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传输介质
2026 大纲 二（二）1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质、二（二）2 物理层接口的特性。以太网线缆命名（10BASE-T 等）的完整规则在《以太网》，802.11 的频段使用在《无线局域网》。
一、前面一直在用信道，可信道是什么做的
到这里为止，"信道"一直是个抽象的东西：有带宽、有噪声、有衰减。但这些参数不是凭空设定的——它们来自一根具体的铜线、一根具体的光纤、一段具体的自由空间。奈氏准则里的
这一节就是回头去看这些材料，而它的组织线索只有一句：每种介质的优缺点，都能从"它靠什么机理抵抗干扰"推出来。
先划一条最容易被忽略的界线：传输介质本身不属于物理层，有人称它"第 0 层"。介质只承载信号，它分辨不出高电平代表 1 还是 0；赋予信号语义的是物理层的四特性。这条界线有个很实在的后果：同一根双绞线既能跑以太网也能跑模拟话音，换协议不用换线。
介质分两大类：导引型（guided，电磁波被导引沿固体介质传播——双绞线、同轴电缆、光纤）与非导引型（unguided，在自由空间传播——无线电波、微波、红外线、激光）。
二、双绞线：绞的是什么，绞得越密越好吗
一对导线上的电流大小相等、方向相反，产生的磁场本应互相抵消；但两根线平行走时一根离干扰源更近，抵消并不彻底。绞起来之后，两根线交替占据"离干扰源近"和"离干扰源远"的位置，每绞一圈感应出来的干扰就反一次相，一圈圈累加下来正好互相抵消；反过来也减少了本对导线向外辐射的能量，从而减小对别的线对的串扰。
所以绞合度直接决定可用数据率：3 类线的绞合长度是 7.5 ~ 10 cm，5 类线只有 0.6 ~ 0.85 cm。抗干扰这一项上确实绞得越密越好，但绞得密意味着同样长度要用更多铜、工艺更复杂、成本更高，所以现实中按需求分档。
| 类别 | 带宽 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 3 类 | 16 MHz | 2 对 4 芯 | 模拟电话；传统以太网 10 Mb/s |
| 5 类 | 100 MHz | 绞合度高于 3 类 | 100 Mb/s（距离 100 m） |
| 5E（超 5 类） | 125 MHz | 衰减更小 | 1 Gb/s（距离 100 m） |
| 6 类 | 250 MHz | 改善串扰性能 | 10 Gb/s（距离 35 ~ 55 m） |
| 6A 类 | 500 MHz | 进一步改善串扰 | 10 Gb/s（距离 100 m） |
| 7 类 | 600 MHz | 必须使用屏蔽双绞线 | 超过 10 Gb/s（距离 100 m） |
| 8 类 | 2000 MHz | 必须使用屏蔽双绞线 | 25 / 40 Gb/s（距离 30 m） |
具体数字不必逐行记，表里读出的两条规律更有用：带宽越高可用距离越短（衰减随频率升高而增大）；7 类以上强制屏蔽（此时线对间的串扰已超出绞合能压住的范围）。局域网中双绞线的以太网接口是 RJ-45。
UTP 与 STP：UTP 非屏蔽，便宜通用；STP 加金属屏蔽层、抗干扰强，但所有屏蔽双绞线都必须接地（屏蔽层不接地就成了天线，反而更糟）。命名规则 x/yTP：斜杠前是整条电缆的屏蔽方式，斜杠后是每对线单独的屏蔽方式。
算衰减预算时有一条前提要先立住：dB 是对数量纲，功率相乘对应 dB 相加，所以各段衰减可以直接累加，"总衰减 = 单位衰减 × 长度"，反解即得可用距离。由此就能看出铜缆的极限：优质光纤能做到 0.2 dB/km，铜缆做不到——那需要极粗的导线，重量与价格都不可接受。"长距离必须用光纤"不是偏好，是被衰减预算逼出来的。
三、同轴电缆：机理与双绞线完全不同
同轴电缆是四层结构：内导体铜芯 → 绝缘层 → 网状编织外导体屏蔽层 → 绝缘护套。50 Ω 基带用于数字信号与早期局域网，75 Ω 宽带用于模拟信号与有线电视。
它与双绞线的差别不在性能而在机理：同轴靠屏蔽、双绞靠对称。同轴是外导体把内导体整个罩住，干扰进不来，这是结构本身带来的、天然的；双绞线是两根线交替换位使干扰互相抵消，要靠绞合工艺保证。所以同轴电缆的抗干扰性能好而成本高、施工不便，双绞线便宜灵活但必须把绞距做准。
