王 彬，丁振國
（西安電子科技大學(xué) 陜西 西安 710071）
摘 要：在計算機網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)雙絞線過長、質(zhì)量太低或布線工藝較差時，網(wǎng)絡(luò)往往無法連通。為了解決此問題，提出了一種解決方法，并用傅里葉公式對其進(jìn)行了理論分析。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)工程；雙絞線；傅里葉公式；Internet
Non-standard Applications of Twisted-pair in Long Distance
Distribution for a Computer Network
（Xidian University，Xi′an，710071，China）
Abstract：For a computer network，when the twisted-pairis too long or its quality is too poor orthe processing oftwisted pairdistribution is worse，the computer network can not be kept connected frequently．To solve this problem，the paper proposes asolution and analyzes it using Fourier formula in this paper．
Keywords：network engineering；twisted-pair；Fourier formula；Internet
一般來說，計算機網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)采用何種線纜，需要根據(jù)實際的需求和線纜的相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行選擇。例如：按照以太網(wǎng)（IEEE802．3系列）標(biāo)準(zhǔn)，如果主機與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的距離超過100 m，就不應(yīng)使用雙絞線布線。但是在實際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，常常會遇到一些特殊情況，如：“沒有足夠的資金購買光纜等媒介及兩端設(shè)備”或“臨時性機構(gòu)，沒有必要使用昂貴的線纜”，使我們面臨難以抉擇的境地。
本文主要討論當(dāng)距離超長時，在工程實際中是否可以非標(biāo)準(zhǔn)的使用雙絞線布線。
從原理上分析，對于雙絞線布線距離的限制主要有以下2個方面：以太網(wǎng)的最短幀長和距離超長造成的線纜傳輸特性下降，下面將分別進(jìn)行分析。
1 以太網(wǎng)中最短幀長對線纜長度的限制
以太網(wǎng)絡(luò)的工作方式可以簡單的使用“載波偵聽／沖突檢測（CSMA／CD）”來描述。其中的“沖突檢測”表示：當(dāng)某計算機（如：主機A）以廣播的形式發(fā)送某幀時，在發(fā)送的過程中一直檢測信道，通過比較發(fā)出信號是否與檢測到的信號一致，決定發(fā)出的幀是否和其他計算機（如：主機B）發(fā)出的幀產(chǎn)生了沖突，如果A主機在發(fā)送某幀的過程中沒有檢測到?jīng)_突，就認(rèn)為這一幀發(fā)送成功。
但是，如果幀與鏈路的沖突域相比太短，就會發(fā)生圖1中“沖突檢測”失敗的情況。
如圖1（a）所示，主機A發(fā)出一幀，由于幀長與鏈路的沖突域相比較短，在發(fā)送的過程中沒有檢測到?jīng)_突，認(rèn)為此幀已經(jīng)發(fā)送成功。
如圖1（b）所示，主機A與主機B分別處在沖突域的兩端，電磁波從A主機傳送到B主機需要的時間為τ。幀頭差時間ε還沒有到達(dá)B主機。
如圖1（c）所示，由于主機B還沒有檢測到主機A發(fā)出的幀，所以有可能也發(fā)出一幀。在主機A發(fā)出幀時間τ后，在主機B處發(fā)生了沖突。
如圖1（d）所示，沖突的信號需要再經(jīng)時間τ才能到達(dá)主機A。
結(jié)果：主機A認(rèn)為這幀已經(jīng)發(fā)送成功，但實際上此幀在主機B處發(fā)生了沖突，“沖突檢測”失敗。
所以每幀必須至少可以持續(xù)發(fā)送2τ時間（即經(jīng)過2τ時間后此幀還沒有發(fā)送完），這樣才能保證“沖突檢測”機制的成功。
