计算机网络：物理层

1. 物理层是做什么的

物理层是计算机网络体系结构中最底层的一层。

它主要负责：

在传输介质上传输原始比特流

也就是把：

0 和 1

真正变成可以在网线、光纤、无线信号中传输的物理信号。

可以简单理解为：

上层关心“传什么数据”

物理层关心“这些 0 和 1 到底怎么传过去”

---

2. 物理层传输的单位

物理层传输的基本单位是：

比特 bit

例如：

10110101

这些二进制比特会被转换成：

电信号
光信号
无线电波

通过传输介质发送出去。

---

3. 物理层不负责什么

物理层主要负责传输比特。

它通常不关心：

这些比特代表什么
数据是否正确
数据属于哪个应用
目标 IP 是什么
MAC 地址是什么

这些属于更高层处理。

因此物理层更关注：

信号
接口
传输介质
传输速率
编码
调制

---

4. OSI 中的物理层

OSI 七层模型：

7 应用层
6 表示层
5 会话层
4 传输层
3 网络层
2 数据链路层
1 物理层

物理层位于最底层：

应用层
  ↓
传输层
  ↓
网络层
  ↓
数据链路层
  ↓
物理层
  ↓
传输介质

---

5. 物理层的主要任务

物理层需要解决：

用什么传
怎么表示 0 和 1
传输多快
接口长什么样
信号采用什么电压/频率
通信双方如何同步

经典教材通常把物理层接口特性分为：

机械特性
电气特性
功能特性
过程特性

---

物理层接口特性

6. 机械特性

机械特性规定：

接口的形状
接口尺寸
引脚数量
排列方式
连接器结构

例如：

RJ45 接口

就属于物理接口的一种。

---

7. 电气特性

电气特性规定：

电压范围
信号电平
阻抗
传输速率

例如：

什么电压表示 1
什么电压表示 0

这些都属于电气特性。

---

8. 功能特性

功能特性规定：

每个接口引脚有什么作用

例如某些引脚负责：

发送
接收
控制
地线

---

9. 过程特性

过程特性规定：

通信过程中各个信号出现的顺序

也就是：

什么时候发送
什么时候接收
按照什么步骤完成通信

---

数据通信基础

10. 数据通信系统

一个基本的数据通信系统通常包括：

发送方
发送设备
传输介质
接收设备
接收方

可以理解为：

源系统
  ↓
发送器
  ↓
传输系统
  ↓
接收器
  ↓
目的系统

例如：

电脑
↓
网卡
↓
网线
↓
网卡
↓
服务器

---

11. 数据和信号

数据

数据是：

需要传输的信息

例如：

文字
图片
音频
视频
数字

信号

信号是：

数据在传输介质中的具体表现形式

例如：

电压变化
光强变化
电磁波变化

---

12. 模拟信号和数字信号

信号可以分成：

模拟信号
数字信号

模拟信号

模拟信号的取值：

连续变化

例如传统语音信号。

数字信号

数字信号的取值通常是：

离散的

例如：

高电平
低电平

分别代表：

1
0

---

信道

13. 什么是信道

信道可以理解为：

信号传输的通路

例如：

双绞线
光纤
无线信道

都可以构成通信信道。

---

14. 单工通信

单工：

只能单方向通信

例如：

A → B

B 不能向 A 发送数据。

经典例子：

广播

---

15. 半双工通信

半双工：

双方都可以发送
但不能同时发送

例如：

A → B

或者：

A ← B

但不能同时双向。

经典例子：

对讲机

---

16. 全双工通信

全双工：

双方可以同时发送和接收

例如：

A ⇄ B

现代网络通信大量采用全双工。

---

码元与比特

17. 比特

比特：

bit

是信息的基本单位。

一个比特只有：

0
1

两种状态。

---

18. 码元

码元可以理解成：

在一个固定时间间隔内发送的一个信号状态

例如一个码元可能具有：

2 种状态
4 种状态
8 种状态

一个码元不一定只表示一个比特。

---

19. 一个码元能表示多少比特

如果一个码元有：

M

种不同状态，

那么一个码元可以表示：

log₂M

个比特。

例如：

M = 2

则：

log₂2 = 1 bit

如果：

M = 4

则：

log₂4 = 2 bit

如果：

