2. 🧱 物理层
本教程介绍物理层的基本概念、功能、传输介质、编码方式和相关设备，是理解计算机网络传输基础的第一步。
📌 1. 什么是物理层？
物理层（Physical Layer） 是计算机网络体系结构中的第 一层，它负责通过物理媒介传输比特流。
它的主要作用是：
定义电气、机械、功能和过程特性，确保不同设备之间可以 可靠地传送 0 和 1。
🎯 2. 物理层的主要功能
- 比特传输：将数据以比特流的形式在网络节点之间传输
- 定义接口：包括连接器类型、接口引脚定义等
- 传输方式：确定是串行还是并行传输，单工/半双工/全双工
- 信号编码：将数字信号编码成适合传输的形式（电/光信号）
🔌 3. 传输方式分类
3.1 按方向分
| 方式 |
描述 |
举例 |
| 单工（Simplex） |
数据只能单向传输 |
键盘 → 电脑 |
| 半双工（Half Duplex） |
双向通信，但不能同时进行 |
对讲机 |
| 全双工（Full Duplex） |
双向通信，可同时进行 |
电话、网卡 |
3.2 按传输媒介分
| 类型 |
描述 |
示例 |
| 有线传输 |
使用实体媒介传输 |
双绞线、同轴电缆、光纤 |
| 无线传输 |
使用电磁波等空中媒介 |
Wi-Fi、蓝牙、红外、5G |
🧬 4. 数据与信号
数字数据 & 模拟数据
- 数字数据：离散（如文字、数字）
- 模拟数据：连续（如声音、图像）
数字信号 & 模拟信号
| 类型 |
优点 |
缺点 |
| 数字信号 |
抗干扰强、易处理、便于压缩 |
占带宽高 |
| 模拟信号 |
占用带宽小、传输距离长 |
易失真、抗干扰差 |
💡 我们通常使用 数字数据 + 数字信号 进行网络通信
🧾 5. 编码方式（数字信号编码）
常见编码方式：
| 编码 |
特点 |
是否自同步 |
| NRZ（Non-Return to Zero） |
简单但不自同步 |
否 |
| Manchester |
每比特中间跳变，易于同步 |
是 |
| 4B/5B |
提高效率同时具备自同步能力 |
是 |
示例：Manchester 编码
1 → 高电平到低电平跳变0 → 低电平到高电平跳变
⚡ 6. 传输介质（媒介）
6.1 有线传输介质
| 类型 |
特点 |
应用 |
| 双绞线（Twisted Pair） |
便宜、抗干扰适中 |
局域网布线 |
| 同轴电缆（Coaxial） |
抗干扰强 |
有线电视、早期以太网 |
| 光纤（Optical Fiber） |
传输速率高、距离远、抗干扰强 |
骨干网、数据中心 |
6.2 无线传输介质
| 介质 |
特点 |
| 无线电波（WiFi） |
距离适中，穿透性强 |
| 微波 |
适合点对点通信 |
| 红外线 |
距离短，受障碍影响大 |
🔧 7. 常见物理层设备
| 设备 |
作用 |
| 中继器（Repeater） |
放大和转发信号，延长传输距离 |
| 集线器（Hub） |
广播信号至所有端口 |
| 网络适配器（网卡） |
实现主机与物理网络的连接 |
🚦 8. 信道带宽与数据速率
- 带宽（Bandwidth）：信道可传输的频率范围（Hz）
- 数据速率：单位时间内传输的比特数（bps）
奈奎斯特定理（无噪声条件下最大数据率）：
最大数据率 = 2 × 带宽 × log2(M)
M为信号电平数
香农定理（有噪声条件下最大数据率）：
最大数据率 = 带宽 × log2(1 + 信噪比)
📚 9. 小结
| 内容 |
说明 |
| 目标 |
比特级别传输 |
| 关注点 |
电气、机械、过程特性 |
| 不关心 |
数据内容与结构 |
| 技术 |
编码、调制、介质、传输方式 |
🔗 10. 推荐学习资料
- 《计算机网络》第7版 - 谢希仁
- 《图解TCP/IP》
- Stanford CS144: Computer Networking
- B站/YouTube 网络原理课程（关键词：物理层）