网络设备的电气特性(一)

第一篇主要说的是传输介质,第二篇主要讲交换机。内容基本总结自《网络系统集成与工程设计》这本书,很实用,之前关于网络电气特性的很多不明白的问题都从本书找到了答案。配图来源与互联网,都是 Google 出来的,如有版本问题,请联系 jaseywang 的 gmail 点 com。

目前主要使用的线缆就两种,一种是双绞线,就是大家俗称的网线;还有一类是光缆。
双绞线是由 8 对相互绝缘的铜芯线相互绞合在一起形成的,8根铜线分为 4 对,每两根为一对,按照规定的密度相互缠绕,同时,4 对线之间也按照一定的规定相互缠绕。
按照是否有屏蔽曾划分,可分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线;按电气特性分为五类、超五类、六类和七类双绞线。
光缆由成束的光纤组成,使用玻璃丝为介质,通过光信号进行传输,由于不是电信号,因此信息在传输过程中不会受到电磁干扰。

除了上面两种,还有种是电磁波,就是一般的无线设备,这个不在此涉及。

目前的网络拓扑无非是总线型的(bus)、星型的(star)、树型(tree)、网状(mesh)型以及环型(ring)的。除了第一个在生产系统中不会使用外,其余的都会有所涉及。
星型的在接入层的底层网络中使用的比较多
树型的即核型交换机作为根,然后汇聚曾的交换机最作为主干,而普通的接入层交换机作为枝干,最后就是服务器的叶子节点了
网状型的其实是上面几种拓扑的一个组合,但是有很高的冗余性,同样的技术维护以及费用成本也会成倍的增加
环型的是将所有的路由设备连成一个环,这个要求比上面的更高

除了上面几种之外,还有一些其他的连接方式,可以看这张图:

对于网络的传输模式,大致分为以太网(Ethetnet)、ATM 以及 FDDI 这三种。
以太网标准是由 Xerox、Digital、Intel 制定的。根据传输速率不同,分为以太网、快速以太网、千兆以太网以及万兆以太网。以太网使用 CSMA/CD 也就是 IEEE 802.3 标准来进行网络通信。优点很明显,易于管理;而确定则是网络中用户较多时,容易产生碰撞,因此需要划分网段,隔离广播域。
ATM 主要是适用于广域网,这个在电信运营商那边比较多,并且 ATM 交换机费用昂贵,因此使用的相对比较少。
FDDI(Fiber Distributed Data Interface) 使用的是双环的拓扑,上面图中的右边第二幅图也有提到,一个通道用于传输,一个通道用于备份,当然工程造价也不菲,除大型网络主干会用到,一般的互联网公司很少会用到。

下面主要介绍以太网的相关技术标准。所有类型的以太网标准都是在 IEEE (Institute of Electrical & Electronic Engineers) 802.3 标准上发展完善起来的。

一、10Mb/s
传统的以太网 10Mb/s 主要有如下 4 种标准。
10Base-5:粗缆网线,最长 500m
10Base-2:细缆网线,最长 185m
10Base-T:双绞线,最长 100m,使用三类以上的(非)屏蔽双绞线
10Base-F:光纤主干,最远 4km,使用 1 对多模光纤传输

快速以太网使用 802.3u 标准,主要有下面两种。
100Base-TX:最长 100m,采用五类及以上的(非)屏蔽双绞线,使用其中的 2 对(1/2 线和 3/6 线)进行传输
100Base-FX:光缆,1 对多模,最长 2km;1 对单模,最长 40km

二、 1Gb/s
千兆以太网主要有两个标准,一个是 IEEE 803.3z(1000Base-LX, 1000Base-SX, 1000Base-LH, 1000Base-ZX, 1000Base-CX),还有一个是 IEEE 802.3ab(1000Base-T)。
1000Base-LX:既适用于多模,也适用于单模,主要用在园区网络的骨干链接,可使用如下规格的光纤:
62.5 μm: 多模(MMF, Multi Mode Fiber),全双工下最长 550m
50 μm: 多模,全双工下 1550m
9 μm:单模(SMF, Single Mode Fiber),全双工下 5-10km

注:多模和单模从外观比较难以区分,不过一般情况下,单模的外套为黄色,多模的外套为橙色。

1000Base-SX:仅适用于多模,主要用在网络骨干的连接,可使用的光纤规格:
62.5 μm: 多模,全双工最长 275m
50 μm: 多模,全双工最长 550m

