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计算机网络第2章（下）：物理层传输介质与核心设备全面解析

article 2025/6/8 17:46:47

一、传输介质
- 1.1 传输介质的分类
- 1.2 导向型传输介质
- - 1.2.1 双绞线（Twisted Pair）
  - 1.2.2 同轴电缆（Coaxial Cable）
  - 1.2.3 光纤（Optical Fiber）
  - 1.2.4 以太网对有线传输介质的命名规则
- 1.3 非导向型传输介质（无线介质）
- - 1.3.1 无线电波（Radio Waves）
  - 1.3.2 微波（Microwave）
  - 1.3.3 红外线（Infrared）
- 1.4 物理层接口的特性
- 1.5 拓展
- - 1.5.1 信号的指向性（Directionality）
  - 1.5.2 信号的绕射性（Diffraction）
二、物理层设备
- 2.1 物理层的功能简述
- 2.2 中继器（Repeater）
- 2.3 集线器（Hub）

一、传输介质

在计算机网络中，传输介质 是指用于在发送端和接收端之间传输比特流的物理路径。它是物理层的重要组成部分，决定了信号的传输速度、距离和可靠性。

知识总览：

1.1 传输介质的分类

按照是否有固定的物理通道连接通信双方，传输介质可以分为：

类型	是否需要物理导体	举例	特点
导向型介质（有线）	是	双绞线、同轴电缆、光纤	信号在介质中沿固定路径传播
非导向型介质（无线）	否	无线电波、红外线、微波	信号在自由空间中传播，无需实体介质

1.2 导向型传输介质

1.2.1 双绞线（Twisted Pair）

结构： 由两根相互 缠绕(绞合 = 麻花状) 的铜线组成，目的是减少电磁干扰。
屏蔽双绞线（STP-----Shielded）： 外层包有金属 屏蔽层(屏蔽层 = 在麻花外面套一层 "金属丝袜")，抗干扰能力更强；

非屏蔽双绞线（UTP-----Unshielded）： 成本低，用得最广

传输距离： 一般 100 米左右；
传输速率： Cat5e 可达 100 Mbps ～ 1 Gbps，Cat6 可达 10 Gbps（短距离）；
应用： 近些年的局域网，早期电话线。局域网（LAN）中最常用的介质，如以太网。
优点： 成本低，安装方便，适用于短距离布线
缺点： 抗干扰能力较弱，传输距离有限

双绞线示例：

1.2.2 同轴电缆（Coaxial Cable）

结构： 由中心导体（用于传输信号）、绝缘层、金属屏蔽层（用于抗电磁干扰）和外层保护层组成；传输频率高： 可以支持比双绞线更高的频率，内导体越粗，电阻最低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长

应用： 早期的以太网（如10Base2、10Base5）、有线电视（CATV）
优点： 抗干扰能力较强；传输距离比双绞线远（约几百米）
缺点： 较粗，不易布线；成本比双绞线高
同轴电缆示例：

1.2.3 光纤（Optical Fiber）

结构： 核心为玻璃纤维，通过反射传输光信号

分类：

单模光纤（SMF ---- Single-Mode Fiber）： 用于远距离、高速传输。特点： 纤芯更细，直径小于一个波长，只能传输一条光线，信号传输损耗低 ----- 适合远距离传输
多模光纤（MMF）---- Multi-Mode Fiber： 用于近距离传输（一般 < 2km）。特点： 纤芯更粗，可同时传输多条光线，信号传输损耗更高 ---- 适合较近距离传输

传输速率： 可达数十 Gbps 以上
传输距离： 从几公里到上百公里
应用： 骨干网络、数据中心、广域网等
优点： 带宽极高；抗电磁干扰；传输距离远
缺点： 成本高；接口、布线和维护复杂

光纤示例：

1.2.4 以太网对有线传输介质的命名规则

速度 + Base + 介质信息： Baseband，基带传输，即传输数字信号（采用曼彻斯特编码）。

10Base5   ---- 10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m
10Base2   ---- 10Mbps，同轴电缆，最远传输距离200m（实际是185）
10BaseF*  ---- 10Mbps，光纤。*可以是其他信息，如10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP
10BaseT*  ---- 10Mbps，双绞线。*可以是其他信息，如10BaseT1S、10BaseT1L# 其他示例:
1000BaseT1 ——1000Mbps，双绞线
2.5GBaseT ——2.5Gbps，双绞线

1.3 非导向型传输介质（无线介质）

无线介质使用空间作为传输媒介，依赖 "电磁波" 传输信号。

1.3.1 无线电波（Radio Waves）

特点： 频率较低，波长长，可穿透墙壁（穿透能力强），传输距离长，信号指向性弱
广泛应用： Wi-Fi（Wi-Fi 信号频率约为 2.4GHz）、蓝牙、蜂窝通信（4G/5G）；
优点： 可穿透障碍；成本低，易部署；
缺点： 容易受到干扰；速率相对低（相比光纤等）

