4.1　有线传输介质

学习任务

（1）掌握双绞线的特性及应用。

（2）了解同轴电缆的特性及应用。

（3）掌握光纤的传输特性及应用。

网络传输介质是网络中传输数据、连接各网络节点的实体，是网络传输数据的载体和物理基础，它位于OSI模型的物理层。在传输介质选型中，重点考虑以下特性。

（1）物理特性：即对传输介质物理结构的描述，包括传输介质的物质构成、几何尺寸、机械特性和物理性质等。

（2）传输特性：即传输介质传送的是数字信号还是模拟信号，包括传输距离（在失真允许范围内所能达到的最大距离）、传输速率、信道容量、衰减特性和适用范围等。例如，双绞线的最大传输距离一般是100m。

（3）抗干扰性：干扰性是指在介质内传输信号时对外界产生的影响。抗干扰性是指在介质内传输信号时对外界噪声干扰的承受能力。它可以防止外界噪声或电磁干扰对传输性能的影响，良好的传输介质应具有较高的抗干扰能力。

网络传输介质的特性决定了传输数据的质量，可分为两大类，分别是导向传输介质和非导向传输介质，也称为有线传输介质和无线传输介质。在导向传输介质中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，如双绞线、同轴电缆、光纤。而非导向传输介质则不能将信号约束在某个空间范围之内，一般指在自由空间通过电磁波进行无线传输，如无线电波、微波、红外线。下面将详细介绍一些常用的传输介质的特性及应用。

4.1.1　双绞线

知识点

（1）双绞线。

（2）UTP和STP。

（3）568A和568B。

（4）交叉线和直通线。

双绞线是局域网中最基础、最常用的传输介质。双绞线由具有绝缘保护层的4对8芯双绞线组成，每两条相互绝缘的导线按照一定的规格缠绕在一起，称为一个线对。两根绝缘隔离的铜导线按一定密度相互绞合在一起，可降低信号干扰，每根导线在传输中外溢辐射的电波不会影响其他平行线上传输的电波。不同类别的双绞线对具有不同的扭绞长度，能够较好地降低信号的干扰辐射。双绞线的结构如图4-1所示。

实例

通常，在双绞线的外护套上，大约每隔两英尺就可以看到类似“AMP NETCONNECT　CATEGORY 5e CABLE E 130341300 24AWG CM（UL）VERFIED TO CATEGORY 5e 0000300FT”的标注，含义如下。

（1）AMP NETCONNECT CATEGORY 5e CABLE E：说明这是AMP公司生产的CAT 5e（超5类）双绞线。

（2）130341300：表示产品的编号。

（3）24AWG：“AWG”是指该双绞线横截面直径、单位长度导线的质量、单位长度导线的直流电阻等参数符合24AWG规定的值。AWG的值越小，代表导线的直径越大。

（4）CM（UL）：说明该双绞线符合UL（美国保险商实验室）及NEC认证标准，其中CM表示的是NEC（美国国家电气规范）耐火等级。

（5）VERFIED TO CATEGORY 5e：表示该双绞线符合CAT 5e的要求。

（6）0000300FT：为双绞线长度标记，指出纸箱中或卷轴上还剩300英尺的双绞线，可以帮助施工技术人员确定包装中剩余双绞线的长度（国内以m为单位进行标注）。

双绞线作为一种价格低廉、性能优良的传输介质，在综合布线系统中被广泛应用于水平分布房间之间的布线。双绞线可提供高达10Gbit/s的传输带宽，不仅可用于数据传输，还可以用于语音和多媒体传输。

（1）双绞线的类型

双绞线可以分为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded　Twisted Pair，STP）。为增强双绞线的抗干扰能力，通常在双绞线外部加上一层金属箔（或金属丝网）作为屏蔽层，这种双绞线称为屏蔽双绞线。这些屏蔽层有助于去除环境干扰，将干扰信号导入地下并消除。没有屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线，如图4-2所示。

