传输介质与设备

传输介质

传输介质也称为传输媒体/传输媒介，他就是数据传输系统在发送设备和接收设备之间的物理通路。传输介质可以分为导向传输介质和非导向传输介质。在导向传输介质中，电磁波被导向沿着固体媒介（铜线或光纤）传播，而对于非导向传输介质可以是空气、真空或者海水等。

思考：传输媒体和物理层的主要区别？

在传输媒体中传输的是信号，但是传输媒体并不知道所传输的信号是代表什么，也就是说，传输媒体不知道信号什么时候是1什么时候是0.但是物理层由于规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

导向性传输介质

双绞线

双绞线是最古老、又最常用的传输介质，它采用两根采用一定规则并排绞和、相互绝缘的铜导线组成。

绞和可以减少对相邻导线之间的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰能力，我们还可以在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织而成的屏蔽层，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几十公里，距离太远时，对于模拟传输，要使用放大器放大衰减的信号，对于数字传输，要使用中继器将失真的信号整型。

同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编址屏蔽层和塑料外层组成。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，他在局域网中得到广泛应用，而75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统。

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，被广泛应用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但是价格也比双绞线更高。

光纤

光纤导线就是利用光导纤维（简称光纤）传输光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大概是10^8dMHz,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者半导体激光，他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，在检测时还可还原出电脉冲。

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。当光纤从高折射率的介质射向较低折射率的介质时，其折射角大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光纤碰到包层时就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

光纤传输又分为多模光纤和单模光纤：

• 多模光纤：只要从纤心射到纤心表面的光纤的入射角大于某个临界角度，就会产生全反射。因此，从不同角度入射的多束光线可在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。多模光纤的光源为发光二极管。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。
• 单模光纤：光纤的直径减小到一个光波长度时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤。单模光纤的纤心很细，直径只有几微米，制造成本高。同时单模光纤的光源为定向性很好的激光二极管，因此单模光纤的衰减较小，适合于远距离传输。

我们可以总结光纤有如下特点:

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2. 抗雷电和电磁干扰性能好
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听和截取数据
4. 体积小，重量轻

非导向性传输介质

无限通信已广泛应用于移动电话领域，构成蜂窝式无线电话网。随着便携式计算机的出现，以及在军事、野外等特殊场合下移动通信联网的需要，促进了数字化移动通信的发展，现在无线局域网产品的应用已经非常普遍。

无线电波

无线电波穿透能力强，可以传输很长的距离，所以被广泛应用于通信领域，如无线手机通信、计算机网中的无线局域网（WLAN）等。因为无线电波使信号向所有方向散播，因此有效距离范围内的接受设备无需对准某个方向接收，就可以与无线电波发射者进行通信连接，大大简化了通信连接。这也是无线电传输的最重要的优点之一。

微波、红外线和激光

目前高宽带的无线通信技术就是微波、红外线和激光这三种通信技术。他们都需要发送方和接收方之间存在一条视线通路，有很强的方向性，都沿直线传播，有时这三者又统称为视线介质。不同的是，红外线通信和激光通信把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外线信号和激光信号，再直接在空间中传播。

微波通信的频率较高，频段范围也很宽，载波频率通常为2~40GHz，因而通信信道的容量大。例如一个带宽为2MHz的频段可以容纳500条的语音线路，若用来传输数字信号，数据率可达Mb/s的级别。与通常的无线电波不同，微波通信的信号是沿直线传播的，因此在地面的传播距离有限，超过一定距离后需要中继站来接力。

但是微波信号在卫星通信中作用极大，卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制。三颗相隔120°的同步卫星几乎能覆盖整个地球表面，因而能够实现全球通信。卫星通信的优点是通信容量大、距离远、覆盖广，缺点是端到端的传播时延长，一般为250~270ms。

物理层设备

中继器

中继器诞生的原因就是解决线路上由于损耗而导致信号衰减甚至失真的问题的。它能够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。

中继器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联，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用于网络的数据。同时中继器可以连相同的媒体，也可以连不同的媒体。只要中继器两端的网段一定要是同一个协议即可，同时中继器不会存储转发（傻🤣）。

网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定（5-4-3规则），因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会出现网络故障。

所谓的5-4-3规则就是指在10M以太网中，网络总长度不得超过5个网段，4台网络延长设备，且5个区段中只有3个区段可接网络设备。如上图我们发现有5个线段表示5个网段，4个蓝色矩形表示4台中继设备，和三个可以接入这个以太网的网络设备。

集线器（多口中继器）

集线器的功能是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（除了输入端口）处于工作状态的端口上（优点类似于广播），以增加信号的传输距离，延长网络的长度。因此也说明他不具备定向传送能力，是一个共享式设备。

物理层接口的特性

物理层考虑的是如何在连接到各台计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不指具体的传输媒体。物理层应尽可能屏蔽各种物理设备的差异，使数据链路层只考虑本层的协议和服务。物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

1. 机械特性：主要定义为物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况。
2. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
3. 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，接口部件的信号线（数据线、控制线、定时线等）的用途。
4. 规程特性：主要定义各物理线路的工作规程和时序关系。

常用的物理层接口标准有EIA RS-232-C、ADSL和SONET/SDH等。

总结

自此我们大体上学习完了物理层的所有知识点，一下是知识脑图：