数据通信与网络

第4章 传输介质及其应用4.1 有线传输介质及其特性 4.2 无线传输媒体及其特性 4.3 传输介质的选择与应用 4.4 小结习题 传 输 媒 体 是 通 信 网 络 传 送 数 据 时 发 送 方 和 接 收 方 之间 的 物 理 通 路 ， 计 算 机 网 络 中 采 用 的 传 输 媒 体 可 分为 有 线 传 输 介 质 （ 硬 介 质 ） 和 无 线 传 输 介 质 （ 软 介质 ） 两 大 类 。 传 输 媒 体 的 分 类 见 图 4-1。图 4-1 几 种 主 要 的 传 输 介 质传 输 介 质 有 线 传 输 介 质 无 线 传 输 介 质双 绞 线 同 轴 电 缆 光 缆 微 波 卫 星 微 波 无 线 电 波 红 外 线屏 蔽 双 绞 线无 屏 蔽 双 绞 线 基 带 同 轴 电 缆宽 带 同 轴 电 缆 单 模 光 纤多 模 光 纤 4.1 有 线 传 输 介 质 及 其 特 性4.1.1 双 绞 线 （ Twisted-Pair Cable）双 绞 线 由 螺 旋 状 扭 在 一 起 的 两 根 绝 缘 导 线 组 成 ， 线对 扭 在 一 起 可 以 减 少 相 互 间 的 辐 射 电 磁 干 扰 。 双 绞线 早 就 用 于 电 话 通 信 中 的 模 拟 信 号 传 输 ， 也 可 用 于数 字 信 号 的 传 输 。 双 绞 线 又 分 为 两 种 ， 屏 蔽 双 绞 线和 无 屏 蔽 双 绞 线 。 1.无 屏 蔽 双 绞 线 （ UTP， Unshielded Twisted-Pair Cable）无 屏 蔽 双 绞 线 是 目 前 电 信 中 最 常 使 用 的 传 输 媒 体 。它 的 频 率 范 围 对 于 传 输 数 据 和 声 音 都 很 适 合 ， 一 般在 100Hz 5MHz之 间 。 双 绞 线 由 两 个 导 体 （ 通 常 是铜 线 ） 组 成 ， 外 面 是 不 同 颜 色 的 绝 缘 层 ， 两 根 导 线扭 在 一 起 再 包 一 层 绝 缘 层 ， 组 成 电 话 线 缆 。 见 图 4-2。 EIA标 准 将 UTP分 成 了 五 种 类 型 ：（ 1） 1# UTP， 基 本 双 绞 线 ， 应 用 在 电 话 系 统 ， 通 话质 量 较 好 ， 但 是 通 信 的 速 率 较 低 。（ 2） 2# UTP， 适 合 于 传 输 声 音 和 数 据 ， 传 输 速 率 在4Mbps以 上 。（ 3） 3# UTP， 主 要 用 在 电 话 系 统 中 ， 对 于 数 据 传 输 ，其 传 输 速 率 在 10Mbps以 上 。（ 4） 4# UTP， 传 输 速 率 可 以 达 到 16Mbps。（ 5） 5# UTP， 对 于 数 据 传 输 ， 其 传 输 速 率 在100Mbps以 上 。 2.屏 蔽 双 绞 线 （ STP， Shielded Twisted-Pair Cable）在 双 绞 线 的 外 面 包 上 了 用 金 属 丝 编 织 的 屏 蔽 层 ， 改善 了 双 绞 线 的 抗 电 磁 干 扰 性 能 。 STP是 将 双 绞 线 放在 由 金 属 导 线 包 裹 ， 用 于 吸 收 干 扰 的 外 包 材 料 内 ，然 后 再 将 其 包 上 橡 胶 外 皮 ， 比 无 屏 蔽 双 绞 线 的 抗 干扰 能 力 更 强 ， 传 送 数 据 更 可 靠 。 见 图 4-3。图 4-3屏 蔽 双 绞 线 3.双 绞 线 的 主 要 特 性（ 1） 从 物 理 特 性 上 来 看 ， 双 绞 线 芯 一 般 是 铜 质 的 ， 能 提 供 良 好的 传 导 率 。 （ 2） 从 传 输 特 性 上 来 看 ， 双 绞 线 既 可 以 用 于 传 输 模 拟 信 号 ， 也可 以 用 于 传 输 数 字 信 号 ， 双 绞 线 带 宽 可 达 268kHz， 而 一 条 全双 工 语 音 通 道 的 标 准 带 宽 是 300Hz 4kHz， 因 而 可 以 使 用 频分 多 路 复 用 技 术 实 现 多 个 语 音 通 道 的 复 用 。 