写在最前面欢迎回来嘿小朋友又见面啦我们已经一起学习了应用层、传输层、网络层、链路层认识了好多神奇的东西我们知道了微信怎么打包消息知道了端口号和 IP 地址知道了路由器怎么找路也知道了链路层怎么一棒一棒接力传输但是我们今天要讲一个最最最基础的层它在所有层的最下面没有它其他所有层都没法工作它就是物理层你有没有想过一个超级有趣的问题数据到底是怎么飞过网线的怎么飘过 WiFi 的是真的有小人在网线里跑吗还是有魔法今天我们就要揭开这个最神秘的秘密讲完后你会发现“哇原来数据是这样飞过来飞过去的太神奇了”准备好了吗让我们一起出发去看看网络世界最最最底层的秘密第一章先来想想一个有趣的问题在讲物理层之前让我先问你一个超级有趣的问题你怎么把你好这两个字告诉远方的朋友想象一下这个场景你站在山的这边你的朋友站在山的那边你想对他说你好。怎么办呢方法一大声喊你用嘴巴说话声音变成声波穿过空气传到朋友耳朵里方法二挥旗子你用不同颜色的旗子代表不同的字朋友用望远镜看就能明白你的意思方法三用灯光晚上的时候你用手电筒打信号一闪一闪朋友就能读懂你发现了吗不管用哪种方法你都要把你好变成某种信号声波、旗子的颜色、灯光的闪烁都是信号朋友收到信号再翻译回你好网络也是这样数据在网络里也是这样传输的它不能直接飞过去它得先变成某种信号才能传过去到了对方那里信号又变回原来的数据这个把数据变成信号、把信号变回数据的工作就是物理层做的是不是一下子就明白了第二章什么是物理层让我们正式认识一下物理层物理层在哪里网络的层次就像一个千层蛋糕让我们看看物理层在哪里最上面是应用层微信、浏览器然后是传输层端口号然后是网络层IP 地址然后是链路层MAC 地址最下面就是物理层物理层是最最底层它直接和硬件打交道它最接近真实世界上面所有的层都要靠它才能工作物理层做什么物理层的工作超级简单但超级重要它就做一件事把数据变成信号传出去把信号变回数据接收进来具体来说有三件事第一件把 0 和 1 变成实际的信号比如电信号、光信号、无线电波。第二件把信号通过媒介传输出去网线、光纤、空气。第三件把信号变回 0 和 1让上面的层能理解。简单说物理层就是**“信号搬运工”它搬运的是信号**一个生动的比喻如果整个网络是一个邮政系统应用层 你写信应用层 装进信封贴标签。传输层 写收件人名字。网络层 写完整地址。链路层 邮递员派送。物理层真正的交通工具汽车、飞机、火车没有交通工具信永远到不了物理层就是网络的交通工具第三章0 和 1 —— 计算机的语言要理解物理层我们先要了解一个超级重要的秘密计算机只认识 0 和 1什么是 0 和 1不管是文字、图片、视频、声音在计算机里都是 0 和 1比如字母A在计算机里是01000001。字母B是01000010。汉字你是一串更长的 0 和 1是不是超级神奇整个数字世界都是由 0 和 1 组成的为什么是 0 和 1因为电的世界就两种状态有电1和没电0或者电压高1和电压低0这种两种状态的设计最简单、最可靠所以计算机只用 0 和 1物理层怎么传输 0 和 1物理层的任务就是把这些 0 和 1 变成实际的信号传出去怎么变呢这就要看用什么传输媒介了如果是网线就变成电信号如果是光纤就变成光信号如果是WiFi就变成无线电波不同的媒介有不同的表达方式但是它们传输的都是 0 和 1第四章物理层的交通工具 —— 传输媒介物理层有好多不同的交通工具让我们一个个看交通工具一网线最常见网线是最常见的传输媒介你家肯定有它长长的两头是水晶头插在路由器和电脑上网线里面有8 根铜线数据变成电信号通过这些铜线传输高电压代表 1低电压代表 0电信号飞速地在铜线里跑速度接近光速是不是超级快网线的种类网线也有不同的种类常见的有五类网线Cat 5速度 100Mbps。超五类网线Cat 5e速度 1Gbps。六类网线Cat 6速度 1Gbps质量更好。七类网线Cat 7速度 10Gbps超级快你家用的是哪种呢回家可以看看网线上的标记交通工具二光纤超级快光纤是超级牛的传输媒介它用光传输数据光纤是一根超级细的玻璃丝比头发还细数据变成光信号有光代表 1没光代表 0光在玻璃丝里来回反射飞速向前传输光纤的速度超级快可以每秒传输几十 Gb 甚至几百 Gb 的数据而且几乎不会衰减可以传输几十公里都没问题光纤在哪里光纤主要用在互联网的骨干网就像国家的高速公路连接不同城市、不同国家海底的国际通信全靠海底光缆现在很多家庭也用上光纤入户了如果你家是光纤宽带那从小区到你家这一段就是光纤交通工具三WiFi无线电波WiFi是无线传输它不需要线数据变成无线电波通过空气传播手机、笔记本收到电波再变回数据WiFi超级方便你走到哪里都可以联网不用插网线WiFi 的频率WiFi 用的是特殊频率的电波主要有两种2.4 GHz传得远但是慢一些。