2024.07.05：计算机网络物理层的传输媒体和设备学习笔记

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科普一下，有印象就可以，注意传输媒体和设备不属于物理层

3.1 传输媒体（了解）

3.1.1 双绞线

双绞线也称双扭线，是最古老而常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，用规则的方法绞合起来构成了双绞线

绞合可以减少对相邻导线的（电磁干扰），电话系统是使用双绞线最多的地方。几乎所有的电话连接到电话交换机

• 无屏蔽双绞线UTP
• 屏蔽双绞线STP
• 不同的绞合度双绞线

不管是模拟信号还是数字信号，都可以使用这个双绞线去传输

（模拟通信）和（数字传输）都可以使用双绞线，通信距离一般几到十几公里，距离太长时就要加（放大器）来把衰减的信号放大到合适数值（对于模拟传输），或者加上（中继器）以便对失真数字信号进行整形

还可以在双绞线外面加上一层金属丝编织的屏蔽层，成为屏蔽双绞线

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3.1.2 同轴电缆

同轴电缆由内导体铜制芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层和保护塑料外层所组成的。 因为有外导体屏蔽层，同轴电缆具有较好的抗干扰特性，广泛用于传输较高速率的数据

局域网的发展初期曾广泛使用同轴电缆作为传输媒体，但随着技术的进步，在局域网领域基本采用双绞线作为传输媒体，目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆带宽取决于电缆的质量，目前高质量的同轴电缆接近1GHz

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3.1.3 光缆

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0.因为可见光的频率非常高，约为（10^8）MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽

• 光纤从⾼折射率的介质射向低折射率的介质事，其折射⻆将⼤于⼊射⻆。因此，只要⼊射⻆⼤于某个临界⻆，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
• 当光纤的直径减⼩到只有⼀个光的波⻓时，光纤就像⼀根波导，可以让光纤⼀直向前传播，不发⽣多次反射，这样的光纤是单模光纤。单模光纤纤芯很细，直径只有⼏微⽶，制造成本较⾼

（1）光纤特点

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
• 抗雷电和电磁干扰性能好，在有大电流脉冲⼲扰的环境下很重要
• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻，在现有电缆管道拥塞时有利

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3.1.4 非导引型（无线）传输媒体

如果通信线路要通过高山或者岛屿，会变得难以施工，所以可以利用无线电波来传播，这种方式称为非引导型传输媒体

（1）无线电波

无线电波具有较强的穿透能力，并且可以传输很长的距离，广泛用于通信领域，比如无线手机通信、计算机网络中的无线局域网等。因为无线电波使信号向所有方向散播，所以有效距离范围内接收设备无需对准某个方向，简化了通信连接

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（2）微波、红外线和激光

目前高带宽的无线通信主要有微波、红外线和激光，它们都需要在发送方和接收方之间有⼀条视线通路，有很强的方向性，沿直线传播。不同的是，红外通信和激光通信将要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再到空间中传播

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，3颗相隔120°的同步卫星几乎就能覆盖整个地球表面，基本实现全球通信。

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3.2 设备（重点）

3.2.1 中继器

中继器的主要功能是（整形）、（放大）并（转发信号），消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减，让信号的波形和强度达到所需的要求

因为传播的过程当中有噪声、有各种各样的干扰，导致失真

理论上说可以无限使用中继器无限延长网络，但是网络标准对信号的延迟范围做了具体规定，在使用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器个数不超过4个，使用4个中继器的5段通信介质中，只有3段可以挂接计算机，其他段只能作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机，即5-4-3规则

中继器属于物理层，物理层在计算机网络分层的最底端，设备都是比较笨的，因此中继器没有像路由器那样的存储转发功能，它只能简单对这个信号进行整型再生，所以对于中继器来说，它左右两边连接的这个网段，它必须是速率相同的，同时还要使用相同的协议

放大器和中继器的效果差不多，只不过说放大器处理的对象是模拟信号，而中继器处理的是数字信号。放大器就是简单地把这个信号再放大，中继器是负责把这个信号整型再生

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3.2.2 集线器

集线器（Hub）实质上是⼀个多端口的中继器，Hub工作时，⼀个端口收到数据信号后，Hub对该信号进行整形放大，使之恢复到发送时的状态，然后转发给所有（除了输入端口）处于工作状态的端口。若同时有两个或多个端口输入，则输出时将发生冲突，让这些数据都无效

中继器和集线器作为物理层的设备，它们都没有存储转发的功能（网络层路由器Router有），所以他们不能连接两个速率不同的网段，中继器两端的网段一定要使用同一个协议，Hub只能在半双工的状态下工作，没有办法支持同时输入或输出

冲突域：冲突指的是两个或多个设备在同一传输介质上发送数据的时候，数据会碰撞，导致数据损坏。

冲突域的“域”指的是网络中可能发生冲突的范围，一个冲突域内的所有设备如果同时发送数据，会导致冲突

Hub无法分割冲突域，集线器的所有端口属于同一个冲突域。若集线器连接机器数目较多且常需要同时通信，将导致信息冲突，使集线器工作效率很差。

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