淺談計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)長距離布線時雙絞線的非標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用
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摘 要：在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)雙絞線過長、質(zhì)量太低或布線工藝較差時，網(wǎng)絡(luò)往往無法連通。為了解決此問題，提出了一種解決方法，并用傅里葉公式對其進(jìn)行了理論分析。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)工程；雙絞線；傅里葉公式；Internet
Non-standard Applications of Twisted-pair in Long Distance
Distribution for a Computer Network
Keywords：network engineering；twisted-pair；Fourier formula；Internet
一般來說，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行選擇。例如：按照以太網(wǎng)（IEEE802．3系列）標(biāo)準(zhǔn)，如果主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的距離超過100 m，就不應(yīng)使用雙絞線布線。但是在實際的網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(dāng)距離超長時，在工程實際中是否可以非標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(luò)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(dāng)某計算機(jī)（如：主機(jī)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(jī)（如：主機(jī)B）發(fā)出的幀產(chǎn)生了沖突，如果A主機(jī)在發(fā)送某幀的過程中沒有檢測到?jīng)_突，就認(rèn)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(jī)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(rèn)為此幀已經(jīng)發(fā)送成功。
如圖1（b）所示，主機(jī)A與主機(jī)B分別處在沖突域的兩端，電磁波從A主機(jī)傳送到B主機(jī)需要的時間為τ。幀頭差時間ε還沒有到達(dá)B主機(jī)。
如圖1（c）所示，由于主機(jī)B還沒有檢測到主機(jī)A發(fā)出的幀，所以有可能也發(fā)出一幀。在主機(jī)A發(fā)出幀時間τ后，在主機(jī)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(dá)主機(jī)A。
結(jié)果：主機(jī)A認(rèn)為這幀已經(jīng)發(fā)送成功，但實際上此幀在主機(jī)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(jī)制的成功。
τ的大小由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義，當(dāng)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(jìn)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(luò)設(shè)備大多為物理層的設(shè)備（如：中繼器，HUB），他無法擺脫以太網(wǎng)的多主機(jī)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(jī)）的價格大大下降�，F(xiàn)在可以徹底地擺脫這種限制。解決的方法是：使用交換機(jī)將每一段線纜劃分成不同的沖突域，并將網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的工作模式設(shè)置為全雙工。這樣每個主機(jī)在收和發(fā)的方向都有了一個專用的信道，不再需要CSMA／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(luò)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(dāng)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(jī)局域網(wǎng)中，使用雙絞線進(jìn)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(jìn)行分解，變換為諧波后再進(jìn)一步研究。
如圖2所示［2］，當(dāng)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(diǎn)（低頻）到C點(diǎn)頻率的諧波。當(dāng)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(jìn)行推導(dǎo)并得出結(jié)論。
假設(shè)1：
�、匍L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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，所以當(dāng)?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；
�、垭p絞線的等幅衰減帶寬變窄為B／2 Hz。
推導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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：
�、匍L度大于100 m的五類非屏蔽雙絞線；
�、陔p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(dǎo)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(dǎo)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；
�、陔p絞線上傳輸速度為10 Mb／s的信號；
�、垭p絞線的等幅衰減的帶寬變窄為B／k Hz；
�、艿确p通過的諧波數(shù)量N4＝N1。
推導(dǎo)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(dá)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)的使用雙絞線進(jìn)行布線，但具體應(yīng)采用以下方法：
�。�1）為保證整體網(wǎng)絡(luò)的速度，可以使用接口為10／100 Mb／s自適應(yīng)的交換機(jī)，但將與這條雙絞線連接的交換機(jī)端口強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行連接的計算機(jī)進(jìn)行測試：
①使用IE瀏覽器訪問Internet正常；
�、谑褂胮ing程序進(jìn)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)中使用的情況，可以降低成本并減少重新布線的麻煩。當(dāng)然如果雙絞線的長度進(jìn)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(xiàn)
［1］張應(yīng)中．?dāng)?shù)字通信工程基礎(chǔ)［M］．北京：人民郵電出版社，1987．
［2］AndrewSTanenbaum．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第3版）［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1998．
［3］高傳善．?dāng)?shù)據(jù)通信與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］．北京：高等教育出版社，2000．
