當(dāng)我們談到“以太網(wǎng)”的時(shí)候，我們可能會(huì)討論各種概念，包括所有線纜規(guī)格（10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T 等等）。這些協(xié)議規(guī)定了導(dǎo)線上的電平（即 0/1 信號(hào)）是如何傳遞的，也規(guī)定了如何將電平信號(hào)解析為數(shù)據(jù)幀。

本來(lái)，此文只想簡(jiǎn)單介紹一下交叉線和直通線之間的基本區(qū)別，但基于我們的 原則，我們覺(jué)得應(yīng)該更深入一些。

首先，我們會(huì)先介紹一些術(shù)語(yǔ)，并消除一些歧義，然后回答一些基本的問(wèn)題：我們?yōu)槭裁匆媒徊婢€或者直通線？到底什么是雙絞線？一個(gè)個(gè)比特位是如何在線上傳播的？最后，我們會(huì)綜合這些概念，并探討一下千兆以太網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

術(shù)語(yǔ)解釋

即使你剛接觸網(wǎng)絡(luò)通信不久，也應(yīng)該聽(tīng)說(shuō)了很多網(wǎng)線相關(guān)的概念，例如“以太網(wǎng)”“雙絞線”“RJ45”“屏蔽線”“非屏蔽線”等。

但這些概念代表了什么含義？互相之間又有什么異同？有沒(méi)有什么概念被誤用了？坦白而言，這些概念經(jīng)常被誤用，不妨看看：

8P8C

這是網(wǎng)線兩端接口的物理標(biāo)準(zhǔn)，表示它有 8 個(gè)卡口位（Position）和 8 個(gè)觸點(diǎn)（Contacts）。這也定義了此塑料透明接口的外形設(shè)計(jì)和尺寸。

RJ45

標(biāo)準(zhǔn)插座接口（Registered Jack）第 45 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)定義了線纜中導(dǎo)線的個(gè)數(shù)以及線序，并規(guī)定使用 8P8C 的物理接口。

特別地，RJ45 定義了兩種線序標(biāo)準(zhǔn)：T568a 和 T568b：

請(qǐng)注意，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)唯一的實(shí)際區(qū)別是第 2 對(duì)線和第 3 對(duì)線的顏色不同。

很多人經(jīng)常用 RJ45 來(lái)指代 8P8C 插口，但這是不對(duì)的。還有另一種叫 RJ61 的類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)，也使用了 8P8C 的插口，但其內(nèi)部的線序不一樣。標(biāo)準(zhǔn)插座接口定義家族中還有很多其他 RJxx 的接口，但接線定義和物理尺寸都不一樣。

雙絞線

雙絞線是一種組合線纜，包含了 8 根獨(dú)立的導(dǎo)線，其中每?jī)筛鳛橐粚?duì)，每對(duì)的兩根線互相絞繞在一起。由此得到 4 對(duì)導(dǎo)線，每對(duì)導(dǎo)線作為一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道。

導(dǎo)線成對(duì)出現(xiàn)這一概念很重要，我們?cè)诤笪闹袝?huì)講到，簡(jiǎn)而言之，這有助于減少電磁干擾（EMI）。

通常，雙絞線有兩種規(guī)格：屏蔽線及非屏蔽線。

注意，不管哪種規(guī)格，網(wǎng)線中都有 4 對(duì)導(dǎo)線，也就是 4 個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道。

非屏蔽線

非屏蔽線（Unshielded Twisted Pair）（UTP）在實(shí)際工程部署中更為常見(jiàn)。它對(duì)外部的電磁噪聲沒(méi)有額外的防護(hù)，但得益于雙絞線的固有特性，其數(shù)據(jù)傳輸也非常可靠。我們將在后文詳細(xì)闡述。

非屏蔽線更便宜，物理韌性更好，也更軟。這些優(yōu)點(diǎn)使得非屏蔽線在大多數(shù)場(chǎng)合更受歡迎。

屏蔽線

屏蔽線（Shielded Twisted Pair）（STP）在每對(duì)雙絞線、以及全部 4 對(duì)導(dǎo)線最外側(cè)都包有額外的金屬屏蔽殼，這有助于隔離信號(hào)傳輸時(shí)的電磁噪聲。

但同時(shí)，如果屏蔽殼的某個(gè)地方出現(xiàn)了破損，或者屏蔽殼在網(wǎng)線兩端沒(méi)有都良好接地，它自身可能會(huì)成為一個(gè)天線，并且會(huì)因?yàn)榭臻g中隨處可見(jiàn)的無(wú)線電波（比如 Wi-Fi 信號(hào)）而給信號(hào)傳輸帶來(lái)額外的電磁噪聲。

