《通信技术导论(原书第5版)》——1.11 网络布线-阿里云开发者社区

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《通信技术导论(原书第5版)》——1.11 网络布线

简介: 本节书摘来自华章出版社《通信技术导论(原书第5版)》一书中的第1章,第1.11节,作者:[美]安娜贝尔Z.多德(Annabel Z. Dodd)著 唐艳华 张选涛 译 赵志 审校,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

本节书摘来自华章出版社《通信技术导论(原书第5版)》一书中的第1章,第1.11节,作者:[美]安娜贝尔Z.多德(Annabel Z. Dodd)著 唐艳华 张选涛 译 赵志 审校,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

1.11 网络布线

铜芯电缆的改进已经使非屏蔽双绞线可以在局域网(LAN)中传送10Gbp速率的信号。以前只有在光纤布线中才能达到这样的速度。这一点很重要,因为大多数计算机设备的接口与非屏蔽双绞线电缆兼容,而不是光纤。将这些设备连接到光纤则需要额外购买和安装光电转换设备。
在企业局域网中,双绞线和光纤是最常见的传输媒质。由于速度、容量和无线信号传输距离的改进,在一些办公楼中无线传输正在取代铜缆布线。第7章将介绍基于802.11(Wi-Fi)协议的无线服务。
材质的特性直接关系到流量传送的距离、速度和准确性。例如细铜丝相比于粗的、更高质量的铜丝其传送的距离更短而且传输速率也更低。
在企业网络中,双绞线是将电脑、打印机和服务器与同一楼层的布线间连接在一起最常用的介质。这称为水平式布线。
光纤比铜线能够携带更多的流量。然而,在局域网内在安装和连接设备上光纤比双绞线价格更贵。所以它一般是用在如下之间的高流量连接:
配线间
楼层之间(竖井)
校园建筑物之间
光纤之所以适用于高流量区域的原因是它是一个非电介质。光纤比铜线的传输性能更加优异是因为光纤并不传送易受到附近电子设备噪音干扰的电信号。
1.11.1 铜缆布线的缺点
通过铜缆传送的信号会受到线路上的电磁干扰或“噪声”的影响。电源线、灯和电机都能以电能的形式把噪声引到线路上。这就是来自复印机、磁源、制造设备,甚至是广播电台的干扰信号,可以将噪声和静电引入到电话呼叫和数据传输中的原因。一种用来保护铜线免受附近电线引入噪声和串扰的方法是将一对绝缘的导线绞在一起形成双绞线。双绞线中的一根电线的噪声抵消了该对中另一根电线引入的噪声。串扰产生的原因是沿着一条铜线传送的携带语音或数据的电子信号横穿或“泄露”附近其他的电线对。
铜线的另一个电子特性是阻抗。当传送信号时,阻抗会削弱信号。这称为衰减。由于存在衰减,在室外网络中铜缆上传送的信号超过大约1.5英里时必须进行放大。相反,因为光纤传送的不是电信号,所以高性能的光纤中信号在需要放大之前可以传输80英里。因此干扰和阻抗两个固有特性是限制铜电缆性能的关键因素。
统一的结构化布线标准使铜缆支持更高的速率
布线标准化支持更高的速率、携带多媒体的业务,并确保企业可以购买来自不同制造商的电缆和连接器而没有不兼容的风险。每个布线标准中包括当电缆安装后确保电缆和连接器符合既定要求的测试。
每一个新标准都需要与所有较低版本的标准兼容。这样允许应用系统可以在低版本的布线系统中运行,也可以在更高版本上运行。企业面临布线系统的最大问题是它们不能保证按照标准正确的安装和测试;结果导致低于预期的数据速率或者不可靠的连接。
每个标准不仅指电缆本身,还有所有的连接器,包括插孔(出口)、插头和配线间的交叉连接线。交叉连接为各楼层个人设备布线提供连接出口。楼层间布线,也称为水平布线,放置在楼层间电缆的竖井里。它也用于建筑物的主配线间到校园内其他建筑物的连接。
标准还规定打印机和计算机中的网络接口卡(NIC)的特性,通过它电缆将设备连接到插孔(出口)。电信行业协会(TIA)定义了建筑物内双绞线布线和连接组件的标准。
非屏蔽双绞线布线标准
3类双绞线布线—通常简称为“CAT 3”—适合于语音传输,但是因为它只适合于旧的电话系统,所以现在很少使用。5类、5e、6类和6a常用于部署结构化布线系统标准的双绞线。机构经常在它们的数据中心使用支持10Gbp速率的6a类双绞线,而其他的设备使用6类双绞线。这类电缆布线通常既用于语音也用于数据。7类布线是基于欧洲而不是标准化组织批准的标准。因此它还没有广泛安装。下面简单介绍主要双绞线分类。
5类 支持双绞线上100米(328英尺)以内速率达100Mbit/s。这是第一个批准用于兆位以太网传输的标准。它包括4对8根非屏蔽铜线。5类已经被5e类取代。
5e类 支持100米的距离(328英尺)内1Gbit/s速率。因为电缆和连接器被以更高的标准制造,所以可以实现更高的速度。比起5类线,5e类每英寸有更多的扭绞。
