1.1 三种信号载体#

电信号最直觉：高电压 = 1，低电压 = 0。但电信号在导线中传播会衰减、会受干扰，距离一长就不可靠了。光信号解决了这个问题——光在光纤中的衰减极低，可以传输数千公里而不需要中继。电磁波则不需要任何物理介质，但受限于频谱资源和多径干扰。

1.2 带宽与延迟的物理约束#

带宽（Bandwidth）和延迟（Latency）是网络性能的两个基本维度，它们受不同的物理约束：

• 带宽受限于信号频率范围和编码效率——这是香农定理的领域
• 延迟受限于信号传播速度和物理距离——这是光速的领域

1
# 用 ping 测量延迟——你看到的 RTT 主要由物理距离决定
2
$ ping -c 4 baidu.com
3
PING baidu.com (39.156.66.10) 56(84) bytes of data.
4
64 bytes from 39.156.66.10: icmp_seq=1 ttl=49 time=28.3 ms
5
64 bytes from 39.156.66.10: icmp_seq=2 ttl=49 time=27.9 ms
6
64 bytes from 39.156.66.10: icmp_seq=3 ttl=49 time=28.1 ms
7
64 bytes from 39.156.66.10: icmp_seq=4 ttl=49 time=28.0 ms
8

9
# 28ms 的 RTT ≈ 信号在光纤中往返约 4200km
10
# 光纤中光速 ≈ 2×10⁸ m/s，实际距离 ≈ RTT × 2×10⁸ / 2

一个常见的误解：带宽越高，延迟越低。这是两回事。把管道加粗（增加带宽）不能让水跑得更快（降低延迟）。带宽决定你每秒能传多少比特，延迟决定第一个比特到达需要多久。

1.3 香农定理#

1948 年，Claude Shannon 证明了一个根本性的定理：在有噪声的信道中，无差错传输的最大速率存在上限：

C = B × log₂(1 + S/N)

其中 C 是信道容量（bps），B 是带宽（Hz），S/N 是信噪比。

1
# 香农定理计算示例
2
import math
3

4
# 典型电话线：带宽 3000Hz，信噪比 30dB（S/N = 1000）
5
bandwidth = 3000  # Hz
6
snr_linear = 1000  # 30dB → 10^(30/10) = 1000
7
capacity = bandwidth * math.log2(1 + snr_linear)
8
print(f"电话线理论最大容量: {capacity/1000:.1f} kbps")
9
# 输出: 电话线理论最大容量: 29.9 kbps
10

11
# 这就是为什么 56k 调制解调器接近了电话线的物理极限
12
# 要突破这个极限，只能增加带宽或提高信噪比

香农定理告诉我们一个残酷的事实：给定带宽和信噪比，你不可能无限制地提高传输速率。这也是为什么 5G 要用毫米波（更多带宽）、WiFi 要用 5GHz 和 6GHz 频段（更多带宽）——不是这些频段本身”更快”，而是它们提供了更宽的频率范围来承载更多数据。

2.1 光纤的结构#

光纤的核心结构比大多数人想象的更精巧——它不是一根实心玻璃棒，而是一个同心圆结构：

光在纤芯中传播的原理是全反射：纤芯的折射率 n₁ 略高于包层的折射率 n₂，当光以大于临界角的角度射入纤芯-包层界面时，光被完全反射回纤芯，不会泄漏出去。这就是光能沿着弯曲的光纤传播数千公里的原因。

2.2 单模 vs 多模光纤#

为什么单模光纤能传那么远？因为”单模”——纤芯极细，只允许光以一种模式（一条路径）传播，不存在多模光纤中不同光路径到达时间不同的问题（模色散）。代价是纤芯太细，需要精确的激光器对准，成本更高。

2.3 色散与衰减#

光信号在光纤中传播时面临两个物理问题：

衰减：光信号随距离减弱。在 1550nm 波长（光纤的最低衰减窗口），衰减约为 0.2 dB/km。

1
# 光纤衰减计算
2
# 1550nm 波长，衰减系数 0.2 dB/km
3
attenuation_per_km = 0.2  # dB/km
4
distance = 100  # km
5

