引言
本篇是对计算机网络原理一文中的物理层的详细介绍。
所用教学平台：Cisco Networking Academy
物理层（第1层）
OSI物理层通过网络介质传输构成数据链路层帧的比特（位）。该层从数据链路层接收完整的帧，并将这些帧编码为一系列信号，传输到本地介质上。帧由经过编码的比特（位）构成，这些位可以被终端设备或中间设备接收。
物理层的特征
物理层标准
OSI上层的协议及操作是使用软件工程师和计算机科学家设计的软件来执行的。TCP/IP 协议簇中的服务和协议是由互联网工程任务组（IETF）定义的。
物理层由工程师开发的电子电路、介质和连接器组成。因此，由相关的电气和通信工程组织定义管制该硬件的标准是很合适的。
在物理层标准的制定和维护中涉及许多不同的国际和国家组织、政府监管机构和私营企业。例如，物理层硬件、介质、编码和信令标准由以下组织定义和管理：
国际标准化组织（ISO）
电信工业协会/电子工业协会（TIA/EIA）
国际电信联盟（ITU）
美国国家标准学会（ANSI）
电气电子工程师协会（IEEE）
国家级电信管理局：包括美国联邦通信委员会（FCC）和欧洲电信标准协会 (ETSI）
除了这些组织之外，通常还有地方性布线标准组织，例如 CSA：（加拿大标准协会）、CENELEC（欧洲电工标准化委员会）和 JSA/JIS（日本标准协会），开发本地规范。
物理组件
物理层标准管理三个功能区：
物理组件
编码
信令
物理组件
物理组件是电子硬件设备、介质和其他连接器，它们用于传输用于表示位的信号。网卡、接口和连接器、线缆材料以及线缆设计等硬件组件均按照物理层的相关标准进行规定。Cisco 1941 路由器上的各种端口和接口也属于物理组件，根据标准使用特定连接器和引脚。
编码
编码或线路编码是一种将数据位流转换为预先定义“代码”的方法。这些代码就是位的编组，用于提供一种可预测模式，以便发送者和接收者均能识别。换句话说，编码是用于表示数字信息的方法或模式。这类似于摩尔斯电码如何使用一系列点和短划线编码消息。
例如，曼彻斯特编码的0位表示为从高到低的电压转换，而1位表示为从低到高的电压转换。曼彻斯特编码的一个示例如图所示。转换在每个位周期的中间进行。这种类型的编码用于10Mbps的以太网。更快的数据速率需要更复杂的编码。
曼彻斯特编码用于较旧的以太网标准，如：10BASE-T（双绞线以太网）。 以太网 100BASE-TX使用4B/5B编码。1000BASE-T使用8B/10B编码。
信令
物理层必须在介质上生成代表“1”和“0”的电信号、光信号或无线信号。表示位的方法称为信令方法。物理层标准必须定义哪种类型的信号代表“1”，而哪种类型的信号代表“0”。这可以简单到只是改变电信号或光脉冲的级别。例如，长脉冲可能代表 1，而短脉冲可能代表 0。
这类似于莫尔斯电码中使用的信令方法，可以使用一系列开关音、灯或点击通过电话线或在海上船舶之间发送文本。
- 铜缆
- 光缆
- 无线介质
带宽
不同的物理介质所支持的位传输速率不同。数据传输的讨论通常都会提及带宽。
带宽是介质承载数据的能力。
数字带宽可以测量在给定时间内从一个位置流向另一个位置的数据量。带宽通常使用千位每秒（kbps）、兆位每秒（Mbps）或千兆位每秒（Gbps）来度量。有时带宽被认为是位传输的速度，而这是不准确的。例如，在 10Mbps 和 100Mbps 的以太网上，都以电的速率发送位。不同的是每秒传输的位的数量。
多种因素的结合，决定了网络的实际带宽：
物理介质的属性
信令和检测网络信号所选用的技术
物理介质属性、当前技术和物理法则共同扮演确定可用带宽的角色。
| 带宽单位 | 缩写 | 单位 |
|---|---|---|
| 位/秒 | bps | 1 bps = 带宽的基本单位 |
| 千位/秒 | Kbps | 1 Kbps = 1,000 bps = 10^3bps |
| 兆位/秒 | Mbps | 1 Mbps = 1,000,000 bps = 10^6 bps |
| 千兆位/秒 | Gbps | 1 Gbps = 1,000,000,000 bps = 10^9 bps |
| 兆兆位/秒 | Tbps | 1 Tbps = 1,000,000,000,000 bps = 10^12 bps |
带宽术语
用来衡量带宽质量的术语包括:
延迟
吞吐量
实际吞吐量
延迟
延迟是指数据从一个给定点传送到另一给定点所用的时间，包括时延。
在拥有多个网段的网际网络或网络中，吞吐量不能超过从源到目的地之间路径的最低链路。纵使这些网段全部或多数具备高速带宽，它也只使用那段低速率路径的吞吐量，这就会造成整个网络的吞吐量瓶颈。
吞吐量
吞吐量是给定时段内通过介质传输的位的量度。
由于各种因素的影响，吞吐量经常与物理层实施中指定的带宽不符。吞吐量通常低于带宽。影响吞吐量的因素有很多:
流量大小
流量类型
从源通往目的地的过程中遇到的网络设备数量所造成的延时。
实际吞吐量
