深入理解以太网网线原理

时间：10-24来源：作者：点击数：

译者按：大部分人都知道，百兆以太网只用了 RJ45 端口中的 2 对 4 根线，分别为 TX、RX 的差分信号。
千兆以太网用了 RJ45 端口中的全部 4 对 8 根线，但是这 4 对 8 根线是怎么定义的？哪些属于 TX，哪些属于 RX？
我也不知道，而且以前居然没有认真去了解过，所以我决定找一篇与此相关的文章翻译一下，分享给大家。

本文是“攻玉计划”的一部分，翻译自 https://www.practicalnetworking.net/stand-alone/ethernet-wiring/

当我们谈到“以太网”的时候，我们可能会讨论各种概念，包括所有线缆规格（10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T 等等）。这些协议规定了导线上的电平（即 0/1 信号）是如何传递的，也规定了如何将电平信号解析为数据帧。

本来，此文只想简单介绍一下交叉线和直通线之间的基本区别，但基于我们的原则，我们觉得应该更深入一些。

首先，我们会先介绍一些术语，并消除一些歧义，然后回答一些基本的问题：我们为什么要用交叉线或者直通线？到底什么是双绞线？一个个比特位是如何在线上传播的？最后，我们会综合这些概念，并探讨一下千兆以太网的相关标准。

术语解释

即使你刚接触网络通信不久，也应该听说了很多网线相关的概念，例如“以太网”“双绞线”“RJ45”“屏蔽线”“非屏蔽线”等。

但这些概念代表了什么含义？互相之间又有什么异同？有没有什么概念被误用了？坦白而言，这些概念经常被误用，不妨看看：

8P8C

这是网线两端接口的物理标准，表示它有 8 个卡口位（Position）和 8 个触点（Contacts）。这也定义了此塑料透明接口的外形设计和尺寸。

RJ45

标准插座接口（Registered Jack）第 45 号标准定义了线缆中导线的个数以及线序，并规定使用 8P8C 的物理接口。

特别地，RJ45 定义了两种线序标准：T568a 和 T568b：

请注意，两个标准唯一的实际区别是第 2 对线和第 3 对线的颜色不同。

很多人经常用 RJ45 来指代 8P8C 插口，但这是不对的。还有另一种叫 RJ61 的类似标准，也使用了 8P8C 的插口，但其内部的线序不一样。标准插座接口定义家族中还有很多其他 RJxx 的接口，但接线定义和物理尺寸都不一样。

双绞线

双绞线是一种组合线缆，包含了 8 根独立的导线，其中每两根作为一对，每对的两根线互相绞绕在一起。由此得到 4 对导线，每对导线作为一个数据传输通道。

导线成对出现这一概念很重要，我们在后文中会讲到，简而言之，这有助于减少电磁干扰（EMI）。

通常，双绞线有两种规格：屏蔽线及非屏蔽线。

注意，不管哪种规格，网线中都有 4 对导线，也就是 4 个独立的数据通道。

非屏蔽线

非屏蔽线（Unshielded Twisted Pair）（UTP）在实际工程部署中更为常见。它对外部的电磁噪声没有额外的防护，但得益于双绞线的固有特性，其数据传输也非常可靠。我们将在后文详细阐述。

非屏蔽线更便宜，物理韧性更好，也更软。这些优点使得非屏蔽线在大多数场合更受欢迎。

屏蔽线

屏蔽线（Shielded Twisted Pair）（STP）在每对双绞线、以及全部 4 对导线最外侧都包有额外的金属屏蔽壳，这有助于隔离信号传输时的电磁噪声。

但同时，如果屏蔽壳的某个地方出现了破损，或者屏蔽壳在网线两端没有都良好接地，它自身可能会成为一个天线，并且会因为空间中随处可见的无线电波（比如 Wi-Fi 信号）而给信号传输带来额外的电磁噪声。

