Lecture 4：知识 - 物理层下的传输媒体
Chinese-language Computer Science 408 note: Lecture 4：知识 - 物理层下的传输媒体. Original source available where applicable.
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描述：传输媒体是网络设备间信号走的物理通路，但不属于网络体系结构的分层协议本身。选择媒体时比较带宽、损耗、抗干扰、传输距离、施工和成本；光纤以全反射传光脉冲，具有容量大、损耗小和抗电磁干扰的显著优势。
2.1 传输媒体的分类
传输媒体又称传输介质/传输媒介，是计算机网络设备间传递信号的物理通路。它是物理层依赖的环境，不包含在网络体系结构层次之中；物理层协议规定如何使用媒体传比特。
| 大类 | 别称 | 信号传播路径 | 主要类型 |
|---|---|---|---|
| 导向型传输媒体 | 有线/固体媒体 | 信号沿明确的实体介质传播 | 同轴电缆、双绞线、光纤 |
| 非导向型传输媒体 | 无线/自由空间 | 电磁波在空气或真空等自由空间传播 | 无线电波、微波、红外线、大气激光、可见光 |
2.2 导向型传输媒体
2.2.1 同轴电缆
同轴电缆的导体、绝缘层、外导体等各层共用同一轴心，故称“同轴”。相对双绞线，它价格更高、布线不够灵活；随着双绞线和集线/交换设备的普及，局域网通常更多采用双绞线。
| 类型 | 信号形式 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 基带同轴电缆 | 数字传输 | 早期局域网 |
| 宽带同轴电缆 | 模拟传输 | 有线电视入户等 |
同轴的屏蔽结构有较好抗干扰能力，但施工、接头和拓扑扩展相对不如双绞线方便。
2.2.2 双绞线
一对双绞线由两根相互绝缘的铜导线按一定密度相互绞合而成；多对绞线组合后构成双绞线电缆。
绞合的作用：
- 减少相邻导线对之间的电磁干扰和串扰。
- 抵御部分外界电磁干扰，使两根线受到相似干扰时可通过差分传输减小影响。
| 形式 | 特点 |
|---|---|
| 非屏蔽双绞线 UTP | 不带额外屏蔽层，柔软、便宜、施工方便，常用于以太网布线 |
| 屏蔽双绞线 STP | 带保护/屏蔽层，抗干扰较好，但成本、接地和施工要求更高 |
易错：双绞线抗干扰主要来自“成对绞合”和（若有）屏蔽层；它不等同于光纤，也不是因为使用了多根铜线就天然比所有无线链路快。
原资料还有一张双绞线等级表。这里保留其类别脉络，并按常用布线等级修正其中的 Cat 5e 频率值：
| 类别 | 标称测试频率上限 | 常见用途与注意点 |
|---|---|---|
| Cat 3 | 16 MHz | 早期 10 Mb/s 以太网、电话布线 |
| Cat 4 | 20 MHz | 早期局域网布线，现已少见 |
| Cat 5 | 100 MHz | 常用于 100 Mb/s；是否可承载更高速率还取决于整条链路质量和采用的以太网标准 |
| Cat 5e | 100 MHz | 改善串扰等指标，常用于 1000BASE-T；原 PDF 表中的 125 MHz 不宜作为该类别的标准频率 |
| Cat 6 | 250 MHz | 串扰性能进一步改善；可用于千兆，部分较短链路也可用于 10 Gb/s |
| Cat 7 / Class F | 600 MHz | 属另一套布线类别/等级体系，通常采用屏蔽结构；不能仅凭“Cat 7”字样保证特定速率或距离 |
表中 MHz 描述的是布线测试频率范围，不是 bit/s；实际速率由网卡/交换机所用标准、线缆长度、连接器、布线及干扰共同决定。频率与 Cat 5e 修正可参照 Fluke Networks 的布线等级说明。
2.2.3 光纤与光纤通信
