计算机网络5：传输媒体和信道复用(物理层)
1、物理层下边的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向型传输媒体和非导向型传输媒体。
- 在导向型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播
- 非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型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
1）双绞线
双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。现在的以太网(主流的计算机局域网)基本上也是使用各种类型的双绞线电缆进行连接的。
下图为无屏蔽双绞线实物图：
下图为屏蔽双绞线实物图：
屏蔽双绞线可以减少外部电磁干扰。无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的结构图示：
2）同轴电缆
同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及绝缘保护套层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
下图为同轴电缆实物图：
同轴电缆的结构图示：
3）光纤
光纤通信就是利用光导纤维(光纤)传递光脉冲来进行通信的。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为 10MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤是光纤通信的传输媒体。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的作用下能产生出光脉冲。在接收端利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。
下图为光纤实物图：
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。 纤芯很细，其直径只有 8~100 µm 。光波正是通过纤芯进行传导的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线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。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿石光纤传输下去。
光波在光纤中折射：
光波在纤芯中传输：
（2）非导向传输媒体
当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种通信。
由于这种通信方式不使用上一节所介绍的各种导引型传输媒体，因此就将自由空间称为“非导引型传输媒体”
非导向传输媒体就是指自由空间，其中电磁波传输被称为无线传输。
无线传输所使用的频段很广
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波通信的通信质量较差。
微波通信主要是直线传播，如：地面微波接力通信、卫星通信等。
3、物理层设备-集线器
工作特点：他在网络中只起到信号放大和重发的作用、其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力。目前被交换机取代。
最大传输距离：100m
集线器是一个重大的冲突域。如下图，计算机A和计算机B通过集线器进行通信
（1）A发出的消息，B、C、D都能收到，只是计算机C、和D通过MAC地址判断消息不是自己的，便不进行接收，网络通信不安全
（2）当计算机A和B通信时，其他计算机便不能再通信，只能进行等待，因此会形成通信冲突
（3）集线器在此只是充当一个网线的角色，对数据只作传输不做识别处理
二、信道复用技术
复用是通信技术中的基本概念，复用可以节约传播介质
1、频分复用
用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的带宽是频带带宽而不是数据的发送速率）
一个传播介质中信号可以分成多个频率传输，不同用户的通讯使用不同的频率，接收端也通过不同的频率来区分不同的用户通讯信息。
频分复用FDM示意图
如下图，传输信号经过调制解调器使用不同频率解调，形成不同频率的声波，然后把不同频率的声波叠加成一个声波进行传输。
在接收端收到信号以后，使用过滤器针对不同频率进行过滤，然后使用相同的频率进行解调，从而还原发送端传播的声波想信息。
电话机使用频分复用的例子图示
多个信道（图示12个信道）通过频分复用形成一个信道，然后一层一层叠加，最后汇总成一个最大的信道进行传输。
2、时分复用技术
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TMD帧）。每一个时分复用的用户在每一个TMD帧中占用固定序号的时隙。每一个用户占用的时间空隙是周期性地出现（其周期就是TMD帧的长度对应的时间）。
TMD信号也成为等时信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
发送端不同用户的信息存放位置是有规律的，接收端根据规律来取对应用户的数据。如图：
不同用户的数据存放的位置始终是不变的
数据的排列图示
（1）时分复用的实现机制
存取双方都遵从一定的时钟速率进行存取值
（2）时分复用的问题
时分复用可能会造成线路资源的浪费。使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的，如下图：
（2）改进：统计时分复用
统计时分复用，在不同信号前多加了一个信号标识，通过标识来区分不同用户的数据，不同数据不再占用一个固定的位置，数据存放是没有规律的，从而达到高效利用信道的目的。
3、波分复用——光的频分复用
波分复用WDM，实际上就是光的频分复用
波分复用的简略示意图
