網(wǎng)絡長距離布線時雙絞線的非標準應用

      一般來說，計算機網(wǎng)絡布線系統(tǒng)采用何種線纜，需要
根據(jù)實際的需求和線纜的相關(guān)使用標準來進行選擇。例如：按照
以太網(wǎng)（IEEE802．3系列）標準，如果主機與網(wǎng)絡設(shè)備之間的距
離超過100 m，就不應使用雙絞線布線。但是在實際的網(wǎng)絡設(shè)計
中，常常會遇到一些特殊情況，如：“沒有足夠的資金購買光纜
等媒介及兩端設(shè)備”或“臨時性機構(gòu)，沒有必要使用昂貴的線
纜”，使我們面臨難以抉擇的境地。　　
　　本文主要討論當距離超長時，在工程實際中是否可以非標準
的使用雙絞線布線。　　
　　從原理上分析，對于雙絞線布線距離的限制主要有以下2個方
面：以太網(wǎng)的最短幀長和距離超長造成的線纜傳輸特性下降，下
面將分別進行分析。
1 以太網(wǎng)中最短幀長對線纜長度的限制
　　以太網(wǎng)絡的工作方式可以簡單的使用“載波偵聽／沖突檢測（CSMA／CD）”來描述。其中的“沖突檢
測”表示：當某計算機（如：主機A）以廣播的形式發(fā)送某幀時，在發(fā)送的過程中一直檢測信道，通過比較
發(fā)出信號是否與檢測到的信號一致，決定發(fā)出的幀是否和其他計算機（如：主機B）發(fā)出的幀產(chǎn)生了沖突，
如果A主機在發(fā)送某幀的過程中沒有檢測到?jīng)_突，就認為這一幀發(fā)送成功。　　
　　但是，如果幀與鏈路的沖突域相比太短，就會發(fā)生圖1中“沖突檢測”失敗的情況。　　
　　如圖1（a）所示，主機A發(fā)出一幀，由于幀長與鏈路的沖突域相比較短，在發(fā)送的過程中沒有檢測到?jīng)_
突，認為此幀已經(jīng)發(fā)送成功。　　
　　如圖1（b）所示，主機A與主機B分別處在沖突域的兩端，電磁波從A主機傳送到B主機需要的時間為
τ。幀頭差時間ε還沒有到達B主機。　　
　　如圖1（c）所示，由于主機B還沒有檢測到主機A發(fā)出的幀，所以有可能也發(fā)出一幀。在主機A發(fā)出幀時
間τ后，在主機B處發(fā)生了沖突。　　
　　如圖1（d）所示，沖突的信號需要再經(jīng)時間τ才能到達主機A。　　
　　結(jié)果：主機A認為這幀已經(jīng)發(fā)送成功，但實際上此幀在主機B處發(fā)生了沖突，“沖突檢測”失敗。 
　　
　　所以每幀必須至少可以持續(xù)發(fā)送2τ時間（即經(jīng)過2τ時間后此幀還沒有發(fā)送完），這樣才能保證“沖
突檢測”機制的成功。
　　τ的大小由網(wǎng)絡協(xié)議標準定義，當τ確定后，則最短幀長也被確定，反過來一個沖突域的最大范圍便
被確定（在10 Mb／s以太網(wǎng)中，2τ被定義為51．2μs，最短幀長為64 B，一個沖突域最多由4個中繼器組
成），進而一個沖突域中的線纜最大長度也會有一個限制。　　
　　分析原因：早期的同軸電纜只有一個總線式信道，并且網(wǎng)絡設(shè)備大多為物理層的設(shè)備（如：中繼器，H
UB），他無法擺脫以太網(wǎng)的多主機共享鏈路方式（CSMA／CD）的本質(zhì)所造成的限制。　　
　　但實際上，一條雙絞線內(nèi)有8根線纜可供使用，并且數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備（如：交換機）的價格大大下
降。現(xiàn)在可以徹底地擺脫這種限制。解決的方法是：使用交換機將每一段線纜劃分成不同的沖突域，并將
網(wǎng)絡接口設(shè)備的工作模式設(shè)置為全雙工。這樣每個主機在收和發(fā)的方向都有了一個專用的信道，不再需要C
