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title: "02-物理层：比特怎么上路"
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  - 物理层
created: 2026-08-29
tags:
  - 基础与理论
  - 计算机网络
  - "408"
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# 物理层：比特怎么上路

> 逐层展开的第一层。物理层在 408 里是最"轻"的一章——它不解决"发给谁"，只解决**比特流怎么变成信号、在线路上跑得动**。这篇按速览节奏过：几个名词、两条公式、一张介质表，够用即可。

## 一、物理层要解决什么

[[01-计算机网络|概述篇]]说过：分层就是每层只管一件事。物理层管的就是**最底下那一截**：把链路层交来的比特流（0 和 1），转换成电信号/光信号/无线电波，在传输介质上送到对面，再还原回比特。

它不管内容对不对（那是链路层的事），也不管发给谁（那是上层的事），只管**"把 01 原样运过去"**。

> 💡 接口四个特性一句话带过：机械（插头长什么样）、电气（多少伏算 1）、功能（每根线干嘛）、规程（先做什么后做什么）。考试考名词，理解了就忘不掉。

## 二、几个基础名词：码元与比特率

- **模拟信号**：连续（正弦波）；**数字信号**：离散（方波）。电话线时代是模拟，以太网是数字
- **码元（Symbol）**：一个固定时长的信号波形，代表 k 个比特的状态。1 个码元 2 种状态 = 1 比特；4 种状态 = 2 比特；2ⁿ 种 = n 比特
- **波特率**：每秒传多少个码元；**比特率（bps）**：每秒传多少比特

```
比特率 = 波特率 × log₂(每码元的状态数)

例：波特率 1200 Baud，每码元 4 种状态
  → 1200 × log₂4 = 1200 × 2 = 2400 bps
```

## 三、两条天花板公式：奈奎斯特与香农

信道的传输能力有物理上限，两条公式各管一种情况：

| | 奈奎斯特定理 | 香农定理 |
| --- | --- | --- |
| 前提 | **无噪声**理想信道 | **有噪声**信道 |
| 公式 | 极限速率 = 2W·log₂V（V 为码元状态数） | C = W·log₂(1 + S/N) |
| 天花板由谁定 | 码元状态数 | 信噪比 |

S/N 是信噪比，常用分贝表示：dB = 10·lg(S/N)。**30dB = 1000 倍**。

例题（经典）：电话信道带宽 3kHz，信噪比 30dB，最高速率？

```
S/N = 10^(30/10) = 1000
C = 3000 × log₂(1 + 1000) ≈ 3000 × 9.97 ≈ 30 kbps
```

> 🤔 这两条公式是物理世界的"信用卡额度"：无论编码技术多花哨，带宽和信噪比就是额度上限——工程师能做的只是逼近它，不能突破它。这也是"升级到光纤"的本质：换一条额度大得多的信道。

## 四、编码与调制

**编码**：数字数据 → 数字信号；**调制**：数字数据 → 模拟信号（用载波驮着走）。

常见编码方式（一张表记住特征）：

| 编码 | 特征 | 备注 |
| --- | --- | --- |
| 不归零制 NRZ | 1 高 0 低，全程不变 | 简单，但连续同值无法对齐时钟 |
| 归零制 RZ | 每个码元中间回归 0 | 自带时钟，代价是带宽 |
| **曼彻斯特编码** | **每比特中间必跳变**（跳变方向定 0/1） | **传统以太网用**；数据+时钟合一 |
| 差分曼彻斯特 | 看每个比特**开头**有没有跳变 | 抗干扰更好 |

调制三板斧：调幅（改高低）、调频（改疏密）、调相（改相位）——收音机调频 FM 的"调频"就是它。

## 五、传输介质

| 类别 | 介质 | 特点 |
| --- | --- | --- |
| 导向性 | 双绞线（网线） | 便宜，百米级，日常局域网主力 |
| 导向性 | 同轴电缆 | 抗干扰好，老有线电视/早期以太网 |
| 导向性 | **光纤** | 光脉冲传输：单模（贵、远、激光）、多模（便宜、近、LED）；长距离主干全靠它 |
| 非导向 | 无线电/微波/红外 | 免布线，衰减与干扰是代价 |

## 六、信道复用：一条路走多队车

一条贵贵的线路只跑一路信号太浪费，于是"复用"——把多条信道塞进一条物理线路：

| 复用 | 思路 | 类比 |
| --- | --- | --- |
| FDM 频分 | 不同频段各跑各的 | FM 电台各占一个频率 |
| TDM 时分 | 时间片轮着用 | 会议室排班表 |
| STDM 统计时分 | 谁有数据谁用时隙 | 排班表改成叫号 |
| WDM 波分 | 光的频分复用 | 一根光纤跑多种颜色的光 |
| CDMA 码分 | 同频同时，靠正交码区分 | 同一房间各国人各说各的语言 |

## 七、交换方式：电路交换 vs 分组交换

数据要跨多段线路才能到，中间节点怎么转发？

- **电路交换**：先建一条**独占**的端到端通路再通话（打电话：拨号→占线→通话→挂断）。时延小、但线路利用率低——没人说话时线路也白占
- **报文交换**：整个报文一站一站存储转发，不占专线。但报文太大，中间节点要整个收完才能转
- **分组交换**：把报文**切成小分组**，各分组独立选路存储转发。互联网选的就是它——线路利用率高、出错只重传一小块、可并行走不同路

> 💡 存储 = 收完先存下，转发 = 再发去下一站。分组交换的代价是排队时延和偶尔丢包（缓存满了），这份"不完美"换来了互联网的健壮与扩展性。

## 八、物理层设备：中继器与集线器

- **中继器（Repeater）**：信号衰减了就放大整形再来一次，纯粹"续命"
- **集线器（Hub）**：多端口中继器。但它**没有任何智能**——从一个口收到的数据向**所有口广播**，所有端口共享带宽、同处一个**冲突域**（大家一起抢一条路，撞车频发）

集线器的这些问题，正是下一篇链路层要请出**交换机**来解决的伏笔。

## 九、盲点自测

1. **物理层只管什么？** ——把比特流变成信号在介质上传输并还原，不管对错、不管路由。
2. **波特率和比特率怎么换算？** ——比特率 = 波特率 × log₂(码元状态数)；1 码元 4 态就顶 2 比特。
3. **奈氏和香农各管什么？** ——奈氏管无噪声（受码元状态数限制），香农管有噪声（受信噪比限制），实际取两者较小值。
4. **曼彻斯特编码为什么赢在以太网？** ——每比特中间必跳变，数据和时钟信号合一，接收方不会"数错拍子"。
5. **电路交换和分组交换的根本区别？** ——先占独占通路 vs 切小分组存储转发；后者利用率高、健壮，是互联网的选择。
6. **集线器的问题是什么？** ——无脑广播 + 所有端口共享带宽 + 同一冲突域，撞车全靠大家自觉。

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