M = 8

则：

log₂8 = 3 bit

---

速率

20. 比特率

比特率表示：

每秒传输多少个比特

单位：

bit/s

也经常写成：

bps

例如：

100 Mbps

表示：

每秒传输 100 Mbit

---

21. 波特率

波特率表示：

每秒传输多少个码元

单位：

Baud

简称：

Bd

例如：

1000 Baud

表示每秒传输：

1000 个码元

---

22. 比特率和波特率关系

如果一个码元可以表示：

log₂M

个比特，

那么：

比特率 = 波特率 × log₂M

即：

R_b = R_B × log₂M

例如：

波特率 = 1000 Baud
M = 4

一个码元表示：

log₂4 = 2 bit

所以：

比特率 = 1000 × 2
       = 2000 bit/s

---

23. 常见速率单位

1 Kbit/s = 10³ bit/s
1 Mbit/s = 10⁶ bit/s
1 Gbit/s = 10⁹ bit/s

注意：

bit

和：

Byte

不一样。

1 Byte = 8 bit

---

24. Mbps 和 MB/s

网络带宽常见：

Mbps

而下载软件通常显示：

MB/s

因为：

1 Byte = 8 bit

所以理论上：

100 Mbps ÷ 8
= 12.5 MB/s

因此：

100 Mbps 宽带

并不意味着下载速度：

100 MB/s

---

带宽

25. 带宽的两种含义

带宽在通信领域中可能有两种含义。

模拟通信中的带宽

表示信号占用的频率范围。

单位：

Hz

例如：

最高频率 - 最低频率

计算机网络中的带宽

通常表示：

链路理论上的最大数据传输速率

例如：

100 Mbps
1 Gbps
10 Gbps

---

26. 带宽不等于实际速度

例如一条链路：

1 Gbps

这是理论带宽。

实际传输速度还会受到：

协议开销
网络拥塞
服务器性能
设备性能
丢包
距离

等因素影响。

所以：

带宽 ≠ 实际吞吐量

---

奈奎斯特定理

27. 奈奎斯特定理

奈奎斯特定理研究的是：

理想低通信道

中的最大数据传输速率。

公式：

最大数据率 = 2W log₂M

即：

R = 2W log₂M

其中：

W = 信道带宽
M = 码元状态数量

---

28. 奈奎斯特公式例子

假设：

W = 3000 Hz
M = 2

则：

R = 2 × 3000 × log₂2

因为：

log₂2 = 1

所以：

R = 6000 bit/s

---

29. 奈奎斯特定理的意义

奈奎斯特告诉我们：

即使没有噪声
信道的数据传输速率也不是无限大的

它受到：

带宽
码元状态数量

限制。

---

香农定理

30. 香农定理

现实信道中存在：

噪声

香农定理给出了有噪声信道的理论极限。

公式：

C = W log₂(1 + S/N)

其中：

C = 信道容量
W = 信道带宽
S = 信号平均功率
N = 噪声平均功率
S/N = 信噪比

---

31. 信噪比

信噪比：

S/N

表示：

信号功率
÷
噪声功率

数值越大：

信号相对于噪声越强

通信质量一般越好。

---

32. 分贝 dB

实际中信噪比经常使用：

dB

表示。

公式：

信噪比(dB) = 10 log₁₀(S/N)

例如：

S/N = 1000

则：

10 log₁₀1000
= 30 dB

---

33. dB 转换成普通信噪比

如果题目给：

30 dB

那么：

30 = 10 log₁₀(S/N)

所以：

3 = log₁₀(S/N)

得到：

S/N = 10³
    = 1000

然后才能代入香农公式。

---

34. 香农定理的意义

香农定理说明：

信道带宽越大
理论容量越大

同时：

信噪比越高
理论容量也越大

但即使不断提高信噪比：

信道容量仍然存在理论极限

---

奈奎斯特和香农对比

35. 两个公式的区别

奈奎斯特

R = 2W log₂M

主要考虑：

带宽
码元状态数

针对：

理想无噪声信道

香农

C = W log₂(1 + S/N)

