数据通信之传输介质

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网络上数据的传输需要有“传输媒体”，这好比是车辆必须在公路上行驶一样，道路质量的好坏会影响到行车是否安全舒适。同样，网络传输介质的质量也会影响数据传输的质量。

1、传输介质的主要类型

常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的，另一类是无线的。有线传输介质主要有双绞线（Twisted Pair，包括屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线）、同轴电缆（Coaxial Cable）及光纤（Fiber Optics），如图1所示；无线传输介质有无线电波、红外线等。

2、双绞线

（1）双绞线的物理特性

双绞线是由相互绝缘的两根铜线按一定扭矩相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根铜线加绝缘层并有颜色标记，如图2所示。成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。双绞线的性能好、价格低，是目前使用最广泛的传输介质。

图2  双绞线结构示意图

双绞线可以用于传输模拟信号和数字信号，传输速率根据线的粗细和长短而变化。一般来讲，线的直径越大，传输距离就越短，传输速率也就越高。

局域网中使用的双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）两类。两者的差异在于屏蔽双绞线在双绞线和外皮之间增加了一个铅箔屏蔽层，如图3（a）所示，目的是提高双绞线的抗干扰性能，但其价格是非屏蔽双绞线的两倍以上。屏蔽双绞线主要用于安全性要求较高的网络环境中，如军事网络、股票网络等，而且使用屏蔽双绞线的网络为了达到屏蔽的效果，所有的插口和配套设施均使用屏蔽的设备，否则就达不到真正的屏蔽效果，所以整个网络的造价会比使用非屏蔽双绞线的网络高出很多，因此至今一直未被广泛使用。非屏蔽双绞线如图3（b）所示。

图3  STP与UTP结构示意图

（2）非屏蔽双绞线的类型

按照EIA/TIA（电气工业协会/电信工业协会）568A标准，非屏蔽双绞线共分为6类。

1类线：可用于电话传输，但不适合数据传输，这一级电缆没有固定的性能要求。

2类线：可用于电话传输和最高速率为4Mbit/s的数据传输，包括4对双绞线。

3类线：可用于最高速率为10Mbit/s的数据传输，包括4对双绞线，常用于10 Base-T以太网的语音和数据传输。

4类线：可用于16Mbit/s的令牌环网和大型10 Base-T以太网，包括4对双绞线。其测试速度可达20Mbit/s。

5类线：既可用于100Mbit/s的快速以太网连接又支持150Mbit/s的ATM数据传输，包括4对双绞线，是连接桌面设备的首选传输介质。

超5类线：比5类线具有更小的信号衰减、串扰和时延误差，其主要用途是保证5类线更好地支持1000 Base-T千兆位以太网。

6类线：在外形和结构上与5类和超5类双绞线都有一定的差别，与5类和超5类线相比，它具有传输距离长、传输损耗小、耐磨、抗干扰能力强等特性，常用在千兆位以太网和万兆位以太网中。

其中，计算机网络常用的是3类线（CAT3）、5类线（CAT5）、超5类线（CAT5e）和6类线（CAT6）。5类线和3类线最主要的区别是：一方面，5类线大大增加了每单位长度的绞合次数；另一方面，5类线的线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心设计，并在生产中严格控制，使干扰在一定程度上抵消，从而提高了线路的传输质量。6类线增加了绝缘的十字骨架，电缆的直径更粗，将双绞线的4对线分别置于十字骨架的4个凹槽内，保持4对双绞线的相对位置，如图4所示，从而提高了电缆的平衡特性和抗干扰性，而且传输的衰减也更小。

图4  6类UTP

使用双绞线组网时必须使用RJ-45水晶头，如图5所示。另外，还需要一个非常重要的设备——交换机（Switch），如图6所示。

图5  RJ-45水晶头

图6  交换机

3、同轴电缆

（1）同轴电缆的物理特性

同轴电缆也是一种常用的传输介质。这种电缆在实际中的应用很广泛，如有线电视网。组成同轴电缆的内外两个导体是同轴的，如图7所示，“同轴”之名正是由此而来。同轴电缆的外导体是一个由金属丝编织而成的圆柱形的套管，内导体是圆形的金属芯线，一般都采用铜制材料。内外导体之间填充绝缘介质。同轴电缆可以是单芯的，也可以将多条同轴电缆安排在一起形成同轴电缆。同轴电缆绝缘效果佳、频带宽、数据传输稳定、价格适中、性价比高，因此是早期局域网中普遍采用的一种传输介质。