1000Base-ZX:仅适用于单模,使用 9 μm 单模光纤时,全双工最长为 70-100km

1000Base-LH:既适用于多模也适用于单模,波长一般为 1300nm(波长越长,传输距离越远)。光纤规格如下:
62.5 μm: 多模,全双工下最长 550m
50 μm: 多模,全双工下 1550m
9 μm:单模,全双工下 10km

1000Base-T:使用超五类及其以上的屏蔽或非屏蔽双绞线,传输距离为 100m。与 100Base-TX 不同,1000Base-T 使用了全部的 4 对线,每个绕对上传输 250Mb/s,工作在全双工模式。

1000Base-T 为以太网/快速以太网提供了一种比较廉价简单的方案,它完全兼容原有的以太网以及快速以太网,实现 10/100/1000Mb/s 自适应;同时有更高的性价比,在 100m 以内的传输距离时,1000Base-T 显然比 1000Base-SX 更具有价格优势。

 

注:超五类以及六类双绞线可轻松实现 1000Base-T,但五类双绞线上需要特殊的设备,因此不建议在五类双绞线上升级。

三、10Gb/s
万兆以太网主要有 802.3ae(10GBase-LR, 10GBase-SR, 10GBase-ER, 10GBase-LX4, 10GBase-EW, 10GBase-LW, 10GBase-SW 等多种类型)、802.3ak(10GBase-CX4)、802.3an(10GBase-T)、802.3aq(10GBase-LRM) 等标准。
IEEE 802.3an 制定了 10GBase-T 标准,即运行在双绞线上的万兆以太网标准。使用六类线的最长距离为 37m,这个还不够。需要注意的是,万兆以太网只能在全双工模式下运行,这使得万兆以太网失去部分以太网以及千兆以太网的特征。DELL 12G 产品的 10G Intel 系列的网卡就是跑在 10GbE Base-T 上的,Broadcom 的则是在 SFP+ 上的。

对于无线来说,标准主要有 802.11b, 802.11g, 802.11a, 802.11n。这个在这里也不展开了。

接下来是网络传输介质的总结。跟上面一样,分为双绞线和光缆。

一、双绞线
双绞线(Rwist-Pair)是一种很廉价并且性能优良的传输介质,这个在 IDC 中也是使用最广泛的。性能指标包括衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电容等,这个比较偏向电气方向,不做介绍。
按照绝缘层外部是否有金属屏蔽曾,可以把双绞线分为屏蔽的和非屏蔽的,在区分的时候,可以通过观察外保护套内是否有铝锡包裹进行判断。
非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair ,UTP) 由多对双绞线和绝缘材料(PVC)等直接构成,这个是应用最广泛的。

注:每对线在每英寸长度上相互缠绕的次数决定了其抗干扰的能力和通信质量,缠绕的越紧密,通信质量越高,可支持的越高的传输速率,成本也越高。

屏蔽双绞线就是在护套内,甚至在每个绕对外面增加一层金属屏蔽层,以提高抗电磁干扰能力。其又分为几种,如下表。

下图分别为 F/UTP(FTP, Foil Twisted Pair) 以及 S/FTP(Shielded/ Foil Twisted Pair) 以及 STP(S/FTP) 的图片



按照 UTP < FTP < STP 的顺序,价格越高,抗干扰能力越强,保密性越好,信号衰减越小。
目前,大多数的应用都是 『非屏蔽双绞线 + 光纤』的混合部署方式,六类、七类除外。

除了传统的语音系统还使用三类线之外,目前主流的为超五类以及六类非屏蔽双绞线。如果对传输速率以及安全性要求比较高,可以选择七类的双绞线。
超五类(Enhanced Category 5, CAT5e)双绞线是对原有的五类双绞线的部分性能的改进,传输带宽跟五类相同,都为 100MHz,主要应用于 100Base-T 以及 1000Base-T 的网络。超五类的采用 4 个绕对以及 1 条抗拉线(剥皮拉绳)组成,颜色跟五类一样,白橙、橙、白绿、绿、白蓝、蓝、白棕、棕。下图分别是 cat5e UTP 以及 cat5e FTP。


