计算机网络第三章--物理层

什么是物理层拿王道的PPT说明即可：

物理层一般不考察大题，仅仅会考察选择题，所以不用紧张，但是不能不学。上图中的什么电气特性，功能特性等都会在本章慢慢学，不用着急看懂。

1.数据通信小知识

为了搞清楚什么是物理层，我们必须学一点通信的知识，但是不会太多也不会太深入，简单了解即可。

1.1 什么是数据通信

其实就是计算机通过调制器，把数字信号(01信号)转换成模拟信号(就是电磁波)，然后传递到另一个设备的过程：

调制解调器把收到数据转换为数字信号以后，就离开物理层进入了数据链路层，从数字信号被发出到接收的这个过程就是物理层发生的全部过程。

1.2 数字信号和模拟信号

数字信号就是计算机里面的01代码，具体的计组会学习。因为01是高低电平来表示的，所以数字信号是一种离散信号。而模拟信号是一个个的电磁波，它用波峰和波谷来表示01，它是离散的。具体怎么转换的，后面会简单介绍。

1.3 信源、信宿和信道

从图上就可以发出，信源是信号的发出方，信宿是信号的接收方。最后的信道其实就是信息的传递的道路，一般发送出去走一条，回来走一条，两个设备之间至少需要2个信道才能通信。 信道还能分为有线的和无线的，数字信道和模拟信道，这些概念其实听名字就可以理解。

1.4 三种通信方式

1.4.1 单工

只需要一条信道就可以了，它没有返回信道，比如收音机只需要接收电台的一条信道，它不能反馈电台信息。

1.4.2 半双工

它也叫双向交替通信方式，需要两个信道，允许通信的双方对话，但是因为设备只能发送数据或者接收数据，不能并行执行，所以发送和接收同一时间只能有一个。比如对讲机。

1.4.3 全双工

它也被称为双向同时通信方式，也是需要两个信道，但是接收和发送可以同时发生。现在的手机电脑的通信都是全双工的。

1.5 同步传输和异步传输

同步和异步不是指几个信息是同步的还是异步的，而是指对于同一个数据是一起传输的，还是分开传输的。
（1）同步传输：同步传输就是先给信宿发一个或者几个同步信号，让信宿准备好，然后再把要发送的信息一整块的传过去，这一整块的数据称为数据区块。比如要传输一句话，那么就先发一个信号，告诉对方我要说一句话，对方开始认真地听着，这个时候我再把一整句话发出来。
（2）异步传输：它会把要传输的信息分组再传输，它会告诉信宿开始和结束的位置。比如一句话：“你好吗？”，同步的做法是把这一整句一起发出去，对方接收完就结束了，因为所有的信息只有一句话。而异步的做法是把这一句话分成：你，好，吗几次传输，所以要告诉对方什么时候开始，什么时候结束。
相比之下，同步传输更简单，但是传输的时候信号丢失了，对方啥也接收不到，异步传输会麻烦一些，但是有的时候丢失一两个信号(比如图像上的一些像素)，对信息的完整性不受影响。这个在计网里面的具体应用后面的内容会遇到，现在有印象即可。

1.6 专业术语介绍

1.6.1 码元

码元是数字信号传输的基本单位，它的完整描述是：码元是一个固定时长的信号波型。这里有的人可能会有点懵，为什么信号会和时间有关，现在举个例子：比如我们用01来表示数据，那么我们可以规定0其实是1ns的低电平，1是1ns的高电平，那么当传递过来的信号，前2ns都是低电平，后面1ns是高电平，我们就可以知道传递的信息是001。所以时间的分割可以允许我们连续地传输相同的电平信号。我们也把码元的时间称为码元宽度，简写为T。
当码元的离散状态有M个时，我们将其称之为M进制码元。这个很好理解，比如01代码只有两种状态，所以是2进制码元。现实生活中其实很少用2进制码元，因为它一次只能传输1bit的数据，但是如果我们把0000，0001，。。。1111这样的16组数据，用0-15电压来表示，就可以形成16进制码元，一次可以传输4bit的数据，传输效率会快很多。

