第三节传输介质

第三节传输介质1第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四3.1网络介质简介网络介质：指网络传输数据的载体。网络介质是数据发送的物理基础，它位于OSI模型的最底层（物理层）。

最初的网络是通过又粗又重的同轴电缆发送数据的。

目前，大部分网络介质类似于电话线电话线一样，具有易弯曲的外部，内部则是绞接的铜线。由于网络要求更高的速度、更多的用途，并且更可靠，网络介质也随之不断地更新。现代网络不仅使用铜线，还可能使用光纤、红外线、无线电波或其他介质。

在对网络通信作充分理解之前，必须首先理解数据是如何发送的，同时也应熟悉各类网络介质的特性第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四3.2数据发送方式信息可通过两种方式被发送：模拟方式和数字方式，这两种方式均使用电压产生相应的信号。1、模拟信号：使用可变电压以产生连续波，也因为这个原因导致了数据发送的不精确。模拟信号的一个优点是它能对细节进行表示，但是噪声、或来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号更易于出错，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四2、数字信号：由脉冲值为1或0

的精确电压组成，如同在任何二进制系统中用1和0组合来对信息进行编码一样，在数字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位。一个位只能有两种可能值：1或0

。连续8位组成1个字节，１个字节携带一个信息片。相对于模拟信号，数字信号传输数据时更可靠些。第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四随着信号的传播，信号能量会逐渐减少，这就是信号的衰减。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了补偿衰减，要经常对数字信号和模拟信号进行转发，也即使将信号重新放大，以使它们传播得更远。1、模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题－－当它被转发时信号幅度将增强，同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强，这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严重。下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模拟信号的波形。第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四2、数字信号的转发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以不变形的、并且无噪声的放大形式重新发送，该过程也被称之为波形再生。再生一个数字信号的设备被称之为中继器。网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1和0

两种模式，因为数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多，并且数字发送几乎不受噪声影响。所以大部分网络仅限于使用数字传输。也有使用模拟信号传输数据的情况：比如使用调制解调器连接两个系统。在发送端，调制解调器将数字信号调制成模拟信号，通过传输模拟信号的电话线传输；在接收端，调制解调器将数字信号解调成模拟信号。Modem(调制解调器)是Modulator(调制)／Demodulator(解调)。这个词反映了该设备的功能，第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四3.3介质特性－1、吞吐量和带宽

当设计一个网路时，需要决定使用哪一种传输介质时，必须将连网需求与介质特性进行匹配。一般情况下选择数据传输介质时必须考虑５种特性：吞吐量和带宽、成本、尺寸和可扩展性、连接器以及抗噪性。在选择一个传输介质时所要考虑的最重要的因素可能是吞吐量。吞吐量是在一给定时间段内介质能传输的数据量，通常情况下单位为每秒兆位或Mbps进行度量。吞吐量也被称为容量。每种传输介质的物理性质决定了它的潜在吞吐量。例如，物理规律限制了电沿着铜线传输的速度，从而也限制了铜线的吞吐量。1、吞吐量和带宽

带宽：是指一中介质能传输的最高频率和最低频率之间的差值；单位通常用Hz。例如，用无线信号在870~880MHz之间进行网络通信，那么带宽将是10MHz。带宽的范围直接与吞吐量相关，带宽越大，吞吐量越大。第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四介质特性－2、成本•安装成本：尽量选择自己能够安装这种介质，有些介质必须雇佣承包商才能安装；为了节约成本也可以从服务提供商租借线路。•新的基础结构相对于复用已有基础结构的成本：尽量选择能够使用已有设备的网络介质。•维护和支持成本：应选择容易维护的网络介质。•因低传输速率而影响生产效率所付出的代价。所选择的网络介质应该能够满足自己机构对网速的要求。•更换过时介质的成本：不应选择需迅速替换的介质2、选择网络介质时应该考虑下面的成本因素第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四介质特性－3、尺寸和可扩展性三种规格决定了网络介质的尺寸和可扩展性：每段的最大节点数、最大段长度、以及最大网络段数。在进行布线时，这些规格中的每一个都是基于介质的物理特性的。

每段最大节点数：与衰减有关。对一个网络段每增加一个设备都将略微增加信号的衰减。为了保证一个清晰的强信号，必须限制一个网络段中的节点数。

最大网络段长度：一个信号能够传输并仍能被正确解释的最大距离即为最大网络段长度。若超过这个长度，易于发生数据损失。这也是由衰减造成。因为在传输一定的距离之后，一个信号可能因损失得太多以至于无法被正确解释。在这种损失发生之前，可以使用网络上的中继器对信号进行重发和放大。类似于每段最大节点数，最大段长度也因不同介质类型而不同。

