【计算机网络】物理层 : 传输介质 ( 导向性传输介质 | 双绞线 | 同轴电缆 | 光纤 | 非导向性传输介质 | 无线电波 | 微波 | 红外线 、激光 )

一、传输介质

---

传输介质 :

① 概念 : 数据传输系统 中 , 发送设备 与 接收设备 之间的 物理通路 ;

② 同等概念 : 传输媒体 , 传输媒介 ;

二、传输介质 与 物理层

---

传输媒体 与 物理层 区分 :

区别 : 传输媒体 不是 物理层 ;

层级 : 传输媒体 在 物理层 的下层 ; 物理层是整个 网络体系结构的 第 $1$ 层 , 传输媒体相当于 第 $0$ 层 ;

传输媒体 ( 纯物理通路 ) : 传输媒体 中 传输 波形信号 , 但是 并不知道 传输信号的 意义 ; 只是 单纯的作为 物理通路 ;

物理层 ( 电气特性 ) : 物理层 中 规定了 电气特性 , 可以识别 波形信号 代表的 比特信息 ; 如 $+10V$ 代表高电平 , 比特值是 $1$ ;

三、传输介质分类

---

传输介质分类 :

① 导向性传输介质 : 电磁波 沿着 固体 媒介传播 ; 如 : 光纤 , 双绞线 ;

② 非导向性传输介质 : 电磁波 在自由空间中传播 ; 如 : 空气 , 真空 , 水中 ;

四、双绞线 ( 导向性传输介质 )

---

双绞线 : $2$ 根采用一定规则 , 并排 绞合的 , 相互绝缘的 铜导线 组成 ;

① 双绞线 原理 : 根据右手准则 , 产生的电磁波大小相等 , 可以相互抵消 , 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰 ;

② 无屏蔽双绞线 ( UTP ) : 由外到内 , 聚氯乙烯套层 -> 绝缘层 -> 铜线 ; 聚氯乙烯套层 是塑料管 ; 又称为 非屏蔽双绞线 ;

③ 屏蔽双绞线 ( STP ) : 由外到内 , 聚氯乙烯套层 -> 屏蔽层 -> 绝缘层 -> 铜线 ; 屏蔽层 是 金属丝编织成的 , 可以进一步提高抗干扰能力 ;

④ 双绞线 使用场景 : 将网线剪断 , 可以看到 非屏蔽双绞线 有 $8$ 根线 , $4$ 组 , 两两相互绞合在一次 ; 屏蔽双绞线 网线 , 在 $8$ 根线的外层有一层金属丝网 ;

"双绞线" 特点 :

① 价格便宜 : 双绞线 价格便宜 , 是最常用的传输介质之一 , 局域网 和 传统电话网 使用普遍 ;

② 传输信号 : 模拟信号 , 数字信号 , 都可以使用双绞线 传输 ;

③ 传输距离 : 几公里 到 几十公里 ;

④ 模拟传输 : 长距离的 模拟传输 , 需要使用 放大器 放大衰减信号 ;

⑤ 数字传输 : 长距离的 数字传输 , 需要使用 中继器 整型失真信号 ;

五、同轴电缆 ( 导向性传输介质 )

---

"同轴电缆" 组成 : 由外到内 , 塑料外层 -> 网状编织屏蔽层 -> 绝缘层 -> 导体铜质芯线 ;

① 导体铜质芯线 : 可以是单股的铜线 , 也可以是多股绞合在一起的铜线 ;

② 网状编织屏蔽层 : 使 同轴电缆 比 双绞线 有更强的抗干扰性 ;

同轴名称由来 : 四层的圆心都是同一个轴 ;

"同轴电缆" 分类 :

① 基带同轴电缆 ( 50 $\Omega$ ) : 传输 基带数字信号 , 局域网中应用广泛 ;

② 宽带同轴电缆 ( 75 $\Omega$ ) : 传输 宽带模拟信号 , 有线电视系统应用 ;

"同轴电缆" 与 “双绞线” 对比 :

① 抗干扰性 : 由于 同轴电缆 有 外导体屏蔽层 , 其 抗干扰特性 优于 双绞线 ;

② 高速率 : 同轴电缆 广泛用于 传输较高速率的数据 ;

③ 传输距离 : 同轴电缆 传输距离 更远 ;

