了解计算机网络的“物理根基”——物理层与数据链路层

比特流的编码 / 解码：把数据链路层的 "0/1" 比特，转换成传输介质能识别的信号（比如网线的电信号、光纤的光信号）；接收端再把信号还原成 "0/1" 比特。

信号的传输：通过物理介质（网线、光纤）将编码后的信号传出去（涉及信号类型、传输方式的选择）。

物理接口规范：规定设备的物理连接方式（比如网线插什么接口、引脚定义、电压范围）------ 就像 USB 接口统一了充电线规格，不同厂商的设备能互相连接。

⁉️2. 两个易混淆概念：信道 vs 传输介质

很多人会把 "信道" 和 "传输介质" 搞混，其实两者是 "逻辑" 与 "物理" 的关系：

传输介质：物理层面的 "载体"（看得见摸得着），比如网线、光纤、无线电波；
信道：传输介质上的 "逻辑通路"（看不见），用于传输一路信号 ------ 比如一根网线（传输介质）可以通过 "频分复用" 分成多个信道，同时传输多组数据。

举个例子：

一根高速公路（传输介质），划分为 4 条车道（4 个信道），每条车道跑不同的车（不同的信号）------ 这就是 "一个传输介质承载多个信道"。

📩3. 信道的三种基本通信方式

物理层通过信道传输信号，核心有 3 种通信方向，对应不同应用场景：

|-------|------------------------------|-----------------------|
| 通信方式 | 定义 | 典型场景 |
| 单工通信 | 信号只能单向传输（只有一个信道） | 广播、电视（只能看，不能发信号） |
| 半双工通信 | 信号可以双向传输，但同一时间只能一个方向（共享一个信道） | 对讲机（你说的时候我不能说，反之亦然） |
| 全双工通信 | 信号可以同时双向传输（有两个独立信道） | 手机通话、网线传输（你说的同时，我也能说） |

关键提醒：

我们常用的网线（以太网）、光纤都是 "全双工通信"------ 这也是为什么上网时能同时 "下载文件（接收信号）" 和 "上传文件（发送信号）"，互不干扰。

以及我们后面所要讲解的，比如HTTP/1.1协议是半双工通信，熟知的TCP是全双工通信。

🔎二、物理层的性能指标：怎么判断 "传输靠谱不靠谱"？

物理层的性能直接决定了数据传输的 "速度、距离、稳定性"，重点提了 4 个核心指标，结合场景理解更简单：

1️⃣最核心：码元速率 vs 信息速率

这两个指标都衡量 "传输速度"，但侧重点不同，必须区分清楚：

（1）码元速率（波特率）

定义：单位时间内传输的 "码元个数"，单位是 "波特（Baud）"；
码元是什么？：码元是 "信号的基本单位"------ 比如用 "高电平" 代表 "1"，"低电平" 代表 "0"，那么一个高电平 / 低电平就是一个 "码元"（承载 1 位比特信息）；如果用 "4 种不同的电压" 代表 "00、01、10、11"，那么一个码元就能承载 2 位比特信息。
通俗理解：码元速率像 "货车的数量"，不管每辆货车装多少货（比特），只算货车数量。

（2）信息速率（比特率）

定义：单位时间内传输的 "比特数"，单位是 "bit/s（bps）"；
这就是我们平时说的 "网速"（比如 100M 宽带的速率，就是信息速率）。
通俗理解：信息速率像 "货车运货的总重量"，直接体现实际传输的 "有效数据量"。

两者的关系（必记公式）：

信息速率（bit/s）= 码元速率（Baud） × 每个码元承载的比特数

例子 1：码元速率 1000 波特，每个码元承载 1 位比特 → 信息速率 = 1000×1=1000 bit/s；
例子 2：码元速率 1000 波特，每个码元承载 2 位比特 → 信息速率 = 1000×2=2000 bit/s。

核心结论：

想提高信息速率，有两个办法：① 提高码元速率（让单位时间内传更多码元）；② 让每个码元承载更多比特（比如用更复杂的信号编码）。

2️⃣传输距离的 "天花板"：信道带宽

物理层的 "带宽" 和之前讲的 "网络带宽" 不同，这里特指 "信道能传输的信号频率范围"（单位 Hz）------ 比如电话线的带宽是 3.1kHz，光纤的带宽是数百 THz。

