爲絕對移相和相對移相兩種。以未調載波的相位作爲基準的相位調製叫作絕對移相。以二進制調相爲例，取碼元爲“1”時，調製後載波與未調載波同相；取碼元爲“0”時，調製後載波與未調載波反相；“1”和“0”時調製後載波相位差180°。
正交幅度調製（QAM）：正交幅度調製（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）是一種在兩個正交載波上進行幅度調製的調製方式。這兩個載波通常是相位差爲90度（π/2）的正弦波，因此被稱作正交載波。
QPSK四相相移鍵控（QuadraturePhaseShiftKeying)：利用載波的四種不同相位差來表徵輸入的數字信息，是四進制移相鍵控。 QPSK是在M=4時的調相技術，它規定了四種載波相位，分別爲45°，135°，225°，315°，調製器輸入的數據是二進制數字序列，爲了能和四進制的載波相位配合起來，則需要把二進制數據變換爲四進制數據，這就是說需要把二進制數字序列中每兩個比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱爲雙比特 碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息 比特組成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調製可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調器根據星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷髮送端發送的信息比特。
脈衝編碼調製
將數字信號轉換爲模擬信號，其在數字通道中傳輸時效率高，失真小。接收方接收時需要使用編碼解碼器將模擬信號重新還原爲數字信號。模擬信號轉換爲數字信號的過程叫做模擬信號的數字化。常用的數字化技術就是脈衝編碼調製技術（Pulse Code Modulation，PCM）。
取樣
每個一段時間，模擬信號的當前值作爲樣本，一系列連續的樣本可用來代表模擬信號在某一區間內隨時間變化的值。由奈奎斯特定理得，取樣速率大於等於模擬信號最高頻率的兩倍，可以用得到的樣本空間來恢復原來的模擬信號。即：f=1/T=2fmax
f爲取樣頻率，T爲取樣週期，fmax 爲信號的最高頻率。
量化
取樣後的樣本是連續值，這些樣本必須量化爲離散值，離散值的個數決定了量化的精度。
編碼
把量化後的值變成相應的二進制代碼，可以得到二進制代碼序列，其中每個二進制代碼都可用一個脈衝串（4位）來表示。這個脈衝串就代表了經PCM編碼的模擬信號。
注：取樣的速率由模擬信號的最高頻率決定。量化級的多少決定取樣的精度。在實際應用中，取樣的速率不要太高，以免編碼解碼器的工作頻率太快；量化的等級不要太多，能滿足需要即可，以免得到的數據量太大。
多路複用技術
多路複用技術是把多個低信道組合成一個高速信道的技術，它可以有效的提高數據鏈路的利用率，從而使得一條高速的主幹鏈路同時爲多條低速的接入鏈路提供服務，也就是使得網絡幹線可以同時運載大量的語音和數據傳輸。
頻分多路複用技術FDM（Frequency Division Multiplexing）：在一條通信線路上設置多個信道，每路信道的信號以不同的載波頻率進行調製，各路信道的載波頻率互不重疊，這樣一條通信線路就可以同時傳輸多路信號。
時分多路複用技術TDM（Time Division Multiplexing）：以信道傳輸時間作爲分割對象，通過多個信道分配互不重疊的時間片的方法來實現，因此時分多路複用更適用於數字信號的傳輸。它又分爲同步時分多路複用和統計時分多路複用。
波分多路複用技術WDM（Wavelength Division Multiplexing）：是光的頻分多路複用，它是在光學系統中利用衍射光柵來實現多路不同頻率光波信號的合成與分解。
數字傳輸系統——T1載波和E1載波
T1載波
在實際應用中，應用多路複用技術建立的更高效、更高帶寬的通信線路，在美國和日本使用很廣的一種通信標準是貝爾的系統的T1 載波。
T1 載波也叫一次羣， T1載波的幀結構中,包含24個信道數據(每個8bit),1bit幀同步數據,共193bit每幀,傳輸一幀的時間是125μs,每個信道數據(8bit)中有7bit是數據，1bit是控制信息。它按照時分多路複用的原理將24路話音信道複合在一條1.544Mbps 的高速信道上。所以對每一路話音通道來說，其數據傳輸的比特率爲7b/125μs=56kb/s,控制信息傳輸的比特率爲1b/125μs=8kb/s,總的比特率爲193b/125μs=1.544Mb/s（其中125us爲一個取樣週期）。
T1載波的更高級複用：
E1載波
在北美和日本之外，世界其他地區廣泛使用的是E1載波。E1載波是一種2.048Mbps速率的PCM載波。採用同步時分複用技術將30個話音信道（64K）和２個控制信道（16K）複合在一條2.048Mb/s的高速信道上。所謂的同步時分複用是：每個子通道按照時間片輪流佔用帶寬，但每個傳輸時間劃分固定大小的週期，即使子通道不使用也不能夠給其他子通道使用。
E1載波的幀結構：
E1載波中，30個子信道用於話音傳送數據，2個子信道（CH0、CH16）用於傳輸控制信令。
同步數字系列
光纖線路的多路複用標準有兩個。美國標準叫同步光纖網絡（synchronous optical network，SONET）。ITU-T在SONET 的基礎上制定出的國際標準叫做同步數字系列（synchronous digital hierarchy，SDH）。SDH的基本速率是155.52Mbps，稱爲第1級同步傳遞模塊（synchronous transfer module），即STM-1，相當於SONET體系的OC-3速率。
差錯控制
奇偶校驗是最常用的檢錯方法。其原理和具體的編碼生成過程和校驗過程可詳見於拙作：
END
至此，物理層的絕大部分內容均已講解。存在的不足歡迎大家留言指正。
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