更为甚者，屏蔽线必须与带屏蔽的 8P8C 插头一起使用，才能实现全链路端到端的屏蔽功能。

显然，屏蔽线肯定更贵，也比非屏蔽线更脆弱，因为如果屏蔽线被过度弯曲的话，其屏蔽壳很容易破损。因此，屏蔽线的使用场合比非屏蔽线少得多。

屏蔽线通常只会用在对电磁屏蔽高度敏感的场合，例如，网线紧挨着发电机或者重型机械的输电线等。

以太网

就像我们之前说的，以太网（Ethernet）是一系列标准的合集，其中之一就是不同的接线规格：10BASE-T，100BASE-TX，1000BASE-T 等等。

以太网协议也定义了每个比特（1 和 0）如何在线缆上传输，以及如何将这些比特流组合为有意义的数据帧。例如，以太网规定每帧数据的前 56 个比特必须是交替出现的 1 和 0（即“前导码”），接下来 8 个比特必须是 10101011（即帧起始标志），再接下来 48 个比特是目标 MAC 地址，然后是 48 个比特的源 MAC 地址……直到整个数据帧被全部传输完毕。

接下来，我们将讨论以太网标准中不同规格的接线规格。

BASE T* 相关术语

本节讲述的概念都与网线内部的导线如何使用相关。例如，哪些用来发送数据，哪些用来接收数据，如何发送信号，以及电压等级。

BASE T* 这一概念有三个组成部分，所以在我们讲述特定的标准之前，先来单独了解一下它们，以 100 BASE-T 为例：

100BASE-T 中的“100”

开头的数字表示网线每秒可以传输多少“兆（百万）”比特，即 Mbps。100Mbps 的网线理论上每秒可传输 100,000,000 个比特，大概每秒 12.5 兆字节（MBps），注意大写的 B 和小写的 b 分别代表字节和比特。

这一速率的网线有时被称为“快速以太网”，这是相较于 10Mbps 的“普通以太网”以及 1000Mbps 的“吉比特以太网”而言的。

100BASE-T 中的“BASE”

base 这个概念是“基带”（baseband）信号的缩写，对应的概念是“宽带”（broadband）信号。这些概念刚出现的时候，其区别是：基带在介质中传输数字信号，宽带在介质中传输模拟信号。

数字信号和模拟信号的区别在于其可被解析的值个数。

模拟信号可以表示无数种不同的值，例如，我们可以用一根线上某个特定的电压值来表示一个绿色的像素点，而另一个电压值来表示红色的像素点，以此类推，这样，这根线就能传输一张图片上的每一个像素点。

数字信号可以表示有限个不同的值，通常就两个：1 和 0。如果上述的图片用一根数字信号线来传输的话，我们会传输一系列 1 和 0 的信号流。接收端可以解析这些二进制数据为一系列数字，例如基于 RGB 颜色编码，就能构造出每一个像素点。

也就是说，数字信号和模拟信号的主要区别就是，模拟信号线上可获得无穷多中不同的值，而数字信号线上，要么是 0，要么是 1，不可能出现第三种情况。

如此一来，数字信号传输具有更高的容错率，因为导线上的电压范围只被分为了两种情况（1 或者 0）。

译者按：原文在此处举了更多的例子来详细阐述“模拟信号”和“数字信号”的区别，但译者认为过于冗余，故略去这部分篇幅。

100BASE-T 中的“-T”

“-T”表示其为双绞线（Twisted Pair）。相似的标准还有“-2”及“-5”，表示其是最大长度为 200 和 500 米的同轴电缆，以及“-SR”和“-LR”，表示其为短距离（Short Range）和长距离（Long Range）光纤。

以上解释了 BASE T* 相关术语的三个独立部分，我们现在可以探讨下快速以太网的两个重要规范（对于吉比特以太网的相关规范，我们会在后文继续探讨）：

100BASE-T4

100BASE-T4 使用了网线中全部 4 对 8 根线。其中一对仅仅用于发送信号（TX），一对仅仅用于接收信号（RX）。剩下两对既可以用于 RX 也可以用于 TX，这通过网线两端设备的协商来决定具体用途。

