计算机网络物理层详解：一篇文章让你完全理解物理层！

目录

一、物理层的核心定义

二、物理层的三大核心任务

1. 建立和拆除物理连接

2. 实现比特流的传输

3. 定义物理接口的特性

三、物理层的四大接口特性（核心规范）

1. 机械特性

2. 电气特性

3. 功能特性

4. 规程特性

四、物理层的传输介质

1. 有线传输介质

（1）双绞线（Twisted Pair）

（2）同轴电缆（Coaxial Cable）

（3）光纤（Optical Fiber）

2. 无线传输介质

五、物理层的三种核心传输方式

1. 按信号传输方向分类：单工、半双工、全双工

（1）单工通信（Simplex）

（2）半双工通信（Half-Duplex）

（3）全双工通信（Full-Duplex）

2. 按同步方式分类：同步传输、异步传输

（1）异步传输

（2）同步传输

3. 按传输数据的单位分类：并行传输、串行传输

（1）并行传输

（2）串行传输

六、物理层的主要设备

1. 中继器（Repeater）

2. 集线器（Hub）

3. 调制解调器（Modem）

4. 光端机

七、物理层的典型标准

1. 以太网物理层标准（IEEE 802.3）

2. 串行通信标准（RS-232/RS-485）

3. 无线通信物理层标准（IEEE 802.11/4G/5G）

4. 光纤通信标准（SDH/SONET）

八、物理层的核心总结

九、物理层与数据链路层的核心区别（易混点）

物理层是计算机网络七层 OSI 参考模型的最底层，也是整个网络的基础层，它不关心网络中的协议和数据含义，只负责实现计算机、网络设备之间原始比特流（0 和 1） 的物理传输。简单来说，物理层的核心使命是：为上层（数据链路层）提供物理介质上的信号传输能力，解决 “怎么传” 的问题，是所有网络通信的 “物理通道搭建者”。

本文将从物理层的核心定义、核心任务、关键特性、传输介质、传输方式、主要设备、典型标准七个维度，系统化拆解物理层，让你彻底掌握这一网络基础层的核心知识。

一、物理层的核心定义

在 OSI 参考模型中，物理层的正式定义为：利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。

这里的透明传输是关键概念，指物理层对传输的比特流不作任何修改、解释和处理，无论比特流的内容、格式、速率如何，都能按照发送方的要求准确传输到接收方，就像传输通道对上层数据 “不可见” 一样。

同时要明确：物理层的操作对象是比特（计算机网络中最小的数据单位），而非帧、包等上层数据单元；物理层协议主要规定了物理介质的使用规范、信号的编码方式、传输速率、接口标准等底层细节。

二、物理层的三大核心任务

物理层的所有功能都围绕 “实现比特流的可靠物理传输” 展开，核心可归纳为三大任务，也是物理层协议的核心设计目标：

1. 建立和拆除物理连接

在通信双方（如两台计算机、计算机与交换机）之间，通过物理传输介质和硬件设备，完成物理连接的建立（握手）、维持和拆除（释放）。例如，网线插入网卡后，网卡与交换机端口完成链路协商，建立物理连接；断开网线则完成物理连接的拆除。

2. 实现比特流的传输

将数据链路层传递过来的帧拆解为原始比特流，通过编码将比特流转换为适合物理介质传输的电信号、光信号或无线电信号，再通过物理介质将信号传输到接收方；接收方则通过解码将物理信号还原为比特流，传递给数据链路层。

3. 定义物理接口的特性

规定通信双方物理接口的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性（简称 “四大特性”），确保不同厂商的网络设备能够互联互通（即 “兼容”）。这是物理层最基础、最核心的规范，也是设备接口标准化的关键。

