網(wǎng)絡(luò)協(xié)議最底層是物理層(Physical layer)摔认，該層關(guān)注的是單個比特在物理信道上的傳輸烤镐。傳輸信道分為三類：有線(銅線和光纖)乍构、無線(wireless)和衛(wèi)星(satellite)绰精。傳輸信號在信道上真正傳輸并不是數(shù)字比特0和1哑诊，而是通過電壓變化群扶、有無光照、電磁波頻率跳動等來模擬信號镀裤，而數(shù)字調(diào)至解調(diào)技術(shù)就是主要解決如何把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字比特以及將數(shù)字比特還原成模擬信號竞阐。
數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)
改變諸如電壓或電流等某種物理特性的方法可用來在電線上傳輸信息。如果用一個以時間t為自變量的單值函數(shù)f(t)來表示電壓或電流的值暑劝，就可以對信號行為進行建模骆莹，并用數(shù)學手段進行分析。
傅里葉分析
任何一個行為合理周期為T的周期g(t)担猛，都可以表示成用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)組成的無窮級數(shù)：
fourier.jpg
簡單理解為：傅里葉變換, 就是在用一種特殊的正交基(正交函數(shù))在對原函數(shù)做線性變換幕垦。無窮個正弦波疊加丢氢，最終會疊加成一個標準的矩形，有一個n維向量a, 我們總可以找到一組n維正交基e1 e2 e3...en等分量, 使得
a = c1 e1 + c2 e2 + c3 e3 + ........................cn en先改。
這樣就可以通過頻率的疊加來表示矩形疚察，從而矩形的上下分別表示比特里的1和0，重復的矩形來表示時鐘盏道。
傅里葉分析與數(shù)據(jù)通信的關(guān)聯(lián)在于實際信道對不同頻率信號有不同的影響稍浆。所有的傳輸設(shè)施在傳輸過程中都要損失一些能量，如果所有的頻率分量都等量衰減猜嘱，則結(jié)果信號將會在振幅上有所減少衅枫，但不會變形，模擬信號還是可以準確的轉(zhuǎn)化為數(shù)字比特朗伶。但是所有的傳輸設(shè)施對于不同分量的衰減程度并不相同弦撩，從而導致接收端接受到的結(jié)果信號發(fā)生變形，這樣在轉(zhuǎn)化為數(shù)字比特時0被認為是1论皆，1被認為是0益楼，這是不能容忍的。一般情況下對導線而言点晴，在0到某個頻率f HZ的這段范圍內(nèi)感凤，振幅在傳輸過程中變化衰減，而在頻率f HZ只上的所有頻率振幅都將有不同程度的減弱粒督，0-f HZ這段在傳輸過程中振幅變化明顯減弱的頻率(HZ,為了紀念赫茲)寬度就稱為帶寬(bandwidth)陪竿。實際上，截止頻率并沒有那么尖銳屠橄，首頁通常引用的帶寬是指從0到使得接收能量保留一半的那個頻率位置族跛。
信道的最大數(shù)據(jù)速率
由于系統(tǒng)中分子的運動，隨機熱噪聲總是存在的信號功率S與噪聲功率N的比值稱為信噪比S/N锐墙。香農(nóng)理論：對于一條帶寬為B HZ礁哄、噪聲比是S/N的有噪聲信道：
最大比特率=B log2 (1+S/N)
也就是說信道的傳輸能力是有限的。例如：在普通電話線上提供訪問Internet的ADSL使用了大約1MHZ的帶寬溪北，線路上信噪比的程度取決于住宅和電話交換局之間的距離桐绒，對于1~2千米的短距離來說40分貝的信噪比算是很好的狀況了。正是因為電話線具有這樣的特性刻盐，因此無論采用多少個信號等級掏膏，也不管采樣頻率多快或多慢，永遠也不可能在該信道上獲得高于13Mbps(bit/s)的數(shù)據(jù)率敦锌。
傳輸介質(zhì)
物理層的作用是將比特從一臺機器傳輸?shù)搅硪慌_機器馒疹。每種傳輸介質(zhì)都有獨特的性質(zhì)，體現(xiàn)在帶寬乙墙、延遲颖变、成本以及安裝和維護難易程度上的不同生均。大致上可以將介質(zhì)分為引導性介質(zhì)(有線介質(zhì)，比如銅線和光纖)和非引導性介質(zhì)(無線介質(zhì)腥刹，比如無線電马胧、衛(wèi)星和激光)兩大類。
