网络通信介质

一、电缆传输介质

从数量上看，全球的计算机网络的传输介质中，电缆占有95%比例。电缆可以进行电信号的传输。目前有三种类型的电信号: 模拟信号、正弦波信号和数字信号。模拟信号是一种连续变化的信号。正弦波信号实际上还是模拟信号。但是由于正弦波信号是一个特殊的模拟信号，所以我们在这里把它单独作为一个信号类型。模拟信号的取值是连续的。数字信号是一种0、1变化的信号。数字信号的取值是离散的。

为了把信号不失真地传送到目的地，传输电缆就需要把信号中所有的谐波不失真地传送过去。遗憾的是传输电缆只能传输一定频率的信号，太高频率的谐波将会被急剧衰减而丢失。例如普通电话线电缆的带宽是2MHz，它能轻松地传输语音电信号。但是对于数字信号(几十MHz)，电话电缆就无法传输了。因此如果用电话电缆传输数字信号，就必须把它调制成模拟信号才能传输。而普通双绞线电缆的带宽高达100MHz，所以可以直接传输数字信号。电缆对过高频率的谐波衰减得厉害的原因是电缆自身形成的电感和电容作用，而谐波的频率越高，电缆自身形成的电感和电容对其产生的阻抗就越大。结论是，不同电缆具有不同的传输带宽。一个信号能不能不失真地使用某种类型的电缆，取决于电缆的带宽是否大于信号的带宽。使用数字信号传输的优势是抗干扰能力强，传输设备简单。缺点是需要传输电缆具有较高的带宽。使用模拟信号传输对传输介质的要求较低，但是抗干扰能力弱。容易混淆的是，不管英语还是汉语，“带宽Bandwidth”这个术语既被拿来描述网络电缆的频率特性，又被用于描述网络的通信速度。更容易混淆的是都用K、M来表示其单位。描述网络电缆的频率特性时，我们用KHz、MHz，简称K、M; 描述网络的通信速度时，我们用kbps、Mb-ps，仍然简称K、M。因此必须加以重视和区分。

1. 非屏蔽双绞线

非屏蔽双绞线是最常用的网络连接传输介质。非屏蔽双绞线有4对绝缘塑料包皮的铜线。8根铜线每两根互相绞扭在一起，形成线对。线缆绞扭在一起的目的是相互抵消彼此之间的电磁干扰。扭绞的密度沿着电缆循环变化，可以有效地消除线对之间的串扰。每米扭绞的次数需要精确地遵循规范设计，也就是说双绞线的生产加工需要非常精密。

因为非屏蔽双绞线的英文名字是Unshielded twisted－pair cable，所以我们互相都简称非屏蔽双绞线为UTP电缆。

UTP电缆的4对线中，有2对作为数据通信线，另外2对作为语音通信线。因此，在电话和计算机网络的综合布线中，一根UTP电缆可以同时提供一条计算机网络线路和两条电话通信线路。

UTP电缆有许多优点。UTP电缆直径细，容易弯曲，因此易于布放。价格便宜也是UTP电缆的重要优点之一。UTP电缆的缺点是其对电磁辐射采用简单扭绞，靠互相抵消的处理方式。因此，在抗电磁辐射方面，UTP电缆相对同轴电缆 (电视电缆和早期的50Ω网络电缆)处于下风。

曾经一度认为UTP电缆还有一个缺点就是数据传输的速度上不去。但是现在不是这样的。事实上，UTP电缆现在可以传输高达1000Mbps的数据，是铜缆中传输速度最快的通信介质。

