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前言

• 上一篇博客里我們講解了計算機網絡里面的計算機網絡體系結構
• 這篇博客，我們開始講解物理層的基本概念，數據通信的基礎知識，物理層下面的傳輸媒體

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一、物理層的基本概念

1. 什么是物理層

當我們將計算機網絡比作一座高樓大廈時，物理層便是最底層的地基。

• 在常見的TCP/IP五層模型中，它處于最底層，向上依次是數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。

這里需要澄清兩個常見的認知誤區：

• 物理層并非具體的物理設備

例如網卡、交換機等硬件。它類似于地基，是整個支撐結構，而非某一塊磚頭。

• 物理層也不是傳輸媒體.

像網線、光纖、無線電波這些"信息高速公路"，只是地基上的"路面材料"。

簡單來說，物理層是一個抽象概念，它定義了如何在這些"路面材料"上傳輸數據。

2. 物理層的核心使命

• 物理層的主要工作是實現"數據比特流"的傳輸。

比特流: 即由0和1組成的二進制數據序列，是計算機通信的最基本單位，如同我們說話時的一個個音節。

其工作流程分為三步：

1. 接收數據：數據鏈路層（如同地基上的第一層建筑）將準備好的比特流交付給物理層。
2. 編碼轉換：物理層根據傳輸媒體的特點，將比特流轉換成合適的信號形式。

例如在網線上，把0和1轉換成不同的電壓信號；在光纖中，則轉換成不同的光信號。

3. 傳輸信號：通過傳輸媒體把信號傳送到下一個節點的物理層，就像將打包好的貨物通過不同運輸工具運往目的地。

物理層還有一個重要作用——"屏蔽差異"。

• 不同的傳輸媒體和通信手段如同不同的運輸方式。
• 而物理層的任務是讓上層（數據鏈路層及以上）無需關心這些運輸方式的具體差異，
• 只需知道數據能夠順利傳輸，為上層提供統一的數據傳輸服務。

3. 物理層的四大特性

為實現上述功能，物理層需明確與傳輸媒體接口的一些特性，確保它們能夠正確連接和通信，主要包括以下四個方面：

1. 機械特性：硬件接口的"外形規范"
   它就像常見的插頭和插座，規定了接口的形狀、尺寸、引線數目、排列方式以及固定和鎖定裝置等。

例如，網線的RJ-45接口有8根引腳，按特定順序排列，只有符合該機械特性的插頭和插座才能正確連接，恰似鑰匙與鎖的關系。

2. 電氣特性：信號電壓的"語言規范"

在接口的電纜各條線上，不同電壓代表不同信號。

• 電氣特性規定了這些電壓的范圍，如規定+5V表示二進制的1，0V表示二進制的0。這如同用不同音量傳遞不同信息，確保雙方對電壓信號的理解一致。

3. 功能特性：電壓信號的"意義解讀"
   若電氣特性規定了電壓范圍，功能特性則賦予這些電壓具體意義。

例如，某條線上的高電壓（如+3V）可能表示數據傳輸開始，低電壓（如-3V）表示數據傳輸結束；

• 或者某條線專門用于傳輸數據，另一條線用于傳輸控制信號。
• 這就像交流中，不同語氣和手勢代表不同含義。

4. 過程特性：通信流程的"順序規則"它規定了不同功能的各種可能事件的出現順序，即通信的過程和步驟。

比如，兩臺設備通信時，需先建立連接，然后傳輸數據，傳輸完成后斷開連接。

• 在此過程中，各個信號的發送和接收順序都有明確規定，就像打電話時，先撥號，對方接聽后再說話，說完后掛電話，順序不可混亂。

通過這四個特性的規范，物理層確保了不同設備之間能夠正確、穩定地連接和通信，為整個計算機網絡的運行奠定了堅實基礎。

二、數據通信的基礎知識

1. 數據通信系統的基本模型

想象你給朋友發微信消息，這個過程背后藏著一個完整的數據通信系統模型，它由三大部分組成：

1.1 源系統（發送端）

• 源點：產生信息的源頭，比如你在手機里輸入的漢字
• 發送器：把信息轉換成適合傳輸的信號，類似"打包員"

  例子：手機把漢字轉成二進制比特流（0101…），再通過調制解調器把數字信號變成模擬信號（就像把文字寫成適合郵寄的格式）

1.2 傳輸系統

• 負責傳遞信號的媒介，比如：

• 公用電話網、網線、光纖、無線網絡等

• 作用：就像郵局的運輸車隊，負責把"信息包裹"從甲地運到乙地

1.3 目的系統（接收端）

• 接收器：接收信號并還原成數據，類似"拆包員"

