NetWork#001 | 物理层
物理层是计算机网络的最底层，主要负责处理在各种物理介质上传输 0 和 1 的电信号或光信号。
主要任务
为什么需要先定义物理层的任务？ 因为在两台计算机能够通信之前，必须先就最基础的物理信号达成共识。物理层的主要任务就是建立一套所有设备都能理解和遵守的"语言"规则，确保原始的比特流能够从一台机器的网卡，准确地变成另一台机器网卡可以识别的信号，这样，数据链路层就能受到最小化的影响。
- 制定传输规则：确定信号的电压范围（比如 USB 接口的 5V 标准）、接口的形状（比如网线水晶头的引脚排列）、信号代表的含义（比如高电压表示 1，低电压表示 0），以及传输的顺序（比如先发送同步信号，再传输数据）。
- 适应不同传输介质：不同的介质有不同的特点，物理层需要屏蔽这些差异。例如双绞线成本低但易受干扰，光纤速度快但昂贵，无线信号灵活但易被遮挡。
关键技术
为什么需要了解这些关键技术？ 为了完成上述任务，物理层依赖一系列关键技术将抽象的 0 和 1 转化为可以在物理世界传播的实体信号。这些技术解决了"数据如何表示"、"信号如何传输"以及"信道如何共享"这三大核心问题。
数据 vs 信号
为什么需要区分数据和信号？ 这是理解物理层工作核心的第一步。我们常说"传输数据"，但实际上物理介质中传输的是信号。物理层做的就是"数据"和"信号"之间的转换。
- 数据 (Data)：是信息的载体，是我们想要传输的内容，比如文字、图片、视频。数据是抽象的、逻辑上的概念。
- 信号 (Signal)：是数据的物理表现形式。它是变化的电流、电压或电磁波，是真正在物理介质（如电线、光纤）上传播的东西。
- 数字信号：不连续的、离散的信号，通常用几个明确的电平来表示数据（如高电平和低电平）。
- 模拟信号：连续变化的信号，可以用其振幅、频率或相位的变化来承载信息。
信号编码与调制
为什么需要信号编码与调制？ 计算机内部的数据是二进制的 0 和 1，但这些数字本身无法在电线或空气中传播。因此，我们需要一种"翻译"机制，这就是信号编码与调制。它的目的是将这些数字比特（数据）转换为可以在物理介质上传输的电信号或光信号（信号）。
- 数字信号编码：将 数字数据 转换为 数字信号。
- 曼彻斯特编码：通过电压跳变来表示数据，中间从高到低跳变表示 1，从低到高跳变表示 0，同时自带时钟信号，解决了同步问题。
- 4B/5B 编码：把 4 位数据转换成 5 位信号，增加冗余位是为了避免出现长串连续的 0 或 1，保证接收端能稳定同步。
- 模拟信号调制：将 数字数据 转换为 模拟信号，以便在模拟信道（如传统电话线）上传输。
- 调幅（ASK）：用信号的强弱来表示数据。
- 调频（FSK）：用频率的变化来表示数据。
- 调相（PSK）：用波形的相位变化来表示数据。
传输方式
为什么需要规定传输方式？ 确定了信号如何表示后，还需要规定信号的"对话"方式。传输方式定义了数据在双方之间的流向，决定了通信是单向的、轮流的还是双向同时进行的，以适应不同应用场景的需求。
- 单工：只能单向传输，比如广播。
- 半双工：可以双向传输，但不能同时进行，比如对讲机。
- 全双工：能双向同时传输，比如打电话。
复用技术
为什么需要复用技术？ 物理信道（如光缆）的建设成本通常很高，但其容量又远超单个用户所需。为了不浪费宝贵的信道资源，复用技术应运而生。它的目标是允许多路信号在同一条物理信道上传输，从而极大地提高了信道的利用率。
- 频分复用（FDM）：把信道分成多个频段，不同用户使用不同的频段同时传输。
- 时分复用（TDM）：所有用户轮流使用信道，按时间片来分配使用时间。
- 波分复用（WDM）：光纤专用的技术，不同颜色的光在同一根光纤中传输，是频分复用在光域上的应用。
传输介质
为什么需要关心传输介质？ 信号的传输离不开实际的载体。选择哪种传输介质，直接决定了网络的传输速度、成本、距离和抗干扰能力。了解不同介质的特性，是网络基础设施建设和选择的第一步。
- 有线介质：
- 双绞线：由两根铜线绞合而成，能减少干扰，常用于局域网。
- 同轴电缆：有中心铜线和金属屏蔽层，抗干扰能力较强。
- 光纤：利用光的全反射原理传输信号，是现代骨干网的主要介质。
- 无线介质：
- 无线电波：覆盖范围广，用于 Wi-Fi、蓝牙等。
- 微波：直线传播，用于卫星通信和 5G。
- 红外线：方向性强，用于遥控器等设备。
常见设备
为什么需要这些物理层设备？ 仅有介质还不够，我们还需要一些设备来克服物理传输中的实际障碍。这些物理层设备的作用就是增强信号、连接多台设备或转换信号格式，以保证数据能够成功地从 A 点传输到 B 点。
- 中继器：能放大信号，对抗信号衰减，延长传输距离。
- 集线器：是多端口的中继器，所有设备共享带宽，工作在半双工模式。
- 调制解调器（Modem）：在模拟信道（如电话线）和数字信号之间进行转换，实现上网功能。
主要问题及解决方法
为什么信号传输会出错？ 物理世界并非理想环境，信号在传输过程中不可避免地会遇到各种问题。了解这些常见问题及其解决方法，是确保数据可靠传输的关键。
- 衰减：信号会随传输距离变弱，可通过 中继器 放大信号解决。
- 噪声：会干扰信号，比如电磁干扰、串扰，可使用 屏蔽线 或 纠错编码 来应对。
- 同步问题：收发双方时钟不一致会导致数据错位，可通过 自带时钟的编码（如曼彻斯特编码） 或 外同步信号 解决。
总结
物理层作为OSI模型的最底层，是整个网络通信的基石。它的核心价值在于，为上层（数据链路层）提供一个透明的、可靠的比特流传输服务，同时屏蔽掉底层物理介质和传输技术的复杂性。
具体来说，物理层的工作可以总结为以下几点：
- 定义标准：它定义了与传输介质相关的物理和电气特性，如接口形状、引脚功能、电压电平，确保不同厂商的设备可以互联互通。
- 数据与信号的转换：物理层将上层传递来的逻辑数据（Data）比特流，通过 编码 或 调制 的方式，转换为能够在物理线路上传输的物理信号（Signal）。
- 管理传输：它规定了数据的传输方式（单工、半双工、全双工）以控制数据流向，并通过 复用技术（频分、时分、波分）来提高物理信道的利用效率。
- 克服物理障碍：通过中继器等设备对抗信号衰减，并利用特定编码技术解决噪声和同步问题，尽最大努力保证比特流的可靠传输。
可以说，物理层的工作就像是修建一条数字世界的"高速公路"，它不关心"路上跑的是什么车"（数据内容），只专注于确保这条"路"本身是通畅、可靠和高效的。没有物理层这个坚实的基础，任何高层的网络协议和应用都将是空中楼阁。