τ的大小由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義，當(dāng)τ確定后，則最短幀長也被確定，反過來一個沖突域的最大范圍便被確定（在10 Mb／s以太網(wǎng)中，2τ被定義為51．2μs，最短幀長為64 B，一個沖突域最多由4個中繼器組成），進(jìn)而一個沖突域中的線纜最大長度也會有一個限制。
分析原因：早期的同軸電纜只有一個總線式信道，并且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大多為物理層的設(shè)備（如：中繼器，HUB），他無法擺脫以太網(wǎng)的多主機共享鏈路方式（CSMA／CD）的本質(zhì)所造成的限制。
但實際上，一條雙絞線內(nèi)有8根線纜可供使用，并且數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備（如：交換機）的價格大大下降。現(xiàn)在可以徹底地擺脫這種限制。解決的方法是：使用交換機將每一段線纜劃分成不同的沖突域，并將網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的工作模式設(shè)置為全雙工。這樣每個主機在收和發(fā)的方向都有了一個專用的信道，不再需要CSMA／CD，也就沒有了沖突域?qū)�纜長度的限制。所以以太網(wǎng)的最短幀長對線纜長度的限制是可以被解決的。
實際上在萬兆以太網(wǎng)協(xié)議（IEEE802．3ae）中，就沒有定義CSMA／CD的工作模式，其中重要的一個原因就是為了取消沖突域?qū)W(wǎng)絡(luò)線纜長度的限制。
2 隨距離增加，線纜傳輸特性的下降對線纜長度的限制
2．1 信號總體功率下降對線纜長度的限制
正常情況下，五類雙絞線的直流阻抗為9Ω／百米，當(dāng)雙絞線長度不超過200 m時，其直流阻抗在18Ω（9Ω／百米×2百米）以內(nèi)。而布線要求總阻抗不能大于19Ω。所以200 m以內(nèi)雙絞線的直流阻抗引起的信號總體功率下降，一般不會影響接收設(shè)備對信號的獲得，所以在此距離采用五類雙絞線布線可以不必考慮直流阻抗的影響。
2．2 線纜頻率特性下降對線纜長度的限制
根據(jù)傅里葉級數(shù)公式：
任何持續(xù)的數(shù)據(jù)信號，都可以被分解為正弦和余弦函數(shù)的n次諧波。
在計算機局域網(wǎng)中，使用雙絞線進(jìn)行基帶傳輸［1］（即數(shù)字信號不經(jīng)過任何調(diào)制，而是只經(jīng)過簡單的頻譜變換或碼形變換后就直接送往傳輸信道）。這樣就可以將雙絞線上的傳輸信號作為方波進(jìn)行分解，變換為諧波后再進(jìn)一步研究。
如圖2所示［2］，當(dāng)方波信號通過一個低通信道時，可以等幅衰減通過的諧波數(shù)量越多，則接收設(shè)備正確識別原始方波信號的可能性就越大，反之信號將難以識別。
如圖3所示，雙絞線的頻率特性正是一個低通信道，可 以等幅衰減的通過從A點（低頻）到C點頻率的諧波。當(dāng)線纜距離過長時，會造成AC之間的距離變窄及等幅衰減通過諧波數(shù)量下降。
下面按照4種不同假設(shè)情況進(jìn)行推導(dǎo)并得出結(jié)論。
假設(shè)1：
①長度為100 m的五類非屏蔽雙絞線；
②雙絞線上傳輸速度為100 Mb／s的信號；
③雙絞線的等幅衰減的帶寬為BHz（如圖3）：B＝C－A。
推導(dǎo)1：
由于在傳輸速度為100 Mb／s的以太網(wǎng)中，采用的編碼方式是4B／5B（即為解決傳輸中的同步問題，實際使用5 b的碼組來編碼4 b的實際輸入數(shù)據(jù)［3］），則通信線路上實際傳輸?shù)姆讲ㄐ盘柮棵霠顟B(tài)的變化次數(shù)為125M，即125M b／s。
如果每秒信號變化125M次，則狀態(tài)變化8次需要的時間為：8／125M s。
根據(jù)傅里葉級數(shù)公式，一次諧波的周期T為：8／125M s；一次諧波的頻率f為：125M／8 Hz。
方波信號（每秒狀態(tài)變化次數(shù)為125M次）通過長度為100 m五類雙絞線后，可以等幅衰減通過的諧波數(shù)量N1（個）為：
結(jié)論1：
因為假設(shè)1符合五類雙絞線的布線標(biāo)準(zhǔn)，所以當(dāng)?shù)确p通過的諧波數(shù)量為N1時，接收方設(shè)備可以識別。
假設(shè)2：
①長度為大于100 m的五類非屏蔽雙絞線；
