• 物理层目的：解决如何在传输媒介上传输数据比特流的问题，而不是指具体的传输媒体；
• 物理层主要任务：定义传输媒体接口有关的一些特性，即定义接口相关的标准；
• 接口特性分类：1）机械特性：物理连接时所采用的的规格、接口形状、引脚数量等；2）电气特性：规定二进制位传输时，线路上信号的电压范围、传输速率和距离限制等；3）功能特性：某线路上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途等；4）规程特性（过程特性）：定义物理线路的工作规程和时序关系；

1. 通信基础

1.1 基本概念

1.1.1 通信模型

1.1.2 通信方式

1. 单工通信：仅需一条信道，只有单方向的通信，没有反向的交互；
2. 半双工通信/双向交替通信：需要两条信道，通信双方均可进行发送/接收信息，但任何一方不能同时发送并接收信息；
3. 全双工通信/双向同时通信：需两条信道，通信双方可同时发送并接收信息；

1.1.3 数据传输方式

1. 串行传输：使用一条信道，将表示一个字符的8个二进制位，由低到高依次发送。此方式速度慢、费用低，适合远距离传输：
   

2. 并行传输：使用多条信道，将表示一个字符的8个二进制位通过8个信道同时发送。此方式速度快、费用高，适合近距离传输：

计算机内部数据传输使用并行传输；

1.1.4 数据同步的传输/通信方式

• 同步传输：要求发送方-接收方双方时钟同步，且数据以区块形式传输；
• 异步传输：不要求发送方-接收方双方时钟同步，且数据以分组形式传输；
  

1.1.5 码元

• 码元：指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，该时长内的信号称为K进制码元，该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时，码元称为M进制码元。
• 1码元可携带多个比特的信息量：假设码元状态有4个，则需要使用2个二进制位表示4种状态，因此4进制码元中，一个码元可携带2个比特信息量；

1.1.6 速率

• 也叫数据率，指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量；
• 可使用码元传输速率或信息传输速率表示；
• 码元传输速率：也称为码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，表示单位时间内传输码元的数量，即1s内传输码元的数量，单位是Baud波特。码元宽度越大，码元速率越低；
• 信息传输速率：也称为比特率、信息速率等，表示单位时间内传输比特的数量，即1s内传输比特位的数量，单位bit/s；
• 码元传输速率与信息传输速率的关系：若码元传输速率为M 波特，一个码元携带n比特信息量，则比特率为M*n bit/s；

1.1.7 带宽

• 模拟信号带宽：指某个信号的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位赫兹（Hz）；
• 数字信号带宽：表示网络的通信线路传送数据的能力，通常指单位时间内从网络的某一点到另一点的最高数据率，即网络设备所支持的最高速率，单位：b/s。

1.2 奈氏准则|香农定理

• 信号在传输过程中受到噪声等干扰会发生信号失真的现象；
• 造成失真的原因：1）码元传输速率；2）信号传输距离；3）噪声干扰；4）传输媒体质量；
• 失真现象-码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象；

1.2.1 奈氏准则

• 在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud。W为信道带宽，单位是Hz；

• 理想低通信道下，极限数据传输速率为：
  

• 奈氏准则只对码元传输速率进行了限制，未对信息传输速率进行限制；

• 由于奈氏准则对码元传输速率进行限制，所以要想提高信息传输速率，则需要通过使码元携带更多比特信息量实现；

• 信道带宽越大，码元传输速率越大；

• 任何信道中，码元传输速率有上限，如果超过该上限，则会发生严重的码间串扰问题；

1.2.2 香农定理

• 实际传输数据时，信号常会受到噪声的影响，但噪声影响是相对的，若信号较强，则噪声影响就会较小；
• 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记作S/N，使用分贝dB作为度量单位；
  
  
• 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，极限信息传输速率为：Wlog₂(1+S/N) bit/s，其中S/N为信噪比值，W为以单位为Hz的带宽；
• 推论：
  