图7  同轴电缆结构

同轴电缆又可分为两类：细缆和粗缆。经常提到的10 Base-2和10 Base-5以太网就是分别使用细同轴电缆和粗同轴电缆组网的。

使用同轴电缆组网时需要在两端连接50Ω的反射电阻，这就是通常所说的终端匹配器。

同轴电缆组网的其他连接设备随细缆与粗缆的差别不尽相同，即使名称一样，其规格、大小也是有差别的。

（2）细缆连接设备及技术参数

采用细缆组网时，除了需要电缆外，还需要BNC头、T型头、带BNC端口的以太网卡、终端匹配器等，如图8所示。

图8  细缆常用连接设备

采用细缆组网的技术参数如下。

最大的网段长度：185 m。

网络的最大长度：925 m。

每个网段支持的最大节点数：30。

BNC、T型连接器之间的最小距离：0.5m。

（3）粗缆连接设备及技术参数

粗缆连接设备包括转换器（粗缆上的接线盒）、DIX电缆、N系列插口等，如图9所示。使用粗缆组网时，网卡必须有DIX接口（一般标有DIX字样）。

图9  粗缆连接设备

采用粗缆组网的技术参数如下。

最大的网段长度：500m。

网络的最大长度：2 500m。

每个网段支持的最大节点数：100。

收发器之间的最小距离：2.5 m。

收发器电缆的最大长度：50m。

4、光纤

（1）光纤的物理特性

光纤由纤芯、包层和保护层组成，如图10所示。每根光纤只能单向传送信号，因此要实现双向通信，光缆中至少应包括两条独立的导芯，一条发送，另一条接收。光纤两端的端头都是通过电烧烤或化学环氯工艺与光学接口连接在一起的。一根光缆可以包括两根至数百根光纤，并用加强芯和填充物来提高机械强度。

图10  光纤的结构

光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，质量高。由于可见光的频率大约是1014Hz，因而光传输系统可使用的带宽范围极大，多适用于高速网络和骨干网。

光纤传输系统中的光源可以是发光二极管（Light-Emitting Diode，LED），也可以是注入式二极管（Inject Light Diode，ILD）。当光通过这些器件时发出光脉冲，光脉冲通过光缆从而传输信息。光脉冲出现表示“1”，不出现表示“0”。在光缆的两端都要有一个装置来完成电/光信号和光/电信号的转换，接收端将光信号转换成电信号时，要使用光电二极管（Position Intrinsic-Negative，PIN）检波器或APD检波器。一个典型的光纤传输系统结构如图11所示。

图11  光纤传输系统结构

根据使用的光源和传输模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤两种。如果光纤做得极细，纤芯的直径细到只有光的一个波长，那么光纤就成了一种波导管，在这种情况下，光线不必经过多次反射式的传播，而是一直向前传播，如图12所示，这种光纤称为单模光纤。多模光纤的纤芯比单模的粗，一旦光线到达光纤表面发生全反射后，光信号就由多条入射角度不同的光线同时在一条光纤中传播，如图13所示，这种光纤称为多模光纤。

图12  单模光纤传播

图13  多模光纤传播

单模光纤性能很好，传输速率较高，适于长距离传输，但其制作工艺比多模更难，成本较高；多模光纤成本较低，但性能比单模光纤差一些。

（2）光纤的特点

光纤的很多优点使其在远距离通信中起着重要的作用。光纤与同轴电缆相比有如下优点。

● 光纤有较大的带宽，通信容量大。

● 光纤的传输速率高，能超过吉比特每秒。

● 光纤的传输衰减小，连接的距离更远。

● 光纤不受外界电磁波的干扰，适宜在电气干扰严重的环境中使用。

● 光纤无串音干扰，不易被窃听和截取数据，因而安全保密性好。

目前，光缆通常用于高速的主干网络，若要组建快速网络，光纤则是最好的选择。

5、双绞线、同轴电缆与光纤的性能比较

双绞线、同轴电缆与光纤的性能比较如表1所示。

表1  双绞线、同轴电缆与光纤的性能比较

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