三、物理层的四大接口特性（核心规范）

物理层通过四大特性严格定义了网络设备物理接口的标准，这是不同设备能实现物理连接的前提，也是物理层协议的核心组成部分，所有物理层设备和介质都必须遵循这一规范。

1. 机械特性

定义物理接口的物理形状、尺寸、引脚数量、引脚排列方式、连接器类型等机械属性。简单来说，就是 “接口长什么样，怎么插，引脚有多少根、怎么排”。

例如：

• 双绞线使用的RJ45 接口：8 个引脚，矩形水晶头，卡扣式连接，适用于以太网；
• 串口使用的RJ45（工业串口）、DB9/DB25接口：DB9 为 9 针串口，主要用于低速串行通信；
• 光纤使用的LC、SC、ST接口：LC 为小方口，SC 为大方口，ST 为旋卡口，适用于光信号传输。

2. 电气特性

定义物理接口上信号的电气参数，包括信号的电压范围、电流大小、信号的表示方式（0 和 1 对应何种电压）、传输速率、阻抗匹配等。核心是规定 “0 和 1 怎么用电信号表示，信号的电气标准是什么”。

例如：

• 以太网双绞线（10Base-T）：高电平（+5V~+15V）表示 0，低电平（-5V~-15V）表示 1，传输速率 10Mbps；
• RS-232 串口：高电平（+3V~+15V）表示 0，低电平（-3V~-15V）表示 1，传输速率最高 115200bps。

3. 功能特性

定义物理接口上每个引脚的具体功能，即 “每根线是做什么用的”，分为数据线、控制线、时钟线、地线等。

例如：

• RJ45 接口的 8 个引脚（T568B 标准）：1/2 为发送数据，3/6 为接收数据，4/5、7/8 为备用（或用于 POE 供电）；
• DB9 串口（RXD/TXD/GND）：RXD 为接收引脚，TXD 为发送引脚，GND 为地线，其余为控制引脚（如流控）。

4. 规程特性

定义物理接口上信号传输的操作流程和时序关系，即 “什么时候发信号、什么时候收信号、如何确认连接、如何纠错”，简单来说就是 “通信双方的操作规则和步骤”。

例如：

• 双绞线以太网的自动协商规程：两台设备连接后，互相发送协商帧，确认双方支持的传输速率（10/100/1000Mbps）和双工模式（半双工 / 全双工），并协商为最优模式；
• 串口通信的握手规程：通过 RTS（请求发送）、CTS（允许发送）引脚实现流控，确保发送方不会因发送速率过快导致接收方缓冲区溢出。

四、物理层的传输介质

传输介质是物理层实现比特流传输的物理载体，也是物理层的硬件基础，所有信号都通过传输介质在设备之间传递。根据介质的物理形态和传输方式，可分为有线传输介质和无线传输介质两大类，二者各有优缺点，适用于不同的网络场景。

1. 有线传输介质

有线传输介质通过物理线缆传递信号，特点是传输稳定、抗干扰能力强、速率高、安全性好，是局域网、广域网核心链路的主要选择，缺点是布线繁琐、移动性差。

（1）双绞线（Twisted Pair）

最常用的有线传输介质，由4 对（8 根）绝缘铜导线两两绞合而成，绞合的目的是抵消电磁干扰（EMI），减少相邻导线之间的信号串扰。

分为两类：

• 非屏蔽双绞线（UTP）：无金属屏蔽层，成本低、布线灵活，是家用、办公局域网的主流选择，常见规格为5 类（Cat5，100Mbps）、超 5 类（Cat5e，1000Mbps）、6 类（Cat6，10Gbps）、超 6 类（Cat6a，10Gbps）；
• 屏蔽双绞线（STP/FTP）：在双绞线外层增加金属屏蔽层，抗干扰能力更强，适用于工业环境、机房等电磁干扰严重的场景，成本较高，布线要求严格。

双绞线的标准接口为RJ45，传输距离最大约100 米（超过则信号衰减严重，需通过中继器放大）。

（2）同轴电缆（Coaxial Cable）

由内导体、绝缘层、金属屏蔽层、外护套四层组成，特点是抗干扰能力强、传输距离远，曾是早期有线电视、局域网的主流介质，目前主要用于有线电视网（CATV）、监控系统，在计算机网络中已基本被双绞线和光纤取代。

