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前言
本文旨在系统性地介绍计算机网络中的物理层。
一、物理层概述
1.1、物理层要实现的功能
物理层位于体系结构的最底层，直接面向传输介质。它的核心功能是：解决使用何种信号来表示比特 0 和 1 的问题，并在传输介质上实现比特流的透明传输。
具体来说，物理层要解决以下问题：
采用什么传输媒体（介质）：双绞线、光纤、无线信道等。
采用什么物理接口：接口的形状、引脚排列等。
采用什么信号表示比特 0 和 1：用何种电压/光强/频率来表示 0 和 1。
1.2、物理层接口特性
物理层接口规范定义了以下四个特性：
① 机械特性
规定接口的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
例如：RJ45 插座的尺寸、引脚数量、卡扣结构。
② 电气特性
规定信号电压的范围、阻抗匹配的情况、传输速率、距离限制。
例如：100BASE-T 快速以太网，发送引脚电压 950mV~1050mV，使用 5 类无屏蔽双绞线，特性阻抗 100Ω，最大传输速率 100Mb/s，单段最大长度 100m。
③ 功能特性
规定接口电缆的各条信号线的作用。
例如：T568B 标准中，1、2 引脚用于发送数据，3、6 引脚用于接收数据，4、5、7、8 引脚不连接。
④ 过程特性
规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系。
例如：先发什么信号，后发什么信号，各信号之间间隔多久。
二、物理层下面的传输媒体
2.1、基本概念
传输媒体：计算机网络设备之间的物理通路，也称传输介质或传输媒介。
注意：传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。它位于物理层之下，是物理层的"下层"。
2.2、传输媒体的分类
导向型传输媒体（固体媒体）：电磁波被引导沿着固体介质传播。包括同轴电缆、双绞线、光纤。
非导向型传输媒体（自由空间）：电磁波在自由空间（空气、真空）中传播。包括无线电波、微波、红外线、大气激光、可见光。
2.2.1、导向型传输媒体
① 同轴电缆
结构：内导体、绝缘层、屏蔽层、外部保护层。
分类：①基带同轴电缆（50Ω）：用于数字传输，早期局域网中广泛使用；②宽带同轴电缆（75Ω）：用于模拟传输，目前主要用于有线电视入户线。
现状：价格较贵且布线不够灵活，在局域网领域基本已被双绞线取代。
② 双绞线
结构：多对双绞线 + 绝缘保护套。
分类：无屏蔽双绞线（UTP）：无屏蔽层，成本低。屏蔽双绞线（STP）：有屏蔽层，抗干扰能力强。
绞合作用：减少相邻导线间的电磁干扰，抵御部分来自外界的电磁干扰。
常见类别：3类（16MHz）、4类（20MHz）、5类（100MHz）、5E类（125MHz）、6类（250MHz）、7类（600MHz）。
③ 光纤
原理：利用光脉冲在光纤中的传递进行通信。光从高折射率介质射向低折射率介质时，若入射角足够大，会发生全反射，光被反射回纤芯。
典型结构：纤芯（高折射率）、包层（低折射率）。
分类：①多模光纤：多条光波不断全反射，只适合建筑物内近距离传输；②单模光纤：光一直向前传播，适合长距离传输且衰减更小。
常用波长：850nm（衰减较大）、1300nm（衰减较小）、1550nm（衰减较小）。
优点：通信容量大、抗雷电和电磁干扰性能好、传输损耗小、中继距离长、无串音干扰、保密性好、体积小、重量轻。
缺点：割接光纤需要较贵的专用设备，光电接口还比较昂贵。
2.2.2、非导向型传输媒体
① 无线电波
频段：LF（低频）、MF（中频）、HF（高频）、VHF（甚高频）等。
传播方式：地波（沿地表传播）、天波（通过电离层反射）。
② 微波
频段：UHF（特高频）、SHF（超高频）、EHF（极高频）。
传播方式：视距传播（LOS），即直线传播，中间不能有障碍物。
应用：①地面微波接力通信：每隔 50~ 100km 设一个中继站；②卫星通信：同步地球卫星高度 36000km，单颗覆盖区跨度 18000km；中低轨道卫星高度 700~1500km。
③ 红外线
