3.2 物理层标准

计算机通信网络中常用的物理层标准有广域网物理层标准EIA-RS-232、EIA-449、CCITT V.24和局域网物理层标准IEEE 802等。目前，实际网络中应用比较广泛的物理层标准主要有EIA-RS-232和IEEE 802.3（以太网标准），下面主要介绍这两个标准。

3.2.1 EIA-RS-232标准

EIA-RS-232是美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）制定的物理层接口标准，也是目前数据通信与网络中应用最广泛的一种标准。它的前身是EIA在1969年制定的RS-232-C标准。RS（Recommended Standard）表示是EIA的一种“推荐标准”，232是标准号，C表示修改次数。它最初主要用于近距离的DTE和DCE设备之间的通信，后来被广泛用于计算机的串行接口（如COM1、COM2等）与终端或外设之间的近地连接标准。

EIA-RS-232（习惯称为RS-232-C）被CCITT采纳并做了很小的修改后，制定出了CCITT的V系列标准（V.24和V.28等），并推荐为国际标准。因此，EIA-232和CCITT V.24接口是等效的。在电话网（含电话专线和电话交换网）中进行数据通信的DTE和DCE之间的接口采用的标准是V系列。此外，国际标准化组织的ISO 2110和ISO 1177也与RS-232-C类似。

RS-232-C标准提供的是利用公共电话网络作为传输媒体，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。远程电话网相连接时，通过调制解调器将数字数据转换成相应的模拟信号，使其能与电话网相容；在通信线路的另一端，另一个调制解调器将模拟信号逆转换成相应的数字数据，从而实现比特流的透明传输。

1.RS-232-C机械特性

RS-232-C可以有多种类型的连接器（接口），如25针连接器（DB-25）、15针连接器（DB-15）和9针连接器（DB-9）。其中以DB-25、DB-9最为常见，如图3-2所示。不论哪种类型的接口，一般规定插孔连接DTE设备、针端连接DCE设备。

2.RS-232-C电气特性

RS-232-C采用“负逻辑”，规定数据线上逻辑“1”的电压范围是-3V~-15V，逻辑“0”的电压范围是+3~+15V，最高能承受±30V的信号电平。为了表示一个逻辑“1”，驱动器必须提供-5V~-15V的电压；为了表示一个逻辑“0”，驱动器必须提供+5V~+15V的电压。标准预留了2V的余地，以防噪声和传输衰减。

3.RS-232-C功能特性

RS-232-C功能特性规定了连接器中各引脚的名称、功能等。25针的连接器和9针连接器各信号线的名称如图3-3所示，功能如表3-1、表3-2所示。

25针RS-232-C连接器信号线分为两大类：一类是DTE和DCE数据传送信号；另一类是为了正确无误地传输数据而设计的联络控制信号。

（1）数据传送信号

● 发送数据（Transmitting Data，TxD）。TxD是DTE向DCE发送数据的线路，数据按串行格式发送，即按先低位后高位的顺序发送。该引脚有两种信号状态：正信号为空号（Space），表示二进制“0”；负信号为传号（Mark），表示二进制“1”。当没有数据发送时，DTE将此引脚置为传号状态，字符或文字之间的传输间隔也置为传号状态。

● 接收数据（Receive Data，RxD）。RxD是DCE接收DTE发送过来的数据的线路，当收不到载波信号时（引脚8为负），这条线会被迫进入传号状态。

（2）联络控制信号

● 请求发送信号（Request To Send，RTS）。RTS是DTE向DCE发出的联络信号。RTS=1表示DTE请求向DCE发送数据。

● 允许发送（Clear To Send，CTS）。CTS是DCE向DTE发出的联络信号。CTS=1表示本地DCE响应DTE向DCE发出的RTS信号，且本地DCE准备向远程DCE发送数据。

● 数据准备就绪（Data Set Ready，DSR）。DSR是DCE向DTE发出的联络信号。DSR指出本地DCE的工作状态。当DSR=1时，表示本地DCE未处于通话状态，这时本地DCE可以与远程DCE建立通信信道。

● 数据终端就绪信号（Data Terminal Ready，DTR）。DTR是DTE向DCE发出的联络信号。DTR=1表示DTE处于就绪状态，本地DCE和远程DCE之间已建立通信信道；DTR=0表示本地DTE未准备好，迫使DCE终止通信工作。

● 数据载波检测信号（Data Carrier Detect，DCD）。DCD是DCE向DTE发出的状态信息。DCD=1表示本地DCE检测到远程DCE发来的载波信号。

● 振铃指示信号（Ring Indication，RI）。RI是DCE向DTE发出的状态信息。RI=1表示本地DCE收到远程DCE振铃信号。

4.RS-232-C规程特性

RS-232-C的规程特性规定了各信号线之间的相互关系、动作顺序以及维护测试操作等内容。RS-232-C的操作过程是在各条联络控制线有序的ON（逻辑“0”）和OFF（逻辑“1”）状态配合下进行的。只有当TDR和DSR均为ON状态时，才具备操作的基本条件。若DTE要发送数据，首先应将RTS置为ON状态，等待CTS应答信号为ON状态后，才能在TxD上发送数据。

RS-232-C有远程连接和近地连接两种数据交换连接方式。

（1）远程连接数据交换规程

通过公共电话交换网络连接的两台远程计算机示意图如图3-4所示。DTE设备是数据的信源或信宿，DCE设备是完成数字数据和模拟信号之间相互转换的设备，一般称为调制解调器。RS-232-C标准接口只用于控制本地DTE设备与DCE设备之间的通信，与连接在两个DCE设备之间的公共电话交换网没有直接关系。