2. 屏蔽双绞线

屏蔽双绞线Shielded twisted-pair cable (STP) 结合了屏蔽、电磁抵消和线对扭绞的技术。同轴电缆和UTP电缆的优点，STP电缆都具备。在以太网中，STP可以完全消除线对之间的电磁串扰。最外层的屏蔽层可以屏蔽来自电缆外的电磁EMI干扰和无线电RFI干扰。STP电缆的缺点主要有两点，一个是价格贵，另外一个就是安装复杂。安装复杂是因为STP电缆的屏蔽层接地问题。电缆线对的屏蔽层和外屏蔽层都要在连接器处与连接器的屏蔽金属外壳可靠连接。交换设备、配线架也都需要良好接地。因此，STP电缆不仅是材料本身成本高，而且安装的成本也相应增加。

有一种STP电缆的变形，叫ScTP。ScTP电缆把STP中各个线对上的屏蔽层取消，只留下最外层的屏蔽层，以降低线材的成本和安装复杂程度。ScTP中线对之间串绕的克服与UTP电缆一样由线对的扭绞抵消来实现。ScTP电缆的安装相对STP电缆要简单多了，这是因为免除了线对屏蔽层的接地工作。

屏蔽双绞线抗电磁辐射的能力很强，适合于在工业环境和其他有严重电磁辐射干扰或无线电辐射干扰的场合布放。另外，屏蔽双绞线的外屏蔽层有效地屏蔽了线缆本身对外界的辐射。在军事、情报、使馆，以及审计署、财政部这样的政府部门，都可以使用屏蔽双绞线来有效地防止外界对线路数据的电磁侦听。对于线路周围有敏感仪器的场合，屏蔽双绞线可以避免对它们的干扰。

然而，屏蔽双绞线的端接需要可靠地接地。不然，反而会引入更严重的噪声。这是因为屏蔽双绞线的屏蔽层此时就会像天线一样去感应周围所有的电磁信号。

二、光纤传输介质

1. 光纤介质概述

光纤是高速、远距离数据传输的最重要的传输介质。多用于局域网的骨干线段、局域网的远程互联。在UTP电缆传输千兆位的高速数据还不成熟的时候，实际网络设计中工程师在千兆位的高速网段上完全依赖光缆。即使现在已经有可靠的用UTP电缆传输千兆位高速数据的技术，但是，由于UTP电缆的距离限制 (100米)，所以骨干网仍然要使用光缆 (局域网上多用的多模光纤的标准传输距离是2千米)。

光缆完全没有对外的电磁辐射，也不受任何外界电磁辐射的干扰。所以在周围电磁辐射严重的环境下 (如工业环境中)，以及需要防止数据被非接触侦听的需求下，光纤是一种可靠的传输介质。在使用光缆数据传输时，在发送端用光电转换器将电信号转换为光信号，并发射到光缆的光导纤维中传输。在接收端，光接收器再将光信号还原成电信号。

光缆由光纤、塑料包层、卡夫勒抗拉材料和外护套构成。光纤用来传递光脉冲。有光脉冲相当于数据1，没有光脉冲相当于数据0。光脉冲使用可见光的频率，约为108MHz的量级。因此，一个光纤通信系统的带宽远远大于其他传输介质的带宽。塑料包层用作光纤的缓冲材料，用来保护光纤。有两种塑料包层的设计: 松包裹和紧包裹。大多数在局域网中使用的多模光纤使用紧包裹，这时的缓冲材料直接包裹到光纤上。松包裹用于室外光缆，在它的光纤上增加涂抹垫层后再包裹缓冲材料。卡夫勒抗拉材料用以在布放光缆的施工中避免因拉拽光缆而损坏内部的光线。外护套使用PVC材料或橡胶材料。室内光缆多使用PVC材料，室外光缆则多使用含金属丝的黑橡胶材料。

