04_OSI_第一层：接通你的机器
网络协议那些事儿
内容简介 前言 双绞线 总结 1. 前言 上节课我们开始了 OSI 第一层（物理层）的学习，它的主要作用就是为通信提供传输媒介。
内容简介
1. 前言
上节课我们开始了 OSI 第一层（物理层）的学习，它的主要作用就是为通信提供传输媒介。也带着大家了解了一下同轴电缆的历史，知道了 10B5 和 10B2 型号的同轴电缆并不好用，有着这样那样的缺点。
直到有一天，一位网络管理员仰天长叹道：“10B5 和 10B2 同轴电缆实在是太难用了，一弯就断。像我这样的直男，纯爷们，该怎么办嘛？讨厌啦~ 有没有哪位大侠来救救我啊？”
这时，一位英雄大喊一声：“放开那个电缆，让我来！”
只见他三下五除二就快速完成了网络的搭建。人们纷纷问英雄的名称，只见英雄往下压了压帽檐，低声说道：“别问，问就双绞线！”
从此，网络管理员都爱上了双绞线，“曾经的真爱” 10B5 和 10B2 同轴电缆则被 “弃之如敝屣”。
当然了，上面的内容纯属杜撰哈~
但是双绞线的出现确实解决了很多问题，下面就让我们来见识下这位 "英雄"。
2. 双绞线
虽然叫作 “线”，但它里面包含更细的线。双绞线的全称应该是双绞线电缆。
双绞线的英语是 Twisted Pair，简称 TP。twisted 是 “绞在一起的，弯曲的” 的意思，pair 是 “偶数的，双的” 的意思。
双绞线和同轴电缆大不一样。同轴电缆里只有 1 根数据线，但是双绞线里面却有 8 根线！
这 8 根线，两两绞在一起，成双成对，这也是其名字的由来：双绞线。
下图是双绞线的一个示例：
也许你要问了：“为什么要用 8 根线呢？”
因为我们就是如此机智，如此有远见。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。
好的，那么今天我们只需要用双绞线中的一对线，也就是 2 根线即可传输信息了咯？
并不是。今天在大多数网络中，我们用两对线，也就是 4 根线。一对是用于发送数据，另一对则用于接收数据。因此，我们用到这 8 根线当中的 4 根。
目前也已经有一些技术，可以用到双绞线中多于 4 根的线。因此可以说，当初在双绞线里面 “塞进” 8 根线是明智之举。
也许你又要问了：“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。科学家研究表明，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。
那么双绞线是不是也有一个比较古怪的名字呢？就如同轴电缆有古怪的名字 10B2 或 10B5 一样。
是的，双绞线也有古怪的名字，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。
B 之前说过，是 Baseband 的首字母，表示 “基带”。T 是 twisted 的首字母，表示 “绞在一起的，弯曲的”。
我们之前说过，同轴电缆目前已经几乎没有被用到了，那么双绞线呢？
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。
那么，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，意思是 “注册的插座”。
请不要把 RJ45 接口和双绞线搞混了噢，我们不会称其为 “RJ45 线缆”，没有这种称谓。
下面就是一张 RJ45 接口的示意图。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。
上图表示 “RJ45 接口（公头）”。
你也许会问：“既然我们一般只用到双绞线里的 8 根线中的 4 根，那是不是可以随便用哪 4 根线呢？”
不是的。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）：
上图表示 “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）：
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集线器：英语是 “hub”。hub 本来是“中心” 的意思。
想象我们有一台机器 A（可以称其为 Machine A。machine 是英语 “机器” 的意思）和一台机器 B（可以称其为 Machine B），它们之间用 RJ45 接口相连，下图可以展示相连的情况：
上图表示 “RJ45 接口（直连）”。
那上图是不是存在问题呢？
是的，这样是行不通的。如果你还记得我们之前说过的，我们通常用 8 根线中的 4 根，其中每 2 根绞成一对。一对用来发送数据，一对用来接收数据。
但是，如果像上图所示的这样连线，那么 Machine A 的发送线就连接到 Machine B 的发送线，而 Machine A 的接收线就连接到 Machine B 的接收线（见下图），这样可行不通：
上图表示 “RJ45 接口（直连），标注了传输（Tx 和 Rx）”。Tx 是 Transmit 的缩写，表示 “发送”；Rx 是 Receive 的缩写，表示 “接收”。
既然上图的连线法行不通，那应该如何连线呢？
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：
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Machine A 的 1 号线和 Machine B 的 3 号线相连；
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Machine A 的 2 号线和 Machine B 的 6 号线相连；
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Machine A 的 3 号线和 Machine B 的 1 号线相连；
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Machine A 的 6 号线和 Machine B 的 2 号线相连。
线之间就好像交叉了一样。如下图所示（用彩色标识）：
上图表示 “RJ45 接口（交叉连接）”。
我们可以得出一个结论：为了直连两台机器，我们需要一个内部交叉的线缆。
你会说：“不对啊，我明明是用一根直直的线缆来连接我的电脑和我的网络盒子的啊”。
那有两种可能原因：
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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；
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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）：
上图表示 “RJ45 接口（直连），用了交换的方式”。
现在的网卡已经很先进了，你可以随意使用直连的线缆或者是交叉的线缆，而不必担心会出问题。当然了，只要你不用很老旧的设备，那些旧设备可能还不能自行交换发送和接收的连接。
我们之前说过，RJ45 的公头需要和一个母头相配合，才能实现连接。一般你在电脑的网卡接口处就可以看到 RJ45 的母头。
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，英语是 hub，hub 原来的意思是 “中心”。
我们来理清两个概念：
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。
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交换机：英语是 switch。switch 原来的意思是 “交换，调换”。
注意：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。
集线器上面有多个 RJ45 接口的母头，如下图所示：
集线器比较 “呆”，有点 “大嘴巴”，不过也还算好使。为什么这么说呢？
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。
关于双绞线，我们就暂时说到这里。时代总是在进步的，虽然现在双绞线还是比较常用，但是已经有比双绞线更好的线缆了，那就是光纤。尽管光纤比双绞线更贵，但是光纤能提供更高的传输速率。
篇幅关系，我们下一课再学习光纤，也会学习网络拓扑和 CSMA/CD 协议。
这两课确实有很多新概念，是挺难的。不过千万别硬记知识点，有些知识点并不是那么必要，只需要了解即可。大家可以阅读一些课外的扩充知识（比如文章里给出的一些链接），以便加深对知识点的理解。
3. 总结
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目前最常用的网线还是双绞线，配合 RJ45 接口一起使用；
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OSI 第一层（物理层）里用来互连各种机器的设备是集线器。交换机则是 OSI 第二层（数据链路层）的设备。
今天的课就到这里，一起加油吧！
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