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第4章 结构化布线与网络传输介质,4.1 结构化布线,电信技术和计算机网络应用的发展导致了结构化布线系统的产生。随着用户通信需求的不断扩大，楼宇内部以及楼宇之间的电话线、数据线等线缆越来越多，必须有一套完善可靠的布线系统对这些分散的线缆进行集中管理，这就导致了结构化布线系统的产生。,4.1.1 结构化布线的概念及特点,结构化布线系统（Structure Cabling System，CSS）是针对楼宇内部或楼宇之间布线系统，需要同时支持语音、图形、图像、数据、安全监控、传感等各种信息的传输，所使用的传输介质主要有双绞线、光纤、同轴电缆，同时也可以使用无线传输介质。结构化布线系统已经成为网络设计和建设的标准。,与传统的布线方法相比较，结构化布线系统具有以下的特点： （1）实用性。 （2）灵活性。 （3）开放性。 （4）模块化。 （5）可扩展性。 （6）经济性。,4.1.2 结构化布线的组成,目前国际上存在的结构化布线系统标准有两个。一个是北美标准，即EIA/TIA 568（商用建筑通信布线标准）；另一个是国际标准，由ISO和IEC（国际电子技术委员会）制定。在国内主要采用北美标准，该标准由工作区子系统、水平布线子系统、管理子系统、垂直干线子系统、设备间子系统和建筑群子系统共6个子系统构成。,1 工作区子系统 工作区子系统提供工作区办公室中的站点与信息插座之间的连接。它包括连接线、适配器和其他传输设备。其中，连接线是指相应的计算机、电话、电视、监控等设备与信息插座之间的连线；适配器是指连线的接头，如用于计算机连线的RJ-45接头。用户在使用时，只要将计算机网络连线接入相应信息插座，即可使计算机连入网络。,2 水平子系统 水平子系统是由在楼层平面范围内的传输介质组成，是工作区子系统与管理子系统互连的桥梁，包括信息插座和连接线缆。标准规定：线缆的水平干线长度应小于90m，如果大于90m应增加中继设备。,3 管理子系统 管理子系统是指配线架系统，它将水平子系统和垂直子系统连在一起，或将垂直主干和设备子系统连在一起。通过管理子系统可以改变布线系统各子系统之间的连接关系，从而管理网络通信线路。管理子系统包括提供回路识别的标签和在交叉连接中组成回路的插线和路线。配件主要包括配线架、过线槽、跳接线等。当用户需求变化时，只须在管理子系统中简单地改变跳线即可达到要求，大大降低了系统的运行维护费用，缩短了系统的停机时间，提高了设备的利用率。,4 垂直干线子系统 垂直干线子系统是连接管理子系统到设备子系统的系统。一般采用光纤和大对数的非屏蔽双绞线。双绞线用于连接电话、计算机设备或低速计算机网络；光纤用于连接高速计算机网络。,5 设备间子系统 设备间子系统把垂直主干和网络设备连接起来。它由位于设备间的电缆、连接器和相关支撑设备组成。所有的设备引线和网络干线的连线都在设备间子系统中汇集，与网络交换机、电话程控交换机等相连接。一般设备间子系统包含智能网络管理设备和网络管理员，用以监控整个网络的运行状况。,6 楼群子系统 楼群子系统将一个园区的各建筑物内的设备子系统连接在一起，以实现各建筑物间的通信，一般包括光缆、电缆和电气保护设备。结构化布线系统中各子系统的组成关系如图4-1所示。,4.2 双 绞 线,双绞线（Twisted Pair）也称为双扭线，最初是为语音通信设计的，是计算机网络中使用最为普遍的传输介质，局域网中到桌面的连接绝大多数都使用双绞线，几乎所有的电话通信在客户端都使用双绞线。,4.2.1 双绞线的组成和结构,双绞线一般可以分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两大类。其中，STP又分为3类（Category 3）、5类、6类和7类几种，而UTP分为3类、4类、5类和超5类几种。