六类双绞线(CAT 6) 的各项参数都有提高,带宽也提升至 250MHz,与广泛使用 RJ-45 兼容,其外形跟 CAT5e 有一定差别,增加了绝缘层的十字骨架,并加双绞线的 4 对线分别置于十字骨架的 4 个凹槽内。下图为 CAT6 UTP 的结构。

对于 10G 的支持,IEEE 最初有 CAT6e 以及 CAT6a,而 CAT6a  能够在 100m 的线路上实现 10Gb/s 的速率,而 CAT6e 已经慢慢淡出市场,CAT6a 目前一枝独秀。下图分别为 CAT6a 的 UTP 以及 FTP 的样子



七类(CAT7)加入了信号屏蔽功能,每对双绞线上都加上了金属屏蔽材质包裹,属于屏蔽双绞线。与 CAT5e 以及 CAT6a 相比,CAT7 具有如下优势:
带宽高。七类分为 RJ 型结构以及非 RJ 接口两种,RJ 的最低带宽为 600MHz,而非 RJ 的高达 1.2GHz。
成本低。光纤的传输性能能达到非 RJ 的水平,但是成本远高于七类。

由于 CAT7 网线非常粗,布线难度较高,成本也相对比较高昂,因此目前主流是以 CAT6a 实现 100m 10Gb/s 的要求。下面这个是 CAT7 的一张示意图。

RJ 接口的水晶头同样分为非屏蔽以及屏蔽两种,以分别满足两种线的需求,大部分时候看到的是普通的也就是非屏蔽的 RJ-45 连接器,在 IDC 能看到屏蔽的 RJ-45,该连接器同样带有金属屏蔽层,如下图。

二、光纤与光缆
光纤(Fiber)是利用光在纤维的全反射原理制作而成的传输介质。『光进铜退』已成为业界共识,敷设 1000km 的超五类双绞线大约需要 100t 的铜(不可再生),而改用光纤几乎没成本,仅仅是几公斤的石英,也就是沙土。另外光纤在传输过程中由于没有电磁波的干扰,因此传输衰减小,保密性强,极大的传输带宽。

通过光纤传输的每一条光束称为一个模,因此光纤主要分为多模以及单模,单模(SMF, Single Mode Fiber)直径小,在给定的工作波长上只能传输一路信号,传输带宽很大。而多模光纤(Multi Mode Fiber)比单模粗,可供足够大的空间供多束光线在光纤内传播,但是由于存在色散问题,与单模比,其性能较差,费用相对也比较低。

多模光纤根据其包层的折射率进一步分为折射突变型光纤和折射渐变型光纤。渐变型的可以让模更统一的到达对端。其图示如下。

目前市场上最常见的就是 62.5μm/125μm 的多模渐变光纤,有时也用 100μm/125μm 和 100μm/140μm 规格的光纤。当距离大于 2km 时可使用单模光纤。

在安装光纤时,需要以低损耗的方式把光纤相互链接起来。基本分为永久性的和活动性的,前者可以通过熔接法、粘接法或固定连接器来实现;后者则采用活动连接器实现,一般的边缘网络的连接都是属于活动性的,而永久性的需要专业的网络公司完成。

光纤活动连接器俗称接头,用于连接两根光纤或者光缆,与双绞线不同的是,光纤连接器具有许多不同的类型,不同类型之前无法兼容。按照结构的不同,光纤连接器可以分为 SC(Subscriber Connector), ST(Straight Tip), LC(Lucent Connector), FC(Fiber Connector), MU(Miniature Unit Coupling), MT-RJ(MT Register Jack) 等。

1. SC 型
此连接器价格低廉,插拔操作方便,抗压强度高。

2. ST 型
适用于各种光纤网络,广泛应用于于光纤配件。

3. LC 型
LC 型的由 BELL 研发,插针和套筒的尺寸为 SC、FC 的一半。目前以占据了主导地位。

4. MT-RJ 型

5. FC 型

6. MU 型

7. VF-45 型

下面这张图对比了各个连接器的外形。

SFF(Small Form Facotr)与传统的 SC/FC 相比,接口尺寸小了一半,使网络设备的密度倍增,目前 SFF 的 LC, MT-RJ, VF-45 应用的比较多,尤其是 LC,其他的则相对较少。
关于传输的距离,具体的前面已经总结过了,简单的记忆:双绞线 100m,多模 500m,单模 2000m。