前言
网络中的一帧数据、一个 IP 数据报，最后都要落到具体的传输介质上，变成电信号、光信号或无线电波。物理层负责的就是这一步：让比特流能够在传输媒体中可靠地传出去，并让上层不必关心不同媒体的底层差异。
这一章可以沿着一条主线理解：比特流如何进入传输媒体，采用什么方式传输，信号如何表示数据，以及信道的传输能力为什么存在上限。
一、物理层究竟解决什么问题
物理层位于数据链路层之下，它关注的是在连接各种计算机的传输媒体上怎样传输比特流。这里的“比特”只有 0 和 1，但它们不能凭空在网线或空气中移动，必须先对应为可传播的物理信号。
物理层向数据链路层屏蔽了传输媒体的差异。上层看到的是可用的通信服务；至于底层使用双绞线、光纤还是无线电波，由物理层相关规范和设备处理。
物理层协议通常从四个方面约定接口和信号：
- 机械特性：接口的形状、引脚数量、插拔方式等。例如网线接口需要能正确连接设备。
- 电气特性：信号的电平范围、阻抗、传输速率等。电信号必须在双方可识别的范围内。
- 功能特性：每一根引脚或每一条通路承担什么作用，例如发送、接收或接地。
- 过程特性：通信双方建立、使用和释放连接时的时序关系。
这四类特性共同回答了一个很实际的问题：设备接上以后，双方怎样把同一段物理信号理解为同一串比特。
二、比特流走在哪些传输媒体上
传输媒体可以分为导引型和非导引型两类。
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，常见的有：
- 同轴电缆：由中心导体、绝缘层、屏蔽层和外护套构成，抗干扰能力较好。
- 双绞线：两根绝缘铜线互相绞合，通过绞合降低电磁干扰，是局域网中非常常见的介质。
- 光纤：利用光在纤芯中的传播传递信息，抗电磁干扰，适合高速和远距离通信。多模光纤可容纳多条传播路径，常用于较短距离；单模光纤的色散更小，更适合远距离、高速链路。
- 电力线：在部分场景中可将通信信号叠加到既有电力线上传输。
2. 非导引型传输媒体
非导引型媒体不依赖实体线缆，而是在自由空间中传播：
- 无线电波适合较大范围的无线覆盖；
- 微波方向性更强，常用于点对点链路或卫星通信；
- 红外线和可见光通常适合短距离、视距范围内的通信。
选择媒体时，不能只看理论速率，还要考虑距离、干扰环境、施工条件、成本和设备兼容性。
三、传输方式：数据怎样在链路中流动
1. 串行传输与并行传输
串行传输按时间顺序逐位发送数据，计算机之间的通信通常采用这种方式。它需要的信号线较少，更适合较长距离传输。
并行传输可以在多个通路上同时传送多个比特，常见于计算机内部或距离很短的场景。距离变长后，各路信号到达时间可能不同，反而会带来同步问题，因此外部高速接口大多采用串行方式。
2. 同步传输与异步传输
同步的核心是收发双方对“什么时候采样一个比特”达成一致。
- 同步传输中，收发双方的时钟保持同步。外同步可以由独立时钟信号提供基准；内同步则把时钟信息融入数据信号本身。
- 异步传输通常以字符或字节为单位组织数据。字符之间允许出现不确定的间隔，但一个字符内部的比特仍需要按约定时序被正确识别。
因此，“异步”不表示字符内部的比特可以随意到达，它强调的是字节与字节之间不要求连续同步。
3. 单工、半双工与全双工
- 单工通信只有一个方向传输，例如无线电广播。
- 半双工通信允许双方收发，但同一时刻只能有一方发送，例如对讲机。
- 全双工通信允许双方同时发送和接收，例如电话通话。
这一区分描述的是通信方向和同时性，与传输介质是有线还是无线没有必然对应关系。
四、编码：怎样把 0 和 1 放到基带信号中
当数字数据直接在基带信道上传输时，需要选择合适的线路编码。编码既要让接收端区分 0 和 1，也要帮助接收端恢复时钟。
1. 不归零编码与归零编码
不归零编码在一个码元周期内保持对应电平，结构简单，但如果连续出现相同的比特，信号缺少足够跳变，接收端可能难以保持时钟同步。
归零编码会在每个码元周期内回到零电平，因此更容易从波形中识别码元边界；代价是需要更多的信号变化，编码效率较低。