SMA／CD，也就沒有了沖突域?qū)€纜長度的限制。所以以太網(wǎng)的最短幀長對線纜長度的限制是可以被解決
的。　　
　　實際上在萬兆以太網(wǎng)協(xié)議（IEEE802．3ae）中，就沒有定義CSMA／CD的工作模式，其中重要的一個原
因就是為了取消沖突域?qū)W(wǎng)絡線纜長度的限制。
2 隨距離增加，線纜傳輸特性的下降對線纜長度的限制
　　2．1　信號總體功率下降對線纜長度的限制　　
　　正常情況下，五類雙絞線的直流阻抗為9Ω／百米，當雙絞線長度不超過200 m時，其直流阻抗在18Ω
（9Ω／百米×2百米）以內(nèi)。而布線要求總阻抗不能大于19Ω。所以200 m以內(nèi)雙絞線的直流阻抗引起的信
號總體功率下降，一般不會影響接收設(shè)備對信號的獲得，所以在此距離采用五類雙絞線布線可以不必考慮
直流阻抗的影響。
　　2．2　線纜頻率特性下降對線纜長度的限制　　
　　根據(jù)傅里葉級數(shù)公式：
　　任何持續(xù)的數(shù)據(jù)信號，都可以被分解為正弦和余弦函數(shù)的n次諧波。　　
　　在計算機局域網(wǎng)中，使用雙絞線進行基帶傳輸［1］（即數(shù)字信號不經(jīng)過任何調(diào)制，而是只經(jīng)過簡單的
頻譜變換或碼形變換后就直接送往傳輸信道）。這樣就可以將雙絞線上的傳輸信號作為方波進行分解，變
換為諧波后再進一步研究。　　
　　如圖2所示［2］，當方波信號通過一個低通信道時，可以等幅衰減通過的諧波數(shù)量越多，則接收設(shè)備
正確識別原始方波信號的可能性就越大，反之信號將難以識別。　　
　　如圖3所示，雙絞線的頻率特性正是一個低通信道，可 以等幅衰減的通過從A點（低頻）到C點頻率的
諧波。當線纜距離過長時，會造成AC之間的距離變窄及等幅衰減通過諧波數(shù)量下降。
　　下面按照4種不同假設(shè)情況進行推導并得出結(jié)論。　　
假設(shè)1：　　
　　①長度為100 m的五類非屏蔽雙絞線；　　
　　②雙絞線上傳輸速度為100 Mb／s的信號；　　
　　③雙絞線的等幅衰減的帶寬為BHz（如圖3）：B＝C－A。　　
推導1：　　
　　由于在傳輸速度為100 Mb／s的以太網(wǎng)中，采用的編碼方式是4B／5B（即為解決傳輸中的同步問題，實
際使用5 b的碼組來編碼4 b的實際輸入數(shù)據(jù)［3］），則通信線路上實際傳輸?shù)姆讲ㄐ盘柮棵霠顟B(tài)的變化次
數(shù)為125M，即125M b／s。　　
　　如果每秒信號變化125M次，則狀態(tài)變化8次需要的時間為：8／125M s。　　
　　根據(jù)傅里葉級數(shù)公式，一次諧波的周期T為：8／125M s；一次諧波的頻率f為：125M／8 Hz。　
　　方波信號（每秒狀態(tài)變化次數(shù)為125M次）通過長度為100 m五類雙絞線后，可以等幅衰減通過的諧波數(shù)
量N1（個）為：　　
　　結(jié)論1：
　　因為假設(shè)1符合五類雙絞線的布線標準，所以當?shù)确p通過的諧波數(shù)量為N1時，接收方設(shè)備可以識
別。　　
假設(shè)2：
　　①長度為大于100 m的五類非屏蔽雙絞線；　　
　　②雙絞線上傳輸速度為100 Mb／s的信號；　　
　　③雙絞線的等幅衰減帶寬變窄為B／2 Hz。　　
推導2：
　　可以等幅衰減通過的諧波數(shù)量N2（個）為：　　
　　隨著雙絞線長度的增加，其等幅衰減頻寬B變窄后，可以通過的等幅衰減諧波數(shù)量也將減少，如圖2所
示，當N2小于4時輸出信號將難以被接收設(shè)備識別。　　
