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計算機網絡長距離布線時雙絞線的非標準應用
摘 要：在計算機網絡中，當雙絞線過長、質量太低或布線工藝較差時，網絡往往無法連通。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行了理論分析。
關鍵詞：網絡工程；雙絞線；傅里葉公式；Internet
Non-standard Applications of Twisted-pair in Long Distance
Distribution for a Computer Network
Keywords：network engineering；twisted-pair；Fourier formula；Internet
一般來說，計算機網絡布線系統采用何種線纜，需要根據實際的需求和線纜的相關使用標準來進行選擇。例如：按照以太網（IEEE802．3系列）標準，如果主機與網絡設備之間的距離超過100 m，就不應使用雙絞線布線。但是在實際的網絡設計中，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備”或“臨時性機構，沒有必要使用昂貴的線纜”，使我們面臨難以抉擇的境地。
本文主要討論當距離超長時，在工程實際中是否可以非標準的使用雙絞線布線。
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，下面將分別進行分析。
1 以太網中最短幀長對線纜長度的限制
以太網絡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：當某計算機（如：主機A）以廣播的形式發送某幀時，在發送的過程中一直檢測信道，通過比較發出信號是否與檢測到的信號一致，決定發出的幀是否和其他計算機（如：主機B）發出的幀產生了沖突，如果A主機在發送某幀的過程中沒有檢測到沖突，就認為這一幀發送成功。
但是，如果幀與鏈路的沖突域相比太短，就會發生圖1中“沖突檢測”失敗的情況。
如圖1（a）所示，主機A發出一幀，由于幀長與鏈路的沖突域相比較短，在發送的過程中沒有檢測到沖突，認為此幀已經發送成功。
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B主機。
如圖1（c）所示，由于主機B還沒有檢測到主機A發出的幀，所以有可能也發出一幀。在主機A發出幀時間τ后，在主機B處發生了沖突。
如圖1（d）所示，沖突的信號需要再經時間τ才能到達主機A。
結果：主機A認為這幀已經發送成功，但實際上此幀在主機B處發生了沖突，“沖突檢測”失敗。
所以每幀必須至少可以持續發送2τ時間（即經過2τ時間后此幀還沒有發送完），這樣才能保證“沖突檢測”機制的成功。
τ的大小由網絡協議標準定義，當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，并且網絡設備大多為物理層的設備（如：中繼器，HUB），他無法擺脫以太網的多主機共享鏈路方式（CSMA／CD）的本質所造成的限制。
但實際上，一條雙絞線內有8根線纜可供使用，并且數據鏈路層的設備（如：交換機）的價格大大下降�，F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，并將網絡接口設備的工作模式設置為全雙工。這樣每個主機在收和發的方向都有了一個專用的信道，不再需要CSMA／CD，也就沒有了沖突域對線纜長度的限制。所以以太網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協議（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對網絡線纜長度的限制。
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。而布線要求總阻抗不能大于19Ω。所以200 m以內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
根據傅里葉級數公式：
任何持續的數據信號，都可以被分解為正弦和余弦函數的n次諧波。
在計算機局域網中，使用雙絞線進行基帶傳輸［1］（即數字信號不經過任何調制，而是只經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行分解，變換為諧波后再進一步研究。
如圖2所示［2］，當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量越多，則接收設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量下降。
下面按照4種不同假設情況進行推導并得出結論。
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