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03 OSI第一层:接通你的机器(上)
更新时间:2019-11-26 09:45:58
读书而不思考,等于吃饭而不消化。

——波尔克

  1. 前言
  2. 第 1 层,它的角色
  3. 总结

1. 前言

上一课我们大致了解了如何用 OSI 模型进行通信,从这一课开始,我们将深入了解我们感兴趣的各个层。

本课程将基本只探讨 OSI 的第 1 到第 4 层(物理层、数据链路层、网络层和传输层),以及第 7 层(应用层)。我们不怎么关心第 5 和第 6 层(会话层和表示层)。

这是因为 OSI 是一个理论模型,实际生活当中我们使用的是 TCP/IP 协议。TCP/IP 协议只用到 OSI 的前 4 层和第 7 层。

我们首先学习能让我们在局域网里面通信的层,这些层里面首当其冲的当然就是我们的第 1 层:物理层。

来吧,就像《钢铁侠2》里 Tony Stark 说的:“We’re back in hardware mode”,是时候切换到“硬件模式”,来干一些“体力活”了!

2. 第 1 层,它的角色

正如上一课我们在 OSI 模型中看到的那样,每个层都有一个或多个相关角色,都是为了建立通信。

那这第 1 层有什么用呢?

我们在之前的课程中,已经介绍过第 1 层的相关信息了,如下:

第 1 层或者物理层(Physical layer)

  • 名字:物理层
  • 作用:为通信提供传输媒介
  • 辅助作用:没有
  • 相关设备:集线器(就是常说的 Hub)

第 1 层的主要作用是为通信提供传输媒介。是的,为了能够通信,就需要有传输的媒介。在平时生活中,我们也可以找到相应的例子,比如上网:

  • 如果你用的是有线上网的方式,你会用一根网线来连接你的电脑和上网的盒子,传输的媒介就是网线;
  • 如果你用的是无线(WiFi)上网的方式,传输的媒介就是空气。

因此,第 1 层旨在传输电信号,粗略地说就是 0 和 1 这样的信息。

那你也许要问:“为什么电信号是 0 和 1 这样的,而不是 10 或 250 呢?

这是因为区分不同的电信号是很困难的。

对于一个在 0 V(V 是 volt(伏特)的首字母,是电压的单位)到 5 V 之间的电信号,要区分到底它是比较接近 0 V 还是 5 V,是很容易的。

然而,如果要我们区分这个电信号到底是接近 0 V、1 V、2 V、3 V、4 V 还是 5 V 的话,就不那么容易了。特别是外界有磁场干扰的时候(比如 磁铁),电信号的大小就会被改变。

设想一下:如果外界的干扰使得电信号增加了 2 V,那么你将不能区分 3 V 和 4 V,因为它们之间只相差 1 V。然而,对于 0 V 和 5 V 来说,即使外界干扰使其增加了 2 V 的信号量,我们还是可以区分的,因为它们之间相差了 5 V。

因此,区分 2 个信号比区分 5 个,10 个甚至更多的信号要容易得多。

在信息技术领域,我们就用 0 和 1 来代表两种不同的电信号大小,或状态(表示“关”和“开”)。

但是如何传输这些 0 和 1 的电信号呢?

硬件,线缆,等等

这些 0 和 1 的信号能够被传输,还得依赖传输媒介。我们会逐个学习这些传输媒介。

以前,我们曾用到某种线缆。这样的线缆目前已经基本被淘汰了。但是在一些比较老旧的网络设备里你可能还会发现它们的身影。这些线缆有个专门的名字:同轴电缆

同轴电缆

同轴电缆的英语是 Coaxial Cable。coaxial 是“同轴的”的意思,cable 是“电缆,缆绳”的意思。

下图就是一张同轴电缆的示意图:

图片描述

可以看到,同轴电缆的最里面是一根“数据线”(内层导体),0 和 1 这样的电信号就是靠这根数据线来传输的。而外层网状导体是为了提供一个 0 V 的参考电信号。我们对内层导体和外层网状导体做一个“电位差”来获得我们的电信号。

这里要说明一下:cable 是指“电缆,缆绳”,通常是指比较粗的缆线。而上面说的数据线之类的线,英语是 wire,表示“线,电线,金属丝”,一般比较细。在 cable 里面一般会有一根或多根 wire。

对同轴电缆的“科学命名”有点另类,是 10B2,或 10B5(对于更旧的版本)。

为什么不用同轴电缆这么简单的名字,而要用 10B2 或 10B5 这样的数字加字母的令人费解的命名呢?