1.6.2 速率

前面第二章我们已经学习过速率的概念，但是那个是信息速率，但是物理层的速率其实可以分为两个：
（1）码元速率：就是1s内传输了多少个码元，通常等于1s内的脉冲次数和信号变化的次数。码元速率的单位是波特(Baud)，简称B(别和Byte搞混了)。
其实当你规定好了码元，其速率就是恒定的，这是因为每一个码元的时间其实是规定好的，也就是码元宽度。所以码元的速率恒等于$\frac{1}{T}$(B)。
（2）信息速率：就是上一章说的，单位是bit/s。当码元是二进制码元的时候，码元速率等于信息速率。如果不是二进制码元，那么如果题目给你了码元速率，那么还需要先计算一下它一码元可以携带多少bit的数据，再相乘。比如下面这样的一个题(通常只会考选择题)：

解：1.码元速率很简单，就是2000B。2.也很简单，1200B。3.第一个的信息传输速率是$lo{g}_{2}4\times$ 2000=4000bit/s，第二个$lo{g}_{2}16\times$ 1200=4800bit/s。显然，第二个更快。
题目还会考察你概念相关的东西，比如：

这里的二进制信号速率，其实就是在问你信息速率是多少，因为前面说过信息速率和二进制速率相同，所以直接1600x3=4800b/s即可。
也有和你说信息速率，让你求码元速率的：

很简单，之前是乘法，现在变成除法即可：1200B。
但是说实话，其实一个计算机的脉冲频率一般是恒定的，也就是不管你的码元进制是多少，你的码元速率都是一样的，在改变的其实是信息速率，所以题目如果从严谨的角度出发，不会问你8进制码元速率是xx，那么4进制码元是多少，因为这样的题目基本没有意义，如果真的遇到了，那么就先把码元速率转为信息速率，再转到码元速率。

1.6.3 带宽

带宽和上一章的定义是一样的，这里补充一下模拟信号的带宽的完整定义：
（1）模拟信号带宽：当输入信号的频率高或者低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入成功时的一半(即-3dB)时，最高频率和最低频率的差值就称为系统的通频带宽，单位是赫兹HZ。这里前面半句理解不了没有关系，考试也不会考，这其实是通信专业的同学学习的内容，感兴趣的自己百度一下。这里还说一下，一个传输模拟信号的介质，其实带宽其实是有限的，比如电话线，有一个最高频的限制，所以从某些意义来讲，模拟信号的带宽和数字设备的带宽是一样的，都是代表一个最高的阈值。
（2）数字设备的带宽：第二章已经说的很详细了，就不说了，它单位是b/s。

2.奈氏准则和香农定理

这里的很多内容也不用较真，因为都是通信原理的知识，和计算机关系不大，了解即可。

2.1 失真

失真的概念很简单，就是指信号在传递过程中，因为受到外界的干扰(外界的噪声等)而发生的变形的现象。失真还分严重和不严重两种，如下：

第一种显然是不太严重的，因为我们还能知晓其内容，但是第二种已经严重失真了。
失真的原因有四个：
（1）传输速率：高中物理学过，波越短越快，但是它的避开障碍的能力就弱，所以传递的越快，就越容易失真。
（2）信号传输距离：距离越远，则信号能量的衰减以及障碍就越多，所以越远越容易失真。
（3）噪声干扰：这个不用多说。
（4）传输介质：用光纤传输肯定是比直接通过空气传播要更好，已经在计组学习过的双绞线可以抗干扰等。举个简单的例子有线耳机的音质普遍优于同价位的无线耳机。

2.2 码间串扰

码间串扰其实是一种失真，如图：

这里的电话线的带宽是3000HZ，因为它最低允许300HZ的数据通过，最高允许3300HZ的数据通过，所以3300-300=3000HZ。其中，200HZ的信号因为震动太低了，所以其能量不高，在电话线上会损耗到0。而4000HZ因为太快了，所以接收端无法分辨哪个是波峰哪个是波谷，这和电话线其实关系不大，而和接收端关系较大。对于4000HZ这种因为频率太高，而导致接收端无法分辨码元之间的界限的问题，就叫码间串扰。