更為甚者，屏蔽線必須與帶屏蔽的 8P8C 插頭一起使用，才能實(shí)現(xiàn)全鏈路端到端的屏蔽功能。

顯然，屏蔽線肯定更貴，也比非屏蔽線更脆弱，因?yàn)槿绻帘尉€被過(guò)度彎曲的話，其屏蔽殼很容易破損。因此，屏蔽線的使用場(chǎng)合比非屏蔽線少得多。

屏蔽線通常只會(huì)用在對(duì)電磁屏蔽高度敏感的場(chǎng)合，例如，網(wǎng)線緊挨著發(fā)電機(jī)或者重型機(jī)械的輸電線等。

以太網(wǎng)

就像我們之前說(shuō)的，以太網(wǎng)（Ethernet）是一系列標(biāo)準(zhǔn)的合集，其中之一就是不同的接線規(guī)格：10BASE-T，100BASE-TX，1000BASE-T 等等。

以太網(wǎng)協(xié)議也定義了每個(gè)比特（1 和 0）如何在線纜上傳輸，以及如何將這些比特流組合為有意義的數(shù)據(jù)幀。例如，以太網(wǎng)規(guī)定每幀數(shù)據(jù)的前 56 個(gè)比特必須是交替出現(xiàn)的 1 和 0（即“前導(dǎo)碼”），接下來(lái) 8 個(gè)比特必須是 10101011（即幀起始標(biāo)志），再接下來(lái) 48 個(gè)比特是目標(biāo) MAC 地址，然后是 48 個(gè)比特的源 MAC 地址……直到整個(gè)數(shù)據(jù)幀被全部傳輸完畢。

接下來(lái)，我們將討論以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中不同規(guī)格的接線規(guī)格。

BASE T* 相關(guān)術(shù)語(yǔ)

本節(jié)講述的概念都與網(wǎng)線內(nèi)部的導(dǎo)線如何使用相關(guān)。例如，哪些用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，哪些用來(lái)接收數(shù)據(jù)，如何發(fā)送信號(hào)，以及電壓等級(jí)。

BASE T* 這一概念有三個(gè)組成部分，所以在我們講述特定的標(biāo)準(zhǔn)之前，先來(lái)單獨(dú)了解一下它們，以 100 BASE-T 為例：

100BASE-T 中的“100”

開(kāi)頭的數(shù)字表示網(wǎng)線每秒可以傳輸多少“兆（百萬(wàn)）”比特，即 Mbps。100Mbps 的網(wǎng)線理論上每秒可傳輸 100,000,000 個(gè)比特，大概每秒 12.5 兆字節(jié)（MBps），注意大寫(xiě)的 B 和小寫(xiě)的 b 分別代表字節(jié)和比特。

這一速率的網(wǎng)線有時(shí)被稱(chēng)為“快速以太網(wǎng)”，這是相較于 10Mbps 的“普通以太網(wǎng)”以及 1000Mbps 的“吉比特以太網(wǎng)”而言的。

100BASE-T 中的“BASE”

base 這個(gè)概念是“基帶”（baseband）信號(hào)的縮寫(xiě)，對(duì)應(yīng)的概念是“寬帶”（broadband）信號(hào)。這些概念剛出現(xiàn)的時(shí)候，其區(qū)別是：基帶在介質(zhì)中傳輸數(shù)字信號(hào)，寬帶在介質(zhì)中傳輸模擬信號(hào)。

數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的區(qū)別在于其可被解析的值個(gè)數(shù)。

模擬信號(hào)可以表示無(wú)數(shù)種不同的值，例如，我們可以用一根線上某個(gè)特定的電壓值來(lái)表示一個(gè)綠色的像素點(diǎn)，而另一個(gè)電壓值來(lái)表示紅色的像素點(diǎn)，以此類(lèi)推，這樣，這根線就能傳輸一張圖片上的每一個(gè)像素點(diǎn)。

數(shù)字信號(hào)可以表示有限個(gè)不同的值，通常就兩個(gè)：1 和 0。如果上述的圖片用一根數(shù)字信號(hào)線來(lái)傳輸?shù)脑挘覀儠?huì)傳輸一系列 1 和 0 的信號(hào)流。接收端可以解析這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)為一系列數(shù)字，例如基于 RGB 顏色編碼，就能構(gòu)造出每一個(gè)像素點(diǎn)。

也就是說(shuō)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的主要區(qū)別就是，模擬信號(hào)線上可獲得無(wú)窮多中不同的值，而數(shù)字信號(hào)線上，要么是 0，要么是 1，不可能出現(xiàn)第三種情況。

如此一來(lái)，數(shù)字信號(hào)傳輸具有更高的容錯(cuò)率，因?yàn)閷?dǎo)線上的電壓范圍只被分為了兩種情況（1 或者 0）。

譯者按：原文在此處舉了更多的例子來(lái)詳細(xì)闡述“模擬信號(hào)”和“數(shù)字信號(hào)”的區(qū)別，但譯者認(rèn)為過(guò)于冗余，故略去這部分篇幅。

