计算机网络的有线传输

计算机及网络设备的连接，首先要解决通信线路和传输通道的问题。目前计算机网络通信分有线通信和无线通信两大类。有线通信系统利用电缆或光缆作为信号的传输载体，通过连接器、配线设备及交换设备将计算机连接起来，形成通信信道；无线通信系统则利用卫星、微波、红外线作为信号的传输载体，通过空间信号传输，两端信号收发装置，形成通信信道。

在构建网络系统实体工程当中，根据网络逻辑拓扑结构，面临通信传输介质选择问题，如选择铜缆介质、光纤介质，还是无线介质，或混用传输介质形成网络。在选择网络通信传输介质时，主要依据是用户目前和未来的网络应用和业务范围，还需考虑网络性能、价格、使用原则、工程实施的难易程度、可扩展性及其他一些决定因素。

有线通信系统中，传输线缆主要为铜缆与光纤。铜缆又分为同轴电缆和双绞线电缆，光缆则依据光信号在光纤中传播模式分为单模光纤和多模光纤。

1.双绞线电缆

双绞线（TwistedPair，TP）是网络布线工程中最常用的有线传输介质。双绞线一般由两根绝缘铜导线相互缠绕而成，把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便构成双绞线电缆。两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞合，可降低信号干扰，使每根导线在传输中辐射出的电波被另一根线上发出的电波抵消。

双绞线主要用来传输模拟信息，但同样适用数字信号传输，特别适用于较短距离信息传输。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线质量、长度及传输技术。因双绞线传输信息时要向周围辐射，传输中信号易被窃取，故应采取措施加以屏蔽，以减小辐射。双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面具一定性能优势，且价格低廉，布线成本低，在网络布线中应用广泛。

双绞线又分非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）。按美国线缆标准（American Wire Gauge，AWG），绝缘铜导线线芯大小有22AWG、24AWG和26AWG等规格。规格数字越大，表明导线越细。常用为24AWG，直径0.51mm。

（1）屏蔽双绞线（STP）

STP电缆外层由屏蔽层包裹，屏蔽层有金属箔、金属丝和金属网等几种材料，屏蔽双绞线价格相对较高，安装要比UTP安装难度大，类似同轴电缆，必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应安装技术。STP分STP和STP-A两种，其性能要求工作频率为20～300MHz；在TIA/EIA-568-A标准中，STP-A电缆用于干线布线子系统和水平布线子系统。另一类STP是金属箔屏蔽双绞线电缆，称ScTP或FTP，这种电缆不再屏蔽各线对，而屏蔽整个电缆，缆中所有线对被金属箔制成屏蔽层包围，在电缆护套下，有一根漏电线，漏电线与电缆屏蔽层相接。从而防止信号对通信系统或其他电气设备造成电磁干扰（EMI）。

（2）非屏蔽双绞线（UTP）

UTP相对于STP主要区别是：没有金属屏蔽层，在绝缘套管中封装一对或多对双绞线，每对双绞线按一定密度互相绞合在一起，以提高抗系统本身电子噪声和电磁干扰的能力，但并不能防止周围的电子干扰。其中还有一条撕剥线，使套管更易剥脱。

UTP电缆是通信系统或综合布线系统中使用最广泛的传输介质，用于语音、数据、音频、呼叫系统以及楼宇自控系统。UTP可用于布线系统的垂直干线子系统和水平子系统或语音通信布线系统的干线子系统中。常用双绞线电缆为4对双绞线，另外，还有25对、50对和100对等大对数的双绞线电缆。国际电气工业协会（EIA）为双绞线电缆定义了5种不同性能质量型号。网络布线可使用3类、5类、5e和6类4种，目前主要使用后3种。

非屏蔽双绞线电缆优点：无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间；质量小、易弯曲、易安装；将串扰减至最小或加以消除；具备阻燃性；具独立性和灵活性。

