05_光纤，网络拓扑和_CSMA_CD ## 网络协议那些事儿05_光纤，网络拓扑和_CSMA_CD 网络协议那些事儿

05_光纤，网络拓扑和_CSMA_CD

网络协议那些事儿

内容简介前言光纤网络拓扑 CSMA/CD 协议总结 1. 前言前面两课我们主要讲解了双绞线和 RJ45 接口，也提到了集线器的作用。

内容简介

1. 前言

前面两课我们主要讲解了双绞线和 RJ45 接口，也提到了集线器的作用。在最后，我们也提到了比双绞线更优越的光纤，现在我们就来揭开它的神秘面纱吧。紧接着，我们也会学习网络拓扑和 CSMA/CD 协议。

2. 光纤

光纤是光导纤维的简称，英语是 Optical Fiber。optical 是 “光学的，视觉的” 的意思，fiber 是 “纤维” 的意思。

光纤是一种由石英或塑料制成的纤维，所以使用光纤通信的成本比同轴电缆等要低很多。铺设 1000 公里的同轴电缆大约需要 500 吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英（主要成分是二氧化硅），几乎取之不尽。

下面是光纤的示意图：

下图展示了内含光纤的线缆，称为光缆（微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂）：

靠着光纤，我们就不再使用电来传输 0 和 1 这样的信号了，而是用光来传输。光纤的传输原理是光的全反射。

光纤通信主要由三个部分构成：

光在光导纤维的传导损耗比电在电线（例如我们之前学习的同轴电缆、双绞线等等）传导的损耗低得多。将电信号通过光发射机的光调制器变为光信号，沿光纤传输到数米甚至数千米远的地方，再将光信号由光接收机的光电二极管变为电信号。

我们不会深入讲解光纤的技术细节，但是会讲一些有用的知识点。如果你想要了解更多，可以看关于光纤的这个百度百科。

光纤的科学命名

如果同轴电缆和双绞线都有各自的科学命名，那光纤怎么能落后呢？

通常，光纤的科学命名是 1000BF。当然，也有其它的科学命名。

1000 表示传输速率为 1000 Mbps，就是 1000 兆比特每秒；
B 我们以前说过，是 Baseband 的首字母，表示 “基带”；
F 是 fiber 的缩写，表示 “纤维”，就是代指光纤。

光纤分为很多种，不过通常我们将其分为两大类：

单模光纤：Single Mode Fiber。mode 是英语 “模式，方式” 的意思。single 是英语 “单一的” 的意思；
多模光纤：Multi Mode Fiber。multi 是英语 “多，多个” 的意思。

单模光纤传输的光的波长是单一的，使用的是激光，颜色可以是绿色、蓝色、红色，等等。

多模光纤传输的光则是白光，包含各种波长。白光是各种光的组合，比如太阳光就是典型的白光。

你也许要问：“为什么有两种不同的光纤呢？”

因为这两种光纤的传输速率和传输距离是不一样的。事实上，单模光纤的性能比多模光纤更好。

你也许会说：“什么？一种波长的光竟然比所有波长的光加起来还要厉害？没有搞错吧？”

是的。在多模光纤中，白光会在光纤内部反射，但是每种颜色（对应每种波长）的光的反射是略有不同的。这就导致在接收端收到的光并不是完美的白光，因为每种颜色的光的到达时间略有不同。

这就好像你从手里扔出一把石子。在扔出去之前这些石子在你手里是成团的，但是你扔出去之后，这些石子会越来越分散，当它们落在远处时，已经相隔一定距离。如果你只扔一颗石子，因为只有一颗，所以当它落在远处时，也不可能分散。

因此，单模光纤的有效传输距离就比多模光纤远得多：

多模光纤的有效传输距离大概是 2 千米；
单模光纤的有效传输距离大概是 60 千米。

光纤传输的最大距离大概可以达到 8000 千米。我们正是这样，在大西洋的海底用光缆来连接欧洲和美国，每 60 千米重复传输一下光信号。

当今的光纤

目前，我们一般还不会用光纤来连接你的电脑和网络盒子，用的还是我们之前介绍过的双绞线。这是为什么呢？

首先是因为在家庭中，如果用光纤来连接电脑和网络盒子，那么匹配的所有接口必须是光卡口，即使在网络这么发达的今天，一个光口网卡的平均价格要比用双绞线的千兆网卡贵很多，将近 10 倍。

其次，目前一条几米的光纤的价格还是比同样长度的双绞线要贵 1 倍左右。

再者，光纤的信号传输载体是玻璃芯，即使光缆外面有外套保护，可以增加光纤的抗折性，都不能突破走直角的瓶颈。家装布线中，墙面和地面间的直角、墙面和网线面板之间的直角等，很可能造成线芯的损坏，网络不能正常使用，而双绞线却能轻松胜任。

然而，在你的网络盒子和提供网络服务的网络运营商（比如移动、电信、联通，等等）之间，现在已经有越来越多的家庭用光纤了。我自己家里就是用光纤来连接的上网盒子，下图就是我家里目前用的光纤网络盒子：