特点：点对点无线传输，直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短。
速率：4Mb/s ~ 16Mb/s。
应用：电视遥控器、空调遥控器等短距离遥控。
④ 大气激光与可见光
与红外线类似，用于短距离点对点通信
三、传输方式
3.1、串行传输与并行传输
① 串行传输
定义：数据逐位按顺序传输，只有一条数据线。
特点：线路成本低，适合长距离传输（如计算机网络）。
速度：相对较慢，但可通过提高时钟频率来提升。
② 并行传输
定义：数据多位同时传输，有多条数据线。
特点：速度快，但线路成本高，抗干扰能力差。
适用场景：短距离传输（如计算机内部 CPU 与存储器之间、CPU 与网卡之间）。
结论：计算机网络中，长距离传输用串行，短距离传输用并行。
3.2、同步传输与异步传输
同步传输与异步传输，解决的核心问题是：收发双方如何对齐"一个比特持续多长时间"这个时间标尺。
① 同步传输
定义：数据以字节为单位连续传输，收发双方时钟同步。
问题：收发双方时钟频率的误差积累，会造成比特信号采样时刻的严重偏移。
时钟同步方法：①外同步：在收发双方之间增加一条时钟信号线；②内同步：发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送（如曼彻斯特编码）。
特点：效率高（不需要为每个字节加起止位），适合大块数据传输。
② 异步传输
定义：数据以字节为单位传输，字节之间异步（时间间隔不固定），但字节内的每个比特仍然同步（持续时间相同）。
实现方式：每个字节前加起始位（E），后加停止位（S）。
特点：实现简单，但效率较低（每个字节都要加起止位），适合低速、零星数据传输。
3.3、单向通信、双向交替通信与双向同时通信
① 单向通信（单工）
定义：只能一个方向通信，一方固定发送，另一方固定接收。
举例：无线电广播、电视广播。
② 双向交替通信（半双工）
定义：双方都能发送和接收，但不能同时进行。
举例：对讲机。
③ 双向同时通信（全双工）
定义：双方可以同时发送和接收。
举例：手机通话、微信聊天。
四、编码与调制
4.1、基本概念
①消息：文字、图片、音频、视频等。
②数据：运送消息的实体。
③信号：数据的电磁表现。
④信道：信号传输的通道。由物理介质、传输资源和收发设备共同构成。分为数字信道和模拟信道，分别用于传输数字信号和模拟信号。
⑤数字基带信号：计算机输出的原始数字信号，用两种不同的电平分别表示 0 和 1。
⑥方波：由离散电平瞬间切换形成的矩形波形，是数字信号最常见的表现形式。
⑦码元：在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形。
⑧基带调制（编码）：
将数字基带信号转换为更适合在数字信道上传输的数字波形，使其具备自同步能力或更高的传输效率。如以太网采用的曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B。
⑨带通调制：
将数字基带信号转换为模拟波形（载波），通过改变载波的振幅、频率或相位来携带数据，使其能在模拟信道上传输。如 Wi-Fi 采用的 CCK/DSSS/OFDM 调制。
4.2、常用编码方式
① 双极性不归零编码
特点：编码效率高，但存在同步问题。
原理：用正电平和负电平分别表示 1 和 0，信号电平不回归零。
注意：效率高，但连续多个相同电平会导致接收方无法判断有几个码元，需要额外加一条时钟信号线。
② 双极性归零编码
特点：在每个码元的中间时刻信号都会回归到零电平。
原理：接收方只要在信号归零后采样即可。归零相当于将时钟信号编码在了数据之内。
注意：自同步（接收方从数据信号的跳变中，自己提取时钟信号，不需要额外加时钟线。），但编码效率低，大部分数据带宽都用来传输"归零"而浪费掉了。
③ 曼彻斯特编码
特点：码元中间时刻的电平跳变既表示时钟信号，也表示数据。用于 10Mb/s 传统以太网。
原理：正跳变表示 1 还是 0，负跳变表示 0 还是 1，可以自行定义。
注意：自同步。
④ 差分曼彻斯特编码
特点：码元中间时刻的电平跳变仅表示时钟信号，不表示数据。
原理：数据的表示在于每一个码元开始处是否有电平跳变：无跳变表示 1，有跳变表示 0。
