网络的龙骨——电缆

网络的龙骨——电缆







一、 网络电缆的重要性　　电缆将网络的两个设备连接在一起。所有通讯的信号都是通过电缆来传输的。当前的网络中所传输的信号速度主要是10Mbps和16Mbps。为保证信号能从起点正常传输至终点，电缆必须能够传输这样的高速信号。这也是为什么只能传输几十KHz的电话线不能用网络的原因。不能达到这样高的指标就会导致网络性能变差或功能不正常。二、 解决网络电缆问题的最佳良药--预防在前　　有很多网络问题都是由于电缆造成的。根据调查，有近50%的网络故障是由于在网络中将电缆的故障具体定位是很困难而且是很浪费时间的，所以造成的损失也是很大的。特别是对于那些将电缆安装在墙内、天花板上以及地板或地毯下的网络。所以确保网络电缆安装的正确性是非常重要的。即把电缆故障消除在安装之中。　　为了保护自己的投资和将来的利益，网络用户应该要求建筑的承包商或电缆的安装者提供如下的关于网络电缆安装情况的文件：　　每条电缆都应在两端有清楚的标号。每个接头或配线件也应有清楚的标号。　　电缆的连接图、每条电缆的编号、以及端至端的长度都应有相应的注示。　　每条电缆的编号、电缆类型、接头的类型和相应的连接线应有列表文件。　　电缆编号、接头类型和配线架的连接说明表。　　*每条电缆的测试报告，包括测试的参数，与之进行比较的电缆标准。三、 网络电缆的类型　　现在流行的网络有两种，令牌环（Token Ring）和以太（Ethernet）网。最常用的网络是电缆是同轴线和双绞线。这两类电缆又有很多种类型，见表1。除了RG58以外，其他同轴电缆在外型上看是非常相似的。它们的主要区别是特性阻抗不同。如果不仔细标明电缆，这种同轴线的误装就很容易发生。

表1 同轴线的类型和特性阻抗




同轴线类型

应用

特性阻抗

接头


RG58（Thicknet）

以太网

50Ω

N型


RG58，RG58F（Thicknet）

以太网

50Ω

BNC


RG59，RG59F

TV

75Ω

BNC


RG62

Arcnet

93Ω

BNC
　　最常用的双绞线称为非屏蔽双绞线-UTP。它的广泛使用是因为其价格便宜，容易安装以及在以太网中与集线器（HUB）的连接很方便。根据应用和特性，UTP可以分成5类，见表2。
表2 双绞线的类型（级别）




