我发的文章变成了0和1，那0和1是怎么发送给你的？计算机网络（二）物理层

大家好，我是后来，我会分享我在学习和工作中遇到的点滴，希望有机会我的某篇文章能够对你有所帮助，所有的文章都会在公众号首发，欢迎大家关注我的公众号" 后来X大数据 "，感谢你的支持与认可。

不好意思，我又拖更了，原本以为物理层这一章我看完一次就能写，结果太难了，看和写是两个概念，同时上周末出去完了，把头给磕的，现在还有个包，文末甩照片，开始正文。

上一篇文章中最后我们把抽象的问题"我发的文章怎么到你手机上了？”转化为具体的问题TCP/IP协议这4层都干了什么，那么为了更好的理解，我们结合OSI的7层模型，组合成5层的理论来讲解。
没看过上一篇文章的，点击这里

首先说一下今天的重点：

(1)物理层的任务。
(2)几种常用的信道复用技术。
(3)几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL和FTTx。

物理层的任务

我们能看到，最下面的这层就是物理层，这层主要考虑的是怎么才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而具体的传输媒体是什么并不是物理层关心的。在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

大家应该都听过这句话，计算机世界里，只有0和1，也就是说我的文章的所有内容，都可以通过编码格式，转化为0和1，比如“后来真帅”，计算机眼里是这样的“ 111001011001000010001110 111001101001110110100101 111001111001110010011111 111001011011100010000101 ”。

常用中文字符用utf-8编码占用3个字节（大约2万多字） ，关于编码格式与汉字之间的关系这里就不细讲了。

我们主要知道，我们要传输的信息，最后都会转换为0和1，因为全球统一规范，所以这种0和1发过去，对方也能再转换为汉字。也就是说，发送方发送1(或0)时，接收方应当收到1(或0)而不是0(或1)。因此物理层要考虑用多大的电压代表“1”或“0”，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各条引脚应如何连接。

这些规范就是物理层的“规程”！

当然，具体哪几个比特代表什么意思，则不是物理层所要管的。传递信息所利用的一些传输媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而是在物理层协议的下面。因此也有人把传输媒体当作第0层。

数据通信基础

那么有没有好奇，这个0和1是怎么通过这些传输媒体发送的呢？ 所以我们带大家了解物理层下面的传输媒体是如何传输数据的，先了解一些基本知识。

这几个名词大家应该都听过很多次了吧，但具体啥意思呢？

• 模拟信号：就是连续数据，即数据的变化是连续的，比如我们在早些时候用电话线打电话就是模拟信号，当我们打电话时，模拟数据（声波）通过电话机的话筒后，变成了连续变化的电信号（模拟信号）。

• 数字信号：离散数据，也就是数据的变化是不连续的，比如电脑键盘输出的就是数字数据。再简单点也就是传输的都是0和1。

• 码元:码(code)是信号元素和字符之间的事先约定好的转换。例如，A的ASCII码的表示就是1000001，而这里的每一个二进制数字(1或0)都可称为码元( code element)。**码元实际上就是码所包含的元素。**上面的例子说明了A的ASCH码包含有7个码元。在采用最简单的二进制编码时,一个码元就是一个比特。但在比较复杂的编码中，一个码元可以包含多个比特。

关于信道

用来表示向某一个方向传送信息的媒体，简称信道，比如你的qq邮箱有收件箱和发件箱一样

所以从通信的交互来看，有3种形式：

• 单向通信：一共就1条信道，只能发或者收，比如广播

• 双向交替通信：一共就1条，所以肯定是不能同时收和发，只能是一方发送另一方接受，过一会儿可以再返回来

• 双向同时通信：一共2条信道，可以边发边边收。

那么既然是信道，就一定有容量，也就是说在同一时刻，最多能发送多少码元。可以把信道简单理解为单向的高速公路，把码元比喻为车。
问题就是怎样才能使单位时间内通过的码元更多呢？

