网络有线传输介质-《计算机网络技术及应用》

用于构建计算机网络的有线传输媒介，主要包括两大类：电缆和光缆。计算机网络用的电缆常见的也只有两种，分别是同轴电缆和双绞线。光缆也已经渐渐成为计算机网络传输媒介的主流，是计算机网络传输媒介技术与应用未来的发展方向。

1.同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable，简称Coax）是早期计算机局域网中最常用的传输介质之一。同轴电缆由绕同一中心轴线的两个导体组成，两个导体间用绝缘材料互相隔离，如图3-1所示。内部导体可以是单股的实心导线，也可以是多股的绞合线，外部导体通常是编制的网状线。如图3-1所示，用于计算机网络的同轴电缆，其外层导体一定都是网状线，构成一个屏蔽罩或屏蔽层，内部导体采用绝缘材料固定，最好是单根实芯导体。单根实芯导体的直径为1.02～2.54 mm。同轴电缆的结构使它可以在较宽的频率范围内进行数据传输。

图3-1 同轴电缆结构与实物示意图

以下从规格、特性和选用原则三个方面，介绍同轴电缆网络数据传输的技术特性和应用策略。

（1）规格

计算机网络连接中常用的同轴电缆类型有50Ω粗缆：RG8及RG11，50Ω细缆：RG58和75Ω粗缆：RG59和RG75（用于CATV电缆）。

75Ω同轴电缆是有线电视CATV系统中使用的标准传输电缆，而50Ω同轴电缆是用于数字信号传输的电缆。一般把50Ω同轴电缆称为基带传输电缆。75Ω同轴电缆不但可用于分频多路复用（FDM）的模拟信号的传输，还可用于高速数据信号和模拟信号的发送，所以一般将75Ω同轴电缆的信号传输功能称为多通道宽带传输。

（2）传输特性

在计算机网络的局域网中，使用的同轴电缆均为50Ω同轴电缆，通常使用曼彻斯特编码进行数据的传输，数据的传输率可达10Mbit/s。

75Ω同轴电缆，既可用于模拟信号的发送也可用于数字信号的发送。对于模拟信号，频率可达300～400MHz。在该类型的同轴电缆上，可以用与无线电和电视广播相同的方法传输模拟数字信号。利用此类电缆，采用分频多路复用FDM技术，可以实现智能小区的有线电视、电话和计算机网络的“三网合一”。

当使用分频多路复用FDM技术时，75Ω电缆称为“宽带电缆”。应用时把电缆的频带划分为若干个通道，每个通道既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号。各种调制方案与技术都可用于数据的传输。在目前的技术条件下，采用该类型的电缆可达到20Mbit/s的数据传输率，宽带的效率可以超过1 bit/s/Hz。

（3）连接特性

同轴电缆适用于点到点连接或多点连接。基带50Ω同轴电缆，每段可以支持几百台设备，在大型网络系统中，还可以利用中继器把各网段连接起来构成更大的网络系统。

宽带75Ω同轴电缆每段可以支持数千台设备，而在高速数据传输率下（50Mbit/s），使用该类型同轴电缆时，可连接的设备数目限制在20～30台。

（4）跨度特性

典型的基带同轴电缆有效传输信号的最大距离限制在几公里之内，而宽带的同轴电缆可以达到几十公里。宽带电缆的传输距离取决于传输的是数字信号还是模拟信号。高速数字信号传输或模拟信号的传输（50Mbit/s），传输距离限制在约1公里之内。超过了一定的距离，传输媒介将不能保证数据的传输速率以及传输的可靠性。

注：网络中相临两站点之间的最大距离由网络的拓扑结构、网卡和网络传输协议共同决定，如总线型以太网（50Ω细缆）的两个相邻工作站的最大距离一般不能超过185m。

（5）综合特性

一般说来，对于频率较高的数据传输，同轴电缆比双绞线的抗干扰能力强。

2.双绞线

双绞线（TwistPair，TP）是现代计算机网络局域网系统中使用最多的一种有线传输媒介。无论是传输模拟信号，还是数字信号，均可以使用双绞线作为网络传输媒介。

双绞线由两根螺旋结构排列的绝缘线组成，如图3-2所示，一组双绞线构成一条通信链路。双绞线导线的直径约为0.38～1.42mm。双绞线的导体可以是铜质的，也可以是钢质的。铜线可以提供良好的传导率，而钢线可保证有足够的强度。双绞线把每对线扭在一起，可使两根线间的电磁干扰最小，扭得越密其抗干扰能力就越强。

与其他网络传输媒介相比，双绞线在传输距离，信道宽度和数据传输速度等方面并不是最优秀的，但价格较为低廉。因此双绞线被应用的标准与协议最丰富和完备。现代被计算机网络广泛采用的综合布线系统，其水平系统所要求的标准传输介质就是双绞线。

