网线、光纤和 Wi-Fi 信号，分别靠什么传数据？

阶段 1 · 物理层 · 第 5 课

学校新建了一栋实验楼：机房里的服务器到工位电脑只有 30 米，实验楼到 2 千米外的图书馆核心机房需要拉一条万兆主干，而教室里的笔记本电脑不想插任何线缆。在第 4 课我们看到，距离造成的衰减和环境中的噪声是物理信号的两大天敌。面对这三种截然不同的场景，为什么不能全用同一种铜网线解决？

学完本课后，你将能够：

1. 解释双绞线为什么要两两对绞，以及百米距离上限的工程原因。
2. 区分多模光纤（MMF）与单模光纤（SMF）的纤芯规格、光源、传输距离及配套光模块命名。
3. 根据给定距离、速率和电磁环境，为工位接入、机房互联和跨楼宇主干选出合适的物理介质。

1. 先看图：三种介质各传什么物理量？

无论是哪一种介质，它搬运的都是我们熟悉的比特流（如 01000001），只是把比特寄托在不同的物理变化上：

• ① 双绞线（铜缆）：传导差分电压信号。成本低、两端直接压接 RJ45 水晶头即可插上电口网卡，适合 100 米以内的桌面与机柜接入。
• ② 光纤（光缆）：在极细的二氧化硅玻璃纤维中利用光的全反射传导光脉冲。完全不受雷电或高压电电磁干扰，损耗极小，适合数百米至数十千米的高速骨干。
• ③ 无线介质（电磁波）：通过天线向开放空间辐射特定频段（如 2.4 GHz、5 GHz、6 GHz）的无线电波。免布线、支持移动终端，但所有设备共享同一个空气信道，易受墙体遮挡和同频干扰。

2. 双绞线：为什么要把两根铜线拧成麻花？

如果你剥开一根常见的超五类（Cat 5e）或六类（Cat 6）以太网网线，会看到里面有 4 对（共 8 根） 不同颜色的绝缘铜线，每两根都紧紧拧在一起。

为什么不平平行行地排布，非要拧成麻花（对绞）？这背后是精妙的差分传输 + 共模抵消设计：

1. 差分信号：发送端在一对线（记为 $A$ 线和 $B$ 线）上同时发出幅度相等、极性相反的电压（例如 $+1\text{ V}$ 和 $-1\text{ V}$）。接收端不看单根线对地的电压，而是计算两根线的电压差 $V_A-V_B=+2\text{ V}$。
2. 对绞抵消干扰：当外部电机或隔壁线对产生电磁干扰时，因为 $A$ 线和 $B$ 线交替扭转，它们离干扰源的平均距离几乎完全相等，感应出的噪声电压 $\mathrm{\Delta }V$ 也几乎一模一样。
3. 相减归零：接收端做减法时，$(V_A+\mathrm{\Delta }V)-(V_B+\mathrm{\Delta }V)=V_A-V_B$，外部干扰 $\mathrm{\Delta }V$ 被干净利落地抵消了！

常见双绞线等级与 IEEE 标准对照

工程布线中，双绞线按抗干扰结构分为非屏蔽双绞线（UTP）和带金属箔/编织网的屏蔽双绞线（STP/FTP）；按频率和速率能力分为不同类别（Category）：

线缆类别	常见以太网标准	典型最高速率與最大标准距离	工程选型提示
Cat 5e（超五类）	100BASE-TX / 1000BASE-T	1 Gbps（100 m）	早期桌面千兆普及线材，四对线全双工并发
Cat 6（六类）	1000BASE-T / 10GBASE-T	1 Gbps（100 m）/ 10 Gbps（约 55 m）	线径更粗，常带十字骨架隔离四对线以减小线对间串扰（NEXT）
Cat 6A（超六类）	10GBASE-T	10 Gbps（100 m）	支持完整的 100 米万兆电口传输，数据中心与高密办公常用

为什么双绞线标准上限几乎都是 100 米？ 超过 100 米后，高频电信号在铜线上的衰减和近端串扰会使信噪比（SNR）跌破接收门限，加之早期以太网时延预算的限制，标准将单段永久链路（90 米水平布线 + 10 米跳线）定格在 100 米。

