物理层的传输介质和设备

一、传输介质及分类

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

图一：传输介质

二、导向性传输介质：双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导体组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

图二：两种双绞线

根据物理上的右手准则，当产生电磁波的大小相等，电流方向相反，会相互抵消，为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）。

双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

图三：现实中的双绞线

三、导向性传输介质：同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。由于四个结构同用一个轴心，因此称为同轴电缆。

图四：同轴电缆

同轴电缆vs双绞线：由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

四、导向性传输介质：光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是10的8次方MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

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。

光纤主要由纤芯(实心的！)和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，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，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

图五：光纤物理图

图六：光纤的分类

图七：现实中的光纤

五、光纤的特点

1.体积小，重量轻。

2.抗雷电和电磁干扰性能好。

3.无串音干扰，，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

4.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

六、非导向性传输介质

非导向性传输介质分为无线电波、微波、和红外线、激光。

无线电波：信号向所有方向传播，具有较强的穿透性，可传远距离，广泛用于通信领域，例如手机通信。

微波：信号固定方向传播，微波通信频率较高，频段范围宽，因此数据率很高。可分为地面微波接力通信和卫星通信。

地面微波接力通信：在地球上的很多地方会有大量中继站，当中继站发送信号后，会传输到附近的中继站，一直延续，直到所有中继站都接收到信号，从而达到全球通信。

卫星通信：优点：通信容量大，距离远，覆盖广，广播通信和多址通信，缺点：传播时延长，受气候影响大，例如强风、太阳黑子风暴、日凌。误码率高，成本高。

红外线、激光：信号固定方向传播。把要传输的信号分别转换成各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间传播。

七、物理层的设备：中继器

产生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰弱到一定程度时会造成信号失真，因此会导致接收错误。

中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。一般再生的是数字信号。

图八：中继器

中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。两端可连相同媒体，也可连不同媒体。中继器两端的网段一定要是同一个协议。（中继器不会存储转发）

5-4-3规则：网络系统中都对信号的延迟范围作了具体规定，因而中继器只能在规定的范围进行，否则会网络故障。最多5个网段，最多四个物理层网络设备（中继器或集线器），最多只有三个网段可以连接计算机。

八、物理层的设备：集线器（多口中继器）

集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

图九：集线器