关键逻辑：

信道带宽越大，能传输的信号频率越高，码元速率就能越高（信息速率也越高），但信号的衰减也越严重（传输距离越短）。

例子：网线（带宽约 1GHz）适合短距离传输（100 米内），速率能到 1Gbit/s；光纤（带宽极大）适合长距离传输（几十公里），速率能到 100Gbit/s 以上。

3️⃣信号的 "失真程度"：信噪比

信噪比是 "信号功率" 与 "噪声功率" 的比值（单位 dB），反映了 "信号是否清晰"------ 信噪比越高，噪声对信号的干扰越小，传输的误码率越低。

通俗理解：

就像在嘈杂的菜市场（高噪声）和安静的图书馆（低噪声）说话，图书馆里（高信噪比）对方更容易听清你说的话（低误码率）。

💡香农公式（重要！）：

香农定理揭示了 "信道带宽、信噪比" 与 "最大信息速率" 的关系，是物理层的核心公式：

最大信息速率（bit/s）= 带宽（Hz） × log₂(1 + 信噪比)

结论：

即使信道带宽再大，如果信噪比很低（噪声太大），最大信息速率也会受限 ------ 比如下雨天 Wi-Fi 信号变差（噪声增加，信噪比降低），网速会明显变慢。

4️⃣传输的 "错误率"：误码率

误码率是 "传输过程中出错的码元数" 与 "总码元数" 的比值，是衡量传输可靠性的核心指标。

例子：传输 1000 个码元，有 1 个出错，误码率就是 10⁻³；
实际场景：光纤的误码率极低（约 10⁻⁹），网线次之，无线传输误码率最高（受环境干扰大）。

💣三、物理层的核心技术：编码、调制与传输介质

物理层的核心是 "把比特流变成信号传出去"，关键技术包括 "编码、调制、传输介质选择"

1. 编码技术：把 "0/1" 变成 "电 / 光信号"

编码是 "数字信号→数字信号" 的转换（仅在数字信道中使用），核心是用不同的电信号表示 "0" 和 "1"，重点讲了 3 种常用编码：

（1）不归零码（NRZ）

规则：高电平代表 "1"，低电平代表 "0"（或反之）；

优点：简单易实现；

缺点：存在 "直流分量"（设备难以区分信号和噪声），且无法同步时钟（接收端不知道一个码元的时长，容易误判）------ 现在很少用。

（2）曼彻斯特编码（以太网常用）

规则：每个码元的中间都有一个 "跳变"------ 跳变从低到高代表 "0"，从高到低代表 "1"（或反之）；

优点：① 中间跳变可以作为时钟同步（接收端能通过跳变确定码元时长）；② 无直流分量；

缺点：码元速率是信息速率的 2 倍（传输效率低）------ 比如要传输 100Mbit/s 的信息，码元速率需要 200 波特。

（3）差分曼彻斯特编码（光纤 / 高速传输常用）

规则：码元中间必须跳变（用于时钟同步），码元开始是否跳变代表 "0/1"------ 开始跳变代表 "0"，不跳变代表 "1"；

优点：抗干扰能力比曼彻斯特编码更强（适合高速、长距离传输）；

缺点：实现更复杂。

对比总结：

|--------|------------|-------------|
| 编码方式 | 核心特点 | 适用场景 |
| 不归零码 | 简单，有直流分量 | 早期低速传输（已淘汰） |
| 曼彻斯特编码 | 时钟同步，无直流分量 | 以太网（网线） |
| 差分曼彻斯特 | 抗干扰强，时钟同步 | 光纤、高速数字传输 |

2. 调制技术：把 "数字信号" 变成 "模拟信号"

如果传输介质是 "模拟信道"（比如电话线、无线电波），就需要 "调制"------ 把数字信号（0/1）转换成模拟信号（连续变化的电压 / 频率），接收端再通过 "解调" 还原成数字信号。

重点讲了 3 种基本调制方式（用正弦波的三个参数表示 0/1）：

幅移键控（ASK） ：用 "不同的振幅" 代表 0/1（比如高振幅 = 1，低振幅 = 0）
- 优点：简单
- 缺点：抗干扰弱（振幅容易受噪声影响）

频移键控（FSK） ：用 "不同的频率" 代表 0/1（比如高频 = 1，低频 = 0）
- 优点：抗干扰比 ASK 强
- 缺点：占用带宽大
相移键控（PSK） ：用 "不同的相位" 代表 0/1（比如相位 0°=0，相位 180°=1）
- 优点：抗干扰强，占用带宽小
- 缺点：实现复杂