1.3.2 微波（Microwave）

特点： 频率范围 300 MHz ～ 300 GHz，频率带宽高，信号指向性强，保密性差（容易被窃听），需要视距（LOS），发射与接收之间不能有障碍物
应用： 地面微波通信、卫星通信（卫星作为信号中继器，传播时延较大，高速卫星信号频率 40GHz）
优点： 可用于远距离通信；架设成本低（不需铺设线路）
缺点： 易受天气、障碍物影响；安全性和稳定性受限

卫星电视（微波通信）示例：

卫星通信（微波通信）示例：

1.3.3 红外线（Infrared）

特点： 频率高于微波，低于可见光，需要视距，不能穿透障碍物，信号指向性强
应用： 电视遥控器、某些短距离数据传输
优点： 成本低；干扰少（因为使用环境局限）
缺点： 传输距离短；受障碍物影响严重

上面的几种无线介质本质上都是用电磁波，电磁波的公式：C=λF ，C 为光速，λ 为波长，F 为频率。从公式可以看出：

电磁波频率、波长呈反比关系
频率越高，数据传输能力越强
波长越短，"信号指向性" 越强，信号越趋于直线传播
波长越长，"绕射性" 越好，也就是信号 "穿墙" 能力越强

结论：长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、高速通信，若用于长距离通信需建立中继站；短波信号指向性强，要求信号接收器 "对准" 信号源。

1.4 物理层接口的特性

物理层接口定义的是设备与传输介质之间的电气特性、机械特性、功能特性和过程特性。

电气特性（Electrical Characteristics）： 描述信号在线缆上传输时的电压、电流、阻抗、传输速率、距离限制等物理电气参数。作用： 保证信号传输的可靠性、抗干扰性，以及不同设备之间的电平兼容。常见内容：

电平定义：逻辑 1/0 对应的电压范围（如 RS-232 中 +3V ~ +15V 为 0）
最大传输距离（如 RS-232 最大15米）
电缆特性阻抗（如 RJ45 为 100Ω）
最大信号频率 / 速率（如 USB 2.0 为 480 Mbps）

功能特性（Functional Characteristics）： 规定每一根线的功能，即 "这根线干什么用"，不同线路代表的控制/数据信号意义。作用： 让设备知道哪些线是收数据的、哪些是发数据的、哪些是控制信号。常见内容：TXD（Transmit Data）：发送数据线，RXD（Receive Data）：接收数据线，RTS（Request to Send）：请求发送，CTS（Clear to Send）：允许发送，GND：信号地

过程特性 / 规程特性（Procedural Characteristics 或 Protocol Characteristics）： 规定接口中信号的发送顺序、控制信号的配合方式、时序要求，即 "谁先谁后、什么时候该做什么"。作用： 协调通信双方的行为，防止数据冲突、确保时序同步。常见内容：握手流程（先 RTS，再 CTS，最后传输数据），同步过程（时钟线、同步帧），建立连接 → 传输数据 → 断开连接的顺序，起始位、停止位的时序要求（如串口）

机械特性（Mechanical Characteristics）： 规定接口的物理外形、引脚排列、尺寸大小、接头结构、插拔方式等。作用：确保设备之间的物理连接兼容，不会 "插不上" 或插错针脚。常见内容：接口形状（如 USB-A、RJ45、DB9），引脚数量与排列顺序（如 VGA 是15针、USB 是4针），接头尺寸（比如 Type-C 比 USB-A 更小），材质、抗压、插拔次数（工业通信有要求）

示例：以太网网线接口特性

四大特性总表（总结对照）：

特性	作用范围	定义简述	示例说明
电气特性	信号传输质量	规定电压、电流、频率、距离等	RS-232 电压范围 ±3V~±15V，USB 5V供电
功能特性	信号功能划分	规定各条线路的作用	TXD/RXD/RTS/CTS 等
过程特性	通信流程与配合	规定信号发送顺序与控制流程	先握手再传数据，时序同步要求
机械特性	接口物理外形	规定接口的形状、尺寸、引脚排列	USB、RJ45、VGA 等接口的结构和引脚说明

1.5 拓展

1.5.1 信号的指向性（Directionality）

信号的指向性是指电磁波传播过程中，信号能量集中在某一方向的能力。换句话说，是信号是否朝着特定方向 "聚焦" 地传播。特征：

类型	描述	举例
全向性	信号向所有方向均匀传播，无特定传播方向	无线广播、Wi-Fi（部分场景）
定向性	信号主要朝某个特定方向传播，能量集中	微波通信、卫星通信、激光传输等

指向性好处：

能量集中，传输距离更远
干扰少，抗干扰能力更强
提高带宽利用率和信号质量

天线指向性图（辐射图）示例：

      ↑↗   ↖       <-- 高定向性（如微波）←   ∙   →     <-- 全向性（如广播）↘   ↙↓

1.5.2 信号的绕射性（Diffraction）

绕射性是指信号在遇到障碍物（如墙体、建筑）时，是否能 "拐弯绕过" 继续传播的能力。它描述了信号穿越非直线视距的能力。特征：

信号类型	波长	绕射性	应用场景
AM广播（低频）	>100m	很强	穿墙、远距离传输
Wi-Fi（2.4GHz）	~12.5cm	一般	可穿墙，但受干扰影响
微波（5GHz）	~6cm	弱	穿墙能力差、视距要求高
红外/激光	<1mm	极弱	基本无绕射能力、需对准

