物理层

本章介绍五层模型的最底层「物理层」的基本知识。由于计算机网络的五层模型其实和物理传输无关，因此还会补充「通信」相关的知识。

物理层基本概念

物理层主要编码数据链路层传来的数据。

数据通信基础

码元。一个信号波形的最小表示单位。一个码元最少需要 1 个比特位来表示，那么使用 m 个比特位表示的码元就有 \(2^m\) 种状态，这类码元也被称为 \(2^m\) 进制码元。码元的传播速度（调制速度）叫做波特率 (baud, B)，比特的传播速度叫做比特率 (S, bps)，显然就有 \(S=B\cdot \log_2 k\)，\(k\) 为码元的进制。

带宽与网速。带宽即传输介质能够传输信号的频率范围，单位为 Hz，本质就是电磁波每秒的振动次数；网速就是传输介质每秒传输的数据量，单位为 bps。

网速上限。在带宽为 \(B\) Hz 的信道中：

奈奎斯特 (Nyquist) 定理指出，若信道无噪声，则最大数据传输速率 \(R_{\max}=2\cdot B \cdot\log_2k\ (\text{bps})\)；
香农 (Shannon) 定理指出，若信道的信噪比为 \(S/N\)，则最大数据传输速率 \(R_{\max}=B \cdot\log_2{(1+S/N)}\ (\text{bps})\)。

注：使用分贝 (dB) 来表示信噪比时，需要做转换：\(10\cdot \log_{10}S/N\ (\text{dB})\)。

数据传输介质

引导性介质、非引导性介质。

多路复用技术

为了让多用户同时使用一个传输信道而不互相干扰，需要设计一些规则让多个信号在同一个信道上进行传输。

复用策略有很多，比如：频分复用、时分复用、波分复用和码分复用，前两者很容易理解，一个是同一个时刻不同的频率、一个是不同时刻不同信号，如下两图所示：


频分复用	时分复用

波分复用就是光的频分复用，不再赘述。重点介绍码分复用。

码分复用。码分复用就是给每一个终端定义一个 \(m\) 位的码元，记作 \(x\)，假设 \(x\) 表示二进制的 \(0\)，那么 \(\overline x\) 就表示二进制的 \(1\)，为了提升数学性质，将二进制中的 \(0\) 用 \(-1\) 代替，且严格遵守以下三个约束：

不同终端的码元是正交的（规格化内积为 \(0\)）；
同一个终端相同表示的内积为 \(1\)，相反表示的内积为 \(-1\)；

数字传输系统

美国贝尔实验室于 1985 首先提出同步光纤网 (Synchronous Optical Network, SONET) 概念。1988 年 ITU-T 接受了 SONET 的概念，并在其基础上制定了同步数字体系 (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) 标准，从而统一了国际通信传输速率和接口标准体制，使之不仅仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输，成为通用性标准。

宽带接入技术

所谓宽带接入，就是让终端用户可以连接到互联网。主要有两类接入技术：有线接入和无线接入。

有线接入：

非对称数字用户线 (ADSL) 技术；
光纤同轴混合网 (HPC) 技术；
光纤到 x (FFTx) 技术。

无线接入：

WiFi 技术；
移动蜂窝技术。