物理层 ​

基本概念 ​

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 定义标准

• 机械特性 定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况

• 电气特性 规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等

• 功能特性 指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途

• 过程特性 定义各条物理线路的工作规程和时序关系

三种通信方式 ​

从通信双方信息的交互方式看,有三种基本方式：

• 单工通信

只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道

• 半双工通信/双向交替通信

通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道

• 全双工通信/双向同时通信

通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道

串行传输 并行传输 ​

串行传输：表示一个字符的 8 位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送

速度慢，费用低，适合远距离

并行传输：表示一个字符的 8 位二进制数同时通过8条信道发送

深度快，费用高，适合近距离

码元 ​

就是固定时长的信号波形，代表离散数值的基本波形

码元就是在网线上传输的一个个信号段。码元的不同进制就是用来表示不同的数值的

例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

速率 ​

分为码元传输速率和信息传输速率

码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud）

信息传输速率：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数，单位 b/s，就是我们平常说的网速

奈氏准则和香农定理 ​

奈氏准则（自身） ​

奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud，W 是信道带宽，单位是 Hz。

• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制

香农定理（外部） ​

产生的原因：噪声随机产生，瞬时值可能会很大，因此会使接受端对码元判决产生错误，但是噪声的影响和信号的强度是相对的。因此信噪比非常重要

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

• 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少
• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输

物理层传输介质 ​

导向传输介质 ​

• 双绞线
  • 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
  • 便宜
  • 距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰弱的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
• 同轴电缆
  • 同轴电缆抗干扰特性比双绞线好
• 光纤
  • 光纤的工作原理
    • 光纤在纤芯中传输的方式是不断地全反射
  • 特点
    • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
    • 抗雷电和电磁干扰性能好
    • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
    • 体积小，重量轻

非导向传输介质 ​

• 无线传输所使用的频段很广。
• 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
• 微波在空间主要是直线传播。
  • 卫星通信
  • 地面微波接力通信

物理层设备 ​

中继器 ​

诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

中继器的功能： 对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用与完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。

中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。

中继器两端的网段一定要是同一协议。

为什么需要中继器呢？ ​

因为再线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

集线器（多口中继器） ​

集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。 不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

Q & A ​

物理层有啥用？ ​

对于物理层，有人会说，这不就是网线吗，比如家里连接路由器的网线，电线杆上的光纤？其实不然，物理层更多的是 规定一种标准 ，他并不管物理介质具体是什么，比如电线杆上是光纤还是双绞线，只要你能按物理层规定的标准传输数据就行。 那物理层到底有哪些主要任务呢？

比如说，规定了 电气特性 ，信号的电平用 +10V - +15V 表示二进制的 0，用 -10V - -15V 表示二进制的 1，只要条网线能表示这个特性，就不管你用什么材料了。 当然还有其它特性，我们不需要了解，知道物理层是规定传输媒体接口的标准 即可。

光纤宽带上网是以什么样的形式传输数据呢？ ​

• 首先计算机 网卡 传输出来的数据是 电信号，光纤 传输的是 光脉冲 信号，有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。

• 而可见光的频率大约是 10的8次方MHz ，因此光纤通信系统的带宽远远大于其它各种传输媒体的带宽

• 所以我们计算机传输数据需要先把电信号转为光信号，然后 光信号 快到服务器的时候，再把 光信号 转为 电信号。

总结 ​

本章思维导图

参考资料

• 掘金文章