计算机大牛奈奎斯特发现，信道能够通过的频率范围是有限的，同时传输过程中失真了就可能导致识别错误，出现码间串扰。

理解为车道是有限的，本来每辆车的车道是固定的，但在行驶的过程中，个别车容易走错车道，使得出口不能识别它是从哪个车道进来的。

奈氏准则：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

信噪比：同时除了自身的码间串扰，还有噪声的问题，它也会使接收端对码元的判决出现错误。信号相对较强，噪声的影响就相对较小。所以信噪比很重要。一位伟人又出现了，那就是香农。

香农公式：信道的极限信息传输速率C是：
C=W*log₂（1+S/N) （bit/s)
W是信道带宽，S是信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。公式看不懂就算了吧，听我给你讲就完了。

也就是说人家香农告诉我们，信道的带宽或者是信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

但是目前尴尬的是这些变量都已经最大化了，那还怎么提高信息的传输速率呢？只能让每一个码元携带更多比特的信息量

比如：假定我们的基带信号是101011000110111010
如果直接传送，则每一个码元所携带的信息量是1bit。

现将信号中的每3个比特编为一个组，即101，011，000，110，111，010。3个比特共有8种不同的排列。我们可以用不同的调制方法来表示这样的信号。

例如,用8种不同的振幅，或8种不同的频率，或8种不同的相位进行调制。假定我们采用相位调制,用相位φ0表示000，φ1表示001，φ2表示010,φ7表示111。这样，原来的18个码元的信号就转换为由6个新的码元(即由原来的每三个bit构成一个新的码元)组成的信号:l010110001011010…=φ5 φ3 φ0 φ6 φ7 φ2…
也就是说，若以同样的速率发送码元，则同样时间所传送的信息量就提高到了3倍。

有人可能不理解相位调制，我简单说下，大家看下图中的基带信号和调相，你会发现


数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输，也就说把每个比特按照时间顺序传输。

信道复用技术

上面说了信道，那么我们先说一下这几种常用的信道复用技术，这块的技术真的是让我眼界大开，首先来介绍下传输媒体

传输媒体

上面说了那么多，那要传输码元，用啥传输呢？这就是传输媒体。可分为2大类：

• 导引型传输媒体

1. 双绞线：也称为双扭线，它的结构比较简单，就是把两根互相绝缘的铜导线并排放在起，然后用规则的方法绞合起来。双绞线的价格便宜且性能也不错，其通信距离一般为几到十几公里，使用十分广泛。双绞线又可分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两大类。前者更加便宜,但传输距离和抗干扰性能比不上后者

2. 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。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带宽己接近1GHz。

3. 光缆

   不得不说，在光缆之前，基本都是电信号，而我们都知道，光速的传播速度是3*10 8次，是非常快的，那么能不能用光来表示0和1呢，所以光纤在发送端使用发光二极管或者是半导体激光器，在电脉冲的作用下产生出光脉冲。接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲

   简单说，就是在光纤中传递光，就问这个想法牛逼不。所以光纤就是根玻璃丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。它有多细，直径8~10微米。这样传固然好，但是说如果这个光纤的直径小到只有一个光的波长时，那么它就只能一直向前传播了，不会有反射，这就是单模光纤。
   

   于是，我开始担心，这么细的玻璃丝快是快了，那岂不是很容易断。还是我们太年轻，人家早考虑到了

   由于光纤非常细,连包层一起的直径也不到0.2mm。因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤,多则可包括数十至数百根光纤,再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套,就可以使抗拉强度达到几公斤,完全可以满足工程施工的强度要求。

4. 架空明线：铺设容易，但通信质量差，目前已经很少用了，所以不做讨论。

但是吧，人的这个脑洞和需求真的没法用语言形容，我们开始希望能随时随地上网，所以这就要求不能有线，所以就得研究无线传输。比如这中间隔着高山和岛屿，施工比较困难，那岂不是要断网了。于是计算机开山鼻祖们又提出了无线电波的概念，我一直觉得这东西很玄乎，看不见摸不着的，还能传输信号，真是个奇葩。
关于电磁波的产生与发现那又是另一个领域了，直接给大家看研究成果，为了能有多个用途，大家做了个规范。

• 非导引型传输媒体

其中我们所说的无线电微波通信占有重要地位，微波可以穿透电离层进入宇宙空间，所以在以前的应用主要是：地面微波接力通信，卫星通信

地面微波接力：能看懂接力么，就是你传给我，我再传给他，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，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”。