常用有線介質(zhì)
雙絞線(twisted pair)
一種最老但至今常用的傳輸介質(zhì)是雙絞線衔峰，由兩根相互絕緣的銅線組成佩脊，銅線直徑大約1mm。兩根銅線以類似DNA分子鏈的螺旋狀的形式緊緊絞合在一起垫卤，兩根平行的先會構(gòu)成一個很好的天線威彰，不同電線產(chǎn)生的干擾會相互抵消，從而能顯著降低電線的輻射穴肘。信號通常以兩根電線的電壓差來承載歇盼。
雙絞線既可以用于傳輸模擬信號，也可以用于傳輸數(shù)字信號评抚。最常用的應(yīng)用是電話系統(tǒng)豹缀。打有線電話和ADSL接入Internet都發(fā)生在這些雙絞線上。
光纖
光纖主要用于網(wǎng)絡(luò)骨干的長途傳輸慨代、高速局域網(wǎng)以及高速Internet接入邢笙，比如現(xiàn)在已經(jīng)比較常見的光纖到戶(FttH, Fiber to the Home)。光纖傳輸系統(tǒng)由三個關(guān)鍵部件構(gòu)成：光源侍匙、傳輸介質(zhì)和探測器鸣剪。按照慣例，一個光脈沖表示比特1丈积，沒有光脈沖表示比特0，傳輸介質(zhì)是超薄玻璃纖維债鸡。光探測器探測到光時產(chǎn)生一個電脈沖江滨，光纖接受到電子信號時將其轉(zhuǎn)換成光脈沖并傳輸出去，然后在另一端把光脈沖轉(zhuǎn)換回電子信號輸出給接收端厌均。
原理：全反射唬滑，光由光密（即光在其中傳播速度較小的）媒質(zhì)射到光疏（即光在其中傳播速度較大的）媒質(zhì)的界面時，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象棺弊。當光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時晶密，折射角將大于入射角。當入射角增大到某一數(shù)值時模她，折射角將達到90°稻艰，這時在光疏介質(zhì)中將不出現(xiàn)折射光線，只要入射角大于上述數(shù)值時侈净，均不再存在折射現(xiàn)象尊勿，這就是全反射僧凤。所以產(chǎn)生全反射的條件是：①光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)．②入射角必須大于臨界角。著名的實驗是丁達爾做的光隨水彎曲的實驗元扔。這種光源可以傳播幾千米而事實上沒有損失躯保。
分類：由于任何入射角度大于臨界值的光束都會在內(nèi)部反射，所以許多不同的光束以不同的角度來回反射著向前傳播澎语，每一束光都有不同的模式途事，這樣的光纖稱為多模光纖(multi-mode fiber)；然而擅羞，如果光纖的直徑減少到只有幾個光波波長大小的時候尸变，則光波就如同一個波導，光只能按直線傳播而不會反射祟滴，從而形成單模光纖(single-mode fiber)振惰。單模光纖比較昂貴，廣泛用于長距離傳輸垄懂，目前可用的單模光纖可以100 Gbps的速率傳輸數(shù)據(jù)到100 KM遠而不用放大器骑晶。
通常用作信號源的有發(fā)光二極管(LED, Light Emitting Diodes)和半導體激光兩種。光纖的接收端是一個光電二極管草慧。當遇到光照時桶蛔，光電二極管就發(fā)出一個電脈沖，其響應(yīng)時間即把光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖所需要的時間漫谷，限制了數(shù)據(jù)傳輸率在100 Gbps左右仔雷。
光纖相比銅線的優(yōu)點
- 光纖比銅線能夠處理更高的帶寬.
- 光纖具有較低的衰減，所以在較長的線路上舔示，大約每50 KM才需要一個中繼器碟婆；銅線大約每5 KM就需要一個中繼器.
- 光纖不受電源浪涌、電磁干擾惕稻、電源故障竖共、空氣中腐蝕性化學物質(zhì)侵蝕等影響.
- 光纖細小且重量較輕.
