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网络传输介质

网络传输介质是网络中发送方与接收方之间的物理通路,它对网络的数据通信具有一定的影响。常用的传输介质有:双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输媒介。

网络传输介质是指在网络中传输信息的载体,常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。

⑴有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分,它能将信号从一方传输到另一方,有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。双绞线和同轴电缆传输电信号,光纤传输光信号。

⑵无线传输介质指我们周围的自由空间。我们利用无线电波在自由空间的传播可以实现多种无线通信。在自由空间传输的电磁波根据频谱可将其分为无线电波、微波、红外线、激光等,信息被加载在电磁波上进行传输。

不同的传输介质,其特性也各不相同。他们不同的特性对网络中数据通信质量和通信速度有较大影响!

任何信息传输和共享都需要有传输介质,计算机网络也不例外。对于一般计算机网络用户来说,可能没有必要了解过多的细节,例如计算机之间依靠何种介质、以怎样的编码来传输信息等。但是,对于网络设计人员或网络开发者来说.了解网络底层的结构和工作原理则是必要的,因为他们必须掌握信息在不同介质中传输时的衰减速度和发生传输错误时如何去纠正这些错误。本节主要介绍计算机网络中用到的各种通信介质及其有关的通信特性。

当需要决定使用哪一种传输介质时,必须将连网需求与介质特性进行匹配。这一节描述了与所有数据传输方式有关的特性。稍后,将学习如何选择适合网络的介质。通常说来,选择数据传输介质时必须考虑5种特性(根据重要性粗略地列举):吞吐量和带宽、成本、尺寸和可扩展性、连接器以及抗噪性。当然,每种连网情况都是不同的;对一个机构至关重要的特性对另一个机构来说可能是无关重要的,你需要判断哪一方面对你的机构是最重要的。

在选择一个传输介质时所要考虑的最重要的因素可能是吞吐量。吞吐量是在一给定时间段内介质能传输的数据量,它通常用每秒兆位(1 000 000位)或M b p s进行度量。吞吐量也被称为容量,每种传输介质的物理性质决定了它的潜在吞吐量。例如,物理规律限制了电沿着铜线传输的速度,也正如它们限制了能通过一根直径为1英寸的胶皮管传输的水量一样,假如试图引导超过它处理能力的水量这种胶皮管,最后只能是溅你一身水或胶皮管破裂而停止传输水。同样,如果试图将超过它处理能力的数据量沿着一根铜线传输,结果将是数据丢失或出错。与传输介质相关的噪声和设备能进一步限制吞吐量,充满噪声的电路将花费更多的时间补偿噪声,因而只有更少的资源可用于传输数据。带宽这个术语常常与吞吐量交换使用。严格地说,带宽是对一个介质能传输的最高频率和最低频率之间的差异进行度量;频率通常用H z表示,它的范围直接与吞吐量相关。例如,若F C C通知你能够在8 7 0 ~ 8 8 0 M H z之间传输无线信号,那么分配给你的带宽将是1 0 M H z。带宽越高,吞吐量就越高,如图4 - 5所示。图4 - 5中的情形是由于在一给定的时间段内,较高的频率能比较低频率传输更多的数据。在本章的后面部分,将介绍最通用的网络介质的吞吐量特性。

不同种类的传输介质牵涉的成本是难以准确描述的。它们不仅与环境中现存的硬件有关,而且还与你所处的场所有关。下面的变量都可能影响采用某种类型介质的最后成本。安装成本:你能自己安装介质吗?或你必须雇佣承包商做这件事吗?你是否需要折墙或修建新的管道或机柜?你是否需要从一个服务提供商处租借线路。新的基础结构相对于复用已有基础结构的成本:你是否能使用已有的电线?在某些情况下安装所有新的5类U T P;如果你能使用已有的3类U T P,电线将可以不用付费。假如仅仅替换基础结构的一部分,它是否能轻易地与已有介质集成。维护和支持成本:假如复用一个已有介质基础结构常常需要修理或改进,复用并不省任何钱。同时,假如使用了一种不熟悉的介质类型,可能需要花费更多却雇佣一个技师维护它。你是否能自己维护介质,或你是否必须雇佣承包商维护它?因低传输速率而影响生产效率所付出的代价:如果你通过复用已有的低速的线路来省钱,你是否可能因为降低了生产率而遭受损失?换言之,你是否使你的员工在进行保存和打印报告或发送邮件时等待更长的时间?更换过时介质的成本:你是否选择了要被逐渐淘汰或需迅速替换的介质?你是否能发现某种价格合理的连接硬件与你几年前选择的介质相兼容?

