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• 【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）】：2.1 物理层的基本概念 ：对应 “一：物理层基本概念”
  【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）】：2.2 物理层下面的传输媒体 ：对应 “二：物理层传输媒体”

一：物理层概念

物理层：计算机体系结构中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（当然也无需看见）物理层究竟使用何种方式来传输比特0和1，只管享受物理层提供的服务即可。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，而不必考虑网络所用的传输媒体是什么

传输媒体种类众多，大致可分为如下两类

• 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体传播
  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
• 非导引型传输媒体：是自由空间
  • 微波通信（2~4GHz）

为了解决在各种传输媒体上传输比特0和1这一问题，物理层协议主要有以下四个任务

• 机械特性：指明接口和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平的电压表示何种意义
• 规程特性：指明对于各种不同功能的各种可能事件的出现顺序

二：物理层传输媒体

（1）导引型传输媒体

导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体传播

A：同轴电缆

同轴电缆：如下图，由内导体铜质芯线（单股实心线或绞合线）、绝缘层、网状编织外导体屏蔽层、绝缘保护套层构成，由横截面可知各层是共圆心即同轴心的

同轴电缆分为如下两类

• 基带同轴电缆（50Ω）： 主要用于数字传输，过去广泛应用于局域网
• 宽带同轴电缆（75Ω）： 主要用于模拟传输，目前广泛应用于有线电视的入户线

同轴电缆优缺点如下

• 优点：
  • 具有良好的抗干扰性
  • 适合传输较高速率的数据
  • 传输距离远
• 缺点：
  • 价格贵（相较于双绞线而言）
  • 布线不够灵活和方便

生活中常见的同轴电缆样式如下

B： 双绞线

双绞线：是古老、又最常用的传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合的目的在于

• 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

双绞线可分如下两类

• 无屏蔽双绞线UTP电缆：无金属丝编织的屏蔽层
  

• 屏蔽双绞线STP电缆：无金属丝编织的屏蔽层、提高了抗电磁干扰的能力
  

如下图是常用的绞合线的类别、宽带和典型应用

生活中常见的双绞线样式如下

C：光纤

①：光纤通信

光纤通信：就是利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信，可见光的频率大约为$10^8$MhHz，其带宽是远远大于目前其他各种传输媒体的带宽的

光纤通信发出的是光信号，而计算机发送或识别的是电信号，因此整个过程中必然涉及光电转换。具体来说：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

②：光纤

光纤：主要由纤芯（实心）和包层构成，光波通过纤芯传导。由于包层折射率较低，因此当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，此时折射角大于入射角，如果入射角足够大，就会出现全反射，也即当光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就可以沿着光纤一直传输下去了

光纤可分为如下两类

• 多模光纤（50微米、62.5微米）：从不同角度入射的多束光线可以在一条光纤中传输，其光源为发光二极管

  • 光脉冲在多模光纤中传输时会发生脉冲展宽，所在光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真，所以它只适用于近距离传输
    

• 单模光纤（9微米）：当光纤的直径减小到仅一个光波长度时，光纤就像一根波导一样，可以使光线一直向前传播，而不会产生多次反射

  • 没有模式色散，在1.31微米波长附近材料色散和波导色散正好抵消
  • 其纤芯很细，制造成本高，单模光纤的光源为定向性很好的激光二极管；其衰减较小、适合远距离传输
    

另外，由于光纤非常细，因此必须将其做成结实的光缆，一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十乃至数百根光纤

光纤优缺点如下

• 优点：
  • 通信容量大
  • 传输损耗小，远距离传输更加经济
  • 抗雷电和电磁干扰性能好
  • 无串音干扰、保密性好、不易被窃听
  • 体积小、重量轻
• 缺点：
  • 割接需要专用设备
  • 光点接口价格昂贵

D：电力线

电力线：早在20世纪20年代初期就已经出现了，当时主要应用于电力线电话

（2）非导引型传输媒体

非导引型传输媒体：利用电磁波在自由空间的传播来传送数据。下图为电磁波频谱

3Hz-30Hz范围的电磁波不应用于通信领域，在其他领域分段及其作用如下

ITU波段号	频段名称	缩写	频率范围	波段名称	波长范围	用途
1	极低频	ELF	3Hz-30Hz	极长波	100000km-10000km	潜艇通讯或直接转化为声音
2	超低频	SLF	30Hz-300Hz	超长波	100000km-1000km	直接转化为声音或交流输电系统
3	特低频	ULF	300Hz-3KHz	特长波	1000km-100km	矿场通信或直接转为声音
4	甚低频	VLF	3KHz-30KHz	甚长波	100km-10km	直接转为声音或超声研究

30KHz-30MKHz范围的电磁波称为无线电波，在通信领域中作用如下**

• 低频和中频频段利用地面波传输
• 高频和甚高频利用电离层反射传输

ITU波段号	频段名称	缩写	频率范围	波段名称	波长范围	用途
5	低频	LF	30KHz-300KHz	长波	10km-1km	国际广播、全向信标
6	中频	MLF	300KHz-3MHz	中波	1km-100m	调幅（AM）广播、全向信标、海事和航空通讯
7	高频	HF	3MHz-30MHz	短波	100m-10m	民用电台
8	甚高频	VHF	30MHz-300MHz	米波	10m-1m	调频（FM）广播、电视广播、航空通讯

300MHz-300GHz范围的电磁波称为微波，在通信领域中占据重要地位，主要使用2-40GHz频率范围**

ITU波段号	频段名称	缩写	频率范围	波段名称	波长范围	用途
9	特高频	UHF	300MHz-3GHz	分米波	1m-100mm	电视广播、无线电通讯、无线网络、微波炉
10	超高频	SHF	3GHz-30GHz	厘米波	100mm-10mm	无线网络、雷达、人造卫星
11	极高频	EHF	30GHz-300GHz	毫米波	10mm-1m	遥感、人体扫描安检仪、射电天文学

300GHz-400THz范围的电磁波称为红外光，现已被淘汰，特点如下**

• 点对点无线传输
• 直线传输，中间不能有障碍物
• 传输速率低（4Mb/s-16Mb/s）