物理层的知识并不是很多，处于整个计算机网络的最底层，很多知识都属于电路、通信的知识，所以相较于网络层、运输层，这一层的重要性并没有那么突出。
2.1 通信基础
物理层有较多的基本概念：
①数据、信号与码元
数据指的是传送信息的实体。
信号是数据的电气或者电子表现，是在数据传输过程中的存在形式。数据和信号都可以用“模拟”或者“数字”来修饰。模拟的指的是数据（信号）的变化是连续的，而如果取值是有限的几个离散数值的数据（信号）则称为数字的。简单来说，同样是从1到10如果是一点一点增大最后完成这个变化，则称为模拟的，而如果变化的过程是1-2-…-10这样，只有10个整数而没有小数，这样的变化就称为离散的。
数据的传输可以分为串行传输和并行传输，其中串行指的是一个一个的比特按照时间顺序传输，而并行传输则是多个比特通过多条通信信道同处传输。
码元是指用一个固定时长的信号波形表示一位K进制数字，代表不同离散数值的基本波形，这个时长内的信号称为K进制码元，而时长称为码元宽度。码元是一个很重要的概念，由于没学过电路，所以对这种概念很难理解，码元可以看作一种表示方法，如果是二进制1001，按照高低两种电平表示，需要四个码元，一个码元要么是高要么是低，相当于一个码元表示一个二进制数，而如果用四进制，即一次表示两位，那么新的码元表示一个四进制数，所以换到电路里面，就需要有四个不同的电平表示形式，但是却节省了传输的码元数，这种情况下码元只需要两个，这也就是后面提到的相同传输速率情况下，增加码元携带的比特数目可以增加传输效率。
②信源、信道与信宿
在一个数据通信系统中主要划分为信源、信道和信宿三部分，可以看作是起点、通道和终点。信源是产生和发送数据的源头、信宿是接收数据的终点。信道是一个通道，但是信道并不等同于电路，信道是信号的传输媒介一个信道可以视为一条线路的逻辑部件，用来表示向某个方向传送信息的介质。
信道按照传输信号形式的不同，可以分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类，按照传输介质的不同可以分为无线信道和有线信道。
信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号。基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后传送到数字信道上传输，宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后传送到模拟信道上传输。
根据通信双方的交互方式，可以分为三种方式：
③速率、波特和带宽
速率也称数据率，指的是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据率，表示这一概念，可以用码元传输速率来表示，也可以用信息传输速率来表示。
码元传输速率，指的是单位时间传输的码元个数，根据码元的定义，码元传输速率也可以表示单位时间信号变化的次数。单位是波特，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，这里的码元并不需要规定是几进制，所以说码元速率与进制数无关。
信息传输速率指的则是单位时间数字通信系统传输的二进制码元个数，单位是比特每秒。
这里容易混淆的是比特和波特这两个概念，码元传输速率和信息传输速率之间存在一定的关系，从定义来看，不难发现，如果一个码元携带n比特的信息量，则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特每秒。如果一个码元代表一个4进制数，那么一个码元相当于携带4比特的信息量，那么信息传输速率为4M比特每秒。
带宽的概念在上一章网络性能的衡量标准那里总结过，带宽原本指信号具有的频带宽度，单位是HZ，实际网络中常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，是单位时间从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率，此时单位变成了b/s。
在上面的基本概念上，又引出了两个重要的定理，这两个定理在谢希仁课本上只有一个，王道上总结的很清楚，个人感觉这里的知识更偏向于通信。
首先是奈奎斯特定理，也称奈氏准则。这个准则指出，在没有噪声、带宽有限的理想低通信道中，极限码元传输率为2W波特，其中W为理想低通信道的带宽，单位为HZ，相应地将码元传输率转换为数据传输率可以得到理想低通信道下的极限数据传输率为2WlogV，其中V表示每个码元离散的电平数目（有多少种不同的码元）。根据奈氏准则，不难发现，在任何信道中码元的速率是有上限的，如果超过了这个上限，就会出现码间串扰（接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限），从而使得不可能完全正确识别码元，另外，信道的频带越宽就可以用更高的速率进行码元的有效传输（最高数据率更高），除此之外，奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但是对信息传输速率没有给出限制，即没有对一个码元可以传输多少个二进制位给出限制，相当于码元的传输速率收到了奈氏准则的限制，所以这种情况下，想要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多个比特的信息量，此时就需要多元制的调制方法。
