互联网基础入门：有线连接与Wi-Fi无线技术的区别与发展历史

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前言

本文通过图文动画讲解互联网基础的那些事。。。

01

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1.1 连接设备

我们首先要知道，若要把设备连接到网络，存在两种可选择的方式，一种是有线，另一种是无线。

大家对这两兄弟应该都不陌生。很早以前就有了有线连接，其最早可追溯至 1960 年代。并且，无线网络使用电缆来进行连接。

无线技术的发展已有相当长的历史，最早可追溯至 1990 年代。说到无线，首先想到的是与之相关的移动设备，比如收音机、手机、便携式笔记本电脑等。我们常把无线技术称为 Wi-Fi。

有线和无线

1.2 有线设备

电缆一般由铜线制成。铜缆价格较为便宜，常被用于短距离传输。并且由于它是通过电信号来传播信息的，这就致使它可能会遭受到外界电磁干扰的影响。因此，我们常见的网线大多是由多股线缠绕制成的，后面的小节将会讲解其中的原因。

光纤一般以玻璃当作传输介质，能够用于较长距离的信号传输。由于它使用光信号，所以不容易受到外界信号的干扰。然而，因其材质较为特殊，致使光纤的价格通常都较为高昂。

1.3 无线设备

台式机需要实现无线连接时必须配备无线网卡，移动笔记本需要实现无线连接时也必须配备无线网卡，手机平板电脑需要实现无线连接时同样必须配备无线网卡。大部分情况下，台式机本身没有无线网卡，所以台式机若要实现无线连接就需要单独购买无线网卡，并且可以通过 USB 连接来实现无线上网。

02

以太网协议

以太网具有构建简单、成本低、可扩展性强以及能与 IP 网很好结合等特点，所以它成为了局域网网络构建中最常用的一种技术。对于以太网协议而言，它代表着接入以太网的节点设备都达成一致的一组规则。如果想要接入以太网，就必须按照相关规定行事。

以太网

以太网由许多不同部分构成。其中有一部分对线缆的类型以及不同线缆的传输速度进行了描述。另一部分则对数据应如何进行格式化和发送的操作进行了描述，而这部分被称作媒体访问控制。

以太网进行这样分层主要有以下原因：要兼容不同的线缆，让它们能以不同速度访问不同设备，同时还能保证设备间的正常通信。因为我们无法确保每台设备、每条线缆以及它们的传输速度都一样，差异性是不可避免的。

本地主机访问服务器

一个本地主机拥有 1G b 的网络带宽，它想要把数据发送到具有 10Gb 带宽的服务器上，在这个过程中经历了哪些操作呢？

本地主机先依据媒体访问控制规则准备一条信息，接着按照必须遵循的物理规则发送该信息；之后，信息经由物理线缆被发送至服务器这边，服务器收到消息后，会对其进行解码，并且通过媒体访问控制，将其传递到服务器主机。

本地主机遵循以太网协议规则，服务器主机也遵循以太网协议规则，所以彼此间的通信能保证不会出现问题，最终能将信息传递到目的地。即便双方使用的线缆、带宽和设备不同，该分层系统依然畅通无阻。

2.1 以太网协议标准

以太网技术诞生后，IEEE 组织制定了诸多不同的以太网技术标准。每一个标准都有一段代号来命名，就如同 007 和 9527 那样。其中以 802 开头的标准是用于局域网技术的。以太网技术的代号为 802.3 ，再加上一到两个字母，就构成了以太网不同的类型。

单独依靠正式名称去记忆这些类型是很困难的。所以，IEEE 组织为我们准备了便于记忆的非正式名称。以 -T 为例，其中的 10G 表明其传输速度为 10G 比特每秒，比特是传输速率的单位，比特值越大，传输速度就越快；BASE = () 意思是基带，意味着它通过数字信号来进行传输（还有一种是模拟信号）；而后面的 T，代表所使用的线缆类型，T = UTP 即双绞线（另一种是 LX 光纤）。

以太网标准

我们已知，电缆是通过电信号来传输数据的；光纤则是利用光信号来传输数据。不管使用的是哪种信号，这里所说的数据就是我们所熟悉的 01 代码。接收器会对接收到的 01 代码进行相应的解码，这便是所谓的编码方案。

2.2 电信号

首先来看电信号。若要发送电信号，就必须拥有电路。这就表明我们需要准备多根电线来传输数据。我们最常见的线缆是非屏蔽双绞线（UTP，即常见的网线），每对电线能构成一个电路。

