計算機網絡學習筆記——物理層之傳輸媒介（信息媒介）

一、種類

• 所有傳輸媒介可分爲兩大類，即導向傳輸媒介和非導向傳輸媒介。在導向傳輸媒體中，電磁波被導向沿着固體媒體傳播，而非導向傳輸媒體就是指自由空間，在非導向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱爲無線傳輸。

1、導向傳輸媒體

• 在導向傳輸媒體中根據媒體所使用的材料的不同，有雙絞線、同軸電纜、光纜三種。

2、非導向傳輸媒體

• 主要根據波長劃分爲無線電波和微波、紅外線和激光幾大類，其中微波、紅外線和激光用於高帶寬的無線通信。

二、導向傳輸媒體

1、雙絞線

• 雙絞線又稱爲雙扭線，是最常用的古老傳輸介質，由兩根採用一定規則並排絞合的、相互絕緣的銅導線組成。絞合是爲了提高抗電磁干擾能力，因爲導向絞合後可以減少對相鄰導線的電磁干擾。
• 雙絞線根據外面是否帶有金屬絲編織成的屏蔽層，分爲屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。

• 屏蔽雙絞線簡稱STP（Shielded Twisted Pair），非屏蔽雙絞線簡稱UTP（Unshielded Twisted Pair），由於 STP 的製作工藝和材料比 UTP 複雜，因此 STP 也比 UTP 貴。但總的來說，雙絞線價格便宜，廣泛用於局域網和傳統電話網中。
• 雙絞線帶寬由銅線粗細和傳輸距離決定。常用的絞合線類型、帶寬和典型應用如下表：
  
• 模擬傳輸和數字傳輸都可用雙絞線，通信距離一般爲幾千米到幾十千米；對於超遠距離，模擬傳輸需要在線路中某個結點用放大器放大衰減的信號，而對於數字傳輸則是用中繼器整形失真信號。

2、同軸電纜

• 同軸電纜由內導體、絕緣層、網狀編織屏蔽層和塑料外殼構成，其中內導體可以是單股的銅質實心線，也可以是多股銅質絞合線。
  
• 根據特性阻抗值分爲 50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜，前者主要用於傳輸基帶數字信號，故而又稱爲基帶同軸電纜，在局域網中應用廣泛；後者主要用於傳輸寬帶信號，故稱寬帶同軸電纜，主要用有線電視系統。
• 由於外導體屏蔽層的作用，同軸電纜抗干擾性更好，可用傳輸較高速率的數據，傳輸距離更遠。同軸電纜帶寬取決於電纜的質量，高質量的同軸電纜已接近於 1GHz。

3、光纖或光纜

• 光纖通信是利用光導纖維傳遞光脈衝來進行通信，有無光脈衝分別代表 1 和 0. 可見光頻率爲 10^8=100,000,000 MHz，故而光纖帶寬非常大。
• 光纖主要有纖心和包層構成，而纖芯是由非常透明的石英玻璃拉長的細絲。光波通過纖芯傳導，包層較纖芯的折射率低。
  
  
• 當光線從高折射率介質射向低折射率的介質時，其折射角會大於入射角，故而當入射角夠大則光線可以折射返回纖芯，然後不斷反覆折射傳輸下去。

3.1、多模光纖

• 纖芯中傳輸不同入射角的多束光線的光纖稱爲多模光纖，其光源可以是發光二極管，如下圖：
  
• 由於光脈衝在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬而導致失真，故而只能近距離通信。

3.2、單模光纖

• 若將光線直徑減小爲只有一個光的波長，則光纖就如波導可使光線直線傳播，這種光纖稱爲單模光纖。
  
• 單模光纖纖芯只有幾微米，製作成本高，且光源需要用昂貴的半導體激光器，故而單模光纖總體成本高於多模光纖。但是，單模光纖衰減小，在 2.5Gb/s 的高速下傳輸數十公里而不需要中繼器。

3.3、光纖優缺點

• 優點主要如下：
  ① 傳輸損耗小，中繼距離長，對長距離傳輸特別經濟。
  ② 無串音干擾，保密性好，不易被竊聽或截取數據。
  ③ 抗雷電和電磁干擾性強
  ④ 體積小，重量輕。
• 光纖的主要缺點就是，兩根光纖精確地連接需要用專用設備。

三、非導向傳輸媒體

1、無線電波

• 由於無線電波穿透力強，可長距離傳輸，移動通信主要就是用無線電波進行通信。由於電波是由中心向四周發散發射電波的，因此只要在有效電波的覆蓋範圍內的具有無線電波通信的終端都可以進行通信，簡化了通信連接，這是無線電波的最大優點。

