深入浅出TCPIP和VPN

作者简介

李宗标，华为网络运维高级架构师，业界首个 SDN+NFV Orchestrator 开源项目架构师，对网络运维、软件架构、SDN/NFV 有较深研究，著有《深入理解 OpenStack Neutron》一书。

内容简介

第1章 物理层浅说 提起物理层，最先映入脑海的可能就是网线。但物理层绝对不是网线（双绞线）这么简单。从某种意义上说，网络模型中的物理层是学习过程中最容易忽略的一层。但是，物理层是涉及物理学、数学、材料学等较多知识的一个层。比如著名的香农（Shannon）定理就与物理层密切相关。不过从掌握基本概念和基础学习的角度来看，可暂时忘记物理层，从最基本的通信系统切入，不失为一种较好的方法。 1.1 通信系统基本模型 我们日常的电话、视频、微信等，都属于通信。这些通信场景形态各异、千差万别，但是抽象地看，其背后都符合一个通信系统的基本模型，如图1-1所示。 图1-1　通信系统基本模型 信源指信息的发送方，信宿指信息的接收方。在图1-1中，信源、信宿及中间的信号传输（网络）都是非常抽象的，它甚至可以指代一条狗、一只猫和“以太”（古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质）。 狗（信源）与猫（信宿）的对视，通过眼神交流，它们之间为“光通信”，其信号传输网络则是“以太”。 在图1-1中，却有两个不那么抽象的模块：编码和调制/解调这两个模块其实并不那么抽象，是因为我们要讲述的还是计算机通信，而不是完全抽象的通信系统。另外，编码、调制、解调，虽然不像TCP/IP那样显山露水，却是通信系统非常基础的部分。尤其是编码，是基础的基础。 1.1.1　编码 通过网络，我们可以获取很多信息，然而网络中“跑”的一般都是数字信号。数字信号就是以常见的二进制数字表示的信号，类似于“0101”这样的比特流。假设，用高（正）电平表示1，用低（零）电平表示0，信源要发送一串比特流“1010110”给信宿，则其信号传输如图1-2所示。 图1-2　发送比特流 在图1-2中，信源将数据“1010110”转换为固定时间间隔（周期为T）的信号进行发送，网络传输对原始脉冲信号没有做任何改变（也没有任何衰减和噪声干扰），信宿接收到脉冲信号以后，需要将这些脉冲信号进行还原，得到原始信息（1010110），这就要求信宿和信源的时钟要同步。 时钟同步是通信系统中一个重要且涉及知识面极广的话题，由于本书主题是协议，因此这里不进行详述。可以这样简单理解时钟同步：信宿还原信号的频率与信源发送信号的频率要相同。图1-3描述了时钟同步与不同步的情形。 在图1-3中，当时钟同步时，信宿和信源的时钟频率相同，即T2 = T1，所以信宿能够正确地还原出信源发送的数据（1010110）；而当时钟不同步时，信宿的时钟周期是信源的2倍，即T2 = 2T1，此时数据传输就会出错。 时钟同步是网络通信中一个非常重要的基础条件，其定义如下：信宿端的定时时钟频率与其所接收的码元的速率完全相同，并且定时时钟信号与所接收的码元信号的频率保持固定的最佳相位关系。信宿端获得或产生符合这一要求的定时信号的过程称为时钟同步（或称为位同步或比特同步）。 该定义包含以下几层含义。 信宿端的时钟与其所接收的码元（信号）频率必须相同。 信宿端可通过某种方法获得这个频率：信源端专门发送同步信息（称为导频），信宿端从导频信号中提取出时钟频率，也称为外同步法。 信宿端也可从其所接收的码元（信号）中提取出该频率，而不需要额外的导频信号，也称为自同步法。 1. 归零编码 归零编码（Return Zero Encoding，RZ编码）就是将一个信号周期T分为两个部分：T1时段用以表达（传输）数据，T2时段用以将信号电平归零，如图1-4所示。 图1-4　RZ编码（单极性） 图1-4中，RZ编码就是利用T2时段内的归零信号表达（传输）时钟信号，其优点是不需要额外的导频信号；缺点是传输效率下降，其传输效率只有T1/T。就传输效率而言，自同步（信号里包含时钟信息）可能更具优势。 RZ编码分为单极性归零编码和双极性归零编码。图1-4表示的就是单极性归零编码，它用高电平表示1，用低电平表示0。而双极性归零编码则用正（高）电平表示1，负（低）电平表示0，更容易看出归零的效果，如图1-5所示。 图1-5　RZ编码（双极性） 2. 不归零编码 不归零编码（None Return Zero Encoding，NRZ编码）表示传输完一个码之后电压不需要回到0，如图1-6所示。 NRZ编码的优点是传输效率是100%，缺点是信号中没有包含时钟信息。NRZ编码若想传输高速同步数据，基本上都要带时钟线（异步低速传输可以没有），这是额外的负担。 3. 反向不归零编码 RZ编码自带时钟信息，但是传输效率相对较低；而NRZ编码传输效率高（100%），但是不能自带时钟信息。反向不归零编码（Non Return Zero Inverted Encoding，NRZI编码）则解决了RZ/NRZ编码的矛盾：既能自带时钟信息，又能高效传输，如图1-7所示。 NRZI编码的规则是：与前一个信号对比，如果相同，则为1；如果不同，则为0。 极端情况下，如果发送一串全0的比特流，如“0000000”，则NRZI编码会变成图1-8所示。 　　　　　　　　　　图1-7　NRZI编码　　　　　　　　　　　图1-8　NRZI编码（全0比特流） 需要特别说明，NRZI编码“害怕”全1比特流，因为如果“全1”，则无法提取时钟信息。其解决方案是在一定数量的1后面插入一个0，然后在解码时再将这个0删去除。例如，著名的USB 2.0协议就规定在7个1后面插入一个0。如果要发送8个1（11111111），那么其NRZI编码如图1-9所示。 图1-9　NRZI编码（8个1的比特流） 4. 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码（Manchester Encoding）也称为相位编码（Phase Encoding，PE）。前文介绍的RZ、NRZ、NRZI编码都以电平高低来表达数字信号，而曼彻斯特编码则以电平跳变来表达数字信号，如图1-10所示。 