非屏蔽双绞线（UTP）

我们从它的名字就能知道，它是一种非屏蔽的线缆。这意味着如果外界存在电磁干扰，它就会受到影响。在初中阶段我们就已经学习过，电和磁铁是存在一定关系的。

电磁干扰

电流通过铜缆会产生磁场，并且还生成了电力。这里存在问题，一对平行运行的电线会生成小的电磁场。如果一对铜线有电流通过，那么必定会对其旁边的另一对电线的信号产生电磁干扰，我们把这种现象称为串扰。

串扰

为了解决串扰的问题，非屏蔽双绞线会把平行的两根铜缆绞在一起。这样做能够有效地避免电磁干扰。这也是它名字的由来。

双绞线

如果条件允许，你能够找到一条废弃的双绞线。接着把水晶头去掉，然后观察一下它内部的线缆。这样你就可以清晰地看到，线缆确实是绞在一起的。

真实的双绞线

2.3 双绞线

我们能看到多种不同类型的双绞线。有的双绞线中间有塑料芯，有的双绞线则是一根细线。通常情况下，我们会用颜色对双绞线进行编码。每对电线都是由纯色和条纹色组成的。观察图片就可以很容易地看出这一点。例如，蓝色线缆和蓝白线缆绞在一起，棕色线缆和棕白线缆绞在一起。

通常，我们常见的网线由四对电线构成。在早期标准里，其线缆不一定是由四对组成的，比如 -T 和 -T 是由两对绞线组成。然而，若要使传输速度达到 1Gbps 或更高，就必须使用全部四对电线才行。

不同的以太网标准需使用不同线缆。我们都听说过 5 类线或 6 类线这样的名称。这其实是不同网线的专用术语。不同类别对应着不同线缆的标准，比如线缆的对数、粗细以及交合程度。

线缆的不同标准

Cat2 只有两对线缆，Cat5 有四对线缆，Cat6 的四对线缆比 Cat5 的更粗等等

不同类别的线缆有不同的名称。这些线缆除了数字不同外，后面的英文字母也不一样。例如有 Cat5e、Cat6、Cat6a 等。数字越大，代表标准越新，也就意味着传输距离更远，速度更高。

举一个现实些的案例，在常见的网络环境中我们能够使用 5 类线；然而，倘若你期望网速达到千兆，那么就至少得使用像 Cat5e 这样标准的线缆；并且，要是你想让网速达到万兆，就需要使用 Cat6 即 6 类网线才可以达到理论速度。

如果你的带宽达到了万兆，然而你的线缆却跟不上。仅仅使用 5 类线 Cat5，那么你的实际使用网速肯定达不到万兆。原因在于线缆无法支持那么快的速度。

回家后，赶紧查看你家网络的带宽情况。理论速度已经达到了，但实际使用时却达不到那么快的网速，原因可能是你的线缆太老旧了。建议把老旧的线缆扔掉，换上新的。

2.4 电缆的连接器

我们的线缆两端都会安装一种连接器，这种连接器叫 rj45 连接器，也就是我们常说的水晶头。它们用于接入网卡与交换机端口。该连接器有八个引脚，且这八个引脚与电缆内部的八根铜线是对齐的，只有按正确顺序与引脚对齐，才能保证通信。

线缆与引脚对齐方式

大家应该听闻过关于连接线缆的口诀。口诀内容为：橙白橙，绿白蓝，蓝白绿，棕白棕。这种连接方式被称作 568b，实际上就是图示所呈现的这种顺序。只要确保顺序正确，然后把它与水晶头的 8 个引脚对齐，如此一来就完成了！

引脚连接

在网络通信里，一端的引脚 1 与另一端的引脚 1 相对接，引脚 2 与另一端的引脚 2 相对接，依此类推。由于其线缆是直通到另一端线缆的这种特性，所以我们把这种连接方式称作直通电缆。

数据传输与接收

这些线缆中，有部分是用于传输数据的，还有部分是用于接收数据的。在这里，我们以 TX 来表示传输，以 TR 来表示接收。如图所示，其中第一对引脚被用于传输数据，第二对引脚则被用于接收数据。

主机直连到交换机

当一台主机通过网线接入到交换机时，交换机很聪明。在它这一端的水晶头接口处，它知晓用第一对引脚接收数据，用第二对引脚传输数据。正因如此，它被叫做交换机，交换的就是这个位置的信息。

