网络是怎样连接的-信号在网线和集线器中

3.1 信号在网线和集线器中传输

3.1.1 每个包都是独立传输的

转发设备只负责转发

从计算机发送出来的网络包会通过集线器、路由器等设备被转发，最终到达目的地。

转发设备会根据包头部中的控制信息，在转发设备内部一个写有转发规则的表中进行查询，以此来判断包的目的地，然后将包朝目的地的方向进行转发。

邮递员在送信的时候只看信封，不看里面的内容，同样地，转发设备在进行转发时也不看数据的内容。

因此，无论包里面装的是应用程序的数据或者是 TCP 协议的控制信息，都不会对包的传输操作本身产生影响。

换句话说，HTTP请求的方法，TCP 的确认响应和序号，客户端和服务器之间的关系，这一切都与包的传输无关。

因此，所有的包在传输到目的地的过程中都是独立的，相互之间没有任何关联。

TCP 控制信息也叫 TCP 头部，但从以太网和 IP 传输网络包的角度来看，TCP 头部并不算是“头部”，只能算是“数据”。

我们假设客户端计算机连接的局域网结构是像下图这样的，网络包从客户端计算机发出之后，要经过集线器、交换机和路由器最终进入互联网。

我们家里用的路由器已经集成了集线器和交换机的功能，像图上这样使用独立设备的情况很少见。我们这里将所有功能独立出来，逐个来进行探索。

 

3.1.2 防止网线中的信号衰减很重要

本章的探索从信号流出网卡进入网线开始。

 

PHY模块本质是从政府两个信号端子输出信号的电路

网卡中的PHY模块负责将包转换成电信号，信号通过 RJ-45 接口进入双绞线，这部分的放大图如图 3.2 的右侧部分所示。

以太网信号的本质是正负变化的电压，大家可以认为网卡的 PHY（MAU）模块就是一个从正负两个信号端子输出信号的电路。

信号在网线传输过程中会衰减

网卡的 PHY（MAU）模块直接连接图 3.2 右侧中的 RJ-45 接口，信号从这个接口中的 1 号和 2 号针脚流入网线。

然后，信号会通过网线到达集线器的接口，这个过程就是单纯地传输电信号而已。

但是，信号到达集线器的时候，集线器收到的信号有时会出现衰减，如下图所示。

信号在网线的传输过程中，能量会逐渐损失。网线越长，信号衰减就越严重。

 

衰减会导致信号失真产生通信错误

而且，信号损失能量并非只是变弱而已。

以太网中的信号波形是方形的，但损失能量会让信号的拐角变圆，这是因为电信号的频率越高，能量的损失率越大。

信号的拐角意味着电压发生剧烈的变化，而剧烈的变化意味着这个部分的信号频率很高。

高频信号更容易损失能量，因此本来剧烈变化的部分就会变成缓慢的变化，拐角也就变圆了。

即便线路条件很好，没有噪声，信号在传输过程中依然会发生失真，如果再加上噪声的影响，失真就会更厉害。

噪声根据强度和类型会产生不同的影响，无法一概而论，但如果本来就已经衰减的信号再进一步失真，就会出现对 0 和 1 的误判，这就是产生通信错误的原因。

 

