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物理层基本概念

在计算机网络中用来连接各种网络设备的传输媒体，种类众多，大致可以分为两类，一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，常见的有双绞线、同轴电缆、光纤。在非导引型传输媒体中，常见的是微波通信，例如使用 2.4G 赫兹和 5.8G 赫兹频段的 WiFi。

计算机网络体系结构中的物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特 0 和 1 的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。所谓透明，是指数据链路层看不见也无需看见，数据链路层只需要享受物理层提供的服务即可。

物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特 0 和 1 的问题，主要有以下四个任务，分别是机械特性、电器特性、工能特性以及过程特性。

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引角数目和排列顺序、固定和锁定装置等
• 电器特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 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
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

由于传输媒体的种类众多，例如双角线、光纤等，物理连接方式也很多，例如点对点连接、广播连接等，因此物理层协议种类就比较多。物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。

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接下来我们介绍物理层下面的传输媒体，请大家注意，传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层，如果非要将它添加到体系结构中，那只能将其放在物理层之下。传输媒体可分为两类，一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。

• 导引型传输媒体：电磁波被导引，沿着固体媒体传播，常见的导引型传输媒体有同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。
• 非导引型传输媒体：指自由空间中可使用的电磁波，常见的非导引型传输媒体有无线电波、微波、红外线、可见光。

导引型传输媒体

同轴电缆

这是一根同轴电缆的示意图：

可以看出各层都是共圆心的，也就是同轴心的，这就是同轴电缆名称的由来。

同轴电缆有两类，一类是 50 欧阻抗的基带，用于数字传输，在早期局域网中广泛使用。另一类是 75 欧阻抗的宽带同轴电缆，用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线。

同轴电缆价格较贵，且布线不够灵活和方便。随着集线器的出现，在局域网领域，双绞线取代了同轴电缆。

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双绞线

现在我们来看双绞线，这是无屏蔽双绞线电缆和屏蔽双绞线电缆的示意图：

双绞线是最古老又最常用的传输媒体，把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定规则绞合起来，就构成了双绞线。例如图中左侧所示的这根无屏蔽双绞线电缆包含 8 根通导线，每两根搅合成一条双绞线。
绞合有两个作用，一个是抵御部分来自外界的电磁干扰，另一个是减少相邻导线的电磁干扰。屏蔽双角线电缆比无屏蔽双角线电缆增加了金属丝边织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰的能力，当然了，价格也要更贵一些。

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光纤

再来看光纤，这是一根光缆的示意图以及它的内部结构图：

由于光纤非常细，因此必须将它做成很结实的光缆，一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十甚至是数百根光纤。再加上加强芯和填充物，就可以大大提高机械强度，必要时还可放入远供电源线。最后加上包袋层和外护套，就可以使抗拉强度达到几千克，完全可以满足工程施工的强度要求。

光纤的纤芯非常细，多模光纤的纤芯直径有 50 微米和 62.5 微米，单模光纤的纤芯直径为 9 微米，而铅芯外面的包层也非常细，直径不超过 125 微米。在光纤通信中，常用三个波段的中心分别位于 0.85 微米、 1.3 微米和 1.55 微米。

光纤有很多优点：

• 通信容量非常大
• 传输损耗小
• 远距离传输时更加经济
• 抗雷电和电磁干扰性能好，这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
• 无串音干扰
• 保密信号不易被窃听
• 体积小，重量轻

当然了，光纤也有自身的缺点：

• 割接光纤需要专用设备
• 光电接口的价格比较贵

接下来我们来看看光在光纤中传输的基本原理。

纤芯是由非常透明的石英玻璃拉成的细丝。包裹在纤芯外层的包层是折射率比纤芯低的玻璃封套。

在发送端可以采用发光二极管或半导体激光器作为光源。在接收端可以采用光电二极管获激光检波器检测光脉冲。当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，如图所示：

因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，也就是光碰到包层时就会反射回铅芯，该过程反复进行，光也就沿着光纤传输下去：

实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。一条光纤中可以存在许多条不同角度热射的光线在一条光纤中进行传输，这种光纤称为多模光纤：

由于光的色散问题，光在多模光纤中传输一定距离后，必然产生信号失真。也就是上图中，光纤输入与输出的脉冲有偏差。因此，多模光纤只适合近距离传输。例如在建筑物内，多模光纤对光源的要求不高，可以使用比较便宜的发光二极管，相应的可采用光电二极管检测光脉冲。

若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤：

单模光纤没有模式色散在 1.3 微米波长附近。材料色散和波导色散、大小相等符号相反，两者正好抵消，没有脉冲展宽问题。单模光纤适合长距离传输且衰减小，但它的制造成本高，对光源要求也高，需要使用昂贵的半导体激光器作为光源，相应的需要采用激光检波器检测光脉冲。

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非引导型传输媒体

下面我们来看非导引型传输媒体，也就是自由空间。我们可以利用电磁波在自由空间的传输数据信息。

这是电磁波的频谱：

10⁰ - 10⁴这段频率范围不用于电信领域。

10¹⁶ - 10²⁴这一段频率范围的电磁波很难产生和调制。由于频率非常高，波长就非常短，因此穿透障碍物的能力就非常弱。更为严重的是，该频段的电磁波对生物是有害的，因此人们很难利用该频率范围的电磁波进行数据传输。

10⁴ - 10¹⁶这段频率范围的电磁波可以通过调制波的振幅、频率或相位来传输信息。

无线电波

这些频段的电磁波，又称为无线电波，用于国际广播、海事和航空通讯电台广播、电视广播等。

无线电波中的低频和中频频段主要利用地面波进行传输，而高频和甚高频频段主要是靠电离层的反射。

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微波

微波通信在数据通信中占有重要地位，频率范围为 300M Hz到 300G Hz，也就是波长 1 米到 1 毫米。

微波在空间主要是直线传播，由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。传统的微波通信主要有两种方式，一种是地面微波接力通信，另一种是卫星通信：

接力通信：由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有 50 公里左右。但若采用 100 米高的天线塔，则传播距离可增大到 100 公里。为实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为接力。

卫星通信：常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于约 36, 000 公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。其最大特点是通信距离远，相应的传播时延也比较大，一般在 250- 300 毫秒之间。除同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始在空间部署并构成了空间高速链路。

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红外线

利用红外线来传输数据相信大家并不陌生，很多家用电器例如电视、空调等都配套有红外遥控器，以前的笔记本电脑基本都带有红外接口，可以进行红外通信。红外通信属于点对点无线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率也很低。现在笔记本电脑已经取消了红外接口，但很多智能手机还带有红外接口，以方便用户对电视、空调等家用电器进行红外遥控。

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