计算机网络：（四）物理层的基本概念，数据通信的基础知识，物理层下面的传输媒体

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前言

• 上一篇博客里我们讲解了计算机网络里面的计算机网络体系结构
• 这篇博客，我们开始讲解物理层的基本概念，数据通信的基础知识，物理层下面的传输媒体

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一、物理层的基本概念

1. 什么是物理层

当我们将计算机网络比作一座高楼大厦时，物理层便是最底层的地基。

• 在常见的TCP/IP五层模型中，它处于最底层，向上依次是数据链路层、网络层、传输层和应用层。

这里需要澄清两个常见的认知误区：

• 物理层并非具体的物理设备

例如网卡、交换机等硬件。它类似于地基，是整个支撑结构，而非某一块砖头。

• 物理层也不是传输媒体.

像网线、光纤、无线电波这些"信息高速公路"，只是地基上的"路面材料"。

简单来说，物理层是一个抽象概念，它定义了如何在这些"路面材料"上传输数据。

2. 物理层的核心使命

• 物理层的主要工作是实现"数据比特流"的传输。

比特流: 即由0和1组成的二进制数据序列，是计算机通信的最基本单位，如同我们说话时的一个个音节。

其工作流程分为三步：

1. 接收数据：数据链路层（如同地基上的第一层建筑）将准备好的比特流交付给物理层。
2. 编码转换：物理层根据传输媒体的特点，将比特流转换成合适的信号形式。

例如在网线上，把0和1转换成不同的电压信号；在光纤中，则转换成不同的光信号。

3. 传输信号：通过传输媒体把信号传送到下一个节点的物理层，就像将打包好的货物通过不同运输工具运往目的地。

物理层还有一个重要作用——"屏蔽差异"。

• 不同的传输媒体和通信手段如同不同的运输方式。
• 而物理层的任务是让上层（数据链路层及以上）无需关心这些运输方式的具体差异，
• 只需知道数据能够顺利传输，为上层提供统一的数据传输服务。

3. 物理层的四大特性

为实现上述功能，物理层需明确与传输媒体接口的一些特性，确保它们能够正确连接和通信，主要包括以下四个方面：

1. 机械特性：硬件接口的"外形规范"
   它就像常见的插头和插座，规定了接口的形状、尺寸、引线数目、排列方式以及固定和锁定装置等。

例如，网线的RJ-45接口有8根引脚，按特定顺序排列，只有符合该机械特性的插头和插座才能正确连接，恰似钥匙与锁的关系。

2. 电气特性：信号电压的"语言规范"

在接口的电缆各条线上，不同电压代表不同信号。

• 电气特性规定了这些电压的范围，如规定+5V表示二进制的1，0V表示二进制的0。这如同用不同音量传递不同信息，确保双方对电压信号的理解一致。

3. 功能特性：电压信号的"意义解读"
   若电气特性规定了电压范围，功能特性则赋予这些电压具体意义。

例如，某条线上的高电压（如+3V）可能表示数据传输开始，低电压（如-3V）表示数据传输结束；

• 或者某条线专门用于传输数据，另一条线用于传输控制信号。
• 这就像交流中，不同语气和手势代表不同含义。

4. 过程特性：通信流程的"顺序规则"它规定了不同功能的各种可能事件的出现顺序，即通信的过程和步骤。

比如，两台设备通信时，需先建立连接，然后传输数据，传输完成后断开连接。

• 在此过程中，各个信号的发送和接收顺序都有明确规定，就像打电话时，先拨号，对方接听后再说话，说完后挂电话，顺序不可混乱。

通过这四个特性的规范，物理层确保了不同设备之间能够正确、稳定地连接和通信，为整个计算机网络的运行奠定了坚实基础。

二、数据通信的基础知识

1. 数据通信系统的基本模型

想象你给朋友发微信消息，这个过程背后藏着一个完整的数据通信系统模型，它由三大部分组成：

1.1 源系统（发送端）

• 源点：产生信息的源头，比如你在手机里输入的汉字
• 发送器：把信息转换成适合传输的信号，类似"打包员"

