《计算机网络技》 课件 第3章 网络硬件与传输介质

第3章网络硬件与传输介质让每一个比特，找到合适的物理通道介质选择→信号传递→设备处理→工程制作铜缆光纤无线第3章网络硬件与传输介质02学习路径从“比特怎样走”到“链路怎样做”四个任务，形成完整工程闭环01识别边界物理层负责什么，不负责什么02选择介质按距离、速率、环境和成本匹配03认识设备判断设备如何处理物理信号04完成制作按标准制作并测试双绞线最终能力：能看、能选、能解释、能动手、能排错第3章网络硬件与传输介质033.1物理层概述网络分层的最底层，究竟向上层承诺什么？功能边界→透明传输→四类接口特性→兼容性判断13.1物理层概述043.1.1物理层功能物理层处在协议栈底部，直接面向传输介质上接数据链路层，下接真实世界应用层传输层网络层数据链路层物理层向上交付向数据链路层提供可使用的比特流传输服务，不暴露介质细节。向下控制规定接口、信号、电平、时序和连接过程，使设备能够真正互联。核心对象：比特0/13.1物理层概述05透明传输物理层只搬运比特，不解释比特对上层而言，不同介质的差异被隐藏TX发送端上层交付10110010RX接收端上层获得10110010电信号光信号电磁波介质可以改变，交付给上层的比特序列不应改变易错点：透明≠没有编码；透明是“上层无需感知介质细节”3.1物理层概述06职责边界物理层解决“能不能传”，不解决“传给谁”边界清晰，分层才能协作物理层负责•规定接口形状与尺寸•规定信号电平与编码•规定针脚或光接口功能•规定建立、维持与释放连接的步骤物理层不负责•不识别MAC地址•不划分或校验数据帧•不选择IP路由•不解释应用数据含义判断口诀：看到接口、信号、介质、比特→优先想到物理层3.1物理层概述073.1.2物理层特性接口兼容需要同时满足四个维度外形、电信号、作用、顺序缺一不可01机械特性能否插得上形状、尺寸、针脚、排列02电气特性信号能否识别电压、电流、阻抗、速率03功能特性每根线做什么发送、接收、控制、地线04规程特性何时怎样动作建立、维持、释放、时序四者共同回答：两个设备的物理接口是否真正兼容？3.1物理层概述08机械特性机械兼容先决定“能不能连接”接口形状、尺寸和排列必须一致形状匹配接口形状插头与插座的轮廓、卡扣和方向。尺寸与固定方式宽度、深度、螺钉或卡扣位置。触点数量与排列针脚数量、顺序和接触位置。3.1物理层概述09电气特性电气兼容决定“信号能不能被正确识别”不仅看电压，还看阻抗、速率与时序高电平低电平电平范围0和1如何区分阻抗匹配减少反射和失真传输速率单位时间传多少比特时钟与波形何时采样、怎样判决电气参数不匹配，可能导致误码甚至损坏设备3.1物理层概述10功能特性功能特性为每个触点分配明确职责同一个针脚不能“各说各话”1发送+2发送-3接收+4备用5备用6接收-7备用8备用功能特性关注“这个位置的信号代表什么”，不是接口长什么样3.1物理层概述11规程特性规程特性定义通信动作的先后顺序有正确接口，也要按正确节奏使用01建立检测接口与链路状态02协商确认速率、双工等能力03维持按时序持续发送和接收04释放结束连接并恢复空闲规程=动作+顺序+条件+时序3.1物理层概述12兼容性诊断排查接口故障时，从外到内逐层验证不要只盯着“插上了没有”01机械接口是否匹配、触点是否变形02电气电平、阻抗、速率是否支持03功能针脚或通道用途是否一致04规程协商与动作时序是否一致案例：外形相同却链路灯不亮→继续检查电气、功能与规程，而不是反复插拔3.1物理层概述133.2传输介质铜缆、光纤和无线，为什么没有一种方案包打天下？结构与信号→性能边界→环境适配→成本与运维23.2传输介质14选择框架介质选择不是比“谁最快”，而是匹配场景约束六个问题决定工程方案01距离需要覆盖多远02速率需要多大带宽03干扰电磁环境复杂吗04安全泄漏风险多高05施工布线与维护难度06成本设备与生命周期投入优秀方案不是单项冠军，而是约束条件下的综合最优3.2传输介质153.2.1双绞线两根绝缘铜线相互绞合，用结构抵消干扰常见、经济、易施工的局域网介质为什么要绞合？相邻线段受到的外界干扰趋于相互抵消。为什么要成对？差分传输比较两根线的电位差，增强抗干扰能力。为什么广泛使用？成本低、端接容易，适合楼内与桌面接入。