主要考虑：

带宽
信噪比

针对：

有噪声信道

---

36. 考试时怎么判断用哪个公式

如果题目出现：

码元
M 种状态
无噪声
理想信道

优先想到：

奈奎斯特

如果题目出现：

信噪比
dB
S/N
噪声

优先想到：

香农

---

编码

37. 什么是编码

编码就是：

如何使用不同信号表示二进制数据

例如：

0 → 低电平
1 → 高电平

这就是一种编码方式。

---

38. 非归零编码 NRZ

NRZ：

Non-Return-to-Zero

简单理解：

一个电平表示 1
另一个电平表示 0

优点：

简单
带宽利用率较高

缺点：

如果连续很多个 0 或连续很多个 1
接收方不容易进行时钟同步

---

39. 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码：

每个码元中间都会发生一次电平跳变

中间跳变不仅表示数据，也提供：

时钟同步

优点：

自同步能力强

缺点：

需要更高的信号变化频率
占用带宽较大

---

40. 差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码同样：

每个码元中间都有跳变

数据通常由：

码元开始位置是否发生跳变

来表示。

它相比直接依赖高低电平：

抗极性反转能力更好

---

调制

41. 什么是调制

调制主要用于：

把数字数据加载到模拟载波上

通过改变载波的：

幅度
频率
相位

来表示数据。

常见：

ASK
FSK
PSK
QAM

---

42. ASK

ASK：

Amplitude Shift Keying

中文：

幅移键控

通过改变：

载波幅度

表示不同数据。

---

43. FSK

FSK：

Frequency Shift Keying

中文：

频移键控

通过改变：

载波频率

表示数据。

---

44. PSK

PSK：

Phase Shift Keying

中文：

相移键控

通过改变：

载波相位

表示数据。

---

45. QAM

QAM：

Quadrature Amplitude Modulation

中文：

正交振幅调制

同时利用：

振幅
相位

表示不同码元。

它可以让一个码元携带更多比特。

例如：

16-QAM

有：

16

种状态。

所以一个码元可以携带：

log₂16 = 4 bit

---

传输介质

46. 导向型传输介质

导向型传输介质：

信号沿着实体介质传播

主要包括：

双绞线
同轴电缆
光纤

---

47. 双绞线

双绞线由：

两根绝缘铜线互相绞合

组成。

绞合的主要作用之一是：

减少电磁干扰

常见于：

以太网

---

48. 屏蔽和非屏蔽双绞线

常见：

UTP
STP

UTP

Unshielded Twisted Pair

非屏蔽双绞线。

特点：

成本低
使用广泛

STP

Shielded Twisted Pair

屏蔽双绞线。

特点：

抗干扰能力更强
成本更高

---

49. 双绞线类别

常见：

Cat5e
Cat6
Cat6A

不同类别支持的：

频率
距离
速率
抗干扰能力

有所不同。

---

50. 同轴电缆

同轴电缆结构通常包括：

中心导体
绝缘层
金属屏蔽层
外保护层

特点：

抗干扰性能较好

以前广泛用于局域网，现在更多见于：

有线电视
宽带接入

等场景。

---

光纤

51. 光纤

光纤使用：

光信号

传输数据。

主要结构：

纤芯
包层
保护层

---

52. 光纤的优点

光纤相比铜缆通常具有：

带宽高
传输距离远
抗电磁干扰
衰减较小
安全性较好

因此非常适合：

骨干网络
数据中心
长距离通信

---

53. 单模光纤

单模光纤：

Single Mode Fiber

特点：

纤芯较细
传输距离远
带宽高

通常用于：

长距离通信
运营商网络
骨干网络

---

54. 多模光纤

多模光纤：

Multi Mode Fiber

特点：

纤芯较粗
可允许多种传播路径
距离通常比单模短

常用于：

建筑内部
数据中心短距离连接

---

55. 单模和多模对比

项目	单模光纤	多模光纤
纤芯	较细	较粗
传播模式	单一	多种
传输距离	长	较短
常见场景	骨干、运营商	数据中心、楼宇
光源	常见激光器	常见 LED/VCSEL

