當(dāng)我們談到“以太網(wǎng)”的時候，我們可能會討論各種概念，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）是如何傳遞的，也規(guī)定了如何將電平信號解析為數(shù)據(jù)幀。

本來，此文只想簡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，我們覺得應(yīng)該更深入一些。

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

術(shù)語解釋

即使你剛接觸網(wǎng)絡(luò)通信不久，也應(yīng)該聽說了很多網(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 個卡口位（Position）和 8 個觸點（Contacts）。這也定義了此塑料透明接口的外形設(shè)計和尺寸。

RJ45

標(biāo)準(zhǔn)插座接口（Registered Jack）第 45 號標(biāo)準(zhǔn)定義了線纜中導(dǎo)線的個數(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：

請注意，兩個標(biāo)準(zhǔn)唯一的實際區(qū)別是第 2 對線和第 3 對線的顏色不同。

很多人經(jīng)常用 RJ45 來指代 8P8C 插口，但這是不對的。還有另一種叫 RJ61 的類似標(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 根獨立的導(dǎo)線，其中每兩根作為一對，每對的兩根線互相絞繞在一起。由此得到 4 對導(dǎo)線，每對導(dǎo)線作為一個數(shù)據(jù)傳輸通道。

導(dǎo)線成對出現(xiàn)這一概念很重要，我們在后文中會講到，簡而言之，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 對導(dǎo)線，也就是 4 個獨立的數(shù)據(jù)通道。

非屏蔽線

非屏蔽線（Unshielded Twisted Pair）（UTP）在實際工程部署中更為常見。它對外部的電磁噪聲沒有額外的防護(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)點使得非屏蔽線在大多數(shù)場合更受歡迎。

屏蔽線

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

但同時，如果屏蔽殼的某個地方出現(xiàn)了破損，或者屏蔽殼在網(wǎng)線兩端沒有都良好接地，它自身可能會成為一個天線，并且會因為空間中隨處可見的無線電波（比如 Wi-Fi 信號）而給信號傳輸帶來額外的電磁噪聲。

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，因為如果屏蔽線被過度彎曲的話，其屏蔽殼很容易破損。因此，屏蔽線的使用場合比非屏蔽線少得多。

屏蔽線通常只會用在對電磁屏蔽高度敏感的場合，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 個比特必須是交替出現(xiàn)的 1 和 0（即“前導(dǎo)碼”），接下來 8 個比特必須是 10101011（即幀起始標(biāo)志），再接下來 48 個比特是目標(biāo) MAC 地址，然后是 48 個比特的源 MAC 地址……直到整個數(shù)據(jù)幀被全部傳輸完畢。

接下來，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

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，哪些用來發(fā)送數(shù)據(jù)，哪些用來接收數(shù)據(jù)，如何發(fā)送信號，以及電壓等級。

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

100BASE-T 中的“100”

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

這一速率的網(wǎng)線有時被稱為“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 這個概念是“基帶”（baseband）信號的縮寫，對應(yīng)的概念是“寬帶”（broadband）信號。這些概念剛出現(xiàn)的時候，其區(qū)別是：基帶在介質(zhì)中傳輸數(shù)字信號，寬帶在介質(zhì)中傳輸模擬信號。

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

模擬信號可以表示無數(shù)種不同的值，例如，我們可以用一根線上某個特定的電壓值來表示一個綠色的像素點，而另一個電壓值來表示紅色的像素點，以此類推，這樣，這根線就能傳輸一張圖片上的每一個像素點。

數(shù)字信號可以表示有限個不同的值，通常就兩個：1 和 0。如果上述的圖片用一根數(shù)字信號線來傳輸?shù)脑挘覀儠鬏斠幌盗?1 和 0 的信號流。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)造出每一個像素點。

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

如此一來，數(shù)字信號傳輸具有更高的容錯率，因為導(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詳細(xì)闡述“模擬信號”和“數(shù)字信號”的區(qū)別，但譯者認(rèn)為過于冗余，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）和長距離（Long Range）光纖。

以上解釋了 BASE T* 相關(guān)術(shù)語的三個獨立部分，我們現(xiàn)在可以探討下快速以太網(wǎng)的兩個重要規(guī)范（對于吉比特以太網(wǎng)的相關(guān)規(guī)范，我們會在后文繼續(xù)探討）：

100BASE-T4

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

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 4 根線，其中一對用于 TX，另一對用于 RX，剩下兩根線沒有使用。你完全可以做一根只有 4 根線的網(wǎng)線以實現(xiàn) 100BASE-TX 的所有功能，只要插口觸點位置正確即可（位號1，2，3，6），但通常網(wǎng)線鋪設(shè)過程中，另外 4 根線也保留了下來，用于占位，并適配未來可能的場景升級。