三种规格决定了网络介质的尺寸和可扩展性:每段的最大节点数、最大段长度、以及最大网络长度。在进行布线时,这些规格中的每一个都是基于介质的物理特性的。每段最大节点数与衰减有关,即通过一给定距离信号损失的量有关。对一个网络段每增加一个设备都将略微增加信号的衰减。为了保证一个清晰的强信号,必须限制一个网络段中的节点数。

网络段的长度也应因衰减受到限制。在传输一定的距离之后,一个信号可能因损失得太多以至于无法被正确解释。在这种损失发生之前,网络上的中继器必须重发和放大信号。一个信号能够传输并仍能被正确解释的最大距离即为最大段长度。若超过这个长度,更易于发生数据损失。类似于每段最大节点数,最大段长度也因不同介质类型而不同。在一种理想的环境中,网络可以在发送方和接收方之间实时传输数据,不论两者之间相隔多远。不幸的是我们没有生活在一个理想的环境中。一个信号从它的发送到它的最后接收之间存在一个延迟。每个网络都受这个延迟的支配。例如,当你在计算机上敲一个键将一个文件保存到网络上时,文件的数据在它到达服务器的硬盘时必须通过网络接口卡、网络中的一个集线器或也可能是一个交换机或路由器、更多的电缆以及服务器的网络接口卡。虽然电子传输迅速,它们仍然不得不经过传输这一过程。这个过程在你敲键的那一刻和服务器接收数据的那一刻之间必然存在一个短暂的延迟,这种延迟被称时延。如同存在一个连通设备,如一路由器,接入设备的转换时间将影响时延,所使用的电缆的长度也将影响时延。但是,仅仅当一个接收节点正期望接收某种类型的数据时,如它已开始接收的数据流的剩余部分,时延的影响将可能成为问题。假如该接收节点未能接收数据流的剩余部分,它将认为没有更多的数据输入,这将导致网络上的传输错误。同时,当连接多个网络段时,也将增加网络上的时延。为了限制时延并避免相关的错误,每种类型的介质都标定一个最大连接段数。

连接器是连接电线缆与网络设备的硬件。网络设备可以是一个文件服务器、工作站、交换机或打印机。每种网络介质都对应一种特定类型的连接器。所使用的连接器的种类将影响网络安装和维护的成本、网络增加段和节点的容易度,以及维护网络所需的专业技术知识,用于U T P电缆的连接器(看上去更像一个大的电话线连接器)在接入和替换时比用于同轴电缆的连接器的插入和替换要简单得多,U T P电缆连接器同时也更廉价并可用于许多不同的介质设计。在本章后面部分将对不同介质所需的连接器作更多的讨论。

正如前面提到的,噪声能使数据信号变形。噪声影响一个信号的程度与传输介质有一定关系。某些类型的介质比其他介质更易于受噪声影响。无论是何种介质,都有两种类型的噪声会影响它们的数据传输:电磁干扰(E M I)和射频干扰(R F I)。E M I和R F I都是从电子设备或传输电缆发出的波。发动机、电源、电视机、复制机、荧光灯以及其他的电源都能产生E M I和R F I。R F I也可由来自广播电台或电视塔的强广播信号产生。

对任何一种噪声,你都能够采取措施限制它对网络的干扰。例如,可以远离强大的电磁源进行布线。如果环境仍然使网络易受影响,应选择一种能限制影响信号的噪声量的传输。电缆可以通过屏蔽、加厚、或抗噪声算法获得抗噪性。假如屏蔽的介质仍然不能避免干扰,你可以使用金属管道或管线以抑制噪声并进一步保护电缆

