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摘要：在IEEE802.3系列标准以太网的布线中，五类双绞线的长度限制在100米内，当距离超长时，会造成网络故障。为了解决这个问题，本文主要分析CSMA/CD和双绞线的性能，对超出传输长度的限制进行分析。最后还通过实测证明在一定环境距离内，超长使用廉价双绞线替代高成本光缆设备的可行性。
关键词：以太网；CSMA/CD；谐波；布线
中图分类号：TP393.11 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 16-0000-02
Twisted Pair Long Route Demonstration and Practice of Ethernet
Lei Lin
(Guangzhou Municipal Vocational School,Guangzhou510440,China)
Abstract:In the series of standard IEEE802.3 Ethernet cabling,the length of five twisted pair is limited to 100 meters,when the distance is long,it will cause network failure.To solve this problem,this paper analyzes the CSMA/CD and twisted-pair performance,beyond the transfer length limit for analysis.Finally,by measuring that distance in a certain environment,the use of cheap long twisted-pair cable equipment replacement cost feasibility.
Keywords:Ethernet;CSMA/CD;Harmonics;Wiring
一、以太网主要布线线缆与特性
目前，综合布线工程常用的传输介质大体上可分为电缆和光纤，而在实际使用中，会遵循布线的规范，参考各线材布线距离的局限来操作。现今计算机网络综合布线应用最为广泛的是五类4对非屏蔽双绞线（Cat 5 UTP），它能在100米的范围内传输频率达100MHz，价廉质优，因此应用非常广，是以太网布线最主要的传输介质。但在很多布线工程中，参数环境和设备使用都有不同，如双绞线布线标准中性能指标中的衰减（Attenuation）、近端串扰（NEXT）、直流电阻、阻抗特性、衰减串扰比（ACR）和电缆特性（SNR）等都会影响到布线传输的距离。一般来说超过100米的距离后，就应使用光纤布线。而经过多次实践发现在以太网布线中，双绞线电缆可以突破受限距离，在一定范围内超量超长使用。
二、双绞线长度限制原因
（一）以太网介质访问方式。目前，通道争用（CSMA/CD）方式是以太网中最常见的访问方式，当检测到信道空闲并开始发送数据后，仍保持对信道的监听，若此时检测到发生冲突，已发站就马上取消自己的发送。换言之，如果两个工作站监听到信道空闲，于是同时开始发送时，它们将几乎会同时检测到冲突。一旦检测到冲突，不是继续传完它们的帧，而是尽快停止传送，并发出阻塞信号以使通知全网发生了一次冲突，这种方式中，冲突发生后尽快地结束受损帧的发送，从而节约了信道带宽，提高了吞吐率。仔细分析一下通道争用算法的细节，假定两个站正好同时发送，要花多长时间会意识到冲突？这个问题的答案对于确定竞争周期有多长，从而确定延迟吞吐量关键的，也就是由于CSMA/CD的实现而造成对线缆长度的限制。
（二）实现CSMA/CD，牺牲传输距离。为了实现以太网的CSMA/CD，就以牺牲传输距离作为代价，也就是IEEE802.3标准限制线缆传输距离的依据之一。分析原因：早期的同轴电缆只有一个总线式信道，各网络设备都在争用仅有的一条信道，并且网络设备大多为物理层的设备，无法摆脱以太网多主机共享链路方式这个本质所造成的限制。还有的就是当时的网络设备价格非常高，人们不得不以共享信道来降低成本。但实际上，一条双绞线内有8根线缆可供使用，并且数据链路层的设备交换机的价格大大下降，现在可以彻底地摆脱这种限制。解决的方法是：使用交换机将每一段线缆划分成不同的冲突域，并将网络接口设备的工作模式设置为全双工。如果所购买的交换机不是可网管型的，可以在网卡属性设置网卡的工作模式为全双工工作方式。这样每个主机在收和发的方向都有了一个专用的信道，不再需要CSMA/CD，正确地说是一台主机就是一个冲突域，侦听信道永远空闲，永不会发生冲突的情况。因此CSMA/CD在此就没有了它本来的作用，它的存在与否对信道并没有影响，也就没有了冲突域对线缆长度的限制，所以以太网的最短帧长对线缆长度的限制是可以被解决的。而在万兆以太网协议（IEEE802.3ae）中，没有定义CSMA/CD的工作模式，其中重要的一个原因就是为了取消冲突域对网络线缆长度的限制。