主机直连到主机（或交换器）

但是，如果把这台主机的网线接到另一台主机或者路由器，而非交换机呢？会遇到什么状况呢？引脚的排列顺序出现了问题，它们依靠相同的引脚来收发数据，从而致使数据无法传输出去。所以，我们这里不能使用“直通电缆”。我们需要使用交叉电缆。将用于传输数据一端的引脚对应接收数据的引脚，这样就能解决问题。将一台交换机接入到另一台交换机时，也是同样的道理。

Auto MDI-X 自动引脚逻辑切换功能

我能够理解你现在的这种心情。你或许会说，这实在是太痛苦了吧？因为不仅需要使用不一样的以太网线缆或者接头，而且还得保证线序能够完全对应起来。对此，我只想说，实在是抱歉，我无能为力啊！为避免我们陷入此困境，我们拥有一项技术叫 Auto MDI-X。这项技术能让支持的设备检测是否使用了错误的线缆，之后还能在逻辑上切换引脚的功能，使其与电缆相匹配。但要注意，只有在以太网为 -T 及以上的标准时才可以支持这项技术。

现在我们应用的以太网标准大多处于 -T 之上。所以，我们无需担心直通电缆与交叉电缆的问题。不过，我们还是应该记住它们两者之间的区别。

当以太网标准达到 -TX 时，情况有所变化。此时，我们会运用所有的四对电线来进行数据传输，而较旧的标准只需使用两对电线。这里存在两种工作方式，一种是 -T，另一种是 -TX。

-TX标准

TX 的标准规定用两对电线来进行传输，另外两对电线用于接收。若要使用这种标准，我们就得把网线升级到 cat6 或更高级别的网线。

-T标准

T 的标准在于利用所有的四对电线来同时进行发送和接收。这是一种极为特别的方式，并且只需使用 cat5e 标准的线缆就能实现。

2.5 光纤

光纤

光纤是铜缆的替代品。光纤使用的材质是玻璃束。使用这种材质，脉冲信号能从玻璃束的一端通过玻璃束体向另一端传递。我们初中时做过物理实验，将一束光打到流动的弯曲水柱上，光会跟随水柱的方向传递，这里运用的就是光的全反射原理。

光的全反射

光纤一般用于路由器与交换机这类网络设备之间，同时也有可能被用于我们未曾见过的服务器当中。

2.6 全双工与半双工

我们回过头来看一下全双工和半双工，看看它们是如何工作的。

全双工（Full ）

全双工指的是，UTP 非屏蔽双绞线的线缆能够同时进行信息的发送和接收。从图中可以看出，这就要求两端的设备都具备同时发送和接收的能力。

全双工

半双工（Half ）

有时候，两端设备中的某一端或许不具备同时进行信息发送和接收的能力。所以，在信息发送完成之后，需要停留一段时间。只有等到接收到对方回复的信息之后，才可以再次发送信息。这种方式被称为半双工。

半双工

2.7 单芯光纤与双芯光纤

根据全双工与半双工的特性，光纤就有两种不同的使用方式：

单芯光纤（ Core）

单芯光纤因为无法同时进行发送和接受操作，所以只能以半双工模式来运行。

单芯光纤

双芯光纤（Dual Core）

它具有双芯的特性，一个芯被专门用来发送，另一个芯则用来接收，所以双芯光纤能够支持全双工模式的运行。

双芯光纤

如果我们自行连接了光纤，然而不能正常使用的话，那么可以试着交换光纤的方向，这样问题或许就能够得到解决。

双芯光纤与单芯光纤

企业网络一般会采用双芯光纤，并且这种双芯光纤通常是用在交换机、路由器以及服务器之间。而对于家庭所使用的光纤来说，网络服务提供商通常只会提供单芯光纤。

2.8 单模与多模光纤

接下来，我们聊一下单模光纤和多模光纤。它们看起来有些相似，然而，由于使用光的类型不同，所以产生了很大的差别。

单模光纤（SMF： Mode Fibre）

单模光纤以激光作为光源，它价格更高。然而，它能够传输更远的距离，很容易达到 2 公里或更长。服务提供商通常会在不同建筑中使用单模光纤，以便每栋用户能流畅访问。

单模光纤

多模光纤（MMF：Multi Mode Fibre）

多模光纤以 LED 当作光源，此光源并非特别强，故而仅能在较短距离（500m 或更短）内进行传输，一般用于同一栋建筑内的网络连接，且效果极佳。并且由于 LED 的生产成本较低，所以倘若你对价格较为在意，便可选择这种类型的光纤。

