Lecture 3：知识 - 物理层概述

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描述：物理层只负责在介质上传 0/1 比特，不理解帧、地址和协议语义。它通过统一接口规范屏蔽双绞线、光纤、无线等介质差异；中继器和集线器也仅在这一层对信号做再生/转发。

2.1 物理层实现的功能

物理层在各种传输媒体上发送和接收比特 0、1，向上面的数据链路层提供透明传输比特流服务。

“透明”不是指数据永远不出错，而是指数据链路层不需要知道下层究竟用哪一种物理媒体、信号编码和通信手段；它只把物理层交付的内容当作连续比特流使用。
物理层不解释帧首部、MAC 地址、IP 地址或应用数据，不承担帧级差错校验、路由和端到端流量控制；具体 PHY 实现仍可能包含线路编码、纠错码等信号处理机制，不能据此说物理层绝不处理任何差错。
同一逻辑比特可在铜缆上表现为电压变化、在光纤上表现为光脉冲、在无线中表现为电磁波状态；介质差异被物理层接口与传输规范隔离。

数据链路层：把比特流组织成帧、处理相邻节点链路问题
      ↑ 透明比特流服务
物理层：将 0/1 映射为可在介质中传输的信号并恢复比特
      ↓
双绞线 / 光纤 / 无线等传输媒体

2.1.1 通信系统的基本对象与速率

INFO · 教材补充

flowchart LR
    A[信源<br/>产生数据] --> B[发送器<br/>编码/调制]
    B --> C[信道<br/>传输信号并叠加噪声]
    C --> D[接收器<br/>解调/译码]
    D --> E[信宿<br/>接收数据]
    N[噪声源] -.-> C

概念	准确定义与边界
数据	要传送的信息内容，可为数字数据或模拟数据
信号	数据在传输系统中的电气、光学或电磁表现，可为数字信号或模拟信号
信源/信宿	分别产生数据和最终接收数据的实体
信道	信号传输的通路；按方向可讨论发送信道和接收信道，按频谱特性可讨论低通/带通信道
码元	固定时长内代表一个离散信号状态的基本信号单元
码元速率	每秒传送的码元数，单位 Baud；若每码元有 $M$ 种可区分状态，理想携带 $\log_2M$ bit
比特率	每秒传送的二进制位数，单位 bit/s；在理想映射下 $R_b=R_B\log_2M$
频率带宽	信号占用或信道允许通过的频率范围，单位 Hz；与网络性能指标中以 bit/s 表示的“数字链路带宽”不是同一个量

基带传输把数字数据直接变换为数字基带信号送入低通信道；带通传输先用数据调制载波，形成适合带通信道的模拟信号。编码、调制和码元换算详见编码与调制。

2.2 物理层接口的四类特性

物理层规定设备与传输媒体/接口之间可正确互连与工作的条件，常分为机械、电气、功能、过程四类。

特性	规定内容	常见判断关键词
机械特性	接头形状、尺寸、引脚数及排列、固定/锁定装置	插头外形、针脚数量、接口扣具
电气特性	信号电压范围、阻抗匹配、传输速率、距离限制等	电平、阻抗、速率、最大距离
功能特性	接口电缆每一条信号线的作用	哪根是发送、接收、控制、地线等
过程特性	信号线上传输比特流的一组操作过程及信号时序关系	建立、发送、确认、撤销的先后时序

易错：引脚“排列”属于机械特性；某根线“做什么”属于功能特性；各信号“何时出现/撤销”属于过程特性；电压范围和阻抗匹配属于电气特性。

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器 Repeater

数字信号沿传输介质传播会受衰减、噪声和失真影响。中继器接收已衰减/失真的数字信号，对其判决、整形、再生后再发送，延长可通信距离或连接网段。

核心原理是信号再生，不是把原来已衰减的波形简单调大。
中继器只能直接连接物理层兼容的网段，例如速率、线路编码和接口时序一致；教材常进一步表述为所连接网段使用相同的数据链路层协议。
因为只处理物理信号，它不会根据 MAC/IP 地址进行过滤、选择转发或路由。

严格说，中继器并不读取或判断数据链路层协议；“链路层协议相同”是两段合并后能作为同一网络正常工作的条件，不是中继器具备协议转换能力。它既不能在不同速率/编码间转换，也不能把一种帧格式改成另一种。

2.3.2 集线器 Hub

集线器本质上是多端口中继器。它从一个端口收到信号后进行再生/放大，再转发到其他端口，属于物理层设备。

集线器不学习 MAC 地址，也不只把数据发给目标端口；多个端口共享同一冲突域的教材模型是其典型特征。
交换机虽然也有多个端口，但它根据帧 MAC 地址学习/转发，属于数据链路层；不能把集线器误认为交换机。

2.3.3 放大器、中继器与集线器对比

设备	信号类型与原理	端口/层次
放大器	放大模拟信号的幅度，原波形的噪声/失真也可能一并放大	模拟通信场景
中继器	对数字信号判决、整形、再生，消除累积衰减/失真	通常双端口，物理层
集线器	多端口数字信号再生转发	多端口中继器，物理层

题型：#接口特性与设备层次

第一部分：解题方法

题干问“比特如何在介质上传送”“信号电平/接口插头”，定位物理层。
出现“整形、再生、延长传输距离、两段相同协议网段”判断中继器。
出现“多端口中继器、收到即转发到多端口”判断集线器；出现“MAC 地址学习和选择性转发”则是交换机而非集线器。

第二部分：易错点

物理层的透明传输强调对上层透明，并不保证物理链路无误码；可靠传帧由数据链路层等进一步机制完成。
中继器虽常被口语称“放大”，但考试应写“再生数字信号”；模拟放大器与它的原理不同。
中继器不能连接任意异构网段；题目特别给出速率、线路编码或链路层协议不同时，要警惕不能靠中继器完成转换。

2.4 本节复盘

物理层在媒体上透明传输原始比特流，屏蔽具体介质和信号实现，不处理帧、地址、路由。
机械特性看外形/引脚，电气特性看电平/阻抗/距离，功能特性看每根线用途，过程特性看操作时序。
中继器对数字信号整形再生，连接相同速率/链路层协议网段；集线器是多端口中继器。
放大器简单放大模拟波形，中继器再生数字比特；集线器和交换机的分界是后者会按 MAC 地址学习转发。