【王道计算机网络笔记】物理层-传输介质 & 物理层设备

传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中发送设备和接受设备之间的物理通路

信道是发送设备和接受设备之间的逻辑通路

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流

传输介质可以分为

• 导向性传输介质，电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。（火车沿着火车轨道）
• 非导向性传输介质，即自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。（飞机在航线上但可以偏离）

导向性传输介质

双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、互相绝缘的铜导线组成

两条相互绞合的导线，电流方向相反，因此产生的电磁波大小相等，相互抵消，所以可以减小对相邻导线的电磁干扰
为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）

双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成

这四个结构共用一条轴线，所以叫同轴电缆

按照传输信号不同可分为

• 基带同轴电缆，传输基带数字信号，主要用于局域网
• 宽带同轴电缆，传输宽带信号，主要用于有线电视系统

通州点来由于外代替屏蔽层的作用，因此其抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵

光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。因为可见光的频率大，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽

双绞线和同轴电缆传递的是电脉冲，也就是电磁波

光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲

光纤主要由纤芯（实心的）和包层构成，光波通过纤芯进行传到，包层较纤芯有较低的折射率。当从光线从高折射率的介值射向低折射率的介值时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去

多模光纤：将不同角度入射的多条光线在一根光纤中传播，这种光纤就是多模光纤。
多模光纤的光源为发光二极管
光脉冲在多模光纤中传输可能会收到噪声等干扰，造成失真，因此多模光纤只适用于近距离传播

单模光纤：光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会发生多次反射
单模光纤的光源为定向性很好的半导体激光器/激光二极管
单模光纤衰减较小，适合远距离传输

光纤的特点：

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
• 抗雷电和电磁干扰性能好
• 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻

非导向性传输介质

无线电波的信号向所有方向传播，因此有效距离范围内的接受设备无需对准某个方向，就可与无线电波发射者进行通信连接。有较强的穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）

微波信号方向固定传播。微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。常用于地面微波接力通信、卫星通信
优点：

• 通信容量大
• 距离远
• 覆盖广
• 光波通信和多址通信

缺点：

• 传播时延长
• 受气候影响大
• 误码率较高（接收端识别不出波形、码元）
• 成本高

红外线、激光：信号固定方向传播。把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播

物理层设备

中继器

诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误

中继器的功能：再生数字信号。对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度

中继器的两端：

• 两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互联，且两个网段速率要相同
• 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适用于网段的数据
• 两端可连相同媒体，也可连不同媒体（一段双绞线，一段同轴电缆）
• 中继器两端的网段一定要是同一个协议（中继器不会存储转发）

从理论上讲，中继器的使用数目是无限的，网络因而也可以无限延长。但事实上这不可能，因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。
5-4-3规则规定，在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器/集线器的个数不能超过4个，而且用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，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机

集线器（多口中继器）

集线器的功能：再生、放大信号。对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备

集线器不能分割冲突域。即如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时就会发生冲突，致使这些数据都无效，只能在其他时间发送端重新发送。
这也导致连在集线器上的工作主机会平分带宽，如一个集线器的带宽是10Mb/s，如果连在上面的5台计算机都要进行通信，平分下来只有2Mb/s