三、信号总体功率下降对线缆长度的限制
以下简单分析一下直流电阻的增加对接收端信号判断的影响。假定的100米长的双绞线中，输入的波形如图一所示。
其中脉冲宽度的定义为脉冲前沿与脉冲后沿的0.5E处两点间的时间间隔，又称脉冲持续期。当链路增加一倍时，也就是说信道长为200米时，电流电阻也增加了一倍，即是2R，由P=V2/R，得到的结果是信号的幅值下降了一半，但下降后的波形的最大值正好是在原来波形的脉冲宽度定义处，所有，接收端完全可以正常接收，在这个范围内，不会因为直流电阻的增加而使接收端发生错误，如下图二所示。
所以200m以内双绞线的直流阻抗引起的信号总体功率下降，一般不会影响接收设备对信号的获得，所以在此距离采用五类双绞线布线可以不必考虑直流阻抗的影响。
四、实验过程及总结
（一）双绞线超长使用的实验和数据。经过以上的分析和试验，已经能知道，双绞线在超过100米的门限值时，是可以用的，但这要付出一定的代价，那就是以降低传输速率为代价了，这种代价是物有所值的。就目前的网络状况来说在10Mb/s的网络中，已经可以满足绝大部份用户的使用了。通过在网络和电工实验室的一系列实验，进一步确定其可行性。首先用函数发生器产生一个125MHZ的方波信号，用其来模仿网卡的发送速率，输出电压为峰值5V，如下图三所示。
图三：模仿发送
当通过一段长度为200米的5类双绞线中的一对线时，波形发生了非常严重的失真，这种失真是由于线缆过长时所产生的带宽下降所造成的，在带宽一定时，信号的频率越高，则信道所能通过的谐波数就会不断地下降，最终的结果是接收器根本无法辨认发送端所发的信号，波形图如图四所示。
另外再做一个测试，先将函数发生器产生一个20MHZ的方波信号，这是模拟网卡在10MB/S的工作状态下的情况峰峰值依旧为5V。
当其通过200米的5类双绞线中的一对线时，信号基本上没有发生失真，这说明上述的一系列分析是正确无误的。具体的波形如图下六所示：
依据上述分析，分别使用实验室两种不同品牌，但类型参数相近的交换机（D-Link DES-1024R、实达STAR-S2024）进行测试。
把一段长度接近300米的双绞线分别接在实达STAR-S2024和计算机端口处，将交换机的端口设为10MB/S双全工的工作状态，在使用Ping 192.168.0.1-n 100-l65500（实验的两台电脑，另一台为192.168.0.2）经过20分钟的测试中，没有发生丢包的情况，如下图七所示。两台机之间的共享和FTP操作都没有任何问题，当把交换机的端口设为100MB/S时，提示双绞线没有接上。这是因为双绞线超长时，导致可用带宽的下降，对信号谐波的通过产生的阻碍，说明相当一部分高频成份是不能有效通过的，通过线对的信号失真使接收方不能辨认。
图七：ping命令测试的结果
当使用D-Link DES-1024R交换机时，在100MB/S的模式下最大也就只有83米的距离，超过83米时信息提示网络电缆没有插好，更不要说超长使用双绞线了。在10MB/S时，最大的传输距离是126米，超过126米时信息提示网络电缆没有插好。另外试验换做实达STAR-S2024交换机时，在100MB/S的模式下最大的传输距离是122米。在10MB/S时，最大的传输距离可达286米。如图七ping命令测试的结果所示，就是在这个情况下测出来的，没有发生任何错误和丢包情况。所以在选购交换机时要尽量购买高质量的产品，做工和质量都有保障。
由于交换机达不到100米的传输距离这个理论值的要求，另外用毫伏表测量了其输出电压，发现它的输出电压比实达STAR-S2024的要低得多，两者相差1.6伏左右。单从这一技术指标来说D-Link DES-1024R是不合格的产品。由于输出电平不足，所以在这种情况下，双绞线的直流电阻对传输长度产生的决定性的作用，这就是为什么它不能实现100米的理论传输距离的原因了。