绞距与制造质量会影响串扰和传输性能3.2传输介质16结构比较UTP轻便经济，STP增强抗干扰但施工更严格是否屏蔽，要看环境而不是“越多越好”UTP非屏蔽双绞线优点：轻、便宜、端接简单适用：普通办公室、教室、家庭STP屏蔽双绞线优点：抗电磁干扰更强要求：屏蔽层连续并正确接地3.2传输介质17性能等级线缆类别越高，支持频率与速率通常越高性能提升伴随材料、施工与测试要求提高类别典型频率典型能力常见定位超五类Cat5e100MHz1Gbit/s千兆桌面接入六类Cat6250MHz短距离10Gbit/s新建综合布线超六类Cat6A500MHz100m10Gbit/s高性能楼宇布线七类Cat7600MHz以上更强屏蔽能力高干扰或高规格场景工程提示：链路能力由线缆、模块、跳线、端接质量共同决定3.2传输介质18线序标准T568A与T568B使用相同八根芯线，但排列不同端接时必须从统一观察方向确认1—8号位置T568A1白绿2绿3白橙4蓝5白蓝6橙7白棕8棕T568B1白橙2橙3白绿4蓝5白蓝6绿7白棕8棕3.2传输介质19线缆类型直通线两端同序，交叉线两端异序传统规则仍有教学价值，现代设备多支持自动翻转B↔B直通线两端均采用T568B（或均采用T568A）传统用途：连接不同类型设备例：计算机—交换机A↔B交叉线一端T568A，另一端T568B传统用途：连接相同类型设备例：计算机—计算机提示：AutoMDI-X可自动适配，但考核与制作仍要掌握两种线序3.2传输介质203.2.2同轴电缆同轴结构用屏蔽层包围中心导体几何同轴带来良好的屏蔽与稳定阻抗中心导体传输电信号绝缘介质保持间距与阻抗金属屏蔽降低外部干扰与信号辐射外护套提供机械与环境保护常见场景：有线电视、视频传输、射频连接3.2传输介质21介质定位同轴电缆不是“淘汰品”，而是从以太网主角转向专业场景结构优势仍然服务于射频与视频同轴电缆01有线电视02监控视频03射频馈线04仪器连接3.2传输介质223.2.3光纤光纤用纤芯与包层共同约束光的传播高带宽、低损耗、抗电磁干扰纤芯折射率较高，主要承载光信号。包层折射率较低，使光在边界发生全反射。涂覆与护套保护玻璃纤维，增强机械与环境适应性。3.2传输介质23传播原理全反射让光沿弯曲光纤前进，但弯曲仍有极限入射角与折射率共同决定是否被约束纤芯条件从高折射率介质射向低折射率介质，且入射角足够大。结果光在边界被反射回纤芯，能量沿轴向传播。工程提示：弯曲半径过小会增加光损耗，严重时造成断纤3.2传输介质24光纤类型单模追求远距离，多模强调短距离与成本平衡区别来自纤芯尺寸、光源与模式色散LONG单模光纤SMF纤芯细｜激光光源传播模式少｜模式色散小适合长距离、高带宽骨干SHORT多模光纤MMF纤芯较粗｜LED或VCSEL光源多条路径传播｜模式色散较大适合楼内、机房等短距离链路维度单模多模典型距离长短光源与成本较高较低3.2传输介质25有线介质对比没有绝对最好，只有对场景更合适用性能与实施两个维度共同判断介质带宽/距离抗干扰施工典型场景双绞线中/短中最容易桌面接入、楼内布线同轴电缆中/中较强中等电视、视频、射频光纤高/长最强要求高骨干、数据中心、跨楼宇教室电脑→双绞线跨楼宇骨干→光纤有线电视→同轴3.2传输介质263.2.4无线传输无线以电磁波穿越空间，用灵活性换取可控性挑战覆盖、方向性、障碍物与干扰共同决定效果无线介质无线电波可全向、绕射与穿透微波方向性强、视距传播红外线短距离、受障碍物阻挡共同挑战干扰、衰减、安全与共享3.2传输介质27无线电波全向覆盖与一定穿透能力，适合移动接入覆盖越广，干扰管理与安全控制越重要AP终端穿墙后衰减优势覆盖灵活，支持移动终端与非视距场景。限制同频干扰、障碍衰减与共享信道竞争。工程关注信道规划、功率控制、漫游和安全认证。3.2传输介质28微波定向、视距、高容量，适合点到点链路路径规划必须考虑遮挡与地球曲率障碍物会阻断视距路径方向性强能量集中，链路可控带宽较高适合点到点回传依赖视距需评估遮挡与气象3.2传输介质29红外线短距离、方向明确、难以穿墙空间隔离既是限制，也是安全与复用优势发射端接收端障碍物阻断遥控器短距数据传输空间隔离3.2传输介质30无线介质对比从方向性、穿透、距离和场景快速定位先判断传播特性，再讨论速率类型方向性穿透/绕射典型距离代表场景无线电波可全向较强近—中Wi-Fi、移动通信微波强定向弱，需视距中—远点到点回传红外线方向明确不能穿墙短遥控、室内短距选择逻辑：是否需要移动？