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1、光、电接口基本特性及波形光、电接口基本特性及波形传输硬件开发部 刘坚以太网的发展主要经历了 10M、100M、1000M 三个阶段(10G 未包括在内),其中涉及 的一些主要的介质规范列表如下:介质规范支持的电 缆类型支持的连 接器最大线缆长度工作方式编码方式10BASE-T2 对 5 类 以上 UTPRJ-45100m半或全双 工曼彻斯特100BASE-T44 对 3 类 以上 UTPRJ-45100m半双工8B/6T100BASE-TX2 对 5 类 以上 UTPRJ-45100m半或全双 工4B/5B-MLT3100BASE-T22 对 3 类 以上 UTPRJ-45100m半或全双 工
2、PAM55100BASE-FX2 根多模 光纤SC 或 ST 接头半双工 412m 全双工 2000m半或全双 工4B/5B1000BASE-SX2 根多模 光纤SC 或 ST 接头550m半或全双 工8B/10B1000BASE-LX2 根单模 或多模光 纤SC 或 ST 接头5000m半或全双 工8B/10B物理介质物理介质 OSI模型的第1层包含着介质和接口,最底层的通信就是在这里完成的。目前共有四种 基本的介质类型:同轴电缆、双绞线、光纤电缆和无线技术。各种介质都有其各自的特点, 适用于某特定类型的网络。最常用的是双绞线电缆;同轴电缆也很常用,但更主要应用在 原来的LAN中;光纤电缆通
3、常用于连接要求高速存取的计算机,以及在不同楼层和建筑物 间连接网络;无线技术用于使用电缆连接非常困难或非常昂贵的环境下。 通常说来,选择数据传输介质时必须考虑种特性(根据重要性粗略地列举):吞吐 量和带宽、成本、尺寸和可扩展性、连接器以及抗噪性。 这里我们主要介绍双绞线及光纤电缆。 双绞线电缆双绞线电缆 双绞线(TP)电缆类似于电话线,由绝缘的彩色铜线对组成,每根铜线的直径为0.4毫 米0.8毫米,两根铜线互相缠绕在一起。双绞线对中的一根电线传输信号信息,另一根被 接地并吸收干扰。将两根线缠绕在一起有助于减少干扰的影响。 双绞线电缆是目前局域网中最通用的电缆形式,它相对便宜,灵活且易于安装,同
4、时 在需要一个中继器放大信号前它能跨越更远的距离(虽然不如同轴电缆传的远)。双绞线 电缆能轻易地应用于多种不同的拓扑结构中,但更经常地是应用于星形和星形拓扑结构中。所有的双绞线电缆可以分为两类:屏蔽双绞线(STP)以及非屏蔽双绞线(UTP)。 1、屏蔽双绞线 屏蔽双绞线(STP)电缆中的缠绕电线对被一种金属箔制成的屏蔽层所包围,而且每 个线对中的电线也是相互绝缘的。 2、非屏蔽双绞线 非屏蔽双绞线(UTP)电缆包括一对或多对由塑料封套包裹的绝缘电线对。UTP没有 用来屏蔽双绞线的额外的屏蔽层。因此,UTP比STP更便宜,抗噪性也相对较低。下面是 UTP的标准: 1类线(类线(CAT 1):):
5、一种包括两个电线对的UTP形式。适用于话音通信,而不适用于数 据通信。最大传输速率20Kbps。 2类线(类线(CAT 2):):一种包括四个电线对的UTP形式。最大传输速率4Mbps。 3类线(类线(CAT 3):):一种包括四个电线对的UTP形式。在带宽为16MHz时,数据传输速 度最高可达10Mbps。3类一般用于10Mbps的Ethernet或4Mbps的Token Ring。 4类线(类线(CAT 4):):一种包括四个电线对的UTP形式。它能支持高达20Mbps的吞吐量, CAT 4可用于16Mbps的Token Ring或10Mbps的Ethernet网络中。并且与CAT 1、C