另一个定理是香农定理，它给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率进行传输时可以做到不产生误差。信道的极限数据传输率等于Wlog10(1+S/N)，其中W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯白噪音功率，S/N表示的就是信道中的信噪比（信噪比=10log10(S/N)）。根据香农定理，信道的带宽或信道中的信噪比越大，极限传输速率越高，对于信噪比和传输带宽一定的信道，信息传输速率上限是确定的，只要低于这个速率，就说明方法还不够完美，没能达到极限的速率，实际中的传输速率要低不少。
这两个定理很容易混淆，奈氏准则是在没有噪声且带宽有限的信道中对于码元传输速率的限制，根据波特与比特的关系，又推算出一个数据传输率，而香农定理则是在有高斯白噪声且带宽有限的信道中对于数据传输率的限制，奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理综合考虑了带宽和信噪比，两个定理的条件和结论是不一样的。在实际使用时，如果题目给出了波特使用的进制，就需要同时收到两个定理的限制，如果仅仅不考虑噪声就使用奈氏准则，如果考虑噪声就使用香农定理。
无论数据是数字的还是模拟的，为了传输，都必须将其转变成信号，将数据转换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。
数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号，而用什么样的数字信号来表示1和0就是所谓的编码。编码主要有下面的几种方式：
①归零制RZ
高电平表示1、低电平表示0，每个时钟周期中间均跳变到低电平，而且接收方可以根据这个跳变调整时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要一定的带宽，所以传输效率受到了一定的影响。这里的归零制与计算机组成原理中的归零制还不太一样，不清楚是真的不一样还是两个课本的不同表示方式。
②非归零制NRZ
归零制的一种改进，不需要归零而是用一个周期全部进行数据传输，由于没有了中间时刻的跳变，相应的也失去了同步的能力，所以如果想要传输告诉同步数据，就必须带有时钟线，高为1，。
③反向非归零编码
每个时钟周期的开始阶段，用翻转表示0而不反转表示1，这种方式继承了RZ和NRZ的有点，能传输时钟信号又不损失系统带宽。
④曼彻斯特编码
将一个码元分成两个相等的间隔，两个间隔前高后低为1，前低后高为0。这种编码方式在每个码元中间都有一次电平的跳变，这个跳变不仅作为时钟信号，而且还作为数据信号，但是它所占的频带宽度是原始基带宽度两倍。以太网使用的就是这种编码方式。
⑤差分曼彻斯特编码
这种编码方式常用与局域网传输，利用相邻两个码元的变化情况来表示数据，相同为1相异为0，另外在每个周期中间都有一次跳变，从而可以实现自同步，且抗干扰性好。
数字数据调制为模拟信号则是在发送段将数字信号转换为模拟信号，主要方式如下：
其实课本上就只有调频、调幅、调相，王道上展开讲了，本质上就是三角函数的图像变化，y=Asin(ωx+ φ)中改变三个量，分别就对应着三种转换方式。
模拟数据编码为数字信号最常见的例子是将音频信号进行编码的PCM（脉码调制），包括采样、量化和编码三个步骤，这三个步骤并不是很重要的知识点。
还剩下一种是模拟数据调制为模拟信号，这里基本就没什么东西可写，知道有这种方式就够了。
三种数据交换的方式则补充在了第一章中。
分组交换根据其通信子网想端点系统提供的服务，还可以进一步分为面向连接的虚电路和无连接的数据报。其实这两个知识点都应该是运输层的知识，不知道为什么王道放在了第二章物理层。
数据报在每个中间结点选择最佳路由后，尽快转发每个分组，不同的分组可以走不同的路径，也可以按照不同的顺序到达目的结点。该方式特点如下：
虚电路则类似于前面的电路交换，但是该方式建立的是虚拟的逻辑电路，在发送方和接收方之间建立一条逻辑上相连的虚电路，固定物理路径。特点如下：
2.2 传输介质
传输介质也称传输媒体，是发送设备和接收设备之间的物理通路，可以分为导向传输介质和非导向传输介质。
常见的传输介质主要有下面几种：
①双绞线
价格便宜，广泛应用于局域网和电话网，带宽取决于铜线的粗细和传输的距离，指出模拟传输和数字传输，距离太远时，对于模拟传输需要用放大器来放大衰减的信号，对于数字传输则需要中继器来将失真的信号整形。
②同轴电缆
由于外导体屏蔽罩的作用，抗干扰性好，传输距离更远但是价格贵。
③光纤
