计算机网络-物理层

目录

[1 通信基础](#1 通信基础)

[1.1 信号（模拟信号、数字信号）](#1.1 信号（模拟信号、数字信号）)

[信号 (Signal)：信息的载体](#信号 (Signal)：信息的载体)

[1.2 信道（单工、半双工、全双工）](#1.2 信道（单工、半双工、全双工）)

[信道 (Channel)：数据传输的"道路"](#信道 (Channel)：数据传输的“道路”)

[1.3 编码（归零码、不归零码、曼彻斯特编码）](#1.3 编码（归零码、不归零码、曼彻斯特编码）)

[1.4 调制（调幅、调频、调相）](#1.4 调制（调幅、调频、调相）)

[2 传输介质](#2 传输介质)

[2.1 双绞线（屏蔽与非屏蔽）](#2.1 双绞线（屏蔽与非屏蔽）)

非屏蔽双绞线 (UTP - Unshielded Twisted Pair)

屏蔽双绞线 (STP - Shielded Twisted Pair)

[2.2 同轴电缆](#2.2 同轴电缆)

[2.3 光纤（单模、多模）](#2.3 光纤（单模、多模）)

多模光纤 (Multi-mode Fiber - MMF)

单模光纤 (Single-mode Fiber - SMF)

[2.4 无线传输（无线电波、微波、红外线）](#2.4 无线传输（无线电波、微波、红外线）)

无线电波 (Radio Waves)

微波 (Microwaves)

红外线 (Infrared)

[3 物理层设备](#3 物理层设备)

[3.1 集线器 (Hub)](#3.1 集线器 (Hub))

[3.2 中继器 (Repeater)](#3.2 中继器 (Repeater))

[3.3 调制解调器](#3.3 调制解调器)

[3.4 收发器 (Transceiver) / 介质转换器 (Media Converter)](#3.4 收发器 (Transceiver) / 介质转换器 (Media Converter))

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1 通信基础

1.1 信号（模拟信号、数字信号）

信号 (Signal)：信息的载体

信号就是用来承载信息（数据）的电或光脉冲。

• 模拟信号 (Analog Signal)

• • 定义： 信号的波形是连续变化的。
  • 类比： 你的声音。音量、音调都是平滑过渡的，在任意两个值之间都有无数个中间值。
  • 特点： 容易受到干扰。比如电线上的杂音（电流声）会和原始信号叠加在一起，很难分离。

• 数字信号 (Digital Signal)

• • 定义： 信号是离散的，通常只有几个（最常见是两个）确定的值，比如 0 和 1。
  • 类比：电灯开关。它只有"开"和"关"两个状态，没有"半开半关"的状态。
  • 特点：抗干扰能力强。只要干扰不足以把"开"（比如 5V）拉低到"关"（比如 0V）的程度，接收方就能准确还原出 1 和 0。
  • 关键： 计算机内部处理的都是数字信号。

1.2 信道（单工、半双工、全双工）

信道 (Channel)：数据传输的"道路"

信道就是数据传输的媒介和路径。根据信号传输的方向，可以分为三种：

• 单工 (Simplex)

• • 定义： 信号只能沿着一个方向传输，不能反向。
  • 类比：广播电台、电视台。你只能接收信号，不能向电台发送信号。

• 半双工 (Half-duplex)

• • 定义： 信号可以双向传输，但不能同时进行。
  • 类比：对讲机。你按住说话时，就不能听；你松开听时，就不能说。

• 全双工 (Full-duplex)

• • 定义： 信号可以同时进行双向传输。
  • 类比：电话、现在的网线。你和对方可以同时说话（网线里有多对独立的线路，一对用于发送，一对用于接收）。

1.3 编码（归零码、不归零码、曼彻斯特编码）

"编码"在这里特指数字数据到数字信号的转换。简单说，就是我们怎么用高、低电压（电平） 来表示 0 和 1。

• 不归零码 (NRZ - Non-Return-to-Zero)

• • 方法： 最简单的方式，比如：高电平 = 1，低电平 = 0。
  • 问题： 如果你连续发送 100 个 1，电平就一直是"高"。接收方怎么知道这是 100 个 1，还是 1 个超长的 1？（这叫时钟同步问题）。

• 归零码 (RZ - Return-to-Zero)

• • 方法： 为了解决同步问题，它规定：发 1 时，电平变高，但在一个周期中间必须返回到零电平。
  • 优点： 每次"归零"都相当于一次"对表"，解决了同步。
  • 缺点： 每次都要归零，浪费了一半的带宽，效率低。

• 曼彻斯特编码 (Manchester Encoding)

• • 方法（重点）： 这是早期以太网 (Ethernet) 使用的编码！

• • • 0 表示为："高"跳变到"低"
    • 1 表示为："低"跳变到"高"