非屏蔽双绞线最初是为模拟语音通信设计的，现在同样可以传输数字信号，特别适合较短距离的信息传输。

屏蔽双绞线传输速率高，安全性好，抗干扰能力强，价格较高，安装难度较大（必须有支持屏蔽的特殊连接器和相应的连接技术）。在实际应用中，通常以非屏蔽双绞线为主，其主要优点是重量轻、成本低、易弯曲，且安装方便、具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。

（2）双绞线的型号

美国电子工业协会和美国电信（EIA/TIA）为双绞线电缆定义了以下7种不同的规格型号。

① 1类（CAT 1）：主要用于传输语音（如有线电话通信），不适合传输数据。

② 2类（CAT 2）：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率为4Mbit/s的数据传输。

③ 3类（CAT 3）：传输频率为16MHz，适用于语音和最高传输速率为10Mbit/s的数据传输，曾用于传统的以太网。

④ 4类（CAT 4）：传输频率为20MHz，适用于语音和最高传输速率为16Mbit/s的数据传输，曾用于传统的以太网。

⑤ 5类（CAT 5）和超5类（CAT 5e）：这两类非屏蔽双绞线是最常见的以太网电缆。该类电缆增加了绕线密度，传输速率为100Mbit/s，适用于语音和最高传输速率为100Mbit/s的数据传输，主要用于10/100Base-T网络。超5类电缆的最高传输速率可达1Gbit/s。

⑥ 6类（CAT 6）：是2003年2月提出的规范，适用于最高传输速率为1Gbit/s的以太网。

⑦ 7类（CAT 7）：带宽为600MHz，使用屏蔽双绞线，最高传输速率为10Gbit/s。

（3）UTP接头及制作标准

UTP电缆通常使用ISO 8877指定的RJ-45接头进行连接。RJ-45接头是插头型组件（俗称水晶头），RJ-45插孔是插座型组件（俗称网口）。RJ-45插孔及接头的外观如图4-3所示。RJ-45接头和插孔里面都使用铜介质和线缆相接，以保证良好的导通性。网络中RJ-45接口最为常用，一般计算机、集线器、交换机、路由器都提供这种接口。

双绞线通常由橙、橙白、蓝、蓝白、绿、绿白、棕、棕白8种颜色的4对线构成。EIA/TIA规定了两种接线标准，分别为EIA/TIA 568A和EIA/TIA 568B，如图4-4所示。

提示

在普通以太网的应用标准中，4对线缆中只有两对用于发送和接收数据，分别为绿白和绿、橙白和橙，即编号为1和2，3和6 的导线。

其中，线序号为1和2的必须是一对，用于发送数据；线序号为3和6的必须是一对，用于接收数据。

（4）直通线和交叉线

根据双绞线两端使用的RJ-45线序标准，双绞线线缆可以分为直通线和交叉线两种。

1）直通线

直通线两端都遵循相同的接线标准，即都为568A标准或都为568B标准。一般情况下，两端都遵循T568B标准。直通线的适用场合如下。

（1）计算机（终端）—交换机（或集线器）。

（2）路由器—交换机。

2）交叉线

交叉线的一端遵循568A标准，另一端遵循568B标准，即遵循“1—3，2—6”的交叉原则。交叉线的适用场合如下。

（1）计算机—路由器。

（2）计算机—计算机。

（3）路由器—路由器。

（4）交换机（或集线器）—交换机（或集线器）。

提示

在实践中，一般可以这样理解，同类型设备之间使用交叉线连接，不同类型设备之间使用直通线连接。同类型设备一般指可以设定IP地址的设备，如路由器、计算机为同类设备；将不可配置IP地址的设备，如交换机、集线器划归另一类同类设备。交叉线和直通线的适用场合如图4-5所示。但在实际应用中，要以网络设备说明书为准。

（5）双绞线的特点

1）结构简单，易安装，普通非屏蔽双绞线价格低廉。

2）信号衰减较大，传输距离有限，是局域网常用的传输介质，最大传输距离一般为100m。

3）抗高频干扰能力较低，容易被窃听。

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动手拔下身边网络的RJ-45接头，仔细观察双绞线，了解其制作规范，如它采用的接线标准是568A还是568B？使用的是交叉线还是直通线？从双绞线的护套上识别双绞线的型号，并分享给大家。