用于评估可用数据传输的第三个测量标准称为实际吞吐量。实际吞吐量是在给定时间段内传输的有用数据的衡量标准。
实际吞吐量就是吞吐量减去建立会话、确认、封装和重传所产生的流量开销。
实际吞吐量总是低于吞吐量，而吞吐量通常低于带宽。
信道复用技术
频分复用 FDM
所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用 TDM
又称
同步时分复用，即所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
统计时分复用 STDM
又称
异步时分复用，是一种改进的时分复用，能明显提高信道的利用率。集中器常使用。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入 STDM 帧中。
对没有数据的缓存就跳过去。
当一个帧的数据满了，就发送出去。从平均角度看，异步时分复用与同步时分复用二者是平衡的。
波分复用 WDM
光的频分复用。
码分复用 CDM
码分多址（CDMA），使每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于用户通过使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。
使用码分复用的每一个站被指派一个唯一的码片序列。
总结
- 物理层的用途
在进行网络通信之前，必须在本地网络上建立一个物理连接。物理连接可以通过电缆进行有线连接，也可以通过无线电波进行无线连接。网络接口卡 (NIC) 将设备连接到网络。以太网网卡用于有线连接，而 WLAN（无线局域网）网卡用于无线连接。OSI 物理层通过网络介质传输构成数据链路层帧的位。该层从数据链路层接收完整的帧，并将这些帧编码为一系列信号，传输到本地介质上。经过编码的位构成了帧，这些位可以被终端设备或中间设备接收。
- 物理层的特种
物理层由工程师开发的电子电路、介质和连接器组成。物理层标准负责三个功能区：物理组件、编码和信令。带宽是介质承载数据的能力。数字带宽可以测量在给定时间内从一个位置流向另一个位置的数据量。吞吐量是给定时段内通过介质传输的位的量度，通常低于带宽。延迟是指数据从一个给定点传送到另一给定点所用的时间，包括时延。实际吞吐量是在给定时间段内传输的有用数据的衡量标准。
物理层为每种介质制定的位的表示方式及分组如下：
- 铜缆 - 信号为电脉冲模式。
- 光缆 - 信号为光模式。
- 无线 - 信号为微波传输模式。
- 铜缆布线
网络使用铜介质是因为其价格低廉、易于安装、对电流的电阻低。但是，铜介质受到距离和信号干扰的限制。电脉冲的时间和电压值易受两个干扰源的干扰：电磁干扰和串扰。有三种类型的铜缆布线：UTP、STP 和同轴电缆。UTP的外套可保护铜线免受物理损坏，线对扭绞可保护信号免受干扰，彩色编码的塑料绝缘层可将线彼此电气隔离并识别每对线。STP 电缆使用四对电线，每一对使用金属箔包裹，然后整体再用金属编织网或金属箔包裹。同轴电缆，或简称同轴，由于它的两根导线分享同一个轴而得名。同轴用于将天线连接到无线设备上。有线电视互联网供应商在其客户场所内使用同轴电缆。
- UTP布线
UTP电缆由四对有彩色标记的铜线组成。这些铜线扭绞在一起，并用软塑料套包裹。UTP 电缆并不使用屏蔽层来对抗 EMI 和 RFI 的影响。相反，电缆设计者发现他们可以通过以下方式来减少串扰的负面影响：抵消和变化每个线对的扭绞次数。UTP 布线遵循由 TIA/EIA 共同制定的标准。电气电子工程师协会 (IEEE) 定义了铜缆的电特征。UTP 电缆的端头通常为 RJ-45 连接器。通过使用特定的接线约定可获得的主要电缆类型为“以太网直通”和“以太网交叉”。思科拥有专有的 UTP 电缆，称为全反电缆，将工作站连接到路由器控制台端口。
- 光纤布线
与其他网络介质相比，光缆能够以更远的距离和更高的带宽传输数据。光缆传输信号的衰减比铜缆更少，并且完全不受 EMI 和 RFI 影响。光纤是一种由非常纯的玻璃制成的极细透明的弹性线束，和人的头发差不多大。通过光缆传输时，位会被编码成光脉冲。光纤布线目前正在四类行业中使用：企业网络、FTTH、长距离网络和海底电缆网络。光纤连接器有四种类型：ST、SC、LC 和双工多模 LC。光纤接插线包括 SC-SC 多模、LC-LC 单模、ST-LC 多模和 SC-ST 单模。在大多数企业环境中，光纤主要用作数据分布层设备间的高流量点对点连接和拥有多栋建筑物的校园建筑物互连的主干布线。
- 无线介质
无线介质使用无线电或微波频率来承载代表数据通信二进制数字的电磁信号。无线确实有一些限制，包括：覆盖范围、干扰、安全性以及任何共享介质都会出现的问题。无线标准包括：Wi-Fi（IEEE 802.11）、蓝牙（IEEE 802.15）、WiMAX（IEEE 802.16）和 Zigbee（IEEE 802.15.4）。无线局域网 (WLAN) 需要无线 AP 和无线网卡适配器。
