物理层

Posted Sep 15, 2025 Updated Nov 30, 2025

By 何翌闻

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物理层

物理层是OSI最底层，负责在物理介质上传输原始的比特流，它定义了设备的电气、机械、过程和功能规范，以激活、维持和停用物理链路。简单来说，物理层关心的是如何将 0 和 1 转换成信号（电信号、光信号、无线电波等）并通过网线、光纤、空气等介质发送出去，以及如何接收这些信号并将其转换回 0 和 1。

王道考研版

通信基础的基本概念

信源、信宿、信号、信道

每一个信号就是一个“码元”，可以把信号周期称为码元宽度

一个码元可以携带多少比特数据？—如果一个周期可能出现K种信号，那么1码元等于logK bit数据

速率

波特率：码元/秒

比特率：bit/s

信道的极限容量

带宽：某信道能通过的“最高数据率”（单位：bps），描述信道传输数据的能力

噪声：对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率

奈奎斯特定理：对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道），极限波特率＝2W（单位：波特，即码元/秒），极限比特率为2WlogKbps

香农定理：对于一个有噪声、带宽有限的信道，极限比特率＝Wlog(1+S/N)(S/N:信噪比=信号的功率/噪声的功率，如果以dB为单位，信噪比为10lgS/N)

TODO：编码和调制

传输介质

常见的传输介质

导向型：信号朝固定方向传播—双绞线、同轴电缆、光纤

内导体越粗，电阻越低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长

非导向型：信号朝四面八方传播—无线传输介质

物理层接口的特性

物理层设备

中继器

集线器

集线器不能隔离冲突域，交换机可以隔离冲突域

第一章：物理层概述

1.1 物理层的功能

物理层（Physical Layer）是OSI参考模型的最底层，也是网络通信的物理基础。它的核心功能是在物理介质上透明地传输原始的比特流。

主要职责包括：

定义物理特性： 规定接口的机械特性（如连接器形状、引脚数量）、电气特性（如电压范围、阻抗）、功能特性（如引脚功能）和过程特性（如信号传输顺序）。
数据编码： 将数据链路层传来的二进制位（0和1）转换为适合在物理信道传输的信号（如电信号、光信号、无线电波）。
比特同步： 发送端和接收端必须保持同步，以便接收方能准确地识别每个比特的开始和结束。
传输模式： 定义数据传输的方向（单工、半双工、全双工）。

第二章：网络传输介质

传输介质是信号传输的物理路径，是通信系统的基石。

2.1 有线介质

1. 双绞线 (Twisted-Pair)

原理： 将两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞合在一起，可以有效抵消外界电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）。
类型：
- UTP (非屏蔽双绞线)： 最常用的以太网电缆。阻抗通常为100Ω。
- STP (屏蔽双绞线)： 在UTP的基础上增加了金属屏蔽层，抗干扰能力更强，价格也更贵。

标准与类别： 标准由TIA/EIA等组织制定。类别越高，支持的带宽和速率越高。

类别	最高带宽	主要应用	备注
Cat 3	16 MHz	10BASE-T	用于语音和10M以太网
Cat 5	100 MHz	100BASE-TX	最常用的以太网电缆
Cat 5e	100 MHz	1000BASE-T	超五类，千兆以太网主流
Cat 6	250 MHz	1000BASE-T, 10GBASE-T (短距离)	性能远超市五类
Cat 7	600 MHz	10Gbps+	屏蔽系统，用于未来网络

2. 同轴电缆 (Coaxial Cable)

结构： 由内导体、绝缘层、金属屏蔽层和外护套组成。抗干扰能力优于UTP。
类型： “细缆”(Thinnet/10BASE2)和“粗缆”(Thicknet/10BASE5)，现已较少用于LAN。
特点： 传输距离比UTP长，但比光纤短；成本介于UTP和光纤之间。

3. 光纤 (Fiber-Optic)

原理： 利用光在玻璃或塑料纤维中的全反射原理来传导光脉冲，从而传输数据。
优点：
- 高带宽： 支持极高的数据传输速率（可达Tbps级别）。
- 低衰减： 传输距离极长（可达数十公里无需中继）。
- 免疫干扰： 完全不受电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)影响。
- 安全性高： 难以在不断线的情况下窃听。
类型：
- 多模光纤 (MMF)：
  - 纤芯较粗（50或62.5µm），光以多种模式（路径）传播。
  - 存在模间色散，限制了传输距离和带宽。
  - 通常使用LED作为光源。
  - 主要用于局域网(LAN)等短距离通信。
- 单模光纤 (SMF)：
  - 纤芯极细（8-10µm），光几乎以单一模式直线传播。
  - 色散极小，传输距离远，带宽极高。
  - 通常使用激光二极管(ILD)作为光源。
  - 主要用于广域网(WAN)、长途干线等长距离通信。