以下从规格、特性和选用原则等方面，介绍双绞线网络数据传输的技术特性和应用策略。

（1）规格

用于计算机网络的双绞线有以下两种类型。

图3-2 双绞线结构与实物示意图

1）非屏蔽双绞线电缆（Unshielded Twisted Pair，UTP），由8股4对双绞线和一个塑料护套构成，如图3-2所示。除了电话系统中普遍采用UTP外，在其他许多场合UTP也得到广泛应用。电气工业协会（EIA）为双绞线电缆多种不同的质量推行了一个分类方案。其中3类UTP和5类UTP被早期广泛使用在计算机网络中。3类UTP适合于目前大部分低速计算机网络（10Mbit/s）；而5类UTP和超5类UTP则用于较高速的计算机网络（100Mbit/s）；目前已经开始推广使用6类UTP和7类UTP，以支持1000Mbit/s和万兆高速计算机网络系统的应用。

在5类UTP的基础上，对5类UTP的性能做了很大的增强后，EIA推出了超5类UTP。超5类UTP相对于5类UTP，主要是增加了双绞线的绕度，并采用更高质量绝缘材料，从而改善了5类UTP的传输性能和抗电磁干扰能力。不过，需要指出的是无论是5类UTP还是超5类UTP，不仅仅是双绞线，还包括安装UTP所需要的连接器件，都要求有精确的安装技术支持。6类UTP和7类UTP要求的技术条件更高。

2）屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP），是一种屏蔽通信电缆，它的内部与UTP一样，都是双绞线，但其外面由铝箔包裹，最外层再用塑料套保护。或每一对双绞线分别都用铝箔包裹，用于更好地屏蔽双绞线之间的电磁干扰，其结构如图3-3所示。

图3-3 屏蔽双绞线结构与实物示意图

一般认为，屏蔽双绞线STP主要应用于安全性、抗干扰和传输性要求较高的网络系统中。如智能大厦的楼宇自控系统的信号传输线、保安电视监控系统的信号传输线等，均要求必须使用屏蔽双绞线STP，而在计算机网络中既可使用非屏蔽双绞线UTP，也可以使用屏蔽双绞线STP。

在我国，有关计算机网络的技术标准是参照北美及美国的标准制定的，北美及美国的标准要求普通的计算机网络均采用非屏蔽双绞线UTP，而不是屏蔽双绞线STP。但在欧洲，其有关技术标准要求计算机网络采用屏蔽双绞线STP，而不是非屏蔽双绞线UTP。此外，欧洲标准的双绞线与北美及美国标准的双绞线内部的导线数量不一样。

UTP的安装比STP的安装要简单一些，成本也相对较低。据有关研究表明，UTP的安全性和抗干扰性能是完全可以信赖的，它向外辐射的电磁波远远小于键盘和显示器的辐射造成的安全危险。(www.xing528.com)

（2）传输特性

双绞线既可以用于传输模拟数字信号，也可以用于传输数字信号。传输模拟数字信号时，要求大约每5～6km配置一个中继放大器，以避免信号的衰减而降低数据信号传输的可靠性。对于数字信号，则要求每2～3km需要配置一台中继放大器。实际应用要求信号传输的距离比上述的要求小得多，如计算机局域网为了确保足够的数据传输带宽，用UTP连接的主机与设备之间的距离不能超过100m。

（3）连通特性

双绞线既可以用于点到点的连接，也可以用于多点连接。当作为一种多点传输媒介时，双绞线比同轴电缆的价格低，但性能要差一些，而且只能支持几个工作站的连接。所以，双绞线一般只用于点到点的连接。

（4）跨度特性

双绞线很容易在15km或更大的范围内传输数据，可实现远距离数据传输的应用。若保持100Kbit/s的数据传输速率，双绞线的传输距离一般可达100km。而对于现代计算机局域网、要求网络的传输速率为100Mbit/s，根据有关计算机局域网协议、双绞线的数据信号传输距离将不能大于100m。若要使局域网内的主机与设备（交换机）之间的距离大于100m，则此时的数据传输的速率会降低，将达不到100Mbit/s。

（5）综合特性

双绞线的抗干扰能力取决于其屏蔽措施以及双绞线扭距的长度。一般来讲，双绞线扭距的长度越短，抗干扰能力越强。实际上，其抗干扰效果取决于数字信号的波长是否大于双绞线的扭距。在传输低频信号时，数字信号的波长远大于双绞线的扭距，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆。但当双绞线数字信号的频率超过10～100kHz时，数字信号的波长将小于双绞线的扭距，同轴电缆与双绞线相比抗干扰性有明显的优势。