分为两类：

• 基带同轴电缆：传输数字信号，适用于局域网，如 10Base-5（粗缆，传输距离 500 米）、10Base-2（细缆，传输距离 185 米）；
• 宽带同轴电缆：传输模拟信号，适用于有线电视网，可同时传输多路信号。

（3）光纤（Optical Fiber）

目前性能最优的有线传输介质，利用光的全反射原理在玻璃或塑料纤维中传递光信号，核心是将比特流转换为光信号（0 对应无光，1 对应有光）进行传输。

光纤的核心优势：

• 传输速率极高：目前商用光纤速率可达 10Gbps、100Gbps，甚至 1Tbps；
• 传输距离极远：单模光纤无中继传输距离可达数十公里甚至上百公里；
• 抗干扰能力极强：不受电磁干扰、射频干扰影响，适用于强干扰环境；
• 安全性好：光信号无法在光纤外被窃听，数据传输保密性高。

分为两类：

• 单模光纤（SMF）：纤芯直径极细（约 9μm），仅允许一束光传输，色散小、传输距离远，适用于广域网、骨干网；
• 多模光纤（MMF）：纤芯直径较粗（50/62.5μm），允许多束光传输，色散大、传输距离近（数百米），适用于机房内部、短距离链路。

光纤的接口为 LC、SC、ST 等，需配合光模块使用，成本较高，布线和维护要求专业。

2. 无线传输介质

无线传输介质无需物理线缆，通过无线电波、红外线、微波等电磁波传递信号，特点是布线灵活、移动性强，适用于移动网络、无线局域网，缺点是抗干扰能力弱、速率相对较低、安全性较差。

常见的无线传输介质：

• 无线电波：覆盖范围广，分为短波、超短波、微波，是 WiFi、蓝牙、移动通信（4G/5G）的核心载体；
• 红外线：传输距离近（数米），抗干扰能力差，适用于近距离点对点通信（如早期的红外传文件）；
• 微波：分为地面微波和卫星微波，地面微波适用于城域网骨干链路，卫星微波适用于跨地域、跨海洋的广域网通信。

五、物理层的三种核心传输方式

物理层的比特流传输方式，可根据信号传输方向、同步方式、传输数据的单位分为三大类，不同传输方式适用于不同的通信场景，也是物理层协议设计的重要依据。

1. 按信号传输方向分类：单工、半双工、全双工

这是最常用的分类方式，核心区分通信双方能否同时收发信号。

（1）单工通信（Simplex）

信号只能沿一个方向传输，一方为固定发送方，另一方为固定接收方，无反向传输通道。

例如：有线电视、广播、红外遥控，只能由电视台 / 遥控器发送信号，电视 / 设备接收信号，无法反向传输。

（2）半双工通信（Half-Duplex）

信号可以双向传输，但同一时间只能沿一个方向传输，即发送方和接收方不能同时收发信号，需要分时复用传输通道。

例如：对讲机、早期的集线器（HUB）组网，一方说话时另一方只能听，集线器的所有端口共享一个传输通道，同一时间只能有一个设备发送数据。

（3）全双工通信（Full-Duplex）

信号可以同时双向传输，发送方和接收方各自拥有独立的发送和接收通道，互不干扰，是目前计算机网络的主流传输方式。

例如：双绞线以太网（交换机组网）、光纤通信、5G 移动通信，网卡和交换机之间有独立的发送和接收线路，可同时收发数据，传输效率翻倍。

2. 按同步方式分类：同步传输、异步传输

核心区分接收方是否与发送方的时钟信号同步，解决 “接收方如何准确识别比特流的边界” 问题。

（1）异步传输

发送方和接收方无统一的时钟信号，通过起始位和停止位标记每个字符（字节）的边界，适用于低速串行通信。

例如：RS-232 串口通信，每个字节前加 1 个起始位（低电平），后加 1~2 个停止位（高电平），接收方通过起始位触发接收，停止位结束接收，无需同步时钟，缺点是额外开销大（起始 / 停止位占比约 20%），传输速率低。

