物理层与传输介质

物理层是 OSI 模型的底层，负责在物理介质上传输原始的比特流。本文整理物理层的功能、信号编码、传输介质（双绞线/光纤/无线），以及复用技术与网络设备。

一、物理层的职责

物理层关注"如何把 0/1 比特变成物理信号并通过介质传输"，不关心数据含义。核心：

• 定义电气/机械/功能特性：电压、速率、接口形状、引脚。
• 信号编码：把比特映射为电/光/无线信号。
• 传输介质：决定用什么载体传输。
• 物理拓扑：总线、星型、环型等连接结构。

物理层错误无法在此层纠正，交给上层（链路层 CRC 检错）。

二、信号与编码

• 模拟信号：连续变化的波形（电话语音）。
• 数字信号：离散的电压脉冲（计算机）。

编码（Encoding）：将比特流转为信号。

• 不归零（NRZ）：电平直接表示 0/1，简单但难以同步（连续相同位无法区分）。
• 曼彻斯特编码（Manchester）：每个比特中间有跳变，跳变同时作时钟与数据（IEEE 802.3 约定：低→高表示 1，高→低表示 0；文献中亦有相反约定），自带同步，用于 10M 以太网。
• 差分曼彻斯特：比特起始处有跳变表示 0，无跳变表示 1。

同步方式：接收方需与发送方同步时钟。可用同步传输（带时钟）或异步传输（起始/停止位）。

三、传输介质

双绞线（Twisted Pair）

• 两两绞合以抵消电磁干扰。
• 分屏蔽（STP）与非屏蔽（UTP）。
• 分类：Cat5e（千兆）、Cat6、Cat6a 等。
• 最常用的局域网介质，接口为 RJ-45。

同轴电缆

• 中心导体 + 屏蔽层，抗干扰强，曾用于有线电视与早期以太网。

光纤

• 用光信号传输，分：
  • 单模光纤（SMF）：激光，芯径细，损耗小，传输远（几十公里），用于主干网。
  • 多模光纤（MMF）：LED，芯径粗，传输近（几百米），用于楼宇内。
• 优点：带宽高、损耗低、抗电磁干扰、保密性好。

无线介质

• 无线电波：Wi-Fi、蜂窝网络，穿透性强、易受干扰。
• 微波：点对点视距传输。
• 红外：短距离视距。

四、多路复用技术

共享同一条物理信道传输多路信号，即多路复用（Multiplexing）：

• 频分复用（FDM）：不同信号用不同频率段，同时传输（模拟电视、光纤波分复用 WDM）。
• 时分复用（TDM）：不同信号分时占用信道（数字通信）。
• 波分复用（WDM）：光纤中用不同波长的光（本质是 FDM 在光频段）。
• 码分复用（CDM/CDMA）：不同信号用正交码叠加，同频同时，接收端按码分离（3G 移动通信）。

五、常见网络设备（按 OSI 分层）

• 集线器是物理层设备，所有端口共享带宽、同一冲突域，已被交换机取代。
• 中继器放大信号以延长传输距离，不能识别数据含义。

六、物理层与现代网络

• 现代以太网物理层用双绞线（1000BASE-T）与光纤（1000BASE-SX/LX）。
• 光模块（SFP/QSFP）实现电-光转换，是数据中心互联的关键。
• 物理层的速率定义（10/100/1000M、10G、25G、100G）决定了网络带宽的基础。

小结

• 物理层负责比特到信号的传输，涉及电气特性、编码、介质与拓扑。
• 常用介质有双绞线、光纤、无线；编码需解决同步问题（曼彻斯特编码自带时钟）。
• 多路复用（FDM/TDM/WDM/CDMA）让多路信号共享信道。
• 中继器/集线器工作在物理层，交换机在链路层，路由器在网络层。