②雙絞線上傳輸速度為100 Mb／s的信號；
③雙絞線的等幅衰減帶寬變窄為B／2 Hz。
推導(dǎo)2：
可以等幅衰減通過的諧波數(shù)量N2（個）為：
隨著雙絞線長度的增加，其等幅衰減頻寬B變窄后，可以通過的等幅衰減諧波數(shù)量也將減少，如圖2所示，當(dāng)N2小于4時輸出信號將難以被接收設(shè)備識別。
然而在假設(shè)2下，很難保證等幅衰減通過足夠的數(shù)量的諧波。
根據(jù)公式N＝B／f，當(dāng)B減少時，只有降低f（即降低雙絞線上信號的傳輸速度），才能保證N不變。
假設(shè)3：
①長度大于100 m的五類非屏蔽雙絞線；
②雙絞線上傳輸速度降為10 Mb／s的信號；
③雙絞線的等幅衰減的帶寬變窄為B／2 Hz。
推導(dǎo)3：
在以太網(wǎng)協(xié)議中，10 Mb／s與100 Mb／s為最常見的數(shù)據(jù)傳輸速度，所以可以考慮將數(shù)據(jù)傳輸速度降為10 Mb／s。
在10 Mb／s的以太網(wǎng)中，采用的是曼徹斯特編碼（即為了解決傳輸中的同步問題，實際使用2 b的碼組來編碼1 b的實際輸入數(shù)據(jù)），所以通信線路上實際傳輸?shù)姆讲ㄐ盘柮棵霠顟B(tài)的變化次數(shù)為20M，即20M b／s。
如果每秒信號變化20M次，則狀態(tài)變化8次需要的時間為：8／20M s。
根據(jù)傅里葉級數(shù)公式，一次諧波的周期T為：8／20M s；
一次諧波的頻率f為：20M／8 Hz。
方波信號（每秒狀態(tài)變化次數(shù)為20M次）通過此雙絞線后，可以等幅衰減通過的諧波數(shù)量N3為：
即使線纜長度增加導(dǎo)致了等幅衰減帶寬變窄一半，但如果將數(shù)據(jù)傳輸速度降為10 Mb／s，假設(shè)3下可通過的諧波數(shù)量N3將為假設(shè)1（正常情況）下N1的3．125倍。
在此情況下，接收方設(shè)備完全可以識別信號。
假設(shè)4：
①長度為大于100 m的五類非屏蔽雙絞線；
②雙絞線上傳輸速度為10 Mb／s的信號；
③雙絞線的等幅衰減的帶寬變窄為B／k Hz；
④等幅衰減通過的諧波數(shù)量N4＝N1。
推導(dǎo)4：
結(jié)論4：
在假設(shè)4下即使線纜等幅衰減帶寬下降為原來16％（1／6．25），只要降低數(shù)據(jù)通信的速度，也可以保證接收的諧波數(shù)量達(dá)到正常的情況（假設(shè)1）下的N1，即接收方可以正確識別。
3 結(jié)語
根據(jù)以上的分析，筆者認(rèn)為在設(shè)計一段距離為200 m以內(nèi)的線路的時候，可以非標(biāo)準(zhǔn)的使用雙絞線進(jìn)行布線，但具體應(yīng)采用以下方法：
（1）為保證整體網(wǎng)絡(luò)的速度，可以使用接口為10／100 Mb／s自適應(yīng)的交換機，但將與這條雙絞線連接的交換機端口強制設(shè)為10 Mb／s和全雙工模式。
（2）采用五類或超五類雙絞線布線，提高施工工藝，盡量避開強干擾源，以減少線纜性能參數(shù)的下降。
在實際工程中，對使用一段長度約200 m的雙絞線進(jìn)行連接的計算機進(jìn)行測試：
①使用IE瀏覽器訪問Internet正常；
②使用ping程序進(jìn)行測試，10 min丟包率為0％。結(jié)果證明以上基于傅里葉的分析是合理的。
另外，本方法也可以適用于早期的3類雙絞線或由于線纜品質(zhì)低及布線工藝較差造成無法在10／100 M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中使用的情況，可以降低成本并減少重新布線的麻煩。當(dāng)然如果雙絞線的長度進(jìn)一步增加，那么直流阻抗及其他參數(shù)對總功率的衰減，可能會造成接收設(shè)備無法檢測到信號，所以這種依靠降低速度來實現(xiàn)通信的手段只能在一定的范圍內(nèi)使用。
參考文獻(xiàn)
［1］張應(yīng)中．?dāng)?shù)字通信工程基礎(chǔ)［M］．北京：人民郵電出版社，1987．
［2］AndrewSTanenbaum．計算機網(wǎng)絡(luò)（第3版）［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1998．
［3］高傳善．?dāng)?shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)［M］．北京：高等教育出版社，2000． 
