【计算机网络】考研408计算机网络：传输介质（导向/非导向）考点梳理

导读

大家好，很高兴又和大家见面啦！！！

我们日常点击的每个网页、发送的每条消息，都离不开一条看不见的“道路”——传输介质。它是所有数据流动的物理基石，决定了信息的速度、距离与可靠性。

那么，这些连接世界的脉络究竟有哪些？它们如何工作，又各自拥有怎样的特性？从熟悉的网线到神秘的光纤，从有形的电缆到无形的电波，背后的原理既影响着全球互联网的架构，也关乎我们每一次连接的体验。

现在，让我们一同揭开这些“信息高速公路”的神秘面纱，从最基本的定义出发，系统地探索它们的分类、原理与应用。

一、定义

传输介质 也称为 传输媒体（transmission medium），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；

二、导向传输介质

2.1 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。

2.2 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。

同轴电缆一般分为两类：

• 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。

2.3 光纤

光纤通信是指利用光导纤维（简称光纤，Optical Fiber）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 $10^{8}MHz$，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 $8\sim 100\mu m$ ，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，即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。

利用光的全反射特性，可让从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为多模光纤（Multi-Model Fiber, MMF）。光脉冲在多模光纤中传输的损耗更高，因此较适合近距离传输。

当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，这样的光纤就是单模光纤（Single-Model Fiber, SMF）。

单模光纤的 纤芯($9\mu m$) 很细，直径只有几微米，制造成本较高。同时，单模光纤的光源是定向性很好的半导体激光器，因此单模光纤的衰减较小，可传输数十米甚至数十千米而不必采用中继器，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。

2.4 以太网命名规则

以太网对传输介质的命名规则为：传输速率 + $Base$ + 介质信息

其中 $Base$ 指的是 $Baseband$ ，基带传输，即传输数字信号（采用曼彻斯特编码）

如：$10Base5$ 表示的是：

• $10$ 表式传输速率为：$10Mbps$
• $Base$ 后直接跟 数字 表示传输介质为：同轴电缆
• $5$ 表示最远传输距离为：$500m$

$10BaseF\ast$ 表示的是：

• $10$ 表式传输速率为：$10Mbps$
• $F$ 表示的是传输介质为：光纤
• * 表示的是介质的具体信息，如：$L/B/P$，不同的后缀描述的是传输介质的一些细微区别

$10BaseT\ast$ 表示的是：

• $10$ 表示传输速率为：$10Mbps$
• $T$ 表示的是传输介质为：双绞线
• * 表示的是介质的具体信息，如：$1S/1L$

三、非导向传输介质

无线通信已广泛用于蜂窝移动电话领域。便携式计算机的出现，以及军事、野外等特殊场合对移动联网的需要，促进了移动通信的发展，现在无线局域网的应用已非常普遍。

3.1 无线电波

无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，因此广泛用于通信领域，如无线手机通信、计算机网络中的无线局域网（WLAN）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的接收设备无须对准某个方向，就可与无线电波发射者进行通信连接，大大简化了通信连接。这也是无线电波传输的最重要优点之一。

3.2 微波、红外线和激光

目前高带宽的无线通信主要使用三种技术：

• 微波
• 红外线
• 激光

它们都需要在发送方和接收方之间有一条视线通路，有很强的指向性。不同的是，红外线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，即红外线信号和激光信号，再直接在空间中传播。

微波通信的频率较高，频段范围也很宽，载波频率通常为 $2\sim 40GHz$，因此通信信道的容量大。

例如，一个带宽为 $2MHz$ 的频段可容纳 $500$ 条语音线路，若用来传输数字信号，则数据率可达数兆比特/秒。与通常的无线电波不同，微波通信的信号是沿直线传播的，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。

卫星通信利用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号，可以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，因此基本能实现全球通信。

卫星通信的优点是：

• 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

3.3 电磁波

不管是微波、红外线还是激光，它们的本质都是电磁波。

电磁波的公式为：$C=\lambda F$ ，其中：

• $C$ 为光速
• $\lambda$ 为波长
• $F$ 为频率

电磁波具有以下特点：

• 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

四、物理层接口的特性

物理层考虑的事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。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：

• 机械特性：指明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：指明在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：指明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，指明不同功能的各种可能事件的出现顺序

结语

今天的内容到这里就结束了。在今天的内容中，我们对信息世界的物理基石——传输介质，进行了一次系统的探索。现在，让我们对本次旅程的核心要点做一个清晰的梳理：

• 两大分类：传输介质可分为导向型（电磁波沿固体介质传播）与非导向型（在自由空间传播，即无线传输）两大类，这构成了所有传输介质的宏观框架。

• 导向传输介质详解：深入剖析了三种重要的有线介质。

  • 双绞线：以其价格优势和普及度，成为局域网的主力，其绞合结构及屏蔽/非屏蔽之分旨在应对电磁干扰。

  • 同轴电缆：凭借优良的屏蔽性和抗干扰能力，曾在早期局域网和有线电视领域广泛应用。

  • 光纤：作为现代通信的骨干，它利用光的全反射原理，实现了超高速率、极远距离和抗干扰的传输，其单模/多模之分则应对了不同距离和成本的场景需求。

• 无线传输介质揭秘：揭开了无线世界的神秘面纱。

  • 从传播特性各异的无线电波、微波、红外线与激光，到实现全球覆盖的卫星通信。

  • 不管是哪种无线传输介质，其本质均为电磁波

  • 从电磁波公式（$C=\lambda F$）出发，深刻理解了频率、波长与信号穿透性、传输能力之间的关系，从而明白了不同无线技术应用场景各异的内在原因。

• 以太网命名规则：$传输速率+base+介质信息$

• 物理层接口的四大特性：

  • 机械特性：指明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：指明在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：指明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，指明不同功能的各种可能事件的出现顺序

通过以上学习，我们已经建立起对传输介质全面而清晰的认识。这些看似基础的“道路”，共同构筑了我们今日便捷的数字世界。理解它们，是深入计算机网络殿堂的坚实一步。

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