计算机网络五层协议中的第一层--物理层

一、关于五层协议

基于国际标准化组织（ISO，International Standards Orgnization）的提案，计算机网络的模型应该是七层，也就是我们通常所说的七层协议（即OSI参考模型），即物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。但是由于七层协议在实际实现起来比较复杂等等太多的原因，虽然是标准但是最终还是被三层协议所替代，也就是我们通常所说的TCP/IP参考模型，即：网络层，传输层和应用层。

实际上我们把两者结合起来用五层协议来说明计算机网络更贴切一些，即：物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层。这也是我们现在通常所说的tcp/ip协议模型

以上所说的顺序都是从底层向高层说的。



二、本文主要说一下最底层的物理层。

第一层：物理层（phyiscal layer）

物理层关注在一条通道上传输原始比特。设计问题必须确保当一方发送了比特1时，另一方收到的也是比特1，而不是比特0。这里的典型问题包括用什么电子信号来表示1和0、一个比特持续多少秒、传输是否可以在两个方向上同时进行、初始连接如何建立、当双方结束后如何撤销连接、网络连接器有多少针对以及每一针的用途是什么等。这些设计问题主要涉及机械、电子和时序接口，以及物理层之下的物理传输介质等。

该层定义了了比特作为信号在通道上发送时相关的电气、时序和其他接口。物理层是构建网路的基础。物理信道的不同特征决定了其传输性能的不同（比如，吞吐量、延迟和误码率），所以物理层是我们展开网络旅行的始发地。

物理层一般有三种传输介质：有线（铜线和光纤）、无线（陆地无线电）和卫星。

这里要说的是信号在物理层存在的两种方式，数字信号（电脑可以识别的0和1即比特），模拟信号是铜线和光纤等可以传输的电信号或者无线信号，在悠闲中模拟信号的存在方式诸如连续变化的电压，而在无线传输中类似光照强度或者声音强度。

电话调制解调器：要在本地回路或任何其他物理信道上发送比特，必须把比特转换为可在信道上传输的模拟信号。执行数字比特流和模拟信号流（代表这些数字比特）之间转换的设备成为调制解调器（也就是传说中的mdoem，猫），调制解调器是调制器（modulator）和解调器（demodulator）的缩写。调制解调器分为许多类型：电话调制解调器、DSL调制解调器、有线电视调制解调器和无线调制解调器等。

数据交换：电话系统中用到了两种不同的交换技术：电路交换和数据包交换。传统的电话系统基于电路交换技术，但随着IP技术之上的语音通信兴起，数据包交换已经取得了长足的进步。

电路交换的一个重要特点是在发送数据之前需要建立一条端到端的路径。从拨完号码到开始响铃，这段时间可能需要10秒钟，长途电话和国际长途电话所需要的时间更长。

包交换是电路交换的一个替代方案，它无须像电路交换那样要事先设立一条专门的路径。路由器使用存储-转发传输技术，把经由它的每个数据包发送到通往该包目的地的路径上。这个转发过程与电路交换不同，在电路交换中，连接的建立过程预留了从发送端到接收端一条路上的带路资源，该条电路上的所有数据将走相同的路径。另一方面，让所哟的数据遵循同样的路径意味着它们到达接收端的顺序不可能出现混乱。而在数据包交换中，没有固定的路径，不同的数据包可以走不同的路径，路径的选择取决于它们被传输时的网络状况，所以它们到达接收端的顺序可能是混乱的。

数据包和电路交换在其他方面也有所不同。因为数据包交换中没有为传输数据预留带宽，数据包可能不得不等待一段时间才能被转发。这样就引入了排队延迟（queuing delay），如果许多包要在同一时间被发送出去还会引入拥塞。在电话交换中拥塞发生在建立电路时，而在数据包交换中拥塞发生在转发数据包时。

对于电路交换如果一条电路已经预留给了某一个特定的用户，但是并没有流量通过这条电路，那么这条电路的带宽就会浪费，类似电话两端的人都接通的了电话但是彼此都没有说话，那么用电路交换这种方式，无疑是对当前链路的一种浪费。数据包交换就不会浪费带宽，因此从整个系统角度来看数据包交换的效率更高。我们要做的权衡是：要么保证服务质量但是可能浪费资源，要么不保证服务质量，也不浪费资源。

其次数据包交换比电路交换的容错性更好。事实上，这也是为什么数据包交换会被发明出来，并且最终替代电路交换的主要原因。在电路交换中，如果链路中间的一个交换机出现故障，那么经过这个交换机的所有链路都将被终止，而数据包交换，数据可以绕过死掉的交换机通过其他好的交换机转发出去。对于数据包交换，数据的走向是不确定的，它会选择合适的路径最终到达我们希望它去到的地方。

最后电路交换和数据包交换使用的收费方式不同，电路交换是按时间收费，而包交换是按流量计费。

我们可以把两种方式简单地画成表格加以区分

项目	电路交换	包交换
呼叫建立	需要	不需要
专用的物理路径	需要	不需要
每个包遵循相同的路由	是	不是
包按顺序到达	是	不是
交换机崩溃是否致命	是	不是
可用带宽	固定	动态
可能拥塞的时间	呼叫建立时	在每个包排队时
潜在浪费带宽	是	不是
存储-转发传输	不是	是
收费	按分钟就计费	按包计费

通过上面的表格我们很容易发现包交换和电路交换相比还是有很多优势的。

下面我们说一下ADSL和有线电视电缆

这也是我们日常经常遇到的，有线电视使用了同轴电缆，而ADSL使用了双绞线。从理论上讲，同轴电缆的承载容量超过双绞线几百倍。然而，有线电视电缆的全部容量并不能被数据用户使用，因为电缆的大部分带宽被浪费在诸如电视节目这样的无关素材上。

实际上，有线电视运营商很难就有效容量一概而论。ADSL运营商可以明确声明带宽（比如，下行流量1Mbps，上行流量256kbps），而且通常也可以达到其声明的80%，而有线电视运营商可能认为的给每个用户设置一个带宽上限，以便帮助他们自己去顶预期的性能，有时候可能比ADSL好，有时候可能还不如ADSL。不过真正令人讨厌的是它的不可预测性，上一分钟有很好的wangluofuwu下一分钟就不能保证，因为可能一个电影爱好者，在下一分钟刚好打开了它的迅雷。

ADSL赢得了更多地用户，对于新增用户对原来的老用户几乎没有影响，因为每个用户都有自己专用的连接。但是有线电视网络中，当申请internet服务的用户越来越多的时候，原来用户的性能就会下降，唯一的解决办法是运营商将繁忙的电缆拆分成多段，然后将每一段直接连接到光纤节点上。

这也是我们为什么会选择2M或者10M的联通ADSL虽然贵的要命也不选择50M，100M的宽带通等等的原因，因为早上起来上网很爽，但是一旦到了下班点都回家了，也就要了命了。