N01 OSI 第一层：Physical Layer

第 1 层或者物理层（Physical layer）接通你的机器！

• 名字：物理层
• 作用：为通信提供传输媒介
• 辅助作用：没有
• 相关设备：集线器（就是常说的 Hub）

 

第 1 层的主要作用是为通信提供传输媒介。

第 1 层旨在传输电信号，粗略地说就是 0 和 1 这样的信息。

 

同轴电缆

以前，我们曾用到某种线缆。这样的线缆目前已经基本被淘汰了。但是在一些比较老旧的网络设备里你可能还会发现它们的身影。这些线缆有个专门的名字：同轴电缆 Coaxial Cable。

同轴电缆的最里面是一根“数据线”（内层导体），0 和 1 这样的电信号就是靠这根数据线来传输的。而外层网状导体是为了提供一个 0 V 的参考电信号。我们对内层导体和外层网状导体做一个“电位差”来获得我们的电信号。

注：cable 缆，wire 线，在 cable 里面一般会有一根或多根 wire。

科学命名：10B2，或 10B5（对于更旧的版本）：

• 10 表示传输速率是 10 Mbps（Mbps 是 Mega Bits Per Second 的缩写，表示“兆比特每秒”，也就是 100 万比特每秒）；

• B 表示编码 0 和 1 信号的方式，这里是表示 Baseband（基带，base 是“基本的”的意思，band 是“带，波段”的意思），B 是 Baseband 的首字母；

• 最后的数字（2 或 5）表示同轴电缆的最大传输距离，以米为单位，除以 100 所得的数字。对于 10B2 来说，这个长度是 200 米。对于 10B5 来说，这个长度是 500 米。超过最大传输距离之后，信号会有明显减弱，传输质量会大幅下降。

10B5 同轴电缆

10B5 是最古老的同轴电缆，也是最难用的。

首先，将线缆堆放在屋子里，然后将机器（机器可能是电脑、打印机、路由器，等等设备）连接到线缆上，需要用到“吸血鬼接口”来建立连接。

事实上，这是因为需要手动在线缆上开一个口子，割破绝缘层，为的是能触及到最内部的数据线。一旦在线缆上开好口子，就用吸血鬼接口（一种类似夹板的装置）的金属引导针“咬住”开口的地方，这样就可以接触到数据线，就可以获取电信号了。

10B5 同轴电缆非常粗，要把它弯曲是非常困难的一件事。而且，如果弯曲太过，咔嚓，内部的数据线就被折断了，网络就断了。

10B2 同轴电缆

10B2 同轴电缆的构造和 10B5 同轴电缆是一样的，但是要比后者细很多。10B5 同轴电缆的直径大约 1.27 厘米，而 10B2 同轴电缆的直径大约 0.26 厘米。

10B2 同轴电缆的连接方式也和 10B5 大不相同。为了将 10B2 同轴电缆和机器连接，需要：

• BNC 缆线连接器：焊接或拧接在电缆的端部；
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• BNC T型头：用于连接机器的网卡和网络中的电缆；
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• BNC 终端器：用于防止信号到达电缆断口后反射回来产生干扰。
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双绞线 Twisted Pair (TP)

全称应该是双绞线电缆。

同轴电缆里只有 1 根数据线，但是双绞线里面却有 8 根线，两两绞在一起，成双成对。

“为什么要用 8 根线呢？”

理论上来说，只需要两根线就可以产生一个电位差。之前的同轴电缆里就是只有两根线：一根是内部的数据线，一根是做成网状的导体（为了提供 0 V 的参考电信号）。然而，我们不知道未来会怎样。也许以后我们想要在双绞线里传输多种数据呢。因此，双绞线在被发明时，就配备了 8 根线，以备未来可能的演进。虽说一般来说 2 根线已经够了。

“那为什么要把这些线两两绞在一起呢？”