100BASE-T 中的“-T”

“-T”表示其為雙絞線（Twisted Pair）。相似的標(biāo)準(zhǔn)還有“-2”及“-5”，表示其是最大長(zhǎng)度為 200 和 500 米的同軸電纜，以及“-SR”和“-LR”，表示其為短距離（Short Range）和長(zhǎng)距離（Long Range）光纖。

以上解釋了 BASE T* 相關(guān)術(shù)語(yǔ)的三個(gè)獨(dú)立部分，我們現(xiàn)在可以探討下快速以太網(wǎng)的兩個(gè)重要規(guī)范（對(duì)于吉比特以太網(wǎng)的相關(guān)規(guī)范，我們會(huì)在后文繼續(xù)探討）：

100BASE-T4

100BASE-T4 使用了網(wǎng)線中全部 4 對(duì) 8 根線。其中一對(duì)僅僅用于發(fā)送信號(hào)（TX），一對(duì)僅僅用于接收信號(hào)（RX）。剩下兩對(duì)既可以用于 RX 也可以用于 TX，這通過(guò)網(wǎng)線兩端設(shè)備的協(xié)商來(lái)決定具體用途。

T4 是雙絞線早期的標(biāo)準(zhǔn)之一，但由于其過(guò)于復(fù)雜且必要性不強(qiáng)，如今已很少使用。

100BASE-TX

100BASE-TX 只使用了網(wǎng)線中的 2 對(duì) 4 根線，其中一對(duì)用于 TX，另一對(duì)用于 RX，剩下兩根線沒(méi)有使用。你完全可以做一根只有 4 根線的網(wǎng)線以實(shí)現(xiàn) 100BASE-TX 的所有功能，只要插口觸點(diǎn)位置正確即可（位號(hào)1，2，3，6），但通常網(wǎng)線鋪設(shè)過(guò)程中，另外 4 根線也保留了下來(lái)，用于占位，并適配未來(lái)可能的場(chǎng)景升級(jí)。

100BASE-TX （包括全部 8 根線）是如今最常用的快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。但是，它通常被簡(jiǎn)寫(xiě)成了 100BASE-T。再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，T 只表示其為雙絞線，而 TX 才表示其使用了 1&2 及 3&6 兩對(duì)線。

以上介紹可從實(shí)用性和技術(shù)性的角度幫讀者理解相關(guān)概念。而在實(shí)際情況中，即使你不理解原理，直接使用這些產(chǎn)品也非常簡(jiǎn)單，就算犯一些小錯(cuò)誤，也是允許的。

為什么使用交叉線

網(wǎng)上能找到很多“交叉線”及“直通線”應(yīng)用場(chǎng)景的相關(guān)教程，但他們一般很少解釋其原理。本節(jié)我們會(huì)深入探討一下相關(guān)概念。

100BASE-TX 及 10BASE-T 標(biāo)準(zhǔn)中定義的網(wǎng)線，都包含 8 根導(dǎo)線，兩兩以雙絞線的形式結(jié)合為 4 對(duì)。

在這四對(duì)線中，實(shí)際只用到兩對(duì)：第 2、3 對(duì)。每根線都是單工的介質(zhì)，也就是說(shuō)，信號(hào)只能按照指定的單方向傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)全雙工通訊，某對(duì)線將始終沿某個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)，而另一對(duì)線將始終沿相反的方向傳輸數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)接口卡（Network Interface Card）（NIC）的配置會(huì)決定哪對(duì)線用于發(fā)送數(shù)據(jù)，哪對(duì)線用于接收數(shù)據(jù)。

使用第 2 對(duì)線（1 號(hào)和 2 號(hào)引腳）發(fā)送數(shù)據(jù)（TX）、且使用第 3 對(duì)線（3 號(hào)和 6 號(hào)引腳）接收（RX）數(shù)據(jù)的的 NIC 被稱(chēng)作介質(zhì)相關(guān)接口（Media Dependent Interface）（MDI），與之相反，使用第 3 對(duì)線作為 RX、第 2 對(duì)線作為 TX 的 NIC 被稱(chēng)為交叉模式介質(zhì)相關(guān)接口（Media Dependent Interface Crossover）（MDI-X）。

電腦之間直連通訊

假設(shè)一臺(tái)電腦使用 MDI 模式的 NIC ，那么它就總是用第 2 對(duì)線發(fā)送數(shù)據(jù)，用第 3 對(duì)線接收數(shù)據(jù)。但如果兩臺(tái)用網(wǎng)線連接在一起的電腦都用第 2 對(duì)線發(fā)送數(shù)據(jù)，那么就會(huì)產(chǎn)生沖突。與此同時(shí)，兩臺(tái)電腦也都無(wú)法從第 3 對(duì)線上接收到數(shù)據(jù)。

