有向介质 guided media 是指在设备之间提供通道的介质，包括双绞线 twisted-pair cable 、同轴电缆 coaxial cable 和光缆 fiber-optic cable 。沿着这种媒体传输的信号传输方向和范围受介质物理边界限制。双绞线和同轴电缆采用金属（铜）导体接收和传输电流形式的信号；光纤是玻璃电缆接收和传输光波形式的信号。

双绞线由两根导线(通常是铜线)组成，每根导线都有自己的塑料绝缘层，两者绞在一起，如图7所示.3所示。

线路中的一将信号传输给接收方，另一条仅用作接地参考点 ground reference 。接收方使用两条线的电平之间的差值。

除了发送方在线路上发送的信号之外，干扰(噪声)和串扰也可能会影响两条线路，并产生有害的信号。如果两条导线是平行的，这些有害信号的影响在两条线路中就会不同，因为它们相对于「噪音或串扰位置」它是不同的(比如一个更近，另一个更远)。这在接收方产生差异。两条线绞在一起可以保持平衡。例如，假设在一个绞合段，一条线靠近噪声源，另一条线远离噪声源，而在下一个绞合段，情况正好相反。绞合可以使两条线路受到外部影响（噪声或串扰），这意味着接收方不会通过计算两者之间的差异来接收有害信号。

从以上讨论中可以清楚地看出，单位长度(如英寸)的绞合数决定了电缆的质量。绞合数越多，质量就越高。

通信中最常用的双绞线是指非屏蔽双绞线 unshielded twisted-pair, UTP 。IBM还生产了自己使用的双绞线类型，称为屏蔽双绞线 shielded twisted-pair, STP 。

STP电缆有一层金属薄片或网状涂层材料，用绝缘层包裹每对导体。虽然金属
可通过包装层「防止噪音或串扰」提高电缆质量，但它更重更贵。图7.4说明了UTP和STP差异。我们讨论的主要中心是UTP ，因为STP除了IBM很少在外面使用。

电子工业协会 EIA 已经制定了一个非屏蔽双绞线分为七类的标准。分类取决于电缆的质量 $1$ 类是最低的，第 $7$ 类是最高的。每一种EIA分类适用于特定的用途。表7.说明这些分类。

• 第一类是电话中使用的非屏蔽双绞线；
• 第二类原本用于T-线路非屏蔽双绞线；
• 三是改进 CAT2 ，局域网；
• 第四类是改进 CAT3 ，用于令牌环网；
• 第五类电缆通常有一个盒子和外护层 24AWG ；
li> 5E 是第五类线的扩充，包括最小串扰和抗电磁干扰的额外特性；
• 第六类是数据速率通过 $200\text{Mbps}$ 测试的一种新的电缆线；
• 第七类电缆线有时又称为屏蔽网屏双绞线 SSTP ， 除外护套外，每对双绞线独立地封装在螺旋状金属箔中，然后包裹一个金属箔屏蔽层。屏蔽层降低了串扰的影响，并提高了数据传输速率。

最常用的UTP连接器是RJ45（RJ表示注册插头），如图 7.5所示。RJ45是一种有插槽的连接器，表示只能以一个方向插入。

测试双绞线性能的一种方法是，对比频率和距离的衰减曲线。双绞线允许通过的频率范围比较宽，但是图7.6说明，随着频率的升高，以每英里的分贝数进行测量，在频率超过 $100\text{kHz}$ 时，衰减数值会突然升高。注意：规格 gauge 是电线粗细的标准计量单位。

双绞线用于电话线路，提供语音和数据的通道。本地环路，即连接用户到中心电话机房的线路，最常用的是非屏蔽双绞线；电话公司则使用 DSL 线路，提供高数据速率连接，这种线路也使用具有高带宽容量的非屏蔽双绞线。【计算机网络】第二部分 物理层和介质(9)讨论电话网络，讨论 DSL 技术。