- 光纖不會漏光镊叁，不易被接入脖镀，這些特性使得光纖很難被搭線竊聽，安全性高.
無線介質(zhì)
當電子運動時會產(chǎn)生電磁波洋措，電磁波可在空中傳播蜘渣。當一個大小適中的天線被連接到一個電路上淌铐，電磁波就可以有效地被廣播出去，在一定距離內(nèi)的接受者能收到該電磁波蔫缸。所有的無線通信都是基于這樣的原理實現(xiàn)的腿准。
無線電傳輸
無線電波的特性與頻率有關(guān)。在低頻部分捂龄，無線電波能夠很好地穿透障礙物释涛，但隨著離信號源越來越遠加叁，其能量急劇下降，主要用于3G/4G移動電話網(wǎng)絡(luò)唇撬；在高頻部分它匕，無線電傾向于以直線傳播，遇到障礙物會反彈回來窖认，也更容易被水和其他障礙物吸收豫柬，主要用于無線局域網(wǎng)：802.11-WiFi。
微波傳輸
最初運營商大多使用低頻段的無線來傳輸信號扑浸，隨著時間的推移烧给，使用的低頻無線譜已經(jīng)變得越來越擁擠。對于頻段越來越多的需求驅(qū)使運營商們開始向高頻發(fā)展喝噪，現(xiàn)在使用的頻段已經(jīng)擴展到了10 GHZ础嫡，但是到了4 GHZ，微波被水吸收了酝惧。這個現(xiàn)象造就現(xiàn)在我們常見的微波爐等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展榴鼎。
紅外傳輸
電視機、空調(diào)的遙控器都采用紅外線通信晚唇，紅外線傳播具有方向性巫财，并且不能穿透固體墻壁。
通信衛(wèi)星和地球同步衛(wèi)星等
數(shù)字調(diào)制
模擬信號可表示成諸如連續(xù)變化的電壓哩陕、光照強度或頻率平项，數(shù)字比特用0和1來表示。為了發(fā)送數(shù)字信號悍及，我們必須設(shè)法用模擬信號來表示比特闽瓢。比特和代表它們的信號之間的轉(zhuǎn)換過程稱為數(shù)字調(diào)制(digital modulation)。
柱子調(diào)制的最直接形式是用正電壓表示1心赶，用負電壓表示0鸳粉。對于光線而言，可用光的存在表示1园担，沒有光表示0。
但是有個問題是：接收器必須知道何時一個符號的結(jié)束和下一個符號的開始枯夜，尤其是遇到連續(xù)的0或1弯汰，才能對信號進行正確采樣。比如15個0看起來很像16個0湖雹，經(jīng)過一段時間后咏闪，接收器很難區(qū)分出各個比特，精確的時鐘有助于解決這個問題摔吏，但在許多Mbps速率運行的鏈路上計時比特鸽嫂，因此時鐘的漂移應(yīng)該比最長允許運行的微妙零頭還要小纵装，這樣的時鐘漂移對慢速鏈路或短消息可能是合理的，但它顯然不是一個通用的解決方案据某。
物理層上解決的第一個也是最重要的問題就是如何區(qū)分每一符號的開始和結(jié)束橡娄，也就是時鐘恢復問題。
曼切斯特(Manchester)編碼
0和1交替重復的信號為時鐘信號癣籽，時鐘在每個比特時間內(nèi)產(chǎn)生一次跳變挽唉，以兩倍數(shù)據(jù)比特率的速度運行。方法是把數(shù)據(jù)信號(Data)和時鐘信號(Clock)異或(NOR)混合在一起筷狼。當時鐘和0電壓異或時瓶籽，會產(chǎn)生一次“從低到高”的信號跳變來表示邏輯0；當時鐘和1電壓異或時埂材，會產(chǎn)生一次“從高到低”的相反跳變來表示邏輯1塑顺。曼切斯特編碼主要用在經(jīng)典以太網(wǎng)上。
不歸零逆轉(zhuǎn)(NRZI, Non-Return-to-Zero Inverted)
曼切斯特編碼的主要缺點是由于時鐘信號在每個比特時間內(nèi)會產(chǎn)生一次跳變俏险，總體上就需要兩倍于數(shù)據(jù)信號的帶寬严拒。而不歸零逆轉(zhuǎn)編碼定義為：1定義為信號有跳變，反之0定義為信號無跳變」押龋現(xiàn)在連接計算機外設(shè)的USB(Universal Serial Bus)標準就采用了該編碼模式糙俗。
