计算机网络长距离布线时双绞线的非标准应用

www.net130.com     日期:2004-9-7    浏览次数:
作者:王 彬,丁振国    出处:《现代电子技术》
摘 要:在计算机网络中,当双绞线过长、质量太低或布线工艺较差时,网络往往无法连通。为了解决此问题,提出了一种解决方法,并用傅里叶公式对其进行了理论分析。  

  关键词:网络工程;双绞线;傅里叶公式;Internet

  一般来说,计算机网络布线系统采用何种线缆,需要根据实际的需求和线缆的相关使用标准来进行选择。例如:按照以太网(IEEE802.3系列)标准,如果主机与网络设备之间的距离超过100 m,就不应使用双绞线布线。但是在实际的网络设计中,常常会遇到一些特殊情况,如:“没有足够的资金购买光缆等媒介及两端设备”或“临时性机构,没有必要使用昂贵的线缆”,使我们面临难以抉择的境地。  

  本文主要讨论当距离超长时,在工程实际中是否可以非标准的使用双绞线布线。  

  从原理上分析,对于双绞线布线距离的限制主要有以下2个方面:以太网的最短帧长和距离超长造成的线缆传输特性下降,下面将分别进行分析。

  1 以太网中最短帧长对线缆长度的限制  

  以太网络的工作方式可以简单的使用“载波侦听/冲突检测(CSMA/CD)”来描述。其中的“冲突检测”表示:当某计算机(如:主机A)以广播的形式发送某帧时,在发送的过程中一直检测信道,通过比较发出信号是否与检测到的信号一致,决定发出的帧是否和其他计算机(如:主机B)发出的帧产生了冲突,如果A主机在发送某帧的过程中没有检测到冲突,就认为这一帧发送成功。  

  但是,如果帧与链路的冲突域相比太短,就会发生图1中“冲突检测”失败的情况。  

  如图1(a)所示,主机A发出一帧,由于帧长与链路的冲突域相比较短,在发送的过程中没有检测到冲突,认为此帧已经发送成功。  

  如图1(b)所示,主机A与主机B分别处在冲突域的两端,电磁波从A主机传送到B主机需要的时间为τ。帧头差时间ε还没有到达B主机。  

  如图1(c)所示,由于主机B还没有检测到主机A发出的帧,所以有可能也发出一帧。在主机A发出帧时间τ后,在主机B处发生了冲突。  

  如图1(d)所示,冲突的信号需要再经时间τ才能到达主机A。  

  结果:主机A认为这帧已经发送成功,但实际上此帧在主机B处发生了冲突,“冲突检测”失败。

     

  所以每帧必须至少可以持续发送2τ时间(即经过2τ时间后此帧还没有发送完),这样才能保证“冲突检测”机制的成功。

  τ的大小由网络协议标准定义,当τ确定后,则最短帧长也被确定,反过来一个冲突域的最大范围便被确定(在10 Mb/s以太网中,2τ被定义为51.2μs,最短帧长为64 B,一个冲突域最多由4个中继器组成),进而一个冲突域中的线缆最大长度也会有一个限制。  

  分析原因:早期的同轴电缆只有一个总线式信道,并且网络设备大多为物理层的设备(如:中继器,HUB),他无法摆脱以太网的多主机共享链路方式(CSMA/CD)的本质所造成的限制。  

  但实际上,一条双绞线内有8根线缆可供使用,并且数据链路层的设备(如:交换机)的价格大大下降。现在可以彻底地摆脱这种限制。解决的方法是:使用交换机将每一段线缆划分成不同的冲突域,并将网络接口设备的工作模式设置为全双工。这样每个主机在收和发的方向都有了一个专用的信道,不再需要CSMA/CD,也就没有了冲突域对线缆长度的限制。所以以太网的最短帧长对线缆长度的限制是可以被解决的。  

  实际上在万兆以太网协议(IEEE802.3ae)中,就没有定义CSMA/CD的工作模式,其中重要的一个原因就是为了取消冲突域对网络线缆长度的限制。

  2 随距离增加,线缆传输特性的下降对线缆长度的限制

  2.1 信号总体功率下降对线缆长度的限制  

  正常情况下,五类双绞线的直流阻抗为9Ω/百米,当双绞线长度不超过200 m时,其直流阻抗在18Ω(9Ω/百米×2百米)以内。而布线要求总阻抗不能大于19Ω。所以200 m以内双绞线的直流阻抗引起的信号总体功率下降,一般不会影响接收设备对信号的获得,所以在此距离采用五类双绞线布线可以不必考虑直流阻抗的影响。

  2.2 线缆频率特性下降对线缆长度的限制  

  根据傅里叶级数公式:

  

  任何持续的数据信号,都可以被分解为正弦和余弦函数的n次谐波。  

  在计算机局域网中,使用双绞线进行基带传输[1](即数字信号不经过任何调制,而是只经过简单的频谱变换或码形变换后就直接送往传输信道)。这样就可以将双绞线上的传输信号作为方波进行分解,变换为谐波后再进一步研究。  

  如图2所示[2],当方波信号通过一个低通信道时,可以等幅衰减通过的谐波数量越多,则接收设备正确识别原始方波信号的可能性就越大,反之信号将难以识别。  

  如图3所示,双绞线的频率特性正是一个低通信道,可 以等幅衰减的通过从A点(低频)到C点频率的谐波。当线缆距离过长时,会造成AC之间的距离变窄及等幅衰减通过谐波数量下降。





