在之前的计算机网络之基本概念一文中，我们曾经提到了计算机网络的 OSI 七层协议体系结构和简化的五层协议体系结构。如下图所示：

作为最底层的物理层，对 web 应用开发者来说，往往是最遥远和最陌生的。但是物理层却发挥了至关重要的作用，本文将介绍物理层的职责，以及与其密切相关的信道复用技术和宽带接入技术。接下来，让我们一睹物理层的真容。

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物理层的基本概念

物理层的作用是尽可能屏蔽掉繁多的传输媒介和不同通信手段之间的差异，使上层的数据链路层感受不到这些差异，从而只需要考虑如何完成本层的协议和服务即可。

为了达到上述效果，物理层需要确定与传输媒体相关的如下特性：

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等。

• 电气特性：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的意义。

• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

另外，由于数据在计算机内部多采用并行传输方式，但考虑到经济成本，其在通信线路上一般采用串行传输方式。因此，物理层还需要完成数据传输方式的转换。

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数据通信系统

• 数据通信系统的模型

数据通信系统主要由三大部分组成：源系统、传输系统、目标系统。

源系统内部又可划分为两部分：信源和发送器。数据由信源产生，并经过发送器 (如调制器) 进行编码。

目标系统内部也可划分为两部分：接收器和信宿。数据由接收器 (如解调器) 进行解码，然后输出至信宿。

传输系统的形式比较多样，既可以是简单的传输线，又可以是复杂的网络系统。

通信的目的是传送消息。数据是以运送消息的实体。信号是数据的电气或电磁表现。根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号：

模拟信号：消息的参数的取值是连续的。

数字信号：消息的参数的取值是离散的。

• 有关信道的基本概念
  

信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

从通信的双方信息交互的方式来看，有以下三种基本方式：

单工通信 (单向通信) ：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。如无线电广播。

半双工通信 (双向交替通信) ：通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送或接收。

全双工通信 (双向同时通信) ：通信的双方可以同时发送和接收信息。

来自信源的信号称为基带信号。基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，因此，在传输前需要对基带信号进行调制。

调制可以分为两大类：基带调制和带通调制。

基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使其能够与信道特性相适应。

带通调制：通过对基带信号施加载波，将其频率范围搬移到较高的频段。最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。

• 信道的极限容量

任何实际的信道都不可能以任意高的速率传送数据，从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：信道能够通过的频率范围和信噪比。

信道能够通过的频率范围：具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，码元的传输速率超过上限后，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为空谈。

信噪比是指信号的平均功率和噪声的平均功率之比：

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时候会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

香农公式指出，信道的极限信息传输速率：

其中，W 为信道的带宽 (单位是 Hz)；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高，它指出了信息传输速率的上限。该公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

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信道复用技术

• 频分复用 (FDM)

频分复用是用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

频分复用的所有用户在同一时间占用不同的频带宽度资源。

在单个用户占用频带宽度不变的情况下，若复用的用户数增加，则复用后的信道总频带宽度增加。

• 时分复用 (TDM)

时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧。每个时分复用的用户在每个时分复用帧中占用固定序号的时隙。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

在每一个时分复用帧长度不变的情况下，若复用的用户数增加，则时隙宽度就会变窄。

• 码分复用 (CDM)

码分复用又称码分多址 (CDMA)，各用户使用不同的相互正交的码型进行通信，因此不会相互干扰。

码分复用的用户可以在同一时间使用同样的频带进行通信。

综上所述，本文关于计算机网络物理层的总结就到这里了。在后续的文章中将会继续探讨数据链路层，网络层，运输层，应用层的相关内容，敬请期待！

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参考资料

《计算机网络》谢希仁 著

《计算机网络原理》陈妍、王志文、朱海萍、 李增智 编著

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