物理层（PHY）

一、物理层的定义

物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。如果您想要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”。

二、物理层的作用

1. 传输比特流（高低电平，1代表高电平，0代表低电平）
2. 连接不同的物理设备

三、物理层接口特性

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性定义标准

1. 机械特性：
   定义物理连接的特性，规定物理连接是所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况

2. 电气特性：
   规定传输二进制位时，线路上的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等

3. 功能特性：
   指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途

4. 规程特性（过程特性）：
   定义各条物理线路的工作规程和时序关系

三、物理层的传输单位

1. 比特（bit）
2. 字节（Byte）：1B = 8b
3. 千字节（KB）： 1KB = 1024B
4. 兆字节（MB）：1MB = 1024KB
5. 吉字节（GB）：1GB = 1024MB

四、定义传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒介为0层。在传输媒体中传输的是信号，但是传输媒体并不知道所传输的信号代表是什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。如果把物理层比如成傻瓜，那么传输媒体就连傻瓜都不如。

• 传输介质可以分为：导向性传输介质和非导向性传输介质

1. 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播
   双绞线：屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线。
   光纤：多模光纤、单模光纤。
   同轴电缆。

2. 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。
   红外线/激光
   微波
   无线电波

五、数据交换

数据交换是指在多个数据终端设备（DTE）之间，为任意两个终端设备建立数据通信临时互连通路的过程。数据交换可以分为：电路交换、报文交换、分组交换和混合交换。

1. 电路交换
   当用户之间要传输数据时，交换中心在用户之间建立一条暂时的数据电路。电路接通后，用户双方便可传输数据，并一直占用到传输完毕拆除电路为止。电路交换引入的时延很小，而且交换机对数据不加处理，因而适合传输实时性强和批量大的数据。
   

2. 报文交换
   一般都是利用计算机实现的。发信端用户首先把要发送的数据编成电文，连同收信地址等辅助数据一起发往本地交换中心，在那里把它们完整地存储起来并作适当处理。当本地交换中心的输出口有空时,就将电文转发到下一个交换中心，最后由收信端的交换中心将电文传递到用户。
   

3. 分组交换
   把数据分割成若干个长度较短（一般不超过 128个字符）的分组，每个分组内除数据信息外还包括控制信息，它们在交换机内作为一个整体进行交换。每个分组在交换网内的传输路径可以不同。分组交换也采用存储转发技术，并进行差错检验、重发、返送响应等操作，最后收信端把接收的全部分组按顺序重新组合成数据。
   

4. 混合交换
   在一个计算机网络中同时采用电路交换和分组交换方式，称为混合交换。混合的方法是将传送信道分为不同的带宽，将一部分带宽分配给电路交换使用，而将另一部分带宽分配给分组交换使用。这里所谓的带宽就是指在一条传输信道上允许传输信息的频带宽度，即能从信道上通过信号的最高频率。

六、物理层设备

1. 中继器
   中继器是工作在物理层上的连接设备。适用于完全相同的两个网络的互连，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。 中继器是对信号进行再生和还原的网络设备

2. 集线器
   集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。

七、数据通信相关术语

1. 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程汇总的存在形式。
   数字信号/离散信号：代表消息参数的取值是离散的
   模拟信号/连续信号：代表消息参数的取值是连续的。

2. 信源：产生和发送数据的源头。

3. 新宿：接收数据的终点。

4. 信道
   信道的基本概念

   • 信道是往一个方向传输信息的媒体
     • 按传输信号分：模拟信道（传输模拟信号）、数字信道（传输数字信号）
     • 按传输介质分：无线信道、有限信道
   • 一条通信信道包含一个接收信道和一个发送信道
     • 单工通信信道、半双工通信信道、全双工通信信道
     • 串行通信、并行通信
     • 同步通信、异步通信

5. 码元

6. 速率

7. 波特

8. 带宽

9. 失真

10. 奈氏准则

11. 香氏定理

12. 基带信号 /宽带信号

13. 编码/调制

14. 编码

    数字数据编码为数字信号

    • 非归零编码（NRZ）
    • 曼彻斯特编码
    • 差分曼彻斯特编码
    • 归零编码（RZ）
    • 反向不归零编码（NRZI）
    • 4B/5B编码

    数字编码调制为模拟信号

    • 调幅（2ASK）
    • 调频（2FSK）
    • 调相（2PSK）
    • 调幅+调相（QAM）

    模拟数据编码为数字信号

    • 抽样
    • 量化
    • 编码
    • PCM脉冲调制

    模拟数据调制为模拟信号

参考文献

数据交换：https://baike.baidu.com/item/数据交换/1586256?fr=aladdin
中继器：https://baike.baidu.com/item/中继器/1867747?fr=aladdin
频分复用：https://baike.baidu.com/item/频分复用/7626706?fr=aladdin