图1-10　曼彻斯特编码关于比特的标识 图1-10表述了曼彻斯特编码两种定义数字信号比特1/0的方法（现在这两种定义都有应用），如下所述。 ①IEEE 802.3（以太网）、IEEE 802.4（令牌总线）中规定, 低-高电平跳变表示1, 高-低电平跳变表示0。 ②G. E. Thomas、 Andrew S. Tanenbaum于1949年提出，低-高电平跳变表示0，高-低电平跳变表示1。 对于“1010110”的曼彻斯特编码如图1-11所示。从图中可以看出，曼彻斯特编码的传输效率与R2编码一样，也是有损传输，没有达到100%。 图1-11　曼彻斯特编码（1010110） 5. 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码关于比特的标识如图1-12所示。 图1-12　差分曼彻斯特编码关于比特的标识 对于“1010110”的差分曼彻斯特编码，如图1-13所示。从图可以看出，差分曼彻斯特编码的传输效率与曼彻斯特编码一样，也是有损传输效率，没能达到100%。 图1-13　差分曼彻斯特编码（1010110） 1.1.2　码元 码元在通信中也是非常基础的概念，其定义如下：在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为（二进制）码元。 也有另一种描述是：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。 如图1-14所示，其表达的其实就是NRZ编码。用高电平（电压为E）表示二进制数字1，用低电平（电压为0）表示二进制数字0，而高电平/低电平的持续时间为T。也就是说，持续时间为T的电压E，或者持续时间为T的电压0，均被称为码元。 图1-14　码元的通俗解释 在图1-14中，一个码元携带一个比特信息（E等价于1，0等价于0），也有一个码元携带多个比特信息的情况，如图1-15所示。 码元有2E、E、-E、-2E，分别代表01、00、10、11，即1个码元可以携带2个比特信息。 码元所表达的含义是：计算机（广义的计算机）只能处理0/1这样的二进制数字，即信号只有2个状态，但是网络传输的信号不只有2个状态，也可以有4个状态，也可以有更多的状态。 码元与第1.1.1节中所介绍的编码方法并不矛盾，两者可以结合起来使用。例如，用图1-15所表示的码元，基于NRZ编码表达“10101100”这8个比特，如图1-16所示。 图1-15　1个码元携带2个比特信息 图1-16　码元与NRZ编码（10101100） 1.1.3　调制与解调 从网络中传输的信号的“本源”的角度来看，信号分为两种：基带信号（基本频带信号）、带通信号。 基带信号就是来自信源的信号，其没有做任何处理。计算机从网卡输出的信号属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道（1.1.4小节会介绍这个概念，这里暂且理解为传输线路）并不能传输这种低频分量或直流分量，因此必须对基带信号进行调制（Modulation）。 带通信号就是基带信号经过载波调制后的信号，其目的是把信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输。 载波就是载着基带信号的波（信号）。载波一般是高频波，以正弦波为例，其波形如图1-17所示。 图1-17　载波示例 （1）调制 调制即载波承载基带信号的方式，包括调幅、调频、调相3种，如图1-18所示（假设基带信号是数字信号）。 图1-18　调幅、调频、调相 调幅（Amplitude Modulation，AM），就是用载波信号的不同振幅来表达基带信号的信息（数字信号中的0/1）。 调频（Frequency Modulation，FM），就是用载波信号的不同频率来表达基带信号的信息。 调相（Phase Modulation，PM），就是用载波信号的相位来表达基带信号的信息。 （2）解调 解调（Demodulation）是调制的逆过程，从调制的信号中提取基带信号。与调制的分类相对应，解调分为幅度解调、频率解调和相位解调。 1.1.4　信道 在图1-1中，从信源发出的信号，经过编码、调制以后就进入了信号传输阶段。信号传输在物理层方面要经过信道。 信道即消息传输所经过的介质，比如两个人在对话，空气就是信道。对于计算机网络来说，信道分为逻辑信道和物理信道。逻辑信道并不是一个很通用的概念，提起信道，一般指物理信道。物理信道是指用于传输数据信号的物理通路，由传输介质与有关通信设备组成。本书中，如果不特别说明，信道指的就是物理信道。 1. 信道的分类 信道分类的维度有很多种，如果从传输媒体（介质）的角度来看，信道共分为三类：有线信道、存储信道、无线信道。 （1）有线信道 有线信道的传输介质包括双绞线（俗称网线）、同轴电缆、光纤等，分别如图1-19～图1-21所示。 　　　　　图1-20　同轴电缆　　　　　　　 　　　 　　　 　图1-21　光纤 所谓有线信道，指信号能够在这些介质中传输，就像火车在铁轨上运行一样。双绞线和同轴电缆传输的是电信号，光纤传输的是光信号。当然，无论是电信号、光信号，归根结底都是电磁波。之所以有这些不同的有线信道，是因为不同的介质所能传输的信号的频率不同，其所体现的传输效率、商业化价值也不同。随着科技的发展及应用场景的区别，自然也就衍生出不同的有线信道。 （2）存储信道 存储信道是一种广义的计算机通信信道，磁带、光盘、磁盘等数据存储媒质也可以被看作是一种通信信道。将数据写入存储媒质的过程即等效于发射机将信号传输到信道的过程，将数据从存储媒质读出的过程即等效于接收机从信道接收信号的过程。 （3）无线信道 存储信道和有线信道一样，都是有传输介质的，但是无线信道呢？我们知道，电磁波是不需要传输介质的。通信领域将频段称为无线信道。例如，常用的IEEE 802.11b/g工作在2.4～2.4835GHz频段，这些频段被分为11或13个信道。 不同频率的电磁波其适用场景不同，如表1-1所示。 