2.2 传输介质
## 2.2 传输介质 ### 2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质 传输介质也称传输媒体，是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可分为两类：① 导向传输介质，如铜线或光纤等，电磁波被约束沿固体介质传播；② 非导向传输介质，如自由空间（空气、真空或海水），电磁波在其中的传播称为无线传输。 #### 1. 双绞线 双绞线是最常用的传输介质，在局域网和传统电话网中广泛使用。它由两根相互绝缘、按一定规则绞合在一起的铜导线组成。绞合结构可有效减少相邻导线间的电磁干扰。为进一步提升抗干扰能力，可在双绞线外加一层金属丝编织的屏蔽层，称为屏蔽双绞线（STP）；无屏蔽层的则称为非屏蔽双绞线（UTP）。双绞线的结构如图2.5所示。 双绞线价格低廉，既可用于模拟传输，也可用于数字传输，通信距离通常为几千米至数十千米。其带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。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，要用中继器来对失真的信号进行整形。
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(a) 非屏蔽双绞线
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(b) 屏蔽双绞线 图2.5 双绞线的结构 #### 2. 同轴电缆 同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体屏蔽层和绝缘保护套层构成，如图2.6所示。通常分为两类：① $50\Omega$ 同轴电缆，主要用于基带数字信号传输，曾广泛应用于早期局域网；② $75\Omega$ 同轴电缆，主要用于宽带信号传输，广泛应用于有线电视系统。得益于外导体的屏蔽作用，同轴电缆具有良好的抗干扰性能，适合较高速率的数据传输。 随着交换技术和集线器的普及，局域网领域已基本采用双绞线作为主流传输介质。
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图2.6 同轴电缆的结构
#### 3. 光纤
光纤通信利用光导纤维（简称光纤）传输光脉冲来传递通信：有光脉冲表示1，无光脉冲表
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第2章 物理层
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示0。可见光的频率约为 $10^{14}\mathrm{MHz}$，因此光纤系统具有极大的带宽潜力。
光纤主要由纤芯和包层构成（见图2.7）。纤芯直径极细，通常为 $8\sim 100\mu \mathrm{m}$；包层的折射率略低于纤芯，光波通过纤芯进行传导。当光从高折射率介质射向低折射率介质时，若入射角大于临界角，将会发生全反射，使光线在纤芯与包层界面反复反射而向前传播。
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图2.7 光波在纤芯中的传播 利用全反射原理，允许多条不同角度入射的光线在同一根光纤中传输的类型称为多模光纤（见图2.8）。光脉冲在多模光纤中的损耗较大，因此更适合短距离通信。
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图2.8 多模光纤 当光纤直径减小至接近光波波长时，仅允许单一模式的光传播，几乎无反射，此类光纤称为单模光纤（见图2.9）。其纤芯极细，需使用定向性优良的半导体激光器作为光源。单模光纤衰减小，可实现数千米乃至数十千米的无中继传输，适用于远距离通信。
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图2.9 单模光纤
光纤不仅通信容量极大，还具备以下优势：
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强，在有大电流脉冲干扰的环境下，这尤为重要。
3）无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
4）体积小，重量轻，在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下，这特别有利。
## 4. 无线传输介质
无线通信已广泛应用于蜂窝移动通信。随着便携式计算机的普及，以及军事、野外等特殊场景对移动联网的需求不断增长，无线局域网（WLAN）得到了迅速发展。
