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，而不是指具体的传输媒体。
现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地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觉不到这些差异，这样就可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和通信手段是什么。
物理层的主要任务
可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：
（1）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，等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
此外，由于数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。
数据通信的基础知识
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，即源系统（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）。
相关术语：
消息：进行通信时所发送的东西。
数据：用来运送消息的。
信号：数据的电磁、电器表现形式。可分为模拟信号（连续的），数字信号（离散的）。
信道
用来传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：
- 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。
- 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信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。
- 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。
单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。
信道根据传输信号的不同可划分为：
1.模拟信道：传输模拟信号
2.数字信道：传输数字信号
根据传输介质不同可划分为：
1.无线信道
2.有线信道
编码与调制
计算机在传送数据时实际上传输的是一系列二进制数，这种东西不适合进行远距离传输。在进行远距离传输的时候必须将其转化为模拟信号——波。在接收端再把波转换为计算机可以识别的比特数。
这里将数据转化为数字信号(1,0)的方式叫编码，而把数据转化为模拟信号的就叫调制。
常用编码方式
不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。(图片来源：2019王道考研)
基本的调制方法
调幅（AM）：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或分别对应于无载波或有载波输出。
调频（FM）：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2 。
调相（PM）：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM（Quadrature
Amplitude Modulation）。
信道的极限容量
我们知道，数字通信的优点就是：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。但是，码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个。
（1）信道能够通过的频率范围
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。当信号带宽即传输的频率很小时，信号在传输过程中就会衰减，还没到达对面就已经衰减完了。当传输的频率太大时，就会有码间串扰现象，导致信号也不能通过。
就好比一个人说话的语速非常快的时候，再想听清这个人说话的内容就非常困难了。
（2）信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很
大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。
就好比当两个人交谈的时候若旁边环境的噪声太大，那么这两个人就很难听清对方的声音。
奈氏准则
1924年，奈奎斯特（Nyquist）推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
奈氏准则：在理想低通（无噪声、带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。
我们需要知道的就是：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。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
香农定理
在1948年，信息论的创始人香农（Shannon）推导出了著名的香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是
C=Wlog2(1+S/N)
式中，W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为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，S/N即为信噪比。
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。不过，香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。
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，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，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*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。
导引型传输媒体
1．双绞线
双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。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。
为了进一步提高抗电磁干扰能力，可以在双绞线外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线，无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线。
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。
3 . 光纤
光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）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。由于可见光的频率非常高，约为10 8 MHz的量级，因此一个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。
特点：
传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
抗雷电和电磁干扰性能好。
无传音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
体积小，重量轻。
非导向性传输介质
前面介绍了三种导引型传输媒体。但是，若通信线路要通过一些高山或岛屿，有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。但利用无线电波在*空间的传播就可较快地实现多种通信。由于这种通信方式不使用上一节所介绍的各种导引型传输媒体，因此就将*空间称为“非导引型传输媒体”。
非导向传输介质主要有三种
- 无线电波：较强的穿透能力，可传输远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。
- 微波：信号按固定方向传播，微波通信频率高频段范围宽，数据率很高。
- 红外线、激光：把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外信号和激光信号再在空间中传播。