光纤被广泛应用在网络运营商的设备里，因为他们需要很高的通行带宽。光纤也被用在一些对互联网很重要的大公司里面。还有一些公司，里面会有一些产生电磁干扰的大型设备，比如很大的发动机，那么这些公司用光纤来通信就比较必要了，因为光纤对电磁干扰是免疫的。

好了，你现在对网络中的各种线缆已经有了不错的认知，至少对实体线缆是这样，因为还有 “虚拟的线缆”，我们指的是像 WiFi 这样的无线通信方式。然而，我们暂时不会讲解 WiFi 技术的细节。

现在既然我们已经大致学习了连接机器所需的所有设备，是时候来学习如何连接机器了，因为连接的方式不止一种。

网络拓扑

网络拓扑的英语是 Network Topology。network 是 “网络” 的意思，topology 是 “拓扑” 的意思。

3 种网络拓扑

拓扑（topology）这个词，有不少含义。

在网络领域，拓扑简单来说是表示 “机器互相连接的方式”。关于网络拓扑的更多细节，可以参看这篇百度百科。

网络拓扑其实有好几种，但一般来说分为三种：

总线拓扑：Bus Topology。bus 是 “总线，公共汽车” 的意思。总线拓扑中信息流的形式就很像公共汽车来回开动、到站停靠，每台连接总线的机器就像站台上等车的乘客；
环型拓扑：Ring topology。ring 是 “环，指环，环型的” 的意思；
星型拓扑：Star Topology。star 是 “星星，星型的” 的意思。

下面的图就演示了这三种网络拓扑，电脑代表互连的机器，线条则是代表线缆：

在总线拓扑中，所有的机器都连接到一条相同的线缆。我们之前学过的同轴电缆 10B5 和 10B2，一般就是用这种形式来互连机器的。

在环型拓扑中，所有的机器都连接到一条相同的线缆，但这条线缆自身是成环的。

在星型拓扑中，所有的机器都连接到一个中央机器，这个中央机器能够把信息发送到某个与它相连的特定的机器。这让我们联想到用双绞线将多台电脑连接到一个交换机，交换机就充当了中央机器的角色。

你也许要问了：“为什么要有这么多种网络拓扑结构呢？它们的区别在哪里呢？”

网络拓扑的特点

我们会逐个来研究这些网络拓扑结构，首先请记住：我们构建网络的很重要目标是尽可能连接更多的机器，尽可能让网络的尺寸或范围更大。

总线拓扑的特点

在总线拓扑中，机器之间如何互相通信呢？

在总线拓扑中，同一时间只能有一台机器发送信息（类似 “发言”），因为只有一条主线缆。大致说来，所有机器时刻监听着，如果没有任何机器发送信息，那我就可以发送信息。

在总线拓扑结构中，我们可以连接无限个机器吗？

不可以。原因很简单，总线拓扑中所有机器共用一根主线缆，而指定时刻又只允许一台机器发送信息。因此，机器数目越多，每台机器能发送信息的机会就越少。

就好比你和其他人一起在会议室里开会。人数越多，你获得发言的机会就越少。

用总线拓扑结构，我们可以构建尺寸无限的网络吗？

也不可以。主要是因为信息的传输时间。总线拓扑的主线缆越长，机器之间信息的传输就耗时越久。这就好比等公共汽车，公共汽车的行驶路径越长，每一站的乘客等公共汽车的时间就越久。

机器越多，同一时刻想要发送信息的机器就越多。网络的尺寸被限制，也是为了避免几台机器同时发送信息的冲突。

环型拓扑的特点

环型拓扑的通信方式比较特别，因为有一个 “令牌”（英语是 token）。每台机器只有持有令牌时，才可以发送信息。

就好比你和你的小伙伴们围坐成一个圆圈，你们之间交流就只能用一个小篮子，这个篮子由一个人递给另一个人，向着一个方向。为了和某个人讲话，你就得首先拿到小篮子，把你的信息写成纸条放在篮子里。你把篮子递给你边上的人，他 / 她先看一下纸条上写的收件人名字，如果是他 / 她，那么就读信息。如果不是他 / 她，就把篮子沿此方向递给下一个人。以此类推。