因此，網(wǎng)線對(duì)需要交叉一下，以便從一臺(tái)電腦的第 2 對(duì)線發(fā)送的數(shù)據(jù)，會(huì)被另一臺(tái)電腦的第 3 對(duì)線接收到，反之亦然。

下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的示意（無(wú)需在意示意圖中線的顏色，這只是為了區(qū)分兩個(gè)不通的路徑而已）：

注意，兩臺(tái)電腦都在獨(dú)立的通道上發(fā)送數(shù)據(jù)，并且依靠交叉線機(jī)制（如圖所示中間的 X），兩臺(tái)電腦都能接收到對(duì)方發(fā)送的數(shù)據(jù)。

因此，兩臺(tái)電腦直連后，必須使用交叉線才能通訊。

電腦之間通過(guò)交換機(jī)通訊

交換機(jī)使得同一網(wǎng)絡(luò)下兩臺(tái)電腦的通訊變得更簡(jiǎn)單。交換機(jī)的 NIC 都采用 MDI-X 標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)，交換機(jī)總是在第 3 對(duì)線上發(fā)送數(shù)據(jù)，在第 2 對(duì)線上接收數(shù)據(jù)（與電腦的 NIC 相反）。

也就是說(shuō)，交換機(jī)內(nèi)部有一個(gè)交叉的機(jī)制，網(wǎng)線本身也就不需要交叉了：

可見(jiàn)，連接在交換機(jī)上的電腦可以直接使用直通線，讓交換機(jī)處理線序交叉即可。端到端的通訊路徑也是一樣的：每個(gè)設(shè)備都在自己的 TX 線上發(fā)送數(shù)據(jù)，在 RX 線上接收數(shù)據(jù)。

電腦之間通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的交換機(jī)

我們剛剛討論了，兩臺(tái)電腦直連，需要使用交叉線；類(lèi)似的，兩臺(tái)交換機(jī)之間也需要交叉線：

在這種情況下，端到端的通訊路徑也與上述方式無(wú)異。

路由器與集線器

那么，路由器和集線器呢？他們用了怎樣的 NIC ？

實(shí)際情況是，路由器與電腦類(lèi)似，使用了 MDI 標(biāo)準(zhǔn)（第 2 對(duì)線是 TX，第 3 對(duì)線是 RX），因此，你可以將上述圖片中的任意電腦換成路由器，通訊路徑分析也是一樣的。

而集線器與交換機(jī)類(lèi)似，使用 MDI-X 標(biāo)準(zhǔn)。

譯者按：此處的“路由器”是狹義上僅具有“路由”功能的設(shè)備，不等于常見(jiàn)的家用無(wú)線路由器

以太網(wǎng)線序圖

前文講到，RJ45 的導(dǎo)線顏色有兩種標(biāo)準(zhǔn)：T568a 和 T568b。雙絞線兩側(cè)所使用的標(biāo)準(zhǔn)決定了其是交叉線還是直通線。

要想做一根直通線，只要保證線兩端的標(biāo)準(zhǔn)一致就行了，都是 T568a 或者都是 T568b：

要想做一根交叉線，只需其中一端為 T568a，另一端為 T568b 即可。

注意，第 1 對(duì)線和第 4 對(duì)線沒(méi)有使用（藍(lán)色對(duì)和棕色對(duì)）。理論上你的網(wǎng)線中可以去掉這幾根線，但是去掉之后剩下的線排列起來(lái)有些困難。

另外，這兩對(duì)線因?yàn)橛貌坏剑詿o(wú)需交叉。但是，吉比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)需要用到全部 8 根線，所以為了一致性，通常所有網(wǎng)線對(duì)都被交叉。我們會(huì)在后文討論吉比特以太網(wǎng)。

最后需要注意的是，數(shù)據(jù)信號(hào)本身并不在乎導(dǎo)線的顏色，只要它們連在了正確的接口上就能通訊。但能用不代表就是一個(gè)好主意，顏色亂接的話，后續(xù)維護(hù)起來(lái)就是噩夢(mèng)。

助記圖

綜上所述，我們可以把交叉線和直通線的用法畫(huà)作一張圖：

之所以這么擺放，是因?yàn)檫@樣畫(huà)起來(lái)更方便。我們把 L1、L2 層的設(shè)備畫(huà)在左右兩側(cè)，L3 層設(shè)備畫(huà)在上下兩邊，然后兩兩連接。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層請(qǐng)參見(jiàn) OSI 模型。