,图4-2 5类4对UTP结构及截面图,图4-3 双绞线的分类,4.2.2 屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线的区别,4.2.3 双绞线的类别和应用 双绞线的标准制订 精密的电缆标准用于在产品的供货商和使用者之间建立系列化的通用规程，有些标准则可以通过准则的设置来确定某个产品是否可以在某些国家进行销售。在北美，标准主要由以下3个组织颁布： 美国国家标准化组织（American National Standard Institute，ANSI）。 电信工业联合会（Telecommunication Industry Association，TIA）。 工程技术协会（Engineering Institute Association，EIA）。,2双绞线的类别和特性 （1）3类双绞线 3类双绞线的最高传输频率为16MHz，最高传输速率为10Mbit/s，用于语音和数据传输。目前在计算机网络中3类双绞线已被5类和超5类双绞线替代。 （2）4类双绞线 该类双绞线的最高传输频率为20MHz，最高传输速率为16Mbit/s，可用于语音传输和数据传输。4类双绞线在以太网布线中应用很少，以往多用于令牌网的布线。,（3）5类双绞线 5类双绞线电缆使用了特殊的绝缘材料，使其最高传输频率达到100MHz，最高传输速率达到100Mbit/s，可用于语音和数据传输。 （4）超5类双绞线 与5类双绞线相比，超5类双绞线的衰减和串扰更小，可提供更坚实的网络基础，满足大多数应用的需求（尤其支持千兆以太网1000Base-T的布线），给网络的安装和测试带来了便利，成为目前网络应用中较好的解决方案。,（5）6类双绞线 6类双绞线的出现推动了千兆以太网的应用，在使用超5类双绞线连接千兆设备时距离只有25，而使用6类双绞线后可以达到100。 （6）7类双绞线 ISO在1997年9月开始准备制订7类双绞线标准，至2003年初相关草案已完成。标准制订机构和制造商正在考虑利用一种新型的铜缆系统，其带宽可以高达600MHz。,4.3 同 轴 电 缆,4.3.1 同轴电缆的结构 同轴电缆（coaxial cable）是由一根空心的圆柱网状铜导体和一根位于中心轴线位置的铜导线组成的，铜导线、空心圆柱网状导体和外界之间分别用绝缘材料隔开，如图4-4所示。,图4-4 同轴电缆的组成,4.3.2 基带同轴电缆,基带同轴电缆中传输的是未经调制的基带信号，包括数据信号和模拟信号。其中，用于计算机网络中的基带同轴电缆的特征阻抗为50。主要的型号有RG-8（或RG-11）和RG-58，其中RG-8称为粗同轴电缆（简称为粗缆），RG-58称为细同轴电缆（简称为细缆）；用于有线电视模拟信号传输中的基带同轴电缆的特征阻抗为75，其型号为RG-59。下面主要介绍基带同轴电缆在计算机网络中的连接方式。,1细缆的连接方式,图4-5 细缆网络连接拓扑图,在利用细缆连接计算机时，对连接设备及连接方法一般有以下要求： 具有BNC连接器的网卡，同时细缆的两端也要安装BNC连接器，如图4-6（a）所示。 BNC T形连接器，用于将节点接入到总线型网络，如图4-6（b）所示。 BNC桶形连接器，用于连接两段细缆。 BNC终端电阻器，如图4-6（c）所示，特征阻抗为50，安装在每个网段的两端，作用是削减信号的反弹，防止网络中无用信号的堵塞。,图4-6 用于细缆连接的各类BNC连接器,在使用细缆组建计算机网络时，需要注意以下的问题： 无中继最大网段长度为185m。 使用中继器时，最多可使用4个中继器连接5个网段，使网络直径达到185×5=925m。 每个网段支持的最大节点数约为30。 BNC T形连接器之间的最小距离为0.5m。 细缆网络具有以下的特点： 价格低廉。 网络抗干扰能力强。 网络维护和扩展比较困难。 由于总线的断点较多，将影响网络系统的可靠性。