信号传输:
比特流在物理链路如何传输的:
光纤:光脉冲 对应数字 0/1
网线:电脉冲 对应数字 0/1
电话线:连续模拟电压波(调制波)把0/1调制成连续模拟电压波传过去,再解调
在同一介质中,波速v不变时:v=λf, 速度等于波长*频率;波长和频率成反比;
网线本身不接电源,但必须由两端设备供电(网卡芯片+交换机芯片)才能工作;网线传输的不是持续大电流,是微弱、快速变化的小电流或者说是快速变化的电压/电流信号,用来表示0和1。
网线工作原理:
网线是8芯双绞线,4对;采用双绞线可以抗干扰,抵消周围电磁场对传输信号的干扰;
工作方式:
1.发送端:用电压跳变表示0和1,不是一直通电,而是快速改变电压产生电脉冲/方波;数据传输就是不停地极快地改变电压;
2.信号怎么传输过去的:不是电子从一头飞到另一头,电子移动很慢(几毫米 / 秒),真正光速跑的是 "电场",电场以接近光速传递→信号过去→01过去
数据传输就是不停地极快地改变电压,所以上网=网线电压在疯狂抖动,速度是纳秒级(10⁻⁹ 秒)疯狂跳变;电压的跳变是两端的网卡芯片+交换机芯片在驱动,
本质是晶振(时钟)+ 数字电路在疯狂控制电压跳变;百兆网:晶振频率100MHz/125MHz,每秒震动 1 亿~1.25 亿次
晶振 = 控制速度
发送电路 = 控制高低电平
数据 = 决定什么时候高、什么时候低
石英晶振一秒内为什么能震动这么多次?
不是它 "用力拼命震",而是它本身就很小、很硬、共振频率天生极高。石英晶振一秒震1亿次,是物理特性决定的,不需要耗电驱动。
石英晶体有个特性叫压电效应:
给它加电 → 它会轻微变形
变形后又会回弹 → 又产生电
来回反复 → 形成持续振动
晶振为什么这么准:
因为石英是晶体,原子排列非常整齐
硬度稳定
温度影响小
不会随便变快变慢
所以它是全世界最稳的小节拍器。
频率公式可以简单理解成:
频率 ∝ √(硬度 / 质量)
晶振只有几毫米大,而且极硬
所以它天生共振频率就极高。所以100MHz、125MHz、甚至 1GHz 都很正常。
电路与晶振:
只需要给一点点能量维持振动
把振动变成方波时钟信号
总结:
网线需要电,由网卡 / 交换机提供
传输的是快速变化的微弱电流 / 电压
本质是 电脉冲(方波) 表示 0 和 1
信号光速传播,电子几乎没怎么动
网线怎么传0和1:
用差分信号(这是网线核心):
一对线里,一根电压上升,一根电压下降
接收端看两根线的电压差
差值大 → 1
差值小 → 0
百兆网络和千兆网络:
百兆网络(100M):
只用2对,一对接收数据,一对发送数据;
1个节拍 = 1bit
百兆编码(4B/5B)
效率只有 0.8
实际:100 Mbps
千兆网络(1000M):
4对网线同时工作,全双工,同时收发
千兆网编码(PAM-5)
效率接近100%
5 个电压等级
1个节拍 = 2bit
速率:250Mbps
晶振始终125MHz:
百兆:
125MHz × 1 对线 × 1bit × 0.8 效率
= 100Mbps 下载
千兆:
125MHz × 4 对线 × 2bit × 1 左右效率
= 1000Mbps 下载
提高编码水平,让每一拍携带更多 bit;
百兆:收发分两对线,各走各的
千兆:同一对线
→ 双方同时发
→ 信号叠加
→ 硬件减掉自己发的
→ 拿到对方数据
一对线 = 两根线一起构成一个通道
这个通道同时收发,信号叠加传输
网线是高频交流电压波动。
不是 "一端高、一端低,电流单向流"
是两端同时快速抖电压
电流方向每秒反转上亿次
波形叠加在一起,靠回声抵消把对方的信号拆出来
全双工原理分析:
同一时刻,在同一对线的两根导线里,瞬时电流只能有一个方向,不可能同时既往左又往右。
那 "同时收发" 到底是怎么实现的?本质是电信号不是瞬间到达对端,是需要时间的;全双工的物理基础,就是信号传播有延迟,不是瞬时到达。
电信号传导到另一端是需要一定时间,在这个时间内,电压方向改变又来了一个反向的电信号,所以产生叠加,就是全双工;
电信号传播有速度上限(≈光速 60%~70%),不是瞬时的:
你发一个信号出去
它在路上走需要时间
在它到达对端之前
对端已经可以发它自己的信号
线路上就形成双向波形共存、叠加
能同时收发 → 全双工