计算机网络——物理层（物理传输介质和物理层的设备）

我们今天进入物理层的物理传输介质和物理层的设备，如果大家之前的内容还不是很了解，大家可以点击这里：

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物理传输介质

在物理层的传输介质分为两种：导向性传输介质和非导向性传输介质。
这里注意下物理传输介质虽然有物理两个字，但是，它并不是物理层的组成部分

导向性传输介质

导向性传输介质：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播

双绞线

双绞线（Twisted Pairwire，TP）是综合布线工程中最常用的一种传输介质，特别是在局域网和星型拓扑网络中。它由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，这两根导线按一定密度互相缠绕在一起，以降低信号干扰的程度。每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消，从而有效减少干扰。
双绞线可以分为屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）两大类。屏蔽双绞线因为有外层铝泊包裹，可以减小幅射，但制作较复杂且价格较高。在常见的10Base-T或100Base-TX网络中，非屏蔽双绞线更为常用，特别是5类和超5类双绞线。
双绞线电缆由多对双绞线组成，不同线对具有不同的缠绕度或扭绞长度。通常，扭绞长度在38.1cm至14cm内，按逆时针方向扭绞，相邻线对的扭绞长度在12.7cm以上。
在数据传输方面，双绞线主要用于模拟声音信息和数字信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输例如，3类双绞线的速率可以达到10Mb/S，而5类双绞线的速率则可达100Mb/S，超5类双绞线更可以达到155Mb/s以上的速率。
需要注意的是，虽然双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面受到一定限制，但由于其价格相对低廉，且这些限制在一般快速以太网中的影响甚微，因此双绞线仍是企业局域网中首选的传输介质。
此外，视频信号作为一种高频宽带信号，直接在双绞线内传输时，信号的幅度会受到较大的衰减，因此在长距离传输时可能需要进行放大和补偿，以保证图像质量。

同轴电缆

同轴电缆（coaxial cable）是一种电线及信号传输线，通常是由四层物料构成：最内层是一条导电铜线，线的外面有一层塑胶（作绝缘体、电介质之用）围拢，绝缘体外面又有一层薄的网状导电体（一般为铜或合金），然后导电体外面是最外层的绝缘物料作为外皮。
同轴电缆可用于模拟信号和数字信号的传输，广泛应用于各种场景，其中最重要的包括电视传播、长途电话传输、计算机系统之间的短距离连接以及局域网等有线电视系统就是同轴电缆将电视信号传播到千家万户的一种应用，可以负载几十个甚至上百个电视频道，传播范围可达几十千米。长期以来，同轴电缆也是长途电话网的重要组成部分。
根据用途的不同，同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆（即网络同轴电缆和视频同轴电缆）。基带电缆又可以分为细同轴电缆和粗同轴电缆，它们仅用于数字传输，数据率可达10Mbps而网络同轴电缆内外由相互绝缘的同轴心导体构成，内导体为铜线，外导体为铜管或网，其电磁场封闭在内外导体之间，因此辐射损耗小，受外界干扰影响也较小。
常见的同轴电缆有两类：50Ω和75Ω的同轴电缆。75Ω同轴电缆常用于CATV网，传输带宽可达1GHz，目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。而50Ω同轴电缆主要用于基带信号传输，传输带宽为1～20MHz，总线型以太网就是使用50Ω同轴电缆。在以太网中，50Ω细同轴电缆的最大传输距离为185米，粗同轴电缆可达1000米。

光纤

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。它的传输原理是光的全反射。光纤通常具有微细的结构，并被封装在塑料护套中，使其能够弯曲而不易断裂。在光纤的一端，发射设备使用发光二极管或一束激光将光脉冲发送至光纤中，而在另一端，接收设备使用光敏组件检测这些脉冲。包含光纤的线缆被称为光缆。
光纤的主要用途是通信。目前通信用的光纤，基本上是石英系光纤，其主要成分是高纯度石英玻璃，即二氧化硅（SiO2）。光纤通信系统利用光纤来传输携带信息的光波，实现通信的目的。由于信息在光导纤维中的传输损失比电在电线传导的损耗低得多，而且主要生产原料硅的蕴藏量极大，较易开采，所以光纤的价格相对便宜，使得它成为长距离信息传递的理想介质。
光纤有多种类型，例如多模光纤（Multi Mode Fiber）。多模光纤的中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可以传输多种模式的光。然而，其模间色散较大，这限制了传输数字信号的频率，并且随着传输距离的增加，这种限制会变得更加严重。因此，多模光纤更适合短距离传输，例如在校园内或建筑内，其传输距离可达2km，但传输速率会随着距离的增加而衰减。
此外，光纤还有单模光纤等多种类型，并具备不同的接口种类，如MPO-MPO、FC-FC、SC-SC、LC-LC等。在应用中，光纤跳线常用于从设备到光纤布线链路的连接，具有较厚的保护层，适用于光端机和终端盒之间的连接，并广泛应用于光纤通信系统、光纤接入网、光纤数据传输以及局域网等领域。

