計算機網(wǎng)絡(luò )長(cháng)距離布線(xiàn)時(shí)雙絞線(xiàn)的非標準應用

計算機網(wǎng)絡(luò )長(cháng)距離布線(xiàn)時(shí)雙絞線(xiàn)的非標準應用

摘　要：在計算機網(wǎng)絡(luò )中，當雙絞線(xiàn)過(guò)長(cháng)、質(zhì)量太低或布線(xiàn)工藝較差時(shí)，網(wǎng)絡(luò )往往無(wú)法連通。為了解決此問(wèn)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(xiàn)；傅里葉公式；Internet

Non-standard Applications of Twisted-pair in Long Distance
Distribution for a Computer Network

　　Abstract：For a computer network，when the twisted-pairis too long or its quality is too poor orthe processing oftwisted pairdistribution is worse，the computer network can not be kept connected frequently．To solve this problem，the paper proposes asolution and analyzes it using Fourier formula in this paper．
　　Keywords：network engineering；twisted-pair；Fourier formula；Internet


　　一般來(lái)說(shuō)，計算機網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)系統采用何種線(xiàn)纜，需要根據實(shí)際的需求和線(xiàn)纜的相關(guān)使用標準來(lái)進(jìn)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(luò )設備之間的距離超過(guò)100 m，就不應使用雙絞線(xiàn)布線(xiàn)。但是在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )設計中，常常會(huì )遇到一些特殊情況，如：“沒(méi)有足夠的資金購買(mǎi)光纜等媒介及兩端設備”或“臨時(shí)性機構，沒(méi)有必要使用昂貴的線(xiàn)纜”，使我們面臨難以抉擇的境地。
　　本文主要討論當距離超長(cháng)時(shí)，在工程實(shí)際中是否可以非標準的使用雙絞線(xiàn)布線(xiàn)。
　　從原理上分析，對于雙絞線(xiàn)布線(xiàn)距離的限制主要有以下2個(gè)方面：以太網(wǎng)的最短幀長(cháng)和距離超長(cháng)造成的線(xiàn)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(cháng)對線(xiàn)纜長(cháng)度的限制
　　以太網(wǎng)絡(luò )的工作方式可以簡(jiǎn)單的使用“載波偵聽(tīng)／沖突檢測（CSMA／CD）”來(lái)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(shí)，在發(fā)送的過(guò)程中一直檢測信道，通過(guò)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(guò)程中沒(méi)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(huì )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(cháng)與鏈路的沖突域相比較短，在發(fā)送的過(guò)程中沒(méi)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(shí)間為τ。幀頭差時(shí)間ε還沒(méi)有到達B主機。
　　如圖1（c）所示，由于主機B還沒(méi)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(shí)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(shí)間τ才能到達主機A。
　　結果：主機A認為這幀已經(jīng)發(fā)送成功，但實(shí)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發(fā)送2τ時(shí)間（即經(jīng)過(guò)2τ時(shí)間后此幀還沒(méi)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(luò )協(xié)議標準定義，當τ確定后，則最短幀長(cháng)也被確定，反過(guò)來(lái)一個(gè)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(cháng)為64 B，一個(gè)沖突域最多由4個(gè)中繼器組成），進(jìn)而一個(gè)沖突域中的線(xiàn)纜最大長(cháng)度也會(huì )有一個(gè)限制。
　　分析原因：早期的同軸電纜只有一個(gè)總線(xiàn)式信道，并且網(wǎng)絡(luò )設備大多為物理層的設備（如：中繼器，HUB），他無(wú)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(shí)際上，一條雙絞線(xiàn)內有8根線(xiàn)纜可供使用，并且數據鏈路層的設備（如：交換機）的價(jià)格大大下降�，F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(xiàn)纜劃分成不同的沖突域，并將網(wǎng)絡(luò )接口設備的工作模式設置為全雙工。這樣每個(gè)主機在收和發(fā)的方向都有了一個(gè)專(zhuān)用的信道，不再需要CSMA／CD，也就沒(méi)有了沖突域對線(xiàn)纜長(cháng)度的限制。所以以太網(wǎng)的最短幀長(cháng)對線(xiàn)纜長(cháng)度的限制是可以被解決的。
　　實(shí)際上在萬(wàn)兆以太網(wǎng)協(xié)議（IEEE802．3ae）中，就沒(méi)有定義CSMA／CD的工作模式，其中重要的一個(gè)原因就是為了取消沖突域對網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)纜長(cháng)度的限制。

2　隨距離增加，線(xiàn)纜傳輸特性的下降對線(xiàn)纜長(cháng)度的限制
2．1　信號總體功率下降對線(xiàn)纜長(cháng)度的限制
　　正常情況下，五類(lèi)雙絞線(xiàn)的直流阻抗為9Ω／百米，當雙絞線(xiàn)長(cháng)度不超過(guò)200 m時(shí)，其直流阻抗在18Ω（9Ω／百米×2百米）以?xún)�。而布線(xiàn)要求總阻抗不能大于19Ω。所以200 m以?xún)入p絞線(xiàn)的直流阻抗引起的信號總體功率下降，一般不會(huì )影響接收設備對信號的獲得，所以在此距離采用五類(lèi)雙絞線(xiàn)布線(xiàn)可以不必考慮直流阻抗的影響。
2．2　線(xiàn)纜頻率特性下降對線(xiàn)纜長(cháng)度的限制
　　 根據傅里葉級數公式：

　　任何持續的數據信號，都可以被分解為正弦和余弦函數的n次諧波。
　　在計算機局域網(wǎng)中，使用雙絞線(xiàn)進(jìn)行基帶傳輸［1］（即數字信號不經(jīng)過(guò)任何調制，而是只經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(xiàn)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］，當方波信號通過(guò)一個(gè)低通信道時(shí)，可以等幅衰減通過(guò)的諧波數量越多，則接收設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(xiàn)的頻率特性正是一個(gè)低通信道，可 以等幅衰減的通過(guò)從A點(diǎn)（低頻）到C點(diǎn)頻率的諧波。當線(xiàn)纜距離過(guò)長(cháng)時(shí)，會(huì )造成AC之間的距離變窄及等幅衰減通過(guò)諧波數量下降。

　　下面按照4種不同假設情況進(jìn)行推導并得出結論。

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