计算机网络：网络传输介质

传输介质是网络中传输数据的物理介质，不同的传输介质在传输带宽、时延、辐射及维护成本等方面均具有不同的特性。

传输介质大致分为有线介质和无线介质两类，有线介质包括双绞线、同轴电缆和光纤等，无线介质即电磁波。

一、有线介质

1．双绞线

双绞线是网络中最早使用的传输介质，价格便宜，性能适中。双绞线由两根带有绝缘层的铜质导线组成，导线直径约为1 mm。为了降低传输信号时产生的干扰，将这两根导线绞合成螺旋状，如图2-4所示。

图2-4 双绞线的构造

模拟信号及数字信号均可在双绞线上传输，其可靠传输距离一般为10km 。如果需要实现更远距离的通信，对于模拟信号通信，需在网络中加入放大器以放大信号；对于数字信号通信，需加入中继器对信号进行再生及还原。

双绞线按结构分为非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair）。屏蔽双绞线通过在双绞线外加上一层金属屏蔽层，可有效地降低电磁干扰，具有更高的传输性能，但价格也更高。

双绞线有两种较为重要的型号： 3类双绞线与5类双绞线。3类双绞线由4组绞合在一起的铜质导线对组成，外覆一层绝缘胶管。5类双绞线的构成与3类双绞线相似，但具有更高的绞合度，可进一步降低干扰，提供更高质量的信号传输。

表2-5列出了各种类别的非屏蔽双绞线。

表2-5 UTP类别

类别	说明
1类	电话连接，不适合传输数据
2类	数据连接，≤4 Mb/s——令牌环网
3类	数据连接，≤10 Mb/s——以太网10BaseT
4类	数据连接，≤16 Mb/s——令牌环网
5类	数据连接，≤100 Mb/s——以太网
超5类	数据连接，≤1 Gb/s——以太网
6类	数据连接，≥1 Gb/s——以太网

双绞线中有8条线缆，线缆两端针脚引线的排列有两种类型：直通线和交叉线。“针脚引线”是指电缆中使用的彩色线缆与RJ-45接口特定位置的针脚关系，有T568A和T568B两种标准的针脚引线，如表2-6所示。

表2-6 UTP针脚颜色

标准	1	2	3	4	5	6	7	8
T568A	绿/白	绿	橙/白	蓝	蓝/白	橙	棕/白	棕
T568B	橙/白	橙	绿/白	蓝	蓝/白	绿	棕/白	棕

直通双绞线的两端使用同一种标准，即同时采用T568A或T568B标准。交叉双绞线的一端采用T568B标准，另一端采用T568A标准。直通双绞线一端的针脚1连接到另一端的针脚1，一端的针脚2连接到另一端的针脚2，以此类推。

直通双绞线主要应用于数据终端设备（DTE，Data Terminal Equipment）到数据通信设备（DCE，Data Communications Equipment）的连接。DTE主要为路由器、PC或服务器，而DCE为广域网交换机或路由器。交叉双绞线一端的针脚1连接到另一端的针脚3，针脚2连接到另一端的针脚6。将一台DTE设备连接到其他DTE设备上，或者将一台DCE设备连接到其他DCE设备上，应使用交叉双绞线，如图2-5所示。

图2-5 直通线和交叉线连接方式

2．同轴电缆

同轴电缆比双绞线的抗干扰屏蔽能力强，可实现更远距离上的高速数据传输。

如图2-6所示，同轴电缆以一条铜质导线为核心，从内向外分别为绝缘层、网状屏蔽层及塑料保护层。

常用的同轴电缆有50Ω及75Ω两种型号：50Ω同轴电缆用于数字信号传输，75Ω同轴电缆最初用于模拟信号传输，目前较常用于传输数字信号。

同轴电缆的网状屏蔽层设计使其具有高传输带宽和低噪声干扰的特性。通常，网络中的传输带宽由电缆材质、长度、信号信噪比等因素决定，现代线缆可达到近1 GHz带宽的传输性能。

同轴电缆过去被广泛应用于电话网络中的远距离通信，但目前更多地是使用光缆作为远距离通信介质。同轴电缆在有线电视和城域网中具有广泛的应用。

图2-6 同轴电缆的构造

按照直径的不同，同轴电缆可分为粗缆和细缆两种。粗缆适用于比较大型的局部网络，它的标准距离长、可靠性高。由于安装时不需要切断电缆，因此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置。但粗缆网络必须安装收发器和收发器电缆，安装难度大，总体造价高。

细缆安装比较简单，造价低，但在安装过程需要切断电缆，两头需装上基本网络连接头（BNC，Bayonet Nut Connector），然后接在T型连接器两端，所以当接头过多时容易产生接触不良的隐患，导致以太网在运行过程中发生故障。