• • 优点： 它巧妙地做到了在每一位数据的中间都必须跳变一次。这个"跳变"既承载了数据信息（是高到低还是低到高），又充当了时钟信号（自同步）。
  • 缺点： 一位数据就需要两次电平变化，所以它的效率也不算高。

1.4 调制（调幅、调频、调相）

"调制"是将数字数据 (0/1) "搭载"到模拟信号（载波） 上，以便在模拟信道（如无线电波、光纤）中进行远距离传输。

• 类比： 你（数字信号）不会游泳，无法自己过河（远距离传输）。"调制"就是你坐上船（模拟载波） 的过程。

你（数据）可以通过改变船（载波）的特性来表达 0 和 1：

• 调幅 (AM - Amplitude Modulation)

• • 方法： 改变船的高度（振幅）。
  • 示例： 大船 = 1，小船 = 0。

• 调频 (FM - Frequency Modulation)

• • 方法： 改变船的摆动速度（频率）。
  • 示例： 摆得快 = 1，摆得慢 = 0。

• 调相 (PM - Phase Modulation)

• • 方法： 改变船的出发姿势（相位）。
  • 示例： 船头朝前 = 1.md，船头朝后 = 0.md。

2 传输介质

2.1 双绞线（屏蔽与非屏蔽）

这是目前局域网（LAN）中最常用的传输介质。

• 定义： 它由多对（通常是4对，8根）相互绝缘的铜线两两绞合而成。
• 为什么"绞合"？

• • 这是它的核心技术。两根线绞在一起，可以有效地抵御外界的电磁干扰 (EMI)，并减少线对之间的串扰 (Crosstalk)。

非屏蔽双绞线 (UTP - Unshielded Twisted Pair)

• 构成： 只有一层塑料外皮包裹着里面的4对双绞线，没有额外的金属屏蔽层。
• 应用：这就是我们最常见的"网线"（如 Cat 5e, Cat 6, Cat 7）。
• 优点： 价格便宜，安装灵活，布线方便。
• 缺点： 抗干扰能力相对较弱（但在一般办公和家庭环境下足够）。

屏蔽双绞线 (STP - Shielded Twisted Pair)

• 构成： 在双绞线（或总的线缆）外面增加了一层或多层金属屏蔽层（如铝箔）。
• 应用： 用于电磁干扰非常严重的环境，如工厂、医院或数据中心的机柜内。
• 优点： 抗干扰能力强。
• 缺点： 价格贵，线缆更硬，且必须正确接地（否则屏蔽层会变成天线，效果更差），安装复杂。

2.2 同轴电缆

• 定义： 由一个中心铜导体、一层绝缘体、一层网状金属屏蔽层（第二导体）和一层外皮组成。因为中心导体和屏蔽层共享同一轴心，故称"同轴"。
• 应用：

• • 有线电视 (CATV) 信号线。 (这是最常见的)
  • 早期的总线型以太网（10Base-2）。（现已淘汰）

• 优点： 抗干扰能力强，传输距离比早期的双绞线要远。

2.3 光纤（单模、多模）

这是现代高速、长距离通信的基石。

• 定义： 使用光脉冲（而非电信号）在玻璃或塑料纤维中传输数据。
• 优点：

• • 带宽极高： 传输容量巨大 (Tbps 级别)。
  • 距离极远： 信号衰减极低，可达几十甚至上百公里。
  • 抗干扰性强： 光信号不受任何电磁干扰。
  • 安全： 难以被窃听。

• 缺点： 价格昂贵，安装和熔接需要专业设备和技术。

多模光纤 (Multi-mode Fiber - MMF)

• 特点： 纤芯（玻璃芯）较粗。
• 原理： 光线以多种不同的角度（"模式"）在纤芯内反射前进，导致信号色散。
• 光源： 较便宜的 LED 或 VCSEL。
• 应用：短距离通信（如 500 米以内）。
• 场景： 数据中心内部（连接服务器和交换机）、建筑物内部的主干网。

单模光纤 (Single-mode Fiber - SMF)

• 特点： 纤芯极细（和头发丝差不多）。
• 原理： 光线几乎只能沿着一条直线路径（"单模"）前进，没有模式色散。
• 光源： 较昂贵的激光 (Laser)。
• 应用：长距离通信（几十到几千公里）。
• 场景： 城市之间的电信骨干网、海底光缆。

2.4 无线传输（无线电波、微波、红外线）

使用电磁波在空气中传播信号。

无线电波 (Radio Waves)