T4 是双绞线早期的标准之一，但由于其过于复杂且必要性不强，如今已很少使用。

100BASE-TX

100BASE-TX 只使用了网线中的 2 对 4 根线，其中一对用于 TX，另一对用于 RX，剩下两根线没有使用。你完全可以做一根只有 4 根线的网线以实现 100BASE-TX 的所有功能，只要插口触点位置正确即可（位号1，2，3，6），但通常网线铺设过程中，另外 4 根线也保留了下来，用于占位，并适配未来可能的场景升级。

100BASE-TX （包括全部 8 根线）是如今最常用的快速以太网标准。但是，它通常被简写成了 100BASE-T。再强调一下，T 只表示其为双绞线，而 TX 才表示其使用了 1&2 及 3&6 两对线。

以上介绍可从实用性和技术性的角度帮读者理解相关概念。而在实际情况中，即使你不理解原理，直接使用这些产品也非常简单，就算犯一些小错误，也是允许的。

为什么使用交叉线

网上能找到很多“交叉线”及“直通线”应用场景的相关教程，但他们一般很少解释其原理。本节我们会深入探讨一下相关概念。

100BASE-TX 及 10BASE-T 标准中定义的网线，都包含 8 根导线，两两以双绞线的形式结合为 4 对。

在这四对线中，实际只用到两对：第 2、3 对。每根线都是单工的介质，也就是说，信号只能按照指定的单方向传输。

为了实现全双工通讯，某对线将始终沿某个方向传输数据，而另一对线将始终沿相反的方向传输数据。

网络接口卡（Network Interface Card）（NIC）的配置会决定哪对线用于发送数据，哪对线用于接收数据。

使用第 2 对线（1 号和 2 号引脚）发送数据（TX）、且使用第 3 对线（3 号和 6 号引脚）接收（RX）数据的的 NIC 被称作介质相关接口（Media Dependent Interface）（MDI），与之相反，使用第 3 对线作为 RX、第 2 对线作为 TX 的 NIC 被称为交叉模式介质相关接口（Media Dependent Interface Crossover）（MDI-X）。

电脑之间直连通讯

假设一台电脑使用 MDI 模式的 NIC ，那么它就总是用第 2 对线发送数据，用第 3 对线接收数据。但如果两台用网线连接在一起的电脑都用第 2 对线发送数据，那么就会产生冲突。与此同时，两台电脑也都无法从第 3 对线上接收到数据。

因此，网线对需要交叉一下，以便从一台电脑的第 2 对线发送的数据，会被另一台电脑的第 3 对线接收到，反之亦然。

下图是一个简单的示意（无需在意示意图中线的颜色，这只是为了区分两个不通的路径而已）：

注意，两台电脑都在独立的通道上发送数据，并且依靠交叉线机制（如图所示中间的 X），两台电脑都能接收到对方发送的数据。

因此，两台电脑直连后，必须使用交叉线才能通讯。

电脑之间通过交换机通讯

交换机使得同一网络下两台电脑的通讯变得更简单。交换机的 NIC 都采用 MDI-X 标准，也就是说，交换机总是在第 3 对线上发送数据，在第 2 对线上接收数据（与电脑的 NIC 相反）。

也就是说，交换机内部有一个交叉的机制，网线本身也就不需要交叉了：

可见，连接在交换机上的电脑可以直接使用直通线，让交换机处理线序交叉即可。端到端的通讯路径也是一样的：每个设备都在自己的 TX 线上发送数据，在 RX 线上接收数据。

电脑之间通过两个串联的交换机

我们刚刚讨论了，两台电脑直连，需要使用交叉线；类似的，两台交换机之间也需要交叉线：

在这种情况下，端到端的通讯路径也与上述方式无异。

路由器与集线器

那么，路由器和集线器呢？他们用了怎样的 NIC ？

实际情况是，路由器与电脑类似，使用了 MDI 标准（第 2 对线是 TX，第 3 对线是 RX），因此，你可以将上述图片中的任意电脑换成路由器，通讯路径分析也是一样的。