注意：自同步，比曼彻斯特编码信号变化少，更易于检测，抗干扰能力更强。在传输大量连续 1 或连续 0 时，信号变化少；在噪声干扰环境下，检测有无跳变比检测跳变方向更不容易出错；在传输介质接线错误导致高低电平翻转时，仍然有效。
4.3、基本的带通调制方法
① 调幅（AM）
原理：载波的振幅随数字基带信号变化。
有载波表示 1，无载波表示 0。
② 调频（FM）
原理：载波的频率随数字基带信号变化。
频率 f1 表示 0，频率 f2 表示 1。
③ 调相（PM）
原理：载波的相位随数字基带信号变化。
相位 0° 表示 0，相位 180° 表示 1。
基本调制方法的局限：1 个码元只能包含 1 个比特信息。
4.4、混合调制方法：正交振幅调制（QAM）
QAM-16
原理：载波的相位和振幅结合起来一起调制。
参数：12 种相位，每种相位有 1 或 2 种振幅可选。
结果：通过相位与振幅的组合，可以调制出 16 种码元（波形），每种码元可以对应表示 4 个比特（log₂16 = 4）。
格雷码：每个码元与 4 个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个相邻码元只有 1 个比特不同。这样，当接收方误判到相邻码元时，只会错 1 位，而不是全错。
星座图：用极坐标表示码元的振幅和相位，是 QAM 的直观表示。
五、信道的极限容量
5.1、造成信号失真的主要因素
数字信号在信道上传输时，可以看作是多个频率的模拟信号叠加形成的方波。如果信道带宽有限或存在噪声，信号就会失真。
造成信号失真的主要因素：
①码元的传输速率：传输速率越高，失真越严重；
②信号的传输距离：传输距离越远，失真越严重；
③噪声干扰：噪声越大，失真越严重；
④传输媒体的质量：媒体质量越差，失真越严重。
码间串扰：如果数字信号中的高频分量在传输时受到衰减甚至不能通过信道，接收端收到的波形前沿和后沿会变得不陡峭，每个码元所占的时间界限也不再明确，导致接收端无法清晰区分码元。这就是码间串扰。
注意：信道的频率带宽越宽，能通过的高频分量就越多，码元的传输速率就可以更高，而不会导致码间串扰。但信道的频率带宽是有上限的，因此码元的传输速率也有上限。
5.2、奈氏准则（Nyquist）
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/秒
W：信道的频率带宽（单位：Hz）。
Baud：波特，即码元/秒。
注意：
①只要码元传输速率不超过根据奈氏准则计算出的上限，就可以避免码间串扰；
②奈氏准则给出的是理想低通信道的最高码元传输速率，和实际信道有较大差别。实际信道所能传输的最高码元传输速率，要明显低于这个上限值。
③码元传输速率又称波特率、调制速率、波形速率或符号速率。
波特率与比特率的关系：当 1 个码元只携带 1 比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上相等。当 1 个码元携带 n 比特的信息量时，比特率 = 波特率 × n。
5.3、香农公式（Shannon）
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率：
C = W log₂(1 + S/N) (b/s)
C：信道的极限信息传输速率（单位：b/s）。
W：信道的频率带宽（单位：Hz）。
S：信道内所传信号的平均功率。
N：信道内的高斯噪声功率。
S/N：信噪比，常用分贝（dB）表示。信噪比换算：信噪比 (dB) = 10 log₁₀(S/N)
补充说明：
白噪声：功率在所有频率上均匀分布的噪声（描述频率特性）。
高斯白噪声：幅度服从高斯分布（正态分布）、且功率在所有频率上均匀分布的噪声。"高斯"描述幅度特性，"白"描述频率特性。热噪声是典型的高斯白噪声。
注意：
①信道的频率带宽 W 或信噪比 S/N 越大，信道的极限信息传输速率 C 就越高；
②实际信道不可能无限制地提高 W 或 S/N；
③实际信道中能够达到的信息传输速率，要比香农公式给出的极限传输速率低不少（因为还有脉冲干扰、信号衰减等因素，香农公式中并未考虑）。
5.4、奈氏准则与香农公式的联合应用