  例子：手机把汉字转成二进制比特流（0101…），再通过调制解调器把数字信号变成模拟信号（就像把文字写成适合邮寄的格式）

1.2 传输系统

• 负责传递信号的媒介，比如：

• 公用电话网、网线、光纤、无线网络等

• 作用：就像邮局的运输车队，负责把"信息包裹"从甲地运到乙地

1.3 目的系统（接收端）

• 接收器：接收信号并还原成数据，类似"拆包员"

• 调制解调器把模拟信号再转回数字比特流

• 终点：把数据转换成人类能理解的信息，比如手机屏幕显示汉字

2. 数据通信的基本术语

（1）通信三兄弟：消息、数据、信号

• 消息：我们实际想传递的内容，比如语音、文字、图片

• 例子：你发的"晚上一起吃饭"这句话

• 数据：消息的数字化表示，是运送消息的"实体"

• 例子：这句话被转换成二进制序列"1001100…1100100"

• 信号：数据的电气/电磁表现形式，是数据在物理层的"运输形态"

• 例子：数据通过网线时变成高低电压，通过光纤时变成明暗光信号

（2）信号的两种形态

• 模拟信号：连续变化的信号，像水波一样平滑

  例子：传统电话线上传输的语音信号

• 数字信号：离散的信号，只有特定的几个状态（如0和1）

  例子：计算机里的二进制信号（类似开关的开和关）

（3） 码元

• 用波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波形
• 用二进制编码时，码元只有两种：
  • 高电压波形代表"1"，低电压波形代表"0"
  • 一串码元组成的波形就像"字母串"，比如"10110"对应的电压变化序列

3. 信道的三种通信方式

3.1 单向通信（单工通信）

• 只能一个方向传输，不能反向
• 例子：电视信号传输（电视台只管发，观众不能回传）
• 图示：⟶ （单箭头管道）

3.2 双向交替通信（半双工通信）

• 双方都能发，但不能同时发（需轮流发言）
• 例子：对讲机（按住讲话时不能听，松开才能听）
• 图示：↔️ （可切换方向的管道，同一时间只能单向）

3.3 双向同时通信（全双工通信）

• 双方可同时发送和接收
• 例子：打电话（你说话时也能听到对方声音）
• 图示：⥂ （双箭头管道，双向同时通行）

4. 信号调制

（1）为什么需要调制？

• 基带信号（计算机直接输出的信号）往往含低频成分，而很多信道（如电话线）无法传输低频或直流信号
• 调制就像给数据"换衣服"，让它适合在特定信道中传输

（2）基带调制（波形变换，不搬移频率）

• 仅改变信号波形，使其适应信道特性，变换后仍是基带信号

• 常用编码方式（以比特流"1000100111"为例）：
  ✅ 不归零制：正电平=1，负电平=0（电平保持到下一位，无脉冲归零）
  ✅ 归零制：正脉冲=1，负脉冲=0（每个码元发完后归零）
  ✅ 曼彻斯特编码：位中心向上跳变=0，向下跳变=1（自带时钟同步）
  ✅ 差分曼彻斯特编码：位中心必跳变，位开始边界跳变=0，不跳变=1

• 关键区别：
  ✅ 曼彻斯特编码有"自同步能力"（位中心跳变可当时钟信号），不归零制没有

（3）带通调制（频率搬移，转成模拟信号）

• 用载波（高频信号）把基带信号的频率搬到更高频段，适合长距离传输

• 三种基本调制方法：
  ✅ 调幅（AM）：改变信号振幅表示0和1（类似声音大小变化）
  ✅ 调频（FM）：改变信号频率表示0和1（类似声音音调变化）
  ✅ 调相（PM）：改变信号相位表示0和1（类似声音的相位偏移）

• 进阶技巧：正交振幅调制（QAM）
  ✅ 同时调幅和调相，一个码元可携带多个比特（如1个码元带3比特，传输效率提升3倍）

5. 信道的极限容量

（1） 信号失真：为什么传得太远会"变味"？

• 三大影响因素：

  • 传输距离：距离越远，信号衰减越严重（类似打电话太远听不清）
  • 媒体质量：劣质网线会让信号"变形"（类似用漏水的水管输水）
  • 码元传输率：传得太快会导致码元"挤在一起"（类似高速公路堵车）