2.2 无线介质

无线通信通过电磁波在空气中传输数据。

区分方式： 主要通过频率区分不同无线技术。
类型：
- 无线电波 (Radio)： 穿透性强，可非视距传输。用于Wi-Fi、蓝牙、移动通信等。
- 微波 (Microwave)： 高频无线电波，方向性强，需视距传输。用于地面微波中继和卫星通信。
- 红外 (Infrared - IR)： 短距离、视距传输，无法穿透墙壁。用于旧式遥控器、设备间短距离数据传输。
- 激光 (Laser)： 高度定向的相干光，用于点对点无线通信，需严格视距和对准。

第三章：网络接口与线缆

3.1 UTP线缆的连接

线序标准： TIA/EIA-568规定了两种打线标准：T568A和T568B。两种标准只是绿色和橙色线对互换。
线缆类型：
- 直通线 (Straight-Through Cable):
  - 线序： 两端采用相同的线序（同为T568A或同为T568B）。
  - 用途： 连接不同设备，如：计算机到交换机/路由器。
- 交叉线 (Crossover Cable):
  - 线序： 一端为T568A，另一端为T568B。这意味着线缆内部的发送线对(TX)和接收线对(RX)进行了交叉。
  - 用途： 连接相同设备，如：交换机到交换机、计算机到计算机。
  - 注意： 现代多数交换机、网卡支持Auto-MDIX功能，可自动检测并调整线序，使直通线可以通用。
- 全反线/控制台线 (Rollover / Console Cable):
  - 线序： 线序完全相反（1对8，2对7，3对6…）。
  - 用途： 不用于网络数据传输。专门用于连接网络设备（如路由器、交换机）的控制台(Console)端口，进行初始配置。通常需要搭配RJ-45 to DB-9或RJ-45 to USB适配器使用。

第四章：数据通信基础理论

4.1 基本概念

信号 (Signal): 数据的电气或电磁表现形式。
模拟信号 (Analog Signal): 在时间和幅度上连续变化的信号（如正弦波）。
数字信号 (Digital Signal): 在时间和幅度上离散的信号，由一系列离散值（如高电平/低电平）组成。
码元 (Symbol): 代表一个或多个比特的基本波形。例如，一个码元可以表示1bit（0或1），也可以表示2bits（00, 01, 10, 11）。

4.2 信道容量定理

1. 奈奎斯特定理 (Nyquist Theorem) - 无噪声信道

公式： $C = 2W \log_2{L}$
- C: 信道最大比特率 (bps)
- W: 信道带宽 (Hz)
- L: 信号电平的数量
含义： 在理想无噪声信道中，带宽限制了数据的最高传输速率。提高速率可以通过增加带宽(W)或使用更复杂的调制技术（增加信号电平数L）来实现。该定理揭示了码间串扰(ISI) 是限制速率的重要因素。

2. 香农定理 (Shannon’s Theorem) - 有噪声信道

公式： $C = W \log_2{(1 + \frac{S}{N})}$
- C: 信道极限比特率 (bps)
- W: 信道带宽 (Hz)
- S: 信号平均功率
- N: 噪声平均功率
- S/N: 信噪比 (SNR)，常用分贝(dB)表示，$10\log_{10}{(S/N)}$
含义： 在存在噪声的实际信道中，数据的无差错传输速率存在一个绝对上限。这个极限由带宽(W)和信噪比(S/N)共同决定。它是理论极限，实际系统无法达到。

两大定理的关系：

奈奎斯特定义了波特率（码元速率） 的上限。
香农定义了比特率的上限。
要逼近香农极限，必须使用高效的编码和调制技术，让每个码元携带更多的比特信息（提高L）。

4.3 波特率与比特率

比特率 (Bit Rate): 单位时间内传输的二进制比特数，单位为bps (bits per second)。
波特率 (Baud Rate): 单位时间内传输的码元数，单位为Baud（波特）。
关系： $\text{比特率} = \text{波特率} \times \log_2{L}$ （L为信号电平数）
- 若1个码元代表1比特（L=2），则比特率 = 波特率。
- 若1个码元代表4比特（L=16），则比特率 = 4 × 波特率。

第五章：数据编码与调制技术

5.1 数字数据编码为数字信号 (线路编码 - Line Coding)