,2粗缆的连接方式,图4-7 粗缆网络连接拓扑图,网卡必须提供AUI接口，同时粗缆的两端也要安装AUI连接器。 每个节点都通过安装在总线上的收发器来与网络连接。 收发器电缆用于连接节点和粗缆。 在使用粗缆组建计算机网络中，需要注意以下的问题： 无中继最大网段长度为500m。 使用中继器时，最多可使用4个中继器连接5个网段，使网络直径达到500 × 5 =2500m。 每个网段支持的最大节点数为100。 收发器之间的最小距离为2.5m。,粗缆网络具有以下的特点： 网络抗干扰能力强。 具有较高的可靠性。 覆盖范围较广，最大距离可达2500m。 网络安装、维护和扩展比较困难。 组网成本较高。,4.3.3 宽带同轴电缆,75同轴电缆也称为宽带同轴电缆，可以采用频分复用技术在这种类型的电缆上传输信号。 在宽带同轴电缆上传输的是模拟信号，最大传输距离可以达到100km，其工作频率可达到300450MHz。在宽带同轴电缆上可以划分多个独立信道 由于采用频分复用技术，所以在同一根宽带同轴电缆上可以同时传输多路模拟和数字混合信号。,已开发和使用了两种类型的宽带系统：双缆系统和单缆系统。,图4-8 宽带同轴电缆网络拓扑结构,4.4 光 纤,光纤即光导纤维，是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质，一根光缆中包含有多条光纤。20世纪80年代初期，光缆开始进入网络布线。与铜缆（双绞线和同轴电缆）相比较，光缆适应了目前网络远距离传输大容量信息的要求，在计算机网络中发挥着十分重要的作用，成为传输介质中的佼佼者。,4.4.1 光纤的通信原理 光纤通信的主要组成部件有光发送机、光接收机和光纤，在进行远距离数据传输时还需要中继器。,图4-9 光纤通信系统的结构示意图,光纤通常由纯度极高的石英玻璃拉成细丝，主要由位于中心轴线上的纤芯和包裹在外面的包层组成。 其中纤芯用来传输光波，而包层用于保护进入纤芯的光波，其光的折射率应低于纤芯。 当一束光从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质的折射率可能不同，当光波从折射率高的介质进入折射率低的介质时，其折射角 应大于入射角，如图4-10（a）所示。当入射角大于某一临界值时，光波将全部反射回纤芯，如图4-10（b）所示。光波以某一确定的频率在纤芯与包层的交界面处进行反射，就会将光波不断传输下去，达到几千米甚至上百千米。,图4-10 光波在光纤中的传输情况,4.3.2 光纤的分类和特点,1单模光纤和多模光纤 在计算机网络中根据传输点模数的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤两种。 “模”也称为模式（mode），是指以一定角度进入光纤的一束光。,多束光波以不同的入射角（但必须大于临界值）进入同一条纤芯进行传输，这类光纤称为多模光纤。 光纤的直径减小到只允许一个波长的光波传输时，这时的光纤就如同一根波导体，光波在其中没有反射，而是沿直线传输，将这种光纤称为单模光纤。,多模光纤与单模光纤的主要区别如下所示： 单模光纤采用激光二极管（LD）作为光源，而多模光纤则采用发光二极管（LED）为光源。 多模光纤的芯线粗，传输速率低、距离短，整体的传输性能差，但成本低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中。 单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大、传输距离长，但需激光源，成本较高，通常在建筑物之间或地域分散的环境中使用。 单模光纤是当前计算机网络中研究和应用的重点。,2室内光缆和室外光缆 （1）室内光缆 室内光缆的抗拉强度较小，保护层较差，但质量较小且较便宜，主要用于建筑物内部的布线。 （2）室外光缆 与室内光缆相比，室外光缆的抗拉强度较大，保护层较厚重，并且通常为铠装（即金属皮包裹）。