计算机网络学习笔记——物理层之传输媒介（信息媒介）

一、种类

• 所有传输媒介可分为两大类，即导向传输媒介和非导向传输媒介。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

1、导向传输媒体

• 在导向传输媒体中根据媒体所使用的材料的不同，有双绞线、同轴电缆、光缆三种。

2、非导向传输媒体

• 主要根据波长划分为无线电波和微波、红外线和激光几大类，其中微波、红外线和激光用于高带宽的无线通信。

二、导向传输媒体

1、双绞线

• 双绞线又称为双扭线，是最常用的古老传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合是为了提高抗电磁干扰能力，因为导向绞合后可以减少对相邻导线的电磁干扰。
• 双绞线根据外面是否带有金属丝编织成的屏蔽层，分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。

• 屏蔽双绞线简称STP（Shielded Twisted Pair），非屏蔽双绞线简称UTP（Unshielded Twisted Pair），由于 STP 的制作工艺和材料比 UTP 复杂，因此 STP 也比 UTP 贵。但总的来说，双绞线价格便宜，广泛用于局域网和传统电话网中。
• 双绞线带宽由铜线粗细和传输距离决定。常用的绞合线类型、带宽和典型应用如下表：
  
• 模拟传输和数字传输都可用双绞线，通信距离一般为几千米到几十千米；对于超远距离，模拟传输需要在线路中某个结点用放大器放大衰减的信号，而对于数字传输则是用中继器整形失真信号。

2、同轴电缆

• 同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外壳构成，其中内导体可以是单股的铜质实心线，也可以是多股铜质绞合线。
  
• 根据特性阻抗值分为 50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆，前者主要用于传输基带数字信号，故而又称为基带同轴电缆，在局域网中应用广泛；后者主要用于传输宽带信号，故称宽带同轴电缆，主要用有线电视系统。
• 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰性更好，可用传输较高速率的数据，传输距离更远。同轴电缆带宽取决于电缆的质量，高质量的同轴电缆已接近于 1GHz。

3、光纤或光缆

• 光纤通信是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，有无光脉冲分别代表 1 和 0. 可见光频率为 10^8=100,000,000 MHz，故而光纤带宽非常大。
• 光纤主要有纤心和包层构成，而纤芯是由非常透明的石英玻璃拉长的细丝。光波通过纤芯传导，包层较纤芯的折射率低。
  
  
• 当光线从高折射率介质射向低折射率的介质时，其折射角会大于入射角，故而当入射角够大则光线可以折射返回纤芯，然后不断反复折射传输下去。

3.1、多模光纤

• 纤芯中传输不同入射角的多束光线的光纤称为多模光纤，其光源可以是发光二极管，如下图：
  
• 由于光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽而导致失真，故而只能近距离通信。

3.2、单模光纤

• 若将光线直径减小为只有一个光的波长，则光纤就如波导可使光线直线传播，这种光纤称为单模光纤。
  
• 单模光纤纤芯只有几微米，制作成本高，且光源需要用昂贵的半导体激光器，故而单模光纤总体成本高于多模光纤。但是，单模光纤衰减小，在 2.5Gb/s 的高速下传输数十公里而不需要中继器。

3.3、光纤优缺点

• 优点主要如下：
  ① 传输损耗小，中继距离长，对长距离传输特别经济。
  ② 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
  ③ 抗雷电和电磁干扰性强
  ④ 体积小，重量轻。
• 光纤的主要缺点就是，两根光纤精确地连接需要用专用设备。

三、非导向传输媒体

1、无线电波

• 由于无线电波穿透力强，可长距离传输，移动通信主要就是用无线电波进行通信。由于电波是由中心向四周发散发射电波的，因此只要在有效电波的覆盖范围内的具有无线电波通信的终端都可以进行通信，简化了通信连接，这是无线电波的最大优点。

2、微波、红外线和激光

• 这三种都需要收发双方之间存在视线通路（Line-of-sight），方向性强，沿直线传播，故而又可以称此三者为视线介质。区别在于，红外通信和激光通信需要进行信号转换后才能在空间中传播。
• 微波通信频率较高，频段范围广，载波频率常为2 到 40GHz，信道容量大，直线传播。由于地面障碍物多，因此需要在一定距离后就要用中继站接力；而对于地外通信，微波通信有着无可比拟的优势，通常利用地球同步卫星进行卫星通信，并利用其他同步卫星来改变传播方向，通常三颗相隔 120°的同步卫星几乎就能覆盖全球实现全球通信；卫星通信容量大、距离远、覆盖广，不足之处就是端到端的传播时延较长，一般为 250~270ms。

四、物理接口的特性

• 物理层考虑的是如何在各台计算机上传输数据，因此要尽可能屏蔽各种物理设备的差异，使数据链路层只考虑本层的协议和服务。
  物理层主要任务可描述为确定于传输媒体的接口有关的一些特性：
  ① 机械特性：主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况等。
  ② 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
  ③ 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，接口部件的信号线——数据线、控制线和定时线的用途。
  ④ 规程特性：主要定义各条物理线路上的工作规程和时序关系。
• 常用的物理接口标准有 EIA RS-232-C、ADSL 和 SONET/SDH 等。

五、相关设备

• 物理层用到的设备主要有中继器和集线器。

1、中继器

• 也叫转发器，原理是信号再生，用于将数字信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一段电缆后，因噪声或其他原因而造成的失真与衰减，使信号的强度和波形达到要求，进而扩大网络传输的距离。
• 中继器有信号输入端口和信号输出端口，端口仅作用于信号的电气部分，而不管数据错误与否。
• 中继器连接的几个网段仍属于局域网，并且不能连接速率不同的两个局域网，中继器一旦出现故障，那么对相邻的网段必然产生影响。由于网络标准中对信号的延迟范围作了具体规定，故而中继器也只能在此规定范围内进行有效的工作，否则将出现网络故障，例如“5-4-3 规则”：
• 在 10M 的以太网中，互相串联的中继器数目不得超过 4 个，且 4 个中继器串联的 5 段通信介质中只有 3 段可以挂接计算机，其余两段只能作为扩展通信范围的链路段。
• 辨析放大器：
  放大器也起到信号放大作用，不同之处是放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大。
• 注意：
  如果一个网络设备具有存储转发的功能，那么则可以认为该设备可以连接两个不同协议的网络，反之则非。所以中继器连接的两个网段必须是同一个协议的。

2、集线器（HUB）

• 实质上是一个一对多的中继器，即一个信号输入端口多个信号输出端口，同样只对信号起到放大和转发作用，目的在于扩大网络的传输范围，不具有信号定向传输能力，是一个标准的共享式设备，因此由 HUB 组成的网络逻辑上仍是一个总线网。HUB 的每个端口连接的是同一个网络的不同网段，只能在半双工状态下工作，故而网络吞吐率有限。
• HUB 无法分割冲突域，所有集线器的端口同属一个冲突域；而集线器一个时钟周期只能传输一组信息，如果多台连接到集线器上的终端同时通信，那么将导致信息碰撞，导致集线器工作效率极低，如一个 10Mb/s 的集线器上接有 8 台终端，那么当 8 台终端同时工作时，每个终端真正拥有的带宽只有 10/8 Mb/s = 1.25 Mb/s。
• 集线器主要使用双绞线组建网络，服务器连接到桌面的最经济的方案，也可以与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面。使用集线器的优点是组网灵活，将所有节点的通信集中在以其为中心的结点上，对结点相连的工作站进行集中管理，不让出问题的工作站影响整个网络的运行，也让用户的加入和退出很自由。