物理层

物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明传送比特流。

理解

问题： 两台电脑如何通信？你可能会想到用网线，把网线拨开是几条铜导线。那这几条铜导线又是怎么传输信息的呢？如果给你几根铜导线，你如何设计信息传输的方式？

回答： 可以在铜线两端加上电压。 比如：0 伏维持 1 秒 → 5 伏维持 1 秒 → 0 伏 维持 2 秒 → 5 伏维持 1 秒 → 0 伏 维持 1 秒 → 5 伏 维持 2 秒。这样可以得到下图：

假设： 低电压 0V 的时候就代表数字 0，高电压 5V 的时候就代表数字 1。 这样就能得出 01001011，如果这是二进制，那转化为十进制就是 75。

问题： 现在我们可以传输数字了，那又如何传输字母、符号、文字呢？

回答： 数字与字母、符号、文字做一种联系。例如：ASCLL 码表。二进制 01001011 → 十进制 75 → ASCLL 码表的 K 字母。反过来的流程就是：字母通过码表 → 数字 → 二进制 → 电信号

补充： 传输方式除了网线，常见的还有光纤和无线电(那种带天线的路由器)。光纤线由两根光纤组成，光利用其反射原理在光纤中进行传输。网线通过电压变化传输信号，那光纤线就是光的出现和消失传输信号的。无线电则时以电磁波的形式发送信号（波的频率）的。

TIP

1. 码元：承载信息量的基本信号单位。例如：一次 0V 或者一次 5V。
2. 比特（bit）：计算机专业术语，二进制数字中的位。例如：01001011 为 8bit。
3. 比特率：每秒传送的 比特 数，其单位为 bps。
4. 波特（Baud）：波特率 的单位。波特 本身已是速率，不要说出波特每秒。🤣
5. 波特率：每秒传送多少个 码元，其单位为 波特 。

注意：比特 和 波特 是完全不同的概念，比特率 不是 波特率，但有时候 比特率 等于 波特率。例如：0.1 秒传送一次 0V 或者 5V。如果 0V 代表 0 、5V 代表 1，则 比特率 为 10bps，波特率 为 10Baud。如果如果 0V 代表 01、5V 代表 10，则 比特率 为 20bps，波特率 为 10Baud。

时钟脉冲

问题： 接下来有个疑问，上图中所表示的二进制是多少？

回答： 01000010。

问题： 再放个非常直观的图，上图中所表示的二进制是多少？是 111111 ？还是 111111111111 ？还是 11111111111111111 ？

回答： 因为图上缺少时间概念，所以无法得知这 5V 到底维持了多长时间，也无法得出结果。

补充： 既然缺少，那么我们就引入时间概念。传输数据的过程中，也传输一条 时钟脉冲。当出现连续多个 0V 或者 5V，也能判断其二进制数量了。

TIP

时钟脉冲 是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。如上图，一个单位时间内完成 0 和 1 之间的转换。

时钟偏移

通过发送一条 数据信号 和一条 时钟脉冲 来完成信息的传递。由于每条线在电阻、长短等物理介质和环境因素存在差异，于是就存在数据发送的快慢。导致时钟偏移，最后就是读取的结果出错。

原本是 01000010 的二进制数据，现在变成了 1000010。如果是在传输速率为 10M Baud 或者更快的网线中，时钟同步就更困难。

TIP

10M Baud，意味着 100 纳秒 传输 1 码元。意味着 数据信号 和 时钟脉冲 的时间差不能超过 100 纳秒。传输速率越快，对时间差的要求就越苛刻。

曼彻斯特编码

问题： 如何解决 时钟偏移 现象？

回答： 不再是利用数据和时钟脉冲两条信号，而是将数据和时钟脉冲整合到一条信号中。数据解读方式：根据电压变化来识别成信号。如下图：从高电压到低电压是 0，从低电压到高电压是 1。

补充： 从上图也可以看出，连续的 0 或 1 都能很好表达了。两个码元之间必定有电压跳变，可以方便地利用它作为同步时钟。

疑问： 为啥图中的紫色和黑色（低电压变高电压）不算 1 呢？

简单回答： 两个 码元 为一个 比特，可以把两 码元 当作一个整体，其前后边缘的电压变化是不算的。其实了解了 曼彻斯特编码 的解码过程，就比较清楚了。这个就不展开说明，有兴趣的可以自行查找。

TIP

曼彻斯特编码 的 波特率 是两倍的 比特率。因为两个 码元 才代表一个 比特。