局 域 网 中 常 用 的 3类 双 绞 线 和 5类 双 绞 线 电 缆 均 由 4对 双 绞 线 组 成 ， 其 中 3类 双 绞线 通 常 用 于 10BASE-T， 5类 双 绞 线 通 常 用 于 100BASE-T。 （ 3） 从 连 通 性 上 来 说 ， 双 绞 线 普 遍 用 于 点 到 点 的 连 接 ， 也 可 以用 于 多 点 的 连 接 。（ 4） 从 地 理 范 围 来 看 ， 在 100kbps速 率 下 传 输 距 离 可 达 1公 里 ，但 在 10Mbps和 100Mbps传 输 速 率 下 传 输 距 离 均 不 超 过 100米 。 （ 5） 抗 干 扰 性 。 在 低 频 传 输 时 ， 双 绞 线 的 抗 干 扰 性 相 当 于 或 高于 同 轴 电 缆 ， 但 如 果 频 率 超 过 10 100kHz时 ， 双 绞 线 的 抗 干扰 能 力 较 低 。 （ 6） 从 价 格 上 来 讲 ， 双 绞 线 的 价 格 是 比 较 低 的 。 4.1.2 同 轴 电 缆 （ Coaxial Cable）1.同 轴 电 缆 的 结 构同 轴 电 缆 由 一 对 导 体 组 成 ， 与 双 绞 线 相 比 ， 可 以 携 带较 高 频 率 范 围 的 载 波 信 号 ， 其 频 率 范 围 在 100KHz500MHz之 间 ， 同 轴 电 缆 是 按 “ 同 轴 ” 的 形 式 构 成线 对 ， 最 里 层 是 内 芯 ， 向 外 依 次 为 绝 缘 层 、 屏 蔽 层 ，最 外 层 则 是 起 保 护 作 用 的 塑 料 外 套 ， 内 芯 和 屏 蔽 层构 成 一 对 导 体 。 其 结 构 见 图 4-4。图 4-4 同 轴 电 缆 同 轴 电 缆 分 为 基 带 同 轴 电 缆 （ 阻 抗 50） 和 宽 带 同 轴电 缆 （ 阻 抗 75） 。 基 带 同 轴 电 缆 用 于 直 接 传 输 基带 数 字 信 号 ； 在 局 域 网 中 使 用 这 种 基 带 同 轴 电 缆 ，可 以 在 2500m内 （ 需 加 4个 中 继 器 ） ， 以 10Mbit/s传送 基 带 的 数 字 信 号 。 宽 带 同 轴 电 缆 用 于 频 分 多 路 复用 的 模 拟 信 号 传 输 ， 也 可 用 于 不 使 用 频 分 多 路 复 用的 高 速 数 字 信 号 和 模 拟 信 号 传 输 。 2.同 轴 电 缆 的 主 要 特 性（ 1） 物 理 特 性 。 同 轴 电 缆 可 以 工 作 在 较 宽 的 频 率 范围 内 。（ 2） 传 输 特 性 。 基 带 同 轴 电 缆 仅 用 于 数 字 传 输 ， 并使 用 曼 彻 斯 特 编 码 ， 数 据 传 输 速 率 最 高 可 达10Mips。 宽 带 同 轴 电 缆 既 可 用 于 模 拟 信 号 传 输 又可 用 于 数 字 信 号 传 输 。 （ 3） 连 通 性 。 同 轴 电 缆 适 用 于 点 到 点 和 多 点 连 接 。（ 4） 地 理 范 围 。 基 带 电 缆 的 最 大 传 输 距 离 限 制 在 几 公里 ， 宽 带 电 缆 的 传 输 距 离 则 可 达 几 十 公 里 。（ 5） 抗 干 扰 性 。 同 轴 电 缆 的 抗 干 扰 性 能 比 双 绞 线 强 。（ 6） 价 格 。 同 轴 电 缆 的 价 格 比 双 绞 线 贵 ， 比 光 纤 低 。4.1.3 光 缆 （ Optical Fiber）1.光 纤 的 结 构光 纤 是 一 种 光 传 输 介 质 ， 是 光 导 纤 维 的 简 称 ， 它 由 能传 导 光 波 的 石 英 玻 璃 纤 维 （ 或 塑 料 纤 维 ） 外 加 保 护层 构 成 。 用 光 纤 传 输 电 信 号 时 ， 在 发 送 端 先 要 将 其转 换 成 光 信 号 ， 在 接 收 端 又 要 由 光 检 测 器 还 原 成 电信 号 。 