【计算机网络】ep1：物理层概述

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：

1. 信源：产生数据的设备
2. 发送器：将数据转换为信号
3. 信道：信号传播的媒介
4. 接收器：将信号还原为数据
5. 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。