图3-4中主机A与主机B同步全双工数据交换过程如图3-5所示。

主机A向主机B发送数据工作过程如下（以主机A侧RS-232-C的工作过程为例）。

1）传输前的准备工作。激活两个地线，即保护地（1号引脚）和信号地（7号引脚）被激活。

2）主机A（DTE）准备发送数据。保证主机A和本侧的DCE及主机B和主机B侧的DCE设备全部准备就绪。

● 当主机A有数据要发送时，置DTR（20号引脚）为ON状态，通知本地DCE，主机A已做好通信准备。

● 若本地DCE也已做好通信准备，则本地DCE置DSR（6号引脚）为ON状态，以响应主机A的DTR信号，表示主机A与本地DCE连接成功，主机A和本地DCE可以开始控制信号的收发。

3）在发送端和接收端之间建立物理连接。主机A置请求发送RTS（4号引脚）为ON状态，通知本地DCE请求发送数据。本地DCE检测到主机A的RTS信号后，完成以下两个动作。

● 在DCD（8号引脚）线上向远端的DCE（主机B侧的DCE）发送载波。

● 通过延迟电路控制清除发送信号CTS（5号引脚）的接通。

远端的DCE检测到载波后，置自身的DCD（8号引脚）为ON状态，通知主机B准备接收数据。

4）发送数据。主机A检测到本地DCE发出的CTS为ON状态后，则分别通过发送数据TxD（2号引脚）和时钟信号XCK（24号引脚）将数据传送到本地DCE。本地DCE将数据转换成模拟信号后通过公共电话交换网络将数据发送出去。主机B侧的DCE（调制解调器）接收到模拟信号后，将它还原为数字数据并连同时钟脉冲一起分别通过RxD（3号引脚）和RCK（17号引脚）传送给主机B。

5）发送结束，清除发送信号。当主机A发送结束后，置请求发送信号线RTS（4号引脚）为OFF状态，通知本地DCE发送结束。本地DCE检测到主机A的RTS为OFF后，则停止向远端DCE发送载波，并置清除发送信号CTS（5号引脚）为OFF状态，以此作为对主机A的RTS信号的应答。远端的DCE检测不到载波后，置载波检测DCD（8号引脚）和振铃指示RI（22号引脚）为OFF。本地DTE置DTR（20号引脚）为OFF状态，本地DCE置DSR（6号引脚）为OFF状态，恢复初始状态。

（2）近地连接数据交换规程

RS-232-C标准接口也可以用于直接连接两台近地设备，如图3-6所示。近地连接不通过公共电话网传输，因此也不需要调制解调器，称为零调制解调器。因为RS-232-C标准要求连接的两个设备必须为DTE和DCE设备，因此，主机C和主机D必须分别以DTE和DCE方式出现才能符合RS-232-C标准接口的要求，RS-232-C接口需要借助于一种采用交叉跳接信号线方法的连接电缆，使连接在电缆两端的DTE设备通过电缆看对方都好像是DCE一样，从而满足RS-232-C接口需要在DTE和DCE之间成对使用的要求，如图3-7所示。

3.2.2 IEEE 802.3标准

IEEE 802工作组主要定义了局域网中数据链路层和物理层的规范，成为局域网的国际标准。其中，IEEE 802标准的物理层实现了比特流的发送与接收，具体包括信号的特性、比特流的编码/解码方式、传输介质的类型、网络的拓扑结构以及传输速率等规范。

目前应用最广泛的局域网是以太网。根据数据传输速率的不同，以太网可以分为传统以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1000Mbit/s或1Gbit/s）和万兆以太网（10Gbit/s）。

1.以太网的物理层结构

IEEE 802.3标准给出的以太网物理层结构主要包括4个功能子层和两个接口子层，其结构如图3-8所示。

（1）功能子层

PMD：物理介质相关（Physical Medium Dependent）子层。

PMA：物理介质连接（Physical Medium Attachment）子层。

PCS：物理编码子层（Physical Coding Sublayer），完成对信号的编码和译码、收发处理、管理和控制等功能，如完成4B/5B编码。

RS：协调子层（Reconciliation Sublayer），协调物理层与数据链路层之间的信息传递。

（2）接口子层

MDI：介质相关接口（Medium Dependent Interface）。MDI是将收发器与物理介质相连接的硬件，对于双绞线介质，就是一个插座。

MII：介质无关接口（Media Independent Interface）。它是物理层芯片与MAC层芯片之间的接口。图3-8中的xMII用于表示多种不同速率以太网的介质无关接口。用MII表示100Mbit/s的以太网，GMII表示1Gbit/s的以太网，XGMII表示10Gbit/s的以太网。

2.常用以太网物理层标准

以太网接口常用接口类型有双绞线接口（电口）和光纤接口（光口）两种。另外还有早期的同轴电缆接口。

常用的以太网物理层标准如表3-3所示。标准名称说明：起始数字表示传输速率，如10Base中的“10”表示信号的传输速率为10Mbit/s；Base表示传输的信号是基带信号；-5表示粗缆，-2表示细缆；-T表示传输介质的类型是双绞线，UTP为非屏蔽双绞线，STP为屏蔽双绞线；-F表示传输介质的类型是光缆。