局域网如 10 Base-T 和 100 Base-T ，也使用双绞线。数据链路层(13) 有线局域网：以太网讨论这些网络 。

同轴电缆（或者称为同轴）与双绞线相比，可以传输更高频率范围的信号，部分原因是这两种介质的构造有很大的不同——同轴电缆不使用两根电线，而是使用一根位于中央的、实心或者多股绞合的、核心金属丝导体（通常是铜的），导体封装在绝缘护套中，然后再把它封装在金属箔、金属网或者两者组合成的外部导体中。外部金属包装既可以屏蔽噪声，又可以作为第二导体，构成回路。外部导体的外面再由绝缘护套封装，最后整条电缆由一层塑料外套保护（图7.7）。

同轴电缆是按照它们的无线电管理 radio government, RG 等级进行分类的。每一个RG号表示单独的一组物理规范，包括内部导体的电线规格、内部绝缘体的粗细和类型、屏蔽层的结构以及外部封套的尺寸和类型 。RG等级定义的每一种电缆适用于特定的功能，如表 7.2所示。

为了将同轴电缆和设备相连，需要使用同轴电缆连接器。目前最常见的连接器类型是 Bayonet-Neil-Concelman, BNC 连接器。图 7.8表示了这些连接器中三种常用的类型：BNC连接器、BNC T型连接器和BNC终接器 the BNC connector, the BNC T connector, and the BNC terminator. 。

BNC连接器用于将电缆的一端连接到设备如电视机上。BNC T型连接器用于以太网（见数据链路层(13) 有线局域网：以太网），从主线路引出分支，以连接计算机或其他设备。BNC终接器用于电缆的末端，以防止信号反射。

同双绞线一样，我们也能测试同轴电缆的性能。从图 7.9中可以看出，同轴电缆的衰减要高于双绞线 。 换句话说，尽管同轴电缆有更高的带宽，但是信号减弱很快，因而经常需要使用中继器。

同轴电缆最初是在模拟电话网络中使用的，单个的同轴电缆网络能够传送 $10000$ 路语音信号。 后来将它用于数字电话网络中，单个的同轴电缆能够以高达 $600\text{Mbps}$ 的速率传送数据。但是，电话网络中的同轴电缆，目前大部分已经被光缆取代了。

有线电视网络（见【计算机网络】第二部分 物理层和介质(9)）也使用同轴电缆。在传统的有线电视网络中，整个网络都使用同轴电缆（RG-59同轴电缆）。 但是后来，有线电视提供商用光缆取代了网络中大部分的同轴电缆，混合网络只是在网络边界、靠近消费者房屋的地方，才使用同轴电缆。

另一种常见的应用是在传统的以太局域网中（见数据链路层(13) 有线局域网：以太网）。由于它的带宽高、以及由此产生的高速率，因此，在早期的以太局域网中选用同轴电缆进行数字传输。10 Base-2 或者细缆以太网，使用RG-58同轴电缆和BNC连接器，以 $10\text{Mbps}$ 的速率传输数据，传输距离是 $185m$ ；10 Base-5 或者粗缆以太网，使用RG-11（粗同轴电缆）以 $10\text{Mbps}$ 的速率传输数据，传输距离是 $5000m$ ，粗缆以太网有专用的连接器。

光缆由玻璃或者塑料构成，能够传输光信号。为了理解光纤，首先需要研究光的几个本质特性。光在通过单一物质肘，是沿直线传播的；如果光线从一种物质突然进入另一种物质（密度更高或者更低），则会改变方向。图7.10说明了光线从高密度物质进入低密度物质时，是如何改变方向的。

如图7.10所示，如果入射角angle of incidence（入射光线与界面上入射点法线的夹角）$I$ 小于临界角 critical angle ，光线会沿着较接近于表面的方向发生折射 the ray refracts and moves closer to the surface ；如果入射角等于临界角，光线则会沿着表面弯曲 the light bends along the interface ；如果入射角大于临界角，光线则会反射（发生转向），并再次在高密度物质中传输 the ray reflects (makes a turn) and travels again in the denser substance 。注意，临界角是物质的一种特性，不同物质的临界角的值是不同的。

