3、物理层
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
物理层协议的主要任务
机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸引脚数目和排列固定和锁定装置
电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
物理层的传输媒体
导引型传输媒体
同轴电缆
基带同轴电缆（50Ω) 宽带同轴电缆（75Ω）模拟传输，目前主要用于有线电视 同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和数字传输，过去用于局域网方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。
双绞线
绞合的作用： 抵御部分来自外界的电磁波干扰 减少相邻导线的电磁干扰
光纤
光纤的优点： 通信容量大（25000~30000GHz的带宽） 传输损耗小，远距离传输时更加经济 抗雷电和电磁干扰性能好这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要 无串音干扰，保密性好，不易被窃听 体积小，重量轻。
光纤的缺点： 割接需要专用设备 光电接口价格较贵
电力线
非导引型传输媒体
微波通信(2~40GHz) 微波会通过电离层进入宇宙空间，因此它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方 传统的微波通信主要有两种方式 一种是地面微波接力方式 一种是卫星通信 无线电波 用于国际广播、海事和航空通讯
红外线 主要采用点对点，传播范围小，主要用于家用遥控
可见光 名为LIFI的新技术，有发展前景
传输方式
串行传输
一个比特一个比特依次发送，在数据发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可 用于数据在计算机网络上的传输
并行传输
一次发送n个比特，因此在数据发送端和接收端之间需要n条数据传输线路（成本高） 用于计算机内部的数据传输（CPU和内存之间通过总线进行传输）
同步传输
数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个字节的中间时刻进行检测，以判别接收到的是0还是1 由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，在传输大量数据过程中所产生的判别式可的累计误差会导致接收端对比特信号的判别错位。因此，需要采取方法使收发双方的时钟保持同步
收发双方时钟同步的方法： 外同步： 在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号接收端按照时钟同步信号的节奏接收数据
内同步： 发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如传统以太网采用曼彻斯特编码）
异步传输
以字节为独立的传输单位，字节的时间间隔不是固定的，接收端仅在字节的起始处对字节内的比特实现同步。因此，通常要在每个字节的前后分别加上起始位和结束位
异步指： 字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定） 字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间是相同的）
单向通信（单工）
通信双方只有一个数据传输方向（如：无线电广播） 只需要一条信道
双向交替通信（半双工）
通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行（如：对讲机） 需要两条信道（每个方向各一条）
双向同时通信（全双工）
通信双方可以同时传输信息（如：电话） 需要两条信道（每个方向各一条）
编码与调制
常用编码
不归零编码
需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步 接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元 对于计算机网络，与其使用这根线传输时钟信号不如传输数据信号
归零编码
每个码元传输结束后信号都要“归零”所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号 实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。 但是，归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了
曼彻斯特编码
在每个码元的中间时刻信号都会发生跳变，如：负跳变表示比特1，正跳变表示比特0。码元中间时刻的跳变即表示时钟又表示数据
差分曼彻斯特编码
跳变仅表示时钟，码元开始处电平是否发生变化表示数据
调制方法
基本调制
使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息如何能使1个码元包含更多的比特呢？ 可以使用混合调制
混合调制
因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个 通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM
QAM-16
有12种相位，每种相位有1或2种振幅可选，可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特
码元与4个比特的对应关系采用格雷码 任意两个相邻码元只有1个比特币不同
信道的极限容量
出现了码间串扰
失真因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
奈氏准则 在假定的理想条件下，为了避免码间串扰码元传输速率是有上限的
理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud=2W码元/秒 数字基带信号 理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud=W码元/秒 W：信道带宽 （单位为Hz） Baud：波特，即码元/秒
码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系： 当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的 当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n。 要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。
实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。 因为奈式准则是在理想条件下推导出来的，它不考虑失真因素
只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制地提高信息的传输速率？答案是否定的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。 信道种的噪声也会影响接收端对码元的识别，且噪声功率相对信号功率越大影响越大
香农公式： 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率 C：信道的极限信息传输速率（单位：b/s） W：信道带宽（单位：Hz） S：信道内所传信号的平均功率 N：信道内的高斯噪声功率 S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位 信噪比
信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。
在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比 自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限
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