在湖南科技大学的《计算机网络》微课堂中，我们继续深入探索网络体系结构的基础。本次笔记聚焦于物理层，它是整个计算机网络实现实体连接和数据传输的物理基础，堪称连接数字世界的基石。
一、物理层的核心角色与任务
物理层位于OSI参考模型和TCP/IP模型的最底层，其主要任务是透明地传输比特流。这里的“透明”意味着对上层（数据链路层）而言，物理媒介如同不存在，它只需关心如何将0和1的比特序列从一台机器的物理接口，通过传输介质，可靠地传送到另一台机器的物理接口。其核心功能包括：
- 定义物理特性：规定接口的机械、电气、功能和规程特性。例如，连接器的形状、引脚数量、电压范围、信号线功能定义（如哪根线发送、哪根线接收）以及建立、维持、断开连接的步骤。
- 比特的表示与同步：确定用何种信号（如电压高低、光脉冲有无、载波频率相位变化）来表示二进制的“0”和“1”，并解决发送方与接收方的时钟同步问题。
- 数据传输模式：管理数据是单向（单工）、双向交替（半双工）还是双向同时（全双工）传输。
- 链路管理：对于面向连接的服务，负责物理链路的建立、维持和释放。
二、核心概念与技术解析
1. 数据通信系统模型
一个典型的数据通信系统包含三大部分：源系统（发送端）、传输系统（网络） 和 目的系统（接收端）。源系统将数字比特流转换为适合在特定介质上传输的信号，传输系统可能包含复杂的交换网络，目的系统则执行相反的信号还原过程。
2. 信道与信号
- 信道：信号的传输通路，可分为传送数字信号的数字信道和传送模拟信号的模拟信道。
- 信号：数据的电气或电磁表现。分为：
- 模拟信号（连续信号）：参数（如幅度）连续变化，传统电话网络使用。
- 数字信号（离散信号）：参数取值离散，计算机内部及现代高速网络主要使用。
3. 调制、编码与多路复用
- 调制与编码：为了在模拟信道（如电话线）上传输数字数据，需要进行调制（如ASK、FSK、PSK）；为了在数字信道（如以太网）上直接传输，则进行编码（如曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码），编码同时解决了时钟同步问题。
- 多路复用：为了高效利用昂贵的长途干线，物理层采用多路复用技术将多个低速信道合并到一个高速信道上传输。主要技术有：
- 频分复用（FDM）：按频率划分，如无线电广播、有线电视。
- 时分复用（TDM）：按时间片划分，如传统的PCM电话系统。
- 波分复用（WDM）：光的频分复用，用于光纤通信。
- 码分复用（CDM/CDMA）：按编码区分，广泛应用于3G移动通信。
4. 传输介质
物理层的实现离不开具体的传输媒介，主要分为两大类：
- 有线介质：
- 双绞线：最常用，价格低廉，抗干扰能力随绞合度提高而增强（如CAT5e、CAT6）。
- 同轴电缆：带宽较宽，曾用于有线电视和早期以太网。
- 光纤：利用光脉冲传输，具有极高的带宽、极低的衰减和抗电磁干扰能力，是现代骨干网络的核心。
- 无线介质：通过自由空间传播电磁波，包括无线电波、微波、红外线、可见光（Li-Fi）等，提供了移动性和灵活性。
5. 物理层设备
- 中继器（Repeater）：对衰减的信号进行再生放大，以延长传输距离。工作在物理层，仅连接同类网络。
- 集线器（Hub）：本质是多端口的中继器。它将收到的信号放大后向所有端口广播，因此所有设备共享带宽，属于一个冲突域。
三、与前沿视角
物理层作为网络的物理基础，其技术直接决定了网络的速率、距离和可靠性。从早期的电话调制解调器（Modem）到如今的万兆光纤、5G/6G无线通信，物理层技术的每一次突破都极大地推动了计算机网络的发展。
在当今的计算机网络科技前沿，物理层的研究正朝着更高速度（如太比特以太网）、更低功耗、更智能（软件定义无线电）、更融合（光与无线融合）以及面向特定场景（如物联网、工业互联网）的方向演进。理解物理层，就是理解信息如何从“这里”的比特，变成“那里”的比特的根本过程，是深入学习网络高层的坚实起点。
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本笔记基于湖南科技大学《计算机网络》课程内容整理，旨在梳理物理层核心知识框架。后续笔记将深入数据链路层，探讨如何在物理连接之上实现可靠的数据帧传输。