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，它通常被簡寫成了 100BASE-T。再強(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 兩對線。

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

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

為了實現(xiàn)全雙工通訊，某對線將始終沿某個方向傳輸數(shù)據(jù)，而另一對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）的配置會決定哪對線用于發(fā)送數(shù)據(jù)，哪對線用于接收數(shù)據(jù)。

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

電腦之間直連通訊

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

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

下圖是一個簡單的示意（無需在意示意圖中線的顏色，這只是為了區(qū)分兩個不通的路徑而已）：

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

因此，兩臺電腦直連后，必須使用交叉線才能通訊。

電腦之間通過交換機(jī)通訊

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

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

可見，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)。

電腦之間通過兩個串聯(lián)的交換機(jī)

我們剛剛討論了，兩臺電腦直連，需要使用交叉線；類似的，兩臺交換機(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 ？

實際情況是，路由器與電腦類似，使用了 MDI 標(biāo)準(zhǔn)（第 2 對線是 TX，第 3 對線是 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，不等于常見的家用無線路由器

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 對線和第 4 對線沒有使用（藍(lán)色對和棕色對）。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有些困難。

另外，這兩對線因為用不到，所以無需交叉。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)線對都被交叉。我們會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好主意，顏色亂接的話，后續(xù)維護(hù)起來就是噩夢。

助記圖

綜上所述，我們可以把交叉線和直通線的用法畫作一張圖：

之所以這么擺放，是因為這樣畫起來更方便。我們把 L1、L2 層的設(shè)備畫在左右兩側(cè)，L3 層設(shè)備畫在上下兩邊，然后兩兩連接。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層請參見 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。

或者更簡單：

l同則交叉

l異則直通

自動 MDI-X

即使知道了什么時候該用直通線，什么時候該用交叉線，對于網(wǎng)絡(luò)工程師來說，布線也常常是個頭疼的事情。

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

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

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

自動 MDI-X 的工作原理

那么，自動 MDI-X 是如何實現(xiàn)的？兩端的設(shè)備如何確定哪對線是 TX 或 RX？如果有必要的話，哪一邊的設(shè)備會交換 TX 和 RX？本節(jié)會介紹其內(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，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 MDI-X 是這樣實現(xiàn)這一功能的：

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

如果雙方都能在自己的 RX 線上收到對方的連接脈沖，那么就代表協(xié)商完成，因為雙方都能在 TX 線上發(fā)，在 RX 線上收。

如果雙方都不能收到對方的連接脈沖，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。

但是雙方不能同時交換 TX 和 RX，因為這樣一來依然是沖突的。因此，我們設(shè)計了一個系統(tǒng)，以隨機(jī)的時間間隔切換 TX/RX 對，直到雙方成功協(xié)商。

前文提到隨機(jī)生成的數(shù)字（1-2047）會循環(huán)變化，以便雙方能選擇一個新的標(biāo)準(zhǔn)（MDI 或者 MDI-X）。但是這個數(shù)字不能每次加 1，因為這樣的話，雙方都會從奇數(shù)變?yōu)榕紨?shù)，或者偶數(shù)變?yōu)槠鏀?shù)。換句話說，如果雙方一開始都選擇了 MDI 模式，如果同時加 1，它們都會切換為 MDI-X 模式，依然無法協(xié)商。

所以，這個隨機(jī)數(shù)使用了叫“線性反饋移位寄存器”的設(shè)備以實現(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，它會循環(huán)遍歷某個范圍內(nèi)的所有數(shù)字，而且在每一個循環(huán)內(nèi)不會重復(fù)。這些數(shù)字以一種可預(yù)測的、但隨機(jī)的順序循環(huán)出現(xiàn)（也就是說，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）。

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

這個過程會一直持續(xù)下去，直到雙方成功協(xié)商。

現(xiàn)在問題來了，萬一雙方隨機(jī)到了相同的數(shù)字，然后循環(huán)的時間間隔也一樣呢？我們可以簡單計算一下出現(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，雙方選擇相同時間間隔的幾率是 1/4，也就是說，雙方同時切換 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，每秒有大概 16 個循環(huán)（每次循環(huán)開始時都會重新隨機(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)、且時間間隔也一樣的幾率是 1/8,791,798,054,912 （8.7萬億），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導(dǎo)線本身的影響。

如果網(wǎng)線需要長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，那就一定會輻射 EMI，進(jìn)而影響到周圍的線纜——也就是通常所說的“串?dāng)_”。EMI 輻射可以通過額外的屏蔽裝置補(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，另一根發(fā)送與原始信號完全相反的信號。如此一來，兩根線會輻射恰好反向的 EMI，也就互相抵消了。