（2）同步传输

发送方和接收方使用统一的时钟信号（通过物理层的时钟线或信号中的时钟同步信息实现），比特流连续传输，以帧为单位标记边界，无额外的起始 / 停止位，适用于高速并行 / 串行通信。

例如：以太网、光纤通信，接收方通过时钟信号与发送方同步，准确识别每个比特的传输时刻，传输效率高，是目前高速网络的主流方式。

3. 按传输数据的单位分类：并行传输、串行传输

核心区分比特流是通过多条线路同时传输，还是通过一条线路依次传输。

（1）并行传输

将一个字节（8 个比特）的每一位分别通过独立的线路同时传输，发送方和接收方有 8 条数据线，一次传输一个字节。

特点：传输速率高（比特并行传输），传输距离近（多条线路的信号易产生时延差，导致同步错误），适用于设备内部的短距离通信。

例如：计算机主板上的 CPU 与内存、硬盘的通信，打印机的并口通信。

（2）串行传输

将一个字节的所有比特通过一条线路依次传输，按时间顺序逐个发送比特，仅需 1 条数据线。

特点：传输线路少（布线简单、成本低），传输距离远（无时延差问题），传输速率可通过提高时钟频率提升，是计算机网络的唯一传输方式（物理层的核心传输方式）。

例如：双绞线、光纤、无线通信，都是串行传输，目前通过提升串行时钟频率，已实现 10Gbps、100Gbps 的高速传输。

六、物理层的主要设备

物理层的设备均为硬件设备，核心功能是放大信号、转发信号、延伸传输距离，不具备数据处理、协议解析、地址识别能力，仅对比特流进行物理层面的操作，所有设备工作在物理层，属于 “纯物理设备”。

1. 中继器（Repeater）

核心功能：放大和整形物理信号，解决信号在传输过程中的衰减和失真问题，延伸传输介质的传输距离。

工作原理：接收从一端传来的衰减信号，经过放大、整形后，从另一端发送出去，对比特流不作任何修改，仅实现信号的 “再生”。

注意：中继器只能连接同类型的传输介质和同类型的物理层协议，且受 “5-4-3 规则” 限制（以太网中，最多 5 个网段，4 个中继器，3 个有效网段），避免信号多次放大导致干扰叠加。

2. 集线器（Hub）

也叫 “集线器”，是多端口的中继器，核心功能：将一个端口接收的信号放大后，转发到所有其他端口，实现多台设备的物理连接，组成星型拓扑的局域网。

工作原理：Hub 的所有端口共享一个传输通道，工作在半双工模式，同一时间只能有一个设备发送数据，若多个设备同时发送，会产生冲突，导致数据丢失，传输效率低。

特点：成本低、布线简单，属于 “共享式设备”，目前已被交换机（数据链路层设备） 完全取代，仅在早期局域网中使用。

3. 调制解调器（Modem）

俗称 “猫”，核心功能：实现数字信号和模拟信号的相互转换，解决数字信号在模拟传输介质（如电话线）中的传输问题。

工作原理：

• 发送方：将计算机的数字比特流（0/1）调制为适合电话线传输的模拟信号；
• 接收方：将电话线中的模拟信号 **** 解调为计算机能识别的数字比特流。

常见场景：早期的 ADSL 宽带、拨号上网，通过电话线连接互联网，必须使用 Modem 实现数模转换。

4. 光端机

核心功能：实现电信号和光信号的相互转换，配合光纤完成光信号传输，是光纤通信的核心物理层设备。

工作原理：

• 发送端光端机：将电信号（双绞线的以太网信号）转换为光信号，送入光纤传输；
• 接收端光端机：将光纤中的光信号转换为电信号，通过双绞线传递给网络设备。

适用于光纤局域网、广域网的骨干链路，与光模块配合使用，实现光电转换。

七、物理层的典型标准

物理层的标准由国际标准化组织（ISO）、电气和电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU） 等机构制定，标准的核心是规定传输介质、接口特性、传输速率、编码方式等，不同的标准对应不同的传输介质和应用场景，以下是最常用的物理层标准：

