计算机网络——物理层-物理层的基本概念、物理层下面的传输媒体

物理层的基本概念

传输媒体

物理层的基本概念

在计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多。大致可以分为两类。一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。

在导引型传输媒体中，常见的有双绞线、同轴电缆、光纤。

在非导引型传输媒体中，常见的是微波通信。例如使用2.4G赫兹和5.8G赫兹频段的WiFi。

计算机网络体系结构中的物理层，就是要解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。

所谓透明，是指数据链路层看不见，也无需看见物理层究竟使用的是什么方法来传输比特0和1的，他只享受物理层提供的比特流传输服务即可。

物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题。

主要有四个任务，分别是机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。

机械特性：指明接口所用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瓶的电压表示何种意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

由于传输媒体的种类众多，例如双绞线、光纤等。

物理连接方式也很多，例如点对点连接、广播连接等。

因此，物理层协议种类就比较多，每种物理层协议都包含了上述四个任务的具体内容。因此，在学习物理层时，我们应该将重点放在掌握基本概念上，而不是某个具体的物理层协议。

小结

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。
他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使用的传输媒体是什么。

传输媒体

物理层下面的传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层，如果非要将它添加到体系结构中，那只能将其放在物理层之下。

传输媒体可分为两类，一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。常见的导引型传输媒体有：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。而非导引型传输媒体是指自由空间。可使用的电磁波有无线电波、微波、红外线。可见光。

我们首先来看导引型传输媒体同轴电缆，这是一根同轴电缆的示意图：

内导体同质心线，可以是单股实心线，或者是多股的角和线。绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层、绝缘保护套层。同轴电缆的横切面可以看出各层都是共圆心的，也就是同轴心的。这就是同轴电缆名称的由来。

同轴电缆有两类，一类是50欧阻抗的基带同轴电缆，用于数字传输，在早期局域网中广泛使用。

另一类是75欧阻抗的宽带同轴电缆，用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线。

同轴电缆价格较贵，且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域，双绞线取代了同轴电缆。

再来看双绞线。这是无屏蔽双绞线电缆的示意图：

这是屏蔽双绞线电缆的示意图：

双绞线是最古老又最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定规则搅合起来，就构成了双绞线。例如图中所示的这根无屏蔽双绞线电缆，包含八根铜导线。每两根角合成一条双绞线。

搅合有两个作用：

抵御部分来自外界的电磁干扰。
减少相邻导线的电磁干扰。

屏蔽双绞线电缆比无屏蔽双绞线电缆增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰的能力，价格也要更贵一些。

这是常用的绞合线的类别、带宽和典型应用：

在经济条件允许的情况下，建议选用6A类双绞线电缆，以满足万兆局域网的需求。

再来看光纤。

这是一根室外四星光缆的示意图：

这是它的内部结构图：

由于光纤非常细。因此，必须将它做成很结实的光缆。一根光缆，少则只有一根光纤。多则可包括数十甚至是数百根光纤。再加上加强芯儿和填充物，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，就可以使抗拉强度达到几千克。完全可以满足工程施工的强度要求。

纤芯直径

光纤的纤芯非常细。多模光纤的纤心直径有50微米和62.5微米。单模光纤的铅芯直径为九微米。

包层直径

而铅芯外面的包层也非常细，直径不超过125微米。

工作波长

在光纤通信中。常用三个波段的中心分别位于0.85微米、1.3微米和1.55微米。

光纤的优点

通信容量非常大。
传输损耗小，在远距离传输时更加经济。
抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
无串音干扰，保密性好，不易被窃听。
体积小，重量轻。

例如。一公里长的1000对双绞线电缆约重8000公斤。而同样长度但容量大的多的一对两芯光缆仅重100公斤。

光纤的缺点

割接光纤需要专用设备。
目前光电接口的价格还比较贵。

接下来我们来看看光在光纤中传输的基本原理。

这是纤芯。它是由非常透明的石英玻璃拉成的细丝。

这是包裹在纤芯外层的包层。它是折射率比先些低的玻璃封套。

在发送端可以采用发光二极管或半导体激光器作为光源。在接收端可以采用光电二极管或激光检波器检测光脉冲。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。如图所示。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射。也就是光碰到包层时，就会反射回纤芯。

该过程反复进行，光也就沿着光纤传输下去。

实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度热射的光线在一条光纤中进行传输。这种光纤称为多模光纤。

由于光的色彩问题。光在多模光纤中传输一定距离后，必然产生信号失真，也就是脉冲展宽。

如图所示：

因此多模光纤只适合近距离传输。例如在建筑物内。多模光纤对光源的要求不高，可以使用比较便宜的发光二极管。相应的可采用光电二极管检测光脉冲。

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1.3微米波长附近，材料色散和波导色散大小相等，符号相反，两者正好抵消，没有脉冲展宽问题。

如图所示：

单模光纤适合长距离传输且衰减小。但它的制造成本高，对光源要求也高。需要使用昂贵的半导体激光器作为光源。相应的需要采用激光检波器检测光脉冲。

再来看看采用电力线作为传输媒体的情况。

应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话。目前，如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线作为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。对于一些采用独立房间进行办公的企业来说。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。每个办公室只需根据需求在电源插座上插入一个或多个电力猫即可。

下面我们来看非导引型传输媒体，也就是自由空间。

我们可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息。

这是电磁波的频谱：

这是国际电信联盟ITU对电磁波频段的划分：

从极低频到甚低频，也就是从极长波到甚长波，这些频段并不用于电信领域。

从低频到甚高频，也就是从长波到米波。这些频段的电磁波又称为无线电波。用于国际广播、海事、航空通讯、电台、广播和电视广播等。

从特高频到极高频，也就是从分米波到毫米波。这些频段的电磁波又称为微波，用于无线电话、无线网络、雷达、人造卫星接收、射电天文、人体扫描等。

无线电波中的低频和中频频段。主要利用地面波进行传输。而高频和甚高频频段主要是靠电离层的反射。

微波通信在数据通信中占有重要地位。频率范围为300兆赫兹到300G赫兹。也就是波长一米到一毫米。但主要使用二到40G赫兹的频率范围。

微波在空间主要是直线传播。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。而地球表面是个曲面。因此其传播距离受到限制。一般只有50公里左右。

但若采用100米高的天线塔，则传播距离可增大到100公里。为实现远距离通信。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。中继站把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36000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。其最大特点是通信距离远。相应的传播时延也比较大。一般在250~300毫秒之间。除同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始在空间部署。并构成了空间高速链路。

利用红外线来传输数据，相信大家并不陌生。很多家用电器，例如电视、空调等都配套有红外遥控器。以前的笔记本电脑基本都带有红外接口，可以进行红外通信。红外通信属于点对点无线传输。中间不能有障碍物，传输距离短。传输速率也很低。现在笔记本电脑已经取消了红外接口。但很多智能手机还带有红外接口，以方便用户对电视、空调等家用电器进行红外遥控。

我们介绍了物理层的基本概念以及其下面的传输媒体。传输媒体这部分内容不是重点和难点，只要求了解即可。

END

学习自：湖科大——计算机网络微课堂