• 調制解調器把模擬信號再轉回數字比特流

• 終點：把數據轉換成人類能理解的信息，比如手機屏幕顯示漢字

2. 數據通信的基本術語

（1）通信三兄弟：消息、數據、信號

• 消息：我們實際想傳遞的內容，比如語音、文字、圖片

• 例子：你發的"晚上一起吃飯"這句話

• 數據：消息的數字化表示，是運送消息的"實體"

• 例子：這句話被轉換成二進制序列"1001100…1100100"

• 信號：數據的電氣/電磁表現形式，是數據在物理層的"運輸形態"

• 例子：數據通過網線時變成高低電壓，通過光纖時變成明暗光信號

（2）信號的兩種形態

• 模擬信號：連續變化的信號，像水波一樣平滑

  例子：傳統電話線上傳輸的語音信號

• 數字信號：離散的信號，只有特定的幾個狀態（如0和1）

  例子：計算機里的二進制信號（類似開關的開和關）

（3） 碼元

• 用波形表示數字信號時，代表不同離散值的基本波形
• 用二進制編碼時，碼元只有兩種：
  • 高電壓波形代表"1"，低電壓波形代表"0"
  • 一串碼元組成的波形就像"字母串"，比如"10110"對應的電壓變化序列

3. 信道的三種通信方式

3.1 單向通信（單工通信）

• 只能一個方向傳輸，不能反向
• 例子：電視信號傳輸（電視臺只管發，觀眾不能回傳）
• 圖示：? （單箭頭管道）

3.2 雙向交替通信（半雙工通信）

• 雙方都能發，但不能同時發（需輪流發言）
• 例子：對講機（按住講話時不能聽，松開才能聽）
• 圖示：?? （可切換方向的管道，同一時間只能單向）

3.3 雙向同時通信（全雙工通信）

• 雙方可同時發送和接收
• 例子：打電話（你說話時也能聽到對方聲音）
• 圖示：? （雙箭頭管道，雙向同時通行）

4. 信號調制

（1）為什么需要調制？

• 基帶信號（計算機直接輸出的信號）往往含低頻成分，而很多信道（如電話線）無法傳輸低頻或直流信號
• 調制就像給數據"換衣服"，讓它適合在特定信道中傳輸

（2）基帶調制（波形變換，不搬移頻率）

• 僅改變信號波形，使其適應信道特性，變換后仍是基帶信號

• 常用編碼方式（以比特流"1000100111"為例）：
  ? 不歸零制：正電平=1，負電平=0（電平保持到下一位，無脈沖歸零）
  ? 歸零制：正脈沖=1，負脈沖=0（每個碼元發完后歸零）
  ? 曼徹斯特編碼：位中心向上跳變=0，向下跳變=1（自帶時鐘同步）
  ? 差分曼徹斯特編碼：位中心必跳變，位開始邊界跳變=0，不跳變=1

• 關鍵區別：
  ? 曼徹斯特編碼有"自同步能力"（位中心跳變可當時鐘信號），不歸零制沒有

（3）帶通調制（頻率搬移，轉成模擬信號）

• 用載波（高頻信號）把基帶信號的頻率搬到更高頻段，適合長距離傳輸

• 三種基本調制方法：
  ? 調幅（AM）：改變信號振幅表示0和1（類似聲音大小變化）
  ? 調頻（FM）：改變信號頻率表示0和1（類似聲音音調變化）
  ? 調相（PM）：改變信號相位表示0和1（類似聲音的相位偏移）

• 進階技巧：正交振幅調制（QAM）
  ? 同時調幅和調相，一個碼元可攜帶多個比特（如1個碼元帶3比特，傳輸效率提升3倍）

5. 信道的極限容量

（1） 信號失真：為什么傳得太遠會"變味"？

• 三大影響因素：

  • 傳輸距離：距離越遠，信號衰減越嚴重（類似打電話太遠聽不清）
  • 媒體質量：劣質網線會讓信號"變形"（類似用漏水的水管輸水）
  • 碼元傳輸率：傳得太快會導致碼元"擠在一起"（類似高速公路堵車）

