探索集线器、交换机和路由器——信号在网线和集线器中传输

1、每个包都是独立传输的:

网络包的收发其实非常类似邮递员在送信,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是不看数据的内容的。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。

记住这个概念之后,先来看看一下网络包在进入互联网之前经历的传输过程,如下图:

2、防止网线中的信号衰减很重要:

在探讨信号流出网卡进入网线在进入集线器的过程前,先需要了解整个过程所涉及的物理构造,如下图:

网卡中的PHY(MAU)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,信号从这个接口中的1号和2号针脚流入网线,然后到达集线器的接口,这个过程就是单纯地传输电信号而已。

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。例如信号波的形状会因为损失能量而让拐角变圆。高频信号则更容易损失能量(因为释放的电磁波更多)。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。

从上图中可以发现,局域网网线使用的是双绞线,就是以两根信号线为一组缠绕在一起,这种设计是为了抑制噪声的影响。首先,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。电磁波分为两种,一种是网线之外的其他设备泄漏出来的电磁波,另一种是从网线中相邻的信号线泄漏出来的。先看第一种情况,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,而在双绞线的形态下,因绞合形成的同一根信号线的相邻两段信号线中产生的噪声电流方向会相反,从而是的噪声电流相互抵消,噪声也就得到了抑制。再来看第二种情况,当信号线本身流过电流时也会向周围发出电磁波,这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。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。

当然不同的双绞线在性能上也会有不同,如下表:

含义
五类(CAT-5) 用于10Mbit/s(10BASE-T)和100Mbit/s(100BASE-TX)以太网,可以最高125MHz的频率在最长100米的距离内传输信号
超五类(CAT5e) 用于千兆(1000BASE-T)以太网,对于五类网线进行改良,改善了串扰,也向下兼容10BASE-T和100BASE-TX
六类(CAT-6) 支持最高250MHz的信号传输,用于1000BASE-TX规格的千兆以太网和10GBASE-T规格的万兆以太网,同时向下兼容10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T
超六类(CAT-6A) 对于六类网线进行改良,改善了外部串扰,兼容10GBASE-T、1000BASE-TX、1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T
七类(CAT-7) 支持最高600MHz的高速信号传输,兼容10GBASE-T、1000BASE-TX、1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T

3、集线器将信号发往所有线路:

之前讲过,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。当信号达到集线器后,会被广播到整个网络中。

集线器的接口中有MDI和MDI-X切换开关,在上一小节的图中有讲到,MDI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。在两台集线器相连时,就需要将其中一台改为MDI模式,如果集线器上没有MDI切换开关,且所有接口都是MDI-X,则可以用交叉网线(如下图)连接两台集线器。

信号到达集线器的PHY(MAU)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。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。然后,这些设备会通过MAC头部中的接收方MAC地址判断是不是发给自己的,如果不是就忽略(这一过程适用于所有具有收发以太网网络包功能的设备,交换机是无视接收方MAC地址的,会将所有的包都接收下来)。

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