物理層（PHY）

一、物理層的定義

物理層是OSI的第一層，它雖然處於最底層，卻是整個開放系統的基礎。物理層為設備之間的數據通信提供傳輸媒體及互連設備，為數據傳輸提供可靠的環境。如果您想要用盡量少的詞來記住這個第一層，那就是“信號和介質”。

二、物理層的作用

1. 傳輸比特流（高低電平，1代表高電平，0代表低電平）
2. 連接不同的物理設備

三、物理層接口特性

物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。
物理層主要任務：確定與傳輸媒體接口有關的一些特性定義標准

1. 機械特性：
   定義物理連接的特性，規定物理連接是所采用的規格、接口形狀、引線數目、引腳數量和排列情況

2. 電氣特性：
   規定傳輸二進制位時，線路上的電壓范圍、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等

3. 功能特性：
   指明某條線上出現的某一電平表示何種意義，接口部件的信號線的用途

4. 規程特性（過程特性）：
   定義各條物理線路的工作規程和時序關系

三、物理層的傳輸單位

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

四、定義傳輸介質

傳輸介質也稱傳輸媒體/傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送設備和接收設備之間的物理通路。
傳輸媒體並不是物理層。傳輸媒體在物理層下面，因為物理層是體系結構的第一層，因此有時稱傳輸媒介為0層。在傳輸媒體中傳輸的是信號，但是傳輸媒體並不知道所傳輸的信號代表是什么意思。但物理層規定了電氣特性，因此能夠識別所傳送的比特流。如果把物理層比如成傻瓜，那么傳輸媒體就連傻瓜都不如。

• 傳輸介質可以分為：導向性傳輸介質和非導向性傳輸介質

1. 導向性傳輸介質：電磁波被導向沿着固體媒介（銅線/光纖）傳播
   雙絞線：屏蔽雙絞線、非屏蔽雙絞線。
   光纖：多模光纖、單模光纖。
   同軸電纜。

2. 非導向性傳輸介質：自由空間，介質可以是空氣、真空、海水等。
   紅外線/激光
   微波
   無線電波

五、數據交換

數據交換是指在多個數據終端設備（DTE）之間，為任意兩個終端設備建立數據通信臨時互連通路的過程。數據交換可以分為：電路交換、報文交換、分組交換和混合交換。

1. 電路交換
   當用戶之間要傳輸數據時，交換中心在用戶之間建立一條暫時的數據電路。電路接通后，用戶雙方便可傳輸數據，並一直占用到傳輸完畢拆除電路為止。電路交換引入的時延很小，而且交換機對數據不加處理，因而適合傳輸實時性強和批量大的數據。
   

2. 報文交換
   一般都是利用計算機實現的。發信端用戶首先把要發送的數據編成電文，連同收信地址等輔助數據一起發往本地交換中心，在那里把它們完整地存儲起來並作適當處理。當本地交換中心的輸出口有空時,就將電文轉發到下一個交換中心，最后由收信端的交換中心將電文傳遞到用戶。
   

3. 分組交換
   把數據分割成若干個長度較短（一般不超過 128個字符）的分組，每個分組內除數據信息外還包括控制信息，它們在交換機內作為一個整體進行交換。每個分組在交換網內的傳輸路徑可以不同。分組交換也采用存儲轉發技術，並進行差錯檢驗、重發、返送響應等操作，最后收信端把接收的全部分組按順序重新組合成數據。
   

4. 混合交換
   在一個計算機網絡中同時采用電路交換和分組交換方式，稱為混合交換。混合的方法是將傳送信道分為不同的帶寬，將一部分帶寬分配給電路交換使用，而將另一部分帶寬分配給分組交換使用。這里所謂的帶寬就是指在一條傳輸信道上允許傳輸信息的頻帶寬度，即能從信道上通過信號的最高頻率。

六、物理層設備

1. 中繼器
   中繼器是工作在物理層上的連接設備。適用於完全相同的兩個網絡的互連，主要功能是通過對數據信號的重新發送或者轉發，來擴大網絡傳輸的距離。 中繼器是對信號進行再生和還原的網絡設備

2. 集線器
   集線器的主要功能是對接收到的信號進行再生整形放大，以擴大網絡的傳輸距離，同時把所有節點集中在以它為中心的節點上。

七、數據通信相關術語

1. 信號：數據的電氣/電磁的表現，是數據在傳輸過程匯總的存在形式。
   數字信號/離散信號：代表消息參數的取值是離散的
   模擬信號/連續信號：代表消息參數的取值是連續的。

2. 信源：產生和發送數據的源頭。

3. 新宿：接收數據的終點。

4. 信道
   信道的基本概念

   • 信道是往一個方向傳輸信息的媒體
     • 按傳輸信號分：模擬信道（傳輸模擬信號）、數字信道（傳輸數字信號）
     • 按傳輸介質分：無線信道、有限信道
   • 一條通信信道包含一個接收信道和一個發送信道
     • 單工通信信道、半雙工通信信道、全雙工通信信道
     • 串行通信、並行通信
     • 同步通信、異步通信

5. 碼元

6. 速率

7. 波特

8. 帶寬

9. 失真

10. 奈氏准則

11. 香氏定理

12. 基帶信號 /寬帶信號

13. 編碼/調制

14. 編碼

    數字數據編碼為數字信號

    • 非歸零編碼（NRZ）
    • 曼徹斯特編碼
    • 差分曼徹斯特編碼
    • 歸零編碼（RZ）
    • 反向不歸零編碼（NRZI）
    • 4B/5B編碼

    數字編碼調制為模擬信號

    • 調幅（2ASK）
    • 調頻（2FSK）
    • 調相（2PSK）
    • 調幅+調相（QAM）

    模擬數據編碼為數字信號

    • 抽樣
    • 量化
    • 編碼
    • PCM脈沖調制

    模擬數據調制為模擬信號

參考文獻

數據交換：https://baike.baidu.com/item/數據交換/1586256?fr=aladdin
中繼器：https://baike.baidu.com/item/中繼器/1867747?fr=aladdin
頻分復用：https://baike.baidu.com/item/頻分復用/7626706?fr=aladdin