计网物理层基本概念
物理层是五层协议体系中的最底层，它的任务极其单纯：把比特流从一个节点透明地传送到相邻节点。
物理层关心的不是"数据是什么意思"，而是：
- 用什么样的电压表示 1 和 0？
- 一个比特持续多长时间？
- 要不要区分时钟同步？
- 接头有几个引脚，每个引脚接什么？
物理层四大特性：
特性 | 含义 | 举例 |
机械特性 | 接口的形状、尺寸、引脚数 | RJ45 水晶头，8 个引脚 |
电气特性 | 电压范围、传输速率 | 0V 代表 0，3.3V 代表 1 |
功能特性 | 每个引脚的功能定义 | 某个引脚发送数据，某个引脚接收 |
规程特性 | 信号传输的时序关系 | 先发送起始位，再发送数据位 |
2.数据通信基础理论
概念 | 定义 | 信号特征 |
模拟信号 | 连续变化的信号 | 正弦波，参数连续 |
数字信号 | 离散的脉冲信号 | 方波，只有 0 和 1 |
单工通信 | 只能单向传输 | 广播、电视 |
半双工通信 | 双向但不可同时 | 对讲机（按一下说，松手听） |
全双工通信 | 双向同时传输 | 电话、现代网络通信 |
调制
调制：就是把数字信息变成模拟信号，解调就是反过来 调制解调器（Modem）就是干这个的
基带信号 vs 带通信号：
类型 | 定义 | 传输方式 |
基带信号 | 原始的数字信号，频谱从 0 开始 | 直接在信道中传输（如以太网） |
带通信号 | 把基带信号搬移到高频载波上 | 通过调制后传输（如 WiFi、4G） |
三种基本调制方式（调制 = 让载波的某个参数随信号变化）：
调制方式 | 操作 | 类比 |
调幅（AM） | 改变载波振幅 | 说话声音大小表达意思 |
调频（FM） | 改变载波频率 | 说话音调高低表达意思 |
调相（PM） | 改变载波相位 | 说话的节奏快慢表达意思 |
编码
编码（Encoding）：将数字数据转换为数字信号。
1.NRZ不归零：高1低0，码元电平全程不变；无同步时钟，长串0/1易失同步，实现简单现已淘汰。
2.RZ归零：每个码元中间归零自带同步；占用带宽多，极少使用。
3.曼彻斯特编码
每个码元中间必须发生电平跳变，且自带同步时钟
向上跳=0，向下跳=1
优点：每一位中间都有跳变，接收方靠跳变就能同步时钟，不会分不清 0 和 1；
缺点：变化频繁，更占带宽。
4.差分曼彻斯特编码
每个码元中间必须发生电平跳变，且自带同步时钟
判断 0/1 不靠中间跳变，靠码元开头有没有跳变
1：码元开始不跳变（跟上一位末尾电平保持一致）
0：码元开头必须跳变（跟上一位末尾电平翻转）
优点：抗干扰更强，就算线路高低电平颠倒，解码结果不会出错；
缺点：同样占用双倍带宽。
5.曼彻斯特 vs 差分曼彻斯特
对比维度 | 曼彻斯特 | 差分曼彻斯特 |
中间跳变 | 必须有（时钟） | 必须有（时钟） |
值的判定 | 跳变方向（上/下） | 开始处有无跳变 |
抗干扰 | 较好 | 更好（不依赖绝对电平） |
实现复杂度 | 简单 | 较复杂 |
两种编码都能自同步（接收方从信号中提取时钟），不需要额外时钟线。
曼彻斯特编码的缺点是效率只有 50%（一个码元只传一个比特，但需要两次电平变化），所以带宽利用率低。
3.奈奎斯特定理与香农公式
奈奎斯特定理（Nyquist）
适用条件：理想信道，无噪声
公式：
最大数据传输率 = 2W × log₂V (bps)- W：信道的带宽（Hz）
- V：离散电平级数（信号状态数，V = 2ᵏ，k 为每码元携带比特数）
码元 vs 比特：
概念 | 定义 | 关系 |
码元（波特） | 一个信号变化单位 | 一个码元可携带多个比特 |
比特 | 最小信息单位 | 如果 V=4，则 1 码元 = 2 比特 |
易错点：奈奎斯特定理得到的最大数据率也叫奈奎斯特速率，这是在无噪声理想情况下的理论上限。实际信道不可能无噪声，所以香农公式更实用。
