物理层
基本概念
物理层用来解决数据的比特流传输问题，一个数据通信系统的基本示意图如下所示：
其主要由三部分组成，从左到右依次为：
- 发送方：计算出的各种数据转化为比特流后，通过调制器将其转化为模拟信号，例如光信号、电磁信号等；
- 传输网络：使用各种传输媒介，结合各种约定的数据交互逻辑（协议）将数据进行转发；
- 接收方：通过解调器将模拟信号转化为比特流后解析出对应的内容，从而完成了数据传递的完整流程。
性能度量
速率。也就是我们常说的网速，表示传输介质每秒传输的数据量，也称为数据率、比特率。假设以比特数为度量单位，那么网速的单位就是比特每秒 (bit per second)，记作 \(\text{bps}\) 或 \(\text{bit/s}\)。
带宽 (Bandwidth)。带宽即传输介质能够传输信号的频率范围，单位为赫兹，记作 \(\text{Hz}\)，本质是电磁波每秒的振动次数。带宽越宽，则速率越高。有时会将带宽表示为速率。
时延 (Delay)。端到端的数据传输延迟。主要有 4 部分组成：
- 传输时延 (Transmission Delay)：数据从结点（主机、路由器等）到传输介质（也称信道）的时间开销；
- 传播时延 (Propagation Delay)：数据在传输介质上传播的时间开销；
- 处理时延 (Processing Delay)：接收端接收分组（划分为不同组别的数据）的时间开销；
- 排队时延 (Queuing Delay)：分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待的时间延迟。
时延带宽积。传播时延与带宽的乘积，这里的带宽表示网速。时延带宽积可以用来计算链路上充满数据时的总数据量。
往返时间 (Round-Trip Time, RTT)。表示数据在信道上一个来回的时间，即两倍的传播时延。
抖动。最大延迟与最小延迟的时间差。
速率定理
码元。码元即一个信号波形的最小表示单位，一个码元最少需要 \(1\) 个比特位来表示，那么使用 \(m\) 个比特位表示的码元就有 \(2^m\) 种状态，这类码元也被称为 \(2^m\) 进制码元。
码元的传播速度（调制速度）叫做波特率 (baud)，比特的传播速度叫做比特率 (bps)。将波特率记作 \(B\)，比特率记作 \(S\)，则有 \(S = B\cdot \log_2 k\)，其中 \(k\) 为码元的进制。
网速上限。在带宽为 \(B\) 赫兹，码元为 \(k\) 进制的信道中：
- 奈奎斯特 (Nyquist) 定理指出，若信道无噪声，则有最大数据传输速率 \(R_{\max}=2\cdot B \cdot\log_2k\ (\text{bps})\)；
- 香农 (Shannon) 定理指出，若信道的信噪比为 \(S/N\)，则有最大数据传输速率 \(R_{\max}=B \cdot\log_2{(1+S/N)}\ (\text{bps})\)。
*注：若要使用分贝 (dB) 来表示信噪比，则需要做转换：\(10\cdot \log_{10}S/N\ (\text{dB})\)。
传输介质
分为两种：
- 引导型介质：双绞线、光纤；
- 非引导型介质：电磁波。
多路复用
为了让多台终端同时使用一个传输信道而不互相干扰，不同的信号同时在同一信道中传输会产生严重的相互干扰，导致传输失败，所以需要设计一些规则让不同的信号在同一个信道上进行传输，也就是所谓的复用 (Multiplexing)，从而避免相互干扰，降低成本，提高利用率。
频分复用
如上图所示，通过频分复用，不同的信号对应到不同的频率带，从而不会相互干扰，共享信道。
时分复用
如上图所示，通过时分复用，不同的信号按照周期错位传输，从而不会相互干扰，共享信道。
码分复用
码分复用就是给每一个终端分配一个 \(m\) 位的二进制码元，在将码元中的 \(0\) 记作 \(-1\) 的情况下，任意两个终端分配到的码元应当是正交的，即内积为 \(0\)。那么同一个终端的码元内积就是 \(1\)，码元与相反表示的内积为 \(-1\)。
数据在信道中的传输结果全部表示为所有码元之和，那么在判断一个信道中谁发了哪些数据时，只需要将每一个终端的码元与信道的数据进行内积即可：
- 如果算出来的是 \(0\)，就表示对应终端没有发送过数据到信道中；
- 如果算出来的是 \(1\)，就表示对应终端发送了 \(1\) 到信道中；
- 如果算出来的是 \(-1\)，就表示对应终端发送了 \(0\) 到信道中。
宽带接入
所谓宽带接入，就是让终端用户可以连接到互联网。主要有两类接入技术：
- 有线接入技术：非对称数字用户线 (ADSL)、光纤同轴混合网 (HPC)、光纤到 x (FFTx)；
- 无线接入技术：Wi-Fi、移动蜂窝。