非导向性传输介质

非导向性传输介质指的是自由空间传输介质，其传输路径不是固定的，而是利用电磁波在空气中的传播来进行数据传输。这种传输方式可以在空气、真空或海水等介质中进行。非导向性传输介质的主要特点是传播距离远，且无需物理连接。
常见的非导向性传输介质包括无线电波、微波和红外线、激光等。无线电波在所有方向上传播，适用于广播和移动通信等应用。微波传输则具有固定方向性，常用于地面微波接力通信和卫星通信等领域。红外线和激光传输也具有固定方向性，通常用于点对点的通信。

无线电波

无线电波是一种在自由空间（包括空气和真空）中传播的射频频段的电磁波。其波长越短、频率越高，相同时间内传输的信息就越多无线电波在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者同时垂直于传播的方向。无线电波是一种能量传输形式，与光波相似，其传播速度和传播媒质有关。在真空中，无线电波的传播速度等于光速。在媒质中，传播速度则取决于媒质的相对介电常数。

多径效应

多径效应（Multipath Effect）是无线电信号在传输过程中遇到障碍物（如建筑物、山脉、树木等）后产生反射、折射、散射等多种影响，导致同一个信号通过不同的路径到达接收端。由于每条路径的长度和传播时间不同，信号到达接收端时存在相位差和幅度衰落，使得原来的信号失真或产生错误。

微波

微波是指频率为300MHz至300GHz的电磁波，其波长在1毫米至1米之间，是无线电波中的一个有限频带，包括分米波、厘米波和毫米波。微波的频率比一般的无线电波频率高，因此通常也称为“超高频电磁波”。
微波具有多种特性，包括穿透、反射和吸收。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎能够穿越而不被吸收；对于水和食物等，微波则会被吸收并使其自身发热；而对于金属类物体，微波则会反射。此外，微波的热惯性小，对介质材料可以瞬时加热升温，能耗低，且输出功率可以随时调整，介质温升可以无惰性地随之改变，非常适合自动控制和连续化生产。
微波的应用非常广泛。除了用于微波炉加热食品这一常见应用外，微波在通信领域也发挥着重要作用。微波通信由于其频带宽、容量大，可以用于各种电信业务传送，如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等。微波通信系统是国家通信干线传输的重要组成部分，也被视为国家的“信息高速公路”。

地面微波通信

地面微波通信是指用微波频率作载波携带信息，通过空间传播进行通信的方式微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。然而，微波通信在传输过程中容易受到干扰，并且由于微波沿直线传播的特性，在电波波束方向上不能有高楼阻挡，因此在城市规划中需要考虑城市空间微波通道的规划。
地面微波通信通常采用中继（接力）方式进行远距离传输。这是因为微波的传输距离有限，且受到地球曲面的影响，信号在传播过程中会逐渐衰减。为了实现远距离通信，需要在合适的距离上设置中继站，对信号进行放大和转发。这种接力传输的方式使得微波通信能够覆盖更广阔的区域。
在地面微波通信系统中，微波站扮演着重要的角色。微波站包括终端站和中继站，它们负责将数据信号调制为中频信号，然后上变频为微波信号进行传输。同时，它们还需要将接收到的微波信号进行下变频和解调，还原出原始的数据信号。
此外，地面微波通信系统还需要考虑电磁波的极化方式。常用的极化方式有水平极化和垂直极化。在实际应用中，需要根据通信环境和设备条件选择合适的极化方式，以提高通信质量和可靠性。

