七、物理层篇

计算机网络中的物理层，最主要解决的问题是：如何在各种传输媒体上传输比特0和1的问题。

以我们平时上网为例：

有线上网：我们用了一根网线来连接电脑和网口，传输的媒介是网线（双绞线），电（如果是双绞线）或光（如果是光纤）是信息的载体。
无线上网：我们使用WIFI或者移动网络。WiFi 的方式用的是一定频率（目前是 2.4 Ghz 或 5 Ghz）的无线电波（作为信息的载体），属于电磁波。

上面就提到了现在很主流的一些传输媒体：双绞线、光纤以及微波通信。在计算机网络中，物理层的学习主要是偏向于基础概念的学习，而不用去关心具体的传输协议。

一、计算机世界为什么只有0或1

我们说了，物理层的主要解决的问题是如何在各种传输媒体上传输比特0和1，那是否思考过为什么只有0和1呢？然后不应该有2、3、4、5等等吗？

这是因为区分不同的电信号是很困难的。

对于一个在 0 V 到 5 V 之间的电信号，要区分到底它是比较接近 0 V 还是 5 V，是很容易的。

然而，如果要我们区分这个电信号到底是接近 0 V、1 V、2 V、3 V、4 V 还是 5 V 的话，就不那么容易了。特别是外界有磁场干扰的时候（比如磁铁），电信号的大小就会被改变。

此外，计算机中的许多元件都可以呈现两种状态，分别用 0 和 1 来表示，用来计算或储存数据。例如，磁盘未磁化的部分可以表示为 0，磁化的部分表示为 1，许多个这样的 0 和 1 就组成了二进制数据；半导体通电表示为 1，不通电表示为 0，CPU 等半导体芯片就是这样运算的。

用二进制的优点是容易表示，运算规则简单，节省设备。具有两种稳定状态的元件（如晶体管的导通和截止、继电器的接通和断开、电脉冲电平的高低等）容易找到，而要找到具有 10 种稳定状态的元件来对应十进制的 10 个数就困难了。

总结而言就是：区分、生成 2 个信号比区分、生成 5 个，10 个甚至更多的信号要容易得多。

二、物理层下的传输媒体

注意，传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层，如果非要将其添加到计算机网络体系结构中的话，那么只能放在物理层之下。

传输媒体分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。其中导引型传输媒体主要有：同轴电缆、双绞线、光纤等；非导引型传输媒体主要有：无线电波、微波、红外线、可见光等。

我们着重关注导引型传输媒体，非导引型传输媒体了解基本知识即可。

三、同轴电缆

可以看到，同轴电缆的最里面是一根“数据线”（内层导体），0 和 1 这样的电信号就是靠这根数据线来传输的。而外层网状导体是为了提供一个 0 V 的参考电信号。我们对内层导体和外层网状导体做一个“电位差”来获得我们的电信号。

同轴电缆已经成为历史，原因如下：

一是体积大，细缆的直径就有3/8英寸粗，要占用电缆管道的大量空间；
二是不能承受缠结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆结构，阻止信号的传输；
最后就是成本高，而所有这些缺点正是双绞线能克服的

因此在现在的局域网环境中，基本已被基于双绞线所取代。

四、双绞线

可以看到，双绞线里面有8根线。这 8 根线，两两绞在一起，成双成对，这也是其名字的由来：双绞线。

今天在大多数网络中，我们用两对线，也就是 4 根线。一对是用于发送数据，另一对则用于接收数据。因此，我们用到这 8 根线当中的 4 根。

既然四根线够了为什么还要八根线呢？

目前也已经有一些技术，可以用到双绞线中多于 4 根的线。因此可以说，当初在双绞线里面“塞进” 8 根线是明智之举。

那为什么要把这些线两两绞在一起呢？

其实这是为了更好地保护电信号。科学家研究表明，把线这样两两绞在一起，可以使线缆更不易受到电磁干扰。

双绞线目前被用在很多地方，是目前使用最广泛的实体网线，网线界的“一哥”。主要是因为双绞线很牢固，传输速率快，价格也不贵，而且安装很方便。这些优点都是它能替代以前的同轴电缆的重要原因。

五、光纤

光纤是一种由石英或塑料制成的纤维，所以使用光纤通信的成本比同轴电缆等要低很多。铺设 1000 公里的同轴电缆大约需要 500 吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英（主要成分是二氧化硅），几乎取之不尽。

光纤的优点：

通信容量大（25000~30000GHz的带宽）
传输损耗小，远距离传输时更加经济
抗雷电和电磁干扰性能好，这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
无串音干扰，保密性好，不易被窃听
体积小，重量轻