这下就可以跨越长江和黄河通信了，哈哈，但是它这个相邻站之间必须不能有障碍物，也就是说这个中继站必须看到另一个中继站，这就是为啥，信号塔都往山顶建，而且你站在一个信号塔旁边，一般也能看见另一个信号塔。

卫星通信：那么问题又来了，地球上大部分还是海洋，在太平洋上的轮船岂不是走着走着就没信号了，这不太行，所以就有了卫星通信，它是把人造地球卫星当成了中继器来接力。

大牛们发现卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步地球卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1万8千多公里,面积约占全球的三分之。只要在地球赤道上空的同步轨道上,等距离地放置3颗相隔120度的卫星,就能基本上实现全球的通信。

但是地球是圆的，一共就360度，为了避免干扰，卫星之间相隔必须大于等于2度，也就是说最多只能放180颗同步卫星，但是想到频段够宽，也算是够用了把

凡事有利有弊，距离远了，它的时延就高了，一般在270ms，所以想要连着它玩网游体验是贼难受。

等到90年代的时候，有个问题就是计算机在一块区域内怎么通过无线来组成局域网，也就是我们说的无线网。但是大部分的频段已经被国家占用了，但是有一些无线电频段是可以自由使用的，只要不干扰他人在这个频段的通信就可以，正好满足了计算机无线局域网的需求，我们现在的无线局域网就使用的是2.4GHz和5.8GHz频段，于是无线局域网就诞生了。

信道复用

不得不说，人类的智慧是伟大的，总要把一些资源榨干。

频分复用

这么举例吧，在家里面用有线电视的时候，你家的机顶盒是不是可以换台，这就是用了频分复用，那么来详细说一下它是咋回事。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽资源，可以理解为你家的有线电视的那根有线里面同时传输了一堆不同频率的电信号，这就是电视为啥有好多台。频道都不一样。

还有一个就是车里面的FM调频广播，不同的频道是不是内容不一样。

但是问题就是随着用户数的增加，复用后的信道的总带宽也跟着变宽。

时分复用

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度，但是吧，当某个用户暂时没有数据发送时，这个时隙只能空闲，而其他用户却不够用，所以利用率不高。

统计时分复用STDM

基于上面的时分复用利用率不高，又有了改进版的时分复用，造了一个集中器，把数据集中起来通过高速线路发送到一个远程计算机。

波分复用

它就是光的频分复用，在光纤里面咋复用
从不同角度入射的光线子啊一条光纤中传输，就是多模光纤。比如下图

比如上面这张图一共有8路，传输速率均为25Gbis的光载波(其波长均为1310nm)。经光的调制后,分别将波长变换到1550 ~ 1557nm，每个光载波相隔1nm。(这里只是为了说明问题的方便。实际上,对于密集波分复用,光载波的间隔一般是0.8或16nm)

这8个波长很接近的光载波经过光复用器后，就在一根光纤中传输，因此在一根光纤上数据传输的总速率就达到了8×2.5Gbis=20 Gbit/s。

但光信号传输了段距离后就会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大才能继续传输。现在已经有了很好的掺铒光纤放大器EDFA( Erbium Doped Fiber Amplifier)。它是一种光放大器，直接对光信号进行放大，并且在1550mm波长附近有35nm(即42THz)频带范围提供较均匀的、最高可达40~50dB的增益。两个光纤放大器之间的无光电转换距离可达到600KM（只需要四个光纤放大器）
而在2014年的时候，我国就能在一根普通光纤中以375路，每路267.27Gb/s的超大容量超密集波分复用传输80公里，传输总容量为100.23Tb/s。实在是厉害！

码分复用

还有术语是叫码分多址。这个有点复杂，我还没完全搞懂。所以跳过。哈哈。

宽带接入技术

接下来我们说一说宽带接入技术，这才是离你和我最近的

我们在上一章说，我们家里装宽带，就是ISP机构卖给了我们一个IP地址，所以我们才能上网。

在最早的时候，由于电话线普及较广，所以普及网络就直接使用电话线转网了，那个时候的网速最高56kb/s，那个时候还不叫宽带。所以那个时候有人就把大于56kb/s叫做宽带，看看那个时候的我们多么容易满足。