表1-1　部分电磁波及适用场景 频带名称 频率范围 波段名称 波长范围 适用场景 超低频（SLF） 30～300Hz 超长波 1000～10000km 用于某些家庭控制系统 特低频（ULF） 300～3kHz 特长波 100～1000km 直接转换成声音、模拟系统中的电话声音 甚低频（VLF） 3～30kHz 甚长波 10～100km 直接转换成声音、超声、地球物理学研究、长距离导航、航海通信 低频（LF） 30～300kHz 长波 1～10km 国际广播、全向信标、长距离导航、航海通信 中频（MF） 300～3000kHz 中波 100～1000m 调幅广播、全向信标、海事及航空通信 高频（HF） 3～30MHz 短波 10～100m 无线电业余爱好者、国际广播、军事通信、长距离飞机和轮船通信 甚高频（VHF） 30～300MHz 米波 1～10m VHF电视、调频广播和双向无线电、调幅飞机通信、飞机导航 特高频（UHF） 300～3000MHz 分米波 10～100cm UHF电视、蜂窝电话、雷达、微波链路、个人通信系统 超高频（SHF） 3～30GHz 厘米波 1～10cm 卫星通信、雷达、陆地微波链路、无线本地环 极高频（EHF） 30～300GHz 毫米波 1～10mm 射电天文学、遥感、人体扫描仪、无线本地环 至高频（THF） 300～3000GHz 丝米波或亚毫米波 0.1～1mm — （4）信道是不是“一根线” 根据传输介质，信道分为有线信道、存储信道和无线信道，那么信道是“一根线”吗？这个问题，乍一看有点奇怪。存储信道根本不是“一根线”，而是“一块硬盘”（或者U盘之类的存储介质）。而无线信道，既不是“一根线”，也不是“一块硬盘”，仅仅是一些频段而已。那么，为什么会有人问信道是不是“一根线”呢？ 图1-20中的网线有4对双绞线，8根线，那么它是1个信道还是8个信道呢？ 我们平时说的光纤通信，很多场景下通信工程所布施的并不是一根光纤，而是由很多根光纤组成的光缆。那么，信道是一根光纤还是多根光纤呢？ 对于“有线信道是不是一根线”这个问题，其实是想表达信道的特征之一：信道有“一对或多对”输入端和“一对或多对”输出端。 如此，我们就不用纠结“信道是不是一根线”这样的问题了。对于信道而言，它不是一根线还是多根线的问题，而是有几对输入/输出端。例如，信道有2对输入/输出端，但具体到是用一根线还是多根线，那就是具体实现的问题了。 对于无线信道也是一样的，虽然它只是一个频段，但这个频段仍然可以细分为几对的输入/输出端。对于存储信道，也可以用磁盘阵列来实现多对的输入/输出端。 2.信道的双工模型 信道的双工模型分为3类：单工（Simplex）、半双工（Half-duplex）和全双工（Full-duplex），如图1-22所示。 单工通信指只能单向传输信息，而且永远是固定的单向传输。例如，收音机只能接收电台发送过来的信息，却不能将相关信息发送回去。 半双工通信指可以双向传输，但是同一时间只能沿一个方向传输。例如，使用对讲机时，A说B听，等A说完，然后切换传输方向，即B说A听。 图1-22　信道的双工模型 全双工指可以同时双向传输，我们日常中的打电话利用的就是全双工模式。 需要强调的是，单工、半双工、全双工更多取决于发送方和接收方的能力，而与信道本身没有太大的关系。如在单行道中，汽车只能往一个方向行驶，与道路本身没有关系，而在网络通信中，单工模式下数据只能朝一个方向传输，与数据线并没有关系，是由接收方和发送方的能力决定的。总之，在计算机网络通信中，通信的双工模式取决于通信的双方。 3. 信道的容量 对于有线信道和无线信道所传输的信息，其本质都是电磁波。对于无线信道而言，它本身就是一个频带。频带指信号所占据的宽度，有一个最高频率和一个最低频率，如1～1.1GHz的信道，其最低频率是1GHz，最高频率是1.1G Hz。对于有线信道，只讲了传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤等），没有直观地表达频带，但是传输介质所有能通过的频率也是有范围的，例如，双绞线五类线（下文会描述五类线的定义）所能通过的最高频率是 100MHz。从这个意义上讲，有线信道其实是间接地表达了频带的概念。 对此，将引出一个非常重要的概念，即信道的带宽。 对于无线信道而言，信道的带宽就是信道的最高频率减去信道的最低频率，即 B = fmax - fmin 对于有线信道而言，信道的带宽就是其传输介质所能通过的最高频率。 信道的带宽与我们平时所说的带宽不是同一概念。我们平时所说的带宽其计量单位是bit/s，即上网的速度，如1小时能下载多少部电影。而信道的带宽的单位是Hz，这是一个纯数学的、抽象的概念，对应到通信上，就是信号的频率。这两个概念不同，但下载电影也要依靠信道传输，所以下载速度和信号频率是有关系的。两者之间究竟有什么关系呢？可先从奈奎斯特定理说起。 说明：有些资料中，把本小节定义的信道带宽称为模拟信道带宽，把我们平时所说的上网带宽称为数字信道带宽。 （1）奈奎斯特定理 一个带宽100MHz的信道，1s到底能传输多少比特？这是早期的通信人必须面对和思考的问题。要想知道一个信道1s能传输多少比特，首先需要考虑它能传输多少码元。 美国AT&T的电信工程师亨利·奈奎斯特（Harry Nyquist）也思考了这个问题，并于1924年推导出在理想低通信道的最高码元传输速率公式。 1928年奈奎斯特推导出采样定理，称为奈奎斯特采样定理。1948年信息论的创始人香农（Shannon，1916—2001年）对这一定理加以明确地说明并正式作为定理引用，因此在许多文献中也称之为香农采样定理。同时，也有很多文献称之为采样定理（Sampling Theory）。本文沿用奈奎斯特定理这一称谓。 在理想（无噪声）低通信道下，最高码元传输速度为 V = 2W (Baud) 式中，W为理想低通信道的带宽，单位是Hz；V的单位是Baud（波特），表示1s有多少码元。 奈奎斯特公式的另一种表达方法是：每赫兹带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。 