当然了也有缺点：

割接需要专用设备
光电接口价格较贵

光纤的原理是什么？这涉及我们熟知的光的全反射原理，让我们重温下初中物理吧。

光纤采取这种结构，最里面是高折射率材料，外面包层是低折射率材料，当光从高折射率的媒体射向低折射率媒体时，其折射角将大于入射角。

因此，当入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。

这样，光就可以沿着纤芯靠全反射向前传播了。只要角度大于临界角，都是可以实现全反射的，因此可以存在许多条不同角度入射的光纤在同一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。

由于光的色散问题，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽）：

因此，多模光纤只适合近距离传输。多模光纤对光源的要求不高，可以使用便宜的发光二极管来发送脉冲，相应地使用光电二极管检测光脉冲。

若光纤的直径减少到只有一个光的波长时，则光纤就像一根波导一样，它可使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射。

这样的光纤称为单模光纤，在单模光纤中色散小，适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高，需要使用昂贵的激光发射器发送和激光检波器来接受。

六、双绞线VS光纤

我们知道光纤传输距离长、损耗小，为啥我们的生活里跟双绞线或者说网线打交道最多呢？

如果用光纤来连接电脑和网络盒子，那么匹配的所有接口必须是光卡口，即使在网络这么发达的今天，一个光口网卡的平均价格要比用双绞线的千兆网卡贵很多，将近 10 倍。

其次，目前一条几米的光纤的价格还是比同样长度的双绞线要贵 1 倍左右。

再者，光纤的信号传输载体是玻璃芯，即使光缆外面有外套保护，可以增加光纤的抗折性，都不能突破走直角的瓶颈。家装布线中，墙面和地面间的直角、墙面和网线面板之间的直角等，很可能造成线芯的损坏，网络不能正常使用，而双绞线却能轻松胜任。

所以我们在家庭中能看到光纤的就是跟猫相连的地方了，从猫到路由器，或者路由器到电脑就看不到它的身影了。光纤是在大公司或者很长的主干网络里使用的，因为往往需要很高的通信带宽或者很强的抗电磁干扰能力。

七、非导引型传输媒体

我们可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息，可以用来信息传输的范围如下：

我们经常使用的WIFI信号，属于哪个范围呢？答案是微波。

这里我们只需要了解有无线电波、微波、红外、可见光等频段即可，基本原理不是计算机网络的重点，不展开说明。

八、传输方式

这里说下单工、半双工和全双工。

单工（Simplex）：数据传输是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，另一方则固定为接收端，数据只能沿一个方向传输，类似汽车的单行道。
半双工（Half Duplex）：数据传输是双向的。数据在通信双方之间能够在两个方向上进行发送，但不能同时发送，因此又被称为双向交替通信。无线对讲机就是一种半双工设备，在同一时间内只允许一方讲话：“长江，长江，我是黄河，收到请回答，完毕”；“黄河，黄河，我是长江，已经收到，完毕”。
全双工（Full Duplex）：数据传输是双向的，通信双方在发送数据的同时也能够接收数据，两者可以同步进行，类似汽车的双向车道。目前我们打电话，以及手机的通话，都是全双工的例子。

九、编码与调制

在计算机网络中，计算机处理、传输用户的文字，图片，音视频，我们将之统称为消息（message），数据（data）是运输消息的实体，我们日常使用的是十进制数据，但计算机只能识别二进制数据，也就是比特的0和1。计算机网卡将比特0和1处理为相应的高低电平信号（signal）发送到网线，也就是说，信号(signal)是数据(data)的电磁表现。

由信号源发出的原始电信号称为基带信号，基带信号分为两类：计算机内部内存和CPU之间的数字基带信号，麦克风收到声音后产生的音频模拟基带信号。信号需要在信道中进行传输，信道分为数字信道和模拟信道两种。

对数字基带信号进行编码与调制：

在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码，编码后仍是数字编码，例如以太网使用曼彻斯编码、4B/5B8B/10B等编码。

把数字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，称之为调制。调制后产生的信号是模拟信号。例如WIFI使用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方法。

对模拟基带信号进行编码与调制：

对于模拟基带信号的处理，典型应用：对音频信号进行编码的脉码调制PCM。也就是将模拟音频信号，通过采样，量化，编码这三个步骤进行数字化。

对模拟信号进行调制的典型应用：语音数据加载到模拟的载波信号中传输（电话）。频分复用FDM技术，充分利用带宽资源。