　　然而在假設(shè)2下，很難保證等幅衰減通過足夠的數(shù)量的諧波。　　
　　根據(jù)公式N＝B／f，當B減少時，只有降低f（即降低雙絞線上信號的傳輸速度），才能保證N不變。　　
假設(shè)3：
　　①長度大于100 m的五類非屏蔽雙絞線；　　
　　②雙絞線上傳輸速度降為10 Mb／s的信號；　　
　　③雙絞線的等幅衰減的帶寬變窄為B／2 Hz。　　
推導3：
　　在以太網(wǎng)協(xié)議中，10 Mb／s與100 Mb／s為最常見的數(shù)據(jù)傳輸速度，所以可以考慮將數(shù)據(jù)傳輸速度降為
10 Mb／s。　　
　　在10 Mb／s的以太網(wǎng)中，采用的是曼徹斯特編碼（即為了解決傳輸中的同步問題，實際使用2 b的碼組
來編碼1 b的實際輸入數(shù)據(jù)），所以通信線路上實際傳輸?shù)姆讲ㄐ盘柮棵霠顟B(tài)的變化次數(shù)為20M，即20M b／
s。　　
　　如果每秒信號變化20M次，則狀態(tài)變化8次需要的時間為：8／20M s。　　
　　根據(jù)傅里葉級數(shù)公式，一次諧波的周期T為：8／20M s；　　
　　一次諧波的頻率f為：20M／8 Hz。　　
　　方波信號（每秒狀態(tài)變化次數(shù)為20M次）通過此雙絞線后，可以等幅衰減通過的諧波數(shù)量N3為：　
　　即使線纜長度增加導致了等幅衰減帶寬變窄一半，但如果將數(shù)據(jù)傳輸速度降為10 Mb／s，假設(shè)3下可通
過的諧波數(shù)量N3將為假設(shè)1（正常情況）下N1的3．125倍。　　
　　在此情況下，接收方設(shè)備完全可以識別信號。
假設(shè)4
　　①長度為大于100 m的五類非屏蔽雙絞線；　　
　　②雙絞線上傳輸速度為10 Mb／s的信號；　　
　　③雙絞線的等幅衰減的帶寬變窄為B／k Hz；　　
　　④等幅衰減通過的諧波數(shù)量N4＝N1。　　
推導4：
結(jié)論4：
　　在假設(shè)4下即使線纜等幅衰減帶寬下降為原來16％（1／6．25），只要降低數(shù)據(jù)通信的速度，也可以保
證接收的諧波數(shù)量達到正常的情況（假設(shè)1）下的N1，即接收方可以正確識別。
3 結(jié)語
　　根據(jù)以上的分析，筆者認為在設(shè)計一段距離為200 m以內(nèi)的線路的時候，可以非標準的使用雙絞線進行
布線，但具體應采用以下方法：　　
　　（1）為保證整體網(wǎng)絡的速度，可以使用接口為10／100 Mb／s自適應的交換機，但將與這條雙絞線連
接的交換機端口強制設(shè)為10 Mb／s和全雙工模式。　　
　　（2）采用五類或超五類雙絞線布線，提高施工工藝，盡量避開強干擾源，以減少線纜性能參數(shù)的下
降。　　
　　在實際工程中，對使用一段長度約200 m的雙絞線進行連接的計算機進行測試：　　
　　①使用IE瀏覽器訪問Internet正常；　　
　　②使用ping程序進行測試，10 min丟包率為0％。結(jié)果證明以上基于傅里葉的分析是合理的。　　
　　另外，本方法也可以適用于早期的3類雙絞線或由于線纜品質(zhì)低及布線工藝較差造成無法在10／100 M
自適應網(wǎng)絡中使用的情況，可以降低成本并減少重新布線的麻煩。當然如果雙絞線的長度進一步增加，那
么直流阻抗及其他參數(shù)對總功率的衰減，可能會造成接收設(shè)備無法檢測到信號，所以這種依靠降低速度來
實現(xiàn)通信的手段只能在一定的范圍內(nèi)使用。
參考文獻
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