Phunzage Docs

外观

物理层

约 3552 字大约 12 分钟

2025-07-27

物理层（Physical Layer）是 OSI 七层模型的第一层（最底层），也是最基础的一层。它负责在物理媒介上传输原始的比特流（0 和 1），为数据链路层提供透明的比特流传输服务。

如果说计算机网络是一个邮政系统，物理层就是其中的"交通运输系统"——无论是汽车、火车还是飞机，物理层负责把邮件（比特）从一个地方运到另一个地方。

1. 四大特性

物理层接口（网卡、串口等）的设计规范由四大特性定义：

特性英文描述举例
机械特性Mechanical接口的形状、尺寸、引脚数量与排列方式RJ-45 接口（8 针）、DB-9 串口（9 针）
电气特性Electrical信号的电压范围、电平含义、传输速率限制±10V 表示电平 0/1，RS-232 标准电压范围
功能特性Functional每根引脚或电信号的含义第 1、2 针发送数据，第 3、6 针接收数据
过程特性Procedural事件发生的先后顺序与协议流程先发 RTS 请求 → 收到 CTS 确认 → 发送数据

1.1 机械特性

规定了连接器的物理规格。常见的有：

  • RJ-45：8 芯双绞线接口，以太网最常用
  • DB-9：9 针串口接口，RS-232 标准
  • BNC：同轴电缆接口，早期以太网使用
  • SC/LC：光纤接口

1.2 电气特性

定义了信号的电压范围、电平逻辑和时序。典型标准：

  • TTL：0V~0.8V 为 0，2V~5V 为 1
  • RS-232：-3V~-15V 为 1，+3V~+15V 为 0
  • 以太网（100BASE-TX）：±2.5V 差分信号

1.3 功能特性

定义每条线路的用途。例如 RJ-45 以太网接口中：

  • 引脚 1：数据发送正极（TX+）
  • 引脚 2：数据发送负极（TX-）
  • 引脚 3：数据接收正极（RX+）
  • 引脚 6：数据接收负极（RX-）

1.4 过程特性

定义使用接口的事件序列。例如 RS-232 的"请求发送（RTS）→ 允许发送（CTS）→ 发送数据"的完整握手流程。

2. 信号转换

物理层负责将数据链路层的数字数据转换为可在物理媒介上传输的信号。两种基本方法是编码（基带传输）和调制（带通传输）。

2.1 编码（基带传输）

将数字数据直接转换为数字信号，适合短距离有线传输。

编码方式英文规则优点缺点
不归零编码NRZ（Non-Return-to-Zero）电平 1 表示高电压，0 表示低电压简单、频带利用率高无同步时钟，连续相同比特时难以区分
归零编码RZ（Return-to-Zero）每个比特周期中间归零，1 为高电平前半段，0 为负电平前半段自带时钟同步信号占两倍带宽，效率低
曼彻斯特编码Manchester每个比特中间跳变：从高到低为 1，从低到高为 0自带时钟、无直流分量带宽翻倍（需要 2 倍 NRZ 带宽）
差分曼彻斯特编码Differential Manchester每个比特中间跳变提供时钟，比特开始处有跳变为 0，无跳变为 1抗干扰更强，适合差分传输实现更复杂

图示说明：

数据001101
NRZ────────────
曼彻斯特↑↑↓↓↑↓
差分曼彻斯特起始跳变↑不变起始不变不变起始跳变↑不变

以太网采用曼彻斯特编码（10BASE-T）或更高效的 4B/5B + MLT-3（100BASE-TX）。

2.2 调制（带通传输）

将数字数据调制为模拟信号，适合无线传输和长距离电话线传输（如 ADSL）。

调制方式英文原理示例
调幅ASK（Amplitude Shift Keying）用载波振幅表示 0 和 1。高振幅 = 1，低振幅 = 0光纤通信中的光强度调制
调频FSK（Frequency Shift Keying）用载波频率表示 0 和 1。高频 = 1，低频 = 0蓝牙、低速率无线通信
调相PSK（Phase Shift Keying）用载波相位表示 0 和 1。0° = 1，180° = 0QPSK（4 相位）、8PSK

正交振幅调制（QAM） 将 ASK 和 PSK 结合，一次传输多个比特，如 QAM-16（4×4=16 种状态，每符号 4 比特）、QAM-64（每符号 6 比特）、QAM-256（每符号 8 比特），广泛应用于现代 Wi-Fi（802.11ax 支持高达 1024-QAM）和 4G/5G 蜂窝网络。

3. 传输方式

3.1 并行传输 vs 串行传输

特性并行传输串行传输
传输方式同时传输多个比特逐比特依次传输
线数需要 N 条数据线只需 1 条数据线
速度理论速率更高（×N）单线速率受线缆限制
距离短距离（< 5 米）长距离（可达数千米）
信号干扰线间串扰严重干扰较低
成本线缆成本高线缆成本低
应用场景计算机内部总线（PCIe）、打印机接口USB、以太网、HDMI、光纤通信