3.光缆

光缆，即光学纤维电缆（OpticalFiberCable），是一种传输数字信号的高性能传输介质。在现代计算机网络系统中，特别是在大型网络系统的主干或多媒体网络应用系统中，几乎都采用光缆作为传输介质。因此，近年来，光缆信号传输技术的发展及光缆性能的提高十分迅速，光缆是现代网络传输介质中最有前途的网络传输介质，全光缆计算机网络很快会变为现实。采用光缆构成的现代计算机网络及Internet网络主干被称为信息高速公路的基石。

以下从规格、特性和选用原则等方面，介绍光缆网络数据传输的技术特性和应用策略。

（1）规格

光缆中的光导纤维从光学特性上划分，有单膜光纤与多膜光纤之分。单膜光纤提供一条光通道，而多膜光纤可提供多条光通道。单膜光纤的传输性能高于多膜光纤传输性能，即单膜光纤具有比多膜光纤更大的传输容量。但是，单膜光纤的生产成本比多膜光纤高得多。无论何种类型的光纤，其基本规格有850nm和1300nm两种（850nm和1300nm分别为光缆传输信号时所使用激光的波长）。有关光纤的其他的参数如下。

芯子直径 100±4μm

包层直径 143±0.6μm

数值孔径 0.29±0.01

衰 减 小于6.0dB/km，850nm

小于4.0dB/km，1300 nm

频 宽 大于150MHz·km，850nm

大于500MHz·km，1300nm

拉力强度 大于84kg

环境温度-40～80℃

光导纤维的芯子直径和数值孔径越大，发光二极管LED接收的光越多，它们直接影响系统的传输速率和传输距离。

实际使用的光缆类型由光缆中光纤的模式、材料以及光纤“芯/外层”尺寸决定。如上所述，光纤芯的尺寸及纯度直接决定了光纤传输光的多少。常用的光缆类型包括8.30μm芯/125μm外层、单膜光缆；62.5μm芯/125μm外层、多膜光缆；50.0μm芯/125μm外层、多膜光缆和100μm芯/140μm外层、多膜光缆。

（2）物理特性

光纤电缆实质上是一种光导纤维，简称为光纤。光纤是一种半径细小（50～100μm）、柔软并能传导光线的透明介质。在一根光缆中有多根光纤，计算机网络常用的有两芯、四芯和六芯以及八芯。制造光纤可以是玻璃也可以是塑料，用超高纯度石英玻璃制成的光纤损耗最低，但超高纯度的光纤很难生产，价格自然也高。常用的是用普通玻璃制成的光纤，虽然其损耗较高，但比较经济，性能也足够好，能够满足各种网络通信的需要，并且性能是现在所有有线传输媒介中最好的。

由于光纤具有较高的折射率（无论是玻璃光导纤维还是塑料光导纤维），故都用折射率稍低的材料做成的包层将光纤围裹起来。这一包层将光纤与外界隔离，以防止光纤之间的相互干扰。有关光缆以及光纤的结构，如图3-4所示。

（3）传输特性

光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光电接口设备（光电转换器）从光纤上取出光脉冲转换成计算机或网络设备能够识别的电信号；与此相反，光电接口设备把计算机或网络设备的电信号经转换变成光脉冲信号送入光纤。光纤的一端连接到计算机或网络设备的光电接口设备上，另一端则连接在光端箱或光纤配线架上，再经过传输光缆把光信号传输到接收信号的计算机或网络设备的光电接口设备，转换成电信号后传输给接收数据的计算机或网络设备。

图3-4 光缆和光纤结构示意图

一般光纤系统可使用两种不同类型的光源：发光二极管和注入型激光二极管。发光二极管是一种固态器件，电流通过时就发光，通常用于多膜光纤的光脉冲发射；注入型激光二极管，也是一种固态器件，其工作原理与激光器一样，即通过激励量子电子效应产生一个窄带的超辐射光束，它常被用于单膜光纤的光脉冲发射。

发光二极管的价格较低，可工作在较大的温度范围内，并且有较长的工作周期。而注入型激光二极管的效率较高，并可以保持很高的数据传输率。

光导纤维的数据传输率可达几千Mbit/s，传输距离在几十千米以上。现在，光缆中的一条光纤同时只能传输一个载波。随着网络技术的进步与发展，一定会出现分频多路复用的光导纤维以及相应的器件和技术。到那时，光缆将在计算机网络的应用中发挥更加巨大的作用。

（4）连通性

光缆目前普遍用于点到点的链路连接和计算机网络的干线连接。由于光缆具有功率损耗小、衰减低的特性、有较大的传输带宽潜力；所以，用光缆架构的网络中能够支持的设备数量远比双绞线或同轴电缆的多得多。