5 GHz传得近但是快很多。现在的新路由器两种都支持手机会自动选择最合适的交通工具四蓝牙短距离蓝牙也是无线传输但是距离很短一般只有几米蓝牙适合传输小数据比如蓝牙耳机听音乐、蓝牙鼠标、蓝牙手柄它省电、方便交通工具五4G/5G手机网络手机网络也是无线传输通过基站和手机之间用电波通信4G速度够看视频5G速度超级快比 4G 快 10 倍现在很多地方都有 5G 了不管用哪种交通工具物理层都做着同一件事把 0 和 1 变成信号把信号变回 0 和 1第五章物理层是怎么工作的让我们详细看看物理层的完整工作流程场景你在家发微信你好你给妈妈发你好这两个字怎么变成信号飞出去的第一步数据变成 0 和 1上面的层应用层、传输层、网络层、链路层层层打包最终交给物理层一串数据这串数据就是一长串 0 和 1比如01001110010101001010101001010101…超级长第二步物理层把 0 和 1 变成信号物理层接到这串 0 和 1开始变魔法如果是通过 WiFi 发送物理层把 0 和 1变成无线电波1 用一种波形0 用另一种波形无线电波从手机的天线发射出去如果是通过网线发送物理层把 0 和 1变成电信号1 是高电压0 是低电压电信号在网线里飞速跑第三步信号通过媒介传输信号飞出去了如果是 WiFi电波穿过空气到达路由器的天线如果是网线电信号沿着铜线到达路由器的接口这个过程超级快几乎是光速第四步对方的物理层接收信号路由器的物理层接收到信号如果是 WiFi天线接收无线电波转换成 0 和 1如果是网线接口接收电信号转换成 0 和 1第五步把信号变回 0 和 1物理层把信号变回原来的 0 和 1把这串 0 和 1交给上层链路层链路层再继续往上传链路层 → 网络层 → 传输层 → 应用层最终变成你好整个过程数据变成信号 → 飞过媒介 → 变回数据整个过程只需要几毫秒但是物理层默默做了好多工作是不是超级神奇第六章物理层的信号大冒险让我们用一个生动的故事来理解物理层故事小信号的奇妙旅行很久很久以前在你的手机里住着一群小信号它们是0 和 1 的好朋友出发啦有一天你给妈妈发你好应用层把你好打包传输层、网络层、链路层层层封装最后交给物理层物理层的工作人员对小信号说“该你们出场了把这些 0 和 1变成电波送到妈妈的手机”变身小信号开始变身0变成一种波形1变成另一种波形整整齐齐地排成队伍“准备好了吗” 物理层喊道。“准备好了” 小信号们齐声回答出发嗖小信号们从手机天线飞出去变成无线电波以光速飞向路由器它们穿过空气穿过墙壁穿过家具只用了几纳秒就到达了路由器第二段旅程路由器的物理层接到了小信号把它们变回 0 和 1然后再次变身这次变成光信号小信号们从光纤出发变成光在玻璃丝里飞速反射穿过城市穿过省份只用了几毫秒一段段接力小信号们经过了好多次变身电波 → 0 和 1 → 光 → 0 和 1 → 电 → 0 和 1 → 电波……每次变身都是物理层在工作到达终点最终小信号们到达了妈妈的手机物理层把它们变回 0 和 1上层层层解包变回**“你好”**妈妈看到消息“你好” 微笑起来小信号的感悟小信号们累得气喘吁吁“虽然我们变了好多次身但是终于把’你好’送到了妈妈那里这就是我们的使命”这就是物理层的故事每一个数据都要经历无数次变身才能到达对方那里第七章物理层的速度有多快让我们看看物理层有多快信号的速度电信号和光信号的速度都接近光速光速是每秒 30 万公里这是什么概念呢一秒钟可以绕地球 7.5 圈是不是超级快实际的传输速度但是实际数据传输的速度比这个慢为什么因为还有各种处理时间来看看常见的速度WiFi每秒几百 Mb 到几个 Gb。家庭宽带每秒几十到几百 Mb。4G每秒几十到几百 Mb。5G每秒几个 Gb。骨干光纤每秒几百 Gb 甚至 Tb一个有趣的对比如果下载一部 1GB 的高清电影用100Mb 宽带大约 80 秒。用1Gb 光纤大约 8 秒。用5G大约 4 秒。