无线电波就是一种我们肉眼看不见的电磁波，它在电磁波谱中波长最长、频率最低。

你可以把它想象成一种在空中传播的"涟漪"，它以光速（每秒约 30 万公里）前进，并且能够携带信息。

我们日常生活中的所有无线技术，几乎都是靠它实现的。

• 特点： 波长长，穿透能力强（能穿墙），传播距离远。
• 应用：

• • 移动通信： 你的手机使用 4G/5G 信号（特定频率的无线电波）与基站通信。
  • 无线网络：Wi-Fi 就是利用 2.4GHz 或 5GHz 频段的无线电波在你的路由器和设备间传输数据。
  • 短距连接：蓝牙 (Bluetooth) 耳机、音箱和鼠标，用的也是无线电波。
  • 广播电视：AM/FM 收音机和无线电视广播，都是通过无线电波将信号塔的信号送到你的接收机。
  • 导航定位：GPS 卫星向你的手机发送特定频率的无线电波信号，手机通过计算信号延迟来确定你的位置。
  • 其他： 雷达、卫星通信、车库遥控门、微波炉（微波也是一种高频无线电波）等。

微波 (Microwaves)

• 特点： 频率高，波长短，带宽大，传输基本是"视线传播"（中间不能有大障碍物）。
• 应用： 卫星通信、地面微波接力（如两个大楼顶部的"大锅盖"相对）、雷达。

红外线 (Infrared)

• 特点： 频率更高，不能穿墙，必须"视线传播"。
• 应用：家用电器的遥控器（电视、空调）、早期笔记本电脑的红外数据传输（IrDA）。

3 物理层设备

物理层设备是那些只关心电子信号（电压、光脉冲）本身，而完全不理解数据内容（如 MAC 地址或 IP 地址）的设备。它们的作用是再生、转换或传输这些信号。

3.1 集线器 (Hub)

这是物理层最经典的代表设备。

• 功能：用于连接局域网 (LAN) 中的多台计算机。
• 工作原理（为什么是 L1）：

• • 它是一个"愚蠢"的设备。当一个信号（比特流）从 Hub 的一个端口进来时，它会简单地将这个信号再生（放大、整形），然后"广播"到所有其他端口。
  • 它不认识 MAC 地址（L2）或 IP 地址（L3）。它无法判断这个信号到底是要发给谁的。

• 缺点：

• • 冲突域 (Collision Domain)： 连接在 Hub 上的所有设备共享同一个"冲突域"。如果两台电脑同时发送数据，信号就会在 Hub 内"碰撞"（Collision），导致数据损坏，双方都必须重发。（这就是半双工的体现）
  • 浪费带宽： 无论数据是发给谁的，都会被广播给所有人，网络效率极低。

• 现状：已完全被"交换机 (Switch)"淘汰。

3.2 中继器 (Repeater)

• 功能：延长网络信号的传输距离。
• 工作原理（为什么是 L1）：

• • 任何信号（无论是电信号还是光信号）在传输介质中都会衰减（变弱）和失真。
  • 中继器（通常只有两个端口）接收这个微弱的信号，将其清理、再生、放大到原始强度，然后再发送出去。
  • 它只是一个信号放大器，不关心信号里的内容。

• 现状： 它的功能现在已经内嵌到其他设备中（例如，集线器本质上就是一个"多端口的中继器"）。

3.3 调制解调器

我们俗称的"猫"（光猫、ADSL猫）。

• 功能：在两种不同类型的信号之间进行转换。
• 工作原理（为什么是 L1）：

• • 它的名字来源于 Modulator (调制器) 和 Demodulator (解调器)。
  • 调制： 将计算机的数字信号（0和1）转换成模拟信号（如电话线或有线电视电缆上传输的波形）。
  • 解调： 将线路上传来的模拟信号转换回计算机能理解的数字信号。

• 注意： 现代的"光猫"(ONU) 或 "Cable Modem" 通常集成了路由器（L3）和交换机（L2）功能，但它最核心的"光电转换"或"调制解调"功能是在物理层实现的。

3.4 收发器 (Transceiver) / 介质转换器 (Media Converter)

• 功能：在两种不同类型的传输介质之间转换信号。
• 工作原理（为什么是 L1）：

• • 最常见的例子是"光纤收发器"或交换机上的"光模块 (SFP)"。
  • 它们将来自双绞线（网线）的电信号（0/1）转换为光纤的光脉冲（亮/灭），反之亦然。

• 现状： 在数据中心和企业网络中非常常见，用于连接使用不同介质的设备（如铜缆交换机和光纤主干网）。

如何区分物理层设备

区分一个设备是否在物理层的关键点：

它是否查看"地址"？

• 是：

• • 如果它查看 MAC 地址，它至少是第 2 层（数据链路层） 设备，如交换机 (Switch)。
  • 如果它查看 IP 地址，它至少是第 3 层（网络层） 设备，如路由器 (Router)。

• 否：

• • 如果它只处理电压、光脉冲等原始信号，不关心任何地址，那么它就是第 1 层（物理层） 设备，如集线器 (Hub)。