物理层负责比特流的透明传输

物理层是参考模型中的最底层，是最基础的一层。本章探讨传输比特所需要的介质和所使用的技术。

通信 信道

物理层通信：利用物理传输介质，将计算机中的比特流（0、1）转换为电信号、光信号或电磁波信号，在物理链路上实现透明、原始的比特流传输，不负责数据含义与纠错，只负责信号的发送与接收。

信道：在物理层中，传送信号的通路，是传输比特流的逻辑通道，包含传输介质和相关通信设备。

模拟和数字通信

数字和模拟通信的区别在于使用数字信号还是模拟信号进行传递消息。

模拟信号：代表信息的信号及其参数（幅度、频率或相位）随着消息连续变化的信号，它在幅度上连续，但在时间上可以连续也可以不连续。

  • 波形连续，具有无穷多个幅度取值；
  • 易受干扰，噪声会累积且难以去除；
  • 不易加密，不易存储和处理（需先数字化）；
  • 典型例子：传统电话语音、模拟电视信号。

数字信号：不仅在时间上是离散的，而且在幅度上也是离散的信号，通常只取有限个离散值（如二进制信号取0和1）。

  • 波形离散，只传送0和1；
  • 抗干扰能力强，噪声不会累积（可通过中继器再生）；
  • 易加密、易存储、易纠错，与计算机系统天然兼容；
  • 典型例子：以太网信号、USB信号、光纤通信信号。

并行和串行通信

串行通信：数据在传输过程中，逐位依次传输，一次只传输一个比特。数据通过单一的通信线路（如一根电线或一根光纤）按顺序发送和接收。

  • 优点：节省线路资源，线缆成本低；远距离传输时不易出现信号间干扰（串扰）。
  • 缺点：传输速率相对较低（需通过提高时钟频率来提升速率）。
  • 典型应用：USB、RS-232、I²C、以太网（内部串行化）、SATA。

并行通信：数据在传输过程中，同时通过多条线路传输，一次可以传输多个比特。通常每条线路传输一个比特，多条线路同时传输数据。

  • 优点：相同时钟频率下，数据吞吐量是串行的N倍（N为并行位数）。
  • 缺点：线路多，成本高；远距离时不同线路的信号到达时间可能不一致（时延偏移），限制传输距离和速率。
  • 典型应用：旧式打印机并口（Centronics）、IDE硬盘接口、芯片内部总线。

同步和异步通信

异步通信：收发双方时钟各自独立，以字符为单位传输，每个字符加起始位、停止位做同步。

  • 特点：
    • 按字符逐个发送，字符之间的间隔不固定；
    • 无需统一的时钟信号，实现简单，成本低；
    • 每个字符需要额外的起始位和停止位（通常每8位数据需2-3位开销），传输效率较低；
    • 适用于低速、间歇性数据传输。
  • 例子：串口RS-232、键盘输入、鼠标通信。

同步通信：收发双方使用统一时钟信号（可由单独时钟线或从数据信号中提取），以数据块/帧为单位连续传输，不需每个字符加起止位。

  • 特点：
    • 连续成块传输，数据块内比特间隔固定；
    • 收发双方时钟需严格同步（使用同步时钟或锁相环）；
    • 传输效率高，额外开销仅为帧头帧尾（如标志位或同步字符）；
    • 硬件复杂，适合高速、大块连续数据传输。
  • 例子：以太网、光纤通信（SONET/SDH）、USB高速模式。

单工、半双工和全双工通信

  1. 单工通信
    定义：信息只能单向传输，一方固定发送，一方固定接收，不能反向。
    例子：广播、电视、遥控器。

  2. 半双工通信
    定义：双方都能收发，但同一时刻只能单向，不能同时发和收。
    例子：对讲机、传统步话机、RS-485总线。

  3. 全双工通信
    定义：双方可同时发送和接收，双向互不干扰。
    例子：手机通话、以太网（使用独立收发线对）、微信语音通话。

信号传输特性与信道容量

通过信号的傅里叶分析，本章解释了其传输过程存在的衰减、失真等现象，引入了截止频率、物理带宽的概念以及它们对信号传输的影响。

傅里叶分析与信号失真

任何周期信号都可以分解为一系列不同频率的正弦波（基波和谐波）的叠加。当信号通过实际信道时，不同频率分量会经历不同的衰减和相移，导致接收端波形发生畸变。

  • 幅度衰减：高频分量衰减通常比低频分量更严重，导致信号边沿变缓。
  • 相位失真：不同频率的传输延迟不同，造成码间干扰。
  • 信道带宽：信道的截止频率范围，只有频率落在带宽内的分量才能被有效传输。

