有线传输介质-计算机网络技术基础

1.双绞线

（1）双绞线的结构。

双绞线（Twisted Pair-wire）是一种使用最广泛、价格低廉的传输介质，一般由一对或多对绝缘铜导线组成（如八条线组成四个线对），每两根具有绝缘保护的铜导线以一定的绞距均匀地绞合在一起组成一个线对。线对螺旋绞合的目的是为了减少信号传输中串扰及外部电磁干扰影响。由电路原理可知，这种结构使得每一对导线两线之间在传输中辐射出来的电磁波大小相等、方向相反，相互抵消。同理，外电路在它上面产生的干扰信号也互相抵消。双绞线的抗干扰能力取决于线对的绞合密度及适当的屏蔽。绞合密度越高，抗干扰能力越好，数据传输速率越高。

不同绞合密度的双绞线如图2—6所示。

图2—6　不同绞合密度的双绞线

（2）双绞线的应用场合。

双绞线既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号，比较适合短距离传输。计算机网络用它作为传输介质时，其数据传输距离最大是100m。双绞线最适合用于局部网络内点对点之间的设备连接，一般用于星形网络结构的布线。每条双绞线电缆的两端都安装有RJ—45连接器（也称为水晶头，如图2—7所示），RJ—45连接器可以插到网卡和集线器/交换机的RJ—45端口上。双绞线的价格低于其他传输介质，安装、维护方便，所以得到广泛的应用。

图2—7　RJ—45连接器

（3）两种类型的双绞线。

目前，在局域网中所使用的双绞线分为无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）两种，如图2—8所示。

图2—8　两种类型的双绞线

①屏蔽双绞线STP。外层用铝箔屏蔽以减少干扰和串音。屏蔽双绞线按屏蔽层设置的不同又分为外层屏蔽双绞线和全屏蔽双绞线。它比非屏蔽双绞线具有更好的电磁屏蔽和抗干扰性能，因而具有较高的传输速率。

②非屏蔽双绞线UTP。双绞线外没有任何附加屏蔽。

（4）双绞线的特性。

①物理特性。双绞线一般是铜制的，能够提供良好的传导率。

②传输特性。可用于不同的通信场合，提供不同的通信带宽。

③连通性。普遍用于点到点连接，两端采用RJ—45接头连接方便、牢固可靠。

④地理范围。可以在1 00m范围内提供数据传输。

⑤抗干扰性。在低频传输时，双绞线的抗干扰性能相当于同轴电缆；在高频传输时，双绞线的抗干扰性能比同轴电缆要差。

⑥UTP电缆价格便宜，布线和安装容易，非常适合于楼宇内部的结构化综合布线系统；STP电缆价格相对于UTP稍贵，类似于同轴电缆，它必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术，因此布线和安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难，一般在某些特殊场合，如电磁干扰和辐射严重、对传输质量有较高要求时使用。

（5）UTP双绞线的等级。

1991年，两个标准化组织TIA（电信工业协会）和EIA（电子工业协会）联合开发了对双绞线的规范说明——TIA/EIA 568标准，并继续为新的以及改进的传输介质修订国际标准。TIA/EIA 568标准将双绞线电缆分为若干类。由于UTP的成本低于STP，所以使用更广泛。UTP按性能分，目前广泛应用的有六个不同的等级（Category 1～6，通常“Category”简写成“CAT”），级别越高，性能越好。

①1类UTP（CAT 1）。主要用于话音通信的电话连接，通常不用于数据传输。

②22类UTP（CAT 2）。通常用在程控交换机和告警系统。2类UTP的最高带宽为1MHz，很少用于计算机网络中。

③3类UTP（CAT 3）。最大带宽为16MHz，曾广泛用于10Mb/s双绞线以太网和4Mb/s令牌环网的安装，也能运行于16Mb/s的令牌环网。

④4类UTP（CAT 4）。最大带宽为20MHz，其他特性与3类UTP完全一样，能更稳定地运行于16Mb/s令牌环网，但在实际应用中不多。

⑤5类UTP（CAT 5）。又称为数据级电缆，包括四个双绞线对，它的带宽为100MHz，能够运行于100Mb/s以太网和FDDI网络。5类UTP的阻抗为100Ω。5类UTP已被广泛应用多年。

