2.1 物理层的基本概念
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，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能第屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感受不到这些差异。
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型
一个数据通信系统可划分为三大部分，即原系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
2.2.2 有关信道的几个基本概念
信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
从通信双方的信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：
（1）单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
（2）双向交替通信 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送消息，但不能双方同时发送（或接受）。
（3）双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。
2.3 物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。
网线水晶头8根（4对），电话线 2根
直通（异种设备)，交叉线（同种设备）
2.3.1 导引型传输媒体（有线的）
1. 双绞线
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称为STP(Shielded Twisted Pair)。它的价格比无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)要贵一些。
2. 同轴电缆
同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
在局域网发展的初期层广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的打款已接近1GHz。
3. 光缆
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤在纤芯中传输的方式是不断地全反射。只要从纤芯中射到纤芯表面的管线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。可以存在多条不同角度入射的光纤在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造起来成本较高。同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰耗较小，在100Gbit/s的高速率下可传输100公里而不必采用中继器。
在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于850nm，1300nm和1550nm。后两种情况的衰减都较小。850nm波段的衰减较大，但在此波段的其他特性均较好。所有这三个波段都具有25000~30000GHz的带宽，可见光纤的通信容量非常大。
光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点。
（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
（2）抗雷电和电磁干扰性能。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
（4）体积小，重量轻。
2.3.2 非导引型传输媒体（无线的）
LF波段的波长是从1km到10km（对应于30kHz~300kHz）。LF，MF和HF的中文名字分别是低频、中频(300kHz~3MHz）和高频(3MHz~300MHz)。更高的频段中的V,U,S和E发你别对应Very,Ultra,Super,Extremely，相应的频段的中文名字分别时甚高频(30MHz~300MHz)、特高频(300MHz~3GHz)、超高频(3GHz~30GHz)和极高频(30GHz~300GHz)，最高的一个频段中的T是Tremendously。
传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。
由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。但若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km。为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，，故称为“接力”。大多数长途电话业务使用4~6GHz的频率范围。
微博接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点是：
（1）微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
（2）因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（即甚高频）通信小得多，因而微波传输质量较高。
（3）与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。
当然，微波接力通信也存在如下的一些缺点：
（1）相邻站之间必须直视（常称为视距LOS(Line Of Sight)),不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分为几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
（2）微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。
（3）与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
（4）对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
常用的卫星通信方法是再地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。对地静止通信卫星就是再太空的无人值守的微波通信中继站。可见卫星通信的主要优缺点大体上应当和地面微波通信差不多。
卫星通信最大特点是通信距离远，而且通信费用与通信距离无关。卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。
2.4 信道复用技术（提高传输媒体复用性）
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。在计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。下面对信道复用技术进行简单的介绍。
最基本的复用就是频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing)和时分复用TDM(Time Division Multiplexing)。频分复用最简单。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。时分复用则是将时间划分为一段段登场的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定列号的时隙。每一个用户所占用的时隙周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。因此，TDM信号也称为等时(isochronous)信号。可以看出，时分复用的所有用户是是在不同的时间占用同样的频带宽度。这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。时分复用则更有利于数字信号的传输。时分复用信道利用率不高。
普通十分复用——同步
统计时分复用——异步
统计时分复用STDM（Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。
统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。
在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。因此统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于个各输入线路数据率的总和，但从平衡的角度来看，这二者是平衡的。假定所有的用户都不间断地向集中器发送数据，那么集中器肯定无法应付，它内部设置的缓存都将溢出。所以集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。
TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中划分的帧。和数据链路层的帧是完全不同的概念。
2.4.2 波反复用（针对光)
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)。
2.4.3 码分复用
码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。实际上 ，人们更常用的名词时码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。码分复用最初用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须相互正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果时+1，当S站发送比特0时，内积的结果是-1.不发送时，内积为0.
2.6 宽带接入技术
用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP，以便获得上网所需的IP地址。
2.6.1 ADSL技术
非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。ADSL技术把0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽。“非对称”这个名词就是这样得出的。
2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）
光纤同轴混合网（HFC网，HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写）
2.6.3 FTTx技术（TDM+WPM)
光纤到户FTTH（Fiber To The Home)就是把光纤一直铺设到用户家庭，还有光纤到路边FTTC(Curb)、光纤到小区FTTZ、光纤到大楼FTTB、光纤到楼层FTTF、光纤到办公室FTTO、光纤到桌面FTTD。
本章的重要概念
✦ 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性
✦ 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点（或源站、信源）和发送器，目的系统包括接收器和终点（或目的站，或信宿）。
✦ 通信的目的是传送消息。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的表现。
✦ 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号（或连续信号）和数字信号（或离散信号）。代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。
✦ 根据双方信息交互的方式，通信可以划分为单向通信（或单工通信）、双向交替通信（或半双工通信）和双向同时通信（或全双工通信）。
✦ 来自信源的信号叫做基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制。
✦ 要提高数据在信道上的传输速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率不可能被任意地提高。
✦ 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）和非导应型传输媒体（无线或红外或大气激光）。
✦ 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用（光的频分复用）
✦ 最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM。现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SOENET（美国标准）或同步数字系列SDH（国际标准）.
✦ 用户到互联网的宽带接入方法有非对称数字用户先ADSL（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）、光纤同轴混合网HFC（在有线电视网的基础上开发的）和FTTx（即光纤到……）。
✦ 为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛使用无源光网络PON。无源光网络无须匹配电源，其长期运营成本和管理成本都很低。最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON。