古法网络入门

• 网线上的模样 ── Wireshark 看不到的前后字节，用计算确认校验用的 FCS
• 把比特变成信号 ── 一个字节内比特的发送顺序，10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T 的区别
• 三条通道 ── 网线（铜线）、光纤（光）、Wi-Fi（电波）
• “快”的真正含义 ── 把练习网络的“网线”改成 10 M、100 M、1 G 来测量

一句话说，物理层的工作就是把 0 和 1 变成能送到对方的信号。铜线上是电压，光纤里是光的明暗，Wi-Fi 是电波的变化。接收方按固定的间隔读取信号，再还原成 0 和 1。

为此，物理层的标准规定得很细：连接器的形状和针脚排列，线缆的种类和长度，电压或光的波长，每一位用多少时间，以及接收方如何和发送方对准时钟。反过来，物理层不管内容。比特是 IP 还是 JSON，它都不在意。

说一下单位。线路的速度用 bps（bits per second，每秒多少比特）来算。文件大小用字节算，别忘了除以 8。即使是 1 Gbps 的线路，每秒最多也只能运 125,000,000 字节（约 125 MB）。

第 1 讲在 Wireshark 里看到的申请是 266 字节。但在网线上，前后还多了一点东西。

开头的前导码是 0 和 1 交替排列的 7 字节（十六进制 55）。接收方听着它，把时钟对准发送方。接下来的 SFD（d5）表示“帧从这里开始”。最后的 FCS 是检查途中有没有损坏的 4 字节校验数，用 CRC-32 计算得出。帧之后，规定至少要留 12 字节的间隔。

FCS 由发送方的网卡附加，接收方的网卡检查后去掉，所以平常在 Wireshark 里看不到。于是，我用第 1 讲的 266 字节实际算了一下。

# 从第 1 讲的 266 字节（第 8 个，申请本身）计算附在网线末尾的 FCS
>>> import zlib
>>> frame = bytes.fromhex('020000000101 0200000001100800 4500 …')  # 266 字节
>>> hex(zlib.crc32(frame))
'0xa27156ea'
>>> fcs = zlib.crc32(frame).to_bytes(4, 'little')   # 在网线上按 ea 56 71 a2 的顺序附加
>>> hex(zlib.crc32(frame + fcs))
'0x2144df1c'   # 接收方的验算。没有损坏的话，总是这个值
# 如果途中只翻转 1 位，46851 变成了 56851……
>>> broken = frame.replace(b'46851', b'56851')
>>> hex(zlib.crc32(broken + fcs))
'0xce86b422'   # 值对不上 → 这一帧被丢弃（不会交给上层）

哪怕只错 1 位，验算的值就对不上，这一帧就会被悄悄丢弃。物理层和数据链路层只负责“不送坏掉的东西”，不负责重发。重发是第 6 讲 TCP 的工作。

把比特变成信号时，首先要注意发送顺序。Ethernet 按顺序从头发送字节，但一个字节内从低位开始发送。SFD 的 d5 用二进制写是 11010101，在网线上却是按 1,0,1,0,1,0,1,1 的顺序发出去的。

如果只是 1 为高、0 为低的“直接表示”，在 0 连续很长的地方，接收方很难数清到底持续了几位（时钟会慢慢偏移）。所以 10BASE-T 使用曼彻斯特编码，每一位的正中间一定翻转。接收方可以借这个翻转重新对准时钟。代价是，信号的变化速度要快一倍。

越快的标准，这方面的功夫越讲究。

1000BASE-T 和 100BASE-TX 一样是“每秒 1.25 亿次”变化，却快了 10 倍，是因为线多了一倍（4 对），每次承载的信息更多（五级），而且同一对线同时发送和接收。靠的是把自己发出信号的反射扣除掉的“回波消除”技术。

最常见的通道是网线（双绞线）。里面有 8 根铜线，两根一组绞成 4 对。

为什么要绞？两根线上分别传“正”和“负”方向相反的信号，接收方读取两根线的差。外来噪声会同样落在绞在一起的两根线上，相减就抵消了。绞的密度（以及屏蔽）的不同，就是网线“类别”的不同。

