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

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：

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：

1. 电磁波频率、波长呈反比关系
2. 频率越高，数据传输能力越强
3. 波长越短，"信号指向性" 越强，信号越趋于直线传播
4. 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：

1. 电平定义：逻辑 1/0 对应的电压范围（如 RS-232 中 +3V ~ +15V 为 0）
2. 最大传输距离（如 RS-232 最大15米）
3. 电缆特性阻抗（如 RJ45 为 100Ω）
4. 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）：

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：

指向性好处：

1. 能量集中，传输距离更远
2. 干扰少，抗干扰能力更强
3. 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：

常见频段的绕射性比较：

两者的对比总结：

实际应用举例：

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：

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：

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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