1. 物理层基本概念

1.1 物理层在OSI模型中的位置与作用

物理层（Physical Layer）是OSI七层参考模型的最底层（第1层），也是整个网络通信体系的物理基础。它不关心数据的语义和格式，只负责在各种物理传输介质上实现原始比特流（0/1序列）的透明传输。

核心功能：

• 建立、维持和释放物理连接（机械连接）
• 定义传输介质的电气特性（电压、电流、阻抗）
• 规定信号的编码与解码方式
• 确定数据传输速率（波特率/比特率）
• 屏蔽不同物理设备的差异，向上层提供统一的比特流接口

相关协议：如：UART（额外有数据链路层的一部分，因为有负责处理帧的封装和解封装，添加起始位/停止位、奇偶校验位）中的物理层TTL，RS485。而CAN的核心在数据链路层，也定义了物理层的部分，但电气特性由其他标准定义。

1.2 物理层的四大特性

特性类型	定义内容	典型示例
机械特性	接口的物理尺寸、引脚数量与排列、连接器类型	RJ-45水晶头8芯、DB-9串口9针、USB Type-C 24针
电气特性	信号电压范围、阻抗匹配、传输速率、信号电平	TTL电平0~5V、RS232 ±3V~±15V、以太网差分信号±1V
功能特性	每根引脚的功能定义（发送/接收/地线等）	串口DB-9：Pin2=TXD（发送）、Pin3=RXD（接收）、Pin5=GND
规程特性	信号时序关系、建立/维持/拆除连接的顺序	串口通信：先发送起始位→数据位→校验位→停止位

2. 相关单位

2.1 码元（Symbol）—— 信号的基本单位

定义：在数字通信中，码元是携带信息的最小信号单元，是物理层传输的基本符号。一个码元可以表示1位或多比特信息，取决于调制方式。

关键：

• 码元 ≠ 比特（bit）：比特是信息量单位（0或1），码元是物理信号单位
• 例如：使用4种不同电压（0V, 1V, 2V, 3V）表示数据时：
  • 每个码元可携带2比特信息（00, 01, 10, 11）
  • 传输100个码元 = 传输200比特信息

码元与调制的关系：

调制方式	码元种类数	每码元携带比特数	典型应用
二进制调制	2种（0/1）	1 bit	基础数字电路
四相调制(QPSK)	4种相位	2 bits	4G/5G移动通信
16-QAM	16种组合	4 bits	WiFi 802.11ac
64-QAM	64种组合	6 bits	光纤骨干网

2.2 波特率（Baud Rate）—— 码元传输速率

定义：每秒传输的码元数量，单位为波特（Baud）。

公式：波特率 = 1 / 码元持续时间（秒）

示例：

• 若每个码元持续1ms（0.001秒），则波特率 = 1/0.001 = 1000 Baud
• 9600波特的串口：每秒传输9600个码元

2.3 比特率（Bit Rate）—— 信息传输速率

定义：每秒传输的比特数量，单位为bps（bit per second）。

与波特率的关系：比特率 = 波特率 × 每个码元携带的比特数

场景	波特率	每码元比特数	比特率	说明
标准UART串口	9600 Baud	1 bit	9600 bps	二进制调制，1码元=1比特

3. 定理

3.1 奈奎斯特准则 —— 无噪声信道极限

核心结论：

1. 码元传输速率上限：2W 波特
   （W为信道带宽，单位Hz）
2. 极限数据传输速率：2W log₂V bps
   （V为码元离散电平数）

推导逻辑：

• 根据采样定理，要无失真恢复信号，采样频率需≥2倍信号最高频率
• 信道带宽W Hz → 最高频率W Hz → 采样率≥2W次/秒
• 每次采样对应一个码元 → 最大码元速率=2W Baud

3.2 香农定理 —— 有噪声信道极限

适用场景：带宽受限且存在高斯白噪声的信道

核心公式：信道容量 C = W log₂(1 + S/N)  bps

• W：信道带宽（Hz）
• S：信号平均功率（W）
• N：噪声平均功率（W）
• S/N：信噪比（Signal-to-Noise Ratio）

4. 物理层设备

4.1 中继器（Repeater）

工作原理：

1. 接收衰减/失真的电信号
2. 放大整形
3. 重新生成标准信号发送至另一网段

关键特性：

• 工作在纯物理层，不识别数据帧结构
• 无缓冲存储，透明传输（延迟<1μs）
• 两端必须是相同协议的同一网段（如同为10BASE-T）
• 作用：延长网络物理距离（突破100m限制）

4.2 集线器（Hub）

本质：多端口中继器（Multi-port Repeater）

工作过程：

1. 任一端口收到信号 → 所有端口广播该信号
2. 无地址识别，无过滤功能
3. 所有端口共享同一冲突域（CSMA/CD）

冲突域是指在一个共享介质网络中，当两个或更多设备同时发送数据时，会导致数据信号发生冲突的物理网络范围。核心概念：

在一个冲突域内，所有设备共享同一个数据传输信道。任一时刻，只能有一个设备成功发送数据。如果多个设备同时发送，它们的电信号会在介质中叠加和混叠，导致数据损坏，这就是“冲突”。发生冲突后，发送设备必须等待一段随机时间后重新尝试发送。

与交换机的本质区别：

特性	集线器（Hub）	交换机（Switch）
工作层次	物理层（Layer 1）	数据链路层（Layer 2）
转发方式	广播所有端口	基于MAC地址表定向转发
冲突域	所有端口同一冲突域	每端口独立冲突域
带宽共享	所有端口共享总带宽	每端口独享带宽
典型延迟	<1μs	10~100μs（存储转发）