模块 4：物理层

第二次课

  • Internet 网云核心概念

    Internet 可看作由无数相互连接的路由器组成的网络，路由器间存在备用路由，数据包传输有多条路径可选。在网络图中，常用“网云（Cloud）”代表 Internet 或其他复杂网络，无需展示具体连接细节，简化网络拓扑的呈现。

  • 网络线缆分类及特性

    • 线缆核心分类

      网络线缆分为金属电缆（铜或铝材质，传输电子脉冲）和光纤（玻璃或塑料材质，传输光脉冲）两大类，具体包括双绞线、同轴电缆、光缆三种主要类型。

    • 各类线缆详细介绍

      1. 双绞线

        • 构成：由一对或多对绝缘铜线绞合而成，外层包裹橡胶防护套，使用电子脉冲传输数据，是网络中最常用的电缆类型。

        • 干扰问题：易受电磁干扰（EMI）和串扰（crosstalk）影响，干扰会导致数据速率下降、需重新传输，降低传输效率。

        • 分类及特点：

          • 非屏蔽双绞线（UTP）：成本低、带宽较高、安装容易，中国及北美等地区广泛使用，常见 4 对线对，用颜色代码标识。
          • 屏蔽双绞线（STP）及外屏蔽双绞线（ScTP）：外层有金属编织物箔层，抗 EMI 和无线电射频干扰（RFI）能力强，适用于核电、军事、民航等干扰极强或敏感的场景，但价格昂贵、灵活度低、使用不便。

        • 常见规格：包括 3 类线（CAT3，用于语音通信，抗干扰弱）、5 类线（CAT5）、超 5 类线（CAT5e）、6 类线（CAT6）、7 类线（CAT7）、8 类线（CAT8），绞合数量越多，抗干扰能力越强。

        • 关键性能参数（绿联实验室数据）：

          类型 速率 频率带宽 传输距离（MAX） 导体（对） 线缆类型 应用场景
          八类网线 40 Gbps 2000 MHz 30 米 4 双层屏蔽 高速宽带环境
          七类网线 10 Gbps 600 MHz 100 米 4 双层屏蔽 高速宽带环境
          超六类网线 10 Gbps 500 MHz 100 米 4 屏蔽/非屏蔽 大型企业高速应用
          六类网线 1000 Mbps 250 MHz 100 米 4 屏蔽/非屏蔽 大型企业高速应用
          超五类网线 100 Mbps 100 MHz 100 米 - 屏蔽/非屏蔽 小型办公室、家用户

        • 端头配件：所有数据级 UTP 电缆均使用 RJ-45 水晶头（8 槽 8 金属簧片），分为屏蔽和非屏蔽两种，屏蔽水晶头外包金属屏蔽层。

      2. 同轴电缆

        • 构成：内部有一根坚硬铜线（传输信号），外层依次包裹绝缘层、金属编织屏蔽层、保护套，是高频传输线路。
        • 特性：屏蔽能力强于 UTP，信噪比高，可承载更多数据，但安装麻烦、成本较高。
        • 应用场景：有线电视公司提供服务、连接卫星通讯系统组件、网络运行中心（NOC）连接电缆调制解调器端接系统（CMTS）及部分高速接口。

      3. 光缆

        • 构成：由玻璃或塑料制成，直径仅头发丝粗细，不导电，不受 EMI 影响。
        • 特性：带宽极高，适合高速数据传输，传输距离长，需两根光缆分别用于发送和接收数据。

        • 分类及特点：

          • 多模光缆：核心较粗（50/62.5 微米），支持多条光通路，使用 LED 作为光源，价格低、应用广，适用于 2000 米以内的链路（如 LAN、校园网数百米传输）。
          • 单模光缆：核心较细（9 微米），光仅沿一条路径传输，使用激光作为光源，成本高、强度大，数据速率高，传输距离约 3000 米（如校园主干、NOC 互连）。