2、微波、紅外線和激光

• 這三種都需要收發雙方之間存在視線通路（Line-of-sight），方向性強，沿直線傳播，故而又可以稱此三者爲視線介質。區別在於，紅外通信和激光通信需要進行信號轉換後才能在空間中傳播。
• 微波通信頻率較高，頻段範圍廣，載波頻率常爲2 到 40GHz，信道容量大，直線傳播。由於地面障礙物多，因此需要在一定距離後就要用中繼站接力；而對於地外通信，微波通信有着無可比擬的優勢，通常利用地球同步衛星進行衛星通信，並利用其他同步衛星來改變傳播方向，通常三顆相隔 120°的同步衛星幾乎就能覆蓋全球實現全球通信；衛星通信容量大、距離遠、覆蓋廣，不足之處就是端到端的傳播時延較長，一般爲 250~270ms。

四、物理接口的特性

• 物理層考慮的是如何在各臺計算機上傳輸數據，因此要儘可能屏蔽各種物理設備的差異，使數據鏈路層只考慮本層的協議和服務。
  物理層主要任務可描述爲確定於傳輸媒體的接口有關的一些特性：
  ① 機械特性：主要定義物理連接的邊界點，即接插裝置。規定物理連接時所採用的規格、引線的數目、引腳的數量和排列情況等。
  ② 電氣特性：規定傳輸二進制位時，線路上信號的電壓高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等。
  ③ 功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義，接口部件的信號線——數據線、控制線和定時線的用途。
  ④ 規程特性：主要定義各條物理線路上的工作規程和時序關係。
• 常用的物理接口標準有 EIA RS-232-C、ADSL 和 SONET/SDH 等。

五、相關設備

• 物理層用到的設備主要有中繼器和集線器。

1、中繼器

• 也叫轉發器，原理是信號再生，用於將數字信號整形並放大再轉發出去，以消除信號經過一段電纜後，因噪聲或其他原因而造成的失真與衰減，使信號的強度和波形達到要求，進而擴大網絡傳輸的距離。
• 中繼器有信號輸入端口和信號輸出端口，端口僅作用於信號的電氣部分，而不管數據錯誤與否。
• 中繼器連接的幾個網段仍屬於局域網，並且不能連接速率不同的兩個局域網，中繼器一旦出現故障，那麼對相鄰的網段必然產生影響。由於網絡標準中對信號的延遲範圍作了具體規定，故而中繼器也只能在此規定範圍內進行有效的工作，否則將出現網絡故障，例如“5-4-3 規則”：
• 在 10M 的以太網中，互相串聯的中繼器數目不得超過 4 個，且 4 箇中繼器串聯的 5 段通信介質中只有 3 段可以掛接計算機，其餘兩段只能作爲擴展通信範圍的鏈路段。
• 辨析放大器：
  放大器也起到信號放大作用，不同之處是放大器放大的是模擬信號，原理是將衰減的信號放大。
• 注意：
  如果一個網絡設備具有存儲轉發的功能，那麼則可以認爲該設備可以連接兩個不同協議的網絡，反之則非。所以中繼器連接的兩個網段必須是同一個協議的。

2、集線器（HUB）

• 實質上是一個一對多的中繼器，即一個信號輸入端口多個信號輸出端口，同樣只對信號起到放大和轉發作用，目的在於擴大網絡的傳輸範圍，不具有信號定向傳輸能力，是一個標準的共享式設備，因此由 HUB 組成的網絡邏輯上仍是一個總線網。HUB 的每個端口連接的是同一個網絡的不同網段，只能在半雙工狀態下工作，故而網絡吞吐率有限。
• HUB 無法分割衝突域，所有集線器的端口同屬一個衝突域；而集線器一個時鐘週期只能傳輸一組信息，如果多臺連接到集線器上的終端同時通信，那麼將導致信息碰撞，導致集線器工作效率極低，如一個 10Mb/s 的集線器上接有 8 臺終端，那麼當 8 臺終端同時工作時，每個終端真正擁有的帶寬只有 10/8 Mb/s = 1.25 Mb/s。
• 集線器主要使用雙絞線組建網絡，服務器連接到桌面的最經濟的方案，也可以與交換機相連，將交換機端口的數據送到桌面。使用集線器的優點是組網靈活，將所有節點的通信集中在以其爲中心的結點上，對結點相連的工作站進行集中管理，不讓出問題的工作站影響整個網絡的運行，也讓用戶的加入和退出很自由。