Network Design 第七章物理网络设计

Network Design第七章物理网络设计 中国科学技术大学网络学院李艺 leeyi@ustc.edu.cn

第一章概述 第二章用户需求分析第三章现有网络分析第四章逻辑网络设计第五章网络设备选择第六章 WAN接入设计第七章网络介质设计第八章网络设计案例

7.1 结构化布线概述 7.2 铜质线缆 7.3 光缆 7.4 无线介质 7.5 编写物理设计文档

7.1 结构化布线概述 今天，办公大楼的建设是计算机技术、网络技术、控制技术、有线电视技术、通信技术等高新技术发展的必然结果，它已成为信息网络中的主要站点。我们形象地称之为智能大厦。智能大厦是由结构化布线系统与各个功能控制系统组成，它包括:中央计算机控制系统、楼宇控制系统、办公自动化系统、通信系统、消防系统、保安系统。结构化布线系统是智能大厦传送信息的神经中枢。布线系统的对象是建筑物或楼宇内的传输网络，以使语音和数据通信设备、交换设备和其他信息管理系统彼此相连、并使这些设备与外部通信网络连接。 • 学习目标 • 熟悉结构化布线各个子系统； • 描述智能化大厦网络入口和用户平台的主要连接； • 熟悉基于网络标准网络布线的缺点。 • 关键知识点：办公楼布线属于建筑物布线。

大厦网 络出口结构化布线子系统结构化布线系统（SCS） • 结构化布线系统（Structured Cabling System ）是使用一套标准的组网器件，按标准的连接方法实现的网络布线系统。布线系统的对象是建筑物或楼宇内的传输网络。 • 组成部件：传输介质、线路管理硬件、连接器、插座、插头、适配器、传输电子线路、电气保护设施等。 • 分为六个子系统： • 大厦的网络入口； • 设备室； • 垂直主干； • 配线间； • 水平布线； • 工作区。

到WAN或 其它大楼 • 大厦的网络入口智能大厦总有一个出入口为所有的线缆提供出入。这些线缆包括电话线、数据干线和视频线。出入口往往和其他设备共用一个设备间。出入口中交叉连接的设备通常是为所有的线缆提供便利终端的作用。EIA/TIA-568-A定义的入楼设备规定为大楼的布线与外界的接口处。通常是由光缆和相应的设备组成，常见的的类型有架空缆线、直埋缆线、地下管道缆线，或三种任意结合情况。有两种类型的交叉连接设备：连接模块和配线板。入楼连接设备包括:大楼入口处输入点、与输入点相连的干线电缆楼内部分。

工作区子系统 水平布线子系统配线间子系统连接模块插座配线柜交叉连接设备

设备间子系统 设备间的作用是将建筑内的通信系统和布线系统的机械终端放置在一起。实际实施中通常把电话设备或数据网络设备放置在设备间内。设备间由交连、互联和I/O组成，为连接其它子系统提供手段,是连接垂直干线子系统和水平干线子系统的设备。设备：配线架、交换机、路由器、机柜、稳压电源、UPS。设计时注意： • 配线架的配线对数可由管理的信息点数决定； • 利用配线架跳线功能，使布线系统实现灵活； • 配线架一般由光配线盒和铜配线架组成； • 管理间子系统应有足够的空间放置配线架和网络设备； • 有交换机器的地方要配有专用稳压电源、UPS； • 保持一定的温度和湿度，保养好设备； • 设备间必须具有防雷击接地、电源接地、防静电接地。

有关设备间的技术要求： • 将设备间安排在电梯附近，以便装运笨重的设备； • 室温应保持在18℃至27℃之间，相对湿度保持在30%--55%； • 保持室内无尘或少尘，通风良好，亮度至少达30英尺--烛光； • 安装合适的消防系统 ( 如采用湿型消防系统，不要把喷头直接对准电气设备)； • 使用防火门，至少能耐火1小时的防火墙和阻燃漆； • 提供合适的门锁，至少要有一扇窗口留作安全出口； • 尽量远离存放危险物品的场所； • 设备间的高度应至少为 2.55 米高度的无障碍空间，门的大小至少为高 2.1m×宽0.9m，地板负重能力至少应为500kg/平方米。另外对于K.I.S.S系统的要求，应在配线间安装布线硬体的墙壁上覆盖涂有阻燃漆的 3 / 4 英寸( 合1.9cm ) 的木板。设备间的大小完全取决于安装的电气设备的空间要求。在设备间尽量将设备柜放在靠近走线口的位置，在柜子上方应装有通风口用于设备通风。