类型（级别）
支持的信号频率


1
音频和低速数据（20kbps）


2
音频和1Mkbps的数据（StaarLAN）


3
音频和10Mkbps的数据（以及和令牌环网）


4
音频和20Mkbps的数据（16M令牌环网）


5
音频和100Mkbps的数据（高速以太网，ATM，CDDI）
　　从表中可见，只有3，4，5类线可以用于以太网。另外，这种电缆内由4对8条线所组成。而用UTP电缆的连接方式是被广泛称为RJ45的耦合式连接。其最大的连接问题是接线图，即电缆和插头或插座的连接关系。最常用的连接图或标准是称为TIA568（Telecommunication Industry Association通讯工业协会）的标准。其他的标准还有USOC等。
图1　双绞线连接类型
　　图1说明了不同连接标准的区别。　　在以太网中，脚1-2，脚3-6应各组成一对线。图中也清楚地说明只有TIA568-A的连接方式用于以太网。　　在说明网络电缆的参数之前先简单看一下电缆是如何连接的。同轴线与网络相连的方式如图2所示。所有信号都在同一电缆中传输。UTP电缆是通过HUB连接的。电缆中只使用了两对线。1-2对是由PC向HUB传送信号而3-6对是从HUB接收信号。
图2　同轴线和双绞线的网络拓扑
四、 参数所产生的差异（从应用观点看）　　无论采用何种电缆，以太网中的各个用户所使用的询问网络的方法都是一样的，称为CSMA/CD，即带碰撞（冲突）检测的载波监听多路访问。用户将信号送信电缆上的过程如图3所示。
图3　以太网CSMA/CD的过程
　　根据CSMA/CD这种访问方法，碰撞是不可避免或是正常的现象。每次碰撞都会导致网络停止一段时间（Back-off-time），所以过多的碰撞会使网络速度大为减慢。在以太网中，引起过多碰撞70%的原因是因为电缆相关的问题。对下面的一些参数或因素应该认真检查以确保它们能够支持网络的信号。下面我们将讨论每个参数的重要性以及它们是如何影响网络。　　特性阻抗　 近端串扰 　电缆长度 　衰减　 噪音 　接地情况　　1.特性阻抗（Impedance）　　简言之，特性阻抗是电缆对高频信号的负载阻抗。一般而言电缆的特性阻抗整条电缆上应是一个常数。电缆上任何一点所引起阻抗菌素的突然变化会产生"反射"。最严重的例子是开路或短路，它们会产生全反射。根据信号的强度不同在同轴线中的反射会造成碰撞或帧破损。从用户的实用角度看，通常；的经验会得出如下结论：　　(1)网络运行速度减慢　　(2)找不到服务器（某些网卡也可以指出相关的硬件问题）　　对于双绞线，当电缆和8芯接头相连接时进行了过多的反绕时也会产生特性阻抗不匹配。在同轴线上产生的问题会影响整个网络。而且同轴线构成的以太网中特性阻抗不匹配是产生问题的主要原因，而造成特性阻抗不正常的原因有：　　(1)终端匹配电阻不正常　　(2)电缆开路（BNC或T型接头处）　　(3)电缆短路（保护屏蔽层和传输线短路，BNC）　　(4)网卡不正常（入/出阻抗不匹配）　　(5)电缆类型误用（例如RG59或RG62）　　(6)三条电缆连接至T型头（T型头只能接两条电缆和网卡）　　为找到特性阻抗问题，需要使用TDR（时域反射技术）。TDR技术是发出一个脉冲信号，如果没有发现发射则电缆匹配连接正常。否则，仪器利用脉冲信号反回的时间就可以得出不匹配的距离，反射脉冲的幅度也可以告之不匹配的程度。　　2.近端串扰（Near end cross Talk-NEXT）　　在以太网中，双绞线中至少要用到两对线。一对用于发送，一对用于接收。串扰是指一对线对另一对的影响程度。见图4，串扰可以利用紧密缠绕方法减少，以使信号耦合的平衡输出。就是因为这种原因，平行（未缠绕）的电话电缆是不能用于局域网的。
图4　串扰——一对线中的信号对另一对的影响
　　可以用测量的方法来确定NEXT的大小。其方法是在一端的一对线上发送一个信号而在同一端的另一对线上进行测量。两个信号的差别以分贝dB表示。NEXT是特别重要的参数，这是因为以UTP电缆为媒体的网络发送信号和接收信号是不同的电缆对。支持UTP的网卡在发送信号前要不停地监听碰撞，如果NEXT过高，网卡就会认为是碰撞，于是停止发送一段时间再发送。当发生这种情况，就会导致：　　(1)与服务器的联系中断　　(2)网络性能变差　　(3)过多的碰撞（可在HUB看见碰撞的指示灯）　　一种常见的产生NEXT的原因是串绕（Spliet Pair），见图5。这种问题的一个特点是用万用表或欧姆表查不出来。因为端一端的连通性是好的。这是一种人为的故障，一个人在安装电缆时可能会连续犯这种错误。可能产生NEXT的原因还有：
图5　串扰——将原配对使用的线分开使用
注意：电缆的连通性正常但确会引起很大的信号串扰。　　(1)电缆的插头以及插座的连接不好　　串绕连接 反绕　　(2)性能差的电缆，如电话线或一对线缠绕圈数不足。3.电缆长度（Cable Lingth）　　当制定以太网的标准时就已经确定了信号在电缆中传输时所需的最长时间。如果电缆过长（PC至PC）就会产生延迟碰撞。结果就会有如下现象出现：　　(1)网络可能会正常运行但当有新的用户加入时速度会变得非常慢。　　(2)一个可以服务于100个用户的服务器只能连接到不足25个用户。　　所以当增加新的站点时要先难一下电缆的长度是非常重要的。电缆测试仪器使用时域反射（TDR）技术测试电缆长度。TRD技术的一个缺点是功耗较大，从而使电池寿命减小的很快。另外在电缆测试时会有一个称为死区的问题，即在某个长度之内是不准确或不能测试的。一般的死区长度是6至8米。而一些高级的电缆测试仪，例如Fluke DSP100，其死区非常少。当用户要在室内用一段不长的电缆将PC机和网络相连时，这一优点就非常重要。另外，还有采用动态电容技术的仪器，例如Fluke620该方法省电并且没有死区问题。



