[ 计算机网络 | 第二章 ] 物理层

思维导图

第一部分：物理层要解决什么问题？

物理层概述（是什么）

计算机网络体系中，物理层是唯一“摸得着”的一层。它不在乎数据是什么意思，只负责把0和1变成信号，再从信号变回0和1。在本文中，我们学习物理层要解决什么问题，以及是如何解决的？
我们可以从三个角度来了解物理层是什么（在模型中的位置，接口特性，核心矛盾）

物理层在五层模型中的位置

物理层是计算机网络体系结构（OSI或者TCP/IP）的最底层，是唯一的“摸得着、看得见”的一层。它的上面是数据链路层，下面就是实实在在的物理传输媒体（网线、光纤、空气）。

物理层的工作只有一个：为数据链路层提供一条“透明的比特传输管道”

什么叫“透明”？
就是数据链路层把一串0和1交给物理层，物理层负责把它们变成信号送出去；
接收端的物理层把信号还原成0和1，原封不动地交给上层。至于这些0和1是什么意思（图片?文字...）物理层不知道，也不想知道。

就像快递公司的卡车司机，他的任务是把包裹从A运到B，保证包裹不被雨淋、不被压坏。包裹里装的是3090还是4090，司机不需要知道，知道了也不会让运输变得更可靠。这就是“透明”的含义：下层为上层提供服务，但不对服务的内容做任何解读。
就想隐身一样。

物理层的四大接口特性

为了让不同厂家生产的设备能互相通信（屏蔽掉这些差异），物理层必须对接口做出严格的规定。这些规定分为四个方面：

比喻：这就像寄快递时规定好的标准：
信封必须是什么尺寸（机械），必须用黑色笔写地址（电气），左边写寄件人、右边写收件人（功能），先写地址再贴邮票（规程），有了这套标准，所有邮局才能协作，不会把你的信寄丢。

题外话：我们之前说过，学计算机网络就是学协议，协议就是规则，这是规则，那这个是协议吗？并不是。

什么是信道？
很简单，信道就是信息的通道，是一个逻辑上的概念
一般都是表示向某一个方向传输信息的媒体（单方向）
一条通信信道往往包含一条发送信道和一条接受信道。

第二部分 信道到底哪里不完美（为什么难传？）

哪里不完美?

但是理想很美好，现实很骨感
理想的传输是不存在的，所有的信道都是有缺陷的，不完美的

这种不完美表现在三个地方：
1. 信号会衰减
电信号在网线里跑会越来越弱，光信号在光纤里跑也会损耗。跑得越远，信号越弱
2. 噪声会干扰
周围环境充满了电磁干扰——电源线、电动机、雷电、甚至太阳活动，都会在线路上产生“噪声”。噪声叠加在信号上，可能会把0变成1，把1变成0。这就是比特出错的根本原因。
3. 信道有带宽限制
一条网线、一段频率，能传输的信号频率范围是有限的。这不只是“传不快”的问题——根据奈氏准则和香农公式，带宽和噪声共同决定了信号的极限传输速率。即使你用全世界最好的设备，也突破不了这个物理上限

物理层的一切技术——编码、调制、复用——本质上都是在对抗信道的不完美

信道的极限容量

在知道了信道是不完美的现实之后，那么信道能够达到的物理极限是什么呢？
也就是在给定的条件下，一个信道到底能传多快？
这个问题已经被解答:分为在无噪声的世界里的极限and有噪声的世界

奈氏准则：无噪声世界里的上限

前提假设：信道完美，没有噪声。
核心问题：在这样的理想信道中，如果带宽是固定的，最高能传多快？
奈氏准则的回答：

• 在无噪声的理想信道中，码元传输速率的上限是带宽的两倍。
  用公式表示：

• 其中，WW 是信道的带宽，单位是赫兹（Hz）
  关键点：必须反复强调：奈氏准则限制的是“码元传输速率”，不是“比特传输速率”。
• 码元：是信号的一个波形，是传输的最小单位。一个码元可以携带1个比特，也可以携带多个比特。
• 波特率（Baud rate）：每秒传输的码元数。
• 比特率（bps）：每秒传输的比特数。
  两者的关系是：比特率 = 波特率 × log₂(码元状态数)
  举个栗子：
• 如果一个码元只有两种状态（比如0和1），它一次能携带1个比特。此时比特率 = 波特率。
• 如果一个码元有四种状态（比如00, 01, 10, 11），它一次就能携带2个比特。此时比特率 = 2 × 波特率。

所以，奈氏准则告诉我们：想提高传输速率，不能一味提高码元发送速度（这受限于带宽），而应该采用更复杂的调制技术，让每个码元携带更多比特。这个思想直接催生了我们后面要讲的各种调制技术。

