以太网光、电接口基本特性.doc

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（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（CAT 1）：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（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（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（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、CAT 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（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（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，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108MHz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1.55m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1 1 1 0 0 0 CLOCK NRZ 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/5B 4B/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。8B/10B8B/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：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。这种连接器还带有内置锁，以便保持安装完整状态。SC连接器符合IEC61754-4和ISO/IEC11801尺度和接口规范，是为1000BASE-SX和1000BASE-LX指定的连接器。SC连接器使用了一种推与拉的安装机制且也采用内置锁来保持安装完整性，它有单工、双工之分。目前较常使用的光连接器还有LC、MTRJ、SFF、SFP等，可自行参阅相关资料。双绞线类型与RJ45连接器RJ45连接器是目前应用中最为广泛的一种连接器。RJ45连接器之间采用双绞线连接。根据双绞线与RJ45连接器的连接关系可分为直通线和交叉线。而双绞线所连设备的接口又分为MDI和MDI-X两种接口。以太网信号在双绞线介质类型上传送时是以差分形式传送的，发送和接收各占用一对双绞线。现我们实际使用的双绞线(如UTP5)中含有四对双绞线，相对应的RJ45插座内有8个插头引脚，根据排列顺序为18。MDI-X接口使发送信号对TX+、TX-连接于1、2，使接收信号对RX+、RX-连接于3、6(计算机网卡接口、HUB或交换机的上行口和我们的单板调试网口为MDI-X接口，)；MDI接口使发信号对TX+、TX-连接于3、6，使接收信号对RX+、RX-连接于1、2(HUB或交换机的普通口为MDI接口)。常用双绞线中有四对双绞线，根据颜色也可排序为18(白桔、桔、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕)。直通网线两端的RJ45头与双绞线的压接顺序由1到8顺序排列；交叉网线一端的RJ45头与双绞线1到8顺序压接，另一端的RJ45头与双绞线压接时1、2和3、6调换压接。从以上分析可看出，