其实这是为了更好地保护电信号，把线这样两两绞在一起，可以使线缆更不易受到电磁干扰。

当然了，即使用了两两绞在一起这样的设计，我们在放置双绞线的时候，还是要尽量避开一些电磁干扰源，例如 220 V 的电缆或者会产生很大干扰的霓虹灯。

双绞线的名字叫 10BT、100BT 或 1000BT。这三个名称分别对应传输速率为 10 Mbps、100 Mbps 和 1000 Mbps 的双绞线。

双绞线目前被用在很多地方，是目前使用最广泛的实体网线，网线界的“一哥”。

你在家里上网，如果使用有线联网的方式，那大概率你也是用双绞线来连接你的电脑和网络盒子的。一般的企业里也是如此。

这主要是因为双绞线很牢固，传输速率快，价格也不贵，而且安装很方便。这些优点都是它能替代以前的同轴电缆的重要原因。

我们如何将双绞线与我们的电脑相连呢？

这就需要用到大名鼎鼎的 RJ45 接口了。RJ 是 Registered Jack 的缩写。

RJ45 接口（公头）的示意图。我们可以看到 8 个小的铜制连接器与双绞线的 8 根线相连。

须要使用特别的几根线，就是编号 1、2、3 和 6 的线。下图展示了双绞线的连接和被使用的几根线（用彩色标识）：表示“双绞线（直连）”。

此外，不要忘了一个 RJ45 接口的一端需要连到另一个 RJ45 的一端。而相连接的两个端口必须一个是公头，一个是母头。公头的图片我们上面已经展示过了，母头就是如下图所示的，一般位于集线器（hub）或交换机（switch）上（我们之后会讲集线器和交换机）：

• RJ45 接口（母头）

                

• 集线器 (hub)

                

为了能使 Machine A 的发送线与 Machine B 的接收线相连，须要将 1、2 号线分别与 3、6 号线相连，反之亦然。就是：

• Machine A 的 1 号线和 Machine B 的 3 号线相连；
• Machine A 的 2 号线和 Machine B 的 6 号线相连；
• Machine A 的 3 号线和 Machine B 的 1 号线相连；
• Machine A 的 6 号线和 Machine B 的 2 号线相连。

为了直连两台机器，我们需要一个内部交叉的线缆。

• 网络盒子上的 RJ45 母头已经将内部的发送线和接收线交换好了；
• 网络盒子上的 RJ45 母头和我的电脑的 RJ45 公头能够在需要的时候自行交换发送和接收的连接。

第一种可能情况如下图所示。我们可以看到，尽管我们用了一根直直的线缆，Machine A 的发送线已经和 Machine B 的接收线相连接了（注意下图中的 Tx 和 Rx 与上一张图的不同）：

 

但如果你要互连多台机器，比如多台电脑、打印机、路由器，等等，那你就需要一个连接所需的设备了。对于 OSI 第一层来说，这个设备就是集线器。

连接所需的设备就是用来互连多台机器的设备，例如集线器，或交换机。

• 集线器 (hub)

        

• 交换机 (switch)

        

注：集线器是 OSI 第一层（物理层）的设备。交换机则是 OSI 第二层（数据链路层）的设备。

相连的设备就是要互连的机器，例如电脑、打印机、路由器等等。

 

假设现在有 5 台机器连接在集线器上，分别是机器 A、机器 B、机器 C、机器 D 和 机器 E。如果机器 A 要和机器 C 通信，它就把信息发送给集线器。

但是集线器很“笨”，不会读，只知道把信息“广而告之”。它只能把机器 A 发给它的信息“广播”给所有连接在集线器上的机器。机器 B，机器 D 和机器 E 也会收到机器 A 发的信息，但是看到信息不是给它们的，就可以丢弃信息。机器 C 看到信息是发给它的，就会读取信息。

所以说集线器不利于信息的保密，它发送数据时是没有针对性的，而是采用广播方式发送。

之后我们会学到的交换机就比集线器先进多了。交换机的网络性能远远优于集线器。随着技术的进步，交换机的成本已经降低，集线器已逐步退出市场。

 

光纤 Optical Fiber

光纤是光导纤维的简称。光纤是一种由石英或塑料制成的纤维，所以使用光纤通信的成本比同轴电缆等要低很多。铺设 1000 公里的同轴电缆大约需要 500 吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英（主要成分是二氧化硅），几乎取之不尽。

下图展示了内含光纤的线缆，称为光缆（微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂）：

靠着光纤，我们就不再使用电来传输 0 和 1 这样的信号了，而是用光来传输。光纤的传输原理是光的全反射。

光纤通信主要由三个部分构成：

• 光纤
• 光发射机
• 光接收机

光在光导纤维的传导损耗比电在电线（例如我们之前学习的同轴电缆、双绞线等等）传导的损耗低得多。将电信号通过光发射机的光调制器变为光信号，沿光纤传输到数米甚至数千米远的地方，再将光信号由光接收机的光电二极管变为电信号。

光纤的科学命名是 1000BF。当然，也有其它的科学命名。

• 1000 表示传输速率为 1000 Mbps，就是 1000 兆比特每秒；
• B 我们以前说过，是 Baseband 的首字母，表示“基带”；
• F 是 fiber 的缩写，表示“纤维”，就是代指光纤。