2.3 奈氏准则(奈奎斯特定理)

奈氏准则是为了解决码间串扰的问题产生的。其定义如下：在理想低通(也就是没有任何干扰)的情况下，最高的码元速率是2$\times$W B，W是当前传输的信道带宽，单位是HZ。这里说明一下，对于模拟信号而言，信道带宽也是由接收方和发送方共同决定的。这里奈氏准则用到上面就是码元速率不能超过6000B。除非很好奇，不要深究为什么。记住这个公式就可以了。
题目会直接告诉你W以及码元是n进制的，然后让你计算最高的信息速率：
$$极限信息速率=W\times 2\times {\log }_{2}n(bit/s)$$

这个考点常出现于选择题计算。
奈氏准则的意义是告诉我们不能为了提高传输速率而无限的缩小一个码元的宽度，码元的宽度是受信道限制的，达到极限以后，要继续提高传输效率只能改用更高进制的码元。
这里来个题目感受一下：

这里补充一下，n个相位，每一个相位有m种振幅的QAM调制技术的码元进制是nxm。
所以题目说的是16进制的码元，所以一个码元携带4bit的数据，且最高一秒6000码元，所以最大传输速率就是2.4W bit/s。

2.4 香农定理

奈氏准则没有考虑到当前环境的噪声，于是香农定理诞生了。

2.4.1 信噪比

在学习香农定理之前，我们需要了解一下信噪比的概念，信噪比就是信号和当前环境噪声强度的比值。公式为：
$$信噪比=\frac{信息的平均功率}{噪声的平均功率}$$
单位是S/N，还有一个常用单位是分贝dB。S/N和分贝之间的转换公式如下：
假设当前的信噪比是M(S/N），转换为分贝之后是B(dB)，则
$$B=10lo{g}_{10}M$$
考试不会让你计算信号的平均功率，只会直接给你S/N的信噪比，让你转换为dB,所以上面这个公式很重要。之所以用dB是因为信噪比用S/N表示的话，数字很大，所以需要根据指数缩小数字。

2.4.2 香农定理

香农定理和奈氏准则不同，它允许有噪声存在。假设当前的信噪比为M(S/N)香农定理表示为：
$$极限信息传输速率=W\times lo{g}_2(1+M)（bit/s）$$
这里的W还是当前的信道带宽，要注意后面的M是S/N为单位的，如果题目写了dB记得转换一下。看得出来，香农定理是奈氏准则的进一步阐述，具体怎么来的不用管，背下来即可，真的好奇可以去百度一下。

2.4.3 香农定理的推论

（1）信噪比越大，则极限传输速率也越快。
（2）当你测定了当前信道的带宽以及信道比，你就可以确定当前的极限传输速率。
（3）只要当前的信息传输速率比极限传输速率要低，那么就可以实现无差错地数据传输。
（4）实际生活中噪声是测不准的，所以即便算出来了也是一个估计值，实际要设置得更低。
这几个了解即可，背上面公式即可。 做个题目：

首先要把信噪比转为S/N的单位：$10^{(30÷10)}=10^3$dB。于是其最大传输速率为：$3000\times {\log }_2(10^3+1)$约等于3$\times 10^4（bit/s）$。

2.5 什么时候用什么

当题目没有信噪比的时候，就用奈氏准则去算。当题目有信噪比的时候，要把两个都算一下，取其最小值。因为两个公式的计算参数不同，所以有时候符合香农定理的条件，可能会违背奈氏准则。比如：

这个题目里面即说了二进制信号，又说了信噪比，显然是需要我们都算一下,这里没有说信噪比的单位，所以默认是S/N：
$奈氏准则：2\times 4000\times 1=8000(bit/s)$
$香农定理：4000\times {\log }_2(1+127)=28000(bit/s)$
显然，因为奈氏准则算出来的更小，所以信号的极限传输速率是8000bit/s。