双绞线简称TP,将一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中,为了降低信号的干扰程度,电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成,也因此把它称为双绞线。双绞线分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。

双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP,适合于短距离通信。

非屏蔽双绞线价格便宜,传输速度偏低,抗干扰能力较差。

屏蔽双绞线抗干扰能力较好,具有更高的传输速度,但价格相对较贵。

双绞线需用RJ-45或RJ-11连接头插接。

市面上出售的UTP分为3类,4类,5类和超5类四种:

3类:传输速率支持10Mbps,外层保护胶皮较薄,皮上注有“cat3”

4类:网络中不常用

5类(超5类):传输速率支持100Mbps或10Mbps,外层保护胶皮较厚,皮上注有“cat5”

超5类双绞线在传送信号时比普通5类双绞线的衰减更小,抗干扰能力更强,在100M网络中,受干扰程度只有普通5类线的1/4,这类以较少应用。

STP分为3类和5类两种,STP的内部与UTP相同,外包铝箔,抗干扰能力强、传输速率高但价格昂贵。

双绞线一般用于星型网的布线连接,两端安装有RJ-45头(水晶头),连接网卡与集线器,最大网线长度为100米,如果要加大网络的范围,在两段双绞线之间可安装中继器,最多可安装4个中继器,如安装4个中继器连5个网段,最大传输范围可达500米。

同轴电缆由绕在同一轴线上的两个导体组成。具有抗干扰能力强,连接简单等特点,信息传输速度可达每秒几百兆位,是中、高档局域网的首选传输介质。

同轴电缆:由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成,内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开。按直径的不同,可分为粗缆和细缆两种:

粗缆:传输距离长,性能好但成本高、网络安装、维护困难,一般用于大型局域网的干线,连接时两端需终接器。

⑴粗缆与外部收发器相连。

⑵收发器与网卡之间用AUI电缆相连。

⑶网卡必须有AUI接口(15针D型接口):每段500米,100个用户,4个中继器可达2500米,收发器之间最小2.5米,收发器电缆最大50米。

细缆:与BNC网卡相连,两端装50欧的终端电阻。用T型头,T型头之间最小0.5米。细缆网络每段干线长度最大为185米,每段干线最多接入30个用户。如采用4个中继器连接5个网段,网络最大距离可达925米。

细缆安装较容易,造价较低,但日常维护不方便,一旦一个用户出故障,便会影响其他用户的正常工作。

根据传输频带的不同,可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种类型:

基带:数字信号,信号占整个信道,同一时间内能传送一种信号。

宽带:可传送不同频率的信号。

同轴电缆需用带BNC头的T型连接器连接。

光纤又称为光缆或光导纤维,由光导纤维纤芯、玻璃网层和能吸收光线的外壳组成。是由一组光导纤维组成的用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。应用光学原理,由光发送机产生光束,将电信号变为光信号,再把光信号导入光纤,在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号,并把它变为电信号,经解码后再处理。与其它传输介质比较,光纤的电磁绝缘性能好、信号衰小、频带宽、传输速度快、传输距离大。主要用于要求传输距离较长、布线条件特殊的主干网连接。具有不受外界电磁场的影响,无限制的带宽等特点,可以实现每秒万兆位的数据传送,尺寸小、重量轻,数据可传送几百千米,但价格昂贵。

分为单模光纤和多模光纤:

单模光纤:由激光作光源,仅有一条光通路,传输距离长,20-120km。

多模光纤:由二极管发光,低速短距离,2千米以内。

光纤需用ST型头连接器连接。

无线电波是指在自由空间(包括空气和真空)传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。

无线电技术的原理在于,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载于

微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,即波长在1米(不含1米)到1毫米之间的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种,由德国科学家霍胥尔于1800年发现,又称为红外热辐射,太阳光谱中,红光的外侧必定存在看不见的光线,这就是红外线。也可以当作传输之媒界。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线,波长为0.75~1000μm。红外线可分为三部分,即近红外线,波长为0.75~1.50μm之间;中红外线,波长为1.50~6.0μm之间;远红外线,波长为6.0~l000μm之间。

