2 物理层（五）：传输介质

1 传输介质

物理层传输的二进制比特流需要在传输介质上实现。传输介质是数据传输的物理通道，它还能连接主机和各种网络设备。需要注意的是，传输介质不属于物理层。
传输介质是构成信道的主要部分，信号的传输质量不但与传输的数据信号和收/发特性有关，而且与传输介质的特性有关。
传输介质的特性有如下几个：

（1）物理特性：说明传输媒体的特性。
（2）传输特性：包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送、调制技术、传输容量及传输频率范围。
（3）连通性：采用点到点连接还是多点连接。
（4）地理范围：在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。
（5）抗干扰性：防止噪声、电磁干扰对传输数据影响的能力。
（6）相对价格：包括元件、安装和维护等价格。
计算机网络中使用的传输介质分有线和无线两大类

1.1 有线传输媒体

1、双绞线

双绞线TP（Twisted Pair Cable）也称为双扭线

定义：双绞线是由一对绝缘铜导线扭绞在一起，形成有规则的螺旋形。导线扭绞得越密价格越贵，性能也越好
分类：
- 非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）
- 屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）
  - STP外面环绕一圈保护层，可大大提高抗干扰能力
- 下面是常见的双绞线分类：其中UTP中1类是最低档的，5类是最高档的
- 最常用的UTP是3类、5类线非屏蔽双绞线。由于工艺的进步和用户对传输带宽的要求的提高，现在普遍使用的是高质量的UTP，称为超5类线UTP。
UTP连接到网络设备（Hub、Switch）的连接器：类似电话插口的咬接式插头，称为RJ-45，俗称水晶头。

2、同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable）结构如图：
在这里插入图片描述

同轴电缆结构：中心是实心或多芯（扭绞的）硬质铜线电缆，包上一根圆柱形的绝缘皮，外导体为硬金属（金属箔）或金属网，通常也是铜质的，外导体外还有一层绝缘体，最外面是一层塑料皮包裹。
特点：
- 具有较高的抗干扰能力
- 传输比双绞线更宽频率范围的信号
- 单总线结构，只要有一处的连接出现故障，将会造成整个网络的瘫痪。所以这种传输介质基本已经被淘汰了。
常用的规格有：（RG：无线电波控制）
- RG-8：用于粗缆以太网；
- RG-9：用于粗缆以太网；
- RG-11：用于粗缆以太网；计算机网络中常用。阻抗为50Ω，由它构建的网络是10Base-5，称为标准以太网，传输速率可达10Mbps。
- RG-58：用于细缆以太网；计算机网络中常用。阻抗也为50Ω，由它构建的网络为10Base-2，称为廉价以太网，传输速率为10Mbps。
- RG-75：用于电视系统