说明：低通信道就是信号的所有低频分量，即频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道，而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。 我们已经知道，一个码元可以携带一个或多个比特的信息，那么是不是意味着只要设计出包含无限多个比特信息的码元，就能有无限多的比特带宽呢？这要从香农定理说起。 （2）香农公式 香农是美国数学家、信息论的创始人，通信业的鼻祖。在介绍香农公式之前，首先看噪声对信道传输的影响，如图1-23所示。 图1-23　噪声对信道传输的影响 图1-23（a）中，噪声对传输信号造成了干扰，但是仍能正确还原出原始信号，而图1-23（b）中，噪声对传输信号的干扰非常严重，导致信号失真，无法正确还原出原始信号。 在没有噪声的情况下，如果仅仅从带宽的角度来看，我们当然希望1个码元所携带的比特信息越多越好。但是，现实情况中必须考虑噪声，如图1-24所示。 从图1-24可以看到，1个码元携带2个比特，显然比携带1个比特的抗噪声干扰能力弱。那么，到底1个码元携带多少个比特合适呢？或者说，在有噪声的情况下，1个信道传输比特的速度到底是多少呢？ 香农公式回答了这个问题，即 C = B log2(1 + S/N) 式中，B为信道的带宽，单位是Hz；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率；C为带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率，单位是bits/s。 对于香农定理，可以得出以下结论。 ①信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信号的极限传输速率就越高。 ②对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限已确定。 ③只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法实现无差错的传输。 ④香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低得多。 下面看一个简单的例子：对于3kHz带宽的电话信道，假设信道的信噪比为35dB，那么根据香农公式，可以计算出该信道最大的比特传输速率为 C = 3000 log2(1 + 103.5) ≈ 34882bits/s 1.2 传输媒体 传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。传输媒体可分为导向（guided）媒体和非导向（unguided）媒体两大类。 导向媒体对应的是有线信道。对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，如双绞线、同轴电缆和光纤。其传输性能主要取决于媒体自身性质。 非导向媒体对应的是无线信道。例如，大气和外层空间，它们提供了传输电磁波信号的方式，但不引导它们的传播方向。其传输性能主要取决于信号带宽。 无论是有线信道还是无线信道，其传输的都是电磁波，而电磁波的运动是不需要介质的，但是这里的传输媒体所起的作用是什么呢？ 假设地球处于一个真空中且不是一个导体，那么从A点发送的电磁波，将沿着直线飞向太空，而无法到达它所希望的目的地B，如图1-25所示。 简单地说，无论是导向媒体还是非导向媒体，其作用都要把电磁波“折弯”，以使其能够到达目的地。下面逐个介绍这些传输媒体。 图1-25　电磁波的运动方向 1.2.1　导向媒体 常用的导向媒体有双绞线、同轴电缆和光纤。下面先从光纤开始介绍，因为它的“导向原理”最直观和易于理解。 1. 光纤 光纤是光导纤维的简称，可作为光传导工具。光纤的抽象结构如图1-26所示。护套是一层薄的塑料外套（也称涂覆层），其作用是保护内部的包层和纤芯，以免其受到周围环境的伤害（如水、火、电击等）。纤芯是一种由玻璃或塑料制成的纤维，外面包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套，俗称包层。 （1）光纤传输 光在纤芯中穿行（传输）时离不开包层，因为纤芯（即使加上护套）无法承载光纤通信的“重任”。这是因为光纤的传输原理是光的全反射。光的全反射指光由光密介质（光在此介质中的折射率大）射到光疏介质（光在此介质中折射率小）的界面时，全部被反射回原介质内的现象。 关于光的全反射，本书只给出一个简单的示例，如图1-27所示。 通过图1-27可以想象，即使光纤是弯的，由于全反射的原因，光也仍然只能沿着光纤传输。这就是导向媒体名称的来源：电磁波被引导着沿某一固定媒体前进。 （2）单模光纤和多模光纤 光学上把具有一定频率一定偏振状态和传播方向的光波称为光波的一种模式。若一种光纤只允许传输一个模式的光波，则称其为单模光纤；如果一种光纤允许同时传输多个模式的光波，则称其为多模光纤。单模光纤与多模光纤的区别如表1-2所示。 表1-2　单模光纤与多模光纤的区别 属性 单模光纤 多模光纤 传输距离 一般来说，传输距离越长，传输带宽越大 一般来说，传输距离越短，传输带宽越小 工作波长 所传输的光的波长是1310nm或1550nm 所传输的光的波长是850nm或1310nm 纤芯直径 8～10μm，一般是9μm 典型的纤直径是50μm或62.5μm，其中50μm性能较好 属性 单模光纤 多模光纤 光源 LD （Laser Diode，激光二极管，简称激光），也有使用少量的光谱线较窄的LED（Light Emitting Diode，发光二极管） LED 护套颜色 黄色 橙色、水绿色、紫色 单模光纤的带宽为2000MHz（需要注意的是，带宽的计量单位是Hz），多模光纤的带宽为50～500MHz。总的来说，在传输带宽一样的情况下，单模光纤的传输距离比多模光纤要远得多。综合成本及传输带宽、传输距离等各方面因素，单模光纤一般用于长距离传输，多模光纤一般用于短距离传输。 