物理层概述

- 物理层是计算机网络的最底层，主要负责在物理介质上传输原始的比特流，为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。

- 该层涉及到通信介质的特性、信号的传输与编码、传输速率等基本概念和技术，它的性能直接影响整个网络的数据传输效率和质量。

物理层的主要任务 

- 机械特性：规定了物理连接的接口形状、尺寸、引脚数量和排列等，如常见的RJ45接口等。

- 电气特性：定义了信号的电压范围、传输距离、信号传输速率等，像以太网中规定了信号的电压值等。

- 功能特性：明确了接口信号的功能和作用，如哪些信号用于发送数据，哪些用于接收数据等。

- 规程特性：规定了数据传输的操作过程和顺序，包括信号的发送、接收顺序以及错误处理等。

物理介质

- 导向传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。双绞线由两根绝缘铜导线相互绞合而成，分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP），常用于局域网。同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和护套组成，曾广泛用于有线电视网络等。光纤利用光信号在光纤内全反射来传输数据，具有高带宽、低衰减、抗干扰能力强等优点，常用于长距离和高速网络传输。

- 非导向传输介质：有无线电波、微波、红外线和激光等。无线电波可用于广播、无线局域网等；微波通信常用于远距离通信和卫星通信；红外线和激光一般用于短距离通信，如红外线可用于家电遥控器等。

编码与调制

- 编码：将数据转换为适合在物理介质上传输的信号形式，常见的编码方式有归零码（RZ）、非归零码（NRZ）、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码等。

- 调制：把数字信号转换为模拟信号，有调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）以及它们的组合如正交振幅调制（QAM）等方式。

传输方式

- 串行传输和并行传输：串行传输是数据按位依次传输，适用于长距离传输；并行传输是多个数据位同时传输，速度快但成本高，常用于短距离高速传输，如计算机内部总线。

- 单工、半双工和全双工：单工通信数据只能单向传输，如广播；半双工通信数据可双向但不能同时传输，如对讲机；全双工通信数据能双向同时传输，如电话通话。

物理层设备

- 中继器：工作在物理层，主要功能是放大信号，以补偿信号在传输过程中的衰减，延长信号传输距离。

- 集线器：是多端口的中继器，把多个设备连接成一个共享式局域网，但所有数据都在同一冲突域内，容易产生冲突。

计算机网络物理层常用编码方式如下：

归零码（RZ）

- 特点：用高电平表示1，低电平表示0，每个码元传输完毕后都要回到零电平。

- 优点：容易实现，接收端可以根据信号的有无来判断码元的边界。

- 缺点：占用带宽较大，编码效率较低。

非归零码（NRZ）

- 特点：用一种电平表示1，另一种电平表示0，在整个码元期间电平保持不变。

- 优点：编码效率高，相同带宽下能传输更多数据。

- 缺点：没有明确的码元边界，接收端难以确定码元的起始和结束位置，且当出现连续的1或0时，信号直流分量可能会累积，影响传输。

曼彻斯特编码

- 特点：每个码元中间都有一次电平跳变，从高电平跳变到低电平表示1，从低电平跳变到高电平表示0，也可反之。

- 优点：自带时钟信号，无需额外传输时钟信号，能保证收发双方的时钟同步，抗干扰能力较强。

- 缺点：编码效率为50%，需要双倍的带宽来传输相同的数据量。

差分曼彻斯特编码

- 特点：码元中间的跳变仅用于时钟同步，码元开始处有跳变表示0，无跳变表示1。

- 优点：也具有自同步能力，抗干扰能力比曼彻斯特编码更强。

- 缺点：编码规则相对复杂，实现成本较高，编码效率同样为50%。