小結(jié)一下：

lL1/L2 層設(shè)備互相連接，需要交叉線；

lL1/L2 層設(shè)備與 L3 層設(shè)備連接，需要直通線；

lL3 層設(shè)備互相連接，需要交叉線。

或者更簡(jiǎn)單：

l同則交叉

l異則直通

自動(dòng) MDI-X

即使知道了什么時(shí)候該用直通線，什么時(shí)候該用交叉線，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)工程師來(lái)說(shuō)，布線也常常是個(gè)頭疼的事情。

于是，出現(xiàn)了一個(gè)新技術(shù)，可以自動(dòng)分析兩臺(tái)設(shè)備的接口模式，并決定是否要交叉 TX/RX。這個(gè)技術(shù)叫做“自動(dòng) MDI-X”。

使用自動(dòng) MDI-X 技術(shù)，任意兩臺(tái)設(shè)備之間都可以通過(guò)直通線連接，并讓兩端動(dòng)態(tài)確定是否需要交叉 TX 和 RX。

自動(dòng) MDI-X 是 100BASE-T 實(shí)現(xiàn)中的一個(gè)可選功能，而在所有吉比特以太網(wǎng)設(shè)備中是必須的。

自動(dòng) MDI-X 的工作原理

那么，自動(dòng) MDI-X 是如何實(shí)現(xiàn)的？?jī)啥说脑O(shè)備如何確定哪對(duì)線是 TX 或 RX？如果有必要的話，哪一邊的設(shè)備會(huì)交換 TX 和 RX？本節(jié)會(huì)介紹其內(nèi)部工作原理。

記住，交叉線的目的是讓一方的 TX 連接到另一方的 RX。也就是說(shuō)，一方的 NIC 必須用 MDI 標(biāo)準(zhǔn)，另一方必須是 MDI-X 標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng) MDI-X 是這樣實(shí)現(xiàn)這一功能的：

雙方都先生成 1-2047 中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)是奇數(shù)，那么這一方會(huì)將自己的 NIC 配置為 MDI-X 模式；如果是偶數(shù)，則配置為 MDI 模式。而后雙方就開(kāi)始在其所選擇的 TX 線上發(fā)送連接脈沖信號(hào)。

如果雙方都能在自己的 RX 線上收到對(duì)方的連接脈沖，那么就代表協(xié)商完成，因?yàn)殡p方都能在 TX 線上發(fā)，在 RX 線上收。

如果雙方都不能收到對(duì)方的連接脈沖，那么它們肯定都隨機(jī)到了奇數(shù)或都隨機(jī)到了偶數(shù)。因此，它們中的某一方必須將自身的 TX 和 RX 交換。

但是雙方不能同時(shí)交換 TX 和 RX，因?yàn)檫@樣一來(lái)依然是沖突的。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，以隨機(jī)的時(shí)間間隔切換 TX/RX 對(duì)，直到雙方成功協(xié)商。

前文提到隨機(jī)生成的數(shù)字（1-2047）會(huì)循環(huán)變化，以便雙方能選擇一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)（MDI 或者 MDI-X）。但是這個(gè)數(shù)字不能每次加 1，因?yàn)檫@樣的話，雙方都會(huì)從奇數(shù)變?yōu)榕紨?shù)，或者偶數(shù)變?yōu)槠鏀?shù)。換句話說(shuō)，如果雙方一開(kāi)始都選擇了 MDI 模式，如果同時(shí)加 1，它們都會(huì)切換為 MDI-X 模式，依然無(wú)法協(xié)商。

所以，這個(gè)隨機(jī)數(shù)使用了叫“線性反饋移位寄存器”的設(shè)備以實(shí)現(xiàn)循環(huán)變化。

線性反饋移位寄存器（Linear-Feedback Shift Register）（LFSR）是一種算法，它會(huì)循環(huán)遍歷某個(gè)范圍內(nèi)的所有數(shù)字，而且在每一個(gè)循環(huán)內(nèi)不會(huì)重復(fù)。這些數(shù)字以一種可預(yù)測(cè)的、但隨機(jī)的順序循環(huán)出現(xiàn)（也就是說(shuō)，它們不按照大小順序依次出現(xiàn)，但出現(xiàn)的位置是確定的）。

舉個(gè)例子，如果雙方隨機(jī)的初始值分別為 1000 和 2000，那么它們?cè)?LFSR 序列中下一個(gè)數(shù)字的奇偶性是完全隨機(jī)的。但如果雙方隨機(jī)到了同一個(gè)初始值，那么它們之后隨機(jī)出來(lái)的數(shù)字依然是一樣的。

這個(gè)過(guò)程會(huì)一直持續(xù)下去，直到雙方成功協(xié)商。

現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了，萬(wàn)一雙方隨機(jī)到了相同的數(shù)字，然后循環(huán)的時(shí)間間隔也一樣呢？我們可以簡(jiǎn)單計(jì)算一下出現(xiàn)這種情況的幾率：