3．光纤

光纤的中心为玻璃纤维制成的纤芯，通常多模光纤纤芯的直径为50μm，约为一根头发的直径，而单模光纤纤芯的直径为8~10μm。光纤的构造接近同轴电缆，但与同轴电缆不同的是，光纤中没有附加网状屏蔽层。

纤芯外的包层由具有较低折射率的玻璃纤维制成，用于反射纤芯内的光线，保证光纤通信的正常进行。包层外是一层由聚乙烯制成的保护套，用于保护光纤的内部结构。如图2-7所示，通常使用塑料外保护层将多束光纤束缚在一起，制成实际中所使用的通信光缆。

图2-7 光纤

相对于传统通信介质，光纤具有如下优势：

1）光纤通信具有低损耗、高带宽的特点，特别适用于远距离通信。

2）光纤在传输光信号时不会产生电磁干扰。

3）光信号通过光纤时无辐射磁场，有效降低了数据被窃听或截取的风险。

4）光纤通信不需要金属导线，减少了线缆的重量及所需的空间。

光纤存在缺点的缺点是：

1）精确连接两根光纤需要使用专用设备，造成额外开销。

2）通常情况下，使用光纤连网时，网络拓扑被设计为由若干点对点连接组成的环状网络，以T型接口作为链路间的连接设备，并允许计算机从接口处接入网络。

光纤传输系统具有光源、光纤及探测器这三个要素。在光纤传输中，通常以一个光脉冲代表1，无光脉冲则代表0，光脉冲由光源产生。探测器在接收到光信号时将其转换为电信号。通过将光源连接至光纤的一端，并在另一端安装探测器即可组成一个简单的单向数据传输系统。该系统接收电信号作为输入，并将其转换为光信号，通过光源发送至光纤。接收端的探测器感应到光信号后，将其转换为对应的电信号输出。

二、无线介质

无线通信因具有不受地理位置限制、部署和接入方式灵活等特点，成为移动接入的通信选择。

无线通信利用电磁波在自由空间的传播进行数据传输。常用的无线通信方式包括短波通信、微波通信和蓝牙等。

1．短波通信

短波通信是指利用频率在3~30MHz的电磁波进行通信，短波波段的电磁波既可以沿地面传播，也可以通过电离层的反射进行远距离传输。短波信道的通信质量较差。当使用短波通信时，通常以低速传输，每路信道的传输速率在数十bps到数百bps。要提高数据的传输速率，需使用更加复杂的调制解调技术。

2．微波通信

微波是指频率在300MHz~300GHz，波长在1mm~1m的电磁波。微波可穿透电离层进入外层空间，传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。

通信距离较远时，接收端与发送端之间必须建立若干个中继站，将接收到的信号放大之后发送至下一站，这种通信方式即地面微波接力通信。目前地面微波接力通信被广泛应用于长途电话、移动电话和无线电视等领域。

其主要特点如下：

1）微波波段频率高，范围广，具有较大的通信信道容量。

2）环境噪声的频率大多低于微波，且微波通信自身不产生干扰，可提供高质量的数据传输。

3）微波通信不需要架设电缆，中继站占地面积较小，易于建立，可以适应恶劣地形环境。

微波通信存在如下一些缺点：

1）相邻站点需在视距范围之内，且中间不能有障碍物，在某些情况下发送端发射的信号可能经过多条路径才能到达接收端，造成多径衰减现象。

2）恶劣的气候有可能对微波传输造成影响。

3）微波通信较有线通信更易被窃听。

4）当通信距离较远时，中继站的数目也随之增加，对中继站的维护开销增大。

在卫星通信领域中，甚小孔径地球站（VSAT，Very Small Aperture Terminal）被大量使用。VSAT卫星通信系统由地面部分和空间部分两部分组成。如图2-8所示。对于能够进行电话通信的VSAT通信系统，在VSAT之间执行呼叫建立阶段时，需要中心站转发信号，连接建立之后，VSAT间就可以直接通过卫星进行通信。

图2-8 通过中心站转发的VSAT通信

相对于地面通信方式，卫星通信具有如下特点：

1）时延高。

2）降低成本。

3）低误码率，易于部署。

3．蓝牙

蓝牙技术能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的无线数据和语音通信，是目前无线个人局域网的主流技术之一。两个蓝牙设备在首次通信前，需要进行身份识别，一旦识别并连接成功，就可以通过蓝牙进行通信传输了。蓝牙设备必须能够彼此识别，并通过安装所需要的软件识别出彼此支持的高层功能。

蓝牙系统的网络结构的拓扑结构有两种形式，即微微网和分布式网络。