实际应用：

我们用的 4G/5G、Wi-Fi，都是用 "混合调制技术"（比如 QPSK、QAM）------ 一个码元承载多个比特，大幅提升传输速率。

3. 常用传输介质：网线、光纤、无线，怎么选？

传输介质是物理层的 "硬件基础"，不同介质的性能差异极大，对比了 4 种常用介质：

|---------|----------------|-----------------|------------------|---------------------------------------|
| 传输介质 | 传输方式 | 优点 | 缺点 | 典型速率 / 距离 |
| 双绞线（网线） | 电信号 | 价格低、易安装、灵活 | 抗干扰弱、传输距离短 | 1Gbit/s（100 米内）、10Gbit/s（55 米内） |
| 同轴电缆 | 电信号 | 抗干扰比双绞线强 | 价格高、不易安装 | 早期有线电视、局域网（现在少用） |
| 光纤 | 光信号 | 抗干扰极强、带宽大、传输距离远 | 价格高、安装维护复杂 | 10Gbit/s（40 公里）、100Gbit/s（10 公里） |
| 无线传输 | 无线电波（Wi-Fi/5G） | 无需布线、移动性强 | 抗干扰弱、带宽受限、易受环境影响 | Wi-Fi 6：10Gbit/s（100 米内）；5G：10Gbit/s+ |

实用建议：

家庭 / 办公室内网：优先用 "超五类 / 六类双绞线"（网线），性价比高，满足 1Gbit/s 速率；
长距离传输（比如小区到楼栋）：用光纤，抗干扰强，传输距离远；
移动设备（手机、笔记本）：用 Wi-Fi/5G，灵活方便，适合无布线场景。

4. 物理层接口标准：EIA/TIA-232（了解即可）

物理层接口标准规定了 "设备之间的物理连接细节"，比如：

接口形状（比如 DB-9 接头）；
引脚定义（比如第 2 脚传发送信号，第 3 脚传接收信号）；
电压范围（比如 + 3\+15V 代表 1，-15\-3V 代表 0）。

现在的情况：

EIA/TIA-232 是早期串口接口标准（比如老式电脑的 COM 口），现在已基本被 USB、以太网接口取代，但它的 "接口标准化" 思路影响深远 ------ 比如以太网的 RJ45 接口、USB 接口，都是物理层接口标准的体现。

📝四、总结

物理层的核心是 "比特流的物理传输"，所有技术都围绕 "怎么把 0/1 比特可靠、高效地传出去" 展开，核心知识点可以总结为：

核心任务：屏蔽介质差异，提供比特流传输服务；

两大核心技术：编码（数字→数字）、调制（数字→模拟）；

三大性能指标：码元速率 / 信息速率、信道带宽、信噪比（香农公式）；

四种传输介质：双绞线（性价比之王）、光纤（长距离之王）、同轴电缆（淘汰中）、无线（灵活之王）。

🔗五、延伸：数据链路层------物理层之上的"数据包装与交通管制"

结合前文"快递系统"类比：如果说物理层是"公路、铁路"（物理传输载体），那么数据链路层就是"快递包装员+路口交通指挥员"------它承接物理层传来的比特流，进行"打包、纠错、寻址"，再交给物理层传输；同时接收物理层的比特流，拆包校验后交给网络层，是连接物理硬件与上层逻辑的关键桥梁。
数据链路层的核心是"将物理层提供的不可靠比特流传输服务，升级为可靠的数据帧传输服务"。简单说，物理层只保证"比特传出去"，不管对错；数据链路层则负责"确保数据完整、准确地在相邻设备间传输"（注：相邻设备即直接通过物理介质连接的设备，如电脑与路由器、路由器与交换机）。

1. 数据链路层的核心任务

数据链路层的工作围绕"帧"展开（帧是数据链路层的基本传输单位，相当于给"比特流"套上了标准化"快递包装"），核心任务可总结为4件事：

帧封装与拆封 ：接收网络层传来的IP数据报（相当于快递内件），在其前后添加帧头（包含源/目的MAC地址，即"收件人/寄件人设备物理地址"）和帧尾（包含校验码），形成"帧"；接收端收到比特流后，先拆帧，再校验帧尾，若无误则将内部IP数据报交给网络层。