雙方隨機(jī)到相同數(shù)字的幾率是 1/2047，雙方選擇相同時(shí)間間隔的幾率是 1/4，也就是說(shuō)，雙方同時(shí)切換 MDI/MDI-X 標(biāo)準(zhǔn)的幾率是 1/8188。

循環(huán)每大概 62ms 運(yùn)行一遍，也就是說(shuō)，每秒有大概 16 個(gè)循環(huán)（每次循環(huán)開(kāi)始時(shí)都會(huì)重新隨機(jī)一次）。那么雙方在 1 秒之內(nèi)始終是相同的循環(huán)時(shí)間的幾率是 1/4,294,967,296 （42 億分之一，1/2^32）。因此，二者結(jié)合，雙方在一秒內(nèi)始終隨機(jī)到相同的隨機(jī)數(shù)、且時(shí)間間隔也一樣的幾率是 1/8,791,798,054,912 （8.7萬(wàn)億），這種事情幾乎不可能發(fā)生，就算發(fā)生了，你再等一秒就行了。

為什么使用雙絞線

在網(wǎng)絡(luò)的物理連線上使用雙絞線似乎毋庸置疑。但是，為什么呢？是什么源于讓雙絞線在網(wǎng)絡(luò)布線選擇中處于主導(dǎo)地位？

有兩個(gè)主要的原因，且都與電磁干擾（Electromagnetic Interference）（EMI）相關(guān)：

1.使用雙絞線可以極大減少導(dǎo)線向外輻射電磁干擾；

2.使用雙絞線可以減少外部電磁干擾對(duì)導(dǎo)線本身的影響。

如果網(wǎng)線需要長(zhǎng)距離與其他各種線纜捆綁在一起布置（比如數(shù)據(jù)中心或者配電箱），以上兩個(gè)特性都是非常重要的。

減少 EMI 向外輻射

只要導(dǎo)線中有電流信號(hào)，那就一定會(huì)輻射 EMI，進(jìn)而影響到周?chē)木€纜——也就是通常所說(shuō)的“串?dāng)_”。EMI 輻射可以通過(guò)額外的屏蔽裝置補(bǔ)償?shù)簦谴竺ΧΦ?nbsp;貝爾先生 發(fā)明了抵消電磁干擾的絕妙方法。

他的想法是使用兩根導(dǎo)線，其中一根發(fā)送原始信號(hào)，另一根發(fā)送與原始信號(hào)完全相反的信號(hào)。如此一來(lái)，兩根線會(huì)輻射恰好反向的 EMI，也就互相抵消了。

簡(jiǎn)單解釋一下，如果一根線發(fā)送 +10V 的電壓，并輻射了 +0.01V 的 EMI；而另一根線同時(shí)發(fā)送 -10V 的電壓，并輻射了 -0.01V 的 EMI。它們的 EMI 加起來(lái)就是 0。

在電氣工程中，這兩根線通常被稱(chēng)為“差分對(duì)”，可以用 TX+ 和 TX- 來(lái)表示。

這一發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)不需要大量屏蔽的布線方案，也是當(dāng)前非屏蔽線得以大量使用的原因之一。

但現(xiàn)在我們只回答了“雙絞線”中的“雙”，至于為什么還要“絞”，我們繼續(xù)往下看：

減少外部 EMI 的吸收

即使采用了上述的“差分線”，我們也無(wú)法避開(kāi)所有外部的電磁干擾。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、衛(wèi)星通訊以及手機(jī)等都會(huì)成為空間中雜散的無(wú)線電波來(lái)源。

但幸好貝爾又出現(xiàn)了，并設(shè)計(jì)了一種非常簡(jiǎn)單卻很有效的方案以屏蔽電磁干擾。

這一設(shè)計(jì)基于 EMI 的一個(gè)基本概念：離 EMI 輻射源越近，收到的干擾越強(qiáng)。如果兩根線交替著靠近 EMI 輻射源，它們就能吸收同樣多的輻射。如下圖所示：

藍(lán)色線的初始電壓是 +50V，綠線與之相反為 -50V。EMI 輻射源為圖中的紅圈，一圈圈向外輻射，離中心越遠(yuǎn)的圈層干擾電壓越小。如果簡(jiǎn)單將圖中每根線上繪制的點(diǎn)受到的干擾電壓相加，會(huì)發(fā)現(xiàn)兩根線都增加了 22V 的電壓。