四、光纤：光凭什么被关在纤芯里
图源：谢希仁《计算机网络》（第 8 版） 图 2-9，p51
链条三步：光从高折射率介质射向低折射率介质时折射角大于入射角 → 入射角增大到临界角时折射角达 90°，再大就折射不出去 → 光碰到包层被全部反射回纤芯，如此反复向前传播。
光纤的约定是有光脉冲相当于 1，没有相当于 0。可见光频率极高（约
| 对比项 | 多模光纤 | 单模光纤 |
|---|---|---|
| 纤芯直径 | 较粗（数十 ~ 100 | 极细（几个 |
| 传播方式 | 多条不同角度的光线同时全反射前进 | 仅一种模式，光沿直线前进，几乎无反射 |
| 有无模间色散 | 有，脉冲展宽随距离加剧 | 无 |
| 光源 / 衰减 | 发光二极管 LED，成本低；衰减较大 | 半导体激光器，定向性好、成本高；衰减较小 |
| 适用距离 | 短距离（几百米到几千米） | 长距离（100 Gb/s 下可传 100 km 而不必用中继器） |
单模与多模的分野是"几种模式"，不是"粗细"。 多模允许多条角度不同的光线并存 ⇒ 各条路径长短不一 ⇒ 模间色散、脉冲展宽 ⇒ 只适合近距离；单模纤芯细到接近光波波长、只剩一种模式、没有模间色散 ⇒ 可传很远。粗细只是造成这个差别的手段，不是原因——这个区别在选项里经常被写反。
光纤四大优点里只有"传输损耗小、中继距离长"来自频率与材料，其余三条——抗雷电与电磁干扰、无串音不易被窃听、体积小重量轻——全是"传的是光不是电"的直接推论。
五、无线：全向与视距，以及卫星的固定开销
无线介质按频率从低到高排开，频率越高方向性越强、越接近直线传播、越容易被障碍物挡住。
🔴 只有无线电波是全向传播的，接收端无须对准发射源，所以手机能揣兜里、无线局域网能随意移动；微波、红外线与激光都是视距传播，收发必须互相看得见，地面上隔一段就得建中继站接力。红外与激光连墙都穿不过——这既是缺点（覆盖受限）也是优点（天然的空间隔离）。
微波接力：微波频段高、范围宽，信道容量很大（长途电话多用 4 ~ 6 GHz），远距离必须建若干中继站逐站放大转发。收益是容量大、干扰的频谱成分低因而传输质量较高、比同容量的电缆载波投资少见效快且易跨越山区江河；代价是相邻站必须视距、多径传播造成失真、受恶劣气候影响、保密性较差、中继站维护耗费人力。
卫星通信是以约 36000 km 高空同步卫星作中继的微波接力。赤道上空等距放 3 颗相隔 120° 即可基本覆盖全球；卫星寿命一般 10 ~ 15 年，保密性较差。它最有特点的是那笔固定开销：
关键是那个"乘 2"——信号要上行 36000 km 再下行 36000 km。算出的 240 ms 与教材经验值 250 ~ 300 ms（一般取 270 ms）吻合，差出来的几十毫秒来自地球站天线仰角不是 90°（实际斜距大于 36000 km）以及卫星上的处理时延。对照地面微波：两地相距 100 km 时
为什么时延与两地距离无关：地面上那 100 km 相比 72000 km 的上下行路程可以忽略——两地相隔 1 km 还是 10000 km，信号都要先爬 36000 km 上天再落 36000 km 下来。这段固定开销把地面距离带来的差别整个淹没掉了。"通信费用与通信距离无关"是同一个原因。
240 ms 单程意味着一次"请求—应答"要等将近半秒，所以卫星链路不适合交互式应用，却非常适合广播分发——覆盖面广，且单向传输不受往返时延影响。
⚠️ 传播时延大不等于总时延大。 总时延还包括发送时延、处理时延与排队时延，见性能指标。教材专门提醒过这一条。
ISM 免许可频段：使用无线电频谱通常要许可证，但 ISM（工业、科学与医药）频段只要不干扰他人即可自由使用。无线局域网用的 2.4 GHz 与 5.8 GHz 就在其中——这是 Wi-Fi 能普及的制度前提。
六、接口四特性：电气与功能怎么分
介质本身不属于物理层，那属于物理层的是什么？是接口的四种特性：
- 机械特性：接线器的形状尺寸、引脚数目排列、固定锁定装置。
- 电气特性：各条线上出现的电压范围。
- 功能特性：某条线上某一电平的意义。
- 过程特性（规程特性）：各种可能事件的出现顺序。
物理层协议也常称为物理层规程（procedure）——规程就是协议，所以"过程特性"也叫"规程特性"，两个名字指同一件事。
四特性里电气与功能最容易混，因为它们经常出现在同一句话里。拿一句典型描述来拆：