多模光纤

2.9 光纤弯曲程度

光纤由玻璃制成，却有着很强的柔韧性，即便适度弯曲也不会损坏。光纤有最大弯曲半径，且因光纤不同而各异。光纤缠绕程度会引发不同程度的信号衰减，若想知晓自家光纤的最大弯曲程度，可联系网络服务提供商。

光纤的弯曲程度

2.10 光纤的连接器

光纤存在着诸多不同类型的连接器。大家需要明白，光纤不单用于网络连接，还可能有其他用途。

光纤连接器

LC 类型的接头通常用于交换机和路由器的连接，我们常在双核配置中见到它们；SC 类型的接头属于较老旧的类型，它看起来更大，我们通常会在配线柜中看到它。

配线柜

一些交换机会有特殊接口，这些接口看起来很空。一些交换机完全由这些接口组成。这些接口是用于安装收发器模块的。这些接口可用于不同目的。通常情况下，它们用于匹配不同线缆的接头。这些收发器接口支持不同的电缆类型，如单模和多模光纤。它们支持不同的速度，像 1G 速度或者 10G 速度；它们还支持不同的电缆长度，比如 40 公里长电缆的收发器比 1 公里长电缆的收法器贵很多。

交换机上的特殊接口

这些交换机准备这么多端口，其最终原因是为了便于我们搭配不同的收发器，从而完成不同的业务场景。我们还可以为其安装 rj45 收发器，这样就能满足我安装双绞线的需求。

rj45收发器

2.11 Wi-Fi连接

我们有一种通信方法是无线 Wi-Fi 通信。它无需使用电缆连接。无线网络如同一个无线的交换机，能够让手机、笔记本等无线设备链接到接入点。而这个接入点需要链接到有线网络。在此情况下，有线和无线设备可以在同一个网络中使用。不是所有设备都会连接到无线接入点。比如，我们不能将路由器连接到无线接入点，也不能将服务器连接到无线接入点。

无线网络

Wi-Fi 网络不遵循 802.3 的以太网标准。它遵循的是 802.11 的标准。802.11 标准说明了信息是如何利用无线电波来进行格式化和编码的。它们虽不是同一个以太网，但都由 IEEE 制定，所以在数据格式化方面存在很多相似之处。

2.12 总结

【1】网络可以是有线或无线的，网络连接可以使用铜缆或光缆

以太网标准描述了物理连接线缆的类型，同时也说明了如何格式化数据。

UTP 拥有四对双绞线，其中有一部分是用来进行数据发送的，另外一部分则是用来进行数据接收的。

【4】线缆可以以直通方式或交叉方式连接到交换机

现如今大部分平台都具备支持 Auto MDI-X 的功能，能够自动对线缆进行检测，并且可以根据检测结果做出相应的调整。

双工设备具备同时进行数据发送和接收的能力。半双工则是在接收到响应之后才开始发送数据。

【7】双芯光纤支持全双工，单芯光纤支持半双工

【8】若想要短距离连接，并节省更多成本，可以选择多模光纤

若要进行远距离连接，就需要支付更高的价格，并且要选择单模光纤，同时还需采用正确的收发器。

【10】如果有线连接无法满足你的需求，可以采用无线网络连接

2.13 问题

【1】-T以什么速度运行？需要使用什么类型的电缆？

使用何种类型的 UTP 电缆能把主机与交换机相连？那种类型的电缆可以将一个交换机和另一个交换机相连接？

【3】哪种情况下我们需要使用 Auto MDI-X 技术？

在那种情况下，什么情况下需要用光纤来代替 UTP 呢？又在什么情况下需要使用单模式光纤而不是多模光纤呢？

什么是弯曲半径？对于不同类型的电缆，在使用时需要特别留意弯曲半径的问题。

【6】请简单阐述全双工工作模式的特点

03

网络寻址

模拟soho网络

让我们回到 soho 网络。现在一起来看一个比较特殊的案例，我们用下图来模拟一个 soho 网络。假如我们想要通过网络中的一台主机，把需要打印的文件信息传递给打印机。由于打印机已经入网，所以我们能够实现这一功能。在这个网络中存在多个节点，那么试问一下，我们的电脑主机怎样才能知道将信息发送到什么位置呢？

soho网络中的节点同时发送信息

我们可以把打印信息发送给网络中的所有节点，接着让节点来判断这个信息是否是发给自己的。不过这样做的话，先不说信息的安全性如何，效率低下才是最严重的问题。我们试想一下，如果所有的设备都同时发送信息，那该怎么处理呢？要是网络环境中有多台打印机，又该怎么办呢？会出现什么样的状况呢？那样的话，网络肯定会变得非常混乱！因此，我们需要找到一个解决办法。