随着快速以太网标准的推出和实施,五类双绞线开始广泛地应用于网络布线。但是由于个别厂商和网络公司在宣传上的误导,以及部分网络用户对有关标准缺乏必要的了解,致使在选用五类双绞线时真假难辨,不知所措。然而,一旦选用了不符合标准的五类双绞线,一方面会使网络整体性能下降,另一方面为将来网络的升级埋下了隐患。本文结合技术和应用,介绍标准五类双绞线的正确识别方法。为了让大家对双绞线有个较全面的了解,我们先来介绍双绞线的常见类型及特性。计算机局域网中的双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)两大类:STP外面由一层金属材料包裹,以减小辐射,防止信息被窃听,同时具有较高的数据传输速率,但价格较高,安装也比较复杂;UTP无金属屏蔽材料,只有一层绝缘胶皮包裹,价格相对便宜,组网灵活。除某些特殊场合(如受电磁辐射严重、对传输质量要求较高等)在布线中使用STP外,一般情况下我们都采用UTP。使用的UTP可分为3类、4类、五类和超五类四种。其中:3类UTP适应了以太网(10Mbps)对传输介质的要求,是早期网络中重要的传输介质;4类UTP因标准的推出比3类晚,而传输性能与3类UTP相比并没有提高多少,所以一般较少使用;五类UTP因价廉质优而成为快速以太网(100Mbps)的首选介质;超五类UTP的用武之地是千兆位以太网(1000Mbps)。根据网络布线的实际需要,本文主要介绍五类UTP的正确识别和选择方法。

双绞线质量的优劣是决定局域网带宽的关键因素之一。某些厂商在五类UTP电缆中所包裹的是3类或4类UTP中所使用的线对,这种制假方法对一般用户来说很难辨别。这种所谓的“五类UTP”无法达到100Mbps的数据传输率,最大为10Mbps或16Mbps。一个简单的鉴别办法是用一条双绞线连接两台100Mbps的设备(网卡到网卡或网卡到HUB),通信时用Windows 95/98自带的monitor检测工具对其数据传输率进行监测。方法为:①选择“开始→程序→附件→系统工具→系统监视器”,将出现“系统监视器”窗口。如果在“系统工具”中没有“系统监视器”工具时,可通过“我的电脑→添加/删除程序→Windows安装程序→系统工具→系统监视器”建立。②在“系统监视器”窗口中设置监视对象。选择“编辑”菜单中的“添加项目”选项,在出现的对话框的“类别”列表中选择“Microsoft网络服务器”或“Microsoft网络客户”(注意:在保证网络连接正常的情况下),在下一个对话框中选择“写入的字节数/秒”或“读取的字节数/秒”。至于选择“Microsoft网络服务器”或“Microsoft网络客户”,还是“写入的字节数/秒”或“读取的字节数/秒”,读者可任意选择,因为在网络中一个节点发送出的数据应该等于另一个节点接收到的数据。③设置测试数据的输出方式。系统提供了折线图、条形图和数字图三种输出方式,可通过窗口工具栏内的按钮来选择。④进行测试。最有效的办法是从服务器向你进行测试的工作站上拷贝大量的文件(为了测试的准确性,所拷贝的内容一定要足够多)。一般来说,显示的峰值数值在4M/s以上,就基本可以肯定是五类网线了(3类线所能达到的峰值数值大约为2.5M/s)。

为了降低信号的干扰,双绞线电缆中的每一线对都是由两根绝缘的铜导线相互扭绕而成,而且同一电缆中的不同线对具有不同的扭绕度(就是扭绕线圈的数量多少),如图3所示。同时,标准双绞线电缆中的线对是按逆时针方向进行扭绕。但某些非正规厂商生产的电缆线却存在许多问题:①为了简化制造工艺,电缆中所有线对的扭绕密度相同;②线对中两根绝缘导线的扭绕密度不符合技术要求;③线对的扭绕方向不符合要求。如果存在以上问题,将会引起双绞线的近端串扰(指UTP中两线对之间的信号干扰程度),从而使传输距离达不到要求。双绞线的扭绕度在生产中都有较严格的标准,实际选购时,在有条件的情况下可用一些专业设备进行测量,但一般用户只能凭肉眼来观察。需说明的是,五类UTP中线对的扭绕度要比三类密,超五类要比五类密。