6
total_attenuation = attenuation_per_km * distance
7
print(f"100km 光纤总衰减: {total_attenuation} dB")
8
# 输出: 100km 光纤总衰减: 20.0 dB
9

10
# 20dB 意味着光功率降为原来的 1/100
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# 10^(−20/10) = 0.01
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import math
13
power_ratio = 10 ** (-total_attenuation / 10)
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print(f"光功率剩余: {power_ratio*100:.1f}%")
15
# 输出: 光功率剩余: 1.0%
16

17
# 所以长途光纤每隔 80-120km 就需要光放大器（EDFA）

色散：不同频率的光在光纤中传播速度不同，导致脉冲展宽。色散有三种：模色散（多模光纤特有）、色度色散（不同波长速度不同）、偏振模色散（不同偏振态速度不同）。色散限制了带宽×距离积——距离越长，能用的带宽越窄。

2.4 WDM 波分复用#

一根光纤只传一路光信号太浪费了。波分复用（Wavelength Division Multiplexing）的核心思想：不同波长的光互不干扰，可以在同一根光纤中同时传输。

• CWDM（粗波分复用）：约 18 个波长通道，通道间隔 20nm
• DWDM（密集波分复用）：80~160 个波长通道，通道间隔 0.8nm 或 0.4nm

每路波长可以承载 100Gbps 甚至 400Gbps 的信号。一根光纤，160 路 DWDM × 400Gbps = 64 Tbps。这就是一根细如发丝的玻璃纤维能承载的容量。

3.1 双绞线的规格演进#

3.2 以太网物理层标准#

你可能在网卡参数里见过 1000BASE-T 这样的名字。这个命名有规则：

• 1000 = 速率，单位 Mbps
• BASE = 基带传输
• T = 介质类型（T = 双绞线，SX = 短波多模光纤，LX = 长波单模光纤）

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# 查看网卡当前速率和双工模式
2
$ cat /sys/class/net/eth0/speed
3
1000
4

5
$ ethtool eth0
6
Settings for eth0:
7
    Supported ports: [ TP ]
8
    Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full
9
                            100baseT/Half 100baseT/Full
10
                            1000baseT/Full
11
    Supported pause frame use: No
12
    Supports auto-negotiation: Yes
13
    Advertised link modes:  10baseT/Half 10baseT/Full
14
                            100baseT/Half 100baseT/Full
15
                            1000baseT/Full
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    Speed: 1000Mb/s
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    Duplex: Full
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    Auto-negotiation: on
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    Port: Twisted Pair
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    PHYAD: 1
21
    Transceiver: internal
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    Link detected: yes

3.3 双绞线为什么能抗干扰#

双绞线的”绞”不是装饰。两根线绞在一起，外部电磁干扰对两根线产生的影响几乎相同——差分信号接收器只关心两根线之间的电压差，共模干扰被抵消。绞距越密，抗干扰能力越强，这也是 Cat6 比 Cat5e 绞得更密的原因。

1000BASE-T 更是把这个思路推到极致：4 对线同时双向传输，每对线既发又收，靠回声消除（echo cancellation）分离发送和接收信号。这就像两个人同时说话同时听对方说话，靠声学处理把回声滤掉。

4.1 WiFi 频段对比#

为什么 5GHz 覆盖比 2.4GHz 小？因为频率越高，波长越短，绕射能力越弱，穿透障碍物的衰减越大。2.4GHz 的波长约 12.5cm，5GHz 约 6cm——后者更容易被墙壁、家具阻挡。但 5GHz 换来的是更宽的频谱和更少的干扰，所以速度更快。

4.2 信道宽度与调制方式#

WiFi 的速率由三个因素决定：信道宽度、调制阶数、空间流数。

• 信道宽度：20MHz → 40MHz → 80MHz → 160MHz，越宽能承载的数据越多
• 调制阶数：从 BPSK（1 bit/符号）到 1024-QAM（10 bit/符号），每个符号携带更多比特
• 空间流数：MIMO 天线数量，1×1 到 4×4