當然還需要解決一長串的0。解決這個問題的著名編碼方式是4B/5B映射轉(zhuǎn)換表预鬓。每4個比特被映射成一個5比特模式巧骚，使得映射結(jié)果永遠不會出現(xiàn)連續(xù)三個0。
多路復用(multiplexing)
為了最大化利用資源格二，信道通常被多個信號共享劈彪。
頻分復用(FDM, Frequency Division Multiplexing)
將頻譜分成幾個頻段，每個用戶完全擁有其中的一個頻段來發(fā)送自己的信號顶猜。相鄰頻段之間的頻譜間隔足夠大沧奴，稱為保護帶，用來防止干擾长窄。而更有效的正交頻分復用算法則不需要保護帶滔吠，其信道帶寬被分成許多獨立發(fā)送數(shù)據(jù)的子載波，每個子載波的頻率響應(yīng)被設(shè)計成在相鄰子載波的中心為零挠日。正交頻分復用已經(jīng)被廣泛用于WiFi-802.11和4G疮绷。
時分復用(TDM, Time Division Multiplexing)
在這種方式下，每個用戶獲得固定的時間槽嚣潜，以循環(huán)的方式輪流工作冬骚。其廣泛用于電話蜂窩系統(tǒng)。
碼分復用(CDM, Code Dicision Multiplexing)
其算法是非常精妙的。主要用于某些蜂窩網(wǎng)絡(luò)只冻、衛(wèi)星通信和有線電視庇麦。
場景分析：在一個機場候機大廳，許多人正在兩兩交談喜德。FDM相當于以不同語調(diào)交談山橄，有的人語調(diào)高，有的人語調(diào)低住诸，所有的人可同時進行并相互獨立驾胆；TDM可以以任何方式順序交談；CDM相當于每對交談?wù)咭圆煌恼Z言進行交談贱呐，不限制語調(diào)高低丧诺，用漢語交談的人會接受其他使用漢語說話的信息，并且把所有沒有用漢語交談的內(nèi)容都當做噪聲過濾掉奄薇。
CDM的關(guān)鍵在于：能夠提取出期望的信號驳阎，同時拒絕所有其他的信號，把這些信號當做噪聲馁蒂。
工作原理：每個比特時間被再細分成m個更短的時間間隔碼片呵晚，通常情況下，每個比特被分成64或128個碼片沫屡。每個站被分配得到唯一的m位碼的碼片序列饵隙，表示發(fā)送比特1，碼片序列的反碼表示發(fā)送比特0沮脖。所有的碼片序列都是精心挑選出來的金矛，它們兩兩相交，意味著任何兩個不同的碼片序列S和T的歸一化內(nèi)積S·T=0勺届，利用Walsh碼可以產(chǎn)生這樣的正交碼片序列驶俊。如果S·T=0，則(-S)·(-T)=0免姿，S·S=1饼酿。(-S)表示S的反碼，實際上的表示是S上面有一條橫線胚膊，而不是左邊故俐。
以8個碼片為例：站A分配得到的碼片序列是A=(-1-1-1+1+1-1+1+1)表示比特1，而發(fā)送(-A)=(+1+1+1-1-1+1-1-1)表示比特0∥赏瘢現(xiàn)在顯示4個站的碼片序列：
A=(-1-1-1+1+1-1+1+1)
B=(-1-1+1-1+1+1+1-1)
C=(-1+1-1+1+1+1-1-1)
D=(-1+1-1-1-1-1+1-1)
在一個信道內(nèi)的6個傳輸實例：
S1=C =(-1+1-1+1+1+1-1-1)
S2=B+(-C) =(-2 0 0 0+2+2 0-2)
S3=A+(-B) =( 0 0-2+2 0-2 0+2)
S4=A+(-B)+C =(-1+1-3+3+1-1-1+1)
S5=A+B+C+D =(-4 0-2 0+2 0+2-2)
S6=A+B+(-C)+D=(-2-2 0-2 0-2+4 0)
站C信號的恢復：
S1·C=[1+1-1+1+1+1-1-1]/8=1
S2·C=[2+0+0+0+2+2+0+2]/8=1
S3·C=[0+0+2+2+0-2+0-2]/8=0
S4·C=[1+1+3+3+1-1+1-1]/8=1