而集线器与交换机类似，使用 MDI-X 标准。

译者按：此处的“路由器”是狭义上仅具有“路由”功能的设备，不等于常见的家用无线路由器

以太网线序图

前文讲到，RJ45 的导线颜色有两种标准：T568a 和 T568b。双绞线两侧所使用的标准决定了其是交叉线还是直通线。

要想做一根直通线，只要保证线两端的标准一致就行了，都是 T568a 或者都是 T568b：

要想做一根交叉线，只需其中一端为 T568a，另一端为 T568b 即可。

注意，第 1 对线和第 4 对线没有使用（蓝色对和棕色对）。理论上你的网线中可以去掉这几根线，但是去掉之后剩下的线排列起来有些困难。

另外，这两对线因为用不到，所以无需交叉。但是，吉比特以太网标准需要用到全部 8 根线，所以为了一致性，通常所有网线对都被交叉。我们会在后文讨论吉比特以太网。

最后需要注意的是，数据信号本身并不在乎导线的颜色，只要它们连在了正确的接口上就能通讯。但能用不代表就是一个好主意，颜色乱接的话，后续维护起来就是噩梦。

助记图

综上所述，我们可以把交叉线和直通线的用法画作一张图：

之所以这么摆放，是因为这样画起来更方便。我们把 L1、L2 层的设备画在左右两侧，L3 层设备画在上下两边，然后两两连接。关于网络协议分层请参见 OSI 模型。

小结一下：

L1/L2 层设备互相连接，需要交叉线；
L1/L2 层设备与 L3 层设备连接，需要直通线；
L3 层设备互相连接，需要交叉线。

或者更简单：

同则交叉
异则直通

自动 MDI-X

即使知道了什么时候该用直通线，什么时候该用交叉线，对于网络工程师来说，布线也常常是个头疼的事情。

于是，出现了一个新技术，可以自动分析两台设备的接口模式，并决定是否要交叉 TX/RX。这个技术叫做“自动 MDI-X”。

使用自动 MDI-X 技术，任意两台设备之间都可以通过直通线连接，并让两端动态确定是否需要交叉 TX 和 RX。

自动 MDI-X 是 100BASE-T 实现中的一个可选功能，而在所有吉比特以太网设备中是必须的。

自动 MDI-X 的工作原理

那么，自动 MDI-X 是如何实现的？两端的设备如何确定哪对线是 TX 或 RX？如果有必要的话，哪一边的设备会交换 TX 和 RX？本节会介绍其内部工作原理。

记住，交叉线的目的是让一方的 TX 连接到另一方的 RX。也就是说，一方的 NIC 必须用 MDI 标准，另一方必须是 MDI-X 标准。自动 MDI-X 是这样实现这一功能的：

双方都先生成 1-2047 中的一个随机数，如果随机数是奇数，那么这一方会将自己的 NIC 配置为 MDI-X 模式；如果是偶数，则配置为 MDI 模式。而后双方就开始在其所选择的 TX 线上发送连接脉冲信号。

如果双方都能在自己的 RX 线上收到对方的连接脉冲，那么就代表协商完成，因为双方都能在 TX 线上发，在 RX 线上收。

如果双方都不能收到对方的连接脉冲，那么它们肯定都随机到了奇数或都随机到了偶数。因此，它们中的某一方必须将自身的 TX 和 RX 交换。

但是双方不能同时交换 TX 和 RX，因为这样一来依然是冲突的。因此，我们设计了一个系统，以随机的时间间隔切换 TX/RX 对，直到双方成功协商。

前文提到随机生成的数字（1-2047）会循环变化，以便双方能选择一个新的标准（MDI 或者 MDI-X）。但是这个数字不能每次加 1，因为这样的话，双方都会从奇数变为偶数，或者偶数变为奇数。换句话说，如果双方一开始都选择了 MDI 模式，如果同时加 1，它们都会切换为 MDI-X 模式，依然无法协商。

所以，这个随机数使用了叫“线性反馈移位寄存器”的设备以实现循环变化。

线性反馈移位寄存器（Linear-Feedback Shift Register）（LFSR）是一种算法，它会循环遍历某个范围内的所有数字，而且在每一个循环内不会重复。这些数字以一种可预测的、但随机的顺序循环出现（也就是说，它们不按照大小顺序依次出现，但出现的位置是确定的）。