网络设备地址

其实，网络上每台设备都有一个地址。这个地址类似于我们公司的、家庭的或亲朋好友的家庭住址。它一定是唯一的。所以，我们邮寄包裹或进行网络购物时能够找到准确的位置。

MAC地址与IP地址

在同一个域内，每台设备都拥有两个地址。其中一个是 MAC 地址，另一个是 IP 地址。这两个地址的使用方式存在差异。目前，我们暂且对它们的特点以及基本使用进行大致了解。后面的章节将会对其展开详细讲解。

3.1 MAC地址

MAC地址

首先来看 MAC 地址，每台设备至少有一个 MAC 地址。确切来讲，每一块网卡都有一个 MAC 地址。如果机器有多块网卡，就会拥有多个 MAC 地址。网卡在被生产出来时就会被烧录一个永久的 MAC 地址。

这类似于烙印在动物身上的那种标记，主要作用是便于我们快速找到并确认这头羊是否属于我，以及它是我的第几头羊……先撇开这些不谈，回过头来看，MAC 地址就是烙印在网卡上的标记，并且可以确定的是，每个 MAC 地址都是独一无二的。

MAC寻址并发送信息

在同一网络里，一台设备若想快速找到另一台设备，能够通过该地址去寻找。由于“MAC 地址”具有唯一性，所以我们可以很容易地找到目标设备，并且能够将信息精准地发送给它。

3.2 IP地址

IP地址

每台设备除了拥有 MAC 地址外，还同时拥有另一个地址，即 IP 地址。这个地址不是烙印在设备上的，而是需要网络管理员来为我们进行分配。MAC 地址又长又无规律，而 IP 地址相对容易记忆。大家可能会产生疑问，既然已经有了一个 MAC 地址，为什么还要使用 IP 地址呢？

这里我们需考虑一个问题，现今全球人口达 60 多亿。倘若每个人都拥有一台设备，那就表示我们会拥有 60 亿个 MAC 地址。这是一个极为庞大的 MAC 地址库。在如此庞大的库中去查找具体的某一台设备，就如同在大海中捞针一般。

IP寻址并发送信息

所以 MAC 地址通常用于局部网络中的设备查找。IP 地址由管理员分配，这就使得每个国家、每个地区、每个城市都有具体分配的 IP 地址段，这方便我们查找。当我们要给异国他乡的亲友发送信息时，只需先确定其“IP 地址”所在地区，然后再具体查找其设备，这会变得很容易。

3.3 网络寻址

两个局域网连接

当一个公司的规模逐渐变大时，就会出现分公司。在这种情况下，会有多个网络区域产生。此时，我们需要用路由器把两个网络连接起来，而这个路由器既是一个局域网 LAN 的一部分，也是另一个局域网 LAN 的一部分，它的作用是把一个网段的信息传递到另一个网段。

刚才学习后我们知道，MAC 地址是用于本地局域网的地址。所以，当要把一段打印信息发送给另一个网段的打印机时，仅用 MAC 地址是不够的。这时，我们可以通过 IP 地址来定位打印机的位置。

IP地址的工作流程

我们来看具体的工作流程。当一个网段中的电脑准备好要将信息传递给打印机进行打印时，我们的电脑会在这段消息上添加一个 IP 地址，而这个 IP 地址就是打印机的 IP 地址。同时，该打印机处于另一段网络。于是，电脑在该信息上添加了路由器的 MAC 地址。先找到路由器，路由器接收到信息后，将这个 MAC 地址更改成打印机的 MAC 地址。接着，就能够精确地将该信息传递给打印机。

3.4 总结

【1】主机都同时拥有一个MAC地址和一个IP地址

【2】MAC地址常用于一个局域网络

IP 地址既能在本地的网段被使用，也能在其他网段被使用。

3.5 问题

哪个主体将 Mac 地址分配给计算机呢？一台计算机拥有的 Mac 地址数量是多少呢？

【2】要在本地网段中发送消息，是否需要IP地址？