6、AT 2或 CAT 3相比,它能提供更多的保护以防止串扰和衰减。 5类线(类线(CAT 5):):CAT 5包括四个电线对,支持100Mbps吞吐量和100Mbps信号 速率。除100Mbps Ethernet之外,CAT 5电缆还支持其他的快速连网技术,例如异步传 输模式(ATM)。 增强增强CAT 5:即超五类UTP,CAT 5电缆的更高级别的版本。它包括高质量的铜线,能 提供一个高的缠绕率,并使用先进的方法以减少串扰。增强CAT 5能支持高达200MHz的信 号速率,是常规CAT 5容量的2倍。 6类线(类线(CAT 6):):包括四对电线对的双绞线电缆。每对电线被箔绝缘体包裹,另一层
7、箔绝缘体包裹在所有电线对的外面,同时一层防火塑料封套包裹在第二层箔层外面。箔绝 缘体对串扰提供了较好的屏蔽,从而使得CAT 6能支持的吞吐量是常规CAT 5吞吐量的六倍, 由于CAT 6是一种新技术且大部分网络技术不能利用它的最高容量,CAT 6目前很少用于当 今的网络中。 TP电缆的特性: 吞吐量:STP和UTP能以10Mbps的速度传输数据,CAT5 UTP以及在某些环境下的 CAT3 UTP的数据传输速度可达100Mbps。高质量的CAT5 UTP能以每秒1GB 的速度传输数 据。 成本:STP和UTP的成本区别在于所使用的铜线级别、缠绕率以及增强技术。一般来 说,STP比UTP更昂贵,
8、但高级UTP也是非常昂贵的。连接器:STP和UTP使用的连接器和数据插孔RJ45连接器。 抗噪性:STP具有屏蔽层,因而它比UTP具有更好的抗噪性。但是,在另一方面,UTP 以使用过滤和平衡技术抵消噪声的影响。 尺寸和可扩展性:STP和UTP的最大网段长度都是100米,即328英尺。它们的跨距小 于同轴电缆所提供的跨距,这是因为双绞线更易受环境噪声的影响。双绞线的每个逻辑段 最多仅能容纳1024个节点,整个网络的最大长度与所使用的网络传输方法有关。光纤光纤随着光通信技术的飞速发展,现在人们已经可以利用光导纤维来传输数据。人们用光 脉冲的出现表示“1”,不出现表示“0”。由于可见光所处的频段为1
9、08MHz左右,因而 光纤传输系统可以使用的带宽范围极大。事实上,目前为止的光纤传输技术使得人们可以 获得超过50,000GHz的带宽,而且今后还可能更高。当前实际使用的10Gbps限制是因为光/ 电以及电/光信号转换的速度跟不上。在实验室里,短距离可以获得100Gbps的带宽甚至更 高。今后将有可能实现完全的光交叉和光互连,即构成全光网络,到那时网络的速度将成 千上万倍地增加。 光传输系统由三个部分组成:光纤传输介质、光源和检测器。光纤传输介质是超细玻 璃或熔硅纤维。光源是发光二极管(Light Emitting Diode,LED)或激光二极管。这两种 二极管在通电时都发出光脉冲。检测器是
10、光电二极管,遇光时,它产生一个电脉冲。在光 纤的一端安装一个L E D 或激光二极管,另一端安装一个光电二极管,我们就有了一个单 向的数据传输系统。 光传输利用的是一个基本的光学原理,即任何以大于临界值角度入射的光线,在介质 边界都将按全反射的方式在介质内传播,而且不同的光线在介质内部将以不同的反射角传 播,我们可以认为每一束光线都有不同的模式。如果纤芯的直径较粗,则光纤中可能有许 多种沿不同途径同时传播的模式,我们将具有这种特性的光纤称为多模光纤(Multi-mode Fiber);如果将光纤纤芯直径减小到光波波长大小的时候,则光纤如同一个波导,光在光 纤中的传播没有反射,而沿直线传播,这样
11、的光纤称为单模光纤(Single-mode Fiber)。 光纤结构是圆柱形,包含有纤芯和包层,如图2-3-2所示。纤芯直径约575m,包层 的外直径约为100150m,最外层的是塑料,对纤芯起保护作用。纤芯材料是二氧化硅掺 以锗和磷,包层材料是纯二氧化硅。纤芯的折射率比包层的折射率高(这使得光局限在纤 芯与包层的界面以内向前传播)光纤的主要传播特性为损耗和色散。损耗是光信号在光纤中传输时单位长度的衰减, 其单位为dB/km。色散是到达接收端的时延差,即脉冲宽度,其单位是s/km。光纤的损耗 会影响传输的中继距离,色散会影响数据传输率,两者都很重要。自1976年以来,人们发 现1.3m和1.5