另外结合企业实践的机会，在超过180米的办公场所之间，超长使用双绞线正常运行，替代原有计划的光纤布线。从而为该企业的仓库和办公室到楼层配线间的布线实际节约万元以上。
（二）双绞线超长使用的实现方法与注意事项。经过上述一系列的理论分析和实践操作，在一段距离300米以下的情况下时，认为可以不必理会IEEE802.3标准的限制，对双绞线可以“非法”地超长使用，具体的实现方法如下：
1.必须把交换机端口设为10MB/S的全双工工作模式，如果交换机是非网管型的话，那么还有一个方法，就是把网卡设为10MB的全双工方式，方法如下：网上邻居→属性→本地连接→属性→配置→高级→选中属性列表框中的Link speed/Duplex Mode将值设为10 Full Mode即可。如下图八所示：
图八：10MB/S的全双工工作模式
2.在实际使用中时，应尽量使用高质量的双绞线AMP Cat-5，近端串扰较少以及绕开强干扰源，如电机、动力电线等。
3.在布线时要提高布线的工艺，接头的制作要标准。尽量不要破坏双绞线绞合密度，否则将会引起电缆电阻不匹配，引起近端串扰缩短传输距离。
4.在实际使用中还有一个问题要注意的就是：实验中发现使用不同的交换机时，所能传输的长度也不同，在以后的实地操作中要做到具体设备情况要具体测试后再进行布线。
（三）总结。依据在实验室里测试结果和实践证明，用降低速率的双绞线在室内水平布线和工作区布线中代替光纤是可以达到同样传输效果的。加之现今很多企事业单位的传输数据量带宽要求都不高，所以说在多数数据传输率要求不高的情况下用降低速率的相对廉价双绞线代替光纤是有其价值体现的，可以有效地节约成本，使资源得到了合理的利用。还为各企业单位节省很多不必要的投入，不会仅仅是为两台实际超过100米长度的设备连接起来而使用光纤等昂贵的传输介质，以达到节约和降低成本的目的，在我国现阶段众多中小企业的网络布线来说是有着一定价值意义的。
参考文献：
[1]宁汉珍.微型计算机原理[M].高等教育出版社,2001
[2]聂元铭.实用网络技术[M].科学出版社,2002
[3]J.Scott Haugdahl,张拥军.网络分析与故障排除[M].电子工业出版社,2002
[4]Greg Tomsho,战晓苏.网络维护和故障诊断指南[M].清华大学出版社,2003
[5]杨继萍等.Visio 2007图形设计[M].清华大学出版社,2008
[作者简介]雷霖（1980.7-），男，湖南人，本科，教师，研究方向：计算机科学与技术。
关键词：以太网；CSMA/CD；谐波；布线
中图分类号：TP393.11 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 16-0000-02
Twisted Pair Long Route Demonstration and Practice of Ethernet
Lei Lin
(Guangzhou Municipal Vocational School,Guangzhou510440,China)
Abstract:In the series of standard IEEE802.3 Ethernet cabling,the length of five twisted pair is limited to 100 meters,when the distance is long,it will cause network failure.To solve this problem,this paper analyzes the CSMA/CD and twisted-pair performance,beyond the transfer length limit for analysis.Finally,by measuring that distance in a certain environment,the use of cheap long twisted-pair cable equipment replacement cost feasibility.
Keywords:Ethernet;CSMA/CD;Harmonics;Wiring
一、以太网主要布线线缆与特性