家里或办公室，如果现在要买，选 Cat6A 就不会有问题。无论哪一类，连接长度基本都是最长 100 m。更远的地方，就用下面的光纤。

光纤把光关在头发丝那么细的玻璃里运送。不用电，所以抗噪声，能传得很远。楼与楼之间、数据中心内部、直到海底光缆，长距离几乎都是光。

在交换机一侧，用叫 SFP 的可插拔部件在光和电之间转换。同一台交换机，换插不同的 SFP，就能接多模、单模，甚至铜线。

玻璃里的光，速度约为真空中的三分之二。前进 1 公里约需 5 微秒。这个数字在第九章还会用到。

Wi-Fi 是用电波运送比特的物理层（数据链路层的规则也一起在 IEEE 802.11 中规定）。每一代都这样变快。

日本从 2022 年 9 月 2 日起，6 GHz 频段中的 5925〜6425 MHz 可以用于无线局域网。Wi-Fi 7 的认证于 2024 年 1 月开始。

不过，表里的数字是“所有条件都齐备时的理论最大值”。电波在空中由大家共用，同一时刻只能有一台在说话（半双工）。墙壁和距离会让信号变弱，还会和邻居的 Wi-Fi 冲突。对速度要求高的设备、固定在桌上的电脑，用网线连接最可靠。

把多根网线汇在一起的盒子有两种。老式的集线器（hub），会把某个口进来的信号原样送到其他所有口，是物理层的设备。

接在集线器上的设备，就等于所有人共用一条线。两台同时发送，信号就会冲突，所以要先听线路是否空闲，冲突了就等一会儿再重发，靠这样的规则（CSMA/CD）互相谦让。

现在的交换机会看目的 MAC 地址，只送到对方所在的口（第 3 讲详述）。每个口的通道是分开的，不会冲突。同时收发的全双工成了理所当然，冲突的担心基本成了历史。

口上方的灯，是物理层“已连通”的标志（链路）。插上网线后，两端设备会互相告知自己能用的速度和方式（自动协商），选出最快的组合。所以灯亮起来要花一点时间。

回到开头的问题。1 Gbps 的线路比 10 Mbps 快几倍？我在第 1 讲的练习网络里，在路由器两侧加了“每秒最多多少比特”的阀门，把网线速度改成 10 M、100 M、1 G 来测量（用的是 Linux 的 tc 功能）。

# 在路由器两侧的口上加一个“每秒最多 10 兆比特”的阀门（tbf）
$ tc qdisc add dev lan0 root tbf rate 10mbit burst 15kb latency 100ms
$ tc qdisc add dev wan0 root tbf rate 10mbit burst 15kb latency 100ms
# 100 Mbps、1 Gbps 也一样。去掉就恢复原状

测了两件事：下载 500 万字节的文件，以及和第 1 讲一样的一次申请（POST）。

大文件下载和速度成正比，4.175 秒 → 0.416 秒 → 0.042 秒，正好快了 100 倍（实际速度是 9.6、96.3、951.2 Mbps，因为有头部，比线路速度略低）。但申请只从 1.21 → 1.07 → 1.03 毫秒，只快了 1.2 倍。因为 266 字节即使在 10 Mbps 下，大约 0.2 毫秒就流完了。

线路的快慢有粗细（带宽）和长度（延迟）两种。这个练习网络在一台机器里，“长度”几乎为 0；但在真实网络中，光是光传播的时间就要这么多（按光纤中每公里约 5 微秒计算的理论下限）。

实际的线缆不是直的，途中的路由器也要等待，所以真实值比这还大。线路再粗，光速也不会变。想让小小的 API 调用变快，就减少往返次数，或把服务器放近一点。这是做后端时会起作用的思路。

顺便查了一下第 1 讲以来练习网络的“网线”，它是这样自称的。

# 用 ethtool 查看第 1 讲练习网络里电脑一侧的“网线”
$ ethtool eth0
    Speed: 10000Mb/s
    Duplex: Full
    Auto-negotiation: off
    Port: Twisted Pair
    Link detected: yes
$ ethtool -i eth0
    driver: veth
# veth＝只存在于软件里的虚拟网线。速度和“双绞线”都只是名义上的

自己的电脑以什么速度连接，可以这样查看。

物理层的故障，从其他层看就是“有点慢”“时不时断”。常见的列在这里。