计算机网络·物理层（Physical Layer）
2.1 物理层的基本概念
物理层是 OSI 体系结构中的最底层，也是最容易被忽视、却最难被绕开的层次。
基本概念：
如何在一条物理链路上传输 0 和 1。
需要强调的是，物理层并不关心比特的含义，也不关心这些比特最终会被谁接收。它的职责边界非常清晰，主要包括：
- 规定接口的机械特性（插头形状、引脚数量）
- 规定接口的电气特性（电压范围、阻抗）
- 规定信号的功能特性（哪根线发送、哪根线接收）
- 规定信号的过程特性（时序、同步方式）
换句话说，物理层解决的是“怎么发得出去”，而不是“发的是什么”。
2.2 数据通信的基础知识
数据通信的本质
数据通信的本质是：
在发送端将数据转换为信号，在接收端再将信号还原为数据。
- 数据：运送信息的实体（0 和 1）
- 信号**：数据的电气或电磁的表现（电信号、光信号、电磁波）**
数据通信系统的模型分为三个部分：
- 源系统
- 目的系统
- 传输系统
2.2.1 数据通信系统的模型
一个典型的数据通信系统可以抽象为五个部分：
- 信源：产生数据的设备
- 发送器：将数据转换为信号
- 信道：信号传播的媒介
- 接收器：将信号还原为数据
- 信宿：接收数据的终端
在这个模型中，信道并不是“透明的”。它会带来：
- 噪声
- 衰减
- 失真
也正因为如此，数据通信才成为一门工程学，而不是简单的连线问题。
2.2.2 有关信道的几个基本概念
单向通信、双向交替通信和双向同时通信
- 单向通信：只能一个方向传输（广播）
- 双向交替通信（半双工）：双方轮流发送（对讲机）
- 双向同时通信（全双工）：双方可同时发送（电话）
基带信号与带通信号
- 基带信号：信号频率从 0 开始，直接表达数据
- 带通信号：通过调制，将基带信号搬移到高频
在远距离传输中，几乎总是采用带通信号。
码元与码元速率
- 码元：信号的基本波形单位
- 码元速率（波特率）：每秒传输的码元数
注意：
码元速率 ≠ 比特率
一个码元可以承载多个比特，这是高速通信的关键。
2.2.3 信道的极限容量
信道并不是“想发多快就能多快”。
A.奈奎斯特定理（无噪声）
在理想无噪声条件下：
最高码元速率 = 2W
其中 W 为信道带宽。
B.香农公式（有噪声）
信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N ，通常用分贝（dB）表示度量单位，
在实际有噪声条件下，信道的极限容量为：
C = W · log₂(1 + S/N)
- 提高功率 → 收益递减
- 扩大带宽 → 更有效
2.3 物理层下面的传输媒体
传输媒体是信号真正“跑”的地方。
分类视角
物理层通常将传输媒体分为：
- 导引型传输媒体
- 非导引型传输媒体
2.3.1 导引型传输媒体
导引型媒体为信号提供了明确的传播路径。
双绞线
- 成本低、应用广
- 抗干扰能力通过“绞合”实现
- 常用于局域网（以太网）
同轴电缆
- 抗干扰能力强于双绞线
- 早期以太网、电视网络常用
光纤
- 传输距离远
- 带宽极高
- 抗电磁干扰
光纤是现代骨干网的绝对主力。
2.3.2 非导引型传输媒体
非导引型媒体依靠电磁波在自由空间传播。
无线电波
- 穿透能力强
- 覆盖范围大
- 易受干扰
微波
- 方向性强
- 常用于点对点通信、卫星通信
红外与可见光
- 短距离
- 保密性好
- 需要视距传播
2.4 信道复用技术
复用的核心思想：
- 发送端用一个复用器，用一个共享信道传送所有的信号
- 接收端用一个分用器，把合起来传输的信息分别送往终点
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
频分复用（FDM）：各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源
- 将频谱划分为多个子频带
- 每路信号占用一个频带
- 适合模拟通信
时分复用（TDM）：各路信号在不同的时间占用不同的带宽资源
- 时间被切分为固定时隙
- 各用户轮流使用信道
- 利用率受限于最慢用户
统计时分复用
- 按需分配时隙
- 只给“活跃用户”资源
- 显著提高链路利用率
现代分组交换网络本质上依赖统计复用思想。
2.4.2 波分复用（WDM）
波分复用是光纤通信的灵魂技术。
- 不同波长 ≈ 不同“颜色”的光
- 多路光信号在同一根光纤中并行传输
通过 WDM，一根光纤的容量被成数量级地放大。
2.4.3 码分复用（CDM）：各路信号在同样的时间占用同样的频带宽度
码分复用采用的是一种“反直觉”的思路：
- 所有用户同时使用全部频带
- 每个用户拥有唯一的码片序列
- 接收端通过相关运算区分信号
CDM 的代表技术是CDMA，其抗干扰能力和安全性极强。
小结：为什么物理层并不“简单”
物理层看似只是在“传信号”，但实际上：
- 它决定了网络的性能上限
- 它连接了数学模型与真实世界
- 它是所有高层协议的地基
当你在应用层写下一行代码时，背后是一整套精密的物理层设计在默默兜底。
