1.3　网络传输介质

本节开始讲解网络具体知识，首先介绍TCP/IP，协议栈共分为5层，分别是物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。讲解的时候按由下往上的顺序，从物理层开始介绍，如图1.4所示。

网络就是通过介质把设备互连而成的一个规模大、功能强的系统，从而使得众多的终端可以方便地互相传递信息，共享信息资源。

通信网络除了包含通信设备本身之外，还包含连接这些设备的传输介质，如同轴电缆、双绞线、光纤和WiFi等。不同的传输介质具有不同的特性，这些特性将直接影响通信的诸多方面，如线路编码方式、传输速度和传输距离等。

简单网络可以是两台主机连在一起，也可以是主机和交换机、交换机和交换机、交换机和路由器等连接在一起，单独一个主机或者网络设备不叫网络，只有两个以上的主机或设备连在一起才组成网络，如图1.5所示。

企业网络里，路由器和交换机这些网络设备之间的互连一般是有线的连接方式，因此在介绍网络传输介质的时候主要介绍有线的传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光纤和串口线4种。现在企业里面，主机大部分是通过WiFi连入网络的，模块7中有一个章节专门介绍WiFi的相关内容。

下面分别介绍同轴电缆、双绞线、光纤、串口线这4种不同传输介质的特性和应用场景。

1.3.1　同轴电缆

同轴电缆是一种早期使用的传输介质，有两种标准，10BASE2和10BASE5。这两种标准都支持10Mb/s的传输速率，最长传输距离分别为185m和500m，如图1.6所示。

这两种标准的主要区别是里面铜芯的粗细不一样，如图1.6左上角所示，铜芯粗一点，传输距离就远一点，这个很好理解。同轴电缆的连接头如图1.6右上角所示，这种接头现在很少有设备支持。

用同轴电缆组成的网络结构是一个共享介质的以太网，主机间通信要轮流发送数据，不能同时有2台主机发送数据，如图1.7所示。

同轴电缆是早期使用的传输介质，因为传输速率低、距离短，而且连接不方便等缺点，现在已经淘汰。

1.3.2　以太网双绞线

与同轴电缆相比，双绞线具有更低的制造和部署成本，因此在企业网络中被广泛应用。

一根双绞线里面总共有4对线，不同的标准使用的线对不一样，10BASE-T标准只使用了其中的2对，所以传输速率较低，只有10Mb/s；1000BASE-T标准使用了4对，传输速率可以达到1000Mb/s，如图1.8所示。

双绞线分不同类别，有3类、4类、5类、超5类等，这些不同类别的双绞线的主要区别有两个，一是铜线的粗细不一样；二是拧距不一样。铜线粗细差别好理解，那么拧距差别是什么呢？铜线有电流经过的时候会产生磁场，磁场会干扰附近的其他铜线，为了减少干扰，就将2根铜线拧在一起，拧得越紧，干扰消除效果越好。仔细观察图1.8上面两根双绞线的拧距差别。

相比其他类别的线缆，超5类的线缆铜芯更粗，拧距更紧，用的线对最多，因此传输速率最高。

另外有一个需要注意的地方是传输距离，不管是哪个标准，有效传输距离都是100m，这个是由以太网的载波监听冲突检测机制决定的，与线缆粗细无关。

双绞线还分屏蔽和非屏蔽两种，屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层，可以屏蔽外界电磁干扰，如图1.9所示。

使用双绞线组网方便而且灵活，可以将主机和网络设备连在一起，如图1.10所示，有网络设备在中间做报文转发，可以大大提高网络转发效率。

与同轴电缆相比，双绞线有以下优点：

①连接更方便；

②速率更高；

③成本更低；

④组网更灵活。

正是因为上面的这些优点，现在绝大多数的主机、服务器、网络设备支持RJ45（以太网水晶头）接口。

1.3.3　光纤

双绞线和同轴电缆传输数据时使用的是电信号，而光纤传输数据时使用的是光信号。光纤支持的传输速率包括10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s、40Gb/s，甚至更高。根据光纤传输光信号模式的不同，光纤又可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤只能传输一种波长的光，不存在模间色散，因此适用于长距离高速传输；多模光纤允许不同波长的光在一根光纤上传输，由于模间色散较大，因此多模光纤主要用于局域网中的短距离传输，如图1.11所示。

光纤的连接头主要有4种，包括ST、FC、SC和LC，如图1.12所示，其中用得最多的是SC和LC，因为连接更方便。

相比以太网双绞线，光纤有以下优点：

①传输距离更远；

②速率更高；

③价格更便宜。

在实际应用中，光纤和以太网双绞线搭配使用，根据设备端口的支持情况，以及带宽和距离要求确定使用哪种介质，一般设备的上行口用光纤多一些，下行接终端的口用以太网双绞线多一些。