2. 双绞线 双绞线（Twisted Pair）是把两根互相绝缘的铜导线（约1mm）并排在一起，然后用规则的方法（逆时针）绞合起来构成的基本单元。对称的扭绞可以减少两条线之间的电磁干扰（降低信号干扰的程度），每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。一般来说，扭绞的越密，其抗干扰能力就越强。 网络系统中最常用的双绞线（俗称网线）是由不同颜色的四对双绞线（橙、蓝、绿、棕）组成的。有时把一对双绞线称为双绞线，有时也把多对双绞线（网线）称为双绞线，混合而用。下文如无特别说明，就将网线称为双绞线。 光纤是基于光的全反射原理而沿着光纤传输的导向媒体，双绞线也是一种导向媒体，那么它是基于什么原理使电磁波沿其传输呢？ 导线传递能量（电磁波）的主体并不是电子，而是电场。 电磁能量（电磁波）是通过导体的表面和周围介质传播的，导线（双绞线）起到引导和导向作用。 （1）双绞线的分类 双绞线按照有无屏蔽层可以分为两类：屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线，如图1-28所示。屏蔽双绞线比非屏蔽双绞线多了一层屏蔽层。屏蔽双绞线电缆的结构能减小辐射，防止信息被窃听，同时具有较高的传输速率，但价格也较昂贵。无屏蔽双绞线重量轻、易弯曲、易安装、成本较低。 （a）屏蔽双绞线 （b）非屏蔽双绞线 图1-28　屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线示意图 双绞线如果按照电气性能来区分，可以分为CAT-1、CAT-2等多种类别，其中CAT是Category（种类、类别）一词的缩写。表1-3所示为各类双绞线的特征。 表1-3　各类双绞线的特征 种类 带宽 最大传输带宽 适用场景 备注 CAT-1 750kHz 10Mbit/s 以往用在传统电话网络，不能用于数据传输 未被TIA/EIA承认 CAT-2 1MHz 4Mbit/s 以往常用在 4Mbit/s的令牌环网络 未被TIA/EIA承认 CAT-3 16MHz 10Mbit/s IEEE 802.5令牌环 IEEE 802.3 10BASE-T IEEE 802.12 100BASE-VG IEEE 802.3 10BASE-T4 ATM 51.84/25.92/12.96Mbit/s 被TIA/EIA-568-B所界定及承认 CAT-4 20MHz 16Mbit/s 以往常用在16Mbit/s的令牌环网络 未被TIA/EIA承认 CAT-5 100MHz 1Gbit/s IEEE 802.3： 10BASE-T 100BASE-XT快速以太网 ATM 155Mbit/s 被TIA/EIA-568-A所界定及承认 CAT-5e 100MHz 1.2Gbit/s IEEE 802.3 ： 100BASE-XT快速以太网 1000BASE-T吉比特以太网 被TIA/EIA-568-B所界定及承认。超五类。不支持10GE CAT-6 250MHz 2.4Gbit/s IEEE 802.3 ： 1000BASE-T吉比特以太网 被TIA/EIA-568-B所界定及承认。支持10GE，但传输距离不能超过37m CAT-6a 500MHz 10Gbit/s 可用于10Gbit/s以太网 超六类。支持10GE，传输距离可以达到100m CAT-7 600MHz 10Gbit/s 可用于10Gbit/s以太网 为ISO/IEC 11801 Class F缆线标准的非正式名称，一般称为CAT-7线，目前未被TIA/EIA承认 表1-3中，CAT-1是一类线，CAT-2是二类线，以此类推。而 CAT-5e比CAT-5要好，但未达到CAT-6的标准，所以称为超五类。同理，CAT-6a 称为超六类。从理论上讲，表1-3中列出的每一类双绞线都可以应用于语音传输，但是从价格等因素考虑，类别大于等于CAT-3的双绞线一般用于数据传输。 表1-3中还提到了令牌环、ATM、IEEE 802.3等词汇，这些概念将在下一章介绍。这里对类似1000BASE-T这样的词汇做一个简单说明。 ①1000代表带宽，单位是M，1000即1000M。 ②BASE是baseband（基带）的缩写，即传输的是没有经过调制的基带信号。 ③T代表双绞线。 （2）颜色序列与针脚功能 从CAT-3到CAT-7等各类双绞线都是由4对（8根）双绞线组合而成，这4对双绞线每一根的颜色，以及哪两根应该绞合在一起都有一定的规范。目前，在北美乃至全球，双绞线标准中应用最广的是ANSI/EIA/TIA-568A和ANSI/EIA/TIA-568B（实际上应为ANSI/EIA/TIA-568B.1，简称为T568B），这两个标准最主要的区别就是芯线序列不同。 说明：ANSI（American National Standards Institute）为美国国家标准协会。TIA（Telecommunication Industry Association）为美国通信工业协会。EIA（Electronic Industries Alliance）为美国电子工业协会。 T568A线序为白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕，如图1-29所示。 T568B线序为白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕，如图1-30所示。 图1-29　T568A　　　　　　　　　　　　　　　　　图1-30　T568B 图1-29和图1-30同时指明了哪两根线应该绞合在一起，组成一对双绞线。如果不看颜色只看序号，T568A与T568B的组队序号都是1/2、3/6、4/5、7/8。 T568A和T568B虽然颜色序列不同，但是都是用于8针配线，最常见的就是RJ45水晶头。模块插座/插头的两种颜色代码是以太网使用双绞线连接时常用的一种连接器插头，也称为 8P8C（8 Position 8 Contact），表示8个位置（Position，指8个凹槽）、8个触点（Contact，指8个金属接点），如图1-31所示。 