最大网络段数：在一个网络中，可以有几个网络段存在，但网络段的数目有一个限制，不是任意大的。信号能够正确传输并被正确解释的最大网络分段数，称为最大网络段数。原因：当一个网络过长时，会因为数据传输的延时而出现数据通信的错误。第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四

Thinnet（10Base2，细同轴电缆)允许最大网络段长度为185（大约称为200）米，Thinnet每段最多仅能容纳30

个节点（每段最大节点数），它的最大网络段数为3（约550多米）。为最小化干扰，Thinnet网络中的设备应至少分隔0.5米。第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四介质特性－4、连接器

连接器是连接电线电缆与网络设备的硬件。网络设备可以是一个文件服务器、工作站、交换机或打印机。每种网络介质都对应一种特定类型的连接器。所使用的连接器的种类将影响网络安装和维护的成本、网络增加段和节点时的容易度，以及维护网络所需的专业技术知识。用于UTP电缆的连接器RJ45（看上去更像一个大的电话线连接器）在接入和替换时比用于同轴电缆的连接器BNC的插入和替换要简单得多，UTP电缆连接器同时也更廉价，并可用于许多不同的介质设计。第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四介质特性－5、抗噪性正如前面提到的，噪声能使数据信号变形。噪声影响一个信号的程度与传输介质有一定关系。某些类型的介质比其他介质更易于受噪声影响。无论是何种介质，都有两种类型的噪声会影响它们的数据传输：电磁干扰（EMI

）和射频干扰（RFI

）。EMI和RFI都是从电子设备或传输电缆发出的波。发动机、电源、电视机、复制机、荧光灯以及其他的电源都能产生EMI和RFI。RFI也可由来自广播电台或电视塔的强广播信号产生。对任何一种噪声，都能够采取措施限制它对网络的干扰。例如，可以远离强大的电磁源进行布线。如果环境仍然使网络易受影响，应选择一种能限制影响信号的噪声量的传输。电缆可以通过屏蔽、加厚、或抗噪声算法获得抗噪性。假如屏蔽的介质仍然不能避免干扰，你可以使用金属管道或管线以抑制噪声并进一步保护电缆。第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四3.4基带和宽带传输在网络中，数据的传输有两种传输方式：基带传输和宽带传输1、基带是一种传输形式，其中，数字信号通过直流脉冲被发送，这种直流形式需要独占电线的容量。因此，基带系统一次仅能传输一个信号或一个信道。信道是指以传输介质为为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础基带系统中的每个设备都共享相同的信道。当基带系统上一个节点在传输数据，网络中所有的其他节点在发送数据前必须等待前面的传输结束。基带传输支持双向信号流，即意味着计算机能在相同长度的电缆上同时发送和接收信息。基带传输易受衰减影响，也就是一个数字信号随着它从源出发向远处传输时将逐渐损失能量。为了补偿信号损失，基带系统使用中继器再生和放大信号，从而使数据传输的距离能超过电缆的最大段长度。一般来说基带系统是廉价的，而且安装简单。基带传输又叫数字传输，是指把要传输的数据转换为数字信号，使用固定的频率在信道上传输。例如计算机网络中的信号就是基带传输的。和基带相对的是频带传输，又叫模拟传输，是指信号在电话线等这样的普通线路上，以正弦波形式传播的方式。我们现有的电话、模拟电视信号等，都是属于频带传输

第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四2、宽带传输：宽带也是一种传输形式，使用射频（RF）模拟脉冲，其中，信号被调制到不同频率范围。射频模拟脉冲与基带不同，宽带技术不涉及数字脉冲。

a.宽带系统能同时接入几个信道，因而能够比基带系统传输更多的数据。宽带传输能将有线电视带入家庭。有线电视能够传输的数据量至少是一个典型基带系统（如Ethernet）传输数据量的25

倍。

b.在宽带系统中，信号仅仅只能进行单向传输。因此，宽带电缆必须为数据的发送和接收提供独立的电缆。由于大部分有线电视电缆只提供一条电线，若不做任何修改，它将不能用于把数据从屋中向外传输。

c.由于使用一些额外的硬件，宽带传输通常比基带传输昂贵得多。

d.另一方面，宽带系统能够比基带系统跨越更长的距离。宽带（Broadband）传输：将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，称为宽带传输。宽带是比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统.其通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。