光纤使用反射来引导光通过通道。玻璃芯或塑料芯外面，环绕着低密度的、玻璃的或塑料的包层 cladding 。两种材料的密度差值必须达到这一条件——即通过纤芯传播的一束光，必须完全被包层反射、而不发生折射。见图7.11。

目前的技术支持两种模式（多模和单模 multimode and single-mode），通过这两种模式，光线沿着光通道传播，每一种模式需要光纤维具有不同的物理特性。多模传输有两种实现形式：阶跃折射率模式和渐变折射率模式（见图 7.12）。

之所以叫做多模，是因为来自光源的多个光束、沿着不同的路径通过纤芯。这些光束如何在光缆内部通过，取决于纤芯的结构，如图7.13所示。

• 在多模阶跃折射率光纤 multimode step-index fiber 中，纤芯的密度从中心到边缘保持不变。光束到达纤芯与包层交界处之前，以直线的形式通过等密度的纤芯。在交界处突然遇到低密度的包层，会引起光束传输角度的变化。阶跃折射率 step index 这个术语是指这种变化的突然性。
• 第二种类型的光纤，称为多模渐变折射率光纤 multimode graded-index fiber ，通过这种光缆的信号可以减少失真。指数 index 这个词是指折射率。正如上面所看到的，折射率与密度有关。所以，渐变折射率光纤是一种具有不同密度的光纤，密度在纤芯的中心处最高，从中心到边缘逐渐降低，在边缘处最低。图7.13说明了密度的变化对光束传播的影响。

单模使用阶跃折射率光纤，并且使用聚焦效果更好的光源，这样可以把光束限制在更小的角度范围内，几乎接近于水平。单模光纤 single-mode fiber 在生产时，使用直径比多模光纤要小得多、且密度（折射率）非常低的光纤维，密度的降低使临界角几乎接近 $90°$ ，这样光束的传播基本上是水平的。在这种情况下，不同光束的传播几乎相同，从而可以忽略延迟。所有的光束同时到达目的端，并可以重组为失真很小的信号（图7.13）。

光纤是通过纤芯的直径与光纤包层的直径的比率定义的，两者都用微米 mm表示。常见规格如表7.3所示，注意：最后一行列出的规格仅用于单模光纤。

图7.14说明了一种典型光缆的组成。外部封套由PVC或者特氟隆制成。封套里面是用于提高光缆强度的Kevlar纤维——Kevlar是一种用于制造防弹背心的、强度很高的纤维材料。在Kevlar层的下面是另一层塑料薄层，用于缓冲光纤的受力。光纤位于光缆的中心，由包层和纤芯构成。

光缆使用三种不同类型的连接器，如图7.15所示。

• 用户通道 subscriber channel, SC 连接器用于有线电视中，它采用推拉式固定方法。
• 直插式 straight-tip, ST 连接器用于将光缆连接到网络设备上，它使用卡口式固定方法，比SC更可靠。
• MT-RJ是一种新的连接器，与RJ45的规格相同。
  

在图7.16中，衰减相对于波长的变化曲线，说明了光缆中的一种非常值得注意的现象，衰减曲线比双绞线和同轴电缆的衰减曲线要平坦。其性能如此之好，以至于在使用光纤时，只需要很少的中继器（实际上少于 $\frac{1}{10}$ ）。

光纤通常用在主干网络中，因为它提供了很高的带宽，所以其性能成本是合算的。目前，对于WDM，能以 $1600\text{Gbps}$ 的速率传输数据。数据链路层(17) 广域网SONET/SDH讨论的 SONET 就提供了这样的主干网。

一些有线电视公司结合使用光纤和同轴电缆，可以构建混合网络。光纤提供主干结构，而同轴电缆则提供到用户住所的连接。这是一种性能成本合算的配置方案，因为用户端所需的带宽窄，使用光纤在经济上不合算。