图1-31中的8只针脚pin）（即凹槽和触点）的功能如表1-4和表1-5所示。 表1-4　RJ45的8只针脚的功能（一） PIN 序号 A类（如 100BASE-TX） B类（如 100BASE-T4） 名称 功能 名称 功能 1 TX+ Tranceive Data+（发送数据+) TX_D1+ Tranceive Data+（发送数据+) 2 TX- Tranceive Data-（发送数据-) TX_D1- Tranceive Data-（发送数据-) 3 RX+ Receive Data+（接收数据+) RX_D2+ Receive Data+（接收数据+) 4 n/c Not connected（未使用） BI_D3+ Bi-directional Data+（双向数据+) 5 n/c Not connected（未使用） BI_D3- Bi-directional Data-（双向数据-) 6 RX- Receive Data-（接收数据-) RX_D2- Receive Data-（接收数据-) 7 n/c Not connected（未使用） BI_D4+ Bi-directional Data+（双向数据+) 8 n/c Not connected（未使用） BI_D4- Bi-directional Data-（双向数据-) 表1-5　RJ45的8只针脚的功能（二） PIN 序号 C类（如 1000BASE-T） D类（如 1000BASE-TX） 名称 功能 名称 功能 1 BI_DA+ Bi-directional Data+（双向数据+) TX_D1+ Tranceive Data+（发送数据+) 2 BI_DA- Bi-directional Data-（双向数据-) TX_D1- Tranceive Data-（发送数据-) 3 BI_DB+ Bi-directional Data+（双向数据+) RX_D2+ Receive Data+（接收数据+) 4 BI_DC+ Bi-directional Data+（双向数据+) TX_D3+ Tranceive Data+（发送数据+) 5 BI_DC- Bi-directional Data-（双向数据-) TX_D3- Tranceive Data-（发送数据-) 6 BI_DB- Bi-directional Data-（双向数据-) RX_D2- Receive Data-（接收数据-) 7 BI_DD+ Bi-directional Data+（双向数据+) RX_D4+ Receive Data+（接收数据+) 8 BI_DD- Bi-directional Data-（双向数据-) RX_D4- Receive Data-（接收数据-) 表1-4和1-5描述的RJ45各个针脚的电气作用（其中“+”表示正极，“-”表示负极）针对的是T568B标准，如果针对T568A标准，需要反过来（发送数据变成接收数据，接收数据变成发送数据。无论是T568A标准还是T568B标准，RJ45的8个针脚的电气作用均取决于其所对应的以太网类型。有的以太网（如100BASE-TX）只使用了其中4个针脚（4对双绞线中的2对），另外4只针脚未做使用（另外2对双绞线没有使用）；有的以太网（如100BASE-T4）则使用了全部8个针脚（使用了其中全部4对双绞线）。 常见的以太网类型与RJ45针脚（及其他传输介质：光纤、同轴电缆）之间的关系如表1-6所示。 表1-6　常见的以太网类型与传输介质之间的关系 以太网类型 说明 10BASE2 细同轴电缆，10Mbit/s，传输距离为200m（实际为185m） 10BASE5 粗同轴电缆，10Mbit/s，传输距离为500m 10BASE-F 光纤（单模或多模），10Mbit/s，分为FP、FL、FB三种连接类型。其中FP使用无源集线器连接，传输距离为500m；FB使用有源连接器连接，传输距离为3000m；FL使用多个中继器连接，可以进一步延长传输距离 10BASE-T 电话双绞线（1对），10Mbit/s，传输距离为100m 100BASE-FX 光纤（单模或多模），100Mbit/s。100Base-FX使用的是两根光纤，其中一根用于发送数据，另一根用于接收数据。在全双工模式下，单模光纤的最大传输距离是40km，多模光纤的最大传输距离是2km 100BASE-T 包括 100BASE-T2、100BASE-T4 100BASE-T2 2对CAT-3类双绞线，100Mbit/s，传输距离为100m。已经废弃 100BASE-T4 4对CAT-3/4/5类非屏蔽双绞线，100Mbit/s，传输距离为100m。已经废弃 100BASE-TX 2对CAT-5类非屏蔽双绞线（或更好），100Mbit/s，传输距离为100m 1000BASE-CX 采用的是150Ω平衡屏蔽双绞线，最大传输距离为25m，使用9芯D型连接器连接电缆（注意不是水晶头） 1000BASE-LX 光纤（单模或多模），工作波长范围为1270～1355nm。使用62.5μm/50μm多模光纤的最大传输距离为550m，使用10μm单模光纤的最大传输距离为5km。传输带宽是1000Mbit/s 1000BASE-SX 只支持多模光纤，工作波长为770～860nm，使用62.5/125μm多模光纤的最大传输距离为275m，使用50/125μm多模光纤的最大传输距离为550m。传输带宽是 1000Mbit/s 1000BASE-T 4对CAT-5类非屏蔽双绞线（或更好），1000Mbit/s，传输距离为100m 1000BASE-TX 4对CAT-6类非屏蔽双绞线（或更好），1000Mbit/s，传输距离为100m 3. 直连网线与交叉网线 一根网线连接两个设备时需要考虑接线的方式，以实现信号的正确发送与接收，如图1-32所示。 