4.1.2　同轴电缆

知识点

（1）同轴电缆。

（2）粗缆、细缆、50欧姆同轴电缆、75欧姆同轴电缆。

（1）同轴电缆的结构

同轴电缆是早期局域网使用的传输介质，由绕同一轴线的两个导体组成，即内导体（铜芯）和外导体（屏蔽层），其中外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射。两个导体之间用绝缘材料隔离，基本结构如图4-6所示。中央的铜芯是铜质单股实心线或多股绞合线，用于传输电磁信号，它的粗细直接决定了其衰减程度和传输距离。最外层由陶制品或塑料制品制成的绝缘材料层包裹，通常由柔韧的防火塑料制品制成。

在信号被放大之前，同轴电缆的传输距离通常比双绞线的传输距离更远。但同轴电缆的制造成本要比双绞线高，而且当频率超过10kHz时其信号衰减剧增，因此在现代局域网中，同轴电缆逐渐被双绞线取代。

（2）同轴电缆的分类

同轴电缆的规格种类很多，中心导线使用的不同材料的特性，影响了其阻干扰能力、吞吐量及典型用途。按其阻抗特性进行分类，同轴电缆可分为50欧姆同轴电缆和75欧姆同轴电缆两种。

1）50欧姆同轴电缆

50欧姆同轴电缆用于基带信号传输，能够以10Mbit/s的速率传输基带数字信号。总线型以太网可以使用50欧姆同轴电缆。

根据直径的不同又将50欧姆同轴电缆分为粗缆与细缆，粗缆通常为黄色外护套，直径为1.47cm（含外护套），抗干扰能力强，传输距离长，不使用任何中继设备时能够传输500m，但成本高，适用于大型局域网干线，连接时两端需安装终端器，如图4-7（a）所示。细缆通常为黑色外护套，直径为0.7cm，价格相对便宜，但传输距离近，不使用任何中继设备时能够传输185m，使用T型连接器，与BNC接头相连，两端安装50欧姆终端器。同轴电缆连接器件如图4-7（b）、（c）、（d）所示。

提示

在以太网标准中，细缆标准为10Base2，粗缆标准为10Base5，二者都为总线型结构。

2）75欧姆同轴电缆

75欧姆同轴电缆用于模拟信号传输，在传输过程中使用了频分多路复用技术，常用于CATV（有线电视）有线电视网，又称CATV电缆。传输带宽可达1Gbit/s，又称宽带同轴电缆，目前常用的CATV带宽为750Mbit/s。

（3）同轴电缆的特点

①75欧姆同轴电缆的频带较宽，传输速率较高。

②损耗较低，传输距离较远（200～500m）。

③辐射低，保密性好，抗干扰能力强。

尽管同轴电缆的优点很多，但是由于受到了双绞线和光纤的强大冲击，同轴电缆已经逐步退出局域网领域。

课堂同步

请观察CATV网，查看同轴电缆的结构和连接方式。

4.1.3　光纤

知识点

（1）光纤和光缆。

（2）单模光纤和多模光纤。

（3）光纤接头：ST接头、SC接头、LC接头、FC接头。

光纤是光导纤维（Optical Fiber）的简称，单根光纤是由能够传导光信号的超细石英玻璃纤维（纤芯）外加保护层构成的。纤芯是光纤传输的通道，所有的光信号都通过纤芯传送，有光信号相当于“1”，没有光信号相当于“0”。由于光纤损耗低、传输速率高，且抗干扰能力强，具有良好的保密性能，适合远距离传输，被广泛用于局域网骨干通道和广域网远距离传输。光纤布线主要用于企业网络、FTTH（Fibre To The Home，光纤到户）、长途网络和水下网络。

（1）光纤传输原理

光纤由一束纤芯组成，外面包了一层折射率较低的反光材料，称为包层。由于包层的作用，在纤芯中传输的光信号几乎不会从包层中折射出去。当光脉冲进入光纤的纤芯后，可以减少光通过光缆时的损耗，并且在纤芯边缘产生全反射，促使光脉冲前进。包层就像一面镜子，将纤芯中的光信号反射回中心，不断地重复这个过程，光信号就会沿着光纤传送到远端，如图4-8所示。光纤中传输数据的光脉冲是由激光发生器或发光二极管（LED）产生的。