2.光 纤 的 主 要 特 性（ 1） 物 理 特 性 。 在 网 络 中 均 采 用 两 根 光 纤 组 成 传 输 系 统 。（ 2） 传 输 特 性 。 光 纤 通 过 内 部 的 全 反 射 来 传 输 一 束 经 过 编 码的 光 信 号 ， 与 双 绞 线 和 同 轴 电 线 相 比 ， 光 缆 传 送 数 据 的 速度 相 当 快 。 光 缆 最 低 传 送 速 率 是 100Mbit s， 一 般 可 达Gbps， 而 同 轴 电 缆 的 最 大 传 送 速 度 是 100Mbit s。 双 绞 线或 同 轴 电 缆 传 送 电 信 号 ， 而 光 缆 传 送 光 信 号 ， 其 中 一 种 光源 是 发 光 二 极 管 （ LEO） ， 另 一 种 光 源 是 激 光 。 光 缆 频 带很 宽 ， 传 送 速 率 极 高 ， 因 此 能 够 传 送 大 量 的 数 据 。（ 3） 连 通 性 。 光 纤 普 遍 用 于 点 到 点 的 链 路 。（ 4） 地 理 范 围 。 光 缆 可 以 在 6 8公 里 的 距 离 内 不 用 中 继 器 传输 ， 因 此 光 纤 适 合 于 在 几 个 建 筑 物 之 间 通 过 点 到 点 的 链 路连 接 局 域 网 络 。（ 5） 抗 干 扰 性 。 光 信 号 不 受 电 磁 干 扰 或 噪 声 影 响 ， 光 波 也 不会 互 相 干 扰 ， 因 此 光 缆 不 存 在 信 号 衰 减 问 题 ， 可 以 在 长 距离 内 传 输 数 据 ； 光 缆 中 光 的 匹 配 好 ， 使 人 很 难 在 光 缆 上 窃取 数 据 ， 所 以 安 全 性 好 。（ 6） 价 格 。 光 纤 的 价 格 比 双 绞 线 和 同 轴 电 缆 都 要 贵 。 4.2 无 线 传 输 媒 体 及 其 特 性无 线 传 输 媒 体 通 过 空 间 传 输 ， 不 需 要 架 设 或 铺 设 电 缆 或光 纤 ， 包 括 ： 无 线 电 波 、 微 波 、 红 外 线 和 激 光 等 。4.2.1 无 线 电 波无 线 电 波 是 全 向 传 播 ， 不 同 的 频 段 可 以 用 于 不 同 的 无 线电 通 信 。 例 如 无 线 电 广 播 ， 包 括 调 频 （ FM） 广 播 和调 幅 （ AM） 广 播 等 ， 调 幅 广 播 （ AM） 比 调 频 广 播（ FM） 使 用 的 频 率 低 得 多 ， 频 率 低 的 信 号 更 易 受 到大 气 的 干 扰 ， 但 传 送 的 距 离 远 ； 短 波 和 民 用 波 段 无 线电 广 播 也 都 使 用 很 低 的 频 率 ， 能 够 远 距 离 传 送 信 号 ；电 视 台 则 用 较 高 的 频 率 传 送 图 像 和 声 音 的 混 合 信 号 ，电 视 频 道 不 同 就 是 传 送 信 号 的 频 率 不 同 ， 电 视 机 在 每个 频 道 以 不 同 频 率 接 收 不 同 的 信 号 。 （ 1） 频 率 范 围 在 30-300KHz的 是 低 频 长 波 ；（ 2） 频 率 范 围 在 300KHz-3MHz的 是 中 频 中 波 ， 通 常用 于 中 波 通 信 ；（ 3） 频 率 范 围 在 3MHz-30MHz的 是 高 频 短 波 ， 用 于短 波 通 信 。 它 是 利 用 地 面 发 射 无 线 电 波 ， 通 过 电 离层 的 多 次 反 射 到 达 接 收 端 的 一 种 通 信 方 式 。（ 4） 频 率 范 围 在 30MHz-300MHz的 是 甚 高 频（ VHF） 。（ 5） 频 率 范 围 在 300MHz-3000MHz的 是 特 高 频（ UHF） ， 电 磁 波 可 穿 过 电 离 层 ， 不 会 因 反 射 而 引起 干 扰 ， 可 用 于 数 据 通 信 。 4.2.2 微 波微 波 传 送 是 单 向 的 ， 并 且 信 号 沿 直 线 传 播 。 