室外光缆主要适用于建筑物之间或广域网的远距离布线。,4.4.3 光纤通信的特点,与铜质电缆相比较，光纤通信明显具有其他传输介质无法比拟的优点，具体表现为： 传输信号的频带宽，通信容量大； 信号衰减小，传输距离长； 抗干扰能力强，应用范围广； 抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下的布线； 原材料资源丰富。 当然，光纤也存在着一些缺点：如质地脆，机械强度低；切断和连接技术要求较高等，这些缺点也限制了目前光纤的普及，尤其是实现光纤到桌面的连接。,4.5 无线传输介质,无线传输介质也称为非导向传输介质。随着技术的发展和各种应用尤其是移动通信需求的不断出现，传统的有线网络存在的弊端逐渐显现，并成为影响和限制网络应用的一个因素。无线通信系统的产生和应用，弥补了有线网络的不足，成为目前的应用和技术热点。,4.5.1 电磁波的频谱及其在通信中的应用,电磁波可承载的信息量与它的带宽相关。在当前技术条件下，当采用较低的频率时，每赫兹可以编码几个比特；当采用较高频率时，每赫兹的编码可以达到Gbit/s数量级。这也是为什么光纤能够成为目前网络传输介质中的佼佼者的一个重要原因（参见图4-12）。,图4-12 电磁波的频谱及其在通信中的应用,同时，ITU对波段的命名还进行相应的规范。例如，LF波段的传输范围为110km（对应于30300kHz）。LF、MF和HF分别指低频、中频和高频。更高的频段中的V、U、S和E分别是英文Very、Ultra、Super和Extremely的首字母，相对应频段分别称为甚高频、特高频、超高频和极高频，最高的一个频段中的T代表英文Tremendously。另外，在低频LF的下面还有几个更低的频段，如甚低频VLF、特低频ULF、超低频SLF和极低频ELF等，由于这些频段一般不用于通信，所以图中没有列出。,为了防止在使用无线介质频段时出现混乱，国际上和每个国家都有专门的组织和部门来负责管理这些频段。例如，（美国）通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）对广播、电视、移动通信和电话公司、警察、海上航行、军队和其他用户分配专门的频段就是为此。ITU-R专门负责全球的频段分配和管理工作，但是由于FCC并不受ITU-R的约束，所以一些固定频率的设备可能不能够在全球通用。,4.5.2 无线电传输,无线电波的特性与其频率有关。在VLF、LF和MF频段上，无线电波沿着地面传播 在HF和VHF频段上，无线电波会被地面吸收。这时，可以通过地面上空电离层的反射来传播。无线电信号通过地面上的发送站发送出去，当到达地面上空（距地球表面100500km）电离层时，无线电波被反射回地面，再被地面的接收站接收到,图4-13 无线电波传播方式,4.5.3 微波传输,1地面微波接力通信 为了实现微波的远距离传播，就需要在一条通信信道的两个端点之间架设多个微波中继站，中继站在接收到前一个中继站（或端点）的信号后，对其进行放大，然后再转发给下一个中继站（或站点），起到了信号的接力作用，所以将这种通信方式称为地面微波接力通信，如图4-14（a）所示。在地面上，当架设一个100m高的天线塔时，传播距离可增大到80km左右。,2卫星通信 微波通信的另一种方式是卫星通信。卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，转发无线微波信号，在多个地面站之间进行的通信，如图4-14（b）所示。,图4-14 微波通信方式,在计算机通信系统中，无线传输的最佳介质是微波。另外，在无线传输中还包括光波传输。光波传输一般分为红外线传输和激光传输两种。 近年来，随着技术的发展，红外线和激光也已应用到计算机之间的近距离、点对点的通信，或计算机与外设（包括如PDA、手持式移动电话机等个人移动设备）之间的数据传输。,