第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四3.5介质分类－同轴电缆网络可以使用多种传输介质：网络电缆（同轴电缆、双绞线、光纤），无线传输介质（红外、射频）同轴电缆（coaxialline、coaxial-cable）：在20世纪80年代，它是Ethernet网络的基础，曾经是多年流行的传输介质。然而，随着时间的推移，大部分现代局域网中，双绞线电缆逐渐取代了同轴电缆。同轴电缆包括：有绝缘体包围的一根中央铜线、一个网状金属屏蔽层以及一个塑料封套。第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四细同轴50Ω，D=1.02cm，10Mbps185m、4中继、5段（925m）优缺点：价格低安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力强距离短可靠性差第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四粗同轴50Ω，D=2.54cm，10Mbps500m、4中继、5段（2500m）优缺点：价格稍高安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强距离中等可靠性好第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四同轴电缆的特点：

a.同轴电缆的绝缘体和防护屏蔽层，使得它对噪声干扰有较高的抵抗力。所以在信号必须放大之前，同轴电缆能比双绞线电缆将信号传输得更远，当然，它不如光纤传输信号的距离远。b.另一方面，同轴电缆要比双绞线电缆昂贵得多，c.通常只支持较低的吞吐量。d.同轴电缆要求网络段的两端必须通过一个终端电阻器（终结器）进行终结。第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四1.Thicknet(10Base5)粗缆Thicknet电缆，也被称之为ThickwireEthernet。它是一种用于原始Thicknet网络大约１厘米厚的硬同轴电缆。由于这种电缆常用一层黄色封套覆盖，Thicknet有时也被称为"yellowEthernet"或"yellowgardenhose"。

IEEE将Thicknet命名为10Base5Ethernet

。“10

”代表10Mbps的吞吐量，“Base

”代表是基带传输，“5”代表了Thicknet电缆的最大段长度为500米。在较新的网络中几乎不能发现Thicknet，只有在较老的网络中才可能发现它。在这种网络中它一般用于将一数据机柜与另一个相连以作为网络骨干的一部分。由于这种电缆常用一层黄色封套覆盖，Thicknet有时也被称为“yellowEthernet”。

Thicknet的特性总结如下：•吞吐量—虽然有可能在传输速度为100Mbps的网络中使用Thicknet电缆，但根据IEEE802.3标准，Thicknet传输数据的最大速率是10Mbps

。它使用基带传输。•成本—Thicknet比光纤便宜得多，但比其他类型的同轴电缆，如Thinnet,要昂贵得多，比双绞线贵的更多。第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四•连接器—Thicknet需要一种转接器（在线上穿孔的连接器）连接到收发器，再用一个下行电缆连接网络设备，下图

描述了Thicknet网络连接。•抗噪性—由于直径尺寸大和较好的屏蔽物，通常使用的网络电缆Thicknet具有最高的抗噪性。•尺寸和可扩展性—由于Thicknet具有高的抗噪性，因而与其他类型的电缆相比，它允许数据传输更远的距离。它的最大段长度是500米。每段最大能够容纳100个节点。第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四2.Thinnet(10Base2)细缆

Thinnet，也被称为ThinEthernet

。在20世纪80年代是用于Ethernet局域网的很流行的介质。Thinnet很少用于现代网络中，但在20世纪80年代安装的网络中，或在一些较新的小型办公室或家庭办公室局域网中可能会发现Thinnet

。

IEEE将Thinnet命名为10Base2Ethernet

，其中"10

"代表了它的数据传输速度为10Mbps

，"Base

"代表了它使用基带传输，"2

"代表了它的最大段长度为185（或粗略为200

）米。由于Thinnet黑色的外罩，它也被称为"blackEthernet

"。

Thinnet电缆直径大约为0.64cm，这使得它比Thicknet更加灵活，也更易于处理和安装。

Thinnet的特性总结如下：•吞吐量：Thinnet传输数据的最大速度为10Mbps

，它使用基带传输。•成本：Thinnet比Thicknet和光纤便宜得多，但比双绞线电缆昂贵。由于这个原因，Thinnet有时也被称为“Cheapnet”。第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四•尺寸和可扩展性：Thinnet允许每个网络段最长185

米，这个长度比Thicknet所能提供的要小，这是因为Thinnet抗噪性不如Thicknet强。同样的原因，使Thinnet每段最多仅能容纳30个节点，它的最大总网络长度为550

