第二章 物理層
一、物理層的基本概念
物理層是計算機網絡OSI參考模型和TCP/IP模型中的最底層，其主要任務是為數據鏈路層提供一個透明的、可靠的數據傳輸物理連接。物理層不關心數據的具體含義，只負責將比特流從一臺設備傳送到另一臺設備。
核心功能：
1. 定義物理特性：規定通信設備的機械、電氣、功能和過程特性。
* 機械特性：接口的形狀、尺寸、引腳數量和排列等。例如，RJ-45水晶頭的規格。
- 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，規定用-15V到-5V表示二進制“1”，用+5V到+15V表示二進制“0”。
- 功能特性：每條物理線路（引腳）的功能定義。例如，哪根線用于發送數據，哪根線用于接收數據，哪根線用于接地。
- 過程特性（規程特性）：定義建立、維護和拆除物理連接時，各線路信號變化的時序關系。
- 傳輸比特流：將數據鏈路層傳來的幀（Frame）轉換成適合在物理介質上傳輸的比特流（0和1的序列），并在接收端將其還原。
- 同步：確保發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：確定數據通信是單工、半雙工還是全雙工。
二、數據通信的基礎知識
1. 數據通信系統模型
一個典型的數據通信系統包括：
- 源系統（發送端）：信源（產生數據的設備）和發送器（將數據轉換成適合傳輸的信號）。
- 傳輸系統（信道）：傳輸介質和可能的中繼設備（如放大器、中繼器）。
- 目的系統（接收端）：接收器（將信號還原為數據）和信宿（接收數據的設備）。
2. 有關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）：通信雙方都可以發送和接收，但不能同時進行，如對講機。
* 雙向同時通信（全雙工）：通信雙方可以同時發送和接收數據，如電話、現代以太網。
3. 信號的分類
模擬信號（連續信號）：幅度隨時間連續變化，如聲音、傳統電話線上的信號。
數字信號（離散信號）：幅度取值是離散的，如計算機內部處理的0和1。
4. 調制與編碼
基帶傳輸：將數字信號（0和1）直接送到線路上傳輸。適用于短距離、高質量信道（如同軸電纜、雙絞線）。
頻帶傳輸（寬帶傳輸）：將基帶信號進行調制，變換成適合在模擬信道上傳輸的模擬信號。適用于長距離或無線傳輸。
* 調制：將數字信號轉換成模擬信號。常用方法：調幅（ASK）、調頻（FSK）、調相（PSK）。
- 編碼：將數字信號轉換成另一種數字信號，以適應傳輸特性。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
傳輸介質是連接通信設備的物理通路，分為導向型和非導向型。
1. 導向型傳輸介質
雙絞線（Twisted Pair）：
結構：將兩根絕緣的銅導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：
- 結構：由內導體、絕緣層、網狀屏蔽層和外保護層組成，抗干擾能力優于雙絞線。
- 應用：早期有線電視網絡、局域網（現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的玻璃或塑料纖維中傳輸光脈沖信號。
- 優點：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，光以單一模式直線傳播，傳輸距離長（數十至上百公里），成本高。
2. 非導向型傳輸介質（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、藍牙、廣播。
- 微波：直線傳播，需要中繼，如衛星通信、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、信道復用技術
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。應用：傳統有線電視、無線電廣播。
2. 時分復用（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。應用：傳統的數字電話系統（如E1/T1線路）。
3. 統計時分復用（STDM，異步TDM）
改進的TDM，時隙不固定分配，而是按需動態分配，提高了信道利用率。
4. 波分復用（WDM）
光纖通信中的FDM，將不同波長的光信號復用到一根光纖中傳輸。密集波分復用（DWDM）是WDM的一種，波長間隔更小。
5. 碼分復用（CDM）/ 碼分多址（CDMA）
每個用戶使用經過特殊挑選的不同“碼型”進行編碼，所有用戶可以在同一時間、同一頻帶內通信，互不干擾。具有較強的抗干擾能力和保密性。應用：3G移動通信的基礎。
五、寬帶接入技術
1. xDSL技術（數字用戶線）
利用電話線（雙絞線）提供高速數據接入。通過在用戶電話線上劃分出不同的頻帶用于語音和數據傳輸。
- ADSL（非對稱數字用戶線）：上行（用戶到網絡）和下行（網絡到用戶）速率不對稱，下行速率遠高于上行速率，適合家庭上網。
2. HFC（混合光纖同軸電纜網）
基于有線電視網（CATV）的接入技術。主干部分使用光纖，用戶端使用同軸電纜。需要電纜調制解調器（Cable Modem）。
3. FTTx技術（光纖到...）
將光纖作為主要傳輸介質，不斷向用戶端延伸。
- FTTH（光纖到戶）：光纖直接鋪設到用戶家中，是終極的寬帶解決方案。
- FTTB（光纖到樓）：光纖鋪設到樓宇，樓內通過雙絞線或同軸電纜接入用戶。
本章小結：
物理層是網絡通信的物理基礎，它規定了如何在各種物理介質上透明地傳輸原始的比特流。理解物理層的特性、傳輸介質、復用技術和接入技術，是構建和理解整個計算機網絡體系結構的第一步。它雖然不處理具體的數據內容，但其性能（如帶寬、誤碼率）直接決定了上層網絡應用所能達到的極限。
