第二章 物理層
一、物理層的基本概念
物理層是計算機網(wǎng)絡(luò)OSI參考模型和TCP/IP模型中的最底層，其主要任務(wù)是為數(shù)據(jù)鏈路層提供一個透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸物理連接。物理層不關(guān)心數(shù)據(jù)的具體含義，只負(fù)責(zé)將比特流從一臺設(shè)備傳送到另一臺設(shè)備。
核心功能：
1. 定義物理特性：規(guī)定通信設(shè)備的機械、電氣、功能和過程特性。
* 機械特性：接口的形狀、尺寸、引腳數(shù)量和排列等。例如，RJ-45水晶頭的規(guī)格。
- 電氣特性：線路上的電壓范圍、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等。例如，規(guī)定用-15V到-5V表示二進(jìn)制“1”，用+5V到+15V表示二進(jìn)制“0”。
- 功能特性：每條物理線路（引腳）的功能定義。例如，哪根線用于發(fā)送數(shù)據(jù)，哪根線用于接收數(shù)據(jù)，哪根線用于接地。
- 過程特性（規(guī)程特性）：定義建立、維護(hù)和拆除物理連接時，各線路信號變化的時序關(guān)系。
- 傳輸比特流：將數(shù)據(jù)鏈路層傳來的幀（Frame）轉(zhuǎn)換成適合在物理介質(zhì)上傳輸?shù)谋忍亓鳎?和1的序列），并在接收端將其還原。
- 同步：確保發(fā)送方和接收方的時鐘同步，以便正確識別每一個比特。
- 傳輸模式：確定數(shù)據(jù)通信是單工、半雙工還是全雙工。
二、數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識
1. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型
一個典型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括：
- 源系統(tǒng)（發(fā)送端）：信源（產(chǎn)生數(shù)據(jù)的設(shè)備）和發(fā)送器（將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合傳輸?shù)男盘枺?/li>
- 傳輸系統(tǒng)（信道）：傳輸介質(zhì)和可能的中繼設(shè)備（如放大器、中繼器）。
- 目的系統(tǒng)（接收端）：接收器（將信號還原為數(shù)據(jù)）和信宿（接收數(shù)據(jù)的設(shè)備）。
2. 有關(guān)信道的幾個基本概念
單向通信（單工）：信號只能在一個方向傳輸，如廣播、電視。
雙向交替通信（半雙工）：通信雙方都可以發(fā)送和接收，但不能同時進(jìn)行，如對講機。
* 雙向同時通信（全雙工）：通信雙方可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，如電話、現(xiàn)代以太網(wǎng)。
3. 信號的分類
模擬信號（連續(xù)信號）：幅度隨時間連續(xù)變化，如聲音、傳統(tǒng)電話線上的信號。
數(shù)字信號（離散信號）：幅度取值是離散的，如計算機內(nèi)部處理的0和1。
4. 調(diào)制與編碼
基帶傳輸：將數(shù)字信號（0和1）直接送到線路上傳輸。適用于短距離、高質(zhì)量信道（如同軸電纜、雙絞線）。
頻帶傳輸（寬帶傳輸）：將基帶信號進(jìn)行調(diào)制，變換成適合在模擬信道上傳輸?shù)哪M信號。適用于長距離或無線傳輸。
* 調(diào)制：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。常用方法：調(diào)幅（ASK）、調(diào)頻（FSK）、調(diào)相（PSK）。
- 編碼：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成另一種數(shù)字信號，以適應(yīng)傳輸特性。常用方法：不歸零編碼（NRZ）、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼。
三、傳輸介質(zhì)
傳輸介質(zhì)是連接通信設(shè)備的物理通路，分為導(dǎo)向型和非導(dǎo)向型。
1. 導(dǎo)向型傳輸介質(zhì)
雙絞線（Twisted Pair）：
結(jié)構(gòu)：將兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度絞合在一起，以減少電磁干擾。
