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2.1 物理层的基本概念
概述
物理层是计算机网络的第一层，是整个计算机网络系统的基础，为数据传输提供可靠的环境。
物理层要解决的基本问题：如何在各种传输媒体上传输比特0和1的问题。进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。
物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
物理层协议的主要任务
定义物理层的四个特性：
机器特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
电器特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
由于传输媒体种类众多（双绞线、光纤等），物理连接方式也很多（点对点连接、广播连接等），因此物理协议有很多种，但是每一种都需要包括以上四个特性。
2.2 物理层下面的传输媒体
导引型传输媒体
在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体传播媒体传播。
常见的导引型传播媒体：
同轴电缆：
生活中最常见的就是电视线。用于模拟传输。
价格较贵，布线不够灵活方便。
双绞线:
双绞线是最古老又常用的传输媒体。也就是生活中最常见的网线。
双绞线的构成就是把两个互相绝缘的铜导线并排放在一起。 按照一定规则绞合起来。因此称为双绞线。
绞合的作用：
抵御部分来自外界的电磁波干扰。
减少来自相邻导线的电磁干扰。
光纤:
每一根光纤是非常细的，因此需要将他做成很结实的光缆，一根光缆少则只有一根光纤，多则可能有数十根甚至数百跟光纤。 光纤的芯非常细。
光纤优缺点：
光纤的工作原理：
重复进行此过程，使光一直不断地全反射指导到达终点。
电力线：
电力线是一种比较古老的技术。
应用电力线传输信号的实例最早使电力线电话。
但是在目前，以电力线构建局域网已不能满足需求。
非导引型传输媒体
非导引型的传播媒体是自由空间。
常见的非导引型传播媒体：
电磁波频率过大对人体有害，因此一般使用介于无线电波到红外的频率来进行信息传播。
无线电波：
无线电波用于国际广播、海事和航空通讯等。
无线电波中的低频和中频端主要以地面波形式传播。高频和甚高频主要用电离层的反射传播。
微波：
微波用于无线电话、无线网络、雷达、人造卫星接受等。在数据通信中占有重要地位。
微波在空间中主要以直线传播。
传统的微波通信主要有地面微波接力通信和卫星通信。
其传播距离一般只有50公里左右。
红外线：
利用红外线传输数据，例如电视遥控等。
红外通信属于点对点无线传输。
不能越障，传输距离短，传输速率低。
可见光：
LIFI，可以实现使用可见光通信，但是目前还在实验室阶段。
无线电频谱管理机构
2.3 传输方式
串行传输和并行传输
串行传输：
数据通过一条线路传输，一个一个比特依次传送，因此只需要一条线路。
数据在进行远距离传输的时候用的是串行传输，不是并行传输。
并行传输：
数据通过多条线路传输。
并行传输的优点是速度为串行传输的n倍。
缺点是成本高。
计算机内部数据的传输一般使用并行传输。
同步传输和异步传输
同步传输：
数据库以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔。
接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1。
由于不同设备的时钟周期存在差异，不能做到完全相同，在传输大量数据的过程中判别时刻的累计误差会导致接收端对比特信号的判别位置错位。
因此需要采取方法使收发双方的始终保持同步。
有两种同步方法：
外同步：
发送端在发送数据信号的同时，另外发送一条时钟信号，接收端按照同步信号的节奏来接受数据。
内同步：
传统以太网采用的就是曼彻斯特编码的内同步方式。
异步传输：
使用异步传输方式时，以子节为独立的传输单位，子节之间的间隔时间不固定的（因此成为异步传输）。
接收端仅在每个字节的起始处对子节内的比特实现同步。
为此，通常要在每个子节的前后分别加上起始位和结束位。
异步指的是子节之间异步。
字节之间的时间间隔不固定。
但是，字节中的每个比特依旧要同步，各个比特的持续时间要相同。
单工、半双工、全双通信
单工通信：
通信双方只有一个数据传输方向。
例如无线电、广播。
只需要一条信道。
半双工通信：
通信双方有两个数据传输方向，但是不可以同时通信。
需要两条信道。
例如对讲机就是这种通信方式。
全双工通信：
通信双方有两个数据传输方向，可以进行同时通信。
需要两条信道。
例如实时电话就是这种通信方式。
2.4 编码与调制
信号分为数字基带信号和模拟信号。
