[重要笔记]网络信号在网线和集线器中传输

本文写的是网络包由网卡发出后怎样在网线和集线器中传输的过程。以下是个人学习笔记，记录的是较为重要的部分。

网卡如何将包转换成电信号

信号在网线的传输过程中，能量会逐渐损失

“双绞”是为了抑制噪声

集线器会将信号发送给所有连接在它上面的线路

从计算机发送出来的网络包会通过集线器、路由器等设备被转发，最终到达目的地。转发设备会根据包头部中的控制信息，在转发设备内部一个写有转发规则的表中进行查询，以此来判断包的目的地，然后将包朝目的地的方向进行转发。

网卡如何将包转换成电信号

网卡中的 PHY（MAU）模块负责将包转换成电信号，信号通过 RJ-45 接口进入双绞线。

PHY（MAU）：以太网有多重派生方式，每种方式中信号收发模块的名称都不一样。现在 100 Mbit/s 以上的以太网中叫作 PHY（物理层装置），以前低速方式中则叫作 MAU（介质连接单元）。

以太网信号的本质是正负变化的电压，可以认为网卡的 PHY（MAU）模块就是一个从正负两个信号端子输出信号的电路。

信号在网线的传输过程中，能量会逐渐损失

信号在网线的传输过程中，能量会逐渐损失。网线越长，信号衰减就越严重。

信号到达集线器的时候并不是跟刚发送出去的时候一模一样，集线器收到的信号有时会出现衰减。以太网中的信号波形是方形的，但损失能量会让信号的拐角变圆，这是因为电信号的频率越高，能量的损失率越大（高频信号会释放出更多的电磁波，这些电磁波带走了一部分能量，就造成了能量的损失）。信号的拐角意味着电压发生剧烈的变化，而剧烈的变化意味着这个部分的信号频率很高。高频信号更容易损失能量，因此本来剧烈变化的部分就会变成缓慢的变化，拐角也就变圆了。即便线路条件很好，没有噪声，信号在传输过程中依然会发生失真，如果再加上噪声的影响，失真就会更厉害。

“双绞”是为了抑制噪声

局域网网线使用的是双绞线，其中“双绞”的意思就是以两根信号线为一组缠绕在一起，这种拧麻花一样的设计是为了抑制噪声的影响。产生噪声的原因是网线周围的电磁波，当电磁波接触到金属等导体时，在其中就会产生电流。因此，如果网线周围存在电磁波，就会在网线中产生和原本的信号不同的电流。由于信号本身也是一种带有电压变化的电流，其本质和噪声产生的电流是一样的，所以信号和噪声的电流就会混杂在一起，导致信号的波形发生失真，这就是噪声的影响。

要抑制这种噪声，关键在于双绞线的缠绕方式。在一根网线中，每一对信号线的扭绞间隔（节距）都有一定的差异，这使得在某些地方正信号线距离近，另一些地方则是负信号线距离近。由于正负信号线产生的噪声影响是相反的，所以两者就会相互抵消。从网线整体来看，正负的分布保持平衡，自然就会削弱噪声的影响。通过将信号线缠绕在一起的方式，噪声得到了抑制，从结果来看提升了网线的性能，除此之外还有其他一些工艺也能够帮助提升性能。例如在信号线之间加入隔板保持距离，以及在外面包裹可阻挡电磁波的金属屏蔽网等。

集线器会将信号发送给所有连接在它上面的线路

集线器的作用：广播网络信号

接收信号的设备：交换机、路由器、服务器等。

当信号到达集线器后，会被广播到整个网络中。以太网的基本架构就是将包发到所有的设备，然后由设备根据接收方 MAC 地址来判断应该接收哪些包，而集线器就是这一架构的忠实体现，它就是负责按照以太网的基本架构将信号广播出去。

信号到达集线器的 PHY（MAU）模块后，会进入中继电路。中继电路的基本功能就是将输入的信号广播到集线器的所有端口上。当然，也有一些产品具有信号整形、错误抑制等功能，但基本上就是将输入的信号原封不动地输出到网线接口。

接下来，信号从所有接口流出，到达连接在集线器上的所有设备。然后，这些设备在收到信号之后会通过 MAC 头部中的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的，如果是发给自己的就接受，否则就忽略。这样，网络包就能够到达指定 MAC 地址的接收方了。

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