3.1.3 “双绞”是为了抑制噪声

局域网网线使用的是双绞线，其中“双绞”的意思就是以两根信号线为一组缠绕在一起，这种拧麻花一样的设计是为了抑制噪声的影响。

噪声是如何产生的

产生噪声的原因是网线周围的电磁波，当电磁波接触到金属等导体时，在其中就会产生电流。

因此，如果网线周围存在电磁波，就会在网线中产生和原本的信号不同的电流。

由于信号本身也是一种带有电压变化的电流，其本质和噪声产生的电流是一样的，所以信号和噪声的电流就会混杂在一起，导致信号的波形发生失真，这就是噪声的影响。

用双绞线印制两种噪音

网线之外的设备产生的电磁波

影响网线的电磁波分为两种。其中一种是由电机、荧光灯、CRT 显示器等设备泄漏出来的电磁波。

这种电磁波来自网线之外的其他设备，我们来看看双绞线如何抑制这种电磁波的影响。

首先，信号线是用金属做成的，当电磁波接触到信号线时，会沿电磁波传播的右旋方向产生电流。

这种电流会导致波形发生失真。如果我们将信号线缠绕在一起，信号线就变成了螺旋形。

其中两根信号线中产生的噪声电流方向就会相反，从而使得噪声电流相互抵消，噪声就得到了抑制（图 3.4（a））。

当然，即便信号线变成螺旋形，里面的信号依然可以原样传输，也就是说，信号没有变，只是噪声被削弱了。

相邻网线产生的电磁波

另一种电磁波是从网线中相邻的信号线泄漏出来的。

由于传输的信号本身就是一种电流，当电流流过时就会向周围发出电磁波，这些电磁波对于其他信号线来说就成了噪声。

这种内部产生的噪声称为串扰（crosstalk）。这种噪声的强度其实并不高，但问题是噪声源的距离太近了。

距离发生源越远，电磁波就会因扩散而变得越弱，但在同一根网线中的信号线之间距离很近，这些电磁波还没怎么衰减就已经接触到了相邻的信号线。

因此，尽管信号线产生的电磁波十分微弱，也能够在相邻的信号线中产生感应电流。

要抑制这种噪声，关键在于双绞线的缠绕方式。

在一根网线中，每一对信号线的扭绞间隔（节距）都有一定的差异，这使得在某些地方正信号线距离近，另一些地方则是负信号线距离近。

由于正负信号线产生的噪声影响是相反的，所以两者就会相互抵消（图 3.4（b））。

从网线整体来看，正负的分布保持平衡，自然就会削弱噪声的影响。

 

其他抑制噪声的方法

通过将信号线缠绕在一起的方式，噪声得到了抑制，从结果来看提升了网线的性能，除此之外还有其他一些工艺也能够帮助提升性能。

例如在信号线之间加入隔板保持距离，以及在外面包裹可阻挡电磁波的金属屏蔽网等。

有了这些工艺的帮助，我们现在可以买到性能指标不同的各种网线。

网线的性能是以“类”来区分的，现在市售双绞线的主要种类如表 3.1 所示。

 

 

3.1.4 集线器将信号发往所有线路

集线器体现了以太网的基本架构

当信号到达集线器后，会被广播到整个网络中。

以太网的基本架构就是将包发到所有的设备，然后由设备根据接收方 MAC 地址来判断应该接收哪些包。

而集线器就是这一架构的忠实体现，它就是负责按照以太网的基本架构将信号广播出去。

集线器的工作方式

集线器的内部结构如图 3.2 左侧部分所示。

集线器中的PHY模块与接口之间采用交叉接线

集线器每个接口的后面装有和网卡中的 PHY 功能相同的模块，但如果它们像网卡端一样采用直连式接线，是无法正常接收信号的。

要正常接收信号，必须将“发送线路”和“接收线路”连接起来才行。

在图 3.2 中，集线器中的 PHY 模块与接口之间采用交叉接线的原因正是在于此。

使用MDI/MDI0x切换开关控制接线方式

集线器的接口中有一个 MDI/MDI-X切换开关，MDI就是对RJ-45接口和信号收发模块进行直连接线，而 MDI-X 则是交叉接线。

由于集线器的接口一般都是 MDI-X 模式，要将两台集线器相连时，就需要将其中一台改成 MDI 模式（图 3.5（a））。

 

使用交叉网线可以连接集线器

如果集线器上没有 MDI 切换开关，而且所有的接口又都是 MDI-X 时，可以用交叉网线连接两台集线器。

所谓交叉网线，就是一种将发送和接收信号线反过来接的网线（图 3.6）。

使用交叉网线可以连接计算机

此外，交叉网线也可以像图 3.5（b）这样用于将两台计算机直接连接起来。

因为网卡的 PHY 模块和集线器都是一样的，网卡不仅可以连接集线器，两台计算机的网卡也可以相互连接，只要将一侧的发送信号线和另一侧的接收信号线连起来就可以收发数据了。

信号从PHY模块进入中继电路

信号到达集线器的 PHY 模块后，会进入中继电路。中继电路的基本功能就是将输入的信号广播到集线器的所有端口上。

当然，也有一些产品具有信号整形、错误抑制等功能，但基本上就是将输入的信号原封不动地输出到网线接口。

信号从集线器广播给所有连接的设备

接下来，信号从所有接口流出，到达连接在集线器上的所有设备。

设备自行判断MAC地址是否正确

然后，这些设备在收到信号之后会通过 MAC 头部中的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的，如果是发给自己的就接受，否则就忽略。

这样，网络包就能够到达指定 MAC 地址的接收方了。

这一过程适用于客户端、服务器、路由器等所有具有收发以太网网络包功能的设备。

我们后面会讲到，交换机是无视接收方 MAC 地址的，会将所有的包都接收下来。

设备自行进行FCS校验

由于集线器只是原封不动地将信号广播出去，所以即便信号受到噪声的干扰发生了失真，也会原样发送到目的地。

这时，接收信号的设备，也就是交换机、路由器、服务器等，会在将信号转换成数字信息后通过 FCS 校验发现错误，并将出错的包丢弃。

当然，丢弃包并不会影响数据的传输，因为丢弃的包不会触发确认响应，因此协议栈的 TCP 模块会检测到丢包，并对该包进行重传。