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

在電氣工程中，這兩根線通常被稱為“差分對”，可以用 TX+ 和 TX- 來表示。

這一發(fā)明可以實現(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”，我們也無法避開所有外部的電磁干擾。無線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、衛(wèi)星通訊以及手機(jī)等都會成為空間中雜散的無線電波來源。

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

這一設(shè)計基于 EMI 的一個基本概念：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。如果簡單將圖中每根線上繪制的點受到的干擾電壓相加，會發(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 對兩根導(dǎo)線的影響是等同的。經(jīng)過簡單的計算與變換，即可根據(jù)最終的 100V 電壓差得到初始信號分別為 +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。實際上，正常情況下 EMI 帶來的電壓擾動是微伏（μV）級別的，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？我們接下來會用一個簡化的模型來解釋一下。

發(fā)送數(shù)據(jù)信號，本質(zhì)上來說就是在某段時間內(nèi)，給導(dǎo)線加上變化的電壓。收發(fā)雙方會先協(xié)商好一個時鐘頻率，以確定傳輸?shù)拿恳粏挝坏碾妷盒盘枌⒕S持多長時間。簡便起見，我們稱之為“位號”。在給定的時間點，每一個位號只能表示線上傳輸?shù)?0 或者 1。

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

如果要在某個位號上發(fā)送比特 1，發(fā)送方會向 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)線的實體布局，只代表 TX+ 和 TX- 線上交替變化的電壓信號。雙絞線實際是均勻纏繞的。

就像之前講到的，每對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稱的。

現(xiàn)在假設(shè)網(wǎng)線附近有 EMI 輻射源，我們在上表中添加一行噪聲數(shù)據(jù)，然后看看最終會變成什么樣：

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

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，那么這個位號就表示 1，如果 TX- 是更高的電平，那么這個位號就表示 0。

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

通過這種方式，接收端能一位一位地拼湊好整個數(shù)據(jù)，不管 EMI 對原始電平有怎樣的干擾。可見，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 8 根線，不像百兆網(wǎng)只用到 2 對。因此，在制造吉比特以太網(wǎng)網(wǎng)線時，全部 4 對線都需要交叉。

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 對線都交叉它們各自的樣子：

也就是說，吉比特以太網(wǎng)需要自動 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 對線，但規(guī)定了其中兩對線為 TX，另外兩對線為 RX。

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

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使用了全部 4 對線，也就是說每對線都可以同時用作 RX 和 TX。這是通過“回聲消除”技術(shù)實現(xiàn)的，我們會在下一節(jié)詳細(xì)闡述。

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

1000BASE-T 經(jīng)常被錯誤地指代 1000BASE-TX。這可能是因為在快速以太網(wǎng)協(xié)議中，占主導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)是 100BASE-TX。另外很多時候，線纜標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)常合起來稱作 10/100/1000 BASE-TX。實際上，各個不同速率下，占主導(dǎo)的以太網(wǎng)協(xié)議分別是 10BASE-T、100BASE-TX 以及 1000BASE-T。

在同一對線上實現(xiàn)全雙工

上節(jié)說到，1000BASE-T 標(biāo)準(zhǔn)可以在同一對線上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在本節(jié)我們將解釋這是如何實現(xiàn)的。首先，我們來做一個簡單的類比。

你應(yīng)該有過這樣的經(jīng)歷：在跟別人通電話時，如果對方開了免提，你就能在聽筒中聽到自己的聲音。這是因為你的聲音從對方的揚(yáng)聲器中發(fā)出，在空間中遇到障礙物反射，又被對方的麥克風(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)能夠在同一對線上同時發(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，那么你就能從你收到的信號中將其剔除。

前文講到，發(fā)送信號本質(zhì)上是往導(dǎo)線上施加電壓。反之，接收信號就是讀取導(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，也是發(fā)送方，它在同一個導(dǎo)線上讀取到了以下電壓值：

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

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

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

如此一來，同一根線就能在同一時間，同時發(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，實際情況下，電壓值可能完全不同，還會包含 EMI 等。同時，我們剛剛只討論了雙絞線中的一根線，另一根線仍然會承載反向的電壓。

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

總結(jié)

讀到這里，你應(yīng)該對以太網(wǎng)和雙絞線的知識點有一個宏觀的理解了。這些年我們學(xué)習(xí)并整理出了這篇文章，原來看似簡單的網(wǎng)線居然囊括了這么多技術(shù)點，現(xiàn)在感覺很對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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