---

非导向型介质

56. 无线传输

非导向型介质没有固定实体线路。

主要通过：

电磁波

传播。

例如：

无线电波
微波
红外线

---

57. 无线电波

无线电波特点：

传播距离较远
可以穿透部分障碍物

广泛用于：

Wi-Fi
移动通信
广播

---

58. 微波

微波通常具有：

频率较高
方向性较强

常需要：

视距传播

也就是发送端和接收端之间最好没有明显障碍物。

应用：

卫星通信
微波中继
无线通信

---

59. 卫星通信

卫星通信可以理解为：

地面站
  ↓
卫星
  ↓
另一地面站

优点：

覆盖范围大

缺点之一：

传播时延可能较大

尤其是距离地面较远的卫星系统。

---

信号传输问题

60. 衰减

信号在传播过程中：

能量会逐渐减弱

称为：

衰减

距离越远，通常衰减越明显。

可以通过：

放大
中继
合理选择传输介质

改善。

---

61. 失真

信号传播后：

波形发生变化

称为：

失真

如果失真太严重：

接收方可能无法正确判断 0 和 1

---

62. 噪声

噪声是：

通信过程中出现的不需要的干扰信号

例如：

电磁干扰
设备噪声
串扰

噪声越大：

通信质量通常越差

---

时延

63. 传播时延

传播时延：

信号从链路一端传播到另一端需要的时间

公式：

传播时延 = 信道长度 ÷ 信号传播速度

例如：

距离 = 1000 km
传播速度 = 2 × 10⁸ m/s

先转换：

1000 km = 10⁶ m

所以：

传播时延
= 10⁶ ÷ (2 × 10⁸)
= 0.005 s
= 5 ms

---

64. 发送时延

发送时延：

把整个数据帧全部推到链路上所需要的时间

公式：

发送时延 = 数据长度 ÷ 发送速率

例如：

数据长度 = 1000 bit
发送速率 = 1000 bit/s

则：

发送时延 = 1 s

---

65. 传播时延和发送时延不要混淆

发送时延

与：

数据有多大
链路速率有多快

有关。

公式：

数据长度 ÷ 发送速率

传播时延

与：

距离有多远
信号传播速度有多快

有关。

公式：

距离 ÷ 传播速度

---

复用技术

66. 什么是复用

复用：

让多个用户共享同一条物理通信线路

这样可以提高：

链路利用率

常见：

频分复用
时分复用
波分复用
码分复用

---

67. 频分复用 FDM

FDM：

Frequency Division Multiplexing

把整个信道的频率资源划分成：

多个不同频带

不同用户使用不同频率。

可以理解为：

用户 A → 频率 1
用户 B → 频率 2
用户 C → 频率 3

并行传输。

---

68. 时分复用 TDM

TDM：

Time Division Multiplexing

把时间划分成多个：

时间片

不同用户轮流使用整条信道。

例如：

A B C A B C A B C

每个人在自己的时间片发送。

---

69. 统计时分复用

传统 TDM：

即使某个用户没有数据
也可能给它保留时间片

统计时分复用则：

按实际需求动态分配时间片

因此通常：

利用率更高

---

70. 波分复用 WDM

WDM：

Wavelength Division Multiplexing

主要用于：

光纤

不同数据使用：

不同波长的光

在同一根光纤中同时传输。

可以理解成：

光纤中的“频分复用”

---

71. 码分复用 CDM

码分复用：

不同用户使用不同编码

即使：

同时
同频率

发送，

接收方也可以通过不同编码把数据区分出来。

---

物理层设备

72. 中继器

中继器：

Repeater

工作在：

物理层

主要作用：

对衰减的信号进行再生和转发

用于延长通信距离。

---

73. 集线器 Hub

Hub：

集线器

本质上可以看成：

多端口中继器

工作在：

物理层

收到一个端口的信号后：

向其他端口广播

它不会理解：

MAC 地址
IP 地址

---

74. Hub 和交换机的区别

Hub：

物理层设备

主要转发：

比特信号

交换机：

主要工作在数据链路层

会根据：

MAC 地址

决定转发到哪个端口。

所以：

Hub ≠ Switch

---

常见网络设备与层次

75. 层次对应

可以简单记：

物理层
中继器、Hub

数据链路层
交换机、网桥

网络层
路由器

这是学习计算机网络时非常常见的考点。

---

物理层重要公式

76. 比特率与波特率

比特率 = 波特率 × log₂M

其中：

M = 一个码元拥有的状态数

---

77. 奈奎斯特公式

R = 2W log₂M

适用于：

理想无噪声信道

---

78. 香农公式

C = W log₂(1 + S/N)