图1-32　两个PC机的互连 图1-32表示两个PC机的互连，一个PC的发送端（点）需要与另一个PC的接收端（点）连接，这是通过交叉网线（Cross-over Cable）的连接实现的。所谓交叉网线就是一根网线的两端（水晶头），一端是T568B线序，另一端是T568A线序。 还有一种互连需要直连网线（Straight Forward Cable）。所谓直连网线就是一根网线的两端（水晶头）都是同一种线序，或者是T568B线序，或者是T568A线序，如图1-33所示。 图1-33　PC机与HUB的互连 判断该用交叉网线还是直连网线，可以依据双方连接的设备类型。如果是同种类型，则用交叉网线；如果不同，则用直连网线。设备类型的划分方法如下。 ①PC机等各种终端、路由器划分为数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）类型。 ②交换机和HUB（集线器）划分为数据通信设备（Data Communications Equipment，DCE）类型。 这是一种广义的划分方法，对于选择直连网线和交叉网线非常有效。这种选择主要存在于 100BASE-T以太网中。对于1000BASE-T以太网来说，4对双绞线都是双向收发，不存在该问题。 读者可能会有疑惑，图1-33中，PC机的发送端（点）对接HUB的发送端（点），即使数据从PC发出去，HUB该如何接收？ 要回答这个问题，就要了解介质相关接口（Medium Dependent Interface，MDI）和介质相关接口交叉（MDI Crossover，MDIX）。 MDI是一种接口类型，其内部收发情况与外部接口一致；MDIX也是一种接口类型，其内部收发情况与外部接口做了交叉，如图1-34所示。 从图1-34可以看到，MDIX的内部将接收和发送进行了调换。 普通主机、路由器等的网上接口类型通常为MDI；交换机和HUB的接口通常为MDIX，但其uplink端口（用于连接到另一个集线器或交换机）通常也采用MDI。 异种接口互相连接时采用直连网线，而同种接口互相连接时采用交叉网线。将PC与HUB连接，进一步基于MDI/MDIX展开细节，如图1-35所示。因为HUB在其内部将接收与发送进行了调换，才使得PC与HUB之间使用直连网线是正确的。 图1-35　PC与HUB的连接（细节展开） 下面对交叉网线和直连网线的应用场景进行总结，如表1-7所示。 表1-7　交叉网线与直连网线的应用场景 场景 基于设备类型 基于MDI/MDIX 同种设备类型连接（如PC与PC） 交叉网线 交叉网线 异种设备类型连接（如PC与HUB） 直连网线 直连网线 通过表1-7可以看到，无论是基于设备类型还是基于接口类型（MDI/MDIX），其对直连网线和交叉网线的选择结果是一致的。而基于设备类型的判断，其根本原因源于接口类型的异同。 3. 同轴电缆 同轴电缆从用途上可分为基带同轴电缆（50Ω）和宽带同轴电缆（75Ω）两大类。宽带同轴电缆指的是用于有线电视进行模拟信号传输的同轴电缆，不在本书讨论范围。本书需要讨论的是基带同轴电缆，它仅仅用于数字传输，传输带宽可以达到10Mbit/s。 同轴电缆的抽象结构如图1-36所示，由里到外分为4层：内导体，即中心铜线（单股的实心线或多股绞合线）；绝缘层，塑料绝缘体；编织线外导体（或称屏蔽层），网状铜线导电层；绝缘保护套层，大多为聚氯乙烯或特氟纶材料。 中心铜线和网状铜线导电层形成电流回路，同时因为中心铜线和网状铜线导电层为同轴关系，所以称其为同轴电缆。需要指出的是，同轴电缆与双绞线一样。 ①导线传递能量（电磁波）的主体并不是电子，而是电场。 ②电磁能量（电磁波）是通过导体的表面和周围介质传播的，导线（同轴电缆）起到引导和导向作用。 由于同轴电缆的性能（传输带宽、传输距离）不高，而且价格较贵，因此其在很多场景下都被双绞线、光纤所替代。 1.2.2　非导向媒体 我们知道，无论是有线通信（导向媒体）还是无线通信（非导向媒体），其传输的都是电磁波。而电磁波在没有受到“外力”的作用下，是沿着直线传播的。 光纤利用全发射原理，使信号（电磁波）沿着光纤传输；导线（双绞线、同轴电缆）利用物理学原理，使信号（电磁波）沿着导线传输。而无线通信中的天波通信、地波通信（下文会描述）则可以类比为光纤的全反射和导线的“导向”。 1. 无线传输路径概述 图1-37表明了无线通信的抽象架构：需要发送天线和接收天线，当然该架构是极度简化的架构。我们知道，电磁波在没有“外力”的情况下是直线传播的。如果不考虑“外力”，电磁波从发送天线发出后，将会奔向浩瀚的宇宙，而接收天线就无法得到任何信息。但是，电磁波实际的传播路径在地球与地球之上的电离层之间。地球是一个导体，它对电磁波的作用相当于导线（双绞线、同轴电缆）；电离层是一个反射体，它对于电磁波的作用相当于光纤。 频率低于2MHz的电磁波受地球的“束缚”作用比较大，其传播路径如图1-38所示。低于2MHz的电磁波，由于受地球的“束缚”，它基本只能沿着地球表面的轨迹运行，从而使接收天线能够接收到发送天线发送出来的电磁波。这种传播方式称为地波传输。 频率大于2MHz但是低于30MHz的电磁波可以逃逸地球的“束缚”，但是不能穿透地球外层的电离层，它的传播路径如图1-39所示。大于2MHz但是低于30MHz的电磁波虽然逃逸了地球的“束缚”，但是却被电离层反射回来，从而使接收天线能够接收到发送天线发送出来的电磁波。这种传播方式称为天波传输。 频率大于30MHz的电磁波则能够逃逸地球的“束缚”，也能穿透电离层而不被反射回来。此时可以调整电磁波的发送方向，如图1-40所示。大于30MHz的电磁波虽然能够穿透电离层，但是只要调整好它的传播方向，它仍然可以沿着直线传播，从而被接收天线所接收。这种传播方式称为直线传播。 图1-39　大于2MHz低于30MHz的电磁波的传播路径　 图1-40　大于30MHz的电磁波的传播路径 2. 无线传播类型 电磁波频谱与典型应用如图1-41所示。 图1-41　电磁波频谱与典型应用 电磁波传播方式与典型应用（无线场景）如表1-8所示。 