慢慢的随着技术的进步，宽带的定义从200kb/s，到今天的下行速率25Mb/s，上行速率3Mb/s。所以现在但凡拉个网，移动公司都说，这是100M的宽带，但是你下载速度真的有100M么？ 有10M就不错了，那这又是咋回事？详见FTTx技术

ADSL技术

这个就是当时电话线上网的装备，具体的原理就是：原本的电话线本身可以通过的信号频率超过1MHz，但是因为模拟信号的限制，只传输300-3400Hz，所以ADSL技术把0~4KHz的频率留给了传统电话使用，而把原来没被利用的高端频谱留给用户上网使用。

那么这些频谱的信号怎么分开呢？就有了下面2个装备。

这样的话，如果断电也不会影响电话的使用。真的不得不称叹！直到现在，升级版的这种技术还在欧洲古建筑多的地方使用，因为不能破坏文物。我们国家则基本上已经淘汰了。

光纤同轴混合网

后来咱们有了有线电视普及后，使用的技术是模拟信号的频分复用对电视节目进行单向的广播传输，为了上网，对有线电视网进行了改造。咋改的呢？
直接把主干改成了光纤，但为了使用户的成本更小，用户只需要安装一个叫做机顶盒的设备，连接在电缆和电视机之间，这个机顶盒里同时内置了电缆调制解调器。但是这个网速嘛，肯定是一般般啦，因为是500-2000户人家在共用1根光纤，所以速度能快就见鬼了。

FTTx

近两年，运营商开始提出光纤到户的口号，这要是真的话太爽了，直接把光纤铺到家里，才把光信号转换成电信号，极大的提高上网速率。但有没有猫腻呢？

首先想一下，光纤传输的数据量那么大，你真的能用得了么？家里面也就平时网上冲浪看个电视，几Mb/s就足够了。

如果光纤足量给你装了，你掏的起钱么？

所以为了有效的利用光纤资源，数10个家庭用户共享一根光纤干线就可以了，那具体怎么操作呢？

在光纤干线和用户之间，铺一段转换装置ODN。也就是光分路器，一般是1：32，也就是32户共用一根光纤。
后来在实际生活中，又有了很多种不同的FTTx。除了光纤到户FTTH外,还有光纤到路边FTTC(C表示Cub)、光纤到小区FTTZ(Z表示zone)、光纤到大楼FTTB(B表示 Building)、光纤到楼层FTTF(F表示 Floor)、光纤到办公室FTTO(O表示 Office)、光纤到桌面FTTD(D表示Desk)等等。

从ONU到用户的个人电脑一般使用以太网连接，究竟把光网络单元ONU放在什么地方，则应当通过详细的预算对比才能确定。从总的趋势来看，光网络单元ONU越来越靠近用户的家庭，因此就有了“光进铜退”的说法。

所以啊，目前有些网络运营商宣传所推出的“光纤到户”，基本上都是“唬人的”，往往并非真正的FTTH，而是FTTx， 对居民来说就是FTTB或FTTF。有的运营商把这种接入方式叫做“光纤宽带”或“光纤加局域网”，这样可能较为准确。

最后我们来说下，我发的文章是怎么到你手机上的？

在这篇文章里，我们已经知道了，我的文章发送的时候都通过编码转化为了0和1，并且用电信号或者是光信号在传输媒体中进行传输，接收端再进行转换为0和1，最后通过统一的编码，显示在电脑上。
但这只是我们讨论了在硬件层面上我的文章的发送流程，但是在网络层以及应用层怎么传输的，我们下篇文章继续讨论。期待你的持续关注。

近期热文

我发的文章是怎么到你手机上的？计算机网络基础（一）

大数据权限管理工具Ranger2.0.0的安装部署到使用测试（踩坑详情）

zabbix部署监控集群，自定义监控Flume（图片多，步骤详细）

Hive3.1.2+大数据引擎Tez0.9.2安装部署到使用测试（踩坑详情）

Spark YarnCluster源码分析（二）之提交任务2+切分任务（超级详细）

快关注我公众号吧“后来X大数据”，除了一起学习，还有**更多电子书资源！