数字基带信号例如计算机和CPU与内存之间传输的信号。
模拟基带信号例如麦克风收到声音后产生的音频信号。
信号需要在信道中传输，信道有数字信道和模拟信道。
编码
编码就是在不改变信号性质的情况下仅对数字基带信号的波形进行变换。编码后产生的信号认为数字信号。可以在信道种传输。
有两种情况：
数字信号转换为另一种数字信号， 在数字信道中传输。
例如，以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码。
模拟信号转换为数字信号 ，在数字信道中传输。
例如，对音频信号进行编码的脉码调制PCM。
调制
把数据基带信号的频率范围，搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为调制。调制后产生模拟信号，在模拟信道种传输。
有两种情况：
数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输。
例如WiFi，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分复用OFDM等调制方式。
模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输。
例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传输。
频分复用FDM技术，充分利用带宽资源。
常用编码：
码元：构成信号的一段波形。
不归零编码：
在整个码元时间内，不会出现零电平。
为了辨别码元个数，在发送信号时需要发送方和接收方做到严格的同步。
一般需要额外一根传输线来传输时钟信号，实现同步的目的。接收方按照时钟信号的节拍来逐个接收码元。
但是额外一根线资源造成浪费，在计算机网络中的数据传输一般不采用这类编码。
归零编码：
在传输过程中，每个码元传输结束后都要”归零“。
因此接收方只要在信号归零后进行采样，而不需要单独的时钟信号。
归零编码相当于把时钟信号用”归零“的方式放在了数据之内，看作一种自同步的信号。
但是在传输过程中，大部分的数据带宽都用来传输零电平数据，造成资源浪费。编码效率低。
曼彻斯特编码：
在码元中间时刻会产生跳变，跳变的含义可以自己定义。例如由低电平到高电平代表1/0信号，由高电平到滴电平代表0/1信号。
码元中间时刻的跳变既代表时钟，又代表数据。
传统以太网使用的就是满测斯特编码。
差分曼彻斯特编码：
在差分曼彻斯特编码中间也有跳变，但是此跳变只代表时钟信号。
具体的数据由码元开始处电平是否变化来表示。
例如在码元结束和码元开始的时候电平做对比，有变化代表0/1，无变化代表1/0。
基本调制方法
调幅：对基带信号的波幅进行调整，例如将上图的1信号波幅进行改变，在接收方读取时有载波输出为1.
调频：对基带信号频率进行调整，例如将0信号调制为频率f1，1信号调制为频率f2。
**调相：**对基带信号相位进行调制，例如将0信号的初相位调整为0度，1信号的初相位调整为180度。
但是在以上基本调制方法中，1个码元只能包含1个比特信息。
混合调制
正交振幅调制QAM：
QAM-16：
在QAM-16中有12种相位，每种相位有1或2种振幅可选择。
由于此调制方法可以调制出16种码元，要完整的表示这16种情况，码元内是二进制数据，因此至少需要4个二进制数，也就是4个比特数据，因此在QAM-16调制方法中，每个码元可以表示4个比特数据。
为了防止传输出错导致错误，相邻码元之间的对应关系使用格雷码（相邻二进制数只有一位不同）。
2.5 信道的极限容量
概述
在实际传输过程中由于通信质量的问题会导致传输信号被干扰，导致信号波形出现了码元之间的清晰界限，这种现象叫码元串扰。
产生失真的因素主要有：
码元传输速率（与调制方法有关）
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量
因为以上情况，防止信道数据过大导致码间串扰，因此做出了信号极限容量的预测。
其中最著名的就是奈氏准则。
奈氏准则
奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率时有上限的。
由于奈氏准则是一种理想环境下的情况，在实际中极限容量要明显小于该值。
香农公式
香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
由于在实际信道中，信号还有收到其他的一些损伤，例如个脉冲干扰等，因此实际信道能达成的信息速率要比计算出来的极限速率还要小。
综合来看：
在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，想要提高信息的传输速率必须采用多元制或者更好的调制方法，以及努力提高信道中的信噪比。