6类 支持100米(328英尺)内1Gbit/s的速率。短距离内,它可以达到10Gbit/s的速度。扭曲率更高、更重的线芯和整个电缆被金属屏蔽层保护其免受环境噪声干扰。绝缘材料(通常是塑料带)放在每个四对线之间,以减少线间的串扰,如图1-8所示。
6a类(增强型) 支持55米(180英尺)内的10G以太网传输速率。因为采用了更严格的标准而使相邻电缆的串扰减少成为可能。100米(330英尺)可以支持较低的速率。
7类 支持100米(330英尺)以内10Gbit/s的速率。因为每个线对有屏蔽层以及整个电缆也有一个金属箔保护,从而使长距离高性能传输成为可能。它必须用和5类线、6类线不同的组件和连接器以适应这种屏蔽结构。它也可以安装在同一类型的早期标准规定的连接器中;但是它不能在100米(330英尺)传输10Gbit/s的带宽。
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1.11.2 商业机构的光纤布线
由于光纤传输非电信号,所以它可以在各种区域中运行而不考虑电气设备的干扰。这也是信号在消失之前,光纤传输信号比铜更远的主要原因。信号沿着光纤以开和关光脉冲的形式传输,理论上有点类似于海军传送摩尔斯码信息的信号灯操作。
虽然在高流量区域光纤具有许多优点,但是光纤连接的规范更加严格,而且光缆本身在搬运和安装时需要更加细心。例如它较铜缆缺少柔韧性,不能随周围的急弯弯曲。然而鉴于光纤的传输带宽和后续维护节约的成本,大多数运营商在新公寓楼和办公楼中铺设光纤。
安装光纤比安装铜缆昂贵主要有以下两个原因。
光电转换器件(多路复用器和激光器)将电信号与光信号互相转换,而成本昂贵。
安装和测试光纤需要专业技术人员,所以人工成本很高。
此外,位于客户端的铜缆多路复用器和接口设备需要当地的电力供应。这增加了一个意外断电的故障点。
光缆由超纯玻璃纤维制成。携带信号的纤芯越细,光信号传送就越快、越远,并且失真越小。包裹着纤芯的包层可以防止光信号扩散,即防止波长展宽到达目的地时发生不等长的延迟。最外面有一个保护层使保护纤芯免受雨淋、灰尘、划痕和下雪等环境危害。
光纤布线的另一个好处是防止窃听,因为监听需要在物理上断开光纤束,将窃听器连接到断裂处才可以实现。光纤之间的连接依赖于光纤连接器。在光缆中间部分侦听是很容易发现的。
单模光纤与多模光纤
光纤主要有两种类型:单模和多模。单模光纤比多模光纤更细、更贵,并且支持更高的速度。其直径测量大约跟人的一根头发一样,它主要用于运营商的网络中和海底布线。
事实上,单模光纤承载光脉冲的速度比多模光纤快,这可以通过几何规则解释:两点之间直线最短。光在直线中传送比在条曲线中传送要快。当光在纤芯里传送时会从光纤的内壁发生反射或“反弹”,这是光传送产生曲线的原因。这些曲折的路径也会造成信号衰减,让信号失去能量,并在较短的距离消失。单模光纤较细的纤芯可以让光信号穿过纤芯时阻止反弹。比起穿过纤芯的弹跳式旅程,直的光信号传送速度更快、衰减更小。
当光脉冲在较细的路径中传送时,需要更少的中继器来放大信号。单模光纤在无中继器(放大器)情况下,可以传送80英里。与此相反,铜线中的信号在大约传送1.5英里后就需要放大。为此,起初电话公司在超过1.24英里的外部布线中使用光纤。
单模光纤费用增加的主要原因在于需要制造更精密连线器和其他设备。其纤芯与多模光纤相比是如此之细,以至于制造连接器和接头需要更精确的公差。如果单模光纤上的连接器与纤芯不匹配,那么光就不能从一根光纤传送到另一根。光信号在光纤的接头处就会泄漏或分散。
多模光纤的纤芯比单模光纤粗。粗的纤芯意味信号只能传送一个很短的距离就需要放大。此外,在纤芯中传播信号,由于散射和展宽的原因,在复用时每对光纤只能承载较少的信道。多模光纤主要用于校园建筑间和建筑物楼层间的局域网主干线。
安装光纤布线系统费用昂贵的另一个原因是连接器缺乏标准化。不同的光纤制造商使用自己专门的工具和连接器。两种主要类型的连接器是卡接式圆形(ST)和卡接式方形(SC)。另有一种是小尺寸(SFF)连接器。每种类型的连接器都需要专门的安装工具。
光纤和铜缆之间的连接
在企业网络中,在光纤与铜电缆的连接处如建筑入口处、布线间或在数据中心,安装转换设备将光信号转换为电信号,反之亦然。该转换器被称为发射器和接收器。发射器也称为光源传感器。如果在复用设备上使用光纤,那么光信号的每个信道都需要有接收器和发射器。光纤系统中的发射器是发光二极管(LED)或激光器。这有如下几个原因:
发光二极管的成本低于激光器。因此它们通常用于多模光纤。
激光器的发射功率更大。因此长距离传输时需要较少的中继器(放大器)。
在接收端时,把光脉冲转换成电信号的光检测传感器(接收器)既可能是PIN光电二极管(PIN),也可能是雪崩光电二极管(APD)。
发光二极管和PIN光电二极管应用于低带宽和短距离需求。

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