在信道的频率带宽 W 一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率，就必须：①采用多元制（更复杂的调制技术），使码元可以携带更多个比特；②努力提高信道中的信噪比。
自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了使码元可以携带更多个比特，进而尽可能接近香农公式给出的传输速率极限。
六、信道复用技术
6.1、基本原理
复用（Multiplexing）：在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。
目的：当传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，通过复用技术建立多条通信信道，充分利用传输媒体的带宽。
代价：需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道。但如果复用的信道数量较大，还是比较划算的。
6.2、常见的信道复用技术
①频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）
原理：所有用户同时占用不同的频带资源进行通信。
特点：频带之间需要留出隔离频带，防止相互干扰。
应用：无线电广播、有线电视等。
②时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）
原理：所有用户在不同的时间占用同样的频带。
特点：时间被划分为一个个时隙，每个时隙分配给一个用户，用户只能在属于自己的时隙里发送数据。各用户时隙周期性出现，周期为 TDM 帧的长度。一个 TDM 帧 = 所有用户各出现一次的总时间。TDM 帧是一段固定长度的时间，与数据链路层的"帧"（一段数据）是完全不同的概念。
应用：传统电话网。
③波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）
原理：光的频分复用（FDM）。在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号。发送端用光复用器（合波器）把不同波长的光合并到一根光纤中；接收端用光分用器（分波器）把不同波长的光分开。合波器和分波器通常都是棱镜或光栅，利用不同波长的光折射角度不同来实现光的合并与分离。
特点：目前可在一根光纤上复用 80 路或更多路的光载波信号，称为密集波分复用（DWDM）。
计算举例：一根光缆中放入 100 根速率为 2.5Gb/s 的光纤，每根采用 40 倍 DWDM，总速率 = (2.5Gb/s × 40) × 100 = 10Tb/s。
应用：光纤通信骨干网。
④码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）常称为码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）
原理：每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。这项技术源自扩频通信，最初用于军事通信，抗干扰能力强，频谱类似白噪声。
CDMA 的工作过程如下：
①每个比特时间划分为 m 个更短的时间片，称为码片（Chip），m 通常为 64 或 128。
②每个站点（CDMA 通信中的参与者（手机、基站等设备））被指派一个唯一的 m 比特码片序列。
③发送比特 1：发送自己的码片序列；发送比特 0：发送自己码片序列的反码。
④码片序列中的 0 记为 -1，1 记为 +1，形成码片向量。
⑤各站点发送的信号在信道中叠加，接收方用自己的码片向量与收到的叠加信号做规格化内积：结果为 1 → 收到比特 1；结果为 -1 → 收到比特 0；结果为 0 → 没有收到信息。
码片序列的性质：①分配给每个站的码片序列必须各不相同（常用伪随机码序列）；②分配给每个站的码片序列必须相互正交，即规格化内积为 0：A · B = (1/m) Σ AᵢBᵢ = 0；③一个站的码片向量与其自身的规格化内积为 1（A · A = 1）；④一个站的码片向量与其反码的规格化内积为 -1（A · Ā = -1）。