  下面按照4种不同假设情况进行推导并得出结论。  

  假设1:  

  ①长度为100 m的五类非屏蔽双绞线;  

  ②双绞线上传输速度为100 Mb/s的信号;  

  ③双绞线的等幅衰减的带宽为BHz(如图3):B=C-A。  

  推导1:  

  由于在传输速度为100 Mb/s的以太网中,采用的编码方式是4B/5B(即为解决传输中的同步问题,实际使用5 b的码组来编码4 b的实际输入数据[3]),则通信线路上实际传输的方波信号每秒状态的变化次数为125M,即125M b/s。  

  如果每秒信号变化125M次,则状态变化8次需要的时间为:8/125M s。  

  根据傅里叶级数公式,一次谐波的周期T为:8/125M s;一次谐波的频率f为:125M/8 Hz。  

  方波信号(每秒状态变化次数为125M次)通过长度为100 m五类双绞线后,可以等幅衰减通过的谐波数量N1(个)为:  

  

  结论1:  

  因为假设1符合五类双绞线的布线标准,所以当等幅衰减通过的谐波数量为N1时,接收方设备可以识别。  

  假设2:  

  ①长度为大于100 m的五类非屏蔽双绞线;  

  ②双绞线上传输速度为100 Mb/s的信号;  

  ③双绞线的等幅衰减带宽变窄为B/2 Hz。  

  推导2:  

  可以等幅衰减通过的谐波数量N2(个)为:  

  

  随着双绞线长度的增加,其等幅衰减频宽B变窄后,可以通过的等幅衰减谐波数量也将减少,如图2所示,当N2小于4时输出信号将难以被接收设备识别。  

  然而在假设2下,很难保证等幅衰减通过足够的数量的谐波。  

  根据公式N=B/f,当B减少时,只有降低f(即降低双绞线上信号的传输速度),才能保证N不变。  

  假设3:  

  ①长度大于100 m的五类非屏蔽双绞线;  

  ②双绞线上传输速度降为10 Mb/s的信号;  

  ③双绞线的等幅衰减的带宽变窄为B/2 Hz。  

  推导3:  

  在以太网协议中,10 Mb/s与100 Mb/s为最常见的数据传输速度,所以可以考虑将数据传输速度降为10 Mb/s。  

  在10 Mb/s的以太网中,采用的是曼彻斯特编码(即为了解决传输中的同步问题,实际使用2 b的码组来编码1 b的实际输入数据),所以通信线路上实际传输的方波信号每秒状态的变化次数为20M,即20M b/s。  

  如果每秒信号变化20M次,则状态变化8次需要的时间为:8/20M s。  

  根据傅里叶级数公式,一次谐波的周期T为:8/20M s;  

  一次谐波的频率f为:20M/8 Hz。  

  方波信号(每秒状态变化次数为20M次)通过此双绞线后,可以等幅衰减通过的谐波数量N3为: 

  

  即使线缆长度增加导致了等幅衰减带宽变窄一半,但如果将数据传输速度降为10 Mb/s,假设3下可通过的谐波数量N3将为假设1(正常情况)下N1的3.125倍。  

  在此情况下,接收方设备完全可以识别信号。  

  假设4:  

  ①长度为大于100 m的五类非屏蔽双绞线;  

  ②双绞线上传输速度为10 Mb/s的信号;  

  ③双绞线的等幅衰减的带宽变窄为B/k Hz;  

  ④等幅衰减通过的谐波数量N4=N1。  

  推导4: 

  

  结论4:  

  在假设4下即使线缆等幅衰减带宽下降为原来16%(1/6.25),只要降低数据通信的速度,也可以保证接收的谐波数量达到正常的情况(假设1)下的N1,即接收方可以正确识别。

  3 结语  

  根据以上的分析,笔者认为在设计一段距离为200 m以内的线路的时候,可以非标准的使用双绞线进行布线,但具体应采用以下方法:  

  (1)为保证整体网络的速度,可以使用接口为10/100 Mb/s自适应的交换机,但将与这条双绞线连接的交换机端口强制设为10 Mb/s和全双工模式。  

  (2)采用五类或超五类双绞线布线,提高施工工艺,尽量避开强干扰源,以减少线缆性能参数的下降。  

  在实际工程中,对使用一段长度约200 m的双绞线进行连接的计算机进行测试:  

  ①使用IE浏览器访问Internet正常;  

  ②使用ping程序进行测试,10 min丢包率为0%。结果证明以上基于傅里叶的分析是合理的。  

  另外,本方法也可以适用于早期的3类双绞线或由于线缆品质低及布线工艺较差造成无法在10/100 M自适应网络中使用的情况,可以降低成本并减少重新布线的麻烦。当然如果双绞线的长度进一步增加,那么直流阻抗及其他参数对总功率的衰减,可能会造成接收设备无法检测到信号,所以这种依靠降低速度来实现通信的手段只能在一定的范围内使用。

  参考文献

  [1]张应中.数字通信工程基础[M].北京:人民邮电出版社,1987.

  [2]AndrewSTanenbaum.计算机网络(第3版)[M].北京:清华大学出版社,1998.

  [3]高传善.数据通信与计算机网络[M].北京:高等教育出版社,2000.

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