探秘计算机网络物理层：信息世界的基石

最新推荐文章于 2025-07-28 17:00:35 发布

大雨淅淅

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分类专栏： # linux网络协议栈文章标签：网络计算机网络网络协议

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一、物理层：网络世界的根基

在计算机网络的庞大体系中，物理层就如同大楼的地基，虽常常被忽视，却是整个网络得以稳定运行的基础。它是网络体系结构的最底层，直接与物理传输介质打交道，负责在不同设备之间传输原始的比特流。没有物理层搭建起的 “硬件基础”，数据就无法在网络中实现真正的流动，更别提上层丰富多彩的网络应用了。接下来，让我们深入探索物理层的神秘世界。

一、物理层基础概念

（一）物理层的定义

在计算机网络的世界里，为了实现不同设备之间有条不紊地通信，国际标准化组织 ISO 制定了开放系统互连参考模型（OSI 模型），它就像是网络世界的 “通用语言” 规范，把网络通信的复杂过程分成了 7 个清晰的层次，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。物理层作为 OSI 模型的最底层，承担着最基础也最重要的任务 —— 在各种传输媒体上传输数据比特流，简单来说，就是负责将计算机中的数字信号（用 0 和 1 表示的数据）转化为适合在传输介质（如网线、光纤等）上传输的信号形式，比如电信号、光信号等，实现设备之间的物理连接。

同时，物理层还为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，不管你用的是超五类双绞线，还是六类、七类线，又或是单模光纤、多模光纤，数据链路层都无需关心这些细节，它只需要从物理层接收已经处理好的比特流，专注于完成本层的协议和服务即可，物理层就像一个默默付出的 “幕后英雄”，让上层能够更便捷地实现各种网络功能。

（二）物理层的主要任务

物理层的主要任务可以概括为确定与传输媒体接口有关的四个特性，分别是机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。

机械特性：它规定了物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数目和排列情况等。例如，我们常见的 RJ45 网络接口（也就是网线接口），它的形状是一个长方形，有 8 个引脚，并且这些引脚的排列顺序都有严格的标准，不同厂家生产的 RJ45 接口都要遵循这个标准，这样才能保证网线可以正确地插入各种网络设备（如电脑网卡、路由器接口等），实现物理连接，就好比不同品牌的插头都要符合插座的规格才能正常使用一样。
电气特性：主要规定传输二进制时，线路上的信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。以以太网为例，在 10Base - T 以太网标准中，规定使用双绞线传输信号，信号的电压范围通常是在 - 0.9V 到 + 0.9V 之间，阻抗为 100 欧姆，传输速率为 10Mbps，并且网线的最大有效传输距离一般为 100 米左右。如果电压范围、阻抗不匹配或者传输距离过长，都可能导致信号衰减、失真，影响数据的正确传输，就像电压不稳会影响电器正常工作一样。
功能特性：指明某条线路上出现的某一电平表示何种意义，以及接口部件的信号线的用途。比如在 RS - 232 标准中，规定了逻辑 “1” 的电平范围是 - 3V 到 - 15V，逻辑 “0” 的电平范围是 + 3V 到 + 15V，同时明确了各个引脚的功能，像 2 号引脚是接收数据（RXD），3 号引脚是发送数据（TXD）等，通过这些规定，通信双方才能准确理解传输的信号含义，实现数据的正确交互。
规程特性：也称为过程特性，它定义了各条物理线路上的工作规程和时序关系。在数据传输过程中，什么时候发送信号、什么时候接收信号、如何进行信号的同步等都有严格的顺序规定。例如，在串口通信中，发送方要先发送起始位，然后依次发送数据位，最后发送停止位，接收方按照这个顺序来接收和解析数据，如果时序出现错误，接收方就无法正确接收数据，就像一场接力比赛，接力棒的交接顺序和时间必须准确无误，比赛才能顺利进行。

