3. 物理层（二）：接口标准（RS-232、RJ45）、集线器与中继器、物理层设备的工作特点

上一讲我们聊了物理层的核心使命——把比特流变成信号扔到线上去。今天咱们接着往下挖，看看物理层具体是怎么跟线缆打交道的。说白了，就是接口标准和中间设备这两件事。

我个人习惯把物理层想象成一个“插头世界”。你想想看，不同的线缆、不同的连接器、不同的电气特性，物理层得把它们统一成一种语言。今天我们就来拆解几个最常见的接口，以及那些“傻乎乎”但不可或缺的中继设备。

RS-232：老牌串行接口，至今仍在用

RS-232 是个老古董了，上世纪 60 年代就定下来的标准。但我敢说，你在很多工业设备、路由器 console 口上还能见到它。为什么？因为它简单、可靠。

RS-232 定义的是 DTE（数据终端设备，比如电脑）和 DCE（数据通信设备，比如调制解调器）之间的接口。它用的是 DB9 或 DB25 连接器，最常见的是 9 针的。

它的电气特性很有意思：用 -15V 到 -3V 表示逻辑“1”，用 +3V 到 +15V 表示逻辑“0”。这跟现在主流的 TTL 电平（0V/3.3V 或 5V）完全不一样。所以，直接把 RS-232 接到单片机串口上，大概率会烧芯片——我当年就干过这事，一股焦味，教训深刻。

RS-232 的缺点也很明显：传输距离短（通常不超过 15 米），速率低（最高也就 115200 bps 左右）。但在短距离、低速、点对点的场景下，它依然是个可靠的选择。

RJ45：以太网的“万能插头”

说到 RJ45，大家应该不陌生。家里路由器、电脑网口，基本都是它。RJ45 是 8 针连接器，用于双绞线（最常见的是 Cat5e、Cat6 线缆）。

RJ45 本身只是一个物理接口标准，它定义了插头和插座的机械尺寸、引脚排列。真正决定信号怎么传的，是它背后的以太网标准（比如 10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T）。

这里有个关键点：RJ45 的 8 根针，并不是全都在用。10Mbps 和 100Mbps 以太网只用 1、2、3、6 这四根线（1、2 发送，3、6 接收）。千兆以太网才用到全部 8 根线，而且是双向同时传输。

RJ45 的线序有两种标准：T568A 和 T568B。两种标准在电气性能上没有区别，只是颜色排列不同。但要注意：同一根网线的两端，必须用同一种标准（直连线），或者一端 A 一端 B（交叉线）。现在的网卡大多支持 Auto MDI/MDIX，能自动识别线序，所以交叉线基本用不上了。

中继器：信号“续命”的简单设备

信号在线缆上传输，距离一长就会衰减、变形。中继器就是干这个的——它把收到的信号整形、放大，再发出去。它工作在物理层，不关心数据内容，只关心信号波形。

中继器有个特点：它不隔离冲突域。什么意思？就是它把两段线缆连成了一段，两边的设备如果同时发数据，还是会冲突。所以中继器只能延长传输距离，不能增加网络容量。

我记得在早期的 10BASE5 粗缆以太网中，一个网段最长 500 米，用中继器可以扩展到 2500 米（最多 4 个中继器）。但现在基本没人用中继器了，因为集线器和交换机更实用。

集线器（Hub）：多端口的中继器

集线器本质上就是一个多端口的中继器。它把多个设备连在一起，形成一个共享的冲突域。你想想看，集线器收到一个端口的数据，会把它复制到所有其他端口——不管数据是不是发给那个设备的。

这就导致了一个问题：如果两个设备同时发数据，就会冲突。所有设备都得等，网络利用率很低。在 10Mbps 的集线器上，如果接了 10 台设备，每台设备实际能用的带宽可能连 1Mbps 都不到。

我刚开始做网络时，公司还在用集线器。有一次同事抱怨网速慢，我一看，集线器上接了 20 多台电脑，还开着视频会议。那画面，卡得跟幻灯片似的。后来换了交换机，问题立马解决。

物理层设备的工作特点

总结一下，物理层设备（中继器、集线器）有几个共同特点：

• 不处理数据内容： 它们只关心信号的电平、波形、时序，不关心数据包里的地址、协议。
• 不隔离冲突域： 所有端口共享同一个冲突域，设备越多，冲突概率越大。
• 不隔离广播域： 广播帧会被复制到所有端口（集线器），或者被放大转发（中继器）。
• 延迟低： 因为不做任何处理，只是信号整形和转发，延迟通常在微秒级。
• 简单、便宜： 结构简单，成本低，但功能有限。

下面这张图，帮你理清物理层设备在协议栈中的位置，以及它们与上层设备的关系。

从这张图可以看得很清楚：物理层设备只跟信号打交道，不碰数据内容。它们的作用就是让信号传得更远、让更多设备能连在一起。但代价就是——冲突域和广播域都不隔离，网络规模一大，性能就会急剧下降。