1
# 查看无线网卡状态
2
$ iwconfig wlan0
3
wlan0     IEEE 802.11  ESSID:"MyNetwork"
4
          Mode:Managed  Frequency:5.18 GHz  Access Point: AA:BB:CC:DD:EE:FF
5
          Bit Rate=1.2 Gb/s   Tx-Power=22 dBm
6
          Retry short limit:7   RTS thr:off   Fragment thr:off
7
          Encryption key:off
8
          Power Management:on
9
          Link Quality=70/70  Signal level=-40 dBm
10
          Rx invalid nwid:0  Rx invalid crypt:0  Rx invalid frag:0
11
          Tx excessive retries:0  Invalid misc:0   Missed beacon:0

5.1 线路编码：从 NRZ 到 8B/10B#

最直觉的编码方式是 NRZ（Non-Return-to-Zero）：高电平 = 1，低电平 = 0。但 NRZ 有个致命问题——长串的 0 或 1 会导致信号电平长时间不变，接收方无法从中恢复时钟。

Manchester 编码用每个比特中间的电平跳变来携带时钟信息，接收方很容易同步。但代价是效率只有 50%——10MHz 的信号速率只能传 5Mbps 的数据。4B/5B 编码更聪明：每 4bit 数据映射为 5bit 编码，选择那些不会出现连续 3 个以上 0 的编码，效率提升到 80%。

8B/10B 编码更进一步，除了保证时钟恢复，还保证 DC 平衡（0 和 1 的数量大致相等），这对光模块的接收灵敏度至关重要。

5.2 QAM 调制#

线路编码解决的是”基带传输”问题——信号直接在介质上传输。但无线通信和某些有线系统需要调制：把基带信号搬移到高频载波上。

QAM（Quadrature Amplitude Modulation）同时利用载波的振幅和相位来携带数据。16-QAM 用 16 个不同的振幅-相位组合，每个符号携带 4 bit；256-QAM 携带 8 bit；1024-QAM 携带 10 bit。

但 QAM 阶数越高，对信噪比的要求越苛刻——16 个点容易区分，1024 个点挤在一起，稍有噪声就会搞混。这就是为什么信号弱的时候 WiFi 会自动降级到低阶调制。

5.3 OFDM：为什么 WiFi 和 5G 都在用#

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是现代无线通信的基石。WiFi（802.11a/g/n/ac/ax）、4G LTE、5G NR 都使用 OFDM。

核心思想：把一个宽带信道分成很多正交的窄带子载波，每个子载波独立调制。正交意味着子载波之间互不干扰，即使频谱重叠也没关系。

为什么 OFDM 这么受欢迎？

1. 抗多径干扰：无线信号经过反射、折射会走多条路径到达接收端，造成符号间干扰。OFDM 把高速数据分散到多个低速子载波上，每个子载波的符号周期变长，多径延迟的影响变小
2. 频谱效率高：子载波正交，频谱可以重叠，比传统 FDM 节省近一半带宽
3. 灵活分配：不同子载波可以用不同的调制方式，适应信道条件

代价是峰均比（PAPR）高——多个子载波同相叠加会产生很大的峰值功率，对功放线性度要求高。

6.1 全球海底光缆概览#

6.2 延迟的物理天花板#

上海到旧金山的地球表面距离约 9500km。光纤中光速约 2×10⁸ m/s（真空中光速的约 67%），单程传播延迟：

1
# 光纤延迟计算
2
speed_in_fiber = 2e8  # m/s，光纤中的光速
3
distance_shanghai_sf = 9500e3  # 9500km，上海到旧金山
4

5
one_way_delay = distance_shanghai_sf / speed_in_fiber
6
print(f"单程传播延迟: {one_way_delay*1000:.1f} ms")
7
# 输出: 单程传播延迟: 47.5 ms
8

9
rtt = one_way_delay * 2
10
print(f"理论最短 RTT: {rtt*1000:.1f} ms")
11
# 输出: 理论最短 RTT: 95.0 ms

实际 RTT 约 110-130ms，比理论值高，因为：光缆不是直线铺设（要沿大陆架走）、经过多个中继器（每个增加微秒级延迟）、路由器处理延迟、光纤实际长度大于地球表面距离（光缆有弯曲余量）。