3.编码和调制

现在来简单学习一下数字信号是怎么和模拟信号进行转换的，这个也是简单了解即可，不用太深入。

3.1 两种信号

这里补充一下两个专有名词：基带信号和宽带信号。

3.1.1 基带信号

基带信号是直接表达了原本意思的信号，比如01数字编码用高低电平表示，也比如我们人和人之间的交流，当信源发出信号，信宿如果直接收到以后能够直接理解其含义，那么这个信号就是基带信号。传输基带信号(不管是有线还是无线)都称为基带传输。

3.1.2 宽带信号

“宽带”这个词其实大家肯定听过。宽带信号就是易于传输的模拟信号，它往往不能直接产生，需要经过调制来生成，而且需要满足频分复用技术。什么是频分复用后面会说。通常来说，宽带信号的频率要远高于基带信号，因为频率提高了则能量提高了，不容易衰减(你可以理解成一个很高的三角形，当它因为损耗被削矮了你也可以看出它是三角形，但是如果它本来就矮，削减之后就是一个直线了)。

3.2 两种数据

数据目前可以分为数字数据，比如我们的图片等用01表示的数据，还有一类是模拟数据，比如音频等。数字数据可以通过数字发送器转换成数字信号(高低电平)，通过调制器转换成模拟信号。而模拟数据可以通过PCM编码器转成数字信号，也可以通过放大器调制器转为更高频的模拟信号(因为模拟数据本来就是模拟信号，只需要提高其频率即可)。
转换为数字信号的过程就是编码，转换为模拟信号的过程就是调制。

3.3 编码

3.3.1 数字数据编码为数字信号

目前要把数字数据编码为数字信号一共有以下几种方式：
（1）非归零编码【NRZ】；
（2）曼彻斯特编码；
（3）差分曼彻斯特编码；
（4）归零编码【RZ】；
（5）反向不归零编码【NRZI】；
（6）4B/5B编码。
如下图所示：

(1)非归零编码：就是我们一直学习的，0是低电平，1是高电平。它的优点很明显，就是简单，但是缺点是不能检验错误，并且没有能判断一个码元开始和结束的地方，导致接收方无法和发送方同步。解决办法就是额外添加一条信号线来控制双方的同步，比如电脑里面的时钟信号线。
(2)曼彻斯特编码：曼彻斯特编码克服了不能实现同步的缺点，接收方可以根据曼彻斯特的内容来实现同步。它的实现方式是：把一个码元分成两个间隔，前高后低是1，后高前低是0，这样每一个信号的边界就很清晰。所以这是目前常用的方法之一。有的教材也规定前低后高是1，具体要看题目。曼彻斯特编码在一个时钟周期内信号变化两次，所以码元传输速率只有调制速率的1/2。也就是说它唯一的缺点就是和其他的编码比起来，要额外跳变一倍。
(3)差分曼彻斯特：它常用于局域网的传输。它的特点就是如果数字是1，那么它与前一个码元的后半部分一致，否则是0就是当前码元的前半部分和前面码元的后半部分相反。记住同1异0即可。它和曼彻斯特编码一样，可以实现同步，并且实现起来更加容易，而且抗干扰能力强于曼彻斯特编码。
(4)归零编码：

归零编码总是以0结尾，就是每一次结束都变成0，那么我们就可以知道高电平的起点，但是缺点和非归零编码一样，就是如果低电平比较多，就不知哪里开始哪里结束了。
(5)反向不归零编码：

这里的图的数字数据和上面是一样的，可以对照着看：当遇到的数字是0的时候，发生高低电平的转变，数字是1的时候保持不变。优点就是如果是0我们知道它什么时候变了，但是如果都是1，那么我们就不知道它哪里变了。之所以反向就是因为它的缺点和归零编码正好是反着的。
(6)4B/5B编码：这种编码方式是用于解决归零和反向不归零编码的，它的原理就是以4bit数据为一组，额外加一个奇特的波来作为区别，这样就不会形成一直连续的0或者1。它的缺点就是传输效率只有80%，因为有一位不携带数据。因为4位可以有16种情况，所以我们对每一种情况的4B/5B都要区分，具体如下：