有趣的事实：尽管并行传输看起来更快，但现实中串行传输已成为主流。因为并行传输的时钟偏移（skew）问题会随频率升高急剧恶化。PCIe、SATA、USB、以太网都已演变为高速串行接口。

3.2 同步传输 vs 异步传输

特性同步传输异步传输
时钟同步发送方和接收方共享同一时钟每个字符自同步，无需共享时钟
传输单位数据块/帧（连续比特流）单个字符（有起始位和停止位）
开销低（仅帧头/帧尾）高（每字符 2-3 位开销）
效率高低
实现复杂度复杂（需要时钟同步机制）简单
应用场景以太网、光纤通信、PCIeRS-232 串口、UART 通信

异步传输示例（UART）：

起始位(0) → 数据位(5~8位) → 校验位(可选) → 停止位(1~2个1)
              ↓                                                  ↓
    拉低电平表示字符开始                              拉高电平表示字符结束

同步传输： 数据连续发送，通过曼彻斯特编码或专用时钟线路实现比特同步。

4. 传输方向（信道通信方式）

根据数据在信道上的传输方向，分为三种模式：

模式英文方向示意特点典型应用
单工Simplex⬆ 单向 →只能一个方向传输，另一方只能接收广播电视、寻呼系统、机场航班大屏
半双工Half-Duplex⬆/⬇ 交替双方可以收发，但同一时刻只能一个方向对讲机、无线电台、CSMA/CD 以太网
全双工Full-Duplex⬆ ⬇ 同时双方可以同时发送和接收电话、现代以太网（全双工模式）、光纤通信
单工：   A ————————→ B
半双工： A ←———————→ B（交替进行）
全双工： A ←————————→ B（同时进行）
    （两条独立信道或频分/波分复用）

现代以太网普遍支持全双工模式，需要交换机和网卡同时支持。全双工消除了 CSMA/CD 碰撞检测的必要性（点对点连接）。

5. 信道极限

物理层的核心理论是关于信道传输能力的极限，由两大著名定理给出。

5.1 奈奎斯特准则（Nyquist Criterion）

适用于无噪声理想信道，给出了最大数据传输速率的上限。

奈奎斯特公式

C = 2B · log₂V

  • C：最大数据传输速率（bps）
  • B：信道带宽（Hz）
  • V：信号电平数（每个码元可以表示的离散状态数）
参数场景带宽 B电平数 V最大速率 C说明
传统电话线3100 Hz2（二进制）6.2 Kbps简单 NRZ 编码
电话线 + QAM3100 Hz16（QAM-16）24.8 Kbps4 比特/码元
电话线 + 高 QAM3100 Hz256（QAM-256）49.6 Kbps8 比特/码元
以太网 100BASE-TX125 MHz2（MLT-3）250 Mbps实际编码效率加成

示例： 电话系统标准带宽为 3100 Hz，奈氏准则表明：即使无噪声，最大码元速率为 6200 码元/秒。用二进制编码时最大速率为 6.2 Kbps；但使用 QAM-16（每码元 4 比特），速率可达 24.8 Kbps。

5.2 香农定理（Shannon's Theorem）

适用于有噪声信道，给出了信道容量（信息传输速率）的绝对上限。

香农公式

C = B · log₂(1 + S/N)

  • C：信道容量（bps）
  • B：信道带宽（Hz）
  • S/N：信噪比（功率比值，非 dB 值）

信噪比换算

信噪比通常以分贝（dB）给出：S/N(dB) = 10 · log₁₀(S/N)

SNR(dB)S/N（比值）香农容量（B=3100Hz）
10 dB103100 × log₂(11) ≈ 10.7 Kbps
20 dB1003100 × log₂(101) ≈ 20.6 Kbps
30 dB10003100 × log₂(1001) ≈ 30.9 Kbps
40 dB100003100 × log₂(10001) ≈ 41.2 Kbps

5.3 两大定理的对比

对比维度奈奎斯特准则香农定理
适用条件理想无噪声信道有噪声信道
关注核心码元速率上限信息传输速率上限
关键因素带宽 + 电平级数带宽 + 信噪比
能否突破不能突破 2B 码元/秒信道容量有绝对上限
实际意义指导编码方案设计衡量信道质量的终极指标

香农意义： 只要实际传输速率低于香农信道容量，理论上总存在一种编码方式实现无误传输。这一发现奠定了现代信息论的基础。

6. 多路复用技术

多路复用（Multiplexing）允许多个信号共享同一物理传输介质，大幅提高信道利用率。

发送端                          接收端
A ──┐                   ┌── A
B ──┤───── 复用器 ──── 解复用器 ──├── B
C ──┘    （共享信道）      └── C