记忆口诀：奈氏准则管的是“每秒能发几个波形”。

香农公式：噪声世界里的上限

前提假设：信道存在高斯白噪声（最普遍的随机噪声）。
核心问题：在带宽和噪声的双重限制下，信道的极限信息传输速率是多少？
香农公式的回答：

• 在有噪声的信道中，信息的极限传输速率由带宽和信噪比共同决定。
  用公式表示：

• 其中：
• C：信道的极限比特率，单位是bps。这是无论如何都无法突破的物理上限。
• W：信道的带宽，单位是 Hz。
• S：信道内信号的平均功率。
• N：信道内高斯噪声的功率。
• S/N：信噪比，即信号与噪声的比值。
  在实际应用中，信噪比常用分贝（dB）来表示

• 当 S/N=1000时，信噪比就是 30dB

奈氏准则和香农公式的意义：

奈氏准则告诉我们，要提升速率不能只靠蛮力（提高码元速率），而要靠巧劲（增加每个码元携带的比特数）
香农公式则进一步告诉我们，巧劲也有上限，这个上限由带宽和信噪比共同决定。后续所有的编码、调制、复用技术，都是工程师们在这两个公式划定的边界内，绞尽脑汁地逼近那个极限 C 的尝试

第三部分 如何对抗物理层的不完美（怎么做？）

既然我们知道了信道的硬伤和能力的上限，那么我们是如何对抗这些不完美的呢？通过物理层技术的三层递进——传输媒体、传输方式、编码与调制。

传输媒体：选一条好路

这个思路就非常简单了，既然路难走，那就选一条好走的路走呗

导向型传输媒体

信号被约束在固定的物理介质中传播，就像火车跑在铁轨上。

双绞线

由两根相互绝缘的铜线绞合在一起构成。为什么绞合？为了抵消外界的电磁干扰。两根线产生的电磁波大小相等、方向相反，正好互相抵消。市面上最常见的网线就是8根双绞线捆在一起。

• 优点：便宜、易安装、够用
• 缺点：易受干扰、传输距离短（100米左右）

同轴电缆

一根铜芯被绝缘层包裹，外面再套一层金属屏蔽网。信号在铜芯上跑，屏蔽网把外界的干扰挡在外面

• 优点：抗干扰能力强于双绞线，传输距离更长。
• 缺点：比双绞线贵，安装麻烦。

光纤

利用光的全反射原理，让光信号在极细的玻璃丝中传输。它传输的是光脉冲，不是电信号，因此完全不受电磁干扰。

• 优点：带宽巨大（一根光纤能承载几十Tbps），传输距离远，抗干扰能力极强。
• 缺点：材质脆、易断，切割和连接需要精密设备。

非导向型传输媒体

信号在自由空间中扩散传播，不需要物理实体，就像飞机在天上飞。

无线电波
向所有方向扩散，穿透力强，能绕过一般的障碍物。广泛用于广播、电视、WiFi、手机通信。

微波
频率更高，方向性好，但只能沿直线传播，不能绕开障碍物。需要每隔几十公里建一个中继塔，像接力赛一样一站一站传。卫星通信就是一种特殊的微波接力——把中继塔放在太空的卫星上。

红外线
遥控器上用的就是它。方向性极强，甚至不能穿透墙壁，但也正因此，一个房间的红外信号不会干扰隔壁房间。

传输方式：决定数据怎么走

路有了，接下来要规定数据怎么在路上走，就像交通法则一样，红灯停，绿灯行

串行传输和并行传输

这是传输数据最基本的两种方式，区别在于一次传输多少比特。

串行传输

一根数据线，比特一个接一个排队发送。像单车道，只能一辆车接着一辆车通过。
现代的远距离通信，如USB、网线、光纤，几乎全是串行传输。原因是并行传输在高频下会出现严重的信号干扰，工程师称之为“串扰”，而且并行线缆又粗又贵。一根串行高速通道，成为现在的主流方案。

并行传输
多条数据线并列，一次可以同时发送多个比特。像多车道，一排车同时出发。
它速度更快，但需要更多电线，成本高，且线缆又宽又硬，不适合长距离传输。现在主要用于计算机内部的高速短距离总线，比如内存和CPU之间的数据交换。

同步传输和异步传输

这是关于“发送方和接收方如何保持步调一致”的问题。

同步传输
发送方和接收方的时钟是高度同步的。它们通过一个共享的外部时钟信号，或者将时钟信号编码到数据中，让双方的心跳完全一致。通信时，一个大的数据块会连续不断地发送出去。速度快，效率高，但对时钟要求极高，是网络通信的主流方式。