差错控制 ：解决物理层传输的比特错误（比如信号干扰导致的0/1翻转），常用技术有"奇偶校验""循环冗余校验（CRC）"（帧尾校验码即为此服务）。若检测到帧错误，会要求发送端重传，确保数据可靠。

流量控制 ：避免发送端发送速度过快，导致接收端缓存溢出（类似快递员送件太快，收件人来不及签收）。常用"滑动窗口协议"，接收端通过反馈"可接收帧数"，控制发送端的发送速率。

介质访问控制（MAC）：当多个设备共享同一物理介质（如Wi-Fi、总线型以太网）时，解决"谁先发送数据"的冲突问题，避免数据互相干扰。

2. 两大核心技术：差错控制与介质访问控制

（1）差错控制：让数据"零差错"传输

物理层传输受干扰易出错，数据链路层通过"校验+重传"保障可靠性，核心技术有两种：

循环冗余校验（CRC）：最常用的校验方式，发送端根据帧内容计算出CRC校验码（添加到帧尾），接收端用同样算法计算，若结果与帧尾校验码不一致，则判定帧出错，要求重传。优点是校验能力强，能检测出绝大多数比特错误。

自动重传请求（ARQ）：校验发现错误后，自动触发重传机制，分为"停止-等待ARQ"（发送一帧后等待确认，再发下一帧，简单但效率低）和"滑动窗口ARQ"（可连续发送多帧，接收端批量确认，效率高，主流应用）。

（2）介质访问控制（MAC）：解决"共享介质冲突"

当多个设备共用一条传输介质（如同一Wi-Fi下的多台手机），同时发送数据会导致"碰撞"（数据混乱无法识别），MAC协议就是"交通规则"，核心两种类型：

随机访问协议 ：设备可随时发送数据，若检测到碰撞则停止发送，等待一段时间后重传，适合负载较轻的场景。典型代表是CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测），用于早期总线型以太网（如同轴电缆以太网）------发送前先监听介质，无信号再发送；发送中若检测到碰撞，立即停止并发送"干扰信号"，通知其他设备。

受控访问协议 ：设备需先获得"发送许可"才能传输数据，无碰撞，适合负载较重的场景。典型代表是轮询协议 （由控制器依次询问每个设备是否要发送数据）和令牌传递协议（令牌在设备间循环传递，持有令牌的设备才能发送数据，用于令牌环网）。

补充：现在主流的以太网（双绞线、光纤）多为"星型拓扑+全双工模式"，设备通过交换机连接，每个设备独占一条信道，无需CSMA/CD，冲突问题由交换机解决。

3. 数据链路层常用协议与设备

（1）核心协议

以太网协议（IEEE 802.3）：最主流的局域网数据链路层协议，定义了帧格式、MAC地址规则、CSMA/CD协议等，适用于双绞线、光纤等介质，支持10M/100M/1G/10G等速率。
PPP协议（点对点协议）：适用于点对点连接（如电脑通过拨号连接运营商、路由器之间的专线连接），支持差错控制、身份认证（如PAP/CHAP认证），无MAC地址（因点对点无需寻址）。
Wi-Fi协议（IEEE 802.11）：无线局域网的数据链路层协议，采用CSMA/CA（载波监听多点接入/碰撞避免）协议（无线信号无法像有线那样准确检测碰撞，故提前避免），支持多设备无线接入。

（2）核心设备

交换机：数据链路层核心设备，工作基于MAC地址------接收帧后，根据帧头的目的MAC地址，将帧转发到对应端口（连接目标设备），实现"单播"（只发给目标设备，不广播），提升网络效率。交换机可隔绝冲突域（每个端口是一个独立冲突域），但不隔绝广播域。

网桥：早期设备，功能类似简易交换机，用于连接两个同类局域网（如两个以太网），根据MAC地址转发帧，现已基本被交换机取代。

4. 数据链路层与物理层的核心区别

|------|------------------|---------------------|
| 对比维度 | 物理层 | 数据链路层 |
| 传输单位 | 比特（bit） | 帧（frame） |
| 核心目标 | 比特流的物理传输（屏蔽介质差异） | 帧的可靠传输（差错、流量、冲突控制） |
| 关键技术 | 编码、调制、传输介质、物理接口 | 帧封装、CRC校验、ARQ、MAC协议 |
| 核心设备 | 中继器、集线器（HUB） | 交换机、网桥 |
| 寻址方式 | 无（只传比特，不关心地址） | MAC地址（物理地址，标识设备硬件） |