12、5m波长的光纤可以获得0.5dB/km至0.2dB/km的衰减率,0.85m波长的光纤 的衰减为3dB/km,多模光纤能使0.85m波长的光纤的色散从400m/km减至10m/km以下。 在1.3m的波长中,单模光纤的色散近于零,所以单模光纤在使用时,可以同时兼得低损 耗和低色散两项优点,无中继的距离可达50100km,数据传输率可达2Gbps以上。 单模光纤很昂贵,且需要激光光源,但其传输距离非常远,且能获得非常高的数据传 输率。而多模光纤相对来说传播距离要短些,而且数据传输率要小于单模光纤;但多模光 纤的优点在于价格便宜,并且可以用发光二极管作为光源。 光纤支持的十分高的带宽,因为它们仅仅
13、受光的高频光子特性的限制,而不受电信号 的低频特性限制。光纤通信的优点是频带宽、传输容量大、重量轻、尺寸小、不受电磁干 扰和静电干扰、无串音干扰、保密性强、原料丰富、生产成本低。因而,由多条光纤构成 的光缆已成为当前主要发展的传输介质。 编码编码我们前面提到的曼彻斯特、4B/5B 编码等都属于基带信号。编码的目的主要出于以下 几点考虑:1、便于同步定时信息的提取。数字通信中,为了保证接收端正确接收数字信号,接收 端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步。接收时钟一般是从接收数据中恢复出来 的,这就要求接收数据含有丰富的定时信息。而实际发送的数据有可能包含长串连续的0或 1码流,这是不利于同步
14、信息的提取的。因此需对数据进行编码,加入丰富的0、1和1、0跳 转。2、使传输码流平均直流电平为零,减小功率消耗。编码控制使传输码流的0电平个数和 1电平个数基本相等,此时直流电平为零,直流功率消耗最小。3、利用编码中的冗余信息(如4B/5B、8B/6T),可定义出帧起始、终止、控制等标志, 以及部分起到错误检测作用。下面介绍几种常用的编码方式:曼彻斯特曼彻斯特曼彻斯特编码较为简单,它在非归零码 Bit 的中间发生跳转,跳变规律为 1 电平由 1 到 0 的跳变替换,0 电平由 0 到 1 的跳变替换。4B/5B4B/5B 编码的示意流程如下。源端将数据中的每 4bit 以 5bit 来进行编
15、码。编码后的串 行数据在信号线上传输到目的端后,再经 4B/5B 解码恢复出原始数据。4B/5B 编码的效率为 80%,有效码元中最多出现三个连续的 0,累积下来的直流电平 偏移与额定直流电平相比正负不超过 10。4B/5B 编码有利于交流耦合及同步时钟的提取, 一般用于 FDDI 和 100M 以太网。以下为 4B/5B 的编码表。1 1 1 0 0 0 CLOCK NRZ 曼彻斯特曼彻斯特 8B/10B 8B/10B 编码的示意图如下所示。由图中可看出,8B/10B 编码实际上是由 5B/6B 和 3B/4B 两种编码方式组合而成。8B/10B 编码一般用于 1G、10G 以太网的光纤通道
16、编码, 具有以下优点:8B/10B 编解码器易实现、性能稳定,性价比高;直流电平均衡,任意码流序列中直流电平的偏移度小;含有丰富跳变信息,便于同步时钟的恢复;含有有效的错误检测机制。其它编码方式不再一一详述,有兴趣可参阅相关资料。连接器连接器 早期的共享式同轴以太网使用的连接器为 BNC-T 型连接器,连接头安装在同轴电缆 两端,连接器连接两个网段。T 型连接器示意图如下:使用双绞线的介质规范使用的连接器为 RJ45,这是使用最为普遍的一种连接器,其简 单示意图如下:PHY BNCGND5/12VGNDBNC TXRXCD9VT RJ45 PHY TXRX 光纤介质所使用的光连接器种类就较多了,最常用的为 ST 和 SC 连接器。ST 连接器 采用可快速分离的卡口,接合和分离连接器只需转动四分之一周即可。这种连接器