2. 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码
曼彻斯特编码在每个码元的中间安排一次电平跳变，跳变本身提供时钟信息，因此具有自同步能力。传统以太网曾采用这种编码方式。
差分曼彻斯特编码同样保留码元中间的跳变作为时钟信息，而数据由码元开始处是否发生跳变来表示。具体哪一种状态对应 0 或 1，需要以所采用标准的约定为准。它的优势是接收端更关注“有没有变化”，对绝对电平极性不那么敏感。
线路编码要同时解决两件事：表示数据，以及让接收端知道应在什么时刻判读数据。
五、调制：让数字数据适合在带通信道中传输
如果信道无法直接传送基带数字脉冲，例如无线电或某些模拟带通信道，就需要使用载波把数字信息搬移到合适的频段，这个过程称为调制。
基本调制方法有三种：
- 调幅（AM）：改变载波振幅表示数据；
- 调频（FM）：改变载波频率表示数据；
- 调相（PM）：改变载波相位表示数据。
实际系统经常组合使用振幅和相位，形成正交振幅调制 QAM。以 16-QAM 为例，一个码元有 16 种可区分的状态，因此每个码元最多表示 4 个比特，因为 2 的 4 次方等于 16。星座图中的相邻状态通常采用格雷码映射，使相邻状态只相差 1 个比特；当信号受噪声轻微扰动、被误判为相邻点时，能减少一次判决造成的比特错误数。
调制阶数更高时，单个码元可携带更多比特，但不同状态之间的距离会变小，对信噪比和接收设备精度提出更高要求。
六、为什么信道容量有极限
“带宽更大就一定能无限提速吗？”答案是否定的。码元间隔过短会相互影响，噪声也会使接收端难以判断信号状态。奈奎斯特准则与香农公式分别从理想无噪声和有噪声两种条件说明了这个边界。
1. 奈奎斯特准则：先看码元速率上限
在理想、无噪声的低通信道中，为避免码间串扰，最高码元传输速率为：
最高码元传输速率 = 2W baud
其中，W 是信道带宽，单位为 Hz；baud 表示码元每秒的数量。对于理想带通信道，最高码元传输速率为 W baud。
码元速率和比特率不能直接画等号。若每个码元能够表示 k 个比特，那么：
比特率 = 码元速率 × k
例如，在 16-QAM 中每个码元承载 4 比特，码元速率不变时，比特率可以提高到原来的 4 倍；但这并不意味着可以无限提高，因为码元状态越密集，越容易受到噪声影响。
2. 香农公式：再看噪声条件下的信息速率上限
当信道带宽受限，并受到高斯白噪声干扰时，香农公式给出极限信息传输速率：
C = W × log₂(1 + S/N)
- C：信道容量，单位为 bit/s；
- W：信道带宽，单位为 Hz；
- S/N：信噪比，是信号功率与噪声功率的比值。
这里要注意两个常见细节：对数底数是 2；如果题目给出的是分贝值，需要先换算成普通信噪比后再代入。香农公式说明，提高带宽和提高信噪比都能提升理论容量，但都存在工程成本，且容量不能突破公式给出的上限。
七、把本章知识串成一个判断过程
遇到一条实际通信链路，可以按下面的顺序分析：
- 先确定传输媒体：使用双绞线、光纤还是无线信道；
- 再确定传输组织：是串行还是并行、同步还是异步、单工还是全双工；
- 判断信号表示方法：基带传输时选择合适编码，带通传输时选择调制方式；
- 最后结合带宽、码元速率、调制阶数和信噪比评估链路能力。
这样看物理层，就不会把编码、调制、带宽和速率当成彼此孤立的概念。它们都服务于同一个目标：在真实介质和真实噪声条件下，把比特流尽可能准确、高效地送到对端。
总结
物理层完成了从比特到信号、从信号到传输媒体的落地过程。传输媒体决定信号走在哪里，传输方式决定双方如何收发，编码和调制决定信号怎样表示数据，奈奎斯特准则与香农公式则给出了速率的理论边界。理解这条链路后，后续学习数据链路层的成帧、差错检测和介质访问控制会更容易衔接。
转载自 CSDN-专业IT技术社区
原文链接：https://blog.csdn.net/2502_94242477/article/details/163306187