"信号电平用 +10 V ~ +15 V 表示 0，−10 V ~ −15 V 表示 1，电缆长度限于 15 m 以内。"
| 这一段 | 属于哪个特性 | 为什么 |
|---|---|---|
| "+10 V ~ +15 V"、"−10 V ~ −15 V" | 电气特性 | 在规定电压范围 |
| "电缆长度限于 15 m 以内" | 电气特性 | 在规定距离限制（也是量） |
| "表示 0"、"表示 1" | 功能特性 | 在赋予电平含义 |
判据一句话：电气关注"多少伏、多远"（量），功能关注"这个电平是什么意思"（义）。整句话的重心在哪，答案就在哪。 机械与电气的分界则是"看得见的形状尺寸"与"看不见的电参数"。
顺带清掉一个名字造成的误解：物理地址（MAC）不属于物理层。名字带"物理"，实际是数据链路层的概念——物理层连"帧"都不认识，更不可能知道帧里有个地址字段。凡涉及寻址、帧、转发的都已经到链路层了。
本节小结
- 介质本身不属于物理层——它只承载信号，赋予信号含义的是四特性（机械/电气/功能/过程）。电气与功能的判据是"量"与"义"，机械与电气是"看得见的形状尺寸"与"看不见的电参数"；MAC 地址也不属于物理层。
- 三种导引型介质的抗干扰机理各不相同：双绞线靠交替换位使干扰逐圈反相抵消，同轴靠外导体屏蔽层整个罩住内导体，光纤干脆传的是光。光纤的分野在"几种传播模式"——多模有模间色散只适合近距离，单模无模间色散可传很远。
- 无线里只有无线电波全向传播，微波、红外、激光都要视距。卫星的上下行各 36000 km 是固定开销，故费用与时延都与两地距离无关（单程常取 270 ms），但传播时延大不等于总时延大。
考点速记
本节在真题里被考过的形式有两类，一类的题渲染在这里，另一类渲染在别处。
① 由以太网标准名反推介质（cn-2019-34）。问 100BaseT 用的是哪种导向传输介质，答双绞线。这道题不需要记忆——以太网命名规则本身就给出了答案：数字是速率（100 = 100 Mb/s），BASE 表示基带传输，后缀字母表示介质（T = Twisted pair 双绞线，F = Fiber 光纤，5/2 是早期粗缆/细缆的百米段数）。题面还特意写了"导向"两个字，等于把无线选项先排除掉了。完整的命名规则在以太网。
② 物理层接口四特性的判定（cn-2012-34）。问"描述完成每种功能的事件发生顺序"的是哪一项，答过程特性（也叫规程特性）。这道题渲染在通信基础的练习区（它挂的 topic 是通信基础），但四特性的完整对照在本节第六部分——做题时回到这里，判据是"量 / 义 / 形状 / 顺序"四选一。
介质本身的其余内容——双绞线分类、光纤单模多模、卫星 270 ms、ISM 频段——在真题里不单独成题，但它们是别处几类题的前提：以太网的距离限制来自衰减、无线局域网的频段选择来自 ISM、停止-等待协议的卫星链路算例直接用 270 ms 这个数。
易错："导向 / 非导向"是第一道筛子。 题面出现"导向传输介质"就把无线电波、微波、红外、激光全部排除；出现"非导向"则反过来。
易错：单模与多模的分野是"几种传播模式"不是"纤芯粗细"。 粗细是手段，模间色散才是后果。选项若说"单模因为纤芯细所以衰减小"，因果搭错了。
易错：只有无线电波是全向传播的。 微波、红外、激光都是视距传播，收发必须互相看得见。
易错：卫星的传播时延与两地距离无关（上下行 72000 km 的固定开销把地面距离淹没了），但传播时延大不等于总时延大。这两句都常被单独拎出来当选项。
易错：MAC 地址不属于物理层，尽管它叫"物理地址"。物理层不认识帧。
教材出处
- 谢希仁《计算机网络》（第 8 版）p42（第 2 章章首导读）：明确划出本篇那条边界——"本章首先讨论物理层的基本概念。然后介绍有关数据通信的重要概念，以及各种传输媒体的主要特点，但传输媒体本身并不属于物理层的范围"。