### （1）无线电波
无线电波具有较强的穿透能力，传播距离远，被广泛用于移动通信和WLAN。其信号以全向方式扩散，接收端无须对准发射源即可建立连接，这是无线电波通信的重要优势。
### （2）微波、红外线和激光
高带宽无线通信主要采用微波、红外线和激光三种技术，它们均需视距，具有强指向性。
微波通信工作在较高频段，带宽大、通信容量高。例如，一个 $2\mathrm{MHz}$ 带宽的信道可容纳约500路语音信号。但由于微波沿直线传播，在地面传输时距离受限，通常需要中继站进行接力。
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卫星通信利用地球同步卫星作为中继节点，有效突破了地面微波传输的距离限制。其优点是通信容量大、覆盖范围广、传输距离远；缺点是保密性较差，并且端到端传播时延较大。
红外线与激光通信将电信号转换为相应的光信号，在自由空间中直接传播，常用于短距离点对点链路（如遥控器）或室内通信。但这类通信极易受障碍物阻挡，且无法穿透墙壁。
## 2.2.2 物理层接口的特性
物理层关注的是如何在各种传输介质上传输比特流，而非介质本身。由于网络中的硬件设备和传输介质种类繁多，通信方式也各不相同，物理层应尽可能屏蔽底层差异，使数据链路层感知不到这些差异，从而专注于本层协议与服务的实现。
**考点总结** 物理层接口的特性（2012，2018）
物理层的主要任务是定义与传输介质接口相关的一些特性：
1）机械特性。规定接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
2）电气特性。规定接口电缆中各线路应遵循的电压范围、传输速率和距离限制等。
3）功能特性。定义每条线路上特定电平所代表的意义，并定义各线路的具体功能。
4）过程特性，也称规程特性。描述各种功能事件发生的顺序和时序关系。
## 2.2.3 本节习题精选
### 单项选择题
01. 双纹线是用两根绝缘导线结合而成的，结合的目的是（）。
A. 减少干扰
B. 提高传输速度
C. 增大传输距离
D. 增大抗拉强度
02. 在电缆中采用屏蔽技术带来的好处主要是（）。
A. 减少信号衰减
B. 减少电磁干扰辐射
C. 减少物理损坏
D. 减少电缆的阻抗
03. 利用一根同轴电缆互连主机构成以太网，则主机间的通信方式为（）。
A. 全双工
B. 半双工
C. 单工
D. 不确定
04. 同轴电缆比双纹线的传输速率更快，得益于（）。
A. 同轴电缆的铜芯比双纹线的粗，能通过更大的电流
B. 同轴电缆的阻抗比较标准，减少了信号的衰减
C. 同轴电缆具有更高的屏蔽性，同时有更好的抗噪声性
D. 以上都正确
05. 不受电磁干扰和噪声影响的传输介质是（）。
A. 屏蔽双纹线
B. 非屏蔽双纹线
C. 光纤
D. 同轴电缆
06. 多模光纤传输光信号的原理是（）。
A. 光的折射特性
B. 光的发射特性
C. 光的全反射特性
D. 光的绕射特性
07. 以下关于单模光纤的说法中，正确的是（）。
A. 光纤越粗，数据传输速率越高
B. 光纤的直径减小到只有光的一个波长大小时，光沿直线传播
C. 光源是发光二极管或激光
D. 光纤是中空的
08. 下列关于卫星通信的说法中，错误的是（）。
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第2章 物理层
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A. 卫星通信的距离长，覆盖的范围广
B. 使用卫星通信易于实现广播通信和多址通信
C. 卫星通信的好处在于不受气候的影响，误码率很低
D. 通信费用高、延时较大是卫星通信的不足之处
09. 某网络在物理层规定，信号的电平用 +10V～+15V 表示二进制 0，用 -10V～-15V 表示二进制 1，电线长度限于 15m 以内，这体现了物理层接口的（ ）。
A. 机械特性
B. 功能特性
C. 电气特性
D. 规程特性
10. 当描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时，该描述属于（ ）。
A. 机械特性
B. 电气特性
C. 功能特性
D. 规程特性
11. 【2012统考真题】在物理层接口特性中，用于描述完成每种功能的事件发生顺序的是（ ）。
A. 机械特性
B. 功能特性
C. 过程特性
D. 电气特性
12. 【2018统考真题】下列选项中，不属于物理层接口规范定义范畴的是（ ）。
A. 接口形状
B. 引脚功能
C. 物理地址
D. 信号电平
## 2.2.4 答案与解析
### 单项选择题
01. A
综合可以减少两根导线相互的电磁干扰。
02. B
屏蔽层的主要作用是提高电缆的抗干扰能力。
03. B