除组成双绞线线对的两条绝缘铜导线要按要求进行扭绕外,标准双绞线电缆中的线对之间也要按逆时针方向进行扭绕。否则将会引起电缆电阻的不匹配,限制了传输距离。这一点一般用户很少注意到。有关五类双绞线电缆的扭绕度和其他相关参数,有兴趣的读者可查阅TIA/EIA 568A(TIA/EIA 568是ANSI于1996年制定的布线标准,该标准给出了网络布线时有关基础设施,包括线缆、连接设备等的内容。字母“A”表示为IBM的布线标准,而AT&T公司用字母“B”表示。)中的具体规定。

以太网在使用双绞线作为传输介质时只需要2对(4芯)线就可以完成信号的发送和接收。在使用双绞线作为传输介质的快速以太网中存在着三个标准:100Base-TX、100Base-T2和100Base-T4。其中:100Base-T4标准要求使用全部的4对线进行信号传输,另外两个标准只要求2对线。而在快速以太网中最普及的是100Base-TX标准,所以你在购买100M网络中使用的双绞线时,不要为图一点小便宜去使用只有2个线对的双绞线。在美国线缆标准(AWG)中对3类、4类、五类和超五类双绞线都定义为4对,在千兆位以太网中更是要求使用全部的4对线进行通信。所以,标准五类线缆中应该有4对线。

在具备了以上知识后,识别五类UTP时还应注意以下几点:

①查看电缆外面的说明信息。在双绞线电缆的外面包皮上应该印有像“AMP SYSTEMS CABLE……24AWG……CAT5”的字样,表示该双绞线是AMP公司(最具声誉的双绞线品牌)的五类双绞线,其中24AWG表示是局域网中所使用的双绞线,CAT5表示为五类;此外还有一种NORDX/CDT公司的IBDN标准五类网线,上面的字样就是“IBDN PLUS NORDX/CDX……24 AWG……CATEGORY 5”,这里的“CATEGORY 5”也表示五类线(CATEGORY是英文“种类”的意思)。

②是否易弯曲。双绞线应弯曲自然,以方便布线;

③电缆中的铜芯是否具有较好的韧性。为了使双绞线在移动中不致于断线,除外皮保护层外,内部的铜芯还要具有一定的韧性。同时为便于接头的制作和连接可靠,铜芯既不能太软,也不能太硬,太软不易接头的制作,太硬则容易产生接头处断裂;

④是否具有阻燃性。为了避免受高温或起火而引起的线缆损坏,双绞线最外面的一层包皮除应具有很好的抗拉特性外,还应具有阻燃性(可以用火来烧一下测试:如果是正品,胶皮会受热松软,不会起火;如果是假货,一点就着)。为了降低制造成本,非标准双绞线电缆一般采用不符合要求的材料制作电缆的包皮,不利于通信安全。

双绞线一般用于星型网络的布线,每条双绞线通过两端安装的RJ-45连接器(俗称水晶头)将各种网络设备连接起来。双绞线的标准接法不是随便规定的,目的是保证线缆接头布局的对称性,这样就可以使接头内线缆之间的干扰相互抵消。

超五类线是网络布线最常用的网线,分屏蔽和非屏蔽两种。如果是室外使用,屏蔽线要好些,在室内一般用非屏蔽五类线就够了,而由于不带屏蔽层,线缆会相对柔软些,但其连接方法都是一样的。一般的超五类线里都有四对绞在一起的细线,并用不同的颜色标明。

双绞线有两种接法:EIA/TIA 568B标准和EIA/TIA 568A标准。具体接法如下。

T568A线序

1 2 3 4 5 6 7 8

绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕

T568B线序

1 2 3 4 5 6 7 8

橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕

直通线:两头都按T568B线序标准连接。



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