5类双绞线（CAT5）。该类电缆增强绕线密度，外套为高质量绝缘材料。一般4对双绞线绞距周期在38.1mm长度内，按逆时针方向扭绞，一对线对的扭绞长度在12.7mm长度内。缆线最高频率带宽100MHz，最高传输速率100Mbit/s，主要应用于语音、100Mbit/s快速以太网，最大网段长度100m，并采用RJ45网络连接器。

超5类双绞线（CAT5e）是增强型的5类双绞线，其性能超过TIA/EIA-586的5类，有更高的衰减串扰比ACR和回波损耗SRL，更小的时延和衰减，性能得到明显提高。超5类系统在100MHz频率下运行，提供8dB的近端串扰余量，用户设备受到的干扰只有5类线系统的1/4，使系统具更强的独立性和可靠性。超5类系统要求布线距离为：基本链路长度不超过90m，信道长度小于100m。近端串扰、串扰总和、衰减和回波损耗是其最重要的4个参数。

6类双绞线（CAT6）性能超越CAT5e，缆线频率带宽250MHz以上，最大信道长度也是100m，最高传输速率可达600MHz。

大对数电缆。一般为25线对或更多成束的电缆结构，是直径更大的单根电缆。大对数电缆采用颜色编码管理，每线对束都有不同颜色编码，同一束内的每线对又有不同颜色编码。

2.双绞线电气特性参数

双绞线电气特性直接影响传输质量，特性参数也是布线过程中的测试参数。

●NVP（Nominal Velocity of Propagation）=电信号在缆线中传输速度/电磁波在真空中传输速度×100%。正常NVP值应大于59%，通常24AWG和23AWG双绞线的NVP值在60%～70%之间。NVP是厂商生产线缆时固定的参数。

●特性阻抗。特性阻抗指链路在规定工作频率范围内呈现的电阻。其每对芯线特性阻抗在整个工作带宽范围内恒定、均匀。各种电缆有不同的特性阻抗，通常有100Ω、120Ω、150Ω几种。

●直流环路电阻。在基本链路与永久链路方式下，线缆每线对的直流电阻在20～30℃环境下最大值不超过30Ω。

●衰减。衰减是指信号传输时在一定长度线缆中的损耗，为信号损失度量。衰减与线缆长度有关，长度增加，信号衰减随之增加。衰减值与频率也有直接关系，频率越高，衰减越快。通常，每100m传输距离会增加1dB（分贝）的线路噪音。

●近端串扰（NEXT）。当信号在个一线对上传输时，会同时将一小部分信号感应到其他线对，这对信号传输造成干扰，NEXT即对同在近端的传送线对与接收线对所产生的影响。

●相邻线对综合近端串扰。相邻线对综合近端串扰是指4对线缆中3对线缆传输信号时对另1对线缆的近端串扰组合。

●远端串扰。与近端串扰相对应，在一条线缆另一端，发送信号的线对通过电磁感应而耦合到另一个线对的终端的信号比例。

●衰减串扰比（ACR）。指同一频率下近端串扰和衰减的差值，它对于表示信号和噪声串扰之间的关系有重要意义。ACR值越高，意味着对外界干扰的免疫力就越强。

●综合衰减串扰比。表达四对线缆中三对线缆传输信号时对另一对线缆所产生的综合影响。该参数主要用于保证综合布线系统高速数据的传输性能。(www.xing528.com)

●回波损耗（SRL）。数据传输中当遇到传输线路阻抗不匹配时，部分能量会反射回发送端，SRL反映因阻抗不匹配反射回来的能量大小，该参数对全双工传输应用非常重要。

●传输延迟。传输延迟是指信号从信道一端到达另一端所需时间，即测试脉冲沿每对电缆传输时间（ns）。时延越小则系统性能就越好。

3.同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable）是由一根空心的外圆柱导体及其所包围的单根内导线所组成。柱体同导线用绝缘材料隔开，其频率特性比双绞线好，能进行高速率传输。由于屏蔽性能好，抗干扰能力强，通常多用于基带传输。目前同轴电缆常用在有线电视系统中，在计算机网络中已应用较少。在同轴电缆网络中，一般分3类：主干网、次主干网和线缆。