信道带宽与截止频率

  • 物理带宽：信道能够通过的最大频率与最小频率之差，单位为赫兹（Hz）。例如，话音信道带宽约为3.1 kHz（300 Hz～3.4 kHz）。
  • 截止频率：信号功率衰减超过某一阈值（通常为-3 dB）的频率点。
  • 影响：带宽越窄，可传输的高频分量越少，输出波形越接近“圆滑”，可能导致接收端无法区分相邻比特。

信道容量：奈奎斯特定理与香农定理

信道的物理带宽直接影响信道的传输性能，即它的传输速率，或者数字带宽。

  • 奈奎斯特定理（无噪声信道）
    对于无噪声、带宽为 B 赫兹的理想信道，最大数据速率为：
    最大数据速率 = 2B * log2(M)，其中 M 为信号电平数（如M=2，则速率为 2B bps）。
    该定理给出了在避免码间串扰条件下的理论上限。

  • 香农定理（有噪声信道）
    对于带宽为 B 赫兹、信噪比为 SNR（信号功率与噪声功率之比）的信道，最大数据速率为：
    信道容量 C = B * log2(1 + SNR)。
    该公式揭示了无论采用何种调制或编码技术，在有噪声信道中传输速率无法超过 C。信噪比常用分贝（dB）表示：SNR(dB) = 10 * log10(SNR)。

基带传输技术

基带传输是指不经过载波调制，直接将原始数字信号（如曼彻斯特编码后的方波）在信道上传输。常见线路编码方法及其特点如下：

1. NRZ（不归零编码）

  • 原理：高电平表示1，低电平表示0（或相反）。
  • 优点：简单，占用带宽小。
  • 缺点：连续长串0或1时，接收端无法保持时钟同步；无法区分空闲和0信号。
  • 应用：早期低速串行链路，不单独用于现代高速网络。

2. NRZI（不归零反相编码）

  • 原理：电平在比特开始时反转表示1，不变表示0（或相反）。
  • 优点：解决了连续1的同步问题（因为每传1都会跳变）。
  • 缺点：连续长串0仍无跳变，同步仍会丢失。
  • 应用：USB 低速/全速模式。

3. 曼彻斯特编码

  • 原理：每个比特中间有一次电平跳变，从高到低表示1，从低到高表示0（或按IEEE 802.3标准：由高到低表示0，低到高表示1）。
  • 优点：每个比特都包含时钟跳变，自同步能力强；无直流分量。
  • 缺点：带宽效率低（有效数据率仅为信号波特率的一半）。
  • 应用：经典以太网（10BASE-T）。

4. 4B/5B 编码

  • 原理：每4位数据映射为5位编码组，保证编码序列中不会出现连续3个0；然后使用 NRZI 传输。
  • 优点：提高同步可靠性，带宽利用率（4/5 = 80%）高于曼彻斯特（50%）。
  • 缺点：需要查表映射，复杂度稍高。
  • 应用：快速以太网（100BASE-TX）、FDDI、USB 高速模式。

通带传输技术

通带传输将数字信号通过调制加载到高频载波上，以适应带通信道（如无线电、同轴电缆）。常用的调制方法如下：

基本调制方式

  • 调幅（ASK）：载波幅度随数字信号变化（1有载波，0无载波）。易受幅度噪声干扰。
  • 调频（FSK）：载波频率随数字信号变化（1对应高频率，0对应低频率）。抗干扰能力强于ASK。
  • 调相（PSK）：载波相位随数字信号变化（例如0°表示0，180°表示1）。有较好的抗噪声性能。

正交幅度调制（QAM）

QAM 是一种将 ASK 和 PSK 组合在一起的调制方式，可同时改变载波的幅度和相位，从而在一个符号周期内携带多个比特。

  • 原理：使用两个正交载波（正弦和余弦），分别进行独立调制，然后叠加。每个符号可以表示 M 个不同的幅度-相位组合。
  • 星座图：每个点对应一个幅度和相位组合。例如 16-QAM 有16个点，每符号4比特；64-QAM 每符号6比特；256-QAM 每符号8比特。
  • 优缺点：频谱利用率高，但对线路信噪比要求更高（高阶QAM需要更高的SNR）。
  • 应用：WiFi（802.11ac 支持256-QAM）、4G/5G、数字电视（DVB-C）、有线宽带（DOCSIS 3.1支持4096-QAM）。