多米。为最小化干扰，Thinnet网络中的设备应至少分隔0.5

米。•连接器：Thinnet使用BNC

T型连接器将电缆与网络设备相连，一个具有3个开放口的BNC连接器的“T”型底部连接到Ethernet的网络接口卡上，两边连接Thinnet电缆，以便允许信号进出网络接口卡。第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四•抗噪性：由于绝缘体和屏蔽层，Thinnet比双绞线电缆具有更强的抗噪能力，但不如Thicknet抗噪能力强。Thicknet和Thinnet电缆都能用于总线结构中。使用总线结构的网络必须在两端用终结器进行终结。若没有终结器，总线网络上的信号将在网络的两端之间无休止地传输，这种现象被称为信号反射。第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四3.5介质分类－双绞线电缆双绞线电缆：双绞线（TP，TwistedPair）电缆类似于电话线，由绝缘的彩色铜线对组成，每根铜线的直径为0.4毫米~0.8毫米，两根铜线互相缠绕在一起。双绞线对中的一根电线传输信号信息，另一根被接地并吸收干扰。在一对电线中，每英寸的缠绕越多，对所有形式的噪声的抗噪性就越好。质量越好，价格越高的双绞线电缆在每英寸中也必将包含越多的缠绕。每米或每英尺的缠绕率也将导致更大的衰减，为最优化性能，电缆生产厂商必须在串扰和衰减减小之间取得一个平衡。第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四双绞线第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四双绞线的特点

双绞线电缆是目前局域网中最通用的电缆形式，它相对便宜，灵活并且易于安装，有着比较合适的最大网络段长度。双绞线电缆能轻易地应用于多种不同的拓扑结构中，在总线和星形拓扑结构中经常见到。此外，双绞线电缆提供较高的网络传输速度。由于双绞线电缆的广泛使用，它有可能被应用于不久将出现的传输速度更快的网络中。双绞线电缆有一个缺点，那就是由于其灵活性，它比同轴电缆更易遭受物理损害。双绞线的分类：

所有的双绞线电缆可以分为两类：屏蔽双绞线（STP）以及非屏蔽双绞线（UTP）第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四屏蔽双绞线（STP，ShieldedTwistedPair）：屏蔽双绞线电缆中的缠绕电线对被一种金属例如箔制成的屏蔽层所包围，而且每个线对中的电线也是相互绝缘的。屏蔽层上的噪声与双绞线上的噪声反相，从而使得两者相抵消。2.非屏蔽双绞线（UTP，UnshieldedTwistedPair

）：

非屏蔽双绞线电缆包括一对或多对由塑料封套包裹的绝缘电线对。正如名字所示，UTP没有用来屏蔽双绞线的额外的屏蔽层。因此，UTP比STP更便宜，抗噪性也相对较低。第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四

IEEE已将UTP电缆命名为“10BaseT

”，其中“10

”代表最大数据传输速度为10Mbps

，“Base

”代表采用基带传输方法传输信号，“T”代表UTP。

TIA/EIA国际协会指定了双绞线电缆的标准。为管理网络电缆，需要熟悉用于现代网络的一些标准，特别是3类和5类UTP

。•1类线（CAT1）：包括两个电线对。1类适用于话音通信，而不适用于数据通信。•2类线（CAT2）

：括四个电线对。数据传输速率可以达到4Mbps。但由2类很少用于现代网络中。•3类线（CAT3）

：包括四个电线对。数据传输速度最高可达10Mbps

。3类一般用于10Mbps的Ethernet或4Mbps的TokenRing

。•4类线（CAT4）

：包括四个电线对。能支持高达10Mbps的吞吐量，可用于16Mbps的TokenRing

或10Mbps的Ethernet网络中。•5类线（CAT5）

：用于新网安装及更新到快速Ethernet的最流行的UTP形式。包括四个电线对，支持100Mbps吞吐量和100Mbps信号速率。5类线还支持其他的快速连网技术，例如异步传输模式（ATM）。•增强5类线：5类线的更高级别的版本。是吞吐量是常规5类线容量的2倍。•6类线（CAT6）

：包括四对电线对。吞吐量是

5类

的六倍，由于6类线是一种新技术且大部分网络技术不能利用它的最高容量，很少用于当今的网络中。第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四最高传输频率最高传输速率主要应用最大网段长度连接器采用形式3类双绞线16MHZ10Mbps语音和10Mbps的以太网100米RJ4类双绞线20MHZ16Mbps语音传输100Mbps的以太网100米RJ5类双绞线100MHZ100Mbps语音100BASE-T以太网100米RJ超5类双绞线200MHZ1000Mbps100米RJ6类双绞线250MHz2.4Gbps100米RJ7类双绞线600MHZ100米RJ第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四STP和UTP