⑥超5类UTP。它含有高质量的铜线，采用较高的缠绕率。超5类UTP能支持高达200MHz的信号速率，是常规5类UTP容量的2倍，目前广泛应用。

⑦6类UTP（CAT 6）。较新型的双绞线电缆，最大带宽可以达到1000MHz，适用于千兆以太网内低成本的连接。

⑧超6类UTP。它是6类UTP的改进版，主要应用于千兆位网络中，在传输频率方面与6类UTP一样，只是在串扰、衰减和信噪比等方面有较大改善。

在目前网络的实际应用中，100MHz连接最常使用的网络线缆是超5类UTP，它的综合成本相对较低，而且能够提供较高的数据传输速率，施工的难度也不大，是目前选用最多的一种线缆。对于1000MHz连接，可以采用6类UTP也可以采用光纤。6类UTP的典型连接距离也为100m。

双绞线技术还在不断进步，标准制定机构和制造商已开发出7类UTP。它主要是为了适应万兆位以太网技术的应用和发展，采用这种系统可以极大地扩展局域网的功能。7类UTP只基于屏蔽电缆，每一对线都有一个屏蔽层，四对线合在一起还有一个公共大屏蔽层。从物理结构上来看，额外的屏蔽层使得7类UTP的线径较大，并且其连接模块的结构与目前的RJ—45完全不兼容，它通常采用非RJ接口。从7类UTP开始，布线历史上出现了“RJ型”和“非RJ型”接口的区分。

（6）双绞线的连接标准。

为了便于安装使用，双绞线电缆中的每一双绞线对都按一定的色彩标识。双绞线的连接标准有两个，分别是TIA/EIA 568A标准和TIA/EIA 568B标准，我国采用TIA/EIA 568B标准。两种标准如表2—1所示。

表2—1　双绞线的连接标准

（7）双绞线的连接方法。

双绞线的连接方法有直通线和交叉线两种，如图2—9、图2—10所示。

图2—9　直通线

①直通线。双绞线两端与水晶头的连接使用相同标准，均为TIA/EIA 568A或均为TIA/EIA 568B。

图2—10　交叉线

②交叉线。双绞线两端与水晶头的连接使用不同标准，一端使用TIA/EIA 568A标准，另一端使用TIA/EIA 568B标准。这样，一端的1、2线序发送双绞线对正好与另一端的3、6线序接收双绞线对相对应。

（8）双绞线连接线的选用。

①交叉线用于同类设备相连，如交换机—交换机（普通端口）、HUB—HUB（普通端口）、计算机—计算机、计算机—路由器等。

②直通线用于不同类设备相连，如计算机—交换机（含三层交换机）、交换机—路由器、交换机—交换机（级联端口）等。

说明：

①有些设备，如交换机，端口内部已考虑了兼容不同方式连线的问题，根据连接线类型内部可自动切换。

②当交换机或HUB有LTLINK上联端口时，该端口已经为级联做了考虑，可以利用直通线通过UPLINK端口与上级交换机连接。如果采用交叉线，可以直接将两个UPLINK端口或两个普通端口相连，如图2—11所示。

图2—11　采用直通线或交叉线连接交换机

2.同轴电缆

（1）同轴电缆的结构。

同轴电缆（Coaxial Cable）是早期局域网中应用广泛的一种传输介质，其结构如图2—12所示。它由绕同一轴线的内、外两个导体组成，内导体为单股或多股铜导线，呈圆柱形的外导体（也称外屏蔽层）通常由编织铜丝线组成并围裹着内导体，内、外导体之间使用等间距的绝缘材料来隔离，外导体再用塑料外罩保护起来。外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，既可防止中心导体向外辐射电磁场，也可防止外界电磁场干扰中心导体的信号，因而同轴电缆具有较好的抗干扰性能。因芯线与网状外导体同轴，故名同轴电缆。

图2—12　同轴电缆的结构

同轴电缆四层结构从里向外分别是：

①内芯。金属导体，用于传输数据。

②绝缘层。用于内芯与屏蔽层间的绝缘。

③屏蔽层。金属导体，用于屏蔽外部的干扰。

④塑料外套。用于保护电缆。

一般同轴电缆应用于总线型拓扑结构，并且在两端各加上50Ω的终端匹配电阻以避免信号反射，但是采用同轴电缆的网络当有一处断开时，则整个网络瘫痪，不便于隔离故障域。

（2）同轴电缆的类型和技术标准。(www.chuimin.cn)