香农公式（Shannon）
适用条件：实际信道，有噪声
公式：
最大数据传输率 = W × log₂(1 + S/N) (bps)- W：信道带宽（Hz）
- S/N：信噪比，即信号功率与噪声功率之比
信噪比常用单位——分贝（dB）：
信噪比(dB) = 10 × log₁₀(S/N)必考点——dB 换算：
- 30dB → S/N = 1000
- 20dB → S/N = 100
- 10dB → S/N = 10
- 信噪比每增加 10dB，S/N 扩大 10 倍
4.传输介质
导引型传输介质（有线）
介质 | 结构 | 特点 | 常用场景 |
双绞线 | 两根铜线绞在一起 | 便宜、够用，有屏蔽/非屏蔽之分 | 局域网、电话线 |
同轴电缆 | 内外导体、绝缘层 | 抗干扰好，带宽高 | 有线电视（已逐渐淘汰） |
光纤 | 纤芯 + 包层 | 带宽极高、抗干扰、远距离 | 骨干网、长距离通信 |
光纤的两种传输模式
特性 | 多模光纤 | 单模光纤 |
纤芯直径 | 较粗（50μm） | 很细（9μm） |
光源 | LED | 激光器 |
传输距离 | 短（几百米~2km） | 长（几十公里） |
成本 | 低 | 高 |
色散 | 大 | 极小 |
场景 | 楼内局域网 | 跨城/跨洋通信 |
多模光纤可以并行但受干扰多
单模光纤单行告诉干扰极小
非导引型传输介质（无线）
- 无线电波（全向传播，WiFi、蓝牙）
- 微波（定向传播，卫星通信、微波中继）
- 红外线（短距离，遥控器）
- 可见光（LiFi，实验阶段）
5.信道复用技术
复用（Multiplexing）：让多个信号共享同一条物理信道，是物理层最重要的技术之一。
频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）
- 原理：把信道总带宽分成多个子频带，每个用户独占一个子频带
- 类比：一条高速公路划分成多个车道，每辆车走自己的车道，互不干扰
- 典型应用：广播电台（不同台不同频率）、ADSL
时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）
- 原理：把时间分成固定长度的帧，每帧再分成固定数量的时隙，每个用户轮流占用
- 缺点：某个用户没有数据时，它的时隙也只能空着 → 浪费
- 类比：一个老师轮流给多个学生答疑，每个学生固定的 5 分钟，学生没问题也得等着
统计时分复用 STDM（Statistical TDM）
- 改进：TDM 的改良版，不为空闲用户保留时隙，按需分配
- 类比：老师不固定时间，谁有问题谁举手，提高效率
波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）
- 原理：光纤通信中的"频分复用"，不同波长的光信号在同一根光纤中传输
- 类比：一根光纤像一条彩虹，不同颜色的光（波长）各走各的
- DWDM（密集波分复用）：一根光纤能同时传输几十上百个波长，是骨干网的核心技术
码分复用 CDM（Code Division Multiplexing）
- 原理：每个用户使用不同的码片序列，所有用户同时使用同一频率
- CDMA（码分多址）：3G 移动通信的核心技术
- 类比：一个大房间里，所有人同时说话，但每对人用不同的语言。你只听得懂你同伴的语言，别人的话对你来说只是背景噪音。
四大复用技术对比总表：
复用方式 | 划分维度 | 优点 | 缺点 | 典型应用 |
FDM | 频率 | 实现简单 | 子频带间需保护间隔 | 广播、ADSL |
TDM | 时间 | 公平 | 空时隙浪费 | 传统电话网络 |
STDM | 时间（动态） | 高效 | 需要地址信息 | 分组交换网络 |
WDM | 波长（光） | 极大带宽 | 设备昂贵 | 光纤骨干网 |
CDM | 码片 | 抗干扰 | 实现复杂 | 3G/卫星通信 |