适用于：

存在噪声的信道

---

79. 信噪比 dB

SNR(dB) = 10 log₁₀(S/N)

如果已知 dB：

S/N = 10^(dB/10)

---

80. 发送时延

发送时延 = 数据长度 ÷ 发送速率

---

81. 传播时延

传播时延 = 信道长度 ÷ 信号传播速度

---

易错点

82. bit 和 Byte

一定要记：

1 Byte = 8 bit

所以：

80 Mbps

理论上约等于：

10 MB/s

---

83. 波特率不一定等于比特率

只有：

一个码元恰好表示 1 bit

时：

波特率 = 比特率

如果：

一个码元表示多个 bit

那么：

比特率 > 波特率

---

84. 带宽单位要看语境

通信理论中的：

带宽

可能使用：

Hz

网络中的“100 Mbps 带宽”：

bit/s

考试时要根据题目语境判断。

---

85. 传播速度不等于发送速率

传播速度：

m/s

表示：

信号传播得有多快

发送速率：

bit/s

表示：

每秒可以发送多少比特

它们是两个完全不同的概念。

---

86. 光纤带宽大不代表光传播速度无限快

光纤可以提供非常高的：

数据传输速率

但信号传播仍然需要时间。

所以长距离通信依然存在：

传播时延

---

物理层知识结构

87. 整体知识框架

物理层可以整理成：

物理层
├── 基本概念
│   ├── bit
│   ├── 码元
│   ├── 信号
│   └── 信道
│
├── 数据通信
│   ├── 单工
│   ├── 半双工
│   └── 全双工
│
├── 速率
│   ├── 比特率
│   ├── 波特率
│   └── 带宽
│
├── 信道容量
│   ├── 奈奎斯特
│   └── 香农
│
├── 信号技术
│   ├── 编码
│   └── 调制
│
├── 传输介质
│   ├── 双绞线
│   ├── 同轴电缆
│   ├── 光纤
│   └── 无线
│
├── 复用
│   ├── FDM
│   ├── TDM
│   ├── WDM
│   └── CDM
│
└── 设备
    ├── 中继器
    └── Hub

---

重点速记

88. 物理层一句话

物理层负责在传输介质上传输原始比特流。

---

89. 三种通信方式

单工
只能一个方向

半双工
可以双向，但不能同时

全双工
可以同时双向

---

90. 三个核心速率概念

比特率
每秒多少 bit

波特率
每秒多少码元

带宽
链路传输能力 / 频率范围

---

91. 两大定理

奈奎斯特
理想无噪声信道

R = 2W log₂M

香农
有噪声信道

C = W log₂(1 + S/N)

---

92. 两种时延

发送时延
= 数据长度 ÷ 发送速率

传播时延
= 距离 ÷ 传播速度

---

93. 传输介质

有线
├── 双绞线
├── 同轴电缆
└── 光纤

无线
├── 无线电波
├── 微波
└── 卫星

---

94. 复用方式

FDM
分频率

TDM
分时间

WDM
分光波长

CDM
分编码

---

95. 物理层设备

中继器
Hub

而：

交换机

主要属于：

数据链路层

路由器

主要属于：

网络层

---

小结

物理层最重要的任务是：

解决 0 和 1 如何真正通过通信介质传输的问题

学习这一章时，重点掌握：

比特与码元
比特率与波特率
带宽
单工、半双工、全双工
奈奎斯特定理
香农定理
编码与调制
双绞线、光纤、无线
发送时延与传播时延
FDM、TDM、WDM、CDM
中继器和 Hub

其中考试中尤其容易出现计算题的内容是：

比特率与波特率

R = 2W log₂M

C = W log₂(1 + S/N)

SNR(dB) = 10 log₁₀(S/N)

发送时延 = 数据长度 ÷ 发送速率

传播时延 = 距离 ÷ 传播速度

把这些概念和公式真正理解以后，物理层的大部分基础题目就比较容易处理了。