以太网（Ethernet）中物理层（Physical Layer）的功能

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本篇主要是讨论以太网（Ethernet）中物理层（Physical Layer） 的功能

以太网的物理层是OSI模型的最底层，它的核心任务非常简单直接：在物理介质上透明地、可靠地传输和接收原始的比特流（0和1）。

它不关心数据的内容、格式或含义，只负责解决“如何把比特从一个地方传到另一个地方”的物理问题。

物理层的核心功能

1. 定义物理介质和接口（Media and Connectors）

物理层规定了使用何种传输介质以及对应的接口标准。

传输介质：同轴电缆（现已基本淘汰）、双绞线（如常见的RJ-45接口网线）、光纤等。

接口标准：例如，RJ-45水晶头的针脚定义、光纤的LC/SC接头等。

2. 信号编码与调制（Encoding and Modulation）

这是物理层最核心的技术功能。计算机产生的二进制0和1无法直接在线路上传输，必须转换成物理信号。

目的：

电气表示：将0和1转换成线路上电压、光或无线电波的变化。

同步：编码方式要能帮助接收端确定每个比特的开始和结束时间（即保持时钟同步）。

效率：好的编码方案可以提高数据传输效率或增强抗干扰能力。

经典编码举例：

曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：用于10BASE-T以太网。用电压的跳变方向来表示0和1（如，从高到低跳变表示0，从低到高跳变表示1）。这种编码的优点是信号本身自带时钟信息，但缺点是效率较低，一半的带宽用于传输时钟信息。

4B/5B、8B/10B：用于百兆、千兆等更高速率的以太网。将4位或8位的数据转换为5位或10位的编码后再传输。这样做是为了保证线路上有足够的电平跳变来维持同步，并实现直流平衡（DC Balance）。这会引入约20%-25%的开销。

PAM（脉冲幅度调制）：用于万兆以太网及以上。例如，PAM-5（5级脉冲幅度调制）用于100BASE-TX，PAM-16用于千兆以太网。它通过不同等级的电压幅度来一次表示多个比特，极大地提高了数据传输速率。

3. 数据传输与接收（Transmission and Reception）

发送端：将编码后的电信号或光信号驱动到物理介质上。

接收端：从物理介质上检测信号，并将其放大、整形，还原为清晰的数字信号。

4. 时钟同步与比特同步（Synchronization）

接收端必须知道应该在什么时刻对线路上的信号进行采样，才能正确判断出是0还是1。物理层的编码方案（如曼彻斯特编码中的每次跳变）本身就为接收端提供了同步时钟的时机。

5. 链路监控与冲突检测（Carrier Sense and Collision Detection - CSMA/CD）

这是传统半双工以太网（如10BASE5）物理层的一个重要功能（现代全双工交换机已不再需要）。

载波侦听（Carrier Sense）：在发送数据前，物理层会监听线路上是否有其他设备正在发送信号（即“载波”）。

冲突检测（Collision Detection）：在发送过程中，持续监听线路。如果检测到自身的发送信号与线路上其他信号混合产生的异常电压，则判定为“冲突”，随即停止发送并执行冲突退避算法（等待一段随机时间后重试）。

6. 自动协商（Auto-Negotiation）

这是一个非常实用的功能，允许网卡（NIC）与交换机/路由器端口自动协商最佳的共同工作模式。

协商内容：速率（10Mbps, 100Mbps, 1Gbps...） 和 双工模式（半双工 or 全双工）。

过程：设备通过发送一系列快速的脉冲（FLP）来告知对方自身的能力，并从中选择双方都支持的最高性能模式。