盡管上圖導(dǎo)線右側(cè)的電壓與左側(cè)的不同，但是兩根導(dǎo)線之間的電壓差卻總是一致的，一直都是 100V。EMI 對(duì)兩根導(dǎo)線的影響是等同的。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算與變換，即可根據(jù)最終的 100V 電壓差得到初始信號(hào)分別為 +50V 和 -50V，如下圖所示：

提醒一下，以上 EMI 干擾相關(guān)電壓數(shù)值被嚴(yán)重夸大了。實(shí)際上，正常情況下 EMI 帶來(lái)的電壓擾動(dòng)是微伏（μV）級(jí)別的，即 1/1000,000 V。但原理依然是一樣的。

發(fā)送比特位

上文講到，網(wǎng)線中的數(shù)據(jù)是以數(shù)字信號(hào)的方式發(fā)送的，也就是一串 1 和 0 的數(shù)據(jù)流。但雙絞線具體是如何發(fā)送數(shù)據(jù)的呢？我們接下來(lái)會(huì)用一個(gè)簡(jiǎn)化的模型來(lái)解釋一下。

發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是在某段時(shí)間內(nèi)，給導(dǎo)線加上變化的電壓。收發(fā)雙方會(huì)先協(xié)商好一個(gè)時(shí)鐘頻率，以確定傳輸?shù)拿恳粏挝坏碾妷盒盘?hào)將維持多長(zhǎng)時(shí)間。簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們稱(chēng)之為“位號(hào)”。在給定的時(shí)間點(diǎn)，每一個(gè)位號(hào)只能表示線上傳輸?shù)?0 或者 1。

不同的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)規(guī)定不同的電壓等級(jí)，但由于我們簡(jiǎn)化了模型，所以不用管真正的電壓是多少。但我們依然會(huì)使用 100BASE-TX 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的電壓等級(jí)，即 +2.5V 和 -2.5V。

如果要在某個(gè)位號(hào)上發(fā)送比特 1，發(fā)送方會(huì)向 TX+ 線上施加 +2.5V 電壓；如果要發(fā)送比特 0，就向 TX+ 線上發(fā)送 -2.5V 電壓。

而 TX- 線則始終相反，比特 1 是 -2.5V，比特 0 是 +2.5V。

下表是發(fā)送 110010101110 二進(jìn)制序列的相關(guān)情況：

注意上圖不是網(wǎng)線的實(shí)體布局，只代表 TX+ 和 TX- 線上交替變化的電壓信號(hào)。雙絞線實(shí)際是均勻纏繞的。

就像之前講到的，每對(duì)中的兩根線上的電壓總是互為相反量，一切都很整齊，且在水平方向上是對(duì)稱(chēng)的。

現(xiàn)在假設(shè)網(wǎng)線附近有 EMI 輻射源，我們?cè)谏媳碇刑砑右恍性肼晹?shù)據(jù)，然后看看最終會(huì)變成什么樣：

注意到，現(xiàn)在這幅圖已經(jīng)不再對(duì)稱(chēng)了。兩根線仍然發(fā)送相反的電壓，但加了一個(gè)偏置量。

但是，接收端并不一定要完美的 +2.5V 和 -2.5V，它只需確定哪根線發(fā)送更高的電平。如果 TX+ 發(fā)送的是高電平，那么這個(gè)位號(hào)就表示 1，如果 TX- 是更高的電平，那么這個(gè)位號(hào)就表示 0。

或者更簡(jiǎn)單，如果上圖中藍(lán)線在上面，就代表 1，黃線在上面，就代表 0。

通過(guò)這種方式，接收端能一位一位地拼湊好整個(gè)數(shù)據(jù)，不管 EMI 對(duì)原始電平有怎樣的干擾。可見(jiàn)，非屏蔽線不能消除電磁干擾，但能消除電磁干擾的影響。

吉比特以太網(wǎng)

我們已經(jīng)詳細(xì)介紹了快速以太網(wǎng)（100Mbps），現(xiàn)在我們繼續(xù)討論一下吉比特以太網(wǎng)（千兆以太網(wǎng)，1000Mbps 或者 1Gbps）。

首要的區(qū)別就是，吉比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)需要用到全部 4 對(duì) 8 根線，不像百兆網(wǎng)只用到 2 對(duì)。因此，在制造吉比特以太網(wǎng)網(wǎng)線時(shí)，全部 4 對(duì)線都需要交叉。

前文講到，RJ45 有兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)：T-568a 和 T-568b。下圖描繪了 4 對(duì)線都交叉它們各自的樣子：

也就是說(shuō)，吉比特以太網(wǎng)需要自動(dòng) MDI-X。所以，你可以直接在千兆網(wǎng)絡(luò)中使用直通線，然后讓網(wǎng)卡自動(dòng)選擇是否需要交叉。

