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第二章 物理层与数据链路层：比特、帧与以太网
1. 这两层在解决什么问题
上一章说过，分层的本质是分工。最底下两层的分工是：
- 物理层：解决"0 和 1 怎么变成线缆里的信号"——这是把数字世界接到物理世界的那根插头。
- 数据链路层：解决"同一段链路上的两台设备，怎么把一串比特组织成有意义的数据块并可靠交付"——包括在哪断句（成帧）、错没错（差错检测）、发给谁（MAC 地址）、谁先说话（介质访问控制）。
注意关键词是"同一段链路"。链路层的视野只有一跳：从你的电脑到交换机，或者从交换机到路由器。跨越多个网络找路是网络层（下一章）的事。很多考题的坑就埋在这个视野差上。
2. 物理层：信号、带宽与传输介质
2.1 信号与带宽
计算机内部的数据是离散的 0 和 1，但线缆里跑的是连续的物理量——电压、光强或电磁波。物理层的任务就是规定"什么样的信号代表 0，什么样代表 1"，以及接口的形状、电平、速率等。
带宽在日常语境里指传输速率，单位是比特每秒（bps）。要特别注意单位换算这个送分兼送命题：
- 网络速率的 k、M、G 按 1000 进位：1 Mbps = 10⁶ bps。
- 存储容量的 K、M、G 通常按 1024 进位，且 1 字节 B = 8 比特 b。
- 所以 100 Mbps 的网络，理论下载速度是 100 ÷ 8 = 12.5 MB/s 左右，而不是 100 MB/s。运营商说的"百兆宽带"是比特，下载软件显示的是字节。
2.2 三大传输介质对比
| 维度 | 双绞线 | 光纤 | 无线（电磁波） |
|---|---|---|---|
| 传输载体 | 电信号 | 光信号 | 空间电磁波 |
| 速率与距离 | 中等，百米级 | 极高，可达数十公里 | 视技术而定，受环境影响大 |
| 抗电磁干扰 | 一般（靠双绞抵消） | 极强（光不受电磁干扰） | 弱，易受干扰和窃听 |
| 成本 | 低 | 介质便宜但设备贵 | 部署灵活，无需布线 |
| 典型场景 | 局域网入户网线 | 骨干网、长途干线 | WiFi、蜂窝网络 |
两个白话点透：双绞线之所以"绞"，是让两根线受到的干扰互相抵消；光纤靠光的全反射在纤芯里传播，光不带电荷，所以天生免疫电磁干扰——这就是骨干网清一色用光纤的原因。
2.3 编码与调制的直觉
把 0 和 1 变成信号有两条路：
- 编码：直接用数字信号表示，比如高电平代表 1、低电平代表 0。实际方案（如曼彻斯特编码）会更聪明一些——用"电平跳变"而不是"电平本身"表示数据，让接收方能顺便对齐时钟。
- 调制：把数字信息"搭载"到一个连续的载波上，通过改变载波的幅度、频率或相位来区分 0 和 1。家里的"调制解调器"（Modem）名字就是这么来的：调制（发送时数字变模拟）加解调（接收时模拟变数字）。
考试只考直觉：数字信道用编码，模拟信道用调制，不必深入数学。
2.4 通信方向：单工、半双工、全双工
按数据流动的方向，通信方式分三种，用生活场景一记就牢：
| 方式 | 定义 | 生活类比 | 网络例子 |
|---|---|---|---|
| 单工 | 只能单方向传输 | 广播电台，你只能听 | 传统电视信号 |
| 半双工 | 双向都行，但同一时刻只能一个方向 | 对讲机，"完毕"后对方才能说 | 集线器时代的以太网 |
| 全双工 | 双向可同时传输 | 打电话，双方随时插话 | 交换机连接的现代以太网 |
这个概念和上一小节的 CSMA/CD 直接挂钩：共享总线只能半双工，所以需要 CSMA/CD 来协调；交换机给每台主机一条独享通道，全双工同时收发，冲突从物理上消失，CSMA/CD 也就没了用武之地。
另一组区分是串行与并行：串行传输一次送一个比特（网线、USB），并行一次送多个比特（早期打印机线、内存总线）。长距离通信几乎都用串行——并行的多根线在长距离上难以保持同步，成本也高。