网络协议物理层，"地基"是怎么练成的
撰稿：未来侦察班
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TCP/IP是学校里的必修课，物理层Phy、数据链路层、网络层、传输层、应用层五层架构共同塑造当前网络框架，覆盖每个人生活方方面面，小到连接wifi，某宝购物，大到几千万上亿的证券交易... 本节从物理层聊起。
1. 物理层
万丈高楼平地起，地基有砖、石头、混凝土各种类型；网络这座大厦的地基自然也是看得见摸得着的硬件设备，也可以叫介质；
- 导引型：必须实体硬件介质连接在一起，信号只能沿着介质通道路径传输，如早期同轴光缆、最常见的双绞线和网络干道入户光纤等。
- 非导引型：自由在空气中传播，不再依赖介质的固定路径，如无线电波、Wi-Fi、蓝牙、4G/5G通信等等。
物理层phy核心作用
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上层的数字信号和底层的模拟信号间相互转换
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串行解串恢复出时钟
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链路监控，报告链路状态等
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自动协商双方的通信速率
2. 物理层详解
2.1 物理层概述
Mac层是数字信号，传输距离受限1m内仅板内布线通信；而phy是将数字信号转换成模拟信号，适合长距离传输。
传输过程示意图，传输介质如光纤、自然光、双绞线、同轴线缆、无线电波Wi-Fi、蓝牙和5G甚至usb线等等。
例如刷抖音场景：抖音服务器 -〉 网络 -〉家用路由器 -〉 用户手机 -〉 Wi-Fi 网卡（Phy-〉Mac）-〉 手机网络层 -〉 抖音App。整个过程数字信号转成模拟信号远距离传输到手机后，再解析成数字信号，呈现给用户。
有线网中phy分三部分：PCS物理编码子层对接mac层，PMA层负责时钟和串行与解串相关（简单理解双绞线上串行收发数据），PMD直接和通信介质相关。
用户层命令看到的当前协商速率，也正是通过双方的phy层协商而来。将结果反馈给mac以上层呈现。
phy层没有设定通用的数据包类型，留给各大芯片厂按照mac的业务需求实现基础数模转换等功能即可。
2.2 双绞线类
网卡的产品形态多种多样，常见的是由SoC、Mac和Phy三部分组成，通过特定的总线连接。
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SoC和Mac之间由PCIE、sdio、USB和SPI等总线连接；
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Mac和Phy之间由MII、RMII、RGMII、XFI等接口连接，分别对应不同的物理带宽；
两个产品的网卡之间是Phy连接Phy，通过MDI接口定义及对应RJ45硬件连接器连接对方。另外，Phy外面还需要网络变压器，也就是说双绞线上的信号和phy直接出来的模拟信号是不同的，是为了让信号长距离传输更加稳定。
2.3 无线类物理层
无线芯片Phy是调制解调器，将数字信号调制成模式信号通过无线电发射出去，以及通过射频模块接收周围的无线电信号。无线网络如Wi-Fi由于其特殊性，mac层和phy层耦合更加紧密，绝大多数的Wi-Fi芯片产品集成mac和phy两部分。
但是，从代码角度，mac层的upMAC部分代码一般以开源形式集成在SoC产品中，lowMAC和phy部分以固件形式由无线芯片加载在其RAM中运行。然后以sdio、pcie等总线和SoC芯片连接通信。
高通、联发科和博通瓜分移动设备市场，英特尔、瑞昱占据电脑市场。
2.4 光纤类物理层
光纤和无线模块的情况类似，mac和phy一起独立集成在通信芯片中。
2.5 通信原理
为了提高信道利用率提高吞吐率，常常将信道以不同技术复用：波分复用、码分复用、频分复用、分时复用等。分时复用实际上就是串行通信，比如每个设备占用1μs轮流通信，用户角度只能感知ms/s级别变化，感官上依然觉得是同时通信。
2.6 自协商
两个设备通信速率受到网络规格约束，同时也会受到物理线缆的状态影响，4对双绞线若存在部分破损，会自动协商新的速率以保证正常通信。自协商是物理层的重要功能之一。
以千兆有线网为例，支持如下5种协商等级，物理层会根据物理层线缆自检的实际情况决定使用的通信速率。
例如4对双绞线中，出现一对破损，则通信速率大概率会从1000BASE-T的千兆网下降到100BASE-Tx的百兆网。
无线网的速率调制解调方式、信道频宽、保护间隔等影响，会协商更多的速率等级。以wifi5 80M频宽的手机wifi热点为例，协商速率为866Mbps等级。
手机产品多为2x2天线设计，刚好对应MCS9调制解调方式256-QAM的80MHz频宽。
3. 产品形态
产品形态也存在各式各样
- 网卡仅包含Mac层，外挂Phy芯片，通过总线和SoC通信；
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SoC自带Mac层，外挂Phy芯片；
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SoC自带Mac层和另外一个SoC的Mac通过MII类接口直连；
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SoC将Mac和Phy都集成在同一个芯片中，对外暴露MII类接口；
另外，物理层Phy也并非无可或缺，比如两个网络设备，可以通过Mac层直连，跳过phy层交互过程，通信时延会有明显提升。
4. 性能边界
一般phy仅做数据透传，不会成为网络通信性能瓶颈，更多的是需要优化mac层及以上的tcp/ip协议栈内容。常见的有线网1/2.5Gbps，无线网是wifi6 1Gbps规格。时延数据毫无疑问是有线网优于无线网络。
时延参数也会受到本机传输影响，以linux为例，网卡驱动一般挂载在驱动层，数据在用户层和驱动层来回穿梭拷贝数据，通信性能会打折扣。这块涉及到mac层的配置，下节继续解读。