6.1 频分复用（FDM）

项目说明
英文Frequency Division Multiplexing
原理将信道带宽划分为多个不同频率的子信道，各信号调制到不同载波频率上
隔离方式频率分隔（各子信道间保留保护频带 Guard Band）
特点同时传输、信道永不空闲、需要模拟电路
典型应用传统广播电视（电视频道）、ADSL、OFDM（4G/5G/Wi-Fi）
示意图[CH1┄┄] [保护带] [CH2┄┄] [保护带] [CH3┄┄] ← 频率轴

OFDM（正交频分复用） 是 FDM 的现代进化版，子载波间相互正交无需保护带，频谱效率极高。Wi-Fi 6（802.11ax）和 5G NR 的核心技术。

6.2 时分复用（TDM）

项目说明
英文Time Division Multiplexing
原理将时间划分为等长的时隙（Time Slot），各信号轮流使用信道
隔离方式时间分隔
特点分时传输、需要同步时钟、适合数字信号
典型应用T1/E1 数字电话骨干网、SONET/SDH 光纤网络
示意图[A][B][C][A][B][C]... → 时间轴

统计时分复用（STDM）： TDM 的改进版，时隙按需动态分配而非固定轮转，空闲用户不占用时隙，效率更高（如 ATM 信元交换）。

6.3 波分复用（WDM）

项目说明
英文Wavelength Division Multiplexing
原理在光纤中同时传输多个不同波长（颜色）的光信号，本质是光纤上的 FDM
隔离方式波长分隔
特点极大提升光纤容量（一根光纤可达数百个信道）、需要光复用/解复用器
典型应用海底光缆、骨干光纤网络、数据中心互联
容量演进DWDM（密集波分复用）单纤可达 400Gbps ~ 数十 Tbps

波分复用可以简单理解为光领域的"频分复用"——光波的频率不同，体现为颜色不同，通过棱镜/光栅合并或分离。

6.4 码分复用（CDM / CDMA）

项目说明
英文Code Division Multiplexing / Code Division Multiple Access
原理每个用户分配一个独特的正交码（PN 码），所有用户在同一频率同时传输，接收方用匹配码解调
隔离方式码型分隔（正交码序列）
特点同时同频、抗干扰强、保密性高、"宽带"扩频通信
典型应用CDMA 移动通信（IS-95）、3G 网络（WCDMA、CDMA2000）
核心公式每个用户的序列与自身正交码内积 = 1，与其他人正交码内积 = 0

CDMA 工作示例： 假设用户 A 使用码序列 +1 +1 -1 -1，用户 B 使用 +1 -1 +1 -1。

步骤计算
用户 A 发送比特 1发送 +1 +1 -1 -1 × (+1) = +1 +1 -1 -1
用户 A 发送比特 0发送 +1 +1 -1 -1 × (-1) = -1 -1 +1 +1
用户 B 发送比特 1发送 +1 -1 +1 -1 × (+1) = +1 -1 +1 -1
两信号叠加接收端收到信号 (+1+1) (+1-1) (-1+1) (-1-1) = +2 0 0 -2
解码 A（× 码 A）(+2) + (0) + (0) + (-2) = 0 → A 的比特为 1? → 不对，让我重新算...

实际上 CDMA 解码用内积：叠加信号 [+2, 0, 0, -2] 与码 A [+1,+1,-1,-1] 的内积 = 2+0+0+2 = 4 > 0 → 比特为 1。解密成功！

6.5 四种复用技术对比

特性FDMTDMWDMCDM
分割维度频率时间波长（频率）正交码
共享方式同时不同频不同时同频同时不同波长同时同频同码
是否需要同步否是（严格的时序同步）否是（码元同步）
典型介质同轴电缆、无线铜线、光纤光纤无线
扩频否否否是
抗干扰能力中高高非常高
主要应用广播电视、Wi-Fi OFDMT1/E1、SDH光纤骨干网3G 移动通信

总结

物理层是计算机网络的基础石。没有物理层，上层所有协议都无从落地。它的核心职责可以用一句话概括：

将上层的数据比特，通过一定的信号编码和物理媒介，从源端准确送达目的端。

理解物理层的关键在于掌握：

  • 四大特性定义了接口规范
  • 编码与调制决定了信号形式
  • 传输方式与方向影响了通信效率
  • 奈氏与香农定理给出了信道的终极极限
  • 复用技术实现了信道的高效共享

在现代网络中，物理层的技术日新月异——从铜线到光纤到无线，从 10Mbps 以太网到 400Gbps 甚至 1.6Tbps 的高速光互联，物理层的进步始终是网络能力提升的基石。