★物理层：概述
◇物理层的必要性
通俗地说：直接与物理介质打交道的层次，就是物理层。这一层的必要性比较明显。
因为所有的通讯，归根结底都要依赖于【物理介质】。与物理介质打交道，需要牵涉到很多与【物理学】相关的东东。比如：“无线电通讯”需要关心“频率/波长”；电缆通讯需要跟“电压”打交道；“光纤通讯”需要关心“玻璃的折射率＆光线的入射角” ……
“物理层”的主要职责是：屏蔽这些细节，使得“物理层”之上的层次不用再去操心物理学。
◇物理信道的类型
何为“物理信道”，在本文开篇的“基本概念”已经提到了。
对于“物理信道”，还可以进一步细分为如下三大类：
1. 有线信道（比如：双绞线、同轴电缆、光纤、等等）
2. 无线信道（比如：微波通讯、电台广播、卫星通讯、等等）
3. 存储信道
“存储信道”比较少见，很多人没听说过，稍微解释一下。
假设你要把一大坨信息传送给另一个人，除了用“有线 or 无线”这两种通讯方式，还可以把信息先保存到某种【存储介质】（比如硬盘），然后再把存储介质用某种方式（比如快递）转交给对方。这就是所谓的“存储信道”。
◇信噪比（Signal-to-noise ratio）
俺在很多篇关于“学习＆心理学”的博文中提到过【信噪比】这个概念。其实这个概念是从通讯领域借用的术语。
对于“物理信道”，总是会存在某些环境干扰，称之为“噪声”（Noise）。“信道传输的有用信息”与“无用的干扰噪声”，这两者的比值就是“信噪比”。
“信噪比”单位是【分贝】。“分贝”洋文叫做“decibel”（简写为 dB）。“deci”表示“十进制”；“bel”是为了纪念大名鼎鼎的贝尔（电话它爹）。
◇带宽的限制因素
“物理信道”要依赖于物理传输介质。不管使用何种物理介质，都要受限于某些基本的物理学定律（比如“光速上限”）。另外，不管何种物理介质，总是会有或多或少的环境干扰（噪声）。这两个因素导致了：任何“物理信道”的最大传输率总是有限滴。
由于物理层是最底下的一层，物理层之上的其它层次总是要直接或间接地依赖【物理信道】。因此，其它层次建立的“逻辑信道”，其带宽只会比“物理信道”的最大带宽更小。换句话说：“物理信道”的带宽上限也就是整个协议栈的带宽上限。
◇多路复用（Multiplexing）
一般来说，凡是能实现【长距离】通讯的“物理信道”，都有相当的经济成本。比如铺设“光纤、同轴电缆”都要花钱。无线电通讯虽然免去了铺设线路的成本，但需要竞标购买频段。因此，物理信道非常强调“多路复用”。
所谓的“多路复用”，通俗地说就是：尽可能地共享物理信道，不要浪费了。
“多路复用”有很多种类型；不同的类型，原理也不同。为了展示各种不同的原理，俺拿【无线通信】来说事儿。
无线通信领域的“多路复用”，【至少】有如下几种：
频分多路复用/FDM（Frequency-Division Multiplexing）
这个最简单，就是根据频率拆分。不同的线路占用不同的频段，互不干扰。（电台广播用的就是这个思路）
但这个思路的缺点很明显——
其一，要依赖足够宽的频段（频段是稀缺资源）；
其二，不同线路的流量可能会动态变化。如果某个线路空闲，其占用的频段就浪费了。
（注：光纤通讯中有个“波分多路复用/WDM”，本质上就是 FDM）
时分多路复用/TDM（Time-Division Multiplexing）
这种思路只用一个很窄的频段。为了在同一个频道发送多个信道，采用【分时机制】，把时间切割成很小的时间片，每个线路占用一个时间片。周而往复。
这个思路有点像十字路口的红绿灯——每隔一段时间，其中一条路可以通行。
这个思路的优点是：可以只使用一个很窄的频段。缺点是：线路越多，每条线路等待越久；即使某个线路空闲，依然会占用时间片（浪费了资源）。
码分多路复用/CDM（Code-Division Multiplexing）
这种思路采用某种【编码】的技巧，使得多个端点可以在同一个时间点使用同一频段发送数据；由于他们采用不同的编码方式，不会相互干扰。
一般来说，CDM 要依赖于“扩频技术”（spread spectrum），需占用一个比较宽的频道范围。这算是缺点。但其优点很明显——
其一，可以支持 N 个线路（N 动态变化）；
其二，即使任何一个线路的流量动态变化，也不会浪费物理信道的资源。
显然，这种思路明显优于 FDM ＆ TDM。如今在移动通讯领域大名鼎鼎的 CDMA（码分多址），采用的就是这个思路。
★物理层：具体实例
◇物理层的【协议】
物理层的协议主要有如下：
USB 协议
蓝牙协议的一部分
IEEE 802.11 的一部分（Wi-Fi）
IEEE 802.16（WiMAX）
IEEE 1394（火线接口）
RS-232 协议（串行接口/串口）
……
（考虑到篇幅）俺不可能具体细聊这些协议，只是贴出每个的维基百科链接，感兴趣的同学自己点进去看。
◇物理层的【协议实现】
对于电脑主机（含移动设备），“网卡硬件”包含了物理层的协议实现（参见如下示意图）
另外，还有一些专门的【1层】网络设备，也提供物理层的功能（参见下一个小节）。
◇物理层相关的【网络设备】
调制解调器（modem）
通俗地说，“调制解调器”就是用来翻译“数字信号 ＆ 模拟信号”。
在发送信息时，modem 把电脑要发送的“字节流”（数字信号）翻译成“模拟信号”，然后通过物理介质发送出去；当它从物理介质收到“模拟信号”，再翻译成“数字信号”，传回给电脑。
早期的拨号上网，modem 面对的物理介质是“固话线路”；如今家庭宽带普及，光纤入户，modem 面对的物理介质是“光纤线路”。
中继器（repeater）
信号在物理介质中传输，会出现【衰减】（不论是“有线 or 无线”都有可能衰减）。“中继器”的作用是【信号增益】，使得信号能传得更远。
另外，比如“微波通讯”是直线传播，而地球表面有弧度，还有地形的起伏。所以每隔一定距离要建“微波塔”。这玩意儿也相当于“中继器”。
集线器（hub）
可以把“集线器”视作更牛逼的“中继器”——“中继器”只有两个口（只能连接两个通讯端点），而“集线器”有多个口（同时连接多个通讯端点）。
通常所说的“集线器”是指“以太网集线器”。这种设备如今已经逐步淘汰，很少见到了。
另外，很多同学应该都用过“USB hub”，就是针对 USB 线的“集线器”（“USB 线”也可以视作某种通讯介质）。
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