吉比特以太網(wǎng)有兩種布線標(biāo)準(zhǔn)：

1000BASE-TX

此標(biāo)準(zhǔn)使用了全部 4 對(duì)線，但規(guī)定了其中兩對(duì)線為 TX，另外兩對(duì)線為 RX。

理論上講，這比 1000BASE-T 更簡(jiǎn)單，但是這需要更昂貴的 Cat6 網(wǎng)線，而不是常見(jiàn)的 Cat5 或 Cat5e 網(wǎng)線。因此，1000BASE-TX 在實(shí)際部署中并不常見(jiàn)。

1000BASE-T

這是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的吉比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。它以全雙工模式同時(shí)使用了全部 4 對(duì)線，也就是說(shuō)每對(duì)線都可以同時(shí)用作 RX 和 TX。這是通過(guò)“回聲消除”技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，我們會(huì)在下一節(jié)詳細(xì)闡述。

使用這種線序標(biāo)準(zhǔn)的最大優(yōu)勢(shì)是，你可以在現(xiàn)有的 Cat5e 網(wǎng)線上跑到千兆，而無(wú)需升級(jí)到更貴的 Cat6 網(wǎng)線。

1000BASE-T 經(jīng)常被錯(cuò)誤地指代 1000BASE-TX。這可能是因?yàn)樵诳焖僖蕴W(wǎng)協(xié)議中，占主導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)是 100BASE-TX。另外很多時(shí)候，線纜標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)常合起來(lái)稱(chēng)作 10/100/1000 BASE-TX。實(shí)際上，各個(gè)不同速率下，占主導(dǎo)的以太網(wǎng)協(xié)議分別是 10BASE-T、100BASE-TX 以及 1000BASE-T。

在同一對(duì)線上實(shí)現(xiàn)全雙工

上節(jié)說(shuō)到，1000BASE-T 標(biāo)準(zhǔn)可以在同一對(duì)線上同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在本節(jié)我們將解釋這是如何實(shí)現(xiàn)的。首先，我們來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)比。

你應(yīng)該有過(guò)這樣的經(jīng)歷：在跟別人通電話時(shí)，如果對(duì)方開(kāi)了免提，你就能在聽(tīng)筒中聽(tīng)到自己的聲音。這是因?yàn)槟愕穆曇魪膶?duì)方的揚(yáng)聲器中發(fā)出，在空間中遇到障礙物反射，又被對(duì)方的麥克風(fēng)接收。這就叫做回聲。

高端的電話可以從麥克風(fēng)收到的聲波中剔除揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波——這個(gè)技術(shù)就叫做回聲消除。

回聲消除也是吉比特以太網(wǎng)能夠在同一對(duì)線上同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。基本原理就是，如果你知道你發(fā)送了什么信號(hào)，那么你就能從你收到的信號(hào)中將其剔除。

前文講到，發(fā)送信號(hào)本質(zhì)上是往導(dǎo)線上施加電壓。反之，接收信號(hào)就是讀取導(dǎo)線上的電壓值。

如果發(fā)送方往某根導(dǎo)線上施加了以下電壓：

+0.5V, +1V, -2V, -1V

同時(shí)，也是發(fā)送方，它在同一個(gè)導(dǎo)線上讀取到了以下電壓值：

+1.5V, 0V, -2.5V, +1V

那么，發(fā)送方可做一個(gè)減法，用讀取值減去其發(fā)送的值，這樣就能得到對(duì)方往這根線上加了多高的電壓：

+1V, -1V, -0.5V, +2V

如此一來(lái)，同一根線就能在同一時(shí)間，同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。

再次強(qiáng)調(diào)，上述電壓值僅僅為了解釋原理，實(shí)際情況下，電壓值可能完全不同，還會(huì)包含 EMI 等。同時(shí)，我們剛剛只討論了雙絞線中的一根線，另一根線仍然會(huì)承載反向的電壓。

使用這種技術(shù)，全部 4 對(duì)線都可被同時(shí)用作 TX 和 RX。另外與前面幾節(jié)的討論相同，由于采用了雙絞線，它們都還會(huì)消除入方向和出方向的 EMI。

總結(jié)

讀到這里，你應(yīng)該對(duì)以太網(wǎng)和雙絞線的知識(shí)點(diǎn)有一個(gè)宏觀的理解了。這些年我們學(xué)習(xí)并整理出了這篇文章，原來(lái)看似簡(jiǎn)單的網(wǎng)線居然囊括了這么多技術(shù)點(diǎn)，現(xiàn)在感覺(jué)很對(duì)不起那些被我隨便就扔掉的網(wǎng)線了。

以太網(wǎng)線充滿了許多我們本以為理所當(dāng)然的技術(shù)，但實(shí)際卻很復(fù)雜。本文為了便于理解，也省略了很多細(xì)節(jié)，如果讀者有興趣可以繼續(xù)研究。


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