光纤通信以光脉冲在光纤中传播来表示/传送比特。可见光频率约为 $10^{14}\sim10^{15},Hz$（教材常写作约 $10^8,MHz$ 量级），频率极高，故光纤通信系统可提供远高于多数其他媒体的传输带宽。
原图的通信链可文字化为：输入电脉冲 → LED/半导体激光器发出光脉冲 → 光纤传输 → 光电二极管/光接收器转换为输出电脉冲。光纤是中间的传输媒体；发射器和接收器分别完成电/光、光/电转换。
| 优点 | 含义 |
|---|---|
| 通信容量极大 | 高频光载波与波分复用带来高带宽 |
| 抗雷电/电磁干扰 | 以光而非电流传输，不受普通电磁串扰影响 |
| 损耗小、中继距离长 | 适合长距离干线传输 |
| 无串音、保密性较好 | 不易被电磁泄漏窃听，线间互扰低 |
| 体积小、重量轻 | 同等容量下缆线更紧凑 |
主要代价：切割、熔接、测试光纤需较贵的专用设备；光电转换接口也较昂贵、施工技术要求高。
2.2.3.1 全反射原理与结构
光纤的核心由高折射率的纤芯和较低折射率的包层构成。光由高折射率介质射向低折射率介质时，折射角大于入射角；入射角大到超过临界条件时发生全反射，光被反射回纤芯而被约束向前传播。
高折射率纤芯
光脉冲沿芯传播，碰到低折射率包层时满足全反射
低折射率包层
外部保护层/加强件构成光缆
光缆是在光纤外增加保护、加强、防潮等结构的成品电缆；不要把“单根光纤的传播结构”和“光缆的工程封装”混为一谈。
2.2.3.2 多模与单模光纤
| 类型 | 光路 | 适用与特点 |
|---|---|---|
| 多模光纤 | 不同入射角的多条光波在芯内多次全反射 | 模间色散较明显，适合建筑物内等近距离传输，光源成本较低 |
| 单模光纤 | 基本只允许单一传播模式、近似沿轴向前进 | 没有多模光纤的模间色散，适合长距离、高速传输；具体衰减还取决于波长、材料和连接损耗，不能只由“单模”二字决定；制造及接口成本较高，通常需半导体激光器而非较便宜 LED |
“多模”不是指能同时传多个用户的数据，而是指同一光信号可沿不同传播模式/路径到达，路径长度差导致脉冲展宽。
2.2.3.3 常用波长窗口与光纤规格
材料列出的三个常用光通信中心波长为 850 nm、1300 nm、1550 nm。其中 850 nm 窗口衰减相对较大但器件成熟；1300 nm 和 1550 nm 窗口衰减较小，1550 nm 常用于长距离系统。材料用 $25{,}000\sim30{,}000,GHz$ 的数量级说明光载波可利用频谱很宽；这表示光通信的容量潜力，不是单个信道无需器件限制即可达到的速率。
规格中的“芯径/包层直径”通常以 $\mu m$ 表示：
| 类型 | 材料列出的常见规格 |
|---|---|
| 单模光纤 | $8/125,\mu m$、$9/125,\mu m$、$10/125,\mu m$ |
| 多模光纤 | $50/125,\mu m$、$62.5/125,\mu m$ |
材料还给出了若干系统性能示例，用来观察“速率越高，允许距离通常越短”以及不同光纤类型的差异：
| 光纤示例 | 波长 | 速率与距离示例 |
|---|---|---|
| G.652 单模，芯径约 $9,\mu m$ | 1550 nm | 2.5 Gb/s：100 km；10 Gb/s：60 km；40 Gb/s：4 km |
| G.655 单模，芯径约 $9,\mu m$ | 1550 nm | 2.5 Gb/s：390 km；10 Gb/s：240 km；40 Gb/s：16 km |
| 普通多模，芯径 $50,\mu m$ | 850 nm | 1 Gb/s：550 m；10 Gb/s：250 m |
| 普通多模，芯径 $62.5,\mu m$ | 850 nm | 1 Gb/s：275 m；10 Gb/s：100 m |
| 材料所称“新型”多模，芯径 $50,\mu m$ | 850 nm | 1 Gb/s：1100 m；10 Gb/s：550 m |