④ 价格 : 同轴电缆 价格 比 双绞线 贵 ;

六、光纤 ( 导向性传输介质 )

---

"光纤通信" 概念 : 是利用 光导纤维 传输 光脉冲 进行通信 ;

① 光脉冲信号 : 有 光脉冲 表示 $1$ , 没有光脉冲 表示 $0$ ;

② 光纤带宽 : 可见光 频率 是 $10^8$ MHz , 光纤通信系统 带宽 远远大于 其它传输媒体的带宽 ;

③ “光纤” 传输的是 光脉冲 ;

④ “同轴电缆” 和 “双绞线” 传输的是 电脉冲 ;

光电转换 :

① 发送端 : 发送端 有 光源 , 一般采用 发光二极管 或 半导体 激光器 ;

② 电脉冲 -> 光脉冲 : 光源 可以 在电脉冲 作用下 , 产生 光脉冲 ;

③ 接收端 : 接收端 使用 光电二极管 做成 光检测器 ;

④ 光脉冲 -> 电脉冲 : 监测到 光脉冲时 , 将光脉冲 还原成 电脉冲 ;

"光纤" 传输原理 :

① “光纤” 材质 : 光纤 由 纤芯 和 包层 组成 ;

• "纤芯" : 实心的 , 光波 通过 纤芯 进行传导 ;
• "包层" : 与 纤芯 对比 , 折射率 低于 纤芯 ;
• 折射率对比 : 纤芯 $>$ 包层 ;

② 折射 : 光线 从 高折射率介质 射向 低折射率介质 , 折射角 大于 入射角 ;

③ 全反射 : 如果 入射角 足够大 , 就会出现 全反射 , 光线 碰到 包层 , 就会折射回 纤芯 , 该全反射不断重复 , 光就可以沿着光纤不断传输下去 ;

④ 超低损耗 : 使用全反射原理 , 光的损耗超低 , 可以进行 超远距离传输 ;

"光纤" 分类:

• 多模光纤
• 单模光纤

多模光纤 :

① 光线条数 : 多模光纤 , 发送端 同时传输多个 光脉冲 ;

② 光源 : 定向激光二极管 ;

③ 传输距离 : 即使发生全反射 , 但是光波之间互相影响 , 损耗很大 , 只能进行 近距离传输 ;

单模光纤 :

① 光线条数 : 将 光纤 直径 , 减小到只有一个波长 , 光纤沿着直线射过去 , 几乎没有损耗 , 只能传播一条光线 ;

② 光源 : 发光二极管 ;

③ 传输距离 : 损耗很小 , 适合 远距离传输 ;

"光纤" 特点 :

① 传输距离长 : 传输 损耗 小 , 中继距离长 , 适合远距离传输 ;

② 抗干扰 : 抗 雷电 和 电磁干扰 ;

③ 保密 : 没有串音干扰 , 不容易被窃听 , 截取数据 ;

④ 体积小 , 重量轻 ;

七、非导向性传输介质

---

非导向性传输介质 分类 :

• 无线电波
• 微波
• 红外线 , 激光

无线电波 :

① 传播方向 : 信号向 所有方向 传播 ;

② 特点 : 穿透能力强 , 传输距离远 , 广泛用于通信领域 ;

微波 :

① 传播方向 : 信号 沿 固定方向 传播 ;

② 特点 : 通信频率高 , 频段范围宽 , 数据率高 ;

③ 微波分类 : 地面微波接力通信 , 微信通信 ;

④ 地面微波接力通信 : 基站 ;

⑤ 卫星通信 :

• 优点 : 容量大 , 距离远 , 覆盖广 , 广播通信 和 多址通信 ;

• 缺点 : 延迟高 ( 250 ~ 270ms ) , 容易受到气候影响 ( 太阳黑子 , 日凌 ) , 误码率高 , 成本高 ;

红外线 , 激光 : ( 仅作了解 )

① 传播方向 : 信号 沿 固定方向 传播 ;

② 信号转换 : 将传输的信号 转为 红外线信号 , 激光信号 , 在空间中传播 ;

③ 与微波区别 : 微波 不需要转为 特殊的信号格式 , 红外线需要将信号转为 红外线信号 , 激光 需要将信号转为 激光信号 ;