S5·C=[4+0+2+0+2+0-2+2]/8=1
S6·C=[2-2+0-2+0-2-4+0]/8=-1
為了恢復出某個特定站的比特流购披，接收方就必須預先知道這個站的碼片序列。下面是數(shù)學分析：
在同一個信道內(nèi)肩榕，站A傳輸比特1，站B傳輸比特0，站C傳輸比特1株汉。接受方看到的和值S=A+(-B)+C筐乳，然后計算：
S·C=(A-B+C)·C=A·C-B·C+C·C=0+0+1=1
因為所有的碼片序列兩兩相交，故站C和其他站的內(nèi)積一定是0乔妈。
原則上蝙云，給定足夠的計算力，只要接收方并發(fā)地每個發(fā)送方運行相應(yīng)的解碼算法路召，就可以一次收聽到所有發(fā)送方發(fā)出的信息勃刨。
交換(switch)
電路交換(circuit switching)
當你的計算機發(fā)出一個電話呼叫時，電話系統(tǒng)的交換設(shè)備會全力以赴尋找一條從你電話通向接收方電話的物理路徑股淡，稱為電路交換身隐。其特點是發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要建立一條端到端的路徑連接，一旦連接建立就預留了從發(fā)送方到接收端一路上的帶寬資源唯灵，所有的數(shù)據(jù)將走相同的路徑贾铝，讓所有的數(shù)據(jù)遵循同樣的路徑意味著它們到達接收端的秩序不可能出現(xiàn)混亂，可以保證服務(wù)的質(zhì)量埠帕。但如果雙方建立連接垢揩，卻沒有流量通過這條電路，其帶寬就會被浪費敛瓷。我們打電話時就是使用的電路交換叁巨，接收方必須確認雙方才能建立連接開始通話。
包交換(package switching)
路由器使用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)的包交換技術(shù)呐籽。在數(shù)據(jù)包交換中锋勺，數(shù)據(jù)包盡可能快的被發(fā)出，雙方無需在傳輸數(shù)據(jù)前建立專門的連接路徑绝淡，沒有固定的路徑宙刘，不同的數(shù)據(jù)包可以走不同的路徑，路徑的選擇取決于它們被傳輸時的網(wǎng)絡(luò)狀況牢酵。
因為數(shù)據(jù)包交換中沒有為傳輸數(shù)據(jù)預留帶寬悬包，在帶寬已經(jīng)被占滿的情況下，可能不得不等待一段時間才能被轉(zhuǎn)發(fā)出去馍乙，這樣就引入了排隊延遲(queuing delay)布近，如果許多包要在同一時間被發(fā)送出去還會引入堵塞。
優(yōu)缺點比較：
- 在電路交換中擁塞發(fā)生在建立電路時丝格，而在數(shù)據(jù)包交換中擁塞發(fā)生在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時撑瞧。
- 數(shù)據(jù)包交換不會浪費帶寬，從整個系統(tǒng)角度看其效率更高显蝌，但對于單個用戶來說服務(wù)質(zhì)量會得不到保證预伺。
- 數(shù)據(jù)包交換比電路交換容錯性更好订咸。如果某個交換機出現(xiàn)故障，所有使用它的電路都會被終止酬诀，沒有數(shù)據(jù)能從這些電路上發(fā)送出去脏嚷，而數(shù)據(jù)包交換可以是包繞過死掉的那個交換機。
- 電路交換按距離和時間收費瞒御；數(shù)據(jù)包交換按流量收費父叙。
總結(jié)
物理層做的事情就是如何把比特從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮芊健Ｖ饕墓δ芫褪侨绾握_的區(qū)別每一個比特肴裙，以及通過調(diào)節(jié)載波的振幅趾唱、頻率、相位把信號房在一個通帶上和多路復用等手段來提高物理信道的資源利用率蜻懦。而差錯控制及流量控制的功能主要有其上層來實現(xiàn)甜癞。