表1-8　电磁波传播方式与典型应用（无线场景） 频带名称 频率范围 波长范围 传播类型 适用场景 超低频（SLF） 30～300Hz 1000～10000km 地波传输 用于某些家庭控制系统 特低频（ULF） 300Hz～3kHz 100～1000km 地波传输 直接转换成声音、模拟系统中的电话声音 甚低频（VLF） 3～30kHz 10～100km 地波传输 直接转换成声音、超声、地球物理学研究、长距离导航、航海通信 频带名称 频率范围 波长范围 传播类型 适用场景 低频（LF） 30～300kHz 1～10km 地波传输 国际广播、全向信标、长距离导航、航海通信 中频（MF） 300kHz～3MHz 100～1000m 地波传输 天波传输 调幅广播、全向信标、海事及航空通信 高频（HF） 3～30MHz 10～100m 天波传输 无线电业余爱好者、国际广播、军事通信、长距离飞机和轮船通信 甚高频（VHF） 30～300MHz 1～10m 直线传输 VHF电视、调频广播和双向无线电、调幅飞机通信、飞机导航 特高频（UHF） 300MHz～3GHz 10～100cm 直线传输 UHF电视、蜂窝电话、雷达、微波链路、个人通信系统 超高频（SHF） 3～30GHz 1～10cm 直线传输 卫星通信、雷达、陆地微波链路、无线本地环 极高频（EHF） 30～300GHz 1～10mm 直线传输 射电天文学、遥感、人体扫描仪、无线本地环 至高频（THF） 300～3000GHz 0.1～1mm 直线传输 — 红外线 300GHz～400THz 770mm～1nm 直线传输 红外局域网、客户电子应用 可见光 400～900THz 330～770nm 直线传输 光通信 表1-8中描述的应用主要是基于无线场景，如果缩小其应用范围，只考虑无线网络数据通信，那么其分类情况如表1-9所示。 表1-9　无线数据通信分类 通信类别 频率范围 波长范围 传播类型 备注 长波 低于300kHz 大于1km 地波传输 — 中波 300kHz～3MHz 100～1000m 地波传输 天波传输 按照国际无线电咨询委员会的规定，短波是指频率为3～30MHz、波长为10～100m的无线电波，但是短波通信实际使用范围为1.5～30MHz 短波 3～30MHz 10～100m 天波传输 直线传输 微波 300MHz～300GHz 1cm～100mm 直线传输 — 红外线 激光 300GHz～400THz 770mm～1nm 直线传输 — 地波传输、天波传输、直线传输在前文已经做了简单介绍，这里补充介绍微波通信的相关内容。 微波通信采用的是直线传输。如果要传输更远的距离，由于地球曲面的影响及空间传输的损耗，每隔50km左右就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。这种通信方式也称为微波中继通信或微波接力通信，如图1-42所示。 除了微波中继通信外，还有一种卫星通信。卫星通信利用人造地球卫星作为中继站来转发微波，从而实现两个或多个站点间的通信。 图1-42　微波中继通信 按照通信卫星运行的轨道不同，通信卫星也可分为低轨道（Low Earth Orbit，LEO）通信卫星、中轨道（Medium Earth Orbit，MEO）通信卫星、高轨道同步（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）通信卫星。现在主要应用的是GEO卫星。GEO卫星是在地球赤道上空约36000km的太空中围绕地球的圆形轨道运行的通信卫星，其绕地球运行周期为1恒星日，与地球自转同步，因而与地球之间处于相对静止状态，故称为静止卫星、固定卫星或同步卫星。 1.3 物理层综述 本章内容讲解采取的是倒叙方式，先介绍通信系统的基本模型和传输媒体，再对物理层进行综合性的描述，这样更容易理解。 物理层位于OSI七层模型的第一层，有以下两个目的（或者说功能）。 为相邻节点设备提供传送数据通路（信道）。 为相邻节点设备提供透明、可靠的比特流传输。 基于这两个目的，ISO给物理层所下的定义是：为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接（信道），所定制的机械、电气、功能、规程等主要构件及其特性。简单地说，就是包括机械特性、电气特性、功能特性、规程特性。 机械特性指明接线接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。 电气特性指明连接线缆的各通信线上出现的信号类型、编码方式等相关参数，如电压范围、曼彻斯特编码等。 功能特性指明某通信线上出现的某一信号状态的意义。例如RJ45，对应到100BASE-TX，其各个针脚（PIN）的功能如表1-10所示。 表1-10　RJ45/100BASE-TX各个针脚（PIN）的功能 PIN序号 PIN名称 功能 1 TX+ Tranceive Data+（发送数据+) 2 TX- Tranceive Data-（发送数据-) 3 RX+ Receive Data+（接收数据+) 4 N/C Not connected（未使用） 5 N/C Not connected（未使用） 6 RX- Receive Data-（接收数据-） 7 N/C Not connected（未使用） 8 N/C Not connected（未使用） 规程特性指明针对每个功能的可能事件序列及其相关信令的出现顺序。常见的以太网的信道建立并不需要显示的规程，所以我们一般对规程特性感受不深。在传统的固定电话网中，就存在“拨号连接事件序列”“挂机拆线事件序列”等规程特性。 前面各小节所介绍的内容都属于物理层的相关特性，这里不再重复。物理层主要协议和规范如图1-43所示。 图1-43　物理层主要协议和规范 物理层实在是过于庞大和复杂，涉及很多物理学和数学知识，并涉及太多的领域。限于本书的主题和篇幅，这里只能对物理层做一个“浅说”。 TCP/IP和VPN重量级教材：以幽默诙谐的笔调图解 HTTP、图解 TCP/IP、图解MPLS、图解OSPF/RIP/IS-IS/BGP、图解VPN，全面阐述和透彻分析网络协议的工作原理和实现细节，涵盖新的网络协议和实践方法。