考研笔记

传输介质与物理层接口的特性

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：导向传输介质，指铜线或光纤等，电磁波被导向为沿固体介质传播；非导向传输介质，指自由空间（空气、真空或海水），电磁波在非导向传输介质中的传输称为无线传输。

物理层考虑的是如何在连接各种计算机的传输介质上传输比特流，而不指具体的传输介质——介质本身不属于任何一层，物理层规定的是与介质打交道的那组接口特性。本页 2 道错题：同轴电缆以太网的通信方式，以及单模光纤为什么”沿直线传播”。

机制

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普遍使用。双绞线由两根采用一定规则并排绞合、相互绝缘的铜导线组成，绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰的能力，还可在双绞线的外面加上一层金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP）；无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线（UTP）。

双绞线的价格便宜，模拟传输和数字传输都可使用双绞线，通信距离一般为几千米到数十千米。双绞线的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（2.3.1）。

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。同轴电缆一般分为两类：

类型用途
50Ω 同轴电缆主要用于传送基带数字信号，在早期局域网中应用广泛
75Ω 同轴电缆主要用于传送宽带信号，在有线电视系统中应用广泛

因为外导体屏蔽层的作用，所以同轴电缆具有良好的抗干扰特性而被广泛用于传输较高速率的数据。随着技术的发展和集线器的出现，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输介质。

光纤

光纤通信是指利用光导纤维（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。可见光的频率约为 MHz，因此光纤通信系统的带宽极大。

光纤主要由纤芯和包层构成，纤芯很细，直径仅为 8～100μm，包层较纤芯有较低的折射率，光波通过纤芯进行传导。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，只要入射角大于某个临界角，就会出现全反射，光线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。

多模光纤单模光纤
原理利用光的全反射特性，让从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不产生多次反射
纤芯较粗很细，直径只有几微米，制造成本较高
光源发光二极管定向性很好的半导体激光器
损耗光脉冲在多模光纤中传输的损耗更高衰减较小，可传输数千米甚至数十千米而不必采用中继器
适用较适合近距离传输适合远距离传输

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，还具有如下特点：

  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，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。

无线传输介质

介质特点
无线电波穿透能力较强，可以传输很长的距离；信号向所有方向散播，有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向，大大简化了通信连接——这是无线电波传输最重要的优点之一
微波载波频率通常为 2～40GHz，信道容量大；沿直线传播，因此在地面上的传播距离有限，超过一定距离后就要使用中继站来接力
红外线、激光与微波一样需要在发送方和接收方之间有一条视线通路，有很强的指向性；把信号转换为各自的信号格式后直接在空间中传播
卫星通信利用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号，可突破地面微波通信距离的限制；三颗相隔 120° 的同步卫星几乎就能覆盖整个地球表面。优点是通信容量大、距离远、覆盖广；缺点是保密性差、端到端传播时延长

2.2.2 物理层接口的特性

网络中的硬件设备和传输介质的种类繁多，通信方式也各不相同。物理层应尽可能屏蔽这些差异，让数据链路层感觉不到这些差异，使其只需考虑如何实现本层的协议和服务。物理层的主要任务是确定与传输介质的接口有关的一些特性（物理层接口的特性的内容 2018 年考过）：

特性指明什么
机械特性接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数量和排列、固定和锁定装置等
电气特性接口电缆的各条线上的电压范围、传输速率和距离限制等
功能特性某条线上出现的某一电平的电压的意义，以及每条线的功能
过程特性（也称规程特性）不同功能的各种可能事件的出现顺序（物理层接口的过程特性的内容 2012 年考过）

边界

错题复盘：一根同轴电缆连起来的以太网是半双工

王道 2.2.3 第 3 题：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）。答案 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。

这正是 CSMA/CD 存在的前提：总线上任一时刻只能有一个站在发（3.5.2）。后来用交换机 + 双绞线组成的以太网才是全双工，也因此不再需要 CSMA/CD。

错题复盘：单模光纤沿直线传播，是因为纤芯细到只有一个波长

王道 2.2.3 第 7 题：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. 若光纤的直径减小到只有光的一个波长大小，则光沿直线传播　C. 光源是发光二极管或激光　D. 光纤是中空的）。答案 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（B 对）。单模光纤的纤芯更细而不是更粗（A 错）；它的光源是定向性很好的半导体激光器，发光二极管用于多模光纤（C 错）；光纤由纤芯和包层构成，不是中空的（D 错）。

顺带记住多模光纤的原理是光的全反射（第 6 题），而不是折射、发射或绕射。

双绞线的绞合是为了减少电磁干扰，屏蔽层是为了提高抗干扰能力。 两者都不是为了”提高速度”或”增大抗拉强度”（王道 2.2.3 第 1、2 题）。

同轴电缆带宽更高，得益于它的高屏蔽性。 不是因为铜芯更粗（第 4 题）。

光纤不受电磁干扰和噪声影响。 屏蔽双绞线只能减少干扰，做不到不受影响（第 5 题）。

卫星通信受气候影响、误码率较高。 “不受气候影响、误码率很低”是错的（第 8 题）；它的距离长、覆盖广、易实现广播与多址通信是对的。

物理地址不属于物理层接口规范。 接口形状是机械特性，引脚功能是功能特性，信号电平是电气特性；物理地址（MAC 地址）属于数据链路层（2018）。

口径差异：介质的今天

教材口径：50Ω 同轴电缆用于早期局域网，75Ω 用于有线电视；单模光纤的光源是半导体激光器；卫星通信端到端时延长。

工程口径：局域网的铜缆现在是 Cat5e/Cat6 双绞线（1000BASE-T 及以上），同轴电缆在局域网中已基本消失，只剩有线电视和部分接入网；光模块的”单模/多模”选择主要看距离与成本。教材说的卫星时延长指的是同步轨道卫星（约 36000km，单程约 120ms）；近年的低轨卫星星座轨道高度只有几百千米，端到端时延可降到几十毫秒。

考试按教材口径作答。

对照速查

说法对错
双绞线绞合的目的是减少干扰✅
屏蔽层的主要作用是减少信号衰减❌（提高抗干扰能力）
同轴电缆比双绞线速率高，得益于高屏蔽性✅
不受电磁干扰和噪声影响的介质是屏蔽双绞线❌（光纤）
多模光纤传输光信号的原理是全反射✅
单模光纤的纤芯比多模光纤粗❌
单模光纤的光源是发光二极管❌（半导体激光器）
光纤是中空的❌
卫星通信不受气候影响、误码率很低❌
微波沿直线传播，地面传播距离有限✅
规定电压范围和电缆长度限制属于电气特性✅
描述事件发生顺序的是过程特性✅（2012）
物理地址属于物理层接口规范❌（2018）

考点

  • 导向介质：双绞线（绞合减少干扰、STP/UTP）、同轴电缆（50Ω 基带、75Ω 宽带）、光纤（全反射；单模细、激光、远距离，多模粗、LED、近距离）
  • 非导向介质：无线电波（散播、无须对准）、微波（直线、需中继站）、卫星（三颗覆盖全球、时延长）
  • 物理层接口四大特性：机械、电气、功能、过程（2012、2018）
  • 传统以太网（共享总线）是半双工

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