常见频段的绕射性比较：

信号类型	波长	绕射性	应用场景
AM广播（低频）	>100m	很强	穿墙、远距离传输
Wi-Fi（2.4GHz）	~12.5cm	一般	可穿墙，但受干扰影响
微波（5GHz）	~6cm	弱	穿墙能力差、视距要求高
红外/激光	<1mm	极弱	基本无绕射能力、需对准

两者的对比总结：

特性	信号指向性	信号绕射性
定义	信号集中传播的能力	信号绕过障碍物的能力
代表信号	微波、激光（高定向）	AM广播、低频无线电（高绕射）
应用场景	点对点高速通信、卫星通信	穿墙无线通信、城市中广覆盖通信
优点	高能量效率、抗干扰、距离远	弯道传播、非视距传播能力强
缺点	需对准，受遮挡就中断	易衰减、易被噪声干扰

实际应用举例：

应用	所依赖特性	说明
无线电广播	绕射性强	可覆盖远距离、穿透地形、天气影响小
Wi-Fi（2.4G）	中等指向 + 中等绕射	穿墙能力尚可，但干扰多
微波通信	高指向性、低绕射性	需天线对准、无遮挡（视距要求高）
红外遥控器	无指向性、几乎无绕射性	需对准设备，不能穿墙

知识回顾与重要考点：

二、物理层设备

在计算机网络体系结构中，物理层（Physical Layer）位于 OSI 模型的最底层，负责数据比特的实际传输。它并不关心数据的内容，而是关注比特的传输方式、速率、信号、传输介质与设备接口等物理特性。

在物理层，有两个典型的网络设备：中继器（Repeater）和集线器（Hub）。它们都是工作在物理层、对数据不做解读的 "傻瓜型" 设备，但在早期网络中起到了关键作用。

2.1 物理层的功能简述

在具体讨论设备前，先回顾一下物理层的核心职责：

功能	描述
比特传输	将 0 和 1 以电信号、光信号或无线信号形式在物理媒介上传输
信号调制/解调	将数字信号转换为适合传输的物理信号
传输速率（速率标准）	定义比特传输速率（如 100Mbps、1Gbps）
物理接口标准	包括机械、电气、功能和过程特性
物理拓扑支持	提供网络连接的物理结构，如星型、总线型等

2.2 中继器（Repeater）

中继器（Repeater）是一种信号再生放大设备，用于在两个物理链路之间接收、放大、重新整形并转发信号。适用于延长传输距离、防止信号衰减。当数字信号在物理媒介中传输一定距离后，会因电阻、噪声、干扰等因素而逐渐衰减、失真。中继器的作用就是在信号尚未完全丢失前，对其进行再生：

特点：

特性	说明
工作层	物理层
智能程度	`"傻瓜型"`，不识别帧/包内容
接口数	一般两个端口（进/出）
放大内容	对所有接收到的信号一视同仁地转发
数据处理	不进行地址识别或协议处理

适用场景： 以太网超出最大传输距离时（如超过100米的双绞线）；实现两个网段的物理连接。
注意事项： 同一网段内链路最多只能连接有限数量的中继器（例如10Base5 最多使用 4 个）；不解决广播风暴、冲突等链路层问题。

2.3 集线器（Hub）

集线器（Hub）也称为多端口中继器（Multiport Repeater），它扩展了中继器的功能，允许多个设备通过一个中心点互联，形成星型拓扑结构。

Hub 有多个端口，当某一端口接收到信号时，Hub 会将信号复制并广播到其他所有端口，即：

          +--- PC1|
PC2 ------+--- PC3|+--- PC4
# 如果 PC2 发送数据，Hub 会将数据复制到 PC1、PC3、PC4

冲突域： 如果两台主机同时发送数据会导致 "冲突"，则这两台主机处于同一个 "冲突域"，处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行信道争用。

一个更大的冲突域：

结论：集线器不能 "隔离" 冲突域

集线器、中继器的一些特性：

集线器、中继器不能 "无线串联" ----- 如：10Base5 的 5-4-3 原则：

集线器连接的网络，物理上是星形拓扑，逻辑上是总线型拓扑

集线器连接的各网段 "共享带宽"，例如：带宽为 10Mbps 的集线器，连接 8 台主机，每台主机平均只拥有 1.25 Mbps 带宽。

知识回顾：

本文为个人学习记录与复习整理之用，旨在帮助自己系统巩固计算机网络相关知识，同时也希望能为正在学习该领域的同学提供一些参考与帮助。部分内容参考了公开课资料、他人学习笔记或网络公开资源，其中部分图片或示意图来自网络，仅用于非商业性质的学习交流。如有侵权或不当引用之处，敬请联系我删除或更正。
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