不同级别的 QAM 正在各种计算机网络中起着非常重要的作用。

传输介质

传输介质分为导引性和非导引性两大类。

导引性传输介质

双绞线

由两根绝缘铜导线相互绞合而成，绞合可减少电磁干扰。

  • 屏蔽双绞线（STP）：外层有金属屏蔽层，抗干扰更好，但成本高、安装较硬。
  • 非屏蔽双绞线（UTP）：无屏蔽层，轻便、灵活，是局域网主流。
  • 分类：Cat5e（千兆）、Cat6（千兆/万兆短距）、Cat6a（万兆）、Cat7（屏蔽+万兆）。
  • 优点：成本低、布线灵活、连接方便（RJ45接口）。
  • 缺点：传输距离有限（最大100米），易受强电磁干扰。
  • 应用：以太网（10BASE-T ~ 10GBASE-T）、电话线、工业控制。

同轴电缆

中心铜导线、绝缘层、金属屏蔽层和外包层组成。

  • 特性：抗干扰优于双绞线，带宽较宽（早期可达几百MHz），但比光纤笨重。
  • 类型：细缆（RG-58，阻抗50Ω，用于早期10BASE2以太网）、粗缆（RG-11，10BASE5）、视频电缆（RG-59，75Ω，用于有线电视）。
  • 应用：有线电视（CATV）、闭路监控、早期局域网（已淘汰）。

光纤

利用光脉冲在玻璃或塑料纤维中全反射传输信号。

  • 单模光纤：纤芯细（约9μm），只允许单一光模式传播，传输距离远（几十公里）、速率高（100Gbps+），使用激光源。
  • 多模光纤：纤芯粗（50μm或62.5μm），允许多种模式传播，存在模间色散，传输距离短（几百米至2公里），使用LED或VCSEL光源。
  • 优点：带宽极大（THz级别）、无电磁干扰、信号衰减极低、重量轻、保密性好（无辐射泄漏）。
  • 缺点：成本（尤其是单模光模块）、安装熔接需要专用工具、弯曲敏感。
  • 应用：网络主干线、数据中心互联、长距离骨干网（如海底光缆）、光纤到户（FTTH）。

非导引性传输介质

以空间电磁波为传输载体，无需物理线缆。

无线电波

  • 频率范围：3 Hz ~ 300 GHz（实际常用30 kHz ~ 3 GHz）
  • 特性：绕射能力强，可穿透建筑物，传播距离远（可达几十公里）。
  • 应用：广播（AM/FM）、移动通信（2G/3G/4G/5G部分频段）、WiFi（2.4 GHz）、蓝牙、物联网（LoRa、NB-IoT）。

微波

  • 频率范围：约300 MHz ~ 300 GHz（通常指1 GHz以上，尤其2-40 GHz）
  • 特性：直线传播（视距），不能绕射；带宽高；受天气（雨衰）影响；需要抛物面天线对准。
  • 应用：点对点骨干链路、卫星通信（C/Ku/Ka波段）、WiFi（5 GHz）、4G/5G高频段（毫米波）。

红外线

  • 频率范围：约300 GHz ~ 400 THz
  • 特性：短距离（几米到几十米），需直视（不能穿透墙壁），不受无线电干扰。
  • 应用：遥控器（电视、空调）、近距离点对点通信（如IrDA）。

激光

  • 特性：极高带宽（可达Gbps）、保密性强（波束窄，不易窃听）、直线传播，但受天气（雾、雨、雪）和大气扰动影响大。
  • 应用：楼宇间点对点无线通信（自由空间光通信 FSO），应急临时链路。

用户接入技术

本章从物理层探讨了用户接入互联网的方式，从而引出了几种接入网络。以下为主要的接入网框架及技术。

公共交换电话网络（PSTN）接入

  • 传统调制解调器（56K拨号）：利用话音信道（3.1 kHz带宽），通过V.90/V.92协议实现下行56 Kbps、上行33.6 Kbps。占用电话线，上网时无法通话。
  • 数字用户线路（xDSL）：在现有电话线上使用高频段传输数据，低频段保留话音。
    • ADSL（非对称）：下行可达8-24 Mbps，上行1-3.5 Mbps。
    • VDSL/VDSL2：下行可达100 Mbps以上，短距离内可对称。
    • 需在局端和用户端分别安装DSLAM和调制解调器。

蜂窝移动网络

  • 2G（GSM/CDMA）：最高约几百Kbps（GPRS/EDGE）。
  • 3G（UMTS/CDMA2000）：几Mbps，支持移动互联网初步应用。
  • 4G（LTE/LTE-Advanced）：下行百Mbps至1 Gbps，采用OFDM和MIMO技术，是全IP网络。
  • 5G（NR）：分低频（sub-6 GHz）和毫米波（24 GHz+），峰值速率可达10-20 Gbps，低时延（1 ms级），高连接密度。
  • 框架：终端 → 基站（gNB/eNB） → 核心网 → 互联网。