传统以太网采用广播的方式发送信息，同一时间只允许一台主机发送信息，否则各主机之间就形成冲突，因此主机间的通信方式是半双工。全双工是指通信双方可同时发送和接收信息。单工是指只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
04. C
同轴电缆以硬铜线为芯，外面包一层绝缘材料，绝缘材料的外面再包一层密织的网状导体，导体的外面又覆盖一层保护性的塑料外壳。这种结构使得它具有更高的屏蔽性，从而既有很高的带宽，又有很好的抗噪性。因此，同轴电缆的带宽更高，得益于它的高屏蔽性。
05. C
光纤的抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好。
06. C
多模光纤传输光信号的原理是光的全反射特性。
07. B
光纤的直径减小到与光线的一个波长相同时，光纤就如同一个波导，光在其中没有反射，而沿直线传播，这就是单模光纤。
08. C
卫星通信有成本高、传播时延长、受气候影响大、保密性差、误码率较高的特点。
09. C
本题易误选功能特性。规定各条线上的电压范围，以及电缆长度的限制，属于电气特性。而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，以及每条线的功能（数据线、控制线、时钟线）。例如，数据线上的电压 +11V 表示二进制 1，就属于功能特性。
10. C
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物理层的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，以及每条线的功能。
## 11. C
物理层的接口特性包括机械、电气、功能和过程四类。其中，过程特性用于描述完成各种功能时事件发生的先后顺序，即规定各操作（如建立连接、传输数据、释放线路等）的时序关系。
## 12. C
物理层接口规范涵盖四类特性：机械特性（如接口形状、尺寸）、电气特性（如信号电平、电压范围）、功能特性（如引脚功能、电平含义）和过程特性（事件发生顺序）。而物理地址（MAC地址）用于标识数据链路层的设备，属于数据链路层的范畴，不在物理层定义范围内。
## 2.3 物理层设备
### 2.3.1 中继器
中继器的主要功能是整形、放大并转发信号，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，从而扩大网络的传输距离。其原理是信号再生（而非简单放大衰减的信号）。中继器有两个端口，数据从一个端口输入，从另一个端口输出。
中继器连接的两端属于同一局域网中的不同网段（而非不同子网），因此所连网段仍构成一个局域网。如果中继器发生故障，将影响相邻两个网段的正常工作。
从理论上讲，中继器的使用数量是无限的，网络因而也可无限延长。但事实上这是不可能的，因为网络标准中对信号的传播延迟范围有明确规定，中继器只能在此范围内有效工作，否则会引起网络故障。例如，在采用粗同轴电缆的10Base-5以太网规范中，互相串联的中继器数量不能超过4个，而且由4个中继器串联的5段电缆中，仅有3段可挂接主机，其余2段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接主机。这就是所谓的“5-4-3规则”。
### 2.3.2 集线器
集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器。当集线器工作时，一个端口接收到数据信号后，由于信号在传输过程中已有衰减，集线器便对该信号进行整形和放大，将其再生为接近原始发送时的信号，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。若两个或多个端口所连节点同时发送信号，则会发生冲突，导致所有相关帧传输失败。由此可见，集线器在网络中只起信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信息广播至所有端口，是标准的共享式设备。
## 注意
中继器和集线器不具备缓存能力，当其连接两个不同链路层协议的网段时可能会出问题。若两个网段的速率分别为 $10\mathrm{Mb / s}$ 和 $10 / 100\mathrm{Mb / s}$，采用集线器连接后，则整个网络只能以速率 $10\mathrm{Mb / s}$ 工作。
使用集线器组网灵活，它将所有节点的通信集中在以其为中心的节点上，由集线器组成的网络在物理上是星形网络，但逻辑上仍是总线形网络。集线器的每个端口连接的是同一网络的不同网段。此外，集线器只能工作在半双工模式，网络的吞吐率因而受到限制。
① 当集线器连接的两个网段采用不同的链路层协议时，由于集线器仅工作在物理层，无法对帧进行解封与重新封装操作（无法实现链路层协议转换），其功能仅限于对接收到的帧对应的二进制串进行无差别转发。当该二进制串被传送至接收端时，由于两端链路层协议的差异，接收端将无法正确解析所接收到的二进制串。