光纤分为很多种，不过通常我们将其分为两大类：

• 单模光纤 Single Mode Fiber
• 多模光纤 Multi Mode Fiber

单模光纤传输的光的波长是单一的，使用的是激光，颜色可以是绿色、蓝色、红色，等等。

多模光纤传输的光则是白光，包含各种波长。

因此，单模光纤的有效传输距离就比多模光纤远得多：

• 多模光纤的有效传输距离大概是 2 千米；
• 单模光纤的有效传输距离大概是 60 千米。

光纤传输的最大距离大概可以达到 8000 千米。

当今的光纤

目前，我们一般还不会用光纤来连接你的电脑和网络盒子，用的还是我们之前介绍过的双绞线。这是为什么呢？

首先是因为在家庭中，如果用光纤来连接电脑和网络盒子，那么匹配的所有接口必须是光卡口，即使在网络这么发达的今天，一个光口网卡的平均价格要比用双绞线的千兆网卡贵很多，将近 10 倍。

其次，目前一条几米的光纤的价格还是比同样长度的双绞线要贵 1 倍左右。

再者，光纤的信号传输载体是玻璃芯，即使光缆外面有外套保护，可以增加光纤的抗折性，都不能突破走直角的瓶颈。家装布线中，墙面和地面间的直角、墙面和网线面板之间的直角等，很可能造成线芯的损坏，网络不能正常使用，而双绞线却能轻松胜任。

然而，在你的网络盒子和提供网络服务的网络运营商（比如移动、电信、联通，等等）之间，现在已经有越来越多的家庭用光纤了。

光纤被广泛应用在网络运营商的设备里，因为他们需要很高的通行带宽。光纤也被用在一些对互联网很重要的大公司里面。还有一些公司，里面会有一些产生电磁干扰的大型设备，比如很大的发动机，那么这些公司用光纤来通信就比较必要了，因为光纤对电磁干扰是免疫的。

 

网络拓扑 Network Topology

3 种网络拓扑

拓扑（topology）在网络领域，拓扑简单来说是表示“机器互相连接的方式”。

网络拓扑其实有好几种，但一般来说分为三种：

• 总线拓扑：Bus Topology。总线拓扑中信息流的形式就很像公共汽车来回开动、到站停靠，每台连接总线的机器就像站台上等车的乘客；

        

        

在总线拓扑中，机器之间如何互相通信呢？

在总线拓扑中，同一时间只能有一台机器发送信息（类似“发言”），因为只有一条主线缆。大致说来，所有机器时刻监听着，如果没有任何机器发送信息，那我就可以发送信息。

在总线拓扑结构中，我们可以连接无限个机器吗？

不可以。原因很简单，总线拓扑中所有机器共用一根主线缆，而指定时刻又只允许一台机器发送信息。因此，机器数目越多，每台机器能发送信息的机会就越少。

就好比你和其他人一起在会议室里开会。人数越多，你获得发言的机会就越少。

用总线拓扑结构，我们可以构建尺寸无限的网络吗？

也不可以。主要是因为信息的传输时间。总线拓扑的主线缆越长，机器之间信息的传输就耗时越久。这就好比等公共汽车，公共汽车的行驶路径越长，每一站的乘客等公共汽车的时间就越久。

机器越多，同一时刻想要发送信息的机器就越多。网络的尺寸被限制，也是为了避免几台机器同时发送信息的冲突。

• 环型拓扑：Ring topology。

        

环型拓扑的通信方式比较特别，因为有一个“令牌”（英语是 token）。每台机器只有持有令牌时，才可以发送信息。

在环型拓扑结构中，我们可以连接无限个机器吗？

不可以。原因和总线拓扑一样，因为环型拓扑中所有机器只共享一个令牌。

用环型拓扑结构，我们可以构建尺寸无限的网络吗？

也不行。原因和总线拓扑一样。环越大，令牌的传递所需时间就越久。

• 星型拓扑：Star Topology。

        

类似邮局的分发系统。

用星型拓扑结构，我们可以构建尺寸无限的网络吗？

可以。但要达到这个目标，须要互连多个中央机器（如交换机）。

 

CSMA/CD 协议

Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection，“带有冲突检测的载波侦听多路存取”。

我们来概述一下 CSMA/CD 协议（下面描述中的“我”表示总线上连着的一台机器）：

1. 我监听总线，来检测是否有其他机器发送信息（这是载波监听），或者是否有冲突发生（这是冲突检测）；

2. 只有当没有其他机器发送信息时，我才能发送信息；

3. 如果我开始发送信息时，正好也有其他机器开始发送信息，那么我们都停止发送；

4. 产生冲突的机器分别等待随机的时间长度；

5. 再尝试发送信息；

6. 如果又发生冲突，回到第 4 步；如果没有冲突，则发送信息。

我们并没有消除总线拓扑中的冲突（这不可能），但我们找到了一种方法，可以限制冲突的发生，让总线上的机器可以友好地共享同一根线缆。