2. 光纤数据传输的原理

光纤由纤芯和硅石覆层构成。纤芯是氧化硅和其他元素组成的石英玻璃，用来传输光射线。硅石覆层的主要成分也是氧化硅，但是其折射率要小于纤芯。光纤传输是根据光学的全反射定律。当光线从折射率高的纤芯射向折射率低的覆层的时候，其折射角大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到覆层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复下去，光也就沿着光纤传输下去了。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，光可以在光纤中传输数公里而基本上没有什么损耗。我们甚至在布线施工中，在几十楼层远的地方用手电筒的光用肉眼来测试光纤的布放情况，或分辨光纤的线序 (注意，切不可在光发射器工作的时候用这样的方法。激光光源的发射器会损坏眼睛)。由全反射原理可以知道，光发射器的光源的光必须在某个角度范围才能在纤芯中产生全反射。纤芯越粗，这个角度范围就越大。当纤芯的直径减小到只有一个光的波长，则光的入射角度就只有一个，而不是一个范围。

可以存在多条不同的入射角度的光纤，不同入射角度的光线会沿着不同折射线路传输。这些折射线路被称为“模”。如果光纤的直径足够大，以至有多个入射角形成多条折射线路，这种光纤就是多模光纤。单模光纤的直径非常小，只有一个光的波长。因此单模光纤只有一个入射角度，光纤中只有一条光线路。

3. 光纤的种类

在光纤通信中，常用的三个波长是850纳米、1310纳米和1550纳米。这些波长都跨红色可见光和红外光。对于后两种频率的光，在光纤中的衰减比较小。850纳米的波段的衰减比较大，但在此波段的光波其他特性比较好，因此也被广泛使用。

单模光纤使用1310纳米和1550纳米的激光光源，在长距离的远程连接局域网中使用。多模光纤使用850纳米、1300纳米的发光二极管LED光源，被广泛地使用在局域网中。

三、无线传输介质

由于无线传输无须布放线缆，其灵活性使得其在计算机网络通信中的应用越来越多。而且，可以预见，在未来的局域网传输介质中，无线传输将逐渐成为主角。本节主要介绍无线传输使用的频段和由微波组成的无线局域网。

1. 无线传输使用的频段

UTP电缆、STP电缆和光缆都是有线传输介质。由于无线传输无需布放线缆，其灵活性使得其在计算机网络通信中的应用越来越多。

无线数据传输使用无线电波和微波，可选择的频段很广。目前在计算机网络通信中占主导地位的是2.4G的微波。

无线电波的频率划分和主要用途如表4－1所示:

表4－1 无线电波的频率划分和主要用途

2. 由微波组成的无线局域网

由微波组成的无线局域网被称为WLAN。构成WLAN需要的设备少到可以只有两种，无线网卡和无线集线器。搭建WLAN要比搭建有线网络要简单得多。只需要把无线网卡插入到台式电脑或笔记本电脑，把无线Hub通上电，网络就搭建完成了。

无线Hub在一个区域内为无线节点提供连接和数据报转发，其覆盖的范围大小取决于天线的尺寸和增益的大小。通常的无线Hub的覆盖范围是91.44米到152.4米 (300～500英尺)。为了覆盖更大的范围，就需要多个无线Hub。可以看到，各个无线Hub的覆盖区域需要有一定的重叠，这一点上很像手机通信的基站之间的重叠。覆盖区域重叠的目的是允许设备在WLAN中移动。虽然没有明确规范规定重叠的深度，但是一般的工程师都在考虑无线Hub的位置时，设置为20%～30%。这样的设置，使得WLAN中的笔记本电脑可以漫游，而不至于出现通信中断。

当一台主机希望使用WLAN的时候，它首先需要扫描侦听可以连接的无线Hub。寻找可以连接的无线Hub的方法是向空中发出一个请求包，带有一个服务组标识SSID (注: 网络中标识这个术语指的就是编号)。每个WLAN都会给自己设置一个服务组标识，并配置到这个网内的主机和无线Hub上。因此，当具有相同SSID的无线Hub收到一个请求包的时候，它就会向回发送一个应答包。经过身份验证后，连接就建立完成了。

WLAN的传输速度随主机与之的距离而变化。距离越远，通信的信号越弱，因此就需要放慢通信速度来克服噪声。WLAN这种自适应传输速度调整ARS与ADSL技术很相似。目前流行的WLAN速度平均为10Mbps。