第二章 物理层
一、物理层的基本概念
物理层是计算机网络OSI参考模型和TCP/IP模型中的最底层，其主要任务是为数据链路层提供一个透明的、可靠的数据传输物理连接。物理层不关心数据的具体含义，只负责将比特流从一台设备传送到另一台设备。
核心功能：
1. 定义物理特性：规定通信设备的机械、电气、功能和过程特性。
* 机械特性：接口的形状、尺寸、引脚数量和排列等。例如，RJ-45水晶头的规格。
- 电气特性：线路上的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。例如，规定用-15V到-5V表示二进制“1”，用+5V到+15V表示二进制“0”。
- 功能特性：每条物理线路（引脚）的功能定义。例如，哪根线用于发送数据，哪根线用于接收数据，哪根线用于接地。
- 过程特性（规程特性）：定义建立、维护和拆除物理连接时，各线路信号变化的时序关系。
- 传输比特流：将数据链路层传来的帧（Frame）转换成适合在物理介质上传输的比特流（0和1的序列），并在接收端将其还原。
- 同步：确保发送方和接收方的时钟同步，以便正确识别每一个比特。
- 传输模式：确定数据通信是单工、半双工还是全双工。
二、数据通信的基础知识
1. 数据通信系统模型
一个典型的数据通信系统包括：
- 源系统（发送端）：信源（产生数据的设备）和发送器（将数据转换成适合传输的信号）。
- 传输系统（信道）：传输介质和可能的中继设备（如放大器、中继器）。
- 目的系统（接收端）：接收器（将信号还原为数据）和信宿（接收数据的设备）。
2. 有关信道的几个基本概念
单向通信（单工）：信号只能在一个方向传输，如广播、电视。
双向交替通信（半双工）：通信双方都可以发送和接收，但不能同时进行，如对讲机。
* 双向同时通信（全双工）：通信双方可以同时发送和接收数据，如电话、现代以太网。
3. 信号的分类
模拟信号（连续信号）：幅度随时间连续变化，如声音、传统电话线上的信号。
数字信号（离散信号）：幅度取值是离散的，如计算机内部处理的0和1。
4. 调制与编码
基带传输：将数字信号（0和1）直接送到线路上传输。适用于短距离、高质量信道（如同轴电缆、双绞线）。
频带传输（宽带传输）：将基带信号进行调制，变换成适合在模拟信道上传输的模拟信号。适用于长距离或无线传输。
* 调制：将数字信号转换成模拟信号。常用方法：调幅（ASK）、调频（FSK）、调相（PSK）。
- 编码：将数字信号转换成另一种数字信号，以适应传输特性。常用方法：不归零编码（NRZ）、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。
三、传输介质
传输介质是连接通信设备的物理通路，分为导向型和非导向型。
1. 导向型传输介质
双绞线（Twisted Pair）：
结构：将两根绝缘的铜导线按一定密度绞合在一起，以减少电磁干扰。
- 分类：
- 屏蔽双绞线（STP）：带金属屏蔽层，抗干扰能力强。
- 非屏蔽双绞线（UTP）：常见，成本低，应用广泛（如五类线、超五类线、六类线）。
- 连接器：RJ-45水晶头。
- 同轴电缆：
- 结构：由内导体、绝缘层、网状屏蔽层和外保护层组成，抗干扰能力优于双绞线。
- 应用：早期有线电视网络、局域网（现已基本被双绞线和光纤取代）。
- 光纤（Optical Fiber）：
- 原理：利用光的全反射原理在纤细的玻璃或塑料纤维中传输光脉冲信号。
- 优点：带宽极高、传输损耗小、抗电磁干扰强、安全性高、重量轻。
- 分类：
- 多模光纤：纤芯较粗，光以多种模式传播，传输距离较短（几公里），成本较低。
- 单模光纤：纤芯极细，光以单一模式直线传播，传输距离长（数十至上百公里），成本高。
2. 非导向型传输介质（无线传输）
通过自由空间传播电磁波或光波。
- 无线电波：穿透力强，全方向传播，如Wi-Fi、蓝牙、广播。
- 微波：直线传播，需要中继，如卫星通信、地面微波接力。
- 红外线：短距离直线传播，不能穿透障碍物，如遥控器。
四、信道复用技术
为了提高信道的利用率，允许多个用户共享一个物理信道。
1. 频分复用（FDM）
将整个带宽划分为多个不同频率的子信道，每个用户占用一个固定的频带。用户始终独占其子信道。应用：传统有线电视、无线电广播。
2. 时分复用（TDM）
将时间划分为一段段等长的时隙，每个用户周期性地占用一个固定的时隙。所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度。应用：传统的数字电话系统（如E1/T1线路）。
3. 统计时分复用（STDM，异步TDM）
改进的TDM，时隙不固定分配，而是按需动态分配，提高了信道利用率。
4. 波分复用（WDM）
光纤通信中的FDM，将不同波长的光信号复用到一根光纤中传输。密集波分复用（DWDM）是WDM的一种，波长间隔更小。
5. 码分复用（CDM）/ 码分多址（CDMA）
每个用户使用经过特殊挑选的不同“码型”进行编码，所有用户可以在同一时间、同一频带内通信，互不干扰。具有较强的抗干扰能力和保密性。应用：3G移动通信的基础。
五、宽带接入技术
1. xDSL技术（数字用户线）
利用电话线（双绞线）提供高速数据接入。通过在用户电话线上划分出不同的频带用于语音和数据传输。
- ADSL（非对称数字用户线）：上行（用户到网络）和下行（网络到用户）速率不对称，下行速率远高于上行速率，适合家庭上网。
2. HFC（混合光纤同轴电缆网）
基于有线电视网（CATV）的接入技术。主干部分使用光纤，用户端使用同轴电缆。需要电缆调制解调器（Cable Modem）。
3. FTTx技术（光纤到...）
将光纤作为主要传输介质，不断向用户端延伸。
- FTTH（光纤到户）：光纤直接铺设到用户家中，是终极的宽带解决方案。
- FTTB（光纤到楼）：光纤铺设到楼宇，楼内通过双绞线或同轴电缆接入用户。
本章小结：
物理层是网络通信的物理基础，它规定了如何在各种物理介质上透明地传输原始的比特流。理解物理层的特性、传输介质、复用技术和接入技术，是构建和理解整个计算机网络体系结构的第一步。它虽然不处理具体的数据内容，但其性能（如带宽、误码率）直接决定了上层网络应用所能达到的极限。