因为5bit可以表示32种。所以剩下的还能用来表示开始和结束，实现同步和其他功能。具体的内容了解即可。考试只会考前三种，后面三种知道它们是存在的即可。

3.3.2 模拟信号编码为数字信号

这个过程经常在录音等操作的时候，只有把音频数字化才能存储。最常用的是脉码调制技术，简称PCM，它的保真率是最高的，常用于保存音乐，视频等，并且应用于DVD，CD，以及WAV文件中。进行PCM需要三步走：
（1）抽样：对模拟信号进行周期性的扫描，把一个连续的信号变成离散信号。必须保证当前的采样频率大于等于2倍的被采样信号的最高频率，才可以保证数据不失真，这也被称为采样定理，原理也很见到，因为一个波的公式是$y=Asin(wx+\varphi )$,通常$w$的值是已知的，因为可以直接测出来，唯一的未知量就两个$A$和$\varphi$，所以至少需要获得两个x和y才行，要在一个波的周期内取样两次，那么取样的频率必须是其两倍。而且一个模拟信号里面可能有多种波，所以只要把频率最高的那个波取样保证了，其他波的取样也就不是问题。
（2）量化：把抽样取到的各个点的幅度值(就是二维上的纵坐标)，根据一定的分级标准，准换成对应的取整数字。
（3）编码：把量化的结果，转化成对应的二进制编码（可以理解成把十进制转成2进制）。

图上一共16种状态，所以用4位进行编码即可。

3.4 调制

3.4.1 数字数据调制成模拟数据

调制数字数据成模拟数据方法有：
（1）调幅(ASK)：就是0就是没有信号，1是有幅度的信号。
（2）调频(FSK)：0是低频，1是高频。
（3）调相(PSK)：0是正弦波，1是余弦波。
其实就是从波的振幅，频率，相位入手。如图所示：

（4）调相+调幅(QAM)：故名思意，就是先把相位调好，然后再进行调幅，这样就能传输多种信号。传输的信号的种类其实和码元的进制数是一样的，具体计算方法就是用相位的数目乘以振幅的数目。 比如下面这个题目：

答：4x4=16进制。那么一码元可以携带4bit的数据。然后就用4x1200就可以算出答案是4800bit/s。

（5）和QMA一样，其他的任意两种，甚至是三种基本的调制方法都可以参合在一起。用一样的方法去计算码元的进制即可。

3.4.2 模拟数据调制为模拟信号

其实就是把低频改成高频，仅此而已，这个简单知道就行，不考。

4.数据交换

4.1 什么是数据交换

数据交换其实是数据传输的一种形式，如图所示：

如图所示，如果要做到每两台电脑之间都直接连接，那么几乎是不可能的，但是如果我们把数据都发给一个或多个设备来帮我们转发数据，那么久不需要那么多的通道，这些帮忙转发的设备就是交换设备，常见的包括了基站，路由器，交换机等。具体的交换方式有多种，现在来逐一介绍一下：

4.2 电路交换

如图：

光是看着可能很懵，但是它的原理很简单：信源A和信宿B之间会建立一条独占式的通信路线，知道传输结束结束之前，这个通信路线仅能被A和B使用。通信路线的建立方法就类似于数据机构里面学习的最短路径生成算法，具体流程是这样的：由A先找到第一个交换设备，然后第一个交换设备又去找下一个合适的交换设备，这样一直连接到设备B上去。一旦连接建立，除非设备A或者设备B发出一个撤销路线的请求获得对方同意之后，路线会被撤销，否则就一直占用。这和计组学习的总线原理其实是很类似的，所以叫做电路交换。
整个连接的过程可以总结为下面三步：

