物理层基本概念

枫桥2026/6/29大约 7 分钟

物理层基本概念

两台电脑怎么用一根线连起来

想象一个最朴素的场景：十年前你想把台式机和笔记本连起来传文件。那时候没有 Wi-Fi、没有 U 盘（或者 U 盘太贵），你手头只有一根网线。把网线两端分别插进两台电脑的网口，配置一下 IP 就能传文件。这根网线里的电信号在两台电脑之间跑，传递的就是 0 和 1。

物理层研究的就是这件事：怎么把 0 和 1 转换成能在物理介质上跑的信号。介质可以是铜线（电信号）、光纤（光脉冲）、空气（电磁波）。物理层只关心"如何在线缆上把 0 变成低电平、1 变成高电平"这种最底层的事，它不管这个 0 和 1 是什么含义、属于哪个应用。

物理层解决什么问题

物理层要解决四个具体问题，按物理特性、电气特性、功能特性、过程特性分类。

机械特性：插头长什么样、引脚怎么排

RJ45 水晶头是大家最熟悉的。8 个引脚（实际用 4 个），有卡扣防脱落。USB Type-C 是 24 个引脚，支持正反插。不同的物理接口定义了机械形状、插拔寿命、尺寸公差。工程师画 PCB 的时候选错封装，工厂焊出来的板子插不进连接器，整个项目就废了。

电气特性：电压多少算 0、多少算 1

以太网用电信号传数据。100BASE-TX 用 MLT-3 编码，5V 表示 1，0V 表示 0。RS-232 标准用 ±12V，+12V 表示 0，-12V 表示 1（反直觉，所以 232 串口调试经常接错线）。USB 差分信号用 D+ D- 的电压差，差 200mV 以上判定为 1，0V 左右判定为 0。

不同电压标准之间不兼容。曾经有人把 232 电平线接到 USB 口上，烧了 50 块钱的串口芯片。

功能特性：每个引脚各自干嘛

USB Type-C 有 24 个引脚，包括 4 对差分数据线（TX/RX）、2 条 USB 2.0 数据线、1 条 VBUS 电源、1 条 GND、2 条 CC 配置通道、2 条 SBU 辅助通道。每个引脚有明确定义，不能乱接。

RJ45 网线的 8 芯里只用 4 芯（1-2-3-6），千兆以太网才用满 8 芯。这就是为什么 100M 网线断了 5 根芯可能还能跑——只要 1-2-3-6 这 4 根还通。但千兆网断了任何一根就废。

过程特性：信号怎么按时间顺序发

物理层还要规定"什么时候发什么"。比如 SPI 总线规定：主机拉低 SS 引脚选中从机、然后在 SCK 时钟上升沿采样 MOSI 数据线。I2C 总线规定：起始条件是 SDA 在 SCL 高电平时拉低、停止条件是 SDA 在 SCL 高电平时拉高、地址字节先发。

这些时序错一位，外设就读不到正确数据。

三种主要传输介质

双绞线（Twisted Pair）

最常见。8 根铜线两两双绞，外面包绝缘皮。双绞是为了抵消电磁干扰——两根线挨得近，外界电磁波同时感应到两根线，差分接收时干扰相减。Cat5e 支持千兆，Cat6 支持 10Gbps 短距离（55 米内）。

最大传输距离 100 米。超过 100 米信号衰减严重，误码率上升。办公室和机房里 90% 的有线网络是双绞线。

光纤（Optical Fiber）

玻璃或塑料纤维，传光信号。发光二极管或激光器把电信号转成光脉冲，光纤内的全反射把光脉冲送到对端，光电二极管把光转回电信号。

最大优势：距离长（单模光纤可达 100 公里）、抗电磁干扰（光纤不导电）、带宽大（单纤 100Gbps 已商用）。劣势：成本高（光模块比网线贵几十倍）、接续需要熔接机（设备几万起步）、弯折不能太急（曲率半径小于 5cm 会断芯）。

跨城市、跨海的海底光缆，跨洋距离上万公里。

无线（Wireless）

电磁波在空气里传播。Wi-Fi 用 2.4 GHz / 5 GHz 频段，5G 用 24-52 GHz 毫米波。优势是终端可以移动，劣势是带宽低（Wi-Fi 6 满速 9.6Gbps，5G 满速 10Gbps，都不如光纤）、抗干扰差（微波炉、邻居的 Wi-Fi 都能干扰）、安全性弱（信号可被截获）。

公开频段谁都能用，所以 2.4 GHz 频段非常拥挤——这也是为什么你家 Wi-Fi 经常卡，不是网不好，是隔壁十几家也在用同一个频段。

一个容易混淆的细节：码元、比特、波特率

物理层有几个概念很多人分不清。

比特（bit）：信息量最小单位，0 或 1。
码元（symbol）：信号在物理介质上的一次"状态变化"。一个码元可以传 1 bit，也可以传多个 bit。
波特率（Baud）：每秒传多少个码元。单位是 baud。
比特率（bit/s）：每秒传多少 bit。单位是 bps。

关系是：比特率 = 波特率 × 每个码元能表示的 bit 数。

如果一个码元只能表示 0 或 1（2 种状态），那波特率 = 比特率。如果用 4 种不同的电压（-3V、-1V、+1V、+3V），每个码元能表示 2 bit（00/01/10/11），比特率 = 2 × 波特率。如果用 16-QAM 调制成 16 种相位幅度组合，每个码元能表示 4 bit。

所以"千兆以太网"如果用 4 种电压，每秒 250M 码元就能达到 1Gbps。这就是物理层编码的魅力。

真实案例：网络卡顿的物理层原因

家里网经常卡，大多数人第一反应是"网速不够"。但用 ping 测试一下，如果延迟稳定 5ms，问题不在物理层；如果延迟突然飙到 500ms 然后降回来，多半是物理层出了问题。

常见物理层坑：

网线质量差或长度超 100 米。 便宜网线铜芯细、绝缘差，30 米就开始信号衰减。50 米可能还能跑百兆，跑千兆就卡。

水晶头没压好。 自己压的水晶头经常有 1-2 根没压进去，导致接触不良。网线时通时不通，ping 时有 50% 丢包。

Wi-Fi 信道拥挤。 2.4 GHz 只有 3 个不重叠信道（1/6/11），邻居都挤 1 信道，你换到 11 信道立刻流畅。

光纤弯折。 光纤曲率半径小于 5cm 会断芯，光衰减从 0.5dB 飙到 30dB，链路直接断。光模块的 LOS 灯（Loss of Signal）会亮红。

排查工具：网线测试仪（30 块那种能测 8 根是否通）、光功率计（测光衰减值）、Wi-Fi 分析仪（看信道占用率）。

思考题

千兆以太网实际用 4 对双绞线，每对 250Mbps。为什么不用 1 对线跑 1Gbps？（提示：信号完整性、编码效率、电磁兼容、功耗）
光纤通信不受电磁干扰，但雷击时光纤还是会被烧毁？为什么？（提示：光纤的金属加强芯、接地、光纤两端的光模块有电）
5G 宣传速度 10Gbps、延迟 1ms。物理层来看，这要求什么条件？（提示：毫米波频段、波束赋形、基站密度、视距传输）
你买路由器时看到"千兆"和"全千兆"两种描述。它们的物理层接口有什么区别？（提示：WAN 口百兆但 LAN 口千兆的话，外网下载速度上限就是百兆）