所 以 传 送信 号 时 一 个 微 波 站 的 天 线 必 须 指 向 另 一 个 微 波 站 ，这 样 才 能 发 送 和 接 收 信 号 。 微 波 信 号 受 天 气 环 境（ 如 雨 雪 等 ） 和 微 波 站 之 间 障 碍 物 的 影 响 较 大 。1.地面微波地 球 上 两 个 微 波 站 之 间 的 微 波 传 送 方 式 叫 地 面 微 波 传送 。 微 波 通 信 的 载 波 频 率 很 高 ， 可 同 时 传 送 大 量 信息 ， 利 用 无 线 电 波 在 对 流 层 的 视 距 范 围 内 沿 直 线 传播 的 。 由 于 地 球 表 面 是 曲 面 ， 使 得 微 波 在 地 面 的 传播 距 离 有 限 。 通 常 可 以 利 用 天 线 提 高 传 输 距 离 ， 天线 越 高 传 播 距 离 越 远 ， 一 般 两 个 微 波 站 之 间 的 通 信距 离 为 30 50km， 超 过 一 定 距 离 就 要 用 微 波 中 继 站 。 2.卫星微波卫 星 是 天 空 中 的 大 型 微 波 发 送 器 和 接 收 器 ， 卫 星 通 信利 用 地 球 同 步 卫 星 做 中 继 来 转 发 微 波 信 号 ， 克 服 了地 面 微 波 通 信 距 离 的 限 制 ， 一 个 同 步 卫 星 可 以 覆 盖地 球 的 1/3以 上 表 面 ， 原 则 上 三 个 这 样 的 卫 星 就 可 以覆 盖 地 球 上 全 部 通 信 区 域 ， 地 球 上 的 各 个 地 面 站 之间 都 可 互 相 通 信 。 地 面 站 与 卫 星 之 间 的 微 波 传 送 也用 视 线 法 则 ， 卫 星 在 与 地 球 相 对 静 止 的 同 步 轨 道 上运 行 ， 固 定 在 地 球 上 方 的 某 一 位 置 ， 从 卫 星 上 发 出的 信 号 只 能 到 达 地 面 特 定 的 区 域 ， 微 波 的 视 线 传 送到 地 球 表 面 产 生 一 个 覆 盖 区 ， 地 面 站 只 有 在 覆 盖 区内 才 能 接 收 卫 星 传 送 的 信 号 。 卫 星 将 地 面 上 地 对 空通 信 的 信 号 由 转 发 器 接 收 、 放 大 ， 改 变 频 率 后 再 将信 号 传 送 回 地 面 。 4.2.3 红 外 线 技 术红 外 通 信 和 激 光 通 信 也 像 微 波 通 信 一 样 ， 有 很 强 的方 向 性 ， 都 是 沿 直 线 传 播 的 。 这 三 种 技 术 都 需 要 在发 送 方 和 接 收 方 之 间 有 一 条 视 线 （ Lind of Sight） 通路 ， 故 它 们 统 称 为 视 线 媒 体 。 所 不 同 的 是 ， 红 外 通信 和 激 光 通 信 把 要 传 输 的 信 号 分 别 转 换 为 红 外 光 信号 和 激 光 信 号 直 接 在 空 间 传 播 。 这 三 种 视 线 媒 体 由于 都 不 需 要 铺 设 电 缆 ， 对 于 连 接 不 同 建 筑 物 内 的 局域 网 特 别 有 用 。 这 三 种 技 术 对 环 境 气 候 较 为 敏 感 ，例 如 雨 、 雾 和 雷 电 。 4.3 传 输 介 质 的 选 择 与 应 用4.3.1 传 输 介 质 的 选 择1.容量：支 持 所 期 望 的 局 部 网 络 通 信 量 。2.可靠性：满 足 可 用 的 要 求 。3.支持的数据类型：根 据 应 用 特 定 的 。4.环境范围：在 所 要 求 的 环 境 范 围 内 提 供 服 务 。5.费用：同 轴 电 线 的 费 用 介 于 双 绞 线 和 光 缆 之 间 。6.速度：双 绞 线 的 传 送 速 度 最 低 ， 其 次 是 同 轴 电 缆 和微 波 ， 光 缆 的 速 度 最 快 。7.出错率：双 绞 线 和 同 轴 电 缆 更 容 易 受 电 磁 和 电 流 波动 的 影 响 ， 微 波 传 送 可 以 被 恶 劣 的 天 气 中 断 。