分为单模光纤和多模光纤两类，利用的都是光的全反射。区别在于单模光纤需要用激光二极管作为光源，适合远距离传输，而多模光纤用发光二极管即可，适合近距离传输。
④无线传输介质
通信领域常见的无线电波（信号向所有方向散播）和高带宽的微波、红外线和激光（直线传播）。
物理层接口的特性：
2.3 物理层设备
物理层设备主要有两种，中继器和集线器。
中继器又称转发器，功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号的失真和衰减，从而扩大网络传输的距离。中继器有两个接口，一进一出，属于局域网环境下最简单的互联设备。中继器两端并不是子网，所以相当于扩大了范围。
集线器实质上是一个多端口的中继器，区别在于集线器从一个端口进入后，向除了入口以外的所有出口转发，所以如果有两个或多个端口同时输入，那么会发生冲突。
2.4 信道复用技术
这部分是王道上并没有提到的知识，而课本上包括上课时老师强调过的知识点。
复用技术是通信技术中的基本概念，在计算机网络的信道中广泛使用，所谓复用，简单来说就是一条道给好多个人用，计算机组成原理中的总线复用就是一种复用技术。
计算机网络中的复用技术则包括四种复用：
①频分复用
是最基本的复用技术之一，用户在分配到一定的频带之后，通信过程中始终占据着这个频带，是所有的用户在同一时间占用不同的带宽资源。
②时分复用是另一种最基本的复用技术，是所有用户在不同时间使用同样的频带宽度。这种技术分为两类，同步时分复用和异步时分复用。同步时分复用是一种固定分配，就像下图一样，因为是固定分配，所以时分复用帧是提前划分好的，会出现空闲浪费的现象。
而异步时分复用则是同步时分复用的改进，采用动态分配，解决了时隙的问题，具体如下图：
③波分复用
实际上就是光的频分复用，在一根光纤上复用几十路或者更多路数的光载波信号。
④码分复用
也称作码分多址，各个用户使用经过挑选的不同码型，个用户之间并不会产生干扰。这种复用可以在物理层出计算题，记住一点：用户想发送1就发送自己的码型，如果想发送0就发送自己码型的二进制反码。接收端如果想知道各个用户是否发送了信息，就拿收到的信号和各用户的码型求内积，如果结果是+1，说明用户发送的1，如果结果是-1，说明结果发送的是0，如果结果是0，那么没有发送信息。
典型题
利用比特和波特结合奈氏准则和香农定理来转换，是这部分很容易搞混的一个知识点，这三道题就是很好的例题。第十题是波特率和数据率之间的转换，根据定义转换即可，而这道题坑挖在以太网上，以太网采用的是曼彻斯特编码，每位数据需要两个电平，所以波特率是数据率的两倍，所以数据率是B，这种思路也可以用波特率单位时间内电平变化次数的概念来理解，曼彻斯特编码由于中间时刻必然有一次跳变，所以而两次跳变才表示一个比特，所以数据率是波特率的一般，理解了这一个点之后数据率也就很容易得到。十一题则是考定义，比特率等于波特率×log2n，一个信号码元取的有效离散值本质上就是2的n次方，n为码元表示的二进制位数，拿到这个题中，带入即可得n等于16。十二题一个码元有4个有效离散值，那么相当于两位，带入可得，波特率数值上等于比特率除以每码元所包含的比特数，带入可得波特率为B。
这道题坑在A项，看见信噪比，很容易利用香农定理得到A项，但是对这道题而言，指明了采用二进制信号，所以就需要受到香农定理和奈氏准则的双重限制，用香农定理确实算出来是A，但是在二进制信号下，这个极限速率是不符合奈氏准则的，所以正确的做法是再用奈氏准则按照二进制的信号求出一个最大数据速率，取这两个速率中的最小值。正确答案是B项。
这两道408题目考的主要是存储转发方式的时间计算，这里其实和计算机组成原理中流水线的时间计算是很像的，从一段发送开始到另一段收到最后一个结束，这个过程实际上和指令流水线开始第一条指令到完成最后一条指令是一样的。对于37题，不难计算出一共需要发送1000个分组，每个分组时1000B，所以发送就需要1000B×8/100MB/S=80S，由于忽略分组拆装时间和传播延迟，所以最少时间对应经过的主机最少的情况，即经过两个主机，对这道题而言，忽略传播延迟，所以H1主机发出的可以马上到交换机，这就意味着当H1发完第一个分组，这个分组同步的到达第一个分组交换机，再马上发出，当H1发完第二个分组，第二个分组也就到达了第一个分组交换机，此时第一个分组已经从第一个分组交换机发出并到达了第二个分组交换机，按照这个过程，主机H1发完最后一个分组，倒数第二个分组刚刚从第一个分组交换机离开并到达第二个分组交换机，倒数第三个分组刚好到达主机H2，所以最后一个分组到达主机H2时，正好经过了(1000+2)个0.08s，所以正好是80.16ms，C项正确。对于38题也是类似的道理，报文交换不存在存储转发这一说，所以直接就按照一般的时间计算即可，所以是2×8Mb/10Mb/s=1600ms，直接排除AC，再按照37题的思路去计算分组传输，中间需要经过一个路由器，所以是（800+1）×1ms=801ms，正确答案为D。
这种计算分组传输时间的题目，最好的办法就是自己数一下前几个分组的传输情况，根据规律，推出剩下的全部分组。