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第2章 物理层
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寄点阅读 ▶ 物理层设备对冲突域和广播域①的影响（2010、2020）
# 注意
集线器不能分割冲突域，其所有端口都属于同一个冲突域。集线器在一个时钟周期内只能传输一组信息。当一台集线器连接的主机数量较多且多台主机频繁同时通信时，将导致大量冲突，使得集线器的工作效率很差。例如，一个带宽为 10Mb/s 的集线器上连接了 8 台计算机，当它们同时工作时，每台计算机平均可用的带宽仅为 $10/8\mathrm{Mb/s} = 1.25\mathrm{Mb/s}$。
## 2.3.3 本节习题精选
### 单项选择题
01. 下列关于物理层设备的叙述中，错误的是（）。
A. 中继器仅作用于信号的电气部分
B. 利用中继器来扩大网络传输距离的原理是将衰减的信号进行放大
C. 集线器实质上相当于一个多端口的中继器
D. 物理层设备连接的几个网段仍是一个局域网
02. 为了使数字信号传输得更远，可采用的设备是（）。
A. 中继器
B. 放大器
C. 网桥
D. 路由器
03. 以太网遵循 IEEE 802.3 标准，用粗缆组网时每段的长度不能大于 $500\mathrm{m}$，超过 $500\mathrm{m}$ 时就要分段，段间相连利用的是（）。
A. 网络适配器
B. 中继器
C. 调制解调器
D. 网关
04. 由集线器连接多台设备构成的网络在物理上和逻辑上的结构分别是（）。
A. 总线形、环形
B. 网状、星形
C. 总线形、星形
D. 星形、总线形
05. 用集线器连接的工作站集合（）。
A. 同属一个冲突域，也同属一个广播域
B. 不同属一个冲突域，但同属一个广播域
C. 不同属一个冲突域，也不同属一个广播域
D. 同属一个冲突域，但不同属一个广播域
06. 中继器可以用来连接（）。
A. 不同类型的局域网
B. 广域网和局域网
C. 不同介质的局域网
D. 不同协议的局域网
07. 若有 5 台计算机连接到 $10\mathrm{Mb/s}$ 的集线器上，则每台计算机分得的平均带宽至多为（）。
A. $2\mathrm{Mb/s}$
B. $5\mathrm{Mb/s}$
C. $10\mathrm{Mb/s}$
D. $50\mathrm{Mb/s}$
08. 当集线器的一个端口收到数据后，将其（）。
A. 从所有端口广播出去
B. 从除输入端口外的所有端口广播出去
C. 根据目的地址从合适的端口转发出去
D. 随机选择一个端口转发出去
09. 下列关于中继器和集线器的说法中，不正确的是（）。
A. 二者都工作在 OSI 参考模型的物理层
B. 二者都可以对信号进行放大和整形
C. 通过中继器或集线器互连的网段数量不受限制
D. 中继器通常只有 2 个端口，而集线器通常有 4 个或更多端口
① 冲突域和广播域的介绍见本书 4.7 节。
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## 2.3.4 答案与解析
### 单项选择题
#### 01. B
中继器的原理是将衰减的信号再生（再生=放大+整形），而不是简单地放大。
#### 02. A
放大器通常用于远距离地传输模拟信号，但它同时会放大噪声，引发失真。中继器用于数字信号的传输，其工作原理是信号再生，因此会减少失真。网桥用来连接两个网段以扩展物理网络的覆盖范围。路由器是网络层的互连设备，可以实现不同网络的互联。
#### 03. B
中继器的主要功能是将信号复制、整形和放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离，原理是信号再生，因此选择选项B，其他三项显然有点大材小用。
#### 04. D
集线器将多个设备连接在以它为中心的节点上，因此使用它的网络在物理拓扑上属于星形结构。当集线器工作时，一个端口接收到数据信号后，集线器将该信号整形放大，紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口。因为集线器不具备交换机所具有的交换表，所以它发送数据时是没有针对性的，而采用广播方式发送。因此，使用集线器的星形以太网逻辑上仍然是总线网。
#### 05. A
集线器的功能是将从一个端口收到的数据通过所有其他端口转发出去。集线器在物理层上扩大了网络的覆盖范围，但无法解决冲突域（第二层交换机可解决）与广播域（第三层交换机可解决）的问题，而且增大了冲突的范围。注意，冲突域和广播域的概念涉及后面章节的内容。