它的优点是：在处理实时性要求大的数据，且数据量较大时，效率很高。因为数据独占，所以它的传输时延较小。并且它控制起来是很简单的，只需要三步就可以完成。它既能支持数字信号也能支持模拟信号。
缺点就是它的连接时延比较长，且不允许其他设备使用。并且它没有容错率，某一个节点出了问题，就必须全部重新来建立。而且它的每一个交换设备都没有存储能力(这是因为对于连续不断的数据，通常不需要缓冲，直接传即可)，当数据大的时候会出现数据丢失(因为没有缓冲)。

4.3 报文交换

如图：

在报文交换中，信源和信宿并不独占信道。信源像送信一样的送出报文，然后就不再理会，各个节点收到报文之后首先会保存到它们的缓存里面检测是否出错，没有错误的话就会根据路由转发表传给下一个交换设备，直到送到信宿手中，同样的，每一个交换设备在把自己的信息发出去以后也不再理会。它的特性就被称之为存储转发。至于什么是路由转发表将在后面的章节学习。它的优点有：路线并不固定，当一个交换设备出错的时候，可以转给其他交换设备，同时还能支持一个信源发送给多个信宿而不用建立多个信道。
缺点是：只能用于数字信号，并且传输时延较长，并且有多个报文时还会冲突，也有缓冲区不足的问题等。

4.4 分组交换

因为电路交换和报文交换都有各种缺点，所以就提出了分组交换的概念。如图：

它的原理和报文交换是一模一样的，但是因为报文是一个完整的信息，所以很长，容易出错同时对交换设备的缓冲区要求大，于是，我们把报文按照一定长度分割成一个个分组，然后逐个发送，这样就可以防止交换设备的缓冲区被占满。它虽然相比于报文交换，减轻了存储转发的压力，但是因为每一个分组都需要加上控制信息，所以它会减少数据的传输量。

4.5 三种交换方式的对比

(1)当需要传送的数据大，且传送的传送时延远大于发送时延的时候，选择电路交换。
(2)当传送的数据量不大，且有很多交换节点的时候，选择分组交换更加合适(报文交换被分组交换代替了)。

4.6 分组交换的分类

因为目前大家用的都是分组交换，所以我们对分组交换进行二次细分：

4.6.1 数据报交换

具体流程如下：
（1）信源把要传送的报文分组，每一个分组称之为一个数据报，如图上的P2和P1。
（2）信源把数据报分别发给附近的不同的交换节点。这是为了防止把所有信息都发给一个节点，导致其缓冲区被挤爆。
（3）当一个交换节点收到数据报之后，会对其信息进行检测，确认没有发生错误之后根据路由转发表发给下一个节点，并且把这个数据报保存下来，同时向上一个节点发送一个ASK确认信息，上一个节点把存储的报文删除。如果检测出错误，则向上一个节点要求重新发送一次报文。这样可以最大程度地避免出错，具体怎么检测错误的后面会学习。
（4）所有数据报都传递到信宿之后，信宿会根据每一个数据报的序号将其重新组装。因为各个数据报到达的时间可能不一样。
这种数据报传输方式的特点有：1.为网络层提供了无连接服务。2.网络中任何节点都可以接受数据报。3.每一个分组都需要规定其源地址和目的地址，以及其分组号(序号)。4.当发送拥塞的时候，会丢失分组(上一个节点保存了分组的数据，会过一会重传)。5.某个节点出错的时候，上一个节点会因为迟迟收不到回复而自动地找到另一个节点发送数据报，容错性强。