1
# 用 mtr 追踪到美国服务器的路由和延迟
2
$ mtr --report google.com
3
HOST: myserver                 Loss%   Snt   Last   Avg  Best  Wrst
4
  1.|-- 192.168.1.1              0.0%    10    0.5   0.4   0.3   0.8
5
  2.|-- 10.0.0.1                 0.0%    10    1.2   1.1   0.9   1.5
6
  3.|-- 202.97.38.33             0.0%    10    5.3   5.1   4.8   6.2
7
  4.|-- 202.97.90.34             0.0%    10   12.7  12.3  11.8  13.5
8
  5.|-- 202.97.33.178            0.0%    10   35.2  34.8  34.1  36.0
9
  6.|-- 72.14.215.68             0.0%    10   68.3  67.9  67.2  69.1
10
  7.|-- 108.170.241.1            0.0%    10   72.1  71.6  70.8  73.5
11
  8.|-- 142.250.66.46            0.0%    10   73.4  72.8  71.9  74.2

6.3 海底光缆的修复#

海底光缆躺在 4000-8000 米深的海底，被船锚、地震、鲨鱼（真的）咬断是常有的事。修复流程：

1. 故障定位：用光时域反射仪（OTDR）测量断点位置，精度可达数米
2. 修复船驶往故障海域，放下抓钩捞起光缆
3. 将断点两端拉上甲板，接上备用光缆段
4. 测试连通性后重新沉入海底

整个过程通常需要 1-2 周，费用可达数百万美元。这也是为什么跨洋线路通常有冗余——主用和备用走不同路径。

7.1 PON 架构#

PON（Passive Optical Network）是光纤到户的主流技术。关键在”Passive”——光分配网络中没有任何有源设备，只有无源的光分路器（Splitter），不需要供电，几乎不坏。

PON 使用波分复用分离上下行：下行用 1490nm，上行用 1310nm，同一根光纤双向传输。下行是广播——OLT 发出的信号所有 ONT 都能收到，每个 ONT 只处理属于自己的数据（靠加密和标识符区分）。上行是 TDMA——各 ONT 在不同时隙发送，避免冲突。

注意分光比：一根 OLT 端口的光信号被分给 32 或 64 个用户。这意味着 2.5Gbps 的 GPON 下行带宽由最多 64 个用户共享——如果所有人同时满速下载，每人只能分到约 39Mbps。这就是”千兆宽带”在高峰期可能掉速的原因之一。

7.2 DOCSIS：有线电视线的二次生命#

不是所有家庭都有光纤入户。很多家庭通过同轴电缆（有线电视线）接入互联网，使用 DOCSIS 标准。

DOCSIS 把有线电视网络改造成了双向数据网络：下行数据调制到未被电视节目占用的频段上，上行数据使用 5-42MHz 的低频段。最新版 DOCSIS 4.0 支持下行 10Gbps、上行 6Gbps，但需要升级线路和设备。

7.3 最后一公里技术对比#

7.4 FTTH vs FTTN vs FTTC#

这三个缩写描述了光纤离你家有多远：

• FTTH（Fiber To The Home）：光纤直接到你家，ONT 装在你家里。最佳方案，延迟最低、带宽最大
• FTTB（Fiber To The Building）：光纤到楼，楼内用铜缆/网线到户。中国城市老小区常见
• FTTN（Fiber To The Node）：光纤到街角节点，最后几百米用电话线（VDSL）。北美常见，延迟较高
• FTTC（Fiber To The Curb）：光纤到路边，比 FTTN 更近一些

1
# 查看网络接口的物理层状态
2
$ ip link show eth0
3
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
4
    link/ether aa:bb:cc:dd:ee:ff brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
5

6
# LOWER_UP 表示物理链路已连接
7
# state UP 表示接口已启用
8

9
# 查看接口速率
10
$ cat /sys/class/net/eth0/speed
11
1000
12

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# 如果是光纤接入，通常能看到 ont 相关接口
14
$ ifconfig eth0
15
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
16
        inet 192.168.1.100  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.1.255
17
        inet6 fe80::1  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
18
        ether aa:bb:cc:dd:ee:ff  txqueuelen 1000  (Ethernet)
19
        RX packets 12345678  bytes 8765432100 (8.7 GB)
20
        TX packets 9876543  bytes 7654321000 (7.7 GB)