上表是源资料中的器件/标准示例，不是所有光纤链路的通用极限。实际距离还受光模块、色散、连接损耗、误码指标和具体标准版本影响。
2.3 非导向型传输媒体
非导向型媒体使用自由空间传播电磁波，频谱资源通常需由无线频谱管理机构统一规划和许可，以避免相互干扰。
原资料的无线频谱图可按数量级整理如下；$f\lambda\approx c$，频率越高，真空波长越短：
| 频段 | 大致频率范围 | 典型传播/应用 |
|---|---|---|
| LF、MF（低频、中频） | 30～300 kHz；300 kHz～3 MHz | 较低频可沿地表传播；广播等 |
| HF（高频） | 3～30 MHz | 可借电离层折返实现远距离短波通信 |
| VHF、UHF（甚高频、特高频） | 30～300 MHz；300 MHz～3 GHz | 调频/电视广播、移动通信等；通常更依赖视距或中继，不能把 VHF 普遍说成电离层反射传播 |
| SHF、EHF（超高频、极高频） | 3～30 GHz；30～300 GHz | 微波、卫星、雷达等；方向性和遮挡问题更明显 |
工业、科学、医疗等用途的 ISM 频段可供符合当地规则的设备共享使用，但“免单独许可”不等于没有发射功率、干扰或地域限制。原图举有 902～928 MHz、2.400～2.4835 GHz、5.725～5.850 GHz 等频段；各地区开放范围和使用条件可能不同，不能把图中三个区间当作全球统一的无线局域网信道表。
| 媒体 | 传播与特点 |
|---|---|
| 无线电波 | 覆盖灵活，可绕射/穿透一定障碍，适合移动无线通信等 |
| 微波 | 频率高、方向性强，常需视距；可用地面中继站逐段接力，也可经地球卫星中继。原图给出地面站间约 50～100 km 作为示例，不是所有微波链路的固定距离 |
| 红外线 | 近距离、方向性较强，通常不穿透墙体，适于室内局部通信/遥控；原图的 4～16 Mb/s 是旧式系统示例，并非红外通信的普适速率上限 |
| 大气激光 | 在大气自由空间定向传输，容量高但易受天气、遮挡、对准精度影响 |
| 可见光 | 可用于可见光通信，例如 LiFi；可照明与通信结合，但受遮挡/环境光影响 |
原图的同步地球卫星位于约 3.6 万 km 高的地球静止轨道，可作为远距离微波中继；覆盖范围广，但信号要往返空间链路，传播时延显著，且可见区域、轨道位置和地面天线方向均有限制。
题型：#媒体与光纤辨析
第一部分：解题方法
- 题干给铜缆实体通道选导向型；给空气、卫星、无线电波选非导向型。
- “基带/数字、早期 LAN”指基带同轴；“模拟、有线电视”指宽带同轴。
- “全反射、高折射率纤芯、低折射率包层”是光纤；“多个入射角、近距离”是多模，“单一路径、远距离/低衰减”是单模。
- 媒体不属于体系结构分层；问 0/1 如何在媒体传输才是物理层的功能。
第二部分：易错点
- 光纤带宽大并不等于没有光电接口、设备和施工成本；题目问优缺点时两面都要写。
- 单模成本高的关键在于更严格的纤芯/光源与接口要求，不是因为它“有更多光路”。
- 传输媒体与物理层不同：前者是通路，后者是利用通路传比特的一层规范和设备技术。
相关知识
2.4 本节复盘
- 传输媒体分导向型（同轴、双绞、光纤）和非导向型（无线电、微波、红外、激光、可见光）；它不属于网络体系结构本身。
- 基带同轴传数字、早期 LAN 常见；宽带同轴传模拟、有线电视常见。双绞线靠绞合降低内外电磁干扰。
- 光纤靠纤芯—包层间全反射传光脉冲，容量大、损耗小、抗干扰、保密性好，但施工与接口成本高。
- 多模多路径、近距离；单模近轴传播、无模间色散、适合远距离且通常要求激光器；具体衰减还需看波长和链路质量。
- 常用中心波长为 850/1300/1550 nm；光纤规格的前后两个数字分别表示芯径与包层直径，源资料中的距离表只作系统示例。
- 微波可地面中继或卫星中继；LiFi 属可见光通信。不同频段的传播方式、遮挡与频谱管理要求不同，不能把所有无线媒体都当成相同的视距模型。