4.6.2 虚电路方式

虚电路方式是电路交换和数据报交换的结合体：

它的流程和电路交换几乎一致：
（1）建立连接：信源向信宿发出呼叫请求，这个过程会一直记录经过了哪些节点：比如主机A向结点A发出信息，节点A会把自己写入路径中，之后到了B，B又把自己写入路径中，这样依次类推，当主机B收到这个请求的时候，主机B是知道中间经过了哪些节点的。于是主机B按照这个路径给主机A发回一个呼叫应答，这样也是确认这个路径走得通。
（2）数据传输：每一个分组都携带虚电路号(就是记录了要走哪些节点)，分组号以及检验和等信息，然后发送出去。这样主机B可以同时接收多个虚电路发来的不同信息，主机B可以根据虚电路号把它们区分开。
（3）释放连接：主机A请求释放，之后主机B进行一个应答。
它是一个为网络层建立连接的服务。它和电路连接的区别在于，它有存储转发，同时，虽然规定好了一条路径，但是这个路径上的节点不是被信源信宿独占的，这些节点也可以同时变成其他信源信宿的虚电路的节点的一个部分，同时当接收方来不及接收的时候，它还能暂存在结点里面。因为路径是唯一且是顺序传输的，所以不需要携带源地址和目的地址，因为路径上的每一个节点都存了这个虚电路号需要传到哪里，不需要包含在分组里面了。
缺点就是它有一个节点坏了，全部的路线都需要重新组成。

4.6.3 两种分组交换的区别

这里说数据报服务不可靠其实是因为分组可能会一直丢失，有时候上一个节点存的信息也会丢失，这样数据就彻底丢失了。但是经过上面的学习，我们会发现其实不用太担心数据丢失的问题，因为两边都丢的概率也不大。

5.物理层的传输介质和设备

这里讲的就是实实在在看得见摸得着的东西了，但是这些并不是很重要，了解即可。准确来说，这些东西被划归于“第0层”，并不属于TCP/IP或者ISO的结构，但是我们真的要操作计网，那么这些东西我们是必须了解的，就好比电脑不属于算法，但是你连电脑有哪些怎么用都不知道，算法理论再好你也用不了。

5.1 传输介质

传输介质是在发送端和接收端真实存在的物理通路。它可以分为两种：

5.1.1 导向型传输介质

电磁波能沿着这个介质定向的传输，比如：铜线，银线和光线等。目前常用的导向型传输介质有：
（1）双绞线：

如图所示，这是由两个相互纠缠的绝缘铜线交互形成的，它的用途在计组的文章里面也说过。它的抗干扰能力极强，因为它们两个线的电流是相反的，所以电磁场会自动抵消。在外面再加一个由金属丝构成的屏蔽层(高中物理学过，一个密闭的金属环境是能隔绝一切信号的)，可以保证它几乎不会受到外界信号的干扰。常见的网线就是双绞线：

有线耳机，便宜的是非屏蔽双绞线，贵的是屏蔽双绞线。它的极限传输距离有几十公里那么远，如果要传输的更远就需要用放大器放大其模拟信号，或者用中继器，每隔一段时间规整一下其数字信号。
（2）同轴电缆：
它由图中四部分组成：

其中内导体可以是铜线也可以是银线，外面来一个绝缘层防止燃烧和能量损耗，外面加一个屏蔽层使之也有很强的抗干扰能力，绝缘保护套是用来保护外导体屏蔽层的。根据导体电阻的不同，可以分为50Ω和75Ω的同轴电路，其中50Ω常用于传输基带数字信号，应用于局域网中(因为基带是没有调制过的信号，所以只能近距离传输)；75Ω的用于传输宽带信号(多是模拟信号)，应用于有线电视中。至于为什么这么用，基带信号的频率低，携带能量不多，在高电阻上会消耗掉，导致无法传输，而高频信号(也就是宽带信号)的能量很高，如果电阻太低会烧掉，所以要高电阻来防止燃烧。目前同轴电缆的线其实已经很少见了：

它的优点是在面对高频信号的时候，抗干扰能力甚至优于屏蔽双绞线(因为它只有一根导线，并且和外面隔了三层，而且每一层都比双绞线的要更厚)，所以适合远距离传输数据。当然，现在的屏蔽双绞线的性能也未必比同轴电缆要差(虽然有的教程说双绞线的抗干扰性比不上同轴电缆)，但是屏蔽双绞线制作成本更高，所以也不适合远距离传输(再提一句，同轴电缆要比非屏蔽双绞线贵，所以越贵越好…)。它的缺点就是低频信号在上面传输则衰减比较厉害，所以需要减少小电阻。
（3）光纤：
光纤传递信号的速度极快，远快于其他两种介质，但是它传递的是光脉冲信号。它的材料是光导纤维，其实是硅。它带宽很大，通信量也很大，并且传递速度就是光速。但是因为传输的是光脉冲，所以需要在发送端加一个转换器，把数字信号或者模拟信号转成光脉冲,接收方也需要转换回来。

