物理层基础：信号与介质、编码方式、物理层设备

物理层，说白了就是网络通信的“地基”。你写的代码再漂亮，协议栈再优化，最终都得靠物理层把比特流变成电信号、光信号或者无线电波，从一台设备传到另一台设备。这一层不关心数据是什么含义，它只负责“把0和1送过去”。

我刚开始接触网络时，总觉得物理层没什么好学的——不就是插根网线吗？后来在项目里吃过亏，才明白物理层选型不对，上层协议再牛也白搭。今天咱们就把物理层的几个核心概念掰开揉碎聊一聊。

信号与传输介质

信号分两种：模拟信号和数字信号。模拟信号是连续变化的，比如老式电话线上的语音；数字信号是离散的，只有高低电平，对应0和1。咱们现在讲的以太网，用的都是数字信号。

传输介质嘛，常见的有这么几类：

• 双绞线：最常见的网线，里面8根铜线两两绞在一起。绞合的目的是抵消电磁干扰。我建议你记住一个分类：屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。家用环境UTP就够了，工业现场最好用STP。
• 同轴电缆：老式以太网用过，现在主要用在有线电视和某些监控系统。抗干扰能力比双绞线强，但成本高、布线不方便。
• 光纤：单模光纤和多模光纤。单模传输距离远（几十公里），多模适合短距离（几百米）。我在数据中心见过一个坑——有人把多模光纤当单模用，结果链路死活起不来。
• 无线介质：无线电波、微波、红外线。Wi-Fi就是典型代表，但无线信号受环境干扰大，你想想看，隔一堵墙信号就掉一半。

编码方式：NRZ与曼彻斯特编码

信号在介质上传输，不能直接发0和1的二进制数据。为什么？因为接收端需要知道什么时候开始读、什么时候结束读，还要能区分连续的0或1。这就需要编码。

NRZ（不归零编码）

NRZ是最简单的编码方式：高电平表示1，低电平表示0。每个比特占用一个固定的时间窗口。

数据：1 0 1 1 0 0 1
NRZ：高 低 高 高 低 低 高

看起来很简单对吧？但NRZ有个致命问题：时钟同步。如果发送一连串相同的比特（比如连续5个1），信号就一直保持高电平，接收端无法判断到底发了几个1。它不知道什么时候该采样。

我记得有一次调试一个老旧的串口设备，用的就是NRZ编码。设备发送0xFF（8个1），接收端解析出来全是乱码。折腾了半天才发现是时钟漂移导致的——接收端少采了一个比特。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码解决了NRZ的时钟同步问题。它的规则是：每个比特中间有一次电平跳变。从高到低表示1，从低到高表示0（也有相反的定义，看具体标准）。

数据：1 0 1 1 0 0 1
曼彻斯特：高→低 低→高 高→低 高→低 低→高 低→高 高→低

你看，每个比特中间都有跳变。接收端可以利用这个跳变来恢复时钟信号，不需要额外的时钟线。这就是曼彻斯特编码最大的优势——自同步。

但代价也很明显：带宽利用率低。NRZ一个比特周期可以传1比特，曼彻斯特需要两次电平变化才能传1比特，相当于有效数据率只有信号速率的一半。10Mbps的以太网，信号速率其实是20Mbps。

物理层设备：集线器与中继器

物理层设备不关心数据内容，只负责处理信号。它们是最“傻”的网络设备，但也是最基础的。

中继器（Repeater）

信号在介质上传输会衰减，距离越长衰减越严重。中继器的作用就是：接收衰减的信号，整形、放大，再转发出去。它不解析数据，不检查错误，只是单纯地“复制粘贴”信号。

中继器有两个端口，一端进一端出。它解决了传输距离的限制。比如10BASE-T以太网，双绞线最长100米，中间加一个中继器就能延伸到200米。

嗯，这里要注意：中继器不能无限级联。以太网有个“5-4-3规则”：最多5个网段，4个中继器，3个网段可以连接主机。超过这个限制，信号延迟和噪声积累会让网络崩溃。

集线器（Hub）

集线器本质上是多端口的中继器。它把多个设备连接在一起，形成一个共享的冲突域。

集线器的工作原理很简单：从一个端口收到信号，复制到所有其他端口。它不学习MAC地址，不过滤数据，不处理碰撞。所有连接在集线器上的设备共享同一个带宽。

举个例子：一台10Mbps的集线器接了4台电脑。任何时候只有一台电脑能发送数据，其他电脑只能接收。如果两台电脑同时发送，就会发生碰撞，双方都得等待随机时间后重试。

集线器和中继器的区别？中继器只有两个端口，用于延长传输距离；集线器有多个端口，用于连接多个设备。本质上都是物理层的信号再生设备。

知识体系总览

下面这张图把物理层的基础知识串起来了。你可以看到信号、介质、编码、设备之间的关系。

物理层是整个网络协议栈的基石。没有它，数据链路层、网络层、传输层都是空中楼阁。虽然现在很多工程师只关注上层协议，但我建议你花点时间把物理层搞透——很多网络故障的根因，其实就出在信号、介质或编码上。