用骨干光纤眨眼就好是不是超级厉害这背后都是物理层在飞速传输信号第八章物理层的有趣知识让我们看一些有趣的小知识知识一海底光缆你知道吗全世界的互联网90% 以上的数据都是通过海底光缆传输的几百条海底光缆****铺在海底连接着各大洲它们几千公里长里面的光信号每秒传输几 Tb 的数据是不是超级震撼你刷的国外网站可能就是通过海底光缆传过来的知识二信号会衰减信号传输距离越远就越弱这叫衰减所以网线一般不超过 100 米超过了信号就太弱了需要用中继器加强信号光纤的衰减很小可以传输几十公里这就是为什么长距离用光纤知识三信号会被干扰无线信号容易被干扰比如微波炉、其他 WiFi、墙壁……都会让 WiFi 信号变弱所以有时候你家 WiFi 信号不好可能就是被干扰了把路由器放到开阔的地方信号会好很多知识四5G 为什么这么快5G 用了更高的频率频率越高能传输的数据越多但是传输距离也越短所以 5G需要更多的基站基站密度高才能保证信号覆盖知识五未来的物理层科学家正在研究更厉害的物理层比如6G比 5G 还快几十倍量子通信用量子传输数据绝对安全太空互联网通过卫星让全球任何地方都能上网未来会更精彩第九章物理层和其他层的配合让我们看看物理层和其他层是怎么配合的完整的协作让我们用一个完整的例子回顾一下你给妈妈发你好应用层微信打包你好。传输层加端口号。网络层加 IP 地址。链路层加 MAC 地址。物理层变成信号传出去每一层各司其职完美合作一个生动的比喻如果整个网络是寄国际快递应用层 你写信。传输层 写收件人。网络层 写地址。链路层 邮递员派送。物理层 真正的汽车、飞机、轮船没有交通工具信永远到不了物理层就是网络的交通工具它最不起眼但最不可缺少物理层的特殊之处物理层有一个超级特殊的地方它直接和硬件打交道其他层都是软件只有物理层涉及实际的电路、芯片、天线、光纤所以物理层最难做也最重要没有物理层整个网络就是空中楼阁第十章让我们回顾一下物理层到底是做什么的我们用一句话总结物理层就是网络世界里的信号搬运工它把 0 和 1 变成实际的信号电、光、电波通过各种媒介网线、光纤、空气传输出去让整个网络能真正运转起来物理层的核心工作把 0 和 1 变成信号。通过媒介传输信号。把信号变回 0 和 1。传输媒介回顾网线电信号常用方便。光纤光信号超快长距离。WiFi无线电波方便灵活。蓝牙短距离无线。4G/5G手机网络。信号的种类⚡电信号在铜线里跑。光信号在光纤里跑。无线电波在空气里飘。速度对比WiFi每秒几百 Mb 到几个 Gb。5G每秒几个 Gb。骨干光纤每秒几百 Gb 甚至 Tb。第十一章今天的智慧亲爱的小朋友让我们一起总结一下今天学到的智慧智慧一基础最重要物理层是最底层但最重要没有它整个网络都不能工作这告诉我们基础最重要学习要打好基础只有基础扎实才能盖起高楼智慧二默默工作的伟大物理层最不起眼但最辛苦它默默工作让我们享受网络这告诉我们真正伟大的人往往最低调要懂得感恩那些默默付出的人智慧三简单中有奇妙物理层只做一件事传输信号但是这件简单的事支撑起了整个数字世界这告诉我们把简单的事做到极致就是不简单专注做好一件事智慧四万物皆可转换数据可以变成电、变成光、变成电波它们形式不同本质一样这告诉我们世界是相通的不同的事物有共同的本质学会触类旁通智慧五科技的力量物理层的发展让人类的通信越来越快从电报到电话到互联网到5G这告诉我们科技改变世界要热爱学习未来靠你们去创造最后的话亲爱的小朋友下次当你用手机看视频和远方亲人视频通话玩跨国网络游戏听在线音乐……请记得每一个数据都在变成信号飞速传输它们变成电信号在你家的网线里飞它们变成光信号在城市的光纤里飞它们变成无线电波穿过空气甚至变成海底光缆里的光穿越太平洋整个过程只需要几十毫秒数据变身了无数次经过了网线、光纤、空气、海底最终到达对方那里这背后全靠物理层的默默工作“物理层是数字世界的’信号搬运工’它让数据能真正在世界上飞翔。”✈️“网线里的电、光纤里的光、空气里的电波都是物理层的杰作。”⚡“理解了物理层你就理解了’信息如何真正穿越时空’。”✨那个让你能和地球另一端的人聊天的网络那个让你能看到全世界精彩内容的服务那个让你能享受高科技生活的便利它们都依靠物理层的默默搬运都是让信号穿越时空这个伟大梦想的完美实现。下次当你享受网络时请想想你的数据正在变成电、变成光、变成电波它们在网线里跑在光纤里反射在空气里飘在海底里穿越它们以光速飞向远方这就是物理层的魔法✨“在数字世界里物理层是无声的搬运工。”“它让每一份数据都能真正跨越千山万水。”️恭喜你又毕业了不仅毕业了你还完成了整个网络分层的学习从应用层到物理层五层全部学完你现在是真正的小小网络专家了为自己鼓掌吧下次再见时我们一起去探索更多有趣的科技秘密⚡✨