局域网如 100 Base-FX 网（快速以太网）和 1000 Base-X 网也使用光缆。

与金属电缆（双绞线或者同轴电缆）相比，光缆具有以下优点：

• 高带宽：光缆能够支持比双绞线或同轴电缆高得多的带宽（指数据速率）。目前，光缆的数据速率和带宽利用所受到的不是介质的限制，而是受到信号生成和接收技术的限制。
• 信号衰减小：光纤传输距离明显高于其他有向介质。信号在不需要再生的情况下可以传输 $50km$ 。对于同轴电缆或者双绞线，每隔 $5km$ 就需要一个中继器。
• 无电磁干扰：电磁噪声不能影响光缆。
• 抗腐蚀材料：玻璃比铜抗腐蚀能力更强。
• 重量轻：光缆比铜缆要轻得多。
• 不易被窃昕：光纤明显比铜缆更不易被窃听。铜缆会形成天线，易于被窃听。

光纤在使用中也有一些缺点：

• 安装/维护：光纤是一种较新的技术。安装和维护需要专门技能，这种技能并不是在任何地方都有的。
• 单向性：光的传播是单向的。如果需要进行双向通信，则需要两根光纤。
• 成本：光缆和接口比其他有向介质的昂贵一些。如果对带宽的需求不是很高，通常情况下使用光纤不合算。

无向介质 unguided media 不使用物理导体传输电磁波。这种类型的通信通常是指无线通信 wireless communication 。信号通常通过空气广播，能够被任何人接收，只要他拥有一台接收信号的设备。图7.17表示了用于无线通信的部分电磁频谱，范围为 $3\text{kHz}-900\text{THz}$ 。

无向信号能通过多种途径从信号源传输到目的地。其方法有地表传播、天空传播和视线传播，如图7.18所示。

• 在地表传播 ground propagation 中，无线电波通过地球的大气层的最低部分，紧绕地球传播。这些低频率信号通过发射天线，沿着地球表面向各个方向发射。传输距离取决于信号功率的大小，功率越强，传输的距离越远。
• 在天空传播 sky propagation 中，较高频率的无线电波向上传播到电离层（大气中的一层，该层中粒子以离子的形式存在），从电离层再反射回地球。这种类型的传输可以使用较低的输出功率，传输更远的距离。
• 在视线传播 line-of­-sight propagation 中，非常高频率的信号沿着直线直接在天线之间传输。天线必须是有向的、互相正对的，而且必须足够高或距离足够近，以免受地球曲率的影响。视线传播是很难处理的，因为无线电传输不能完全聚焦。
  

电磁频谱中，定义为无线电波和微波的部分被分成八个区域，称为波段 band ，每一个波段都受政府机构的管制。这些波段从基低频率 very low frequency, VLF 到极高频率 extremely high frequency, EHF 依次排列。表7.4列出了这些波段及其频率范围、传播方法和应用。

可以把无线传输分为三大组：无线电波、微波和红外波 radio waves, microwaves, and infrared waves ，如图7.19所示。

尽管无线电波和微波之间没有明确的界限，但是通常将频率范围在 $3\text{kHz}\sim 1\text{GHz}$ 之间的电磁波称为无线电波 radio wave ，频率范围在 $1\sim 300\text{GHz}$ 的电磁波称为微波 microwave 。但是，我们使用波的特性而非频率的特性，作为分类的标准。

无线电波的特性如下：

• 大部分无线电波是全方向的。在天线发射无线电波时，它们会向各个方向传播。这意味着发射天线和接收天线不必对准。发射天线发射的无线电波，可以被任何接收天线接收。全方向特性也有一个缺点：一只天线发射的无线电波，容易受到「另一只使用相同频率或波段的天线」所发射的信号的干扰。
• 无线电波尤其是那些以天空模式传播的电波，可以传输很长的距离。这使得无线电波成为诸如 AM广播等远距离广播的优选。
• 无线电波特别是那些低、中频率的电波，可以穿透墙体。这种特性既有优点也有缺点。说它有优点，是因为如AM收音机可以在建筑物内接收信号。说它有缺点，是因为不能隔离建筑物内部和外部的通信。
• 无线电波的波段与微波相比较窄，仅在 $1\text{GHz}$ 以下。当这一波段被划分为多个子波段时，子频带也很窄，导致在数据通信中数据速率很低。
• 几乎整个波段都受政府机构（比如，在美国是FCC）的管制。使用波段的任何部分，必须得到这些机构的许可。