同轴电缆分为基带（Baseband）和宽带（Broadband）两种，基带同轴电缆又分为粗缆和细缆两种，如表2—2所示。

表2—2　基带同轴电缆的类型和技术标准

注：lin=2.54cm。

（3）同轴电缆特性。

①物理特性。同轴电缆的物理特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数与机械尺寸决定。单根同轴电缆的直径为0.5～1cm。

A.阻抗为50Ω的粗同轴电缆RG—8或RG—11，用于粗缆以太网。

B.阻抗为50Ω的细同轴电缆RG—58A/U或C/U，用于细缆以太网。

C.阻抗为75Ω的电缆RG—59，用于有线电视CATV。

粗缆的抗干扰性能好于细缆，但因为需要通过AUI收发器连接，所以组网的成本较高，安装比较复杂；而细缆比粗缆柔软，并且价格低，安装相对粗缆容易，在局域网中曾广泛使用。

②传输特性。根据同轴电缆的带宽的不同，它可以分为两类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。

A.基带同轴电缆。特性阻抗为50Ω（如RG—8、RG—58等），仅用于基带方式传输数字信号，无须调制，采用曼彻斯特编码，最高传输速率为10Mb/s。

B.宽带同轴电缆。特性阻抗为75Ω（如RG—59），带宽可达300～500MHz，可用于模拟信号和数字信号的传输。它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆，目前在有线电视中广为采用。在这种电缆上传送的信号采用了频分多路复用的宽带传输方式，故75Ω同轴电缆又称为宽带同轴电缆。

③连通性。同轴电缆既支持点对点连接，也支持多点连接。

④地理范围。基带同轴电缆使用的最大距离限制在几千米范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十千米。但是在10BASE—5粗缆以太网中，单段同轴电缆传输距离最大限制为500m，在1OBASE—2细缆以太网中，单段同轴电缆传输距离最大限制为185m。

⑤抗干扰能力。同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强，优于双绞线。

⑥价格。同轴电缆的造价与安装费用介于双绞线与光纤之间。

⑦同轴电缆缺点。电缆硬，弯曲困难，重量大，不适合用于楼宇内的结构化布线。

目前，双绞线和光纤作为两大主流有线传输介质已被广泛使用，同轴电缆已基本被淘汰。

3.光纤

（1）光纤的特性。

光纤（Optical Fiber）是一种传送光信号的介质，依靠光波承载信号，用光脉冲的出现表示“1”，不出现表示“0”。光纤传输过程如图2—13所示。

图2—13　光纤传输过程

光纤通信在最近短短的20年中获得了迅猛的发展，它具有以下突出优点：

①物理特性好。光纤是一种直径为5～100µm且柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤具有最低的传输损耗，传输性能最好。在折射率较高的单根光纤外面，用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道。多条光纤可组成一条光缆。

②传输特性好。光纤的传输带宽很宽，因而数据传输速率极高，通信容量大，仅受光电转换器件转换速度的限制，目前已有大于1000Gb/s的光纤通信系统。光纤的最佳传输波长可分为三个范围（称为波长窗口）：0.85µm波长区（0.8～0.9µm）、1.3µm波长区（1.25～1.35µm）和1.55µm波长区（1.53～1.58µm）。

每一根光纤任一时刻只能单向传输数字信号，因此，要实现双向通信必须成对使用。

③传输距离长。传输损耗小，不使用中继器传输距离即可达数千米至上百千米以上，信号的传输距离比传送电信号的各种网线要远得多，适合长距离传输。

④抗干扰性和保密性好。光纤不受电磁干扰影响，抗干扰性能极好，本身也不产生辐射信号，即使在同一光缆中，各光纤间也几乎没有串扰。光纤的这种优点是由其内在的物理特性所决定的。它传输的是光子，而光子不互相影响。所以它传输的信号不产生电磁泄漏，不易被窃听，保密性能好，是构建安全性网络的理想选择。