1. 以太网物理层标准（IEEE 802.3）

以太网的物理层标准与传输介质绑定，是局域网最核心的物理层标准，常见的有：

• 10Base-T：双绞线（UTP），10Mbps，半双工，传输距离 100 米；
• 100Base-TX：超 5 类双绞线，100Mbps，全双工，传输距离 100 米；
• 1000Base-T：6 类双绞线，1000Mbps（1G），全双工，传输距离 100 米；
• 1000Base-LX：单模光纤，1000Mbps，传输距离 10 公里；
• 10GBase-SR：多模光纤，10Gbps，传输距离 300 米。

2. 串行通信标准（RS-232/RS-485）

由 ITU 制定，适用于低速串行通信，是工业控制、设备串口通信的核心标准：

• RS-232：点对点通信，传输速率最高 115200bps，传输距离最大 15 米，适用于短距离串行通信；
• RS-485：多点通信，传输速率最高 10Mbps，传输距离最大 1200 米，适用于工业现场的多设备串行通信。

3. 无线通信物理层标准（IEEE 802.11/4G/5G）

• WiFi 标准（IEEE 802.11）：包括 802.11b（11Mbps）、802.11g（54Mbps）、802.11n（300Mbps）、802.11ac（1.3Gbps）、802.11ax（WiFi6，9.6Gbps），规定了 WiFi 的无线射频、信号调制、传输速率等物理层特性；
• 4G/5G 标准：由 3GPP 制定，规定了移动通信的无线频段、调制方式、传输速率等物理层特性，是移动网络的核心物理层标准。

4. 光纤通信标准（SDH/SONET）

SDH（同步数字体系）是国际电信联盟制定的光纤通信物理层标准，SONET 是美国制定的光纤通信标准，二者本质一致，规定了光纤的光信号调制、传输速率、帧结构等，是广域网、骨干网光纤通信的核心标准，传输速率从 155Mbps（STM-1）到 10Gbps（STM-64）甚至更高。

八、物理层的核心总结

物理层作为网络的 “底层基石”，是所有网络通信的前提，其核心特点可归纳为 **“三无三有”**：

• 三无：无协议解析、无数据处理、无地址识别，仅处理原始比特流；
• 三有：有物理介质、有接口标准、有信号传输规则，只为上层提供物理传输能力。

从整个网络体系来看，物理层的作用是 **“铺路”，数据链路层及上层则是“在铺好的路上开车、运货”**，如果物理层的通道搭建不规范、不可靠，上层的所有协议和数据传输都将无从谈起。

理解物理层的关键，是抛开上层的协议和数据含义，聚焦 **“物理介质”“信号转换”“接口标准”** 三个核心点，明确物理层只解决 “怎么把 0 和 1 从 A 地物理传输到 B 地” 的问题，这也是掌握整个计算机网络体系的基础。

九、物理层与数据链路层的核心区别（易混点）

很多人会混淆物理层和数据链路层，这里做一个核心区分，帮你彻底厘清：

简单来说：物理层负责 “物理通道的传输”，数据链路层负责 “在物理通道上的可靠数据传输”。

十、学习建议与方法

关于物理层的内容，读者应该重点掌握物理层的三种传播方式，尤其是同步传输和异步传输，其余内容简单了解即可。最后祝大家能够成功掌握计算机网络中的物理层内容，文章如有错误欢迎私信我，我会及时解决，如果我的内容对你有帮助和启发，请点赞、评论、收藏。你们的支持就是我更新最大的动力，那么我们下期再见！