是否有视距？是否允许信号穿越空间边界？3.2传输介质31决策树用四个问题快速形成介质候选集最终方案还需结合标准、预算与现场测试是否可以铺设实体线路？可以不便距离长/带宽高/强干扰？是→光纤；否→双绞线或同轴是否具备稳定视距？是→微波；否→无线电波有线候选：双绞线/同轴/光纤无线候选：无线电波/微波/红外最后复核：成本｜施工｜接口｜维护｜安全3.2传输介质323.3物理层设备这些设备是在放大、再生、转换，还是提供接口？中继器→集线器→调制解调器→网络接口卡33.3物理层设备333.3.1中继器中继器对信号进行整形、再生与转发核心不是简单放大，而是恢复可判决的波形整形修正波形边沿与幅度。再生重新判决0和1，生成干净信号。转发把恢复后的信号送入下一段介质。不能识别MAC地址，也不能隔离冲突域3.3物理层设备343.3.2集线器集线器是多端口中继器：收到一份，复制到其余端口简单共享，也意味着共享冲突与带宽HUB主机A主机B主机C主机D广播到其他所有端口3.3物理层设备35共享介质效应集线器端口增多，不会增加共享链路的总容量同时发送会竞争介质，并可能发生冲突总带宽100Mbit/s主机1主机2主机3主机4示意：多个主机共享同一容量池冲突域所有端口属于一个冲突域；同时发送可能相互干扰。半双工与共享传统集线器网络不能像交换机端口那样独享带宽并全双工工作。结论：集线器解决连接数量，不解决智能转发3.3物理层设备363.3.3调制解调器调制解调器连接不同信号世界本质是按接入介质完成信号形式转换3.3物理层设备3701用户数据以太网比特流02调制/转换改变信号形式03接入线路电话线、光纤等04解调/恢复还原用户数据光猫：光信号↔电信号设备名称可能沿用“猫”，核心仍是接入信号转换3.3.4网络接口卡网卡是主机进入网络的物理入口与帧处理边界横跨物理层，并承担部分数据链路层功能物理层功能接口、信号编码/解码、链路状态与速率协商。数据链路层功能MAC地址、帧收发、差错检测与缓冲。主机连接通过总线与操作系统、驱动程序和应用协同。3.3物理层设备38物理层设备对比用一个动词抓住设备本质再生、复制、转换、接入设备核心动词处理对象是否选择目的端口典型位置中继器再生物理信号否链路延伸集线器复制物理信号否早期共享以太网调制解调器转换不同形式信号否用户接入边界网卡接入/收发信号与数据帧面向本机终端或服务器如果设备需要读取MAC地址并按端口转发，应想到交换机而不是集线器3.3物理层设备393.4双绞线制作实验一根“看起来没问题”的网线，为什么可能链路不通？工具准备→统一方向→排线剪齐→插入压接→测试排错43.4双绞线制作实验40实验准备工具、材料与安全检查缺一不可先准备，再动手，减少返工网线超五类或六类双绞线，长度满足任务要求。RJ45水晶头规格与线缆匹配，触点无变形。网线钳剥线、剪线、压接功能状态正常。测试仪主机与远端电池、电源、接口正常。3.4双绞线制作实验41操作基准牢记T568B顺序，更要牢记观察方向水晶头金属触点朝上、卡扣朝下时，从左到右1—81白橙2橙3白绿4蓝5白蓝6绿7白棕8棕白橙—橙—白绿—蓝—白蓝—绿—白棕—棕先统一观察方向，再背颜色顺序3.4双绞线制作实验42步骤1—3剥线、解绞、排线决定后续端接质量动作精细，比速度更重要3.4双绞线制作实验4301剥护套约2—3cm，避免伤及芯线02解绞整理只解开端接所需长度03按序排直T568B排列并夹紧步骤4—6剪齐、插到底、压到位，三个动作决定接触可靠性水晶头必须同时咬住芯线与外护套3.4双绞线制作实验44剪齐芯线端面平整、长度一致插入八根芯线到达水晶头最前端压接金属片刺入芯线，压片夹紧护套测试诊断测试仪的1—8号灯，是线缆内部连接关系的可视化观察顺序、缺失、错位与重复01正确12345678两端同步顺序点亮02断路某一编号不亮检查芯线是否到位或压接失败03错序两端编号不一致检查颜色排列与观察方向04短路/串线多个编号异常或同时亮检查铜丝外露和触点排错顺序：读灯号→定位芯线→检查线序→检查到底→重新压接3.4双绞线制作实验45交付检查一根合格网线，要同时通过外观、连通与稳定性检查从“能亮”提升到“可长期使用”OK线序两端标准与任务一致OK到底八根芯线到达水晶头前端OK护套压片夹紧外护套