3. 光纤与光模块：单模（SMF）与多模（MMF）怎么分？

当距离超过 100 米，或者速率升至 10G / 40G / 100G 甚至更高时，光纤就成了主力。光纤中心是高折射率的纤芯（Core），外围包着低折射率的包层（Cladding，标准外径通常为 $125\mu \text{m}$）。当光线以大于临界角的角度射入纤芯时，会在纤芯与包层交界处发生全反射，像在镜面管道里一样向前飞驰。

按纤芯粗细和光传播模式的数量，光纤分为两大类：

对比维度	多模光纤（MMF）（Multi-Mode Fiber）	单模光纤（SMF）（Single-Mode Fiber）
纤芯 / 包层直径	50/125 μm 或 62.5/125 μm（纤芯较粗）	9/125 μm（纤芯极细，接近光波长量级）
光传播模式	多条不同角度的光束同时反射前进	只允许单一模式的光沿轴线近似直线传播
主要受限因素与距离	不同光路路程不同产生模间色散，一般用于 数百米内（机房内部）	无模间色散、损耗极小，轻松覆盖 2 km ～ 80 km+（跨楼宇、城域网）
配套光源与成本	LED 或 VCSEL（垂直腔面发射激光器），光模块较便宜	LD（半导体激光器），光束准直度高，光模块成本略高
常见中心波长	850 nm（最常见）、1300 nm	1310 nm、1550 nm
护套与模块拉环常见颜色	橙色（OM1/OM2）、水蓝色（OM3/OM4）	黄色护套（配蓝色/黑色拉环光模块）

交换机光口怎么接？认识光模块与尾缀

交换机的光纤端口通常是一个空插槽（如千兆 SFP、万兆 SFP+、25G SFP28、40G QSFP+、100G QSFP28）。我们需要把光模块插进插槽，再把光纤跳线插进光模块。

在华为 ICT 大赛和真实工程选型中，看到以太网标准尾缀就能立刻判断光纤类型与距离：

• -SR（Short Range，短距）：如 10GBASE-SR，使用 850 nm 波长 + 多模光纤（MMF），适合机房内几十米到 300～400 米互联。
• -LR（Long Range，长距）：如 10GBASE-LR（或千兆 1000BASE-LX），使用 1310 nm 波长 + 单模光纤（SMF），标准距离常为 10 km。
• -ER / -ZR（超长距）：使用 1550 nm 波长 + 单模光纤（SMF），可达 40 km 至 80 km。

配对铁律： 链路两端的光模块必须波长一致、单/多模一致、速率一致，且一端的发送口（TX）连另一端的接收口（RX）。如果一端插 850 nm 多模模块、另一端插 1310 nm 单模模块，物理链路绝对无法点亮！

课后巩固 · 练习 · 单选

某高校需要连接相距 3 km 的图书馆与实验楼核心交换机，要求速率达到 10 Gbps 且不受室外强电管道电磁干扰，应选用哪种传输介质？

A. 超五类非屏蔽双绞线（Cat 5e UTP）

B. 六类双绞线（Cat 6）直接拉线 3 km

C. 单模光纤（SMF，9/125 μm）配合万兆单模光模块

D. 多模光纤（MMF，50/125 μm）配合 850 nm 短距光模块

课后巩固 · 练习 · 单选

双绞线内部为什么要把每两根绝缘铜导线按一定密度互相缠绕（对绞）在一起？

A. 为了让电信号在铜线里发生全反射

B. 配合差分信号传输，使两根导线受到的外部电磁干扰与线对间串扰在接收端相减抵消

C. 为了把网线的物理长度拉长一倍以提高传播时延

D. 为了让单根铜线同时传输两个不同波长的激光

4. 小结与下一步

• 双绞线：靠两根铜线对绞 + 差分接收抵消共模电磁干扰，标准永久链路距离上限为 100 米。
• 光纤与光模块：利用全反射传光脉冲，完全免疫电磁干扰；多模光纤（MMF）（50/125 μm，850 nm，-SR）适合机房内短距，单模光纤（SMF）（9/125 μm，1310/1550 nm，-LR/-ER）适合跨楼宇与城域长距。
• 无线介质：使用开放空间的射频电磁波，带来移动便利的同时需要应对衰减、遮挡和共享信道冲突（将在阶段 7 WLAN 专题深入展开）。

把网线或光纤插进电脑和交换机后，端口旁边的小指示灯为什么会先闪几下再亮起？两端的网卡是怎样商量好“我们都用千兆全双工”的？下一课我们走进网卡内部，并亲手在终端里查看物理链路状态。