• 后果：码间串扰（信号波形失去界限，无法识别0和1）

（2） 奈氏准则

• 公式：码元传输最高速率 = 2W（码元/秒），W是信道带宽（Hz）
• 意义：在带宽为W的信道中，码元传得太快会串扰，必须低于2W才能清晰识别

类比：高速公路车道宽度固定时，车速太快会追尾，必须限速

（3） 信噪比与香农公式

• 信噪比（SNR）：信号功率与噪声功率的比值，用分贝（dB）表示
  ✅ 公式：信噪比(dB) = 10 log₁₀(S/N)

  • 例子：S/N=1000时，信噪比=30dB（噪声影响较小）

• 香农公式：信道极限信息传输速率
  ✅ 公式：C = W log₂(1 + S/N) （bit/s）

  • 意义：带宽W越大、信噪比S/N越高，能传的信息量越大

  类比：水管越粗（带宽大）、水越干净（噪声小），单位时间能送的水（数据）越多

（4） 提高传输速率的方法

• 方法：用复杂编码让1个码元携带多个比特（而非1码元=1比特）
• 例子：
  ✅ 原始：1码元=1比特，传输速率10码元/秒→10bit/s
  ✅ 编码后：1码元=3比特，同样速率→30bit/s

6. 奈氏与香农的对比

• 奈氏准则：指导我们如何设计更好的编码方式，让码元携带更多比特（像优化货车载货量）
• 香农公式：告诉我们任何信道都有绝对极限，再牛的编码也无法突破（像告诉我们货车最多能装多少货）

三、物理层下面的传输媒体

1. 传输媒体：数据传输的“高速公路”

• 你可以把网络数据想象成“快递”，传输媒体就是快递运输的“路”。
• 根据“路”的不同特点，传输媒体主要分两类：
  

1.1 导引型传输媒体

数据信号沿着固定的物理线路传播，就像火车在铁轨上行驶。

• 常见的包括双绞线、同轴电缆、光纤。

1.2 非导引型传输媒体

• 数据信号以电磁波形式在空气中传播，比如WiFi、蓝牙、卫星通信，就像无人机在空中送信。

2. 最常用的导引型媒体

2.1 为什么叫“双绞线”？

它由两根绝缘铜导线像拧麻花一样绞在一起，这样做的目的是减少信号干扰

• 多对双绞线裹在一起，就成了我们常见的网线。
  

2.2 屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）的区别

• UTP（无屏蔽）：便宜，常见于家庭网线，比如我们插路由器的网线。
• STP（屏蔽）：外面多一层金属屏蔽层，抗干扰能力强，像“穿了防弹衣”，常用于电磁干扰强的环境（比如工业车间）。
  

2.3 网线的“等级”：从3类到7类

网线按传输速度分不同类别，数字越大越“快”：

• 3类线：老电话线上网用，现在基本淘汰。
• 5类线：支持100M网速，适合普通家庭宽带。
• 超5类/6类线：支持1000M（千兆）网速，装光纤宽带必备。
• 7类线：速度更快，用于数据中心等高端场景，但需要配专用接口。

3. 同轴电缆

3.1 结构

• 最里面是铜芯（传信号），外面包一层绝缘材料，再包一层金属网（防干扰），最外层是塑料皮（如图）。

3.2 应用：从有线电视到早期网络

以前家里接机顶盒的“闭路线”就是同轴电缆，它比双绞线抗干扰能力强，但比光纤慢。早期网吧可能用它连网，但现在基本被光纤取代了。

4. 光纤

4.1 传输原理

• 光纤是极细的玻璃丝（纤芯），外面包一层材料（包层）。当光从纤芯射入时，由于纤芯“折射率”更高，光会像打台球一样在纤芯里不断全反射，快速向前传播（如图）。
• 特点：光速传输（接近30万公里/秒），容量大（一根光纤能同时传几万路信号），抗干扰能力超强（不怕电磁干扰）。

4.2 光纤通信的“三件套”

• 发送端：用发光二极管或激光器把电信号变成光脉冲。
• 光纤：传光信号的“管道”。
• 接收端：用光电二极管把光脉冲变回电信号。

4.3 为什么光纤比网线快？

网线传的是电信号，电信号会随距离变弱，还容易被干扰；光纤传的是光信号，损耗极小，几十公里外信号都很清晰，所以光纤能支撑千兆、万兆网速，是现在宽带和数据中心的“主力”。

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以上就是本篇博客的全部内容。下一篇我们将深入物理层中信道复用技术

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