同轴电缆有两种基本类型：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带电缆屏蔽线为铜网，特征阻抗50Ω，如RG-8、RG-58等。宽带电缆屏蔽层通常由铝冲压成，特征阻抗75Ω，如RG-59等。

粗同轴电缆与细同轴电缆指同轴电缆直径大小。粗缆组网要安装收发器和收发器，造价高；细缆组网较简单，两头安装网络连接头（BNC），然后接T形连接器两端。粗、细缆均适合总线型网络拓扑结构布线。目前粗细同轴电缆已被双绞线或光缆所取代，较少使用。

同轴电缆的型号一般有如下几种：RG-8或RG-1150Ω计算机网络-粗缆；RG-5850Ω计算机网络-细缆；RG-5975Ω电视系统；RG-6293Ω ARCnet网络。

4.光纤线缆

目前不论百兆网、千兆网，还是10G网，大多使用光纤线缆。随着VoIP、VOD点播、远程视频系统、动态数据库访问等新兴高端应用在桌面的普遍运用，支持网络服务的光纤布线系统已普遍使用。如数据中心、存储中心区、服务器集群、VOD点播系统等。

（1）光纤的物理结构

光纤是一种能够传输光束的细而柔韧的介质，由一捆光导纤维组成，称光缆。光缆是数据传输中最高效的传输介质。网络光纤主要采用石英玻璃制成，为横截面积较小的双层同心圆柱体。裸光纤由纤芯和包层组成，折射率高的中心部分称光纤芯，折射率低的外围部分称包层。一般在一束光纤外围附加一保护层，即光缆外套。光束在折射率分布类光纤中的传导过程如图1-8所示。

图1-8 光束的传导过程

光纤特性：宽频带；抗干扰性能好，光束不受外界电磁干扰影响，本身也不向外辐射信号；衰减小，在较大范围内基本为常数值，当数据传输速率420Mbit/s，且距离为119km无中继器时，其误码率为10^-8，传输质量很高。

（2）光纤的分类

光纤分类应从构成光纤材料成分、光纤制造方法、光纤传输点模数、光纤横截面上折射率分布和工作波长等方面确定。目前光纤主要分为单模/多模类与折射率分布类。

单模/多模类。根据传输点模数的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤。所谓“模”是指以一定角速度进入光纤的一束光。

单模光纤（Single Mode Fibre，SMF）采用固体激光器做光源，只允许一束光传播，因此没有模分散的特性，单模光纤纤芯较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，因需要激光源，成本较高。光信号沿光纤轴向传播，光信号损耗很小，离散也很小，传播距离远。单模光纤芯径为8～10µm，包括外包层其直径125 µm。导入波长单模1310nm、1550 nm。

多模光纤（Multi Mode Fibre，MMF）采用发光二极管做光源。在给定工作波长上，以多个模式同时传输。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散，由此限制了带宽和距离，多模光纤芯线粗，整体传输性能较单模光纤差，但成本低。多模光纤纤芯直径一般为50～200µm，包层直径变化范围为125～230µm。多模光纤网络布线常用于建筑物内或地理位置相邻环境。

在光缆互连多个结点应用中，必须考虑光纤单向特性，进行双向通信须使用双根光纤。对不同频率光进行多路传输和多路选择，须采用光学多路转换器。

（3）光纤通信系统

光纤通信系统是以光波为载体、光纤为传输介质的通信方式。通信起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。光源是光波产生的源，光纤是传输光波的导体，光发送机负责产生光束，将电信号转变成光信号，再把光信号导入光纤，光接收机负责接收传输过来的光信号，并转变成电信号，经解码后再做处理。光纤通信系统构成如图1-9所示。

图1-9 光纤通信系统构成

（4）计算机网络中常用光缆

在网络短距布线（小于2km）时，一般采用62.5 µm/125 µm或50 µm/125 µm或100 µm/140 µm多模光纤，有4芯、6芯、8芯、12芯之分。多模光纤布线适用于园区楼宇间连接，网络主干线系统，严重潮湿、温度变化大的环境，或须架空连接、地下管道及直埋、悬吊的环境。长距布线（大于2 km）时，可选单模光纤。