1.3.4　串口电缆

网络通信中会用到各种各样的串口电缆。常用的串口电缆标准有RS-232、RS-422和RS-485。RS-232的传输速率有限，传输距离仅为6m。RS-422和RS-485的传输距离可达1200m。RS-232串口线缆接头使用V.24标准，RS-422和RS-485串口线缆使用V.35标准，如图1.13所示。

两种标准的应用场景：

RS-232：主要应用于设备调试，现在绝大部分的网络设备留有Console调试口，用的就是这个标准。

RS-422和RS-485：因为传输距离较远，帧中继、ATM等传统网络上还有使用。

最常用的串口电缆是RS-232，主要用于设备调试，常用于以下两个重要场景：

①不知道设备Telnet管理IP地址、账号、密码的情况下，可以用串口电缆连接设备Console口登录进去查看或者配置，因为串口登录不用IP地址，默认情况下不用账号密码就可以登录；

②Telnet必须等设备正常启动之后才能登录，如果设备不能正常启动，这个时候可以用串口线连接设备，打印启动过程中的相关提示。研发人员经常用这个功能定位设备故障原因。

前面介绍了4种传输介质，分别是同轴电缆、以太网双绞线、光纤和串口电缆。其中，同轴电缆因为速率低、传输距离短、连接不方便等缺点，已经被淘汰；传输业务数据的常用介质是以太网双绞线和光纤，根据不同的场景选择相应的连接介质；串口电缆一般做设备调试的时候会用到。

1.3.5　物理层数据发送原理

有线的传输介质可以大致分为两种，一种是铜介质，同轴电缆、以太网双绞线、串口电缆都是通过电信号发送数据；另一种是光介质，光纤就是通过特点波长的光信号发送数据的。

下面介绍在有线介质上是如何发送数据的。

在网络上发送的数据，最终都是0和1，如果想发送一个数字7，那么用二进制表示就是0111，因此在物理网络上只需要告诉对方我发的是0还是1就可以了。

在铜介质上通过高低电平区分0和1，例如数字0用0V电压表示，数字1用5V电压表示，通过电压的变化就可以发送0和1信息，如图1.14所示。

这个例子里面的电平只是一个举例，真实的物理设备都会遵循特定的标准，根据标准制定电平的高低，只要遵循的标准一样，不同厂家生产的设备可以互相发送数据。

铜介质通过高低电平传递数据，光介质的原理也是类似的，通过特定波长的光信号强弱变化传递数据，这里不再重复。

1.3.6　冲突域

以太网发展的早期，主机连在同轴电缆上，处于同一个冲突域，如图1.15所示。

在同一个冲突域里面，如果两台主机同时发送数据就会出现冲突，例如主机A发数据11给主机B，同时主机C发数据10给主机D。因为在铜介质中是通过电压表示0和1的，那么主机A发送11的时候发出两个5V的电信号，5V5V；主机C发送10的时候，发出的电平是5V0V。

电信号在同一个介质上会产生叠加，主机D收到的信号是10V5V，但实际上应该是5V0V，发生了冲突，如图1.16所示。

为了解决冲突问题，引入了载波侦听多路访问／冲突检测技术（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）。

CSMA/CD的基本工作过程如下：

①主机不停地检测共享线路的状态，如果线路空闲，可以发送数据；如果线路不空闲，则等待一段时间后继续检测（延时时间由退避算法决定）；

②如果碰巧多台主机同时检测到线路空闲，然后同时发送数据，还是会产生冲突；

③主机发送数据的时候，同时要监听线路是否出现冲突，就如刚才的例子，主机D收到的信号实际上是10V5V，这个10V就是一个异常信号，主机发现线路异常就马上停止发送数据，并往线路上发送一个很强的信号，以强化冲突信号，使线路上其他站点能够尽早检测到冲突；

④终端设备检测到冲突后，等待一段时间之后再重新发送数据。

CSMA/CD的工作原理可简单总结为先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。使用CSMA/CD技术，共享介质上面可以正常传递数据，但是效率比较低，所有主机共享带宽。

1.3.7　双工模式

主机连到网络的时候，除了发送数据，还要接收数据。连到同轴电缆上时，同一个时刻只能有一个主机发送数据，当前发送数据的主机无法接收数据，这种不能同时发送和接收的工作模式称为半双工模式。

主机通过以太网双绞线连到交换机的情况下，可以同时发送和接收数据，因为双绞线总共有4对，主机会将其中的1~2对用于发送数据，另外的1~2对接收数据，发送和接收不冲突，这种工作模式称为全双工模式，如图1.17所示。

1.3.8　小结

网络传输介质一节主要介绍了4种有线介质，分别是同轴电缆、以太网双绞线、光纤和串口电缆。详细介绍了各种介质的物理参数，同时还介绍了不同介质的应用场景。

此外还介绍了物理层发送数据的具体过程，以及冲突域的概念，最后还介绍了两种不同的双工模式。

本节的学习重点是理解物理层数据的发送原理，以及冲突域形成过程和解决冲突域的办法。

为了提高学习效率，作者提供讲解视频，见下方二维码。