在环型拓扑结构中，我们可以连接无限个机器吗？

不可以。原因和总线拓扑一样，因为环型拓扑中所有机器只共享一个令牌。

用环型拓扑结构，我们可以构建尺寸无限的网络吗？

也不行。原因和总线拓扑一样。环越大，令牌的传递所需时间就越久。

星型拓扑的特点

在星型拓扑中，所有通信都须要经过中央的机器。

连着中央机器的其他机器向中央机器发送信息时，会连带发送目标机器的名字，中央机器就会把信息根据目标机器的名字发送给正确的接收者。有点类似邮局的分发系统。

在星型拓扑结构中，我们可以连接无限个机器吗？

可以，但也不可以… 事实上，这取决于中央机器（比如交换机）能处理的机器的数目。但如果把许多交换机组合在一起，就可以处理几十亿台机器了。

用星型拓扑结构，我们可以构建尺寸无限的网络吗？

可以。但要达到这个目标，须要互连多个中央机器（如交换机）。

用哪个网络拓扑结构呢？

经过上面的比较，答案已经呼之欲出了：只有星型拓扑既可以无限延展网络的尺寸或范围，又可以连接无限台机器。

星型拓扑（Star Topology），“你是电，你是光，你是唯一的神话。我只爱你，you are my super star”。

今天，使用总线拓扑和环型拓扑的网络已经越来越少见了。

因此，我们后续的课程也主要是和星型拓扑打交道。

4. CSMA/CD 协议

在结束 OSI 第一层的学习前，我们来看最后一小节的内容，就是 CSMA/CD ！

什么？这个复杂的缩略词是啥意思？

CSMA/CD 是 Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection 的缩写，表示 “带有冲突检测的载波侦听多路存取”。

嗯，这个名字真的一点都不难理解呢…

为了搞懂这个复杂名字的意思，我们需要重新来看总线拓扑。

在总线拓扑中，因为所有机器共享一个主线缆，因此在某一时刻 t，只允许一台机器发送信息。如果在某一时刻 t，有两台甚至更多的机器发送信息，那就产生了冲突（collision）。

事实上，总线拓扑上传输的一般是电信号。如果两台机器同时发送信息，那么电信号就会重叠。

当两个都为 5 V 的电信号在同一时刻在电缆中传输时，那么接收到的电信号还是 5 V，这样还没什么影响。

但是如果一个电信号是 0 V，而另一个是 5 V，那么结果就变成了 5 V。0 V 的那个电信号就不准确了（因为读取到的是 5 V，而不是 0 V）。这样接收方就不能正确地理解信息了。就好比两个政客同时在电视上发言，我们就听不清他们在说什么。

那么如何避免这样的冲突呢？

遗憾的是，并不能避免。但是，我们可以试着减少冲突的数目。这也是 CSMA/CD 协议被发明的原因。CSMA/CD 协议的目的就是 “通过分配发言的权利，来限制冲突的数目”。这里的“发言” 是指发送信息。

怎么做呢？如果我和邻居们想要抢着同时发言，我们可能会因此争吵。

因此，我和邻居们得制定一个规则，并且严格遵守：

我持续监听，来检测是否有其他人发言，或者是否有冲突发生；
只有当没有其他人发言时，我才能发言；
如果我开始发言时，正好也有其他人开始发言，那么我们都闭嘴。

是的，当冲突发生时，我就闭嘴，然后等待。和我发生冲突的人也是这样做。如果我们又想要发言，那还是会产生冲突。

因此，须要动点小脑筋来避免这种僵局。当发生冲突时，产生冲突的人各自等待一段随机的时间，然后再重新尝试发言。因为这个时间对大家都是随机的，那么一般来说，我下一次尝试发言的时候应该不会和另一个人产生冲突。

我们来概述一下 CSMA/CD 协议（下面描述中的 “我” 表示总线上连着的一台机器）：

我监听总线，来检测是否有其他机器发送信息（这是载波监听），或者是否有冲突发生（这是冲突检测）；
只有当没有其他机器发送信息时，我才能发送信息；
如果我开始发送信息时，正好也有其他机器开始发送信息，那么我们都停止发送；
产生冲突的机器分别等待随机的时间长度；
再尝试发送信息；
如果又发生冲突，回到第 4 步；如果没有冲突，则发送信息。

在现实中，CSMA/CD 是像这样运作的：

两台机器 Machine A 和 Machine B（machine 是 “机器” 的意思）在同一时刻发送信息；
它们侦测到了冲突；
它们各自等待随机的一段时间。例如：Machine A 等待 3 秒，Machine B 等待 4 秒；
当 3 秒过后，Machine A 重新开始发送信息；
当 4 秒过后，Machine B 检测到 Machine A 正在发送信息，因此 Machine B 等待；
一旦 Machine A 发送信息结束，Machine B 就可以开始发送信息。

这方法不错！

因此，我们并没有消除总线拓扑中的冲突（这不可能），但我们找到了一种方法，可以限制冲突的发生，让总线上的机器可以友好地共享同一根线缆。

关于 CSMA/CD 协议的更多信息，可以参看这篇百度百科。

5. 总结

存在多种互连机器的方式，称为网络拓扑；
现在最常用的网络拓扑是星型拓扑，因为它有明显的优势；
在总线拓扑上，可能会产生冲突，就是指两台或多台机器要在同一时刻发送信息；
CSMA/CD 协议可以帮助我们解决总线拓扑的冲突。

现在你对 OSI 的第一层应该有比较好的了解了，是时候去探索 OSI 的第二层了。

今天的课就到这里，一起加油吧！

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