物理层是计算机网络OSI参考模型（或TCP/IP模型中的网络接口层部分）的最底层，它负责在传输介质上透明地传输原始的比特流。本章将深入探讨物理层的基本概念、核心功能、关键技术与常见传输介质，它是构建所有网络通信的物理基础。
一、 物理层的基本概念与功能
物理层的主要任务是为数据终端设备（DTE，如计算机、路由器）提供建立、维持和释放物理连接的机械、电气、功能和规程手段，确保比特流能在各种物理媒介上可靠传输。其核心功能可概括为：
- 比特的表示与同步：定义如何将数据链路层传来的逻辑“0”和“1”转换成适合在物理媒介上传输的电信号、光信号或电磁波信号（如用不同的电压、光脉冲的有无、载波的频率或相位变化来表示），并解决发送端与接收端之间的时钟同步问题。
- 传输速率控制：定义数据传输的速率，即每秒传输的比特数（bps）。
- 线路配置：指明设备与传输介质的连接方式是点对点、多点连接还是广播。
- 物理拓扑：定义网络设备的物理布局方式，如总线型、星型、环型、网状等。
- 传输模式：规定数据传输的方向性，包括单工（单向）、半双工（双向交替）和全双工（双向同时）。
二、 数据通信基础理论
- 通信系统模型：一个简化的数据通信系统包括源系统（发送端）、传输系统（信道）和目的系统（接收端）。其中涉及的关键概念有：
- 信号：数据的电气或电磁表示，分为模拟信号（连续变化）和数字信号（离散取值）。
- 信道：信号的传输通路，按传输信号类型可分为模拟信道和数字信道。
- 奈奎斯特定理与香农定理：
- 奈奎斯特定理：在理想无噪声的低通信道中，极限码元传输速率 = 2 * 带宽（Hz）。它指出了码元传输的极限。
- 香农定理：在有噪声的信道中，极限数据速率（bps）= 带宽 * log₂(1+信噪比)。它从信息论角度给出了信道容量的理论上限，强调了信噪比的重要性。
三、 物理层下的传输介质
传输介质是信号传输的物理通路，主要分为两大类：
- 导向型传输介质：信号沿着固体媒介传播。
- 双绞线：最常见，将两根绝缘铜线按规则绞合，以减少电磁干扰。分为非屏蔽双绞线（UTP，如常见的五类线、超五类线、六类线）和屏蔽双绞线（STP）。广泛用于局域网（LAN）。
- 同轴电缆：由内导体、绝缘层、网状屏蔽层和外护套组成，抗干扰能力较强，曾广泛用于有线电视和早期以太网，现逐渐被光纤取代。
- 光纤：利用光在玻璃或塑料纤维中的全反射原理传输光脉冲信号。分为多模光纤（适合短距离）和单模光纤（适合长距离、高速率）。具有带宽极高、抗电磁干扰、衰减小、安全性好等优点，是骨干网的核心介质。
- 非导向型传输介质：信号在自由空间（如空气、真空）中传播，即无线通信。
- 无线电波：穿透性强，传播距离远，方向性弱，如Wi-Fi、蓝牙、移动通信（4G/5G）。
- 微波：频率较高，直线传播，需中继，常用于地面接力通信或卫星通信。
- 红外线：短距离、直线传播，不能穿透障碍物，如电视遥控器、旧式笔记本红外传输。
四、 关键物理层技术与设备
- 编码与调制：
- 编码：将数字数据转换为数字信号，常见编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码（后者具备自同步能力，用于传统以太网）。
- 调制：将数字数据或模拟数据转换为模拟信号，以便在模拟信道上传输。基本调制方法有调幅（ASK）、调频（FSK）、调相（PSK），以及更高效的正交振幅调制（QAM）等。
- 信道复用技术：为了高效利用昂贵的长途干线，让多个用户共享同一物理信道。
- 频分复用（FDM）：按频率划分信道，如无线电广播、有线电视。
- 时分复用（TDM）：按时间片划分信道，如传统的电话PCM系统。
- 波分复用（WDM）：光的频分复用，用于光纤通信，极大提升光纤容量。
- 码分复用（CDM/CDMA）：按不同的编码序列区分用户，用于3G移动通信。
- 物理层设备：
- 中继器：最简单的互联设备，用于再生和放大数字信号，以延长网络传输距离。工作在物理层，不理解数据帧结构。
- 集线器：多端口的中继器，用于连接多台设备，构成物理上的星型拓扑。所有端口处于同一个冲突域，所有设备共享带宽，是“愚蠢”的广播设备。
五、 宽带接入技术简介
物理层概念也体现在用户最终接入互联网的“最后一公里”技术上：
- 数字用户线（xDSL）：利用电话线的高频部分提供宽带接入，如ADSL（非对称数字用户线）。
- 光纤同轴混合网（HFC）：基于有线电视网络改造的宽带接入。
- 光纤到户（FTTH）：终极解决方案，将光纤直接铺设至用户家中。
- 无线局域网（Wi-Fi）与移动通信接入（4G/5G）。
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物理层作为网络体系的基石，其设计直接决定了网络的传输距离、速率、可靠性和成本。它不关心比特流所代表的具体含义，只确保比特流能从一个节点“搬运”到相邻的另一个节点。理解物理层，是理解整个计算机网络如何从电子、光子或电磁波的物理运动开始，逐步构建起复杂数字世界的起点。掌握本章知识，对于后续学习数据链路层的成帧、差错控制以及网络层的路由选择等高层功能至关重要。