- 分類：
- 屏蔽雙絞線（STP）：帶金屬屏蔽層，抗干擾能力強。
- 非屏蔽雙絞線（UTP）：常見，成本低，應(yīng)用廣泛（如五類線、超五類線、六類線）。
- 連接器：RJ-45水晶頭。
- 同軸電纜：
- 結(jié)構(gòu)：由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、網(wǎng)狀屏蔽層和外保護(hù)層組成，抗干擾能力優(yōu)于雙絞線。
- 應(yīng)用：早期有線電視網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)（現(xiàn)已基本被雙絞線和光纖取代）。
- 光纖（Optical Fiber）：
- 原理：利用光的全反射原理在纖細(xì)的玻璃或塑料纖維中傳輸光脈沖信號。
- 優(yōu)點：帶寬極高、傳輸損耗小、抗電磁干擾強、安全性高、重量輕。
- 分類：
- 多模光纖：纖芯較粗，光以多種模式傳播，傳輸距離較短（幾公里），成本較低。
- 單模光纖：纖芯極細(xì)，光以單一模式直線傳播，傳輸距離長（數(shù)十至上百公里），成本高。
2. 非導(dǎo)向型傳輸介質(zhì)（無線傳輸）
通過自由空間傳播電磁波或光波。
- 無線電波：穿透力強，全方向傳播，如Wi-Fi、藍(lán)牙、廣播。
- 微波：直線傳播，需要中繼，如衛(wèi)星通信、地面微波接力。
- 紅外線：短距離直線傳播，不能穿透障礙物，如遙控器。
四、信道復(fù)用技術(shù)
為了提高信道的利用率，允許多個用戶共享一個物理信道。
1. 頻分復(fù)用（FDM）
將整個帶寬劃分為多個不同頻率的子信道，每個用戶占用一個固定的頻帶。用戶始終獨占其子信道。應(yīng)用：傳統(tǒng)有線電視、無線電廣播。
2. 時分復(fù)用（TDM）
將時間劃分為一段段等長的時隙，每個用戶周期性地占用一個固定的時隙。所有用戶在不同的時間占用相同的頻帶寬度。應(yīng)用：傳統(tǒng)的數(shù)字電話系統(tǒng)（如E1/T1線路）。
3. 統(tǒng)計時分復(fù)用（STDM，異步TDM）
改進(jìn)的TDM，時隙不固定分配，而是按需動態(tài)分配，提高了信道利用率。
4. 波分復(fù)用（WDM）
光纖通信中的FDM，將不同波長的光信號復(fù)用到一根光纖中傳輸。密集波分復(fù)用（DWDM）是WDM的一種，波長間隔更小。
5. 碼分復(fù)用（CDM）/ 碼分多址（CDMA）
每個用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同“碼型”進(jìn)行編碼，所有用戶可以在同一時間、同一頻帶內(nèi)通信，互不干擾。具有較強的抗干擾能力和保密性。應(yīng)用：3G移動通信的基礎(chǔ)。
五、寬帶接入技術(shù)
1. xDSL技術(shù)（數(shù)字用戶線）
利用電話線（雙絞線）提供高速數(shù)據(jù)接入。通過在用戶電話線上劃分出不同的頻帶用于語音和數(shù)據(jù)傳輸。
- ADSL（非對稱數(shù)字用戶線）：上行（用戶到網(wǎng)絡(luò)）和下行（網(wǎng)絡(luò)到用戶）速率不對稱，下行速率遠(yuǎn)高于上行速率，適合家庭上網(wǎng)。
2. HFC（混合光纖同軸電纜網(wǎng)）
基于有線電視網(wǎng)（CATV）的接入技術(shù)。主干部分使用光纖，用戶端使用同軸電纜。需要電纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem）。
3. FTTx技術(shù)（光纖到...）
將光纖作為主要傳輸介質(zhì)，不斷向用戶端延伸。
- FTTH（光纖到戶）：光纖直接鋪設(shè)到用戶家中，是終極的寬帶解決方案。
- FTTB（光纖到樓）：光纖鋪設(shè)到樓宇，樓內(nèi)通過雙絞線或同軸電纜接入用戶。
本章小結(jié)：
物理層是網(wǎng)絡(luò)通信的物理基礎(chǔ)，它規(guī)定了如何在各種物理介質(zhì)上透明地傳輸原始的比特流。理解物理層的特性、傳輸介質(zhì)、復(fù)用技術(shù)和接入技術(shù)，是構(gòu)建和理解整個計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的第一步。它雖然不處理具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容，但其性能（如帶寬、誤碼率）直接決定了上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所能達(dá)到的極限。