其实,这两个“怪名字”还是有符合逻辑的解释的:

  • 10 表示传输速率是 10 Mbps(Mbps 是 Mega Bits Per Second 的缩写,表示“兆比特每秒”,也就是 100 万比特每秒);

  • B 表示编码 0 和 1 信号的方式,这里是表示 Baseband(基带,base 是“基本的”的意思,band 是“带,波段”的意思),B 是 Baseband 的首字母。关于基带,可以参看这个百度百科

  • 最后的数字(2 或 5)表示同轴电缆的最大传输距离,以米为单位,除以 100 所得的数字。对于 10B2 来说,这个长度是 200 米。对于 10B5 来说,这个长度是 500 米。因为 200 除以 100 等于 2,而 500 除以 100 等于 5。超过最大传输距离之后,信号会有明显减弱,传输质量会大幅下降。

10B5 同轴电缆

10B5 是最古老的同轴电缆,也是最难用的。怎么使用呢?

首先,将线缆堆放在屋子里,然后将机器(机器可能是电脑、打印机、路由器,等等设备)连接到线缆上,需要用到“吸血鬼接口”来建立连接。

为什么叫“吸血鬼接口”呢?“德拉库拉伯爵”来凑什么热闹啊?

事实上,这是因为需要手动在线缆上开一个口子,割破绝缘层,为的是能触及到最内部的数据线。一旦在线缆上开好口子,就用吸血鬼接口(一种类似夹板的装置)的金属引导针“咬住”开口的地方,这样就可以接触到数据线,就可以获取电信号了。下图展示了吸血鬼接口:

图片描述

不禁感叹:“当年的网络管理员干的可真是纯体力活呀!”

顺便说一句,10B5 同轴电缆非常粗,要把它弯曲是非常困难的一件事。而且,如果弯曲太过,咔嚓,内部的数据线就被折断了,网络就断了,线缆也只能被扔进垃圾桶。简直是“弯不对,嘎嘣脆”。

正是因为这样,一般都把 10B5 同轴电缆沿着房屋的拐角布线,以防止被过度弯曲。如果此时一个动坏脑筋的学生想要借此报复一下他的导师的话,只需要用脚绊一下线缆… “嗯,想想都有点小激动呢。”

幸亏,后来出现了 10B2 同轴电缆。

10B2 同轴电缆

10B2 同轴电缆的构造和 10B5 同轴电缆是一样的,但是要比后者细很多。10B5 同轴电缆的直径大约 1.27 厘米,而 10B2 同轴电缆的直径大约 0.26 厘米。

10B2 同轴电缆的连接方式也和 10B5 大不相同。为了将 10B2 同轴电缆和机器连接,需要用到:

  • BNC 缆线连接器:焊接或拧接在电缆的端部;
  • BNC T型头:用于连接机器的网卡和网络中的电缆;
  • BNC 终端器:用于防止信号到达电缆断口后反射回来产生干扰。

以下摘自 百度百科

BNC 表示 BNC 连接器(BNC 是 Bayonet Neill-Concelman 的缩写,表示“尼尔-康塞曼卡口”),是一种很常见的 RF 端子同轴电缆终结器。BNC 电缆连接器由一根中心针、一个外套和卡座组成。它包括 BNC 连接器基座、外套和探针三部分。BNC 连接器得名于其锁定方式和其发明者贝尔实验室的保罗·尼尔(发明了 N 端子)和安费诺公司的工程师卡尔·康塞曼(发明了 C 端子)。BNC 电缆连接器必须连接到每段电缆的两端。

下面按顺序分别展示 BNC 缆线连接器、BNC T型头 和 BNC 终端器:

  • BNC 缆线连接器

图片描述

  • BNC T型头

图片描述

  • BNC 终端器

图片描述

一般也需要有 BNC 桶型连接器,用于把两条缆线连接成一条更长的缆线。

为了构建一个网络,我们在 BNC T型头的一端接上一个 BNC 终端器,把连接机器的网卡的那根线连接到T型头中央的那个头上,然后其它的线接在 T型头的另一端。

因此,T型头的另一端连接的就是另一个T型头,这样一个接一个地连接,直到网络被一个 BNC 终端器给封闭为止。

下图展示了 BNC 的连接方式:

图片描述

完整的 BNC 网络如下图所示:

图片描述

这比 10B5 的网络要简单和牢固很多,因为如果线缆被损坏了,我们可以用新的线缆来替换。但是,如果某人要断开自己的那段网络的话,他就会把整个网络也断开了…

幸亏,网络的连接方式一直在演进。我们的大英雄双绞线终于粉墨登场!

下节课,我们就正式来认识下这位大英雄,也会学习其它知识点。

3. 总结

  1. OSI 第一层(物理层)的主要作用是为通信提供传输媒介;
  2. 在信息技术领域,我们用 0 和 1 来代表两种不同的电信号大小,或状态(表示“关”和“开”);
  3. 同轴电缆(10B5 或 10B2)虽然很不错,但已经逐步被更新更好的线缆淘汰了。

今天的课就到这里,一起加油吧!

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