有线电视网络（HFC）

  • 混合光纤同轴网（HFC）：主干使用光纤，入户段使用同轴电缆。
  • 技术：DOCSIS（Data Over Cable Service Interface Specification）。DOCSIS 3.1 可提供下行10 Gbps、上行1-2 Gbps。
  • 特点：共享介质，下行通过广播、上行通过TDMA/SCDMA接入。需配合电缆调制解调器。

卫星通信网络

  • 传统卫星接入：使用地球静止轨道（GEO）卫星，覆盖广，但延迟高（约500-600 ms RTT）。
  • 低轨卫星星座：如Starlink（LEO，高度约550 km），延迟降至20-40 ms，带宽可达百Mbps甚至Gbps。
  • 应用场景：偏远地区、航海航空、应急通信、全球宽带覆盖。
  • 缺点：设备成本较高，受恶劣天气影响（雨衰）。

以上接入技术正在不断融合，例如5G与光纤、卫星与地面网络互补，形成“天地一体化”网络，用户可实现按需接入、无缝切换。

物理层设备

本章最后介绍物理层设备的功能、使用场景，并特别说明了光纤收发器和全光中继器的技术特点，以及冲突域等概念。

中继器（Repeater）与集线器（Hub）

  • 中继器：物理层设备，用于延长网络距离。它接收衰减和畸变的信号，进行再生、整形、放大，然后转发到另一端口。中继器不解析数据内容，只处理比特流。
    • 作用：增加信号传输距离，克服介质衰减。
    • 限制：不能连接不同速率的网络；不能隔离冲突域。
  • 集线器（多端口中继器）：多个端口的中继器，一个端口收到信号后会向除接收口外的所有端口转发。所有端口共享同一冲突域。

冲突与冲突域

  • 冲突：在共享介质型网络中，两个或多个节点同时发送数据时，信号在信道上叠加，导致接收端无法正确识别。
  • 冲突域：一组可能互相产生冲突的节点的集合。在集线器构建的网络中，所有节点位于同一个冲突域内。
  • 技术演变：由于冲突会大幅降低网络效率（尤其在节点多、流量大时），现代以太网使用交换式架构（交换机可隔离冲突域，每个端口为一个独立冲突域）或全双工模式（彻底消除冲突）。

电中继器和集线器的衰落

随着网络技术发展，电中继器和集线器逐渐消失，主要原因如下：

  1. 效率低下：共享带宽且冲突导致时延不确定性。
  2. 扩展性差：级联受限（通常最多4个集线器，遵守5-4-3规则）。
  3. 不支持全双工：无法同时收发，浪费链路能力。
  4. 安全隐患：所有端口都能收到所有帧，易被嗅探。

如今，集线器已被交换机（二层设备，但端口工作于物理层和MAC层）取代，仅在极少数调试或特定老旧系统中出现。

光纤收发器

用于实现电信号（如RJ45以太网）与光信号（光纤）之间的转换，并完成媒体类型和接口的适配。

  • 功能：将双绞线的电信号转换为光纤上的光信号（或反之），同时可能进行速率匹配和缓存。
  • 分类：
    • 独立式外置收发器（用于连接不同介质设备）；
    • 模块化收发器（如SFP、SFP+、QSFP等，可直接插入交换机或网卡）。
  • 技术参数：支持速率（10/100/1000 Mbps、10G、25G、40G、100G+）、光纤类型（单模/多模）、波长（850 nm、1310 nm、1550 nm）、传输距离（几百米至120公里）。
  • 应用：升级旧网络到光纤、跨楼宇/跨园区连接、数据中心短距高速互联。

全光中继器

用于长距离光纤传输，对光信号进行再生或放大，无需将光信号转换为电信号再处理。

  • 传统光电光中继器（O-E-O）：光→电→再生整形→光，可重构帧但延迟大、功耗高、成本高。
  • 全光中继器（光放大器）：如EDFA（掺铒光纤放大器），在光域直接放大信号，透明、低延迟、高带宽。
  • 技术特点：
    • 支持波分复用（WDM）所有波长同时放大；
    • 不能消除色散引起的波形失真（需配合色散补偿模块）；
    • 需避免放大器自发辐射（ASE）噪声积累。
  • 应用场景：海底光缆、长途骨干网、数据中心间长距直连。

物理层