无线电波使用全向天线 omnidirectional antennas 向所有方向发送信号。根据波长、强度和传输目的的不同，可以有多种类型的天线。图7.20说明了一种全向天线。

无线电波的全向特性，使得它对多播很有用，无线电波常用于多播通信。在多播过程中，有一个发送方和多个接收方。AM和FM收音机、电视、航海无线电、无绳电话和寻呼机都是多播的例子。

频率范围为 $1\sim 300\text{GHz}$ 的电磁被称为微波。微博的特性如下：

• 微波是单向的。在天线发射微波时，它们可以聚集在很窄的范围内。这意味着发射天线和接收天线需要对准。单向特性具有一个很明显的优势，即一对对准的天线不受另一对对准天线的干扰。
• 微波传播属于视线传播。安装天线的塔必须相互可见。如果相距很远，天线塔就必须很高，地球的曲率和其他障碍物不允许两座很低的天线塔使用微波进行通信。长距离通信时，通常需要中继站。
• 甚高频微波不能穿透墙体。在接收机位于建筑物内部肘，这种特性是一种缺点。
• 微波波段相对较宽，接近于 $299\text{GHz}$ 。所以，它能够分配更高带宽的子波段，并且可以获得更高的数据速率。
• 要使用波段中的某个部分，就必须得到政府机构的许可。

微波需要单向天线 unidirectional antennas 在一个方向发射信号。微波通信使用两种类型的天线：抛物面碟形天线和喇叭天线（见图7.21）。

• 抛物面碟形天线 parabolic dish antenna 拥有基于抛物面的几何形状，令平行于对称线的每条光线（视线）在曲面上以不同角度反射回来，以使所有的光线相交于一个公共点，这个点称为焦点。抛物面碟形天线的工作原理如同一个漏斗，接收到较宽范围的微波后，将它们导向到一个公共点。与使用单点接收机相比，通过这种方式可以恢复更多的信号。
  外发的传输则是通过「对准抛物面碟形天线的喇叭天线」广播出去的 Outgoing transmissions are broadcast through a horn aimed at the dish ，微波遇到抛物面碟形天线时，会以与接收路径相反的方向偏转出去。
• 喇叭天线 horn antenna 看起来像一个巨大的勺子。外发的传输沿着主干（像一个柄）广播，通过弯曲的头部以一系列范围较窄的平行波束的形式偏转出去。接收到的传输由勺形的喇叭天线，采用与抛物面碟形天线类似的方式汇聚起来，偏转入主干中。
  

由于微波具有单向性，因而在发送方和接收方之间需要单播（一对一）通信时非常有用。微波应用于移动电话和卫星网络（数据链路层(16) 无线WAN、移动电话和卫星网络）、无线局域网（数据链路层(14) 无线局域网）。

红外信号 infrared wave 的频率范围为 $300\text{GHz}\sim 400\text{THz}$（波长为 $1\text{mm}\sim 770\text{nm}$ ，即光速/频率) ，可以用于在封闭区域用于短距离通信，如PC与外部设备之间的通信，也可用于室内局域网通信——红外信号的频率很高，不能穿透墙体。这种优点可以防止系统之间相互干扰，在一个房间内的短距离通信不会受到相邻房间的另一个系统的影响，因此在使用红外遥控器时，不会干扰邻居红外遥控器的使用。但是，这种特性也使得红外信号无法进行长距离通信。另外，在建筑物外面不能使用红外波，因为太阳射线中包含可能干扰通信的红外波。