电缆类型
长度限制

RG58（Thicknet/10base5）
500米（两个终端匹配电阻之间）

RG58，RG58F（Thinnet/10base2）
185米（两个终端匹配电阻之间）

非屏蔽双绞线（UTP）
100米（集线器和PC之间）

1. 衰减（Attenuatoin）　　衰减是信号通过一段电缆后其幅度减小的程度。电缆越长，信号频率越高其衰减越大，即信号的损失越多。以太网的标准中规定了可以容忍的最大的信号损失。所以要保证电缆在规定的指标之内。同轴线引起的衰减比双绞线要小，所以它造成的影响不很严重。通常双绞线网络中衰减所造成的问题只影响一个用户，如果衰减指标达不到规定的要求，就可能会有如下问题：　　(1) 网络速度下降　　(2) 间歇性的发现找不到服务器

图6　衰减——信号通过电缆所引导的衰减
5.噪声（Noise）　　在所有通讯系统中，电缆中的噪声都可能引起问题。有两种噪声要考虑：脉冲噪声和连续的宽带噪声。这种噪声和近端串绕没有关系。有一点应该认识到，即网络的电缆可以看作是天线一样，它会从白炽灯、马达或其它电力设备上感应脉冲噪声，这些噪声源的影响必须要考虑到。如果噪声严重用户会发现有如下现象：　　(1)间歇性的网络速度下降　　(2)间歇的发现找不到服务器　　脉冲噪声的测试是在一段时间内对超过某一电平的脉冲个数进行统计。数量越少就会获得越好的网络性能。宽带噪声是利用电缆测试仪的信号测量功能来完成的。信号电压越低网络性能将越好。因为同轴线是有屏蔽的，所以它的噪声指标比双绞线要好。同轴线的噪声问题主要是因为屏蔽层破损或接地环流。6. 接地问题（Grounding）　　从严格技术角度上讲，接地不是一个参数，但对同轴线来说，它是非常重要的。一般说对Thicknet的一个网段应该有一个而且只应有一个接地点。而对Thinnet来说，接地点是可选项的而且每个网段只能有一个接。如果有中继器将电缆延长，那么将会产生大地环流，它将引起噪声并将干扰传输的数据。这时用户将会发现：　　(1)网络速度下降　　(2)与服务器通信不良　　一个常见的接地问题是T型接头PC机的另一个接头相连从而产生了另一个接点。接地问题可以用一个灵敏度很高的电流钳来测试电缆的环地电流。五、小结　　电缆是PC机最终和网络交换数据的媒介。它的健康与否对网络的正常运行是最基本也是最重要的。根据调查，网络大约50%的故障都追溯到电缆上。确保电缆健康的最好方法是在安装时对其进行严格测试，而且它已经被证明是减少未来网络故障最省钱省时的方法。现在市场上已有手持式的用于现场电缆测试的仪器，它们主要用于电缆的安装和认证测试。　　这时要说明的是电缆测试分为验证测试和认证测试。所谓验证测试是对安装的电缆进行一般的连通性测试，即检查有无开短路以及接线的错误。而认证测试除了包括验证测试的全部内容还要测试电缆的电气特性（包括前面所提到的部分参数）。而且测试的结果要和有关规定的标准（TIA/EIA，IEEE）进行比较并且报告是否合格，仪器还可以打印出相关的测试结果报告。