举个例子，如果双方随机的初始值分别为 1000 和 2000，那么它们在 LFSR 序列中下一个数字的奇偶性是完全随机的。但如果双方随机到了同一个初始值，那么它们之后随机出来的数字依然是一样的。

这个过程会一直持续下去，直到双方成功协商。

现在问题来了，万一双方随机到了相同的数字，然后循环的时间间隔也一样呢？我们可以简单计算一下出现这种情况的几率：

双方随机到相同数字的几率是 1/2047，双方选择相同时间间隔的几率是 1/4，也就是说，双方同时切换 MDI/MDI-X 标准的几率是 1/8188。

循环每大概 62ms 运行一遍，也就是说，每秒有大概 16 个循环（每次循环开始时都会重新随机一次）。那么双方在 1 秒之内始终是相同的循环时间的几率是 1/4,294,967,296 （42 亿分之一，1/2^32）。因此，二者结合，双方在一秒内始终随机到相同的随机数、且时间间隔也一样的几率是 1/8,791,798,054,912 （8.7万亿），这种事情几乎不可能发生，就算发生了，你再等一秒就行了。

为什么使用双绞线

在网络的物理连线上使用双绞线似乎毋庸置疑。但是，为什么呢？是什么源于让双绞线在网络布线选择中处于主导地位？

有两个主要的原因，且都与电磁干扰（Electromagnetic Interference）（EMI）相关：

使用双绞线可以极大减少导线向外辐射电磁干扰；
使用双绞线可以减少外部电磁干扰对导线本身的影响。

如果网线需要长距离与其他各种线缆捆绑在一起布置（比如数据中心或者配电箱），以上两个特性都是非常重要的。

减少 EMI 向外辐射

只要导线中有电流信号，那就一定会辐射 EMI，进而影响到周围的线缆——也就是通常所说的“串扰”。EMI 辐射可以通过额外的屏蔽装置补偿掉，但是大名鼎鼎的贝尔先生发明了抵消电磁干扰的绝妙方法。

他的想法是使用两根导线，其中一根发送原始信号，另一根发送与原始信号完全相反的信号。如此一来，两根线会辐射恰好反向的 EMI，也就互相抵消了。

简单解释一下，如果一根线发送 +10V 的电压，并辐射了 +0.01V 的 EMI；而另一根线同时发送 -10V 的电压，并辐射了 -0.01V 的 EMI。它们的 EMI 加起来就是 0。

在电气工程中，这两根线通常被称为“差分对”，可以用 TX+ 和 TX- 来表示。

这一发明可以实现不需要大量屏蔽的布线方案，也是当前非屏蔽线得以大量使用的原因之一。

但现在我们只回答了“双绞线”中的“双”，至于为什么还要“绞”，我们继续往下看：

减少外部 EMI 的吸收

即使采用了上述的“差分线”，我们也无法避开所有外部的电磁干扰。无线网络、蓝牙、卫星通讯以及手机等都会成为空间中杂散的无线电波来源。

但幸好贝尔又出现了，并设计了一种非常简单却很有效的方案以屏蔽电磁干扰。

这一设计基于 EMI 的一个基本概念：离 EMI 辐射源越近，收到的干扰越强。如果两根线交替着靠近 EMI 辐射源，它们就能吸收同样多的辐射。如下图所示：

蓝色线的初始电压是 +50V，绿线与之相反为 -50V。EMI 辐射源为图中的红圈，一圈圈向外辐射，离中心越远的圈层干扰电压越小。如果简单将图中每根线上绘制的点受到的干扰电压相加，会发现两根线都增加了 22V 的电压。

尽管上图导线右侧的电压与左侧的不同，但是两根导线之间的电压差却总是一致的，一直都是 100V。EMI 对两根导线的影响是等同的。经过简单的计算与变换，即可根据最终的 100V 电压差得到初始信号分别为 +50V 和 -50V，如下图所示：

提醒一下，以上 EMI 干扰相关电压数值被严重夸大了。实际上，正常情况下 EMI 带来的电压扰动是微伏（µV）级别的，即 1/1000,000 V。但原理依然是一样的。