将数字比特流转换为适合在数字信道传输的电平波形。

常见编码方式：

不归零编码 (NRZ, Non-Return to Zero):
- NRZ-L: 高电平代表1，低电平代表0。
- NRZ-I: 比特起始处的电平翻转代表1，无翻转代表0。优于NRZ-L，可提供有限同步。
- 缺点： 存在直流分量；长串0或1时无电平变化，难以同步。
曼彻斯特编码 (Manchester Encoding):
- 规则： 每一位中间都有一次跳变。
  - 从高到低的跳变代表 0。
  - 从低到高的跳变代表 1。
- 优点： 自带时钟信号（跳变本身就是同步信息），无直流分量。
- 缺点： 效率较低，所需带宽是NRZ的两倍。
- 应用： 传统以太网(10BASE-T)。
差分曼彻斯特编码 (Differential Manchester Encoding):
- 规则： 每一位中间的跳变仅代表时钟。
  - 比特周期开始时有跳变代表 0。
  - 比特周期开始时无跳变代表 1。
- 优点： 抗干扰能力更强。

5.2 数字数据调制为模拟信号

将数字比特流转换为模拟信号，以便在模拟信道（如电话线）上传输。

调幅 (ASK - Amplitude Shift Keying): 用载波的不同幅度表示0和1。
调频 (FSK - Frequency Shift Keying): 用载波的不同频率表示0和1。
调相 (PSK - Phase Shift Keying): 用载波的不同相位表示0和1。
正交振幅调制 (QAM): 同时改变载波的幅度和相位，一个码元可以表示多个比特，效率极高。

第六章：多路复用技术 (Multiplexing)

为了高效利用高速干道，让多路信号共享一条物理链路。

6.1 频分多路复用 (FDM - Frequency Division Multiplexing)

原理： 将物理信道的总带宽划分成多个子频带，每个子频带独立传输一路信号。各信号在频率上是分开的，但在时间上是重叠的。
例子： 无线电广播、有线电视、ADSL。

6.2 时分多路复用 (TDM - Time Division Multiplexing)

原理： 将传输时间划分为等长的帧，每帧再分为固定数量的时隙。每个信道占用一个周期性重复的时隙。所有信号在时间上是分开的，但在频率上是重叠的。
缺点： 即使某信道无数据发送，其对应的时隙也会空闲，造成资源浪费。
统计时分多路复用 (STDM): TDM的改进版，动态分配时隙，只给有数据要发送的信道分配资源，提高了线路利用率。

6.3 波分多路复用 (WDM - Wavelength Division Multiplexing)

原理： 本质上是光的FDM。将不同波长的光信号复用到一根光纤中传输，在接收端再用解复用器分解出来。
例子： DWDM (密集波分复用) 技术极大地提高了光纤的传输容量。

6.4 码分多路复用 (CDM - Code Division Multiplexing)

原理： 每个用户被分配一个唯一的伪随机码序列。所有用户可以在同一时间、同一频带上通信。各用户的数据信号通过与自身的码序列进行合成后传输。接收端使用相同的码序列进行解码，即可恢复出原始数据。
应用： CDMA 移动通信系统。

第七章：物理层设备

7.1 中继器 (Repeater)

功能： 工作在物理层，放大和再生信号，以扩展网络传输距离。
注意： 它也会放大噪声，且无法隔离冲突域。

7.2 集线器 (Hub)

功能： 本质是一个多端口的中继器。从一个端口收到的信号会广播到所有其他端口。
特点：
- 所有端口处于同一个冲突域。
- 所有设备共享带宽（例如，100Mbps的Hub连接10台设备，每台设备平均带宽10Mbps）。
- 已淘汰，被交换机取代。

第八章：冲突与冲突域

冲突 (Collision): 在半双工通信中，当两个或更多设备同时在共享介质上发送数据时，信号会叠加并损坏。
冲突域 (Collision Domain): 一个网络中，能发生冲突的区域范围。
隔离冲突域：
- 物理层设备（如Hub、Repeater）会扩展冲突域。
- 数据链路层设备（如网桥、交换机）可以隔离冲突域。 交换机的每个端口都是一个独立的冲突域，这称为微段化，是现代以太网的基础。
CSMA/CD: 用于早期共享式以太网（使用Hub或同轴电缆）的协议，用于检测和处理冲突。在全双工交换式以太网中已不再需要。

总结： 物理层是网络通信的物理基础，它不关心数据的含义，只负责将比特流从一端可靠地移动到另一端。理解物理层的关键在于掌握介质特性、信号编码、信道理论基础和基本网络设备的功能与局限。

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