目前，综合布线工程常用的传输介质大体上可分为电缆和光纤，而在实际使用中，会遵循布线的规范，参考各线材布线距离的局限来操作。现今计算机网络综合布线应用最为广泛的是五类4对非屏蔽双绞线（Cat 5 UTP），它能在100米的范围内传输频率达100MHz，价廉质优，因此应用非常广，是以太网布线最主要的传输介质。但在很多布线工程中，参数环境和设备使用都有不同，如双绞线布线标准中性能指标中的衰减（Attenuation）、近端串扰（NEXT）、直流电阻、阻抗特性、衰减串扰比（ACR）和电缆特性（SNR）等都会影响到布线传输的距离。一般来说超过100米的距离后，就应使用光纤布线。而经过多次实践发现在以太网布线中，双绞线电缆可以突破受限距离，在一定范围内超量超长使用。
二、双绞线长度限制原因
（一）以太网介质访问方式。目前，通道争用（CSMA/CD）方式是以太网中最常见的访问方式，当检测到信道空闲并开始发送数据后，仍保持对信道的监听，若此时检测到发生冲突，已发站就马上取消自己的发送。换言之，如果两个工作站监听到信道空闲，于是同时开始发送时，它们将几乎会同时检测到冲突。一旦检测到冲突，不是继续传完它们的帧，而是尽快停止传送，并发出阻塞信号以使通知全网发生了一次冲突，这种方式中，冲突发生后尽快地结束受损帧的发送，从而节约了信道带宽，提高了吞吐率。仔细分析一下通道争用算法的细节，假定两个站正好同时发送，要花多长时间会意识到冲突？这个问题的答案对于确定竞争周期有多长，从而确定延迟吞吐量关键的，也就是由于CSMA/CD的实现而造成对线缆长度的限制。
（二）实现CSMA/CD，牺牲传输距离。为了实现以太网的CSMA/CD，就以牺牲传输距离作为代价，也就是IEEE802.3标准限制线缆传输距离的依据之一。分析原因：早期的同轴电缆只有一个总线式信道，各网络设备都在争用仅有的一条信道，并且网络设备大多为物理层的设备，无法摆脱以太网多主机共享链路方式这个本质所造成的限制。还有的就是当时的网络设备价格非常高，人们不得不以共享信道来降低成本。但实际上，一条双绞线内有8根线缆可供使用，并且数据链路层的设备交换机的价格大大下降，现在可以彻底地摆脱这种限制。解决的方法是：使用交换机将每一段线缆划分成不同的冲突域，并将网络接口设备的工作模式设置为全双工。如果所购买的交换机不是可网管型的，可以在网卡属性设置网卡的工作模式为全双工工作方式。这样每个主机在收和发的方向都有了一个专用的信道，不再需要CSMA/CD，正确地说是一台主机就是一个冲突域，侦听信道永远空闲，永不会发生冲突的情况。因此CSMA/CD在此就没有了它本来的作用，它的存在与否对信道并没有影响，也就没有了冲突域对线缆长度的限制，所以以太网的最短帧长对线缆长度的限制是可以被解决的。而在万兆以太网协议（IEEE802.3ae）中，没有定义CSMA/CD的工作模式，其中重要的一个原因就是为了取消冲突域对网络线缆长度的限制。
三、信号总体功率下降对线缆长度的限制
以下简单分析一下直流电阻的增加对接收端信号判断的影响。假定的100米长的双绞线中，输入的波形如图一所示。
其中脉冲宽度的定义为脉冲前沿与脉冲后沿的0.5E处两点间的时间间隔，又称脉冲持续期。当链路增加一倍时，也就是说信道长为200米时，电流电阻也增加了一倍，即是2R，由P=V2/R，得到的结果是信号的幅值下降了一半，但下降后的波形的最大值正好是在原来波形的脉冲宽度定义处，所有，接收端完全可以正常接收，在这个范围内，不会因为直流电阻的增加而使接收端发生错误，如下图二所示。
所以200m以内双绞线的直流阻抗引起的信号总体功率下降，一般不会影响接收设备对信号的获得，所以在此距离采用五类双绞线布线可以不必考虑直流阻抗的影响。
四、实验过程及总结
（一）双绞线超长使用的实验和数据。经过以上的分析和试验，已经能知道，双绞线在超过100米的门限值时，是可以用的，但这要付出一定的代价，那就是以降低传输速率为代价了，这种代价是物有所值的。就目前的网络状况来说在10Mb/s的网络中，已经可以满足绝大部份用户的使用了。通过在网络和电工实验室的一系列实验，进一步确定其可行性。首先用函数发生器产生一个125MHZ的方波信号，用其来模仿网卡的发送速率，输出电压为峰值5V，如下图三所示。
图三：模仿发送
当通过一段长度为200米的5类双绞线中的一对线时，波形发生了非常严重的失真，这种失真是由于线缆过长时所产生的带宽下降所造成的，在带宽一定时，信号的频率越高，则信道所能通过的谐波数就会不断地下降，最终的结果是接收器根本无法辨认发送端所发的信号，波形图如图四所示。
另外再做一个测试，先将函数发生器产生一个20MHZ的方波信号，这是模拟网卡在10MB/S的工作状态下的情况峰峰值依旧为5V。
