一、物理层真的很物理【计算机网络全景梳理系列】

首先，第一篇，就从最底层的物理层开始梳理。正如名字中有个物理一样，物理层真的很物理。物理层要解决的问题就是两台设备如何在真实世界中传递信息。

1. 物理层的作用

思考这样一个问题，在假期里，你(Alice)和你的朋友(Bob)想不花一分钱能够在各自家中能够聊天。想想看怎么实现呢？如果你和你的朋友是邻居，那最简单的方式就是吼一吼了。但是如果你们俩一个住在镇子的东边，一个住在西边。你们俩看了看手头中有电线，灯泡，电池**这些工具，如何在见不到面的时候实现交流呢？

对，一个最简单的方法就是使用电线将你们连接起来，用电流和灯泡来传递信息。这就完了吗？不，这才是刚刚开始，还需要描述和确定下许多问题。这就是物理层中规程（其实也就是协议），它规定了与传输媒体相关的一些特性。

机械特性，你们需要考虑使用什么标准的电池，什么类型的线，如何接到两个人的家里面，灯泡是串联还是并联等等。

电气特性，在电路搭建好了之后，就可以上电了。而这时需要规定好上面的电压范围，要统一协调，要不然说不一定就爆炸了。

功能特性，在电路搭建好并且电路成功接通之后，需要考虑如何使用灯泡传递信息，需要统一规定灯泡亮灭的程序表示什么信息。比如说亮表示1，灭表示0。

过程特性，在这是似乎问题已经解决大半，但是会忽略一个问题，就是顺序问题。想想看，Alcie的灯泡亮了一段时间后灭了，它是表示“10”呢，还是“11110”，或者“1100”？或者说有时候发错了，想半路撤回。那如何区分“撤回”这种控制与传输的数据信息呢？而这就需要规定好统一的时间间隔与顺序

2. 通信模型与传输媒体

在上述这个问题中，Alice和Bob就构成了通信系统，如果Bob想向Alice传递信息，那么Bob家就是源系统，A lice家就是目的系统，而从中的传递信息的就是传输系统。

在传输系统中，负责承载信息的就是传输媒体。传输媒体可以分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导向型传输媒体中，电磁波沿着固体媒介传播，而非导引型则沿着自由空间发散传输。

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导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，主要有同轴电缆、双绞线，光纤。

同轴电缆

首先，同轴电缆，很简单，就是主要的一根导线，而为了屏蔽干扰以及保护导线，而在导线外面加了屏蔽层和保护层。

双绞线

在传输过程中，线与线之间会产生电磁干扰，而双绞线在不增加成本的前提下解决了这个问题问题。

在一对双绞线中，两芯导线分别传输幅值相等、但相位（极性）相反的信号。由一条导线产生的干扰/噪声将会与另一根导线产生的干扰/噪声相互抵消。

光纤

顾名思义，光纤就是使用光进行传输，光线在线路中折射传播。

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非导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，最主要的就是电磁波。经常使用的是无线电波、微波、和红外激光等。

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无线电

无线电的向所有方向传播，有很强的穿透能力，可以远距离的传输。而无线电根据频率也可以进一步分类

无线电在传输时候是以地面波的形式或者靠电离层反射

微波

微波在空间是沿着指向传播，波长比较短，穿透能力中等。

用于微波是直线传播，而在圆形的地球上传播需要中继器，常见的方式有地面中继器和卫星中继。

红外线和激光

在短的波中，穿透能力比较弱。目前在一些电器中也会使用到红外线，同时使用可见光通信也正在研究。

3. 信道复用技术

在上面的案例中，知识Alice和Bob在进行通信。但是当更多小伙伴感兴趣想要加入时，该如何解决这个问题。若每两个用户之间架设一条单独的信道，那成本将急剧增加。最好的方式就是在同一个信道上传输多个信号。

常用的方式有频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用、码分复用

4. 宽带接入

在上面的例子中，Alice和朋友们就可以构成一个小的网络，当

宽带接入是相对于窄带接入而言的，一般把速率超过1Mbps的接入称为宽带接入。宽带接入技术主要包括：

铜线宽带接入技术
- ADSL (电话网)
- VDSL (双绞线)
HFC技术（混合光纤同轴网，光纤到服务器，后面用同轴电缆，有线电视）
光接入技术（光纤接入）
无线接入技术
- LMDS （毫米波）
- MNDS (厘米波)
- 无线局域网

5. 总结