异步传输
发送方和接收方的时钟并不同步。为了在时钟不一致的情况下也能通信，数据被切成很小的块，每个块前面加上一个“起始位”，后面加上一个“停止位”。接收方看到起始位，就知道“数据来了”，收到停止位，就知道“这一块结束了”。通信是断断续续、一跳一跳的。效率低，开销大，但实现简单、成本低，常见于老式的串口通信和键盘等设备。

比喻：想象老师念一段话让学生们抄写。

• 同步传输= 老师用稳定的语速和节奏念，还会给标点断句。要求老师不走神，学生跟得上，但整体效率很高。
• 异步传输= 老师说：“注意，下一个词是‘物理层’，记完了吗？好了，下一个词是‘带宽’”。每说一个词前都打个招呼。虽然啰嗦，但能确保每个学生都记对。

单向通信、双向交替通信和双向同时通信

这是关于“通信的方向性”问题。

• 单工通信：只能A向B发，不能B向A发。比如收音机、老式寻呼机。
• 半双工通信：双方都能发，但不能同时发，只能轮流说。比如对讲机——“A说完B再说”。
• 全双工通信：双方可以同时收发。比如打电话，两个人可以同时说话。现代网络通信主流就是全双工，它需要两根独立的信道或复杂的回声消除技术来实现。

编码与调制：让信号适配信道

有了路，有了规则，最后一步就是：把原始的0和1，变成最适合在当前信道上传输的信号形式。

基本概念：编码 vs 调制

这是一个基础但非常容易混淆的问题，必须首先区分清楚。

• 编码：把数据变成数字信号。改变的是电压的高低、跳变，信号仍然是离散的0和1形态。
• 调制：把数据变成模拟信号。改变的是载波的振幅、频率、相位，信号变成连续的波形。

首先我们要知道，什么是码元

数字→数字：常用编码方式

这是计算机内部和局域网中最常用的技术，目标是解决“如何用电压的跳变来准确表达0和1，同时还要让接收方知道每一位的边界在哪里”。

不归零制（NRZ）
最简单的思路：高电压代表1，低电压代表0。问题很明显：如果传来一串连续的1或0，电压线就会保持一条直线不动。接收方完全无法判断到底有多少个1或0，因为它的时钟只能靠电压的跳变来同步。
比喻：一个人在黑暗中，只有听到脚步声才知道对方在走动。对方如果站着不动，就完全不知道要等多久。

曼彻斯特编码
用一种昂贵的代价解决上述问题。它规定：每一位数据的中间，必须有一次电压跳变。向上跳（低到高）代表0，向下跳（高到低）代表1。（上0下1）这样，每一位数据的位中心都有一个明确的跳变，接收方可以通过这个跳变精准地同步自己的时钟。优点是精准，缺点是效率低，信号变化频率翻倍，占用的带宽也更大。

差分曼彻斯特编码
这是对曼彻斯特编码的进一步改进。它不再是看某一次跳变的方向，而是看相邻两位的边界处有没有跳变。

• 有跳变，代表后一位是0。
• 无跳变，代表后一位是1。
  而位中间的跳变依然保留，仅用于时钟同步。
  它的最大优点是抗干扰能力更强。因为判断依据是“变化”与否，而不是“高”或“低”的绝对值。即使整条线路的电压都反了（正负极接反），它也能正确解码。

数字→模拟：基本调制与混合调制

当信号需要走更远的路，比如通过电话线或无线电波传输时，就必须把数字信号加载到高频的模拟载波上。这个加载的过程就是调制。控制载波有三个基本维度，可以分别用来表达信息。

振幅键控（ASK）
通过改变载波的振幅来表示0和1。比如振幅大代表1，振幅小代表0。实现简单，但极易受干扰，一个雷击产生的脉冲就可能改变振幅，把0变成1。

频移键控（FSK）
通过改变载波的频率来表示0和1。比如高频代表1，低频代表0。抗干扰能力比ASK强，因为噪声通常改变信号的幅度，而不会精确改变频率。

相移键控（PSK）
通过改变载波的相位来表示0和1。比如发送一个波形，然后下一个波形与前一个波形同相位代表1，反相位（相位差180度）代表0。抗干扰能力最强，因为噪声很难精确地将相位偏移180度。

正交幅度调制（QAM）
将几个基本维度组合起来的高级技术，可以实现更高的传输速率。它将ASK和PSK结合起来，用一个波形同时通过振幅和相位来携带信息。比如16-QAM，用16种不同的振幅-相位组合，一个码元就能携带4个比特的信息。这正是对奈氏准则的最佳实践：当码元速率（波特率）达到极限时，我们通过增加每个码元携带的信息量来提高总速率。

