物理层

物理层的功能

• 核心功能：在物理媒体上透明传输原始比特流
• 定义四大特性：
  • 机械特性：接口形状、尺寸、引脚数目和排列
  • 电气特性：电压范围、传输速率、距离限制
  • 功能特性：信号电平的意义、接口信号线的功能分配
  • 过程特性：信号时序关系、工作规程
• 物理层不关心数据意义，仅负责比特流传输

传输介质 key

• 导向传输介质（有线）：
  • 双绞线：屏蔽STP/非屏蔽UTP，成本低，用于局域网
  • 同轴电缆：抗干扰强，用于有线电视
  • 光纤：速率极高，损耗低，用于长距离（单模/多模）
• 非导向传输介质（无线）：无线电波、微波、红外线、激光

通信基础概念 key

• 通信系统模型：信源 → 信道 → 信宿（信源产生信号，信道传输信号，信宿接收信号）
• 码元：代表不同离散数值的固定时长的信号波形（如一个电平脉冲），是信号的基本单位
• 波特率：码元传输速率（单位：波特 Baud），即每秒传输的码元个数
• 比特率：信息传输速率（单位：bps），即每秒传输的比特数
• 波特与比特率关系：比特率 = 波特 × log₂V（V 为每个码元可能的状态数）
• 基带信号：信源发出的原始电信号，频率从0开始，未经调制
• 宽带信号：基带信号经载波调制后的信号，便于远距离传输

奈奎斯特定理与香农定理 hot

• 奈奎斯特定理（理想无噪声）：最大数据率 = 2W log₂(V) bps，W为带宽(Hz)，V为离散信号电平数
• 香农定理（有噪声）：最大数据率 = W log₂(1+S/N) bps，S/N为信噪比
• 信噪比：dB = 10 log₁₀(S/N)
• 两个定理关系：奈奎斯特给出理想上限，香农给出实际上限

电路交换 key

• 三阶段：建立连接 → 数据传输 → 释放连接
• 特点：
  • 通信前需建立端到端的专用物理通路
  • 通信期间独占链路资源，线路利用率低
  • 数据传输延迟小，实时性好
  • 不具备差错控制能力，无存储转发能力
  • 适用于实时大批量数据传输（如电话网）

报文交换

• 方式：存储转发，整个报文作为一个整体在节点间逐跳传送
• 优点：
  • 无需建立连接，线路利用率高
  • 可动态选择路由，提高网络可靠性
  • 支持差错控制
• 缺点：
  • 报文长度不固定，对缓存空间要求高
  • 存储转发延迟大，不利于实时通信
  • 出错时整报文重传，开销大

分组交换 hot

• 方式：将报文分割成较小的分组，每个分组独立存储转发
• 优点：
  • 分组长度较短，缓存要求低
  • 存储转发延迟小，适合交互式通信
  • 出错只需重传出错分组，开销小
  • 线路利用率高，多分组共享链路
• 缺点：
  • 分组需携带头部控制信息，有一定额外开销
  • 可能存在乱序、丢失、重复问题，需上层处理

数据报 key

• 连接方式：无连接，发送前无需建立连接
• 路由方式：每个分组独立选择路由，可能经过不同路径
• 可靠性：不可靠，可能乱序、丢失、重复
• 特点：
  • 每个分组携带完整的源/目的地址
  • 转发灵活，网络健壮性好
  • 无需建立连接开销，适合短报文传输
  • 不保证分组按序到达，需由上层(如TCP)处理

虚电路 hot

• 连接方式：面向连接，通信前建立虚电路(VC)
• 传输过程：建立连接 → 数据传输 → 释放连接
• 可靠性：可靠传输，分组按序到达
• 特点：
  • 分组仅携带虚电路号，头部开销小
  • 所有分组沿同一路径传输，按序到达
  • 建立连接有开销，适合长时间、大量数据传输
  • 虚电路分为永久虚电路(PVC)和交换虚电路(SVC)

数字数据编码

• 不归零码(NRZ)：正1负0，无自同步能力
• 曼彻斯特编码：每比特中间跳变，低→高为1，高→低为0，自同步
• 差分曼彻斯特编码：每比特中间跳变，边界跳变表示0/1，抗干扰强
• 4B/5B编码：每4位数据映射5位编码

调制方式

数字数据→模拟信号（带通调制），用于远距离传输，常见于电话线/无线信道。

• 调幅(ASK)：振幅随数字信号变化，易受干扰，抗噪性差
• 调频(FSK)：频率随数字信号变化，抗干扰能力强于ASK
• 调相(PSK)：相位随数字信号变化，抗干扰能力最强，带宽效率高
  • 二进制PSK(BPSK)：0°和180°两种相位
  • 正交PSK(QPSK)：4种相位，每个码元携带2比特
  • 正交振幅调制(QAM)：结合幅移+相移，频谱效率更高
• 模拟数据→数字信号：抽样→量化→编码（PCM脉冲编码调制）
• 抽样定理：抽样频率 ≥ 2倍信号最高频率，即可无失真恢复

多路复用 key

• FDM频分复用：不同频带传输不同信号，如有线电视
• TDM时分复用：不同时隙传输不同信号，如电话网
• STDM统计时分复用：动态分配时隙，提高利用率
• WDM波分复用：光纤中的频分复用
• CDM码分复用：不同码型区分，如CDMA

中继器

• 功能：对信号进行再生和放大，延长传输距离
• 工作层次：物理层，对信号进行物理层转发
• 特点：
  • 不对数据内容做任何处理，仅放大和转发信号
  • 不能隔离冲突域和广播域
  • 两端网段必须使用相同的MAC协议和速率
  • 遵循5-4-3规则：10BASE5以太网中，最多5个网段，4个中继器，3个网段可连接主机
• 应用：扩展局域网范围

集线器（Hub）

• 本质：多端口中继器
• 功能：将多个主机连接在一起，构成共享介质的局域网
• 工作层次：物理层
• 特点：
  • 从一个端口收到数据，向所有其他端口广播发送
  • 所有端口共享带宽（如100Mbps集线器，10个端口各10Mbps）
  • 不隔离冲突域，所有端口同属一个冲突域
  • 半双工工作方式
  • 即插即用，无需配置
• 应用：早期以太网，现基本被交换机取代