物理层

物理层处理的是相邻通信设备之间的比特传输。它不解释比特代表什么，也不关心这些比特属于哪个协议数据单元；它关心的是怎样把 0 和 1 表现成信号，怎样让信号通过传输通路，怎样让接收端按约定恢复出比特序列。

物理层的直接服务对象是数据链路层。数据链路层把帧交给物理层后，物理层负责把帧中的每个比特送到相邻节点；接收端物理层再把恢复出的比特交给接收端数据链路层。

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一个通信系统至少包含四个基本概念：

信道不是某一根线的同义词。它是信号能够通过的通路，可以建立在双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等传输媒体上。

消息、数据、信号

计算机网络传输的是数据，但通信的目的通常是传递消息。三者关系如下：

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消息进入计算机后被表示为数据。网卡、调制解调器等设备再把数据变换为信号，让它可以在传输媒体上传播。

信号可分为两类：

计算机中的数据通常是数字数据，但链路上传播的信号不一定是数字信号。若基带数字信号不能直接适配信道，发送端可以通过调制把它搬移到较高频率的载波上。

基带信号与带通信号

基带信号是信源发出的原始信号。计算机输出的数字信号通常是基带信号。
带通信号是经过调制后适合在某一频带上传输的信号。

# 码元与比特

比特是信息量单位，码元是信号单位。接收端不是抽象地“收到一个比特”，而是在一个码元时间内观察信号状态，再按约定解释成比特。

如果一个码元只有两种可区分状态，它最多表示 $1$ bit。若一个码元有 $M$ 种可区分状态，它最多表示：

$$
\log_2 M \text{ bit}
$$

多进制调制提高数据率的核心就在这里：不只是让码元传得更快，也可以让每个码元携带更多 bit。

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波特 Baud是码元传输速率的单位，表示每秒传输多少个码元：

$$
B=\frac{\text{码元个数}}{\text{时间}}
$$

数据传输速率表示每秒传输多少 bit，单位是 b/s：

$$
R=B\log_2 M
$$

例如，某链路每秒传输 $1000$ 个码元，每个码元有 $4$ 种状态，则：

$$
R=1000\times \log_2 4=2000\text{ b/s}
$$

波特率不一定等于比特率

当 $M=2$ 时，一个码元携带 $1$ bit，数值上 $1\text{ Baud}=1\text{ b/s}$。
当 $M>2$ 时，一个码元携带多个 bit，比特率大于波特率。

# 带宽

带宽有两个常见语境，单位不同，含义也不同。

语境	含义	单位
频率带宽	信道允许通过的频率范围	Hz
网络性能指标	链路理论最高数据传输速率	b/s

在物理层容量计算中，带宽通常指频率带宽。例如电话线允许通过约 $300\sim3400\text{ Hz}$ 的模拟信号，则频率带宽约为：

$$
3400-300=3100\text{ Hz}
$$

在链路性能描述中，带宽常写成 $100\text{ Mb/s}$、$1\text{ Gb/s}$，此时它表示该链路理论上每秒最多能传多少 bit。

用单位判断含义

Hz 对应频率范围；b/s 对应数据率。奈奎斯特定理和香农定理中的 $W$ 是频率带宽，单位是 Hz。

# 物理层接口特性

物理层不仅规定信号怎么传，还规定设备如何连接到传输媒体。接口特性通常分为四类：

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