网络长距离布线时双绞线的非标准选择

　　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：

　　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。

　　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。