8.安全性：双 绞 线 和 同 轴 电 缆 易 被 窃 听 。 从 光 缆 上 窃取 数 据 很 困 难 。 无 线 电 或 微 波 传 送 不 安 全 。 4.3.2 传 输 介 质 的 制 作 与 应 用1.双绞线的制作与应用将 两 根 具 有 绝 缘 保 护 层 的 导 线 按 一 定 的 密 度 互 相 绞在 一 起 形 成 一 个 线 对 ， 降 低 信 号 的 干 扰 。 常 用 的 双绞 线 是 由 4个 线 对 反 时 针 相 互 扭 转 在 一 起 ， 铜 导 线的 直 径 为 0.4 1mm， 扭 绞 方 向 为 反 时 针 ， 绞 距 为3.81 14cm， 这 些 线 对 被 标 示 了 不 同 的 颜 色 。2.同轴电缆的制作与网络首 先 根 据 需 要 剪 裁 一 定 长 度 的 同 轴 电 缆 ， 使 用 剥 线钳 剥 去 适 当 长 度 的 外 皮 ， 屏 蔽 层 、 绝 缘 层 等 部 分 ，并 将 BNC连 接 器 装 在 同 轴 电 缆 的 端 口 ， 然 后 插 在 T型 头 上 。 设 备 连 接 完 成 后 ， 在 同 轴 电 缆 的 两 端 一 定要 加 上 端 接 匹 配 器 。 3.光纤的制作常 用 的 光 缆 有 8.3m芯 125m外 层 单 模 ； 62.5m芯 125m外 层 多 模 ； 50m芯 125m外 层 多 模 ； 100m芯 140m外层 多 模 。连 接 每 条 光 缆 时 都 要 磨 光 端 头 ， 通 过 电 烧 烤 或 其 它 方法 与 光 学 接 口 连 在 一 起 ， 确 保 光 通 道 不 被 阻 塞 ， 光纤 不 能 拉 得 太 紧 ， 也 不 能 形 成 直 角 。 连 接 方 法 ： 。（ 1） 永 久 性 连 接 （ 又 叫 热 熔 ） ， 使 用 放 电 的 方 法 将 两根 光 纤 的 连 接 点 融 化 并 连 接 在 一 起 。（ 2） 应 急 连 接 （ 又 叫 冷 溶 ） ， 应 急 连 接 是 将 两 根 光 纤固 定 并 粘 接 在 一 起 。（ 3） 活 动 连 接 ， 利 用 各 种 光 纤 连 接 器 件 （ 插 头 和 插座 ） ， 将 站 点 与 站 点 或 站 点 与 光 缆 连 接 起 来 。 4.4 小 结本 章 主 要 介 绍 用 于 传 输 的 各 种 介 质 ， 传 输 介 质 的 分 类 ，以 及 数 据 如 何 在 介 质 中 传 输 等 。 不 同 的 传 输 介 质 具有 不 同 的 传 输 特 性 ， 而 传 输 介 质 的 特 性 又 影 响 着 数据 的 传 输 质 量 。 网 络 中 采 用 的 传 输 媒 体 可 分 为 有 线传 输 介 质 （ 硬 介 质 ） 和 无 线 传 输 介 质 （ 软 介 质 ） 两大 类 。 双 绞 线 、 同 轴 电 缆 和 光 纤 是 常 用 的 三 种 有 线传 输 媒 体 ； 无 线 电 通 信 、 微 波 通 信 、 红 外 通 信 以 及激 光 通 信 的 信 息 载 体 等 都 属 于 无 线 传 输 媒 体 。 传 输 介 质 的 选 择 是 由 许 多 因 素 决 定 的 ， 也 受 网 络拓 扑 结 构 的 约 束 。 设 计 者 在 选 择 传 输 介 质 时 必 须 考虑 到 介 质 的 费 用 、 传 送 速 度 、 使 用 这 种 介 质 的 出 错率 和 安 全 性 等 一 些 相 关 因 素 。 习 题4-1 根 据 你 所 使 用 的 网 络 环 境 ， 分 析 所 选 用 的 传 输介 质 的 类 型 。4-2 比 较 一 下 不 同 传 输 介 质 的 特 性 。4-3 传 输 介 质 的 特 性 对 数 据 传 输 有 什 么 影 响 ？4-4 在 网 络 连 接 时 ， 双 绞 线 如 何 进 行 连 接 ？ 其 线 序如 何 ？4-5在 网 络 连 接 时 ， 如 果 只 连 接 两 台 计 算 机 ， 则 其 线序 如 何 连 接 ？