⑤抗化学腐蚀能力强，使用寿命长，适应环境温度范围宽。

⑥节约金属材料，有利于资源合理使用。光纤的原材料为沙子，原料丰富，取之不尽。

⑦光纤通信不带电，使用安全，可用于易燃、易爆场所。

⑧重量轻，体积小，铺设容易。

但是光纤也存在一些缺点，这就是光纤的接头、分岔比较困难。由于光纤的接头必须熔接，切断并将两根光纤精确连接需要专用设备光纤熔接机，所需要的技术要求较高。另外，光纤质地脆，机械强度低，工程中用的光缆需要通过加强元件保护。光纤本身成本并不高，但光电接口价格较贵，分路、耦合较麻烦，这些缺点在一定程度上限制了光纤的普及和应用。但随着光通信技术的发展，这些缺点正在被克服。

目前光缆主要是用于主干线路之间的连接，但随着千兆位局域网络应用的不断普及和光纤产品及其设备价格的不断下降，光纤连接到桌面也将成为网络发展的一个趋势。随着技术的进一步成熟，光纤通信系统会朝着大容量、远距离、全光化和超小型方向发展，将会在未来的信息社会中占据越来越重要的位置。

（2）光纤的类型。

将一束光以一定的角度进入光纤称为一个模式（Mode）。根据使用的光源和光波的传输模式，光纤主要分为两种：多模光纤和单模光纤。

①多模光纤（如图2—14所示）。采用普通发光二极管LED（Light Emitting Diode）产生用于传输的光脉冲，当光纤芯线的直径比光波波长大很多时，由于光束进入芯线中的角度不同而传播路径也不同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播。由于多模光纤中有多个传输路径，每个路径的长度不同，通过光纤的时间也不同，这会导致光信号在时间上出现扩散和失真，限制了其传输距离和传输速率。多模光纤的传输距离一般在2km以内，多用于同一办公楼或距离相对较近的区域内的网络连接。

图2—14　多模光纤

多模光纤的中心玻璃芯相对较粗，一般为50µm或62.5µm。在对光纤进行标注时经常将其纤芯直径与覆层直径标注在一起，比如纤芯为62.5µm的单模光纤表示为62.5/125µm，斜杠前面的数值是纤芯的直径，斜杠后面的数值是覆层的直径。

②单模光纤（如图2—15所示）。采用注入式激光二极管ILD（Injection Laser Diode）作为光源，激光的定向性很强。单模光纤的芯线很细，一般仅为10µm左右，进入纤芯中的激光束以单一的模式无反射地沿轴向直线传播，这是与多模光纤最大的区别。由于单模光纤只有一个传输路径，色散很小，所以损耗小。在相同传输速率情况下，单模光纤比多模光纤的传输距离长得多。目前，单模光纤不必采用中继器可传输数十千米至数百千米以上。由于单模光纤芯非常细，加工起来比多模光纤复杂，对光源的要求较高，所以单模光纤传输系统的价格要高于多模光纤传输系统。

图2—15　单模光纤

在目前情况下，短距离通信多采用价格相对较低的多模光纤，如校园网的骨干线路。远距离、高速率的广域网通信主干信道一般采用单模光纤，它能够提供比较好的通信效果，但综合成本要比多模光纤高很多。

单模光纤与多模光纤的比较如表2—3所示。

表2—3　单模光纤与多模光纤的比较

（3）光纤传输系统的组成。

光纤传输系统主要由三部分组成：光发送器、光纤线路和光接收器。发送端的光发送器利用电信号对光源进行光强调制，从而将电信号转换为光信号；光信号经过光纤线路传输到接收端，光接收器通过光电二极管再把光信号还原成电信号，如图2—16所示。

图2—16　光纤传输系统的组成

（4）光缆。

为了使光纤在工程中实用化，能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用，还要使其具有一定的机械强度才能达到性能稳定。因此，实用中要将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。

①光缆的结构。光缆主要由缆芯、加强元件和护套组成，如图2—17所示。

图2—17　光缆的结构

A.缆芯。缆芯是由光纤芯组成的，它可分为单芯和多芯两种。

B.加强元件。由于光纤的材料比较脆，容易断裂，所以在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件，一般为钢筋。

C.护套。光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用，避免受外部机械力和环境损坏。

②单芯光缆，如图2—18所示。

③多芯光缆，如图2—19所示。

图2—19　多芯光缆

随着用户和网络设计者越来越关注电磁干扰/射频干扰、带宽、链路距离、数据安全性和网络故障等问题，光纤成为满足上述要求的最佳介质。光纤随着传输容量的增加，使得相对造价直线下降，逐渐成为有线传输介质的主流。人们普遍认为，20世纪曾经是电网络的时代，21世纪将会是光网络的时代。