第二章 物理層
一、物理層的基本概念
物理層是計(jì)算機(jī)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(gè)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(tái)設(shè)備傳送到另一臺(tái)設(shè)備。
核心功能：
1. 定義物理特性：規(guī)定通信設(shè)備的機(jī)械、電氣、功能和過(guò)程特性。
* 機(jī)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(xiàn)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(xiàn)路（引腳）的功能定義。例如，哪根線(xiàn)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，哪根線(xiàn)用于接收數(shù)據(jù)，哪根線(xiàn)用于接地。
- 過(guò)程特性（規(guī)程特性）：定義建立、維護(hù)和拆除物理連接時(shí)，各線(xiàn)路信號(hào)變化的時(shí)序關(guān)系。
- 傳輸比特流：將數(shù)據(jù)鏈路層傳來(lái)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(shí)鐘同步，以便正確識(shí)別每一個(gè)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(shí)
1. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型
一個(gè)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?hào)）。
- 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(hào)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(gè)基本概念
單向通信（單工）：信號(hào)只能在一個(gè)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(shí)進(jìn)行，如對(duì)講機(jī)。
* 雙向同時(shí)通信（全雙工）：通信雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，如電話(huà)、現(xiàn)代以太網(wǎng)。
3. 信號(hào)的分類(lèi)
模擬信號(hào)（連續(xù)信號(hào)）：幅度隨時(shí)間連續(xù)變化，如聲音、傳統(tǒng)電話(huà)線(xiàn)上的信號(hào)。
數(shù)字信號(hào)（離散信號(hào)）：幅度取值是離散的，如計(jì)算機(jī)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(hào)（0和1）直接送到線(xiàn)路上傳輸。適用于短距離、高質(zhì)量信道（如同軸電纜、雙絞線(xiàn)）。
頻帶傳輸（寬帶傳輸）：將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，變換成適合在模擬信道上傳輸?shù)哪M信號(hào)。適用于長(zhǎng)距離或無(wú)線(xiàn)傳輸。
* 調(diào)制：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。常用方法：調(diào)幅（ASK）、調(diào)頻（FSK）、調(diào)相（PSK）。
- 編碼：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一種數(shù)字信號(hào)，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(xiàn)（Twisted Pair）：
結(jié)構(gòu)：將兩根絕緣的銅導(dǎo)線(xiàn)按一定密度絞合在一起，以減少電磁干擾。
- 分類(lèi)：
- 屏蔽雙絞線(xiàn)（STP）：帶金屬屏蔽層，抗干擾能力強(qiáng)。
- 非屏蔽雙絞線(xiàn)（UTP）：常見(jiàn)，成本低，應(yīng)用廣泛（如五類(lèi)線(xiàn)、超五類(lèi)線(xiàn)、六類(lèi)線(xiàn)）。
- 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(xiàn)。
- 應(yīng)用：早期有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)（現(xiàn)已基本被雙絞線(xiàn)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(hào)。
- 優(yōu)點(diǎn)：帶寬極高、傳輸損耗小、抗電磁干擾強(qiáng)、安全性高、重量輕。
- 分類(lèi)：
- 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(xiàn)傳播，傳輸距離長(zhǎng)（數(shù)十至上百公里），成本高。
2. 非導(dǎo)向型傳輸介質(zhì)（無(wú)線(xiàn)傳輸）
通過(guò)自由空間傳播電磁波或光波。
- 無(wú)線(xiàn)電波：穿透力強(qiáng)，全方向傳播，如Wi-Fi、藍(lán)牙、廣播。
- 微波：直線(xiàn)傳播，需要中繼，如衛(wèi)星通信、地面微波接力。
- 紅外線(xiàn)：短距離直線(xiàn)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(gè)用戶(hù)共享一個(gè)物理信道。
1. 頻分復(fù)用（FDM）
將整個(gè)帶寬劃分為多個(gè)不同頻率的子信道，每個(gè)用戶(hù)占用一個(gè)固定的頻帶。用戶(hù)始終獨(dú)占其子信道。應(yīng)用：傳統(tǒng)有線(xiàn)電視、無(wú)線(xiàn)電廣播。
2. 時(shí)分復(fù)用（TDM）
將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)隙，每個(gè)用戶(hù)周期性地占用一個(gè)固定的時(shí)隙。所有用戶(hù)在不同的時(shí)間占用相同的頻帶寬度。應(yīng)用：傳統(tǒng)的數(shù)字電話(huà)系統(tǒng)（如E1/T1線(xiàn)路）。
3. 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM，異步TDM）
改進(jìn)的TDM，時(shí)隙不固定分配，而是按需動(dòng)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(zhǎng)的光信號(hào)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(zhǎng)間隔更小。
5. 碼分復(fù)用（CDM）/ 碼分多址（CDMA）
每個(gè)用戶(hù)使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同“碼型”進(jìn)行編碼，所有用戶(hù)可以在同一時(shí)間、同一頻帶內(nèi)通信，互不干擾。具有較強(qiáng)的抗干擾能力和保密性。應(yīng)用：3G移動(dòng)通信的基礎(chǔ)。
五、寬帶接入技術(shù)
1. xDSL技術(shù)（數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)）
利用電話(huà)線(xiàn)（雙絞線(xiàn)）提供高速數(shù)據(jù)接入。通過(guò)在用戶(hù)電話(huà)線(xiàn)上劃分出不同的頻帶用于語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸。
- ADSL（非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)）：上行（用戶(hù)到網(wǎng)絡(luò)）和下行（網(wǎng)絡(luò)到用戶(hù)）速率不對(duì)稱(chēng)，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(xiàn)電視網(wǎng)（CATV）的接入技術(shù)。主干部分使用光纖，用戶(hù)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(hù)端延伸。
- FTTH（光纖到戶(hù)）：光纖直接鋪設(shè)到用戶(hù)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(guò)雙絞線(xiàn)或同軸電纜接入用戶(hù)。
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(gè)計(jì)算機(jī)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。
