计算机网络-物理层（一）物理层的概念与传输媒体

计算机网络-物理层（一）物理层的概念与传输媒体

物理层相关概念

• 物理层的作用用来解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而为数据链路层提供透明(看不见)传输比特流的服务
• 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么

传输媒体

传送媒体可分为导引型传输媒体与非导引型传输媒体

导引型传输媒体

• 双绞线
• 同轴电缆
• 光纤

非导引型传输媒体

• 微波通信(2~40GHz)

物理层协议的主要任务

• 机械特性:指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置

• 电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围

• 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

• 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

物理层之下的传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构中的任意一层，在物理层之下 (本章了解可以)

传输媒体分类

导引型传输媒体:电磁被导引沿着固体媒体传播

同轴电缆

同轴电缆:内导体为铜制芯线，可以是单股实心线或者多股绞合线，依次向外是绝缘层，屏蔽网，绝缘保护套，因为各层之间是同心的，所以称为同轴电缆

同轴电缆主要有两种:基带同轴电缆(50Ω)用于数字传输，过去用于局域网。宽带同轴电缆(75Ω)用于模拟传输，目前主要用于有线电视

信号源产生的原始电信号称为基带信号，将数字数据0、1直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输,将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后采用频分复用技术实现宽带传输

缺点:同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出线，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体

双绞线

双绞线是最古老而又最常用的传输媒体，把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定的规则绞合起来就形成了双绞线

双绞线分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线

屏蔽双绞线比无屏蔽双绞线电缆增减率金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰能力，价格更贵一些

绞合的作用

• 抵御部分来自外界的电磁波干扰
• 减少相邻导线的电磁干扰

常用双绞线

光纤

由于光纤非常细，所以必须将它做成很结实的光缆，一根光缆少则只有一个光纤，多则可包括数十至数百根光纤，加上加强芯和填充物就可以大大提高机械强度，必要时还可放入远供电源线，最后加上包带层和外护套，可以使抗拉强度达到几千克，完全可以满足工地施工的强度要求

• 纤芯直径

  • 多模光纤:50微米 62.5微米
  • 单模光纤:9微米

• 包层直径125微米

• 工作波长

  • 0.85微米(衰减较大)
  • 1.30微米(衰减较小)
  • 1.55微米(衰减较小)

光纤的优点

• 通信容量大(25000~30000GHz的带宽)
• 传输损耗小，远距离传输时更加经济
• 抗雷电和电磁干扰性能好。在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
• 无串音干扰，保密性好，不易被切听
• 体积小，重量轻 (一公里长的1000对双绞线电缆约重8000公斤，同样长度但容量大得多的一对双芯电缆近重100公斤)

光纤的缺点

• 割接需要专用设备
• 光电接口价格较贵

传输原理

• 当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角
• 如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯
• 光在纤芯中传输的方式是不断地全反射
• 许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤成为多模光纤

由于色散(模式、材料、波导色散)，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真(脉冲展宽)，因此，多模光纤只适合近距离传输（建筑物内），发送光源:发光二极管 接收检测:光电二极管

若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤

• 单模光纤没有模式色散，在1.31微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反，两者刚好抵消，没有脉冲展宽问题
• 但单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高
• 发送光源:激光发射器 接收检测:激光检波器

电力线

电力线早用于电力线电话，目前如果采用电力线作为家庭高性能网络传输媒体是不能满足要求的，对于装修时没有进行网络布线的家庭，可以采用这种方式，对于一些才哟合格独立房间进行办公的企业来说，如果每间办公室的电脑数量不多，而又不希望跨办公室进行布线，也可以采取这种方式，每个办公室只需要根据需求，在电源插座上插入一个或多个电力猫即可

非导引型传输媒体:自由空间

极长波~甚长波不用于电信领域

• 从低频到甚高频或者说从长波到米波，这些波称为无线电波

• 从特高频到极高频或者说从分米波到毫米波这些波称为微波

无线电波

无线电波中的低频和中频频段主要使用地面波进行传输

高频和甚高频频段主要依靠电离层的反射

微波

频率范围:300MHz~300GHz

波长:1m~1mm

主要使用2~40GHz的频率范围

传播方式:直线传播，由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方

传统的微波通信主要有两种方式

• 一种是地面微波接力通信
• 另一种是卫星通信
  

由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50公里左右，如果采用100米高的天线塔，则传播距离则可增大到100公里，如果需要实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站将前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为接力，常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。其最大特点为通信距离远

特点:通信距离远 传播时延较大，一般为250~300ms之间

目前地轨道卫星通信系统已开始在空间部署

红外线

很多家用电器(例如电视、空调等)都配套有红外遥控器，以前的笔记本电脑都基本有红外接口，可以进行红外通信

• 红外通信属于点对点无线传输
• 传输距离短，中间不能有障碍物
• 传输速率低(4Mb/s~16Mb/s)

现在基本已淘汰

可见光

应用:LiFi，目前处于实验研究阶段

使用某段无线电频谱进行通信，通常需要得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证