        • 应用场景：主干网络、大型企业环境、大型数据中心、ISP 连接 Internet，家庭光宽带应用日益增多，医疗成像、机械工程检查等领域也有使用。

  • 双绞线布线标准与电缆类型

    • 核心布线标准

      TIA/EIA 组织定义了两种线序模式：T568A 和 T568B，安装网线时需严格遵循其中一种，电缆内部始终是“X 白”与“X”成对绞合。

      • T568A 线序（1-8）：绿白-绿-橙白-蓝-蓝白-橙-棕白-棕
      • T568B 线序（1-8）：橙白-橙-绿白-蓝-蓝白-绿-棕白-棕

    • 三种双绞线电缆接法

      1. 直通线：两端线序一致（均为 T568A 或均为 T568B），是最常见类型，用于连接“不相似设备”（发送和接收引脚不同），如 PC 与交换机、交换机端口与路由器以太网端口。

      2. 交叉线：两端线序不同（一端 T568A，一端 T568B），用于连接“相似设备”（发送和接收引脚相同），如两台 PC、交换机端口与交换机端口、路由器以太网端口与路由器以太网端口、PC 与路由器以太网端口。

      3. 反转线（全反电缆）：两头线对顺序完全相反，用于连接 PC 机串口与路由器/交换机的控制台端口（Console Port），用于设备配置，需配合 RJ-45 转 DB-9/DB-25 适配器及终端仿真软件（如 PuTTY、Xshell）。

    • 特殊功能：以太网供电（PoE）

      • 标准演进：1999 年 IEEE 802.3af（48 V，受电设备最高 12.95 W/15.4 W）→2009 年 IEEE 802.3at（PoE+，50 V，最高 25.5 W/30 W）→2018 年 IEEE 802.3bt（PoE++，最高 71.3 W/90 W）。

      • 原理：10 M/100 M 双绞线中，1、2、3、6 线对传输数据，4、5、7、8 线对用于传送直流电。

      • 应用：无线接入点（AP）、IP 电话、摄像头等设备，无需额外电源插座，提升安装灵活性，实验用无线 AP 及学校 ZJUWLAN 部分 AP 均支持。

    • 端口自动翻转功能

      部分较新设备（如实验用 TP-LINK 无线路由器、无线 AP）支持 Auto-MDIX 功能，可自动识别发射和接收引脚，无需区分直通线和交叉线，均能正常通信。

  • UTP 电缆连接与测试

    • 水晶头制作要点

      1. 剥离电缆外皮长度≤13 mm（半英寸），少量分开扭合的电线，减少干扰。
      2. 将电线推入水晶头底部，确保水晶头紧压电缆表皮，保证电气接触良好和连接稳固。

    • 电缆测试工具与项目

      1. 测试工具：测线器（检测连接错误、短路、开路）、电缆鉴定测试仪（精确测量性能并记录数据）、万用表（测量电压、电流等电气特征）。

      2. 常见故障：

        • 线对反接：两端连接器线对安装颠倒。
        • 开路：电路连接断裂。
        • 短路：两根电线铜芯接触。
        • 线对散开：一个线对的电线与另一线对的电线错误绞合，影响抗干扰能力。

      3. 关键性能指标：衰减（信号强度下降，限制电缆长度）、串扰（线对间信号泄漏，分近端 NEXT 和远端 FEXT，多因端接时散开电缆过多导致）。

  • 布线最佳实践

    1. 遵循网络适用标准，融合网络电缆需支持语音、视频、数据传输。
    2. 严格遵守各类电缆的最大长度限制。
    3. 远离高压电缆、荧光灯、电视机等 EMI/RFI 干扰源，必要时将电缆安装在导管中。
    4. 采用规范端接方式，使用优质电缆和水晶头，避免信号承载能力下降。
    5. 所有电缆安装后必须进行测试，确保连接正常。
    6. 为电缆贴标签，并在网络文档中记录其位置，便于维护。

  • 核心关联与总结

    • 线缆选择：需根据带宽需求、传输距离、干扰环境、成本预算综合判断，如家庭用户可选超五类/六类 UTP，大型企业主干可选光纤，强干扰场景可选 STP/ScTP。
    • 布线关键：标准线序、规范端接、严格测试是保障传输效率的核心，PoE 技术和 Auto-MDIX 功能提升了布线灵活性。
    • 知识应用：从线缆识别、制作、测试到网络设备连接，均需结合理论标准与实践操作，竞赛案例也体现了理论知识的工程应用价值。