当其通过200米的5类双绞线中的一对线时，信号基本上没有发生失真，这说明上述的一系列分析是正确无误的。具体的波形如图下六所示：
依据上述分析，分别使用实验室两种不同品牌，但类型参数相近的交换机（D-Link DES-1024R、实达STAR-S2024）进行测试。
把一段长度接近300米的双绞线分别接在实达STAR-S2024和计算机端口处，将交换机的端口设为10MB/S双全工的工作状态，在使用Ping 192.168.0.1-n 100-l65500（实验的两台电脑，另一台为192.168.0.2）经过20分钟的测试中，没有发生丢包的情况，如下图七所示。两台机之间的共享和FTP操作都没有任何问题，当把交换机的端口设为100MB/S时，提示双绞线没有接上。这是因为双绞线超长时，导致可用带宽的下降，对信号谐波的通过产生的阻碍，说明相当一部分高频成份是不能有效通过的，通过线对的信号失真使接收方不能辨认。
图七：ping命令测试的结果
当使用D-Link DES-1024R交换机时，在100MB/S的模式下最大也就只有83米的距离，超过83米时信息提示网络电缆没有插好，更不要说超长使用双绞线了。在10MB/S时，最大的传输距离是126米，超过126米时信息提示网络电缆没有插好。另外试验换做实达STAR-S2024交换机时，在100MB/S的模式下最大的传输距离是122米。在10MB/S时，最大的传输距离可达286米。如图七ping命令测试的结果所示，就是在这个情况下测出来的，没有发生任何错误和丢包情况。所以在选购交换机时要尽量购买高质量的产品，做工和质量都有保障。
由于交换机达不到100米的传输距离这个理论值的要求，另外用毫伏表测量了其输出电压，发现它的输出电压比实达STAR-S2024的要低得多，两者相差1.6伏左右。单从这一技术指标来说D-Link DES-1024R是不合格的产品。由于输出电平不足，所以在这种情况下，双绞线的直流电阻对传输长度产生的决定性的作用，这就是为什么它不能实现100米的理论传输距离的原因了。
另外结合企业实践的机会，在超过180米的办公场所之间，超长使用双绞线正常运行，替代原有计划的光纤布线。从而为该企业的仓库和办公室到楼层配线间的布线实际节约万元以上。
（二）双绞线超长使用的实现方法与注意事项。经过上述一系列的理论分析和实践操作，在一段距离300米以下的情况下时，认为可以不必理会IEEE802.3标准的限制，对双绞线可以“非法”地超长使用，具体的实现方法如下：
1.必须把交换机端口设为10MB/S的全双工工作模式，如果交换机是非网管型的话，那么还有一个方法，就是把网卡设为10MB的全双工方式，方法如下：网上邻居→属性→本地连接→属性→配置→高级→选中属性列表框中的Link speed/Duplex Mode将值设为10 Full Mode即可。如下图八所示：
图八：10MB/S的全双工工作模式
2.在实际使用中时，应尽量使用高质量的双绞线AMP Cat-5，近端串扰较少以及绕开强干扰源，如电机、动力电线等。
3.在布线时要提高布线的工艺，接头的制作要标准。尽量不要破坏双绞线绞合密度，否则将会引起电缆电阻不匹配，引起近端串扰缩短传输距离。
4.在实际使用中还有一个问题要注意的就是：实验中发现使用不同的交换机时，所能传输的长度也不同，在以后的实地操作中要做到具体设备情况要具体测试后再进行布线。
（三）总结。依据在实验室里测试结果和实践证明，用降低速率的双绞线在室内水平布线和工作区布线中代替光纤是可以达到同样传输效果的。加之现今很多企事业单位的传输数据量带宽要求都不高，所以说在多数数据传输率要求不高的情况下用降低速率的相对廉价双绞线代替光纤是有其价值体现的，可以有效地节约成本，使资源得到了合理的利用。还为各企业单位节省很多不必要的投入，不会仅仅是为两台实际超过100米长度的设备连接起来而使用光纤等昂贵的传输介质，以达到节约和降低成本的目的，在我国现阶段众多中小企业的网络布线来说是有着一定价值意义的。
参考文献：
[1]宁汉珍.微型计算机原理[M].高等教育出版社,2001
[2]聂元铭.实用网络技术[M].科学出版社,2002
[3]J.Scott Haugdahl,张拥军.网络分析与故障排除[M].电子工业出版社,2002
[4]Greg Tomsho,战晓苏.网络维护和故障诊断指南[M].清华大学出版社,2003
[5]杨继萍等.Visio 2007图形设计[M].清华大学出版社,2008
[作者简介]雷霖（1980.7-），男，湖南人，本科，教师，研究方向：计算机科学与技术。