发送比特位

上文讲到，网线中的数据是以数字信号的方式发送的，也就是一串 1 和 0 的数据流。但双绞线具体是如何发送数据的呢？我们接下来会用一个简化的模型来解释一下。

发送数据信号，本质上来说就是在某段时间内，给导线加上变化的电压。收发双方会先协商好一个时钟频率，以确定传输的每一单位的电压信号将维持多长时间。简便起见，我们称之为“位号”。在给定的时间点，每一个位号只能表示线上传输的 0 或者 1。

不同的标准会规定不同的电压等级，但由于我们简化了模型，所以不用管真正的电压是多少。但我们依然会使用 100BASE-TX 标准所规定的电压等级，即 +2.5V 和 -2.5V。

如果要在某个位号上发送比特 1，发送方会向 TX+ 线上施加 +2.5V 电压；如果要发送比特 0，就向 TX+ 线上发送 -2.5V 电压。

而 TX- 线则始终相反，比特 1 是 -2.5V，比特 0 是 +2.5V。

下表是发送 110010101110 二进制序列的相关情况：

注意上图不是网线的实体布局，只代表 TX+ 和 TX- 线上交替变化的电压信号。双绞线实际是均匀缠绕的。

就像之前讲到的，每对中的两根线上的电压总是互为相反量，一切都很整齐，且在水平方向上是对称的。

现在假设网线附近有 EMI 辐射源，我们在上表中添加一行噪声数据，然后看看最终会变成什么样：

注意到，现在这幅图已经不再对称了。两根线仍然发送相反的电压，但加了一个偏置量。

但是，接收端并不一定要完美的 +2.5V 和 -2.5V，它只需确定哪根线发送更高的电平。如果 TX+ 发送的是高电平，那么这个位号就表示 1，如果 TX- 是更高的电平，那么这个位号就表示 0。

或者更简单，如果上图中蓝线在上面，就代表 1，黄线在上面，就代表 0。

通过这种方式，接收端能一位一位地拼凑好整个数据，不管 EMI 对原始电平有怎样的干扰。可见，非屏蔽线不能消除电磁干扰，但能消除电磁干扰的影响。

吉比特以太网

我们已经详细介绍了快速以太网（100Mbps），现在我们继续讨论一下吉比特以太网（千兆以太网，1000Mbps 或者 1Gbps）。

首要的区别就是，吉比特以太网标准需要用到全部 4 对 8 根线，不像百兆网只用到 2 对。因此，在制造吉比特以太网网线时，全部 4 对线都需要交叉。

前文讲到，RJ45 有两种不同的标准：T-568a 和 T-568b。下图描绘了 4 对线都交叉它们各自的样子：

也就是说，吉比特以太网需要自动 MDI-X。所以，你可以直接在千兆网络中使用直通线，然后让网卡自动选择是否需要交叉。

吉比特以太网有两种布线标准：

1000BASE-TX

此标准使用了全部 4 对线，但规定了其中两对线为 TX，另外两对线为 RX。

理论上讲，这比 1000BASE-T 更简单，但是这需要更昂贵的 Cat6 网线，而不是常见的 Cat5 或 Cat5e 网线。因此，1000BASE-TX 在实际部署中并不常见。

1000BASE-T

这是当前应用最广泛的吉比特以太网标准。它以全双工模式同时使用了全部 4 对线，也就是说每对线都可以同时用作 RX 和 TX。这是通过“回声消除”技术实现的，我们会在下一节详细阐述。

使用这种线序标准的最大优势是，你可以在现有的 Cat5e 网线上跑到千兆，而无需升级到更贵的 Cat6 网线。

1000BASE-T 经常被错误地指代 1000BASE-TX。这可能是因为在快速以太网协议中，占主导地位的标准是 100BASE-TX。另外很多时候，线缆标准也经常合起来称作 10/100/1000 BASE-TX。实际上，各个不同速率下，占主导的以太网协议分别是 10BASE-T、100BASE-TX 以及 1000BASE-T。