#### 06. C
中继器工作在物理层，无法对帧进行解封与重新封装（无法实现协议转换），其功能仅限于对接收到的帧对应的二进制串进行无差别转发，因此无法连接不同链路层协议的网段。中继器可以连接不同介质的局域网，如光纤和双绞线，只要它们具有相同协议。
#### 07. A
集线器以广播的方式将信号从除输入端口外的所有端口输出，因此任意时刻只能有一个端口的有效数据输入。理想情况（无冲突）下，每秒通过集线器的数据量都是 10Mb，假设5台计算机占用相同大小的时间片来收发数据，则平均带宽的上限为 10Mb/s÷5=2Mb/s。若有多台计算机同时发送数据，则会导致每台计算机实际获得的平均带宽低于 2Mb/s。
#### 08. B
集线器没有寻址功能，一个端口接收到数据信号后，从其他所有端口转发出去。
#### 09. C
中继器和集线器均工作在物理层，集线器本质上是一个多端口中继器，它们都能对信号进行放大和整形（再生=放大+整形）。因为中继器不仅传送有用信号，还传送噪声和冲突信号，因此互相串联的个数只能在规定的范围内进行，否则网络将不可用。注意“5-4-3规则”。
## 2.4 本章小结及疑难点
1. 传输介质属于物理层吗？它与物理层有何区别？
传输介质不属于物理层。尽管与物理层紧密相关，但从网络体系结构看，它位于物理层之下，
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第2章 物理层
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常被非正式称为“第0层”。区别在于：传输介质只承载电信号或光信号，无法区分信号所代表的比特值——即无法判断某一电平对应的是1还是0；物理层通过定义电气、机械、功能和过程特性（如电压、时序、接口规范等），将原始信号解释为有意义的比特流，供上层使用。图2.10直观展示了这一关系：传输介质是信号的“通道”，物理层是赋予其语义的“规则制定者”。
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图2.10 传输介质与物理层
2. 什么是基带传输、频带传输和宽带传输？它们有什么区别？
基带传输：直接发送原始的数字信号（如高、低电平），不经过调制。它占用整个信道带宽，通常用于短距离通信，比如局域网或计算机内部连接。常用的编码方法包括不归零编码和曼彻斯特编码。不归零编码的做法是用高电平表示1、低电平表示0。例如，要传输“1010”，若高电平代表1、低电平代表0，则线路上依次传送（高、低、高、低）这一电平序列。
频带传输：当需要远距离或无线传输时，必须把数字信号“搭载”到一个高频载波上，这个过程叫调制，转换后的信号更适合在模拟信道（如电话线）上传输，称为频带传输。它不仅让数字信号能在传统电话系统中传输，还支持多路复用，提高信道利用率。例如，仍然传输“1010”，经过调制后，一个码元可能代表4位二进制数据；若码元A对应“1010”，则在模拟信道上只需发送码元A，就相当于完成了该数据的传输。电话线上网、Wi-Fi等都属于频带传输。
宽带传输：在传统通信语境中，宽带传输指利用频分复用等技术，将一条物理线路划分为多个频带信道，每个信道可独立进行频带传输，互不干扰。这样，多个信号可以并行传送，显著提升链路容量。例如，有线电视网络能一边上网、一边看电视，正是利用了宽带传输技术。
3. 奈氏准则和香农定理的主要区别是什么？它们对数据通信的意义是什么？
奈氏准则与香农定理从不同角度揭示了信道传输能力的极限。
奈氏准则仅考虑信道带宽限制，指出在给定带宽下，码元传输速率存在上限（与噪声无关），超过该上限将因码间串扰而无法正确识别信号；但它不限制每个码元所携带的比特数，因此可通过高阶调制（如一个码元表示多位）提升信息传输速率。香农定理则适用于有噪声的实际信道，指出对于确定的带宽和信噪比，信息传输速率存在一个不可逾越的理论上限，无论采用何种技术都无法突破。这意味着，要提高通信速率，只能通过增加带宽或改善信噪比，但二者在现实中均有物理限制。它们共同构成了数据通信系统设计的理论基础。
4. 信噪比明明是 $S/N$，为什么还要用 $10 \log_{10}(S/N)$ 表示？
信噪比可以用两种方式表示：
1）线性比值（无单位）：如信号功率为100，噪声功率为1，则信噪比 $S/N = 100$。
2）分贝形式（单位dB）：此时信噪比为 $10\log_{10}(S / N) = 10\log_{10}100 = 20\mathrm{dB}$。
两者在数学上等价，但分贝形式更实用。因为在通信中，信号与噪声的功率差异往往极大，例如信号可能是噪声的10亿倍。若用线性值表示，则1后面有9个0，不仅冗长，还容易数错；而用分贝表示仅为90dB，简洁且不易出错。因此，分贝能高效、清晰地表达极大或极小的比值。
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第3章