具有许多共同的特性，下面列出它们主要的相同和不同之处。•吞吐量：STP和UTP能以10Mbps

的速度传输数据，CAT5UTP以及在某些环境下的CAT3UTP的数据传输速度可达100Mbps

。高质量的CAT5UTP也能以每秒1GB

的速度传输数据。•

成本：STP和UTP的成本区别在于所使用的铜的级别、缠绕率以及增强技术。一般来说，STP比UTP更昂贵，但高级UTP也是非常昂贵的。•连接器：STP和UTP使用的RJ－45连接器和数据插孔看上去类似于电话连接器和插孔。第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四•抗噪性：STP具有屏蔽层，因而它比UTP具有更好的抗噪性。但是，在另一方面，UTP可以使用过滤和平衡技术抵消噪声的影响。•尺寸和可扩展性：STP和UTP的最大网段长度都是100米，即328英尺。它们的跨距小于同轴电缆所提供的跨距，这是因为双绞线更易受环境噪声的影响。双绞线的每个逻辑段最多仅能容纳1024个节点，整个网络的最大长度与所使用的网络传输方法有关。第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四3.5介质分类－光纤光导纤维简称为光纤。在它的中心部分包括了一根或多根玻璃纤维，通过从激光器或发光二极管发出的光波穿过中心纤维来进行数据传输。如同双绞线电缆，光纤也存在许多不同的类型，各种类型的光纤最终分成两大类：单模式和多模式。单模光纤携带单个频率的光将数据从光纤的一端传输到另一端。通过单模光纤，数据传输的速度更快，并且距离也更远。但是这种光纤开销太大，因此不被考虑用于一般的数据网络。相反，多模光纤可以在单根或多根光纤上同时携带几种光波。这种类型的光纤通常用于数据网络。外护套加固材料塑料屏蔽层玻璃纤维和屏蔽层第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四用光纤传输电信号时，在发送端先将其变成光信号，而在接收端又要由光检测器还原成电信号。第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四单模光纤：单束光，纤芯直径一般在8－10μm之间，包层直径为125μm，传输距离长，用于室外，较贵多模光纤：多束光，纤芯直径一般在50－100μm之间，包层直径为125－230μm之间，传输距离短，用于室内，便宜第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四光纤传送模式多模

输入电信号输出电信号单模波长:1300,1550nmh1h2波长:850,1300nmh2h1芯/封套特性光纤的直径减小到一个光波波长第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四光纤传输原理

第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四下图象征性地描述了单模和多模光纤之间的差异。在网络中，光纤目前主要用作主干线，然而专家预计，在下一个十年中，光纤将逐渐代替UTP

成为将数据传输到台式机的主要方式。光纤提供的优点是几乎无限的吞吐量、非常高的抗噪性以及极好的安全性。光纤无需像铜线一样传输电信号，因而它不会产生电流。因此，光纤传输的信号可以保持在光纤中而不会被轻易截取，除非在目标节点处。但另一方面，通过侵入网络，就可以监视铜线产生的信号。光纤传输信号的距离也比同轴电缆或双绞线电缆所能传输的距离要远得多。它的整个网络长度也得益于无需中继器或放大器。除此之外，光纤还广泛用于高速网络行业。使用光纤最大的障碍是高成本，另一个缺点是光纤一次只能传输一个方向的数据。为了克服单向性的障碍，每根光纤必须包括两股—一股用于发送数据，一股用于接收数据。与铜线不同的最后一点是连接光纤非常困难。第四十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四按照介质5特性，光纤的特性总结如下。•吞吐量：已证明，光纤可以以每秒10GB

的速度可靠地传输数据，可望在将来进一步改进后，纤维有可能超过这一限制。光纤惊人的吞吐量与光在玻璃纤维上传输的物理特性有关。与电脉冲通过铜线不同，光实际上不会遇到阻抗，因此能以比电脉冲更快的速度可靠传输。实际上，纯的玻璃纤维束每秒可接收高达1亿个激光脉冲。但是，由于成本太多，光纤目前还只是用于主干线。尽管如此，它的高吞吐量能力也使它适用于拥有大量通信业务量的情形，如电视或电话会议。•成本