2.2 信道复用与物理层设备

2.2 信道复用与物理层设备

本节摘要：复用技术让一条物理介质同时承载多路通信——时分轮班、频分分房、波分多开几条光道、码分同室各说各话。本节讲透四种复用的机理与典型应用，再介绍物理层仅有的两种设备（中继器与集线器），并用一次集线器网络的实测案例说明它为何被淘汰。

肉身成形后，数据包面临第一站的第二个问题：路不够用。一根横跨太平洋的海缆造价以亿计，不可能让一个用户独占——必须让成千上万个数据包共享同一条介质而互不干扰。复用就是"分车道"的艺术，也是物理层留给现代网络最厚的一笔遗产。

一、四种分法：时间、频率、波长、编码

四种复用一图流（每行代表一条共享介质，ABC 为三路数据）：

时分复用 TDM：|A|B|C|A|B|C|A|B|C|   轮流占用整个介质，按时隙分
频分复用 FDM：A────────────────      各占一段频带同时传，按频率分
               B────────────────
               C────────────────
波分复用 WDM：λ1══════════════      光纤专用频分，不同波长各一条光道
               λ2══════════════
码分复用 CDMA：ABC 同时同频发射，    每路一个正交码字，接收端用码字提取
               信号在空间叠加，靠数学分开
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时分最直观：像单车道限时段放行。传统电话骨干（E1 线路 32 个时隙传 30 路话音）和早期 GSM 都是纯 TDM。缺点是 rigidity——你睡觉时你的时隙也在空转，统计时分复用（STDM，谁有数据谁用）因此成为现代主流，以太网本质上就是"抢占式统计时分"。

频分像一栋楼隔出房间：无线电广播（每个电台一段频带）、有线电视、4G 的 OFDMA（把频带切成上千个子载波再按需分配）都基于此。保护带（频带间的空白）防串音，是频分必须支付的开销。

波分是光纤上的频分：一芯光纤用不同波长（颜色）各开一条光道。商用设备单纤 80 波、每波 400 Gbps 并不稀奇，跨洋海缆的容量全靠它堆出来。这也是数据中心之间疯狂扩容而不用疯狂铺线的秘密。

码分最反直觉：所有人同时同频说话，但每人用自己的正交码对数据扩频，接收端用同一码字做相关运算，别人的信号在数学上被乘成零。3G 的 CDMA、GPS 的多卫星同频广播都是这个原理。代价是功率控制要极精细，否则近处的大嗓门会淹没远处的轻声者。

二、物理层的两种设备：中继器与集线器

信号走远了会衰减，中继器的工作就是放大再转发——纯粹的物理层续命装置，不懂帧不懂地址。集线器（hub）是多端口中继器：从一个口收到信号，原样广播到其余所有口。

图：集线器的广播本质

三、案例：一次集线器网络的拥塞实测

背景：某老旧办公室，8 台机器通过集线器组网，用户抱怨"传文件越来越慢"。维护者怀疑网卡故障，实际是集线器架构的必然结局。

操作：在一台机器上持续 ping 另一台，同时让其余 6 台机器开始批量传输。

# 空闲时
$ ping -c 50 192.168.1.12
rtt min/avg/max = 0.5/0.6/0.9 ms, 0% loss

# 6 台机器同时传输后
$ ping -c 50 192.168.1.12
rtt min/avg/max = 1.2/38.7/410.6 ms, 4% loss

解读：负载上来后平均延迟涨 60 倍、出现明显丢包。
原因：集线器只有一个碰撞域，8 台机器共享总带宽且冲突频发，
链路层检测到碰撞后各自随机退避重发（第 3 章的 CSMA/CD），
有效吞吐随负载增加不升反降——经典的 ALOHA 型崩溃曲线。

处置：集线器换成交换机，交换机每个端口是独立碰撞域，
按 MAC 地址精确转发（第 3.3 节详述）。更换后同样负载下
ping 平均延迟回落到 0.8ms，问题根除。

变式：如果是 Wi-Fi 慢，原理相同——无线本质是"看不见的集线器"，
同一信道的所有设备共享介质、互相避让，邻居网络越多越慢。
对策也类似：换信道（频分思路）、组 Mesh（缩小共享范围）。
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⚠️ 常见坑：中继器与集线器不能无限级联。以太网规定 5-4-3 规则（5 个网段、4 个中继器、3 个主机段），因为每级都放大时延与碰撞概率，超出后碰撞检测的时间窗就失效了。现代网络这些设备已基本绝迹，但考试与原理层面仍要能说清它们"傻在哪"。

常见疑问

波分和频分到底什么区别？ 原理同源（按频率分车道），区别在工程对象：频分处理的是无线电频谱（资源由监管机构分配，保护带用滤波器实现），波分处理的是光纤中的光窗口（不同波长即不同"颜色"，用棱镜式的合波分波器复用解复用）。可以理解为"光域的频分"，但设备与产业完全独立。

为什么现代家庭几乎见不到中继器和集线器了？ 交换机价格在两千年代崩塌式下降，而集线器的单碰撞域缺陷无法修补——被淘汰是纯粹的技术代差。理解它们的价值在于原理：Wi-Fi 本质仍是"共享介质的集线器模型"，CSMA/CA（下一节）至今每天在你的手机上运行。

蜂窝网络的"复用"和 Wi-Fi 抢信道是一回事吗？ 底层都是频率资源划分，但蜂窝由基站集中调度（谁能发、发多久都由基站指派，是"计划经济的时分频分"），Wi-Fi 是设备自组织竞争（"市场经济的先听后说"）。前者效率高但需要基础设施授权，后者部署零门槛但效率随人数衰减——两种秩序观在两种技术里各有胜场。

本节要点回顾

• 复用四式：时分轮班、频分分房、波分多光道、码分正交码，分别对应不同时代的骨干技术
• 统计时分是现代主流：按需分配取代固定时隙，以太网与 4G/5G 一脉相承
• 波分复用是海缆扩容的根本手段，一芯光纤当几十芯用
• 集线器 = 多口中继器：单碰撞域、无差别广播，负载重则性能崩塌
• 替换逻辑：碰撞域问题靠交换机解决，这是第 3 章的入口

物理层的行程到此结束。比特流学会了上路，但还不知道自己属于谁——下一站链路层，给它装上信封和门牌。