1.3 编码、调制

• 基带传输、宽带传输：1）基带信号：来自信源的信号；2）宽带信号：将基带信号进行载波调制得到的模拟信号；
  

• 编码、调制：

1.3.1 数字数据编码为数字信号

• 编码方式：
  
• 非归零编码：高1低0，对于全0数据或全1数据难以处理；
• 归零编码：每个码元内信号要归零，对于全0数据难以处理；
• 反向不归零编码：数据为0则翻转电平，数据为1则保持不变，对于全1数据难以处理；
• 曼彻斯特编码：将一个码元间隔为两个不同电平，假设前高后低为1，前低后高为0，反之亦可。码元中间的电平跳变可用于时钟同步，也是数据信号，但此时频带宽度为原始基带信号宽度的2倍。每个码元被分隔为两个电平，但只表示一个比特，所以码元传输率为数据传输率的2倍；
• 差分曼彻斯特编码：“同1异0”，即前半码元若与上一码元的后半码元相同则为1，若不相同则为0。码元中间的电平跳变可用于时钟同步，抗干扰性强于曼彻斯特编码；

• 4B/5B编码：使用5位比特编码4位比特数据，编码效率为80%；

1.3.2 数字数据调制为模拟信号

• 数字数据调制技术指在发送端将数字信号调制为模拟信号，而在接收端将模拟信号解调制为数字信号；
• 调制方式：
  

1.3.3 模拟数据编码为数字信号

1.3.4 模拟数据调制为模拟信号

1.4 数据交换

• 为什么进行数据交换：数据交换是指通过某些中间交换设备将数据进行集中和传送转发，此时传输线路为多个用户共用，大大降低了通信费用。如果不采用数据交换，而是在通信双方之间建立通信链路则会造成大量的资源浪费。
  

• 数据交换方式分类：
  

1.4.1 电路交换（Circuit Exchanging）

• 原理：数据传输期间，通信双方之间始终保持一条由中间节点构成的专用物理连接线路；
• 过程：建立连接->通信/数据传输->释放连接；

• 特点：独占资源，用户通信过程中占用端到端的固定传输带宽。适用于远距离数据传输或实时性要求较高的大量数据传输的情况；
• 优缺点：
  

1.4.2 报文交换（Message Exchanging）

• 原理：通信双方之间无需建立专用物理连接线路，数据传输过程采用存储转发方式，传输数据单位为报文；
• 报文：网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性需发送的数据块。报文包含了将要发送的完整数据信息，其长度不限且可变；
• 报文由数据信息+报头组成；
  
• 优缺点：
  

1.4.3 分组交换（Packet Exchanging）

• 原理：工作方式与报文交换类似，区别在于：1）将数据报划分为多个分组；2）分组交换时会限制数据单元的长度，一般为128B；发送方将数据报划分为多个分组，以分组为单位进行传输转发，接收方将接收到的所有分组重新组装成信息或报文；
• 每个分组具有唯一的编号，为了接收方更好地重组所有分组；
  
• 优缺点：

1.4.3.1 数据报交换方式

• 过程：
  
• 特点：
  

1.4.3.2 虚电路交换方式

• 过程：
  
• 特点：

1.4.3.3 数据报方式VS虚电路方式

1.4.4 择优选择数据交换方式

2. 传输介质及设备

2.1 传输介质

2.1.1 导向性传输介质

• 双绞线：1）无屏蔽双绞线；2）屏蔽双绞线；
  
• 同轴电缆：1）基带同轴电缆；2）宽带同轴电缆；
  
• 光纤：1）单模光纤；2）多模光纤；
  
  
  

2.1.2 非导向性传输介质

• 无线电波、微波、红外线/激光：
  

2.2. 设备

• 中继器：再生还原数字信号；
  
• 集线器（多口中继器）：
  

参考资料：

• 王道考研；