（2）光缆

多条光纤组成一束就构成了光缆。单根光纤不能直接在工程中使用，必须把若干根光纤疏松地放在特殊的塑料或铝皮内，加上一些缓冲材料和保护外套后做成光缆，一根光缆中有少则一根，多则几百根光纤，再加上加强芯和填充物（纤膏）就可以大大提高其机械强度，最后加上内保护层、阻水层和外保护套既可增加其抗拉强度，又可以满足工程施工的要求。光缆实物及剖面如图4-9所示。

提示

光纤之间的连接，需要专业人员使用光纤熔接机进行熔接。

（3）光纤分类

根据使用的光源和光波的传输模式不同，可将光纤分为多模光纤和单模光纤。

1）多模光纤

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。多模光纤的纤芯直径较大，通常使用发光二极管LED作为光源发送光脉冲。相比激光，发光二极管的造价较低，需要注意的安全问题也较少，但是发送的光脉冲在光缆中传输的距离没有激光远，其传输距离最远可达2000m，主要用于局域网中，可以通过长550m的光纤链路提供高达10Gbit/s的速率。多模光纤一般由62.5μm或50μm纤芯再加上125μm的外护套构成，外护套通常是橙色。

2）单模光纤

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，它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。单模光纤的纤芯非常细，常使用昂贵的激光技术来发送单束光。因此，单模光纤承载的光脉冲基本沿着直线传输，大大提高了数据传输的速度和距离，最大传输距离可达3000m。单模光纤的外护套通常是黄色。多模光纤和单模光纤的传输特性对比，如图4-10所示。

提示

在实际应用中，选择多模光纤，还是单模光纤，最主要的决定因素是距离。单模光纤的性能优于多模光纤。

（4）光电信号转换

光纤中传输的是光信号，而计算机处理的是电信号，它们之间是如何转换的呢？需要专用的光纤收发器进行转换。在光纤的发送端有发光二极管或激光发生器，负责将电信号转换为光信号，在接收端有光电耦合管，负责将光信号转换为电信号。其工作原理如图4-11所示。

注意：光纤只能单向传输信号，在数据传输介质中必须成对使用，一根用于发送数据，另一根用于接收数据。光纤一般适用于点到点的连接。

（5）光纤接头

光纤接头安装在光纤末端，接头种类很多，主要区别在尺寸和机械耦合方式，常用的4种接头分别是LC接头、SC接头、FC接头和ST接头，其外观如图4-12所示。

① LC接头：小方口，直接插拔，方便快捷，常用于单模光纤，但也支持多模光纤。

② SC接头：大方口，直接插拔，方便快捷，广泛用于LAN和WAN，使用推拉机制以确保正向插入，同时用于单模光纤和多模光纤。

③ FC接头：圆形螺纹，安全牢靠，防灰尘，同时用于单模光纤和多模光纤。

④ ST接头：老式圆形卡扣式接头，插拔方便快捷，牢固稳定，广泛用于多模光纤。

（6）光纤通信的特点

光纤在网络中被广泛使用，其特点主要有以下几点。

① 传输容量大、频带宽、误码率低、速率高，非常适合作为主干网络的传输介质。最高速率可达10Gbit/s。

② 传输损耗小，无中继传输距离长，适合远程通信。

③ 抗雷电与电磁干扰能力强，在高噪声的环境下可正常通信。

④ 安全可靠，保密性好，数据不容易被截取。

⑤ 在长距离的传输中使用光纤的成本低于铜线介质，且不用考虑接地问题。

⑥ 光纤质地较脆，机械强度低，切断和连接技术要求较高。光电转换接口目前还比较贵，但价格也在逐年下降；

⑦ 体积小，质量轻。对于现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。1km的1000对双绞线电缆约重8000kg，而同样长度的但容量大得多的一对双芯光缆重约100kg。

课堂同步

请观察身边的网络，查看光纤的连接方式，并对比分析双绞线和光纤的适用场合。