如图，原理要涉及到大学物理的光学部分。当入射角小到一个值的时候，就会发生全反射，这样就不会有损耗。然后光就在这个高折射率的纤芯里面一直传输。外面的包层则用来防止外部光线干扰。因为它不存在电气干扰也不会产生热量(但是还是有损耗，因为没有任何材质是百分百不透光的)，所以准确率和传输距离都很高。
光纤其实还分为两种：
（1）多模光纤：一次可以传输多个光脉冲：

但是里面的光子其实会互相碰撞，并且会漏光，导致损耗得很快。所以适合短距离传输，它的优点就是带宽大，可以同时并行传输。
（2）单模光纤：既然反射会有损耗，干脆就不反射了，把纤芯的直径大小减小到和光的波长一样：

这样就是直线传播，不存在漏光也不存在碰撞，所以理论上是可以无限远传输且无损耗的。

上图是光纤，下图是光缆(里面有很多光纤)：

虽然它优点很多，但是它贵…

5.1.2 非导向型传输介质

电磁波不是定向传播的，而是以波的扩散方式进行传播的，比如空气，海水等。对于非导向型的传输介质，我们讨论的就不是介质是什么，而是要传播什么了：
（1）无线电波：它的信号向四面八方传播，比如我们打电话。它的穿透能力强，传播范围广，所以用于通信。
（2）微波：沿着直线传播的。微波的频率高，所以携带的信息就多，但是传的不如无线电波远，所以需要地面的中继站(基站)帮忙辗转或者由卫星帮忙转发。卫星微波通信理论上是在地球上有无限传输距离，但是它的缺点是成本高，且会受到太阳黑子干扰。
（3）红外线和激光：也是定向传播的。红外线和激光相比于微波则需要转换成微波的格式，说白了它们其实是特殊的微波，传输原理和它们是一致的。

5.2 中继器

前面说过，数字信号在传播的时候会出现失真的现象，所以就需要中继器来对衰减的信号进行恢复和还原，从而增加其传输的距离。

它的功能就是四个字：再生数字信号。不需要过多的说了，因为考试也不考，了解即可。它用于两个网段之间，且要求两个网段的速率一致。它的两个端口都是连接电缆的，它负责把一个电缆上模糊的数据恢复成清晰的，然后转发到另一个电缆上，没有纠错能力，纠错还需要交换节点来。中继器两端的媒介可以不同，也就是它能把电气脉冲转为光脉冲，所以给他一端连接一个光纤，一端连接同轴电缆也行。它要求两边协议一致，否则会出错。最后，中继器不能太多，因为它处理数据是需要时间的，如果中继器太多，则传输时延就太长了，还推出5-4-3规则：每5个网段里面只能有四个中继器，而且只能有3个计算机：

至于什么是网段这是其他层的内容，后面讲。

5.3 集线器

集线器其实就是一个有很多端口的中继器。它的功能和上面的中继器是一样的。唯一的特征就是，它连接了很多个口，它把数据恢复以后会传递到和它连接的，除了输入口之外的全部端口上，这样其实就实现了数据的一种广播。形成一个星形的拓扑：

缺点是当出现数据碰撞时，它会直接不理睬，等待它们再单独传递数据，它才工作，所以几个主机需要商量好谁先发，谁再发。最好的操作是让这个几个计算机平分时间，让大家并发的工作，而不是并行工作。这些了解即可。

物理层到此就结束了，会考的有奈氏准则和香农定理，需要重点学习，此外，数据的三种交换方式的基本原理也需要理解，否则后面的内容学起来会很费力。