• 后果：碼間串擾（信號波形失去界限，無法識別0和1）

（2） 奈氏準則

• 公式：碼元傳輸最高速率 = 2W（碼元/秒），W是信道帶寬（Hz）
• 意義：在帶寬為W的信道中，碼元傳得太快會串擾，必須低于2W才能清晰識別

類比：高速公路車道寬度固定時，車速太快會追尾，必須限速

（3） 信噪比與香農公式

• 信噪比（SNR）：信號功率與噪聲功率的比值，用分貝（dB）表示
  ? 公式：信噪比(dB) = 10 log??(S/N)

  • 例子：S/N=1000時，信噪比=30dB（噪聲影響較小）

• 香農公式：信道極限信息傳輸速率
  ? 公式：C = W log?(1 + S/N) （bit/s）

  • 意義：帶寬W越大、信噪比S/N越高，能傳的信息量越大

  類比：水管越粗（帶寬大）、水越干凈（噪聲小），單位時間能送的水（數據）越多

（4） 提高傳輸速率的方法

• 方法：用復雜編碼讓1個碼元攜帶多個比特（而非1碼元=1比特）
• 例子：
  ? 原始：1碼元=1比特，傳輸速率10碼元/秒→10bit/s
  ? 編碼后：1碼元=3比特，同樣速率→30bit/s

6. 奈氏與香農的對比

• 奈氏準則：指導我們如何設計更好的編碼方式，讓碼元攜帶更多比特（像優化貨車載貨量）
• 香農公式：告訴我們任何信道都有絕對極限，再牛的編碼也無法突破（像告訴我們貨車最多能裝多少貨）

三、物理層下面的傳輸媒體

1. 傳輸媒體：數據傳輸的“高速公路”

• 你可以把網絡數據想象成“快遞”，傳輸媒體就是快遞運輸的“路”。
• 根據“路”的不同特點，傳輸媒體主要分兩類：
  

1.1 導引型傳輸媒體

數據信號沿著固定的物理線路傳播，就像火車在鐵軌上行駛。

• 常見的包括雙絞線、同軸電纜、光纖。

1.2 非導引型傳輸媒體

• 數據信號以電磁波形式在空氣中傳播，比如WiFi、藍牙、衛星通信，就像無人機在空中送信。

2. 最常用的導引型媒體

2.1 為什么叫“雙絞線”？

它由兩根絕緣銅導線像擰麻花一樣絞在一起，這樣做的目的是減少信號干擾

• 多對雙絞線裹在一起，就成了我們常見的網線。
  

2.2 屏蔽雙絞線（STP）和無屏蔽雙絞線（UTP）的區別

• UTP（無屏蔽）：便宜，常見于家庭網線，比如我們插路由器的網線。
• STP（屏蔽）：外面多一層金屬屏蔽層，抗干擾能力強，像“穿了防彈衣”，常用于電磁干擾強的環境（比如工業車間）。
  

2.3 網線的“等級”：從3類到7類

網線按傳輸速度分不同類別，數字越大越“快”：

• 3類線：老電話線上網用，現在基本淘汰。
• 5類線：支持100M網速，適合普通家庭寬帶。
• 超5類/6類線：支持1000M（千兆）網速，裝光纖寬帶必備。
• 7類線：速度更快，用于數據中心等高端場景，但需要配專用接口。

3. 同軸電纜

3.1 結構

• 最里面是銅芯（傳信號），外面包一層絕緣材料，再包一層金屬網（防干擾），最外層是塑料皮（如圖）。

3.2 應用：從有線電視到早期網絡

以前家里接機頂盒的“閉路線”就是同軸電纜，它比雙絞線抗干擾能力強，但比光纖慢。早期網吧可能用它連網，但現在基本被光纖取代了。

4. 光纖

4.1 傳輸原理

• 光纖是極細的玻璃絲（纖芯），外面包一層材料（包層）。當光從纖芯射入時，由于纖芯“折射率”更高，光會像打臺球一樣在纖芯里不斷全反射，快速向前傳播（如圖）。
• 特點：光速傳輸（接近30萬公里/秒），容量大（一根光纖能同時傳幾萬路信號），抗干擾能力超強（不怕電磁干擾）。

4.2 光纖通信的“三件套”

• 發送端：用發光二極管或激光器把電信號變成光脈沖。
• 光纖：傳光信號的“管道”。
• 接收端：用光電二極管把光脈沖變回電信號。

4.3 為什么光纖比網線快？

網線傳的是電信號，電信號會隨距離變弱，還容易被干擾；光纖傳的是光信號，損耗極小，幾十公里外信號都很清晰，所以光纖能支撐千兆、萬兆網速，是現在寬帶和數據中心的“主力”。

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以上就是本篇博客的全部內容。下一篇我們將深入物理層中信道復用技術

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