二、数据通信基础知识

（一）数据通信系统模型

数据通信系统主要由源系统、传输系统和目的系统三大部分组成，各部分紧密协作，共同完成数据的传输任务。

源系统：也叫发送端，包含源点和发送器。源点是产生数据的设备，比如我们日常使用的电脑、手机等，当你在电脑上编辑一篇文档、在手机上编写一条微信消息时，这些设备就作为源点产生了要传输的数据。而发送器的作用是将源点生成的数字比特流进行编码，转换为适合在传输系统中传输的信号形式，常见的发送器如调制解调器，它可以把计算机输出的数字信号调制为模拟信号，以便在模拟通信线路（如电话线）上传输。
传输系统：它是连接源系统和目的系统的桥梁，可以是简单的传输线，比如一根网线，也可以是复杂的网络系统，像互联网这样庞大的网络架构，包含了无数的路由器、交换机、光纤、电缆等设备，负责将发送器发送的信号从源系统传输到目的系统。
目的系统：即接收端，由接收器和终点组成。接收器负责接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息，比如解调器，它会把从传输线路上接收到的模拟信号解调为数字信号，提取出其中的原始数据。终点则是最终接收数据的设备，比如另一台电脑、手机等，数据到达终点后，就可以在这些设备上进行展示、存储或进一步处理，比如你在电脑上收到朋友发来的微信消息，这条消息就被电脑这个终点设备接收并显示在屏幕上。

以我们日常上网浏览网页为例，当你在浏览器中输入一个网址并按下回车键时，你的电脑就是源系统，其中浏览器所在的计算机是源点，产生了访问网页的请求数据，计算机内部的网络适配器（网卡）充当发送器，将这些数字信号编码后通过网线（传输系统的一部分）发送出去。这些信号在互联网这个复杂的传输系统中经过无数的路由器、交换机等设备的转发，最终到达存放该网页的服务器所在的网络，服务器的网卡作为接收器接收信号并转换为数字数据，服务器本身就是终点，它会处理这些请求，并将网页数据按照相反的路径传输回你的电脑，你的电脑再将接收到的数据进行解析，最终在浏览器中展示出网页内容。

（二）信号与码元

在数据通信中，信号是数据的具体表现形式，它可以分为模拟信号和数字信号。

模拟信号是一种连续变化的信号，其幅度、频率、相位等参数可以在一定范围内连续取值，就像我们日常生活中的语音信号，人说话时声带的振动会产生连续变化的声波，通过麦克风转换为电信号后，这个电信号的幅度会随着声波的强弱连续变化，其频率也会随着声音的音调高低而变化。模拟信号在传输过程中，容易受到噪声和干扰的影响，导致信号质量下降。

数字信号则是一种离散的信号，它只有有限个离散的状态，通常用二进制的 0 和 1 来表示，计算机处理的数据就是典型的数字信号。数字信号抗干扰能力强，便于存储、处理和传输，因为它可以通过编码和纠错技术，在一定程度上恢复被干扰的信号。

码元是数字信号中代表不同离散数值的基本波形，在数字通信中，常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号就称为（二进制）码元，码元的持续时间称为码元长度。比如在二进制数字信号中，我们用高电平表示 1，低电平表示 0，那么这个高电平或低电平就是一个码元，它在时间上是有一定长度的。除了二进制码元，还有多进制码元，如四进制码元有 4 种不同的取值状态，可以表示 00、01、10、11 这四种组合，能携带更多的信息量。

（三）信道与通信方式

信道概念：信道是信号传输的通道，从狭义上讲，它是指信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质，比如有线信道中的双绞线、同轴电缆、光纤，无线信道中的自由空间（用于传输无线电波）、水下的水声信道等。从广义上讲，信道不仅包括传输媒质，还包括信号传输的相关设备，像调制解调器、放大器、中继器等。信道可以分为模拟信道和数字信道，模拟信道用于传输模拟信号，比如传统的电话线路就是模拟信道，它传输的是模拟语音信号；数字信道用于传输数字信号，如光纤网络可以直接传输数字信号。在生活中，我们家里的宽带网线就是一种信道，它将互联网服务提供商（ISP）的信号传输到我们的电脑