3、光纤

光导纤维（Optical Fiber）简称为光纤

光纤的构造：通常由透明的石英玻璃制成，主要成分是二氧化硅（SiO2）。光纤是由纤芯和外包一层玻璃同心层构成双层通信圆柱体，纤芯是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质，其直径比头发丝还要细（50～100μm）
由多条光纤组成的传输线就是光缆。
光纤通信的原理：是利用光纤传递光脉冲信号实现的。具体实现如下：
- 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。光纤就是利用全反射角将光线在信道内定向传输
光纤通信的过程：用光纤传输电信号时，先将源端的电信号转变为光信号，由光发送器产生光束，并将光信号导入光纤中传播。接收端由光接收器接收光信号，并将其还原成电信号。
传输速率：在100Gbps以上
光纤的传播模式
- 多模传播：可以有多束光线从光源经纤芯通过不同的光路传播（同一根光纤有多个入射角可以是全反射角），这些光线在光纤中如何传播依赖于光纤芯材的结构
- 单模传播：采用高度集中的光源，使得发出的光线限制在非常接近水平的很小范围内
光源：
- 发送端：光的信号源可以是一个发光二极管（LED）或是固体激光器。他们有不同的特性
  - 发光二极管：只能发射发散的光线，不能控制各种不同入射角度，只用于短距离传输信息。
  - 固体激光器：具有高度的集中性，可以聚集到一个很小的范围内，从而可以控制入射角度的大小，因此激光信号在长距离传播后仍能保持信号的特征。可用于长距离传输信息。
  - 以下两个光源特性对比：
- 接收端：光敏元件（光电二极管）
  - 光电二极管：当遇到光时，光电二极管就会给出一个电脉冲，将接收到的光信号转变成计算机可以接收的电信号。
光纤的传输特性：
- 光纤通信是以光波为载体频率，通过光发送器、光接收器和光纤等设备实现，长距离传输还需要中继器。
- 光纤中的光信号只能单向传播，因此在实际应用中一般都是有两条以上偶数条光纤组成，而且两端都有光接收和发送设备。
- 光纤与光线之间的连接：
  - 使用光纤接入连接头并插入光纤插座。光损耗：10%~20%
  - 采用机械的方法：将两根要连接的光纤小心切割好，并将它们放在一个套管中，然后钳起来。可以通过结合处的调整，让光纤中的信号达到最大。光损耗：10%
  - 过融合的方法将光纤连在一起，这种方法形成的光纤和单根光纤几乎是相同的。光损耗：微弱
光纤的优点：
- （1）光纤传输频带非常宽，因而通信容量大；
- （2）光纤的传输速率高，能超过千兆位/秒，在实验室中已经获得T级（1000Gbps）传输速率；
- （3）光纤的误码率极低，传输衰减小，中继距离长，远距离传输经济；
- （4）光纤不受雷电和外界电磁波的干扰，适宜在电气干扰严重的环境中应用；
- （5）光纤无串音干扰和辐射，不易被窃听或截取数据，因而安全保密性好；
- （6）光纤的体积小，重量轻，成缆后弯曲性能较好。
光纤的缺点：
- 价格较贵，连接两根光纤时需要专用设备
- 施工要求精确高，技术难度大
- 由于光的传输是单向的，双向传输需要两根光纤或一根光纤上的两个频段
光纤接口：光纤收发器是一种电信号和光信号进行互换的传输媒体转换单元，也被称之为光电转换器或光纤模块。其接口类型如下：
- ST连接器：
  - ST连接器呈圆形，光芯外露，光缆中只有单根光导纤维（而非多股的带状结构），ST头插入后旋转半周有一卡口固定
  - 缺点：容易折断
  - 常用于光纤配线架
- SC连接器：
  - SC连接器的芯在接头里面，是标准方形接头。
  - 优点：耐高温，不容易氧化，SC连接头直接插拔，使用很方便
  - 缺点：容易掉出来
  - SC连接器在路由器和交换机上用的较多
- FC连接器：
  - FC连接头为带螺纹的圆形接口，外部加强方式采用金属套，紧固方式采用螺丝扣
  - 优点：牢靠、防灰尘
  - 缺点：安装时间稍长
  - 一般在电信网络采用，多数用在配线架上
- LC连接器：
  - 使用模块化插孔（RJ），是普通SC、FC等所用尺寸的一半，可提高光纤配线架中光纤连接器的密度
  - 在路由器中常用
- MT-RJ连接器：
  - MT-RJ连接器呈方形，一头双纤收发一体
- MU连接器
- 。。。

1.2 无线传输媒体

无线传输是利用空气（很少情况下也有通过水）等作为传输介质实现信号传播。无线传输可以使用各个波段的无线电、地面微波接力线路、卫星微波线路，以及激光、红外线等。

1、无线电波段分配

无线电波段被分为8 个波段范围，每个波段都由政府机构管理，分别如下：

3～30 kHz的甚低频（VLF）
30～300kHz的低频（LF）
300kHz～3MHz的中频（MF）
3～30MHz的高频（HF）
30～300MHz的甚高频（VHF）
300MHz～3GHz的超高频（UHF）
3～30GHz的特高频（SHF）
30～300GHz的极高频（EHF）

0～3kHz用于语音系统，3kHz～300GHz就是用于无线通信，而300GHz以上的分别是红外线、可见光（430～750THz）紫外线、X射线、伽马射线和宇宙射线。