物理层核心技术全解析
物理层概述
物理层是OSI模型和TCP/IP协议栈的最底层，负责在通信介质上传输原始比特流。其核心功能包括信号编码、数据传输速率控制、物理连接建立与维护等。物理层不关心数据的含义，仅确保比特流的可靠传输。
通信基础
信号与编码
- 数字信号与模拟信号：数字信号通过离散的0/1表示数据，抗干扰能力强；模拟信号是连续波形，适用于传统电话线等场景。
- 编码技术：
- 非归零编码（NRZ）：高电平为1，低电平为0，但存在直流分量问题。
- 曼彻斯特编码：每位中间跳变表示时钟同步，下降沿为1，上升沿为0。
- 差分曼彻斯特编码：每位起始跳变表示0，无跳变表示1，抗干扰性更强。
调制与复用
- 调制技术：将数字信号转换为模拟信号（如ASK、FSK、PSK），便于长距离传输。
- 复用技术：
- 频分复用（FDM）：不同信号分配不同频段，如广播电视。
- 时分复用（TDM）：按时间片轮转分配信道，如传统电话网络。
- 波分复用（WDM）：光纤中不同波长传输多路信号。
传输介质
有线介质
- 双绞线：
- 分类：Cat5e（1Gbps）、Cat6（10Gbps，短距离）。
- 特性：成本低，易受电磁干扰（需屏蔽层STP）。
- 同轴电缆：
- 应用：有线电视（75Ω阻抗）、早期以太网（50Ω）。
- 优点：抗干扰强于双绞线，但带宽受限。
- 光纤：
- 单模光纤：芯径小（9μm），激光光源，适合长距离（100km+）。
- 多模光纤：芯径大（50/62.5μm），LED光源，短距离（2km内）。
无线介质
- 无线电波：Wi-Fi（2.4GHz/5GHz）、蓝牙（2.4GHz），易受多径效应影响。
- 微波：地面微波（视距传输）、卫星微波（延迟高）。
- 红外线：短距离定向传输（如遥控器），无穿透性。
物理层设备
中继器（Repeater）
- 功能：放大信号以延长传输距离，工作在OSI物理层。
- 限制：无法识别数据帧，可能放大噪声。
集线器（Hub）
- 工作方式：广播式转发数据，所有端口共享带宽。
- 缺点：冲突域大，效率低（已逐步被交换机取代）。
调制解调器（Modem）
- 作用：数字信号与模拟信号转换，如ADSL调制解调器使用DMT技术划分频段。
关键指标
- 带宽：信道最高频率与最低频率之差（Hz）。
- 速率：比特率（bps）与波特率（Baud）的关系：
[ \text{比特率} = \text{波特率} \times \log_2(M) \quad (M为调制电平数) ] - 信噪比（SNR）：信号功率与噪声功率之比，决定信道容量（香农公式）：
[ C = B \log_2(1 + \text{SNR}) ]
典型问题与解决方案
- 信号衰减：使用中继器或光纤替代铜缆。
- 电磁干扰：屏蔽双绞线（STP）或光纤隔离。
- 同步问题：采用曼彻斯特编码或外带时钟信号。
物理层的设计直接影响网络性能与可靠性，需根据场景选择介质、编码及设备组合。
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