- 同书 p42（2.1 物理层的基本概念）：给出四特性的原始定义——"(1) 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。(2) 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。(3) 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。(4) 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序"；同页说明"物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体"，以及"用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。其实物理层规程就是物理层协议"。
- 同书 p48（2.3 物理层下面的传输媒体）：给出导引型与非导引型的划分——"在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播；而非导引型传输媒体就是指自由空间"；同页给出双绞线的定义与绞合目的——"把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰"，以及"距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）"。
- 同书 p49（表 2-1 及正文）：给出屏蔽双绞线的
x/yTP命名规则与"所有的屏蔽双绞线都必须有接地线"，以及绞合度的对比数据——"3 类线的绞合长度是 7.5~10 cm，而 5 类线的绞合长度则是 0.6~0.85 cm。绞合度越高的双绞线能够用越高的数据率传送数据"；表 2-1 给出 3 / 5 / 5E / 6 / 6A 各类的带宽与典型应用，本篇的类别表即据此（7 类、8 类见 p50 续表）。 - 同书 p50：给出同轴电缆的四层结构与"由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性"，以及光纤通信的基本约定"有光脉冲相当于 1，而没有光脉冲相当于 0。由于可见光的频率非常高……因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽"；同页给出全反射的成立条件——"当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯"。
- 同书 p51（图 2-9、图 2-10 及正文）：本篇所引的全反射图即图 2-9；正文给出多模／单模的分野——"只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤"，并给出单模光纤"在 100 Gbit/s 的高速率下可传输 100 公里而不必采用中继器"；同页给出三个常用波段"中心分别位于 850 nm, 1300 nm 和 1550 nm"。
- 同书 p54（2.3.2 非导引型传输媒体）：给出微波接力的定义与优缺点清单——"相邻站之间必须能视距（常称为视距 LOS），不能有障碍物"、"与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河"、"微波通信的隐蔽性和保密性较差"；并给出卫星通信"是在地球站之间利用位于约 3 万 6 千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信"。
- 同书 p55：给出卫星时延的两个关键数字——"从一个地球站经卫星到另一地球站的传播时延均在 250~300 ms 之间。一般可取为 270 ms。这和其他的通信有较大差别（请注意：这和两个地球站之间的距离没有什么关系）。对比之下，地面微波接力通信链路的传播时延一般取为 3.3 µs/km"；并特别提醒"'卫星信道的传播时延较大'并不等于'用卫星信道传送数据的时延较大'。这是因为传送数据的总时延除了传播时延，还有发送时延、处理时延和排队时延等部分"。同页给出 ISM 频段的说明"有一些无线电频段是可以自由使用的（只要不干扰他人在这个频段中的通信），这正好满足计算机无线局域网的需求……现在的无线局域网就使用其中的 2.4 GHz 和 5.8 GHz 频段"。
- 同书 p56：给出红外与激光的定位——"红外通信、激光通信也使用非导引型媒体，可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据"。
相关知识
通信基础（信道/信号/调制）｜物理层设备｜信道复用技术｜以太网与 IEEE 802.3｜无线局域网