我们来总结一下：
第三部分物理层的技术是一个环环相扣的整体。我们首先选一条好路（传输媒体），然后规定交通规则（传输方式），最后优化运输工具（编码与调制），让每一辆叫做“码元”的车，能在这条路上拉更多的叫做“比特”的货，跑得更快更稳。

第四部分 如何共享一条信道

在学习了编码与调制之后，我们解决了一个问题：如何让0和1在一条信道上尽可能快、尽可能准确地传输。

但新问题来了：一条物理信道很昂贵，但如果只让一对设备通信，太浪费了。
所以，信道复用技术的核心矛盾就是
“物理信道只有一条” vs “同时有多个用户想要通信”

信道复用技术

信道复用的核心思想：把一条物理信道，划分成多个逻辑上的子信道。每个用户觉得自己独占了一条信道，但实际上是多路信号共享了同一条物理线路。

注意：是逻辑上的子信道，不是物理上划分的子信道

复用技术的四种基本方式

频分复用（FDM）：各占一段频率

核心思路：把信道的总带宽，按频率划分成多个互不重叠的子频段。每个用户独占其中一个子频段，同时在通信。
它是怎么工作的？
发送端用不同频率的载波，把各路信号“搬运”到各自分配好的频段上。这些信号在信道上同时传输，但因为频率不同，互不干扰。接收端再用不同频率的带通滤波器，把各路信号分离出来。
特点：

• 所有用户可以同时通信
• 每个用户独占一段频率资源
• 需要在各子频段之间留出保护频带，防止互相干扰

时分复用（TDM）：轮流占用信道

核心思路：把时间划分成固定长度的“时隙”，每个用户轮流占用整个信道的全部带宽，但只能在分配给自己的时隙里发送数据。
它是怎么工作的？
时间被分成等长的“TDM帧”，每个TDM帧里包含若干个时隙，每个时隙固定分配给一个用户。用户在非自己的时隙里必须保持沉默，等待下一个周期。
特点：

• 所有用户轮流通信
• 每个用户在轮到自己的时隙里，占用整个信道的全部带宽
• 如果某个用户在分配给自己的时隙里没有数据要发，那时隙就浪费了（这是TDM的主要缺点）

波分复用（WDM）：光的频分复用

核心思路：波分复用就是光纤上的频分复用。不同波长的光信号（对应不同的频率），可以在同一条光纤中同时传输而互不干扰
它是怎么工作的？
发送端用多束不同波长的激光，同时注入一条光纤。每一束光携带一路独立的信号。在接收端，用棱镜或光栅把不同波长的光分开，分别送入各自的接收器。
为什么光纤要用波分复用？
光纤的带宽极其巨大（一根单模光纤的理论带宽可以达到几十THz）。而单路电信号转换成光信号后，通常只占用几GHz。如果不做复用，光纤99%的潜力都被浪费了。WDM就是释放光纤潜力的关键技术。
特点：

• 本质上就是光的频分复用
• 一根光纤可以同时传输几十路甚至上百路信号
• 是现代光纤骨干网的核心技术

码分复用（CDM）：用不同的语言同时说话

核心思路：前面的FDM和TDM都是在物理层面划分资源（频率、时间）。码分复用另辟蹊径——所有用户可以在同一时间、使用同样的频率通信，但给每个用户分配一个独特的编码（码片序列），接收方用这个编码来“听懂”目标用户的信号。
它是怎么工作的？
发送端把每个用户的信号乘以一个独特的、高速的伪随机码序列（码片），不同用户的码片彼此正交（数学上互不干扰）。接收端用同一个码片序列去解，就能把目标用户的信号提取出来，而其他用户的信号因为码片正交，解出来是零。
比喻：
世博会上，所有人都在同一时间、同一个房间里说话。一个中国人用中文和另一个中国人聊天，一个法国人用法语和另一个法国人聊天。虽然声音混在一起，但中国人只听懂中文，自动过滤了法语。这里的“语言”，就是CDM里的码片序列（每对通信的人使用不同的语言，彼此互不干扰）
特点：

• 所有用户在同一时间、同一频率上通信
• 每个用户被分配一个独特的码片序列
• 抗干扰能力强，保密性好
• 频谱利用率高，适合多用户同时通信

物理层到此全部结束。
回顾一下：我们已经学完了物理层的完整技术体系：从核心矛盾（信道不完美）→ 极限容量（奈氏准则和香农公式）→ 对抗手段（选路→定规则→适配信号）→ 进阶优化（信道复用）。下一章，我们将进入数据链路层，开始解决“物理层只传比特但不知道对错”的问题。

非常开心大家能够花时间阅读本文，祝你有开心的一天。