ISM 频段

ISM频段是指工业、科学和医疗频段。它是由国际通信联盟无线电通信局（ITU-R）定义的，用于开放给工业、科学和医学机构使用的一组无线电频率。这些频段无需特定的许可证即可使用，但需要遵守一定的发射功率规定（一般低于1W），并且不能对其他频段造成干扰。
ISM频段主要由几个不同的频段组成，其中2.4GHz是最常见和最广泛使用的频段之一。无线局域网（如IEEE 802.11b/IEEE 802.11g）、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在2.4GHz频段上。

卫星通信

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现两个或多个地面站之间的通信人造地球卫星根据用途的不同，可分为三大类：科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。其中，应用卫星又可分为通信卫星、气象卫星、导航卫星、测地卫星、资源卫星和侦察卫星等。
通信卫星是卫星通信系统的空间部分，它转发和放大来自地面站、移动载体发往另一个地面站、移动载体的信号，与地面站一同完成卫星通信系统的运行。
卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、通信距离远、不受地理环境限制、质量高、经济效益高等优点，因此在现代通信领域扮演着越来越重要的角色。无论是在固定通信、移动通信，还是在宽带多媒体通信、个人通信等领域，卫星通信都发挥着不可或缺的作用。随着技术的不断进步，卫星通信的应用前景将更加广阔。

物理层设备

物理层设备是指那些负责在物理层进行数据传输的设备。物理层的主要职责是为数据端设备提供传送数据通路的传输数据，具体来说，就是通过模拟或数字信号形式传送上层的数据。

中继器

中继器（Repeater）是工作在物理层上的连接设备，主要适用于完全相同的两个网络的互连它的核心功能是通过重新发送或转发数据信号，从而扩大网络传输的距离。具体来说，中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能，完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以此来延长网络的长度。
中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能。它负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能。由于信号在传输过程中会因损耗而逐渐衰减，当衰减到一定程度时，信号将失真并可能导致接收错误。中继器就是为了解决这一问题而设计的，它能在信号衰减到一定程度之前，对其进行放大和再生，确保信号能够准确无误地传输到下一个节点。

集线器

集线器（HUB）属于数据通信系统中的基础设备，是一种不需要任何软件支持或只需很少管理软件管理的硬件设备。它工作在局域网（LAN）环境，像网卡一样，应用于OSI参考模型的第一层，因此也被称为物理层设备。
集线器内部采用了电器互联，当维护LAN的环境是逻辑总线或环型结构时，完全可以用集线器建立一个物理上的星型或树型网络结构。在这方面，集线器所起的作用相当于多端口的中继器。实际上，集线器就是中继器的一种，其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又被称为多口中继器。
集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的规模和传输距离。通过集线器连接的工作站构成的网络在物理上是星型拓扑结构，但在逻辑上是总线拓扑结构，因此所有工作站通过集线器相连都共享同一个传输介质，且集线器对工作站进行集中管理。

中继器和集线器的区别

中继器（Repeater）和集线器（Hub）是两种常见的物理层设备，用于在局域网中连接多台计算机，但它们在功能和工作原理上有一些区别：
连接设备的线缆数量
中继器：一个中继器通常只有两个端口
集线器：而一个集线器通常有4至20个或更多的端口，可以连接多个设备
功能：
中继器：中继器的主要功能是放大信号并将其重新发送，以扩展网络的传输距离。它不理解数据帧的内容，只是将收到的信号放大并重新发送到所有连接的端口上。
集线器：集线器的主要功能是在网络中连接多个设备，它通过广播方式将收到的数据帧发送到所有连接的端口上。
数据处理层次
中继器：中继器只能转发物理层的信号，在数据链路层以上的信息都不会处理，因此它不能对数据进行过滤，也无法检测冲突。
集线器：而集线器在物理层和数据链路层都能够进行处理，因此能够更好地控制数据包的流向，避免网络拥塞的发生
工作原理：
中继器：中继器工作在物理层，它简单地将信号放大并重新发送，不对数据进行任何解析或处理。它可以延长信号传输距离，但无法分割冲突域（collision domain）。
集线器：集线器也工作在物理层，类似于中继器，但它不仅放大信号，还将收到的数据帧广播到所有连接的端口上。这意味着所有连接到集线器的设备都将收到传输到网络上的所有数据帧。
效率：
中继器：由于中继器不具备分割冲突域的能力，因此在网络中使用中继器时，所有连接到中继器的设备都共享同一个冲突域，可能导致网络拥塞和性能下降。
集线器：集线器的广播特性会增加网络中的广播风暴和冲突，因此在大型网络中使用集线器可能会导致网络效率低下。