设备间中的主配线室，主要容纳电缆、连接器和相关支撑硬件，它把公共系统设备的各种不同设备互连起来。该子系统将中继线交叉连接处和布线交叉处与公共系统设备连接起来。数据系统主配线间靠近楼梯，机柜为19英寸35单元B型，1.8米*0.6米*0.6米，前后双开门，管理配线架及网络产品。数据跳线用五类双绞线。在数据系统配线间内应至少留有二个为本系统专用的，符合一般办公室照明要求的220V电压，电流10A单相三级电源插座。此线路不应与其他大型设备并联，并且最好先连接到UPS，以确保对网络设备的供电。

垂直主干子系统 主干电缆是通常指的是垂直线缆，连接入口设备、设备间的设备。一般使用光缆或大对数的非屏蔽双绞线。它也提供建筑物垂直干线的路由。设计时注意： • 垂直干线子系统一般选用光缆，以提高传输速率； • 光缆可选用多模的（室外远距离的），也可以是单模（室内） • 垂直干线电缆的拐弯处，不要直角拐弯，应有相当的弧度，以防光缆受损； • 垂直干线电缆要防遭破坏措施，如埋设路面下时，要防止挖路、修路对电缆造成危害，架空电缆要防止雷击； • 确定每层楼的干线要求和防雷设施； • 满足整幢大楼干线要求和防雷击的设施。

配线架及 LAN设备水平布线星型拓扑的水平布线结构 • 水平布线子系统水平布线是综合布线结构的一部分，它从工作区的信息插座延伸到管理区，包括工作区的管理区、水平电缆的端接跳线架。下图示出了典型的从一个星型拓扑结构的通信间中跨出的水平电缆结构。水平电缆包括以下内容： • 从配线架到工作区的电缆； • 电信插座； • 终端电缆； • 接插线； • 最大转接点

3 米 90米 HUB 90米 3 米 6 米 90米 3 米 100米设计时要注意： • 水平干线用线一般为双绞线，长度不超过90M。 • 走线必须走线槽或天花板吊顶内布线，尽量不走地面线槽。水平布线最大距离图示如下：

工作区子系统 它是指从工作区至设备间子系统的配线架。拓扑结构一般为星型。它总在同一楼层层面上，仅与信息插座、管理间连接。工作区系统的设计时要注意： • 从RJ45插座到设备间的连线用双绞线，一般不超过5M。 • RJ45插座须安装在墙壁上或不宜碰到的地方。 • 插座和插头（与双绞线）不要接错线头。 • RJ45埋入式信息插座与其旁边电源插座应保持30cm至150cm的距离，信息插座和电源插座的低边沿线距地板水平面30cm（与电源插座保持同一高度）。

结构化布线分析 • 特点 • 兼容性：布线与应用系统无关、完全独立。 • 开放性：符合多种国际标准，设备产品协议都支持。 • 灵活性：模块化设计，配线架管理。 • 可靠性：高品质的材料和组合压接接线，点到点端接。 • 先进性：采用光纤和双绞线布线。 • 经济性：一次性投资，长期受益，维护费用低，使整体投资达到最少。

二次投资 一次投资一次投资二次投资非结构化布线结构化布线 • 价格对比 • 结构化布线的费用低于网络基础结构整个费用的十分之一； • 结构化布线系统的使用寿命在十六年以上，在计算机资产中结构化布线系统的寿命居第二位(居第一位的是建筑物的墙壁); • 一开始就安装正确的结构化布线基础设施的费用是相对较低的。

性能价格比的对比 结构化布线的性能价格比是极高的，从技术与灵活性角度看，主要表现在以下几方面： • 采用结构化布线后，只需将电话或终端插入早已敷设在墙壁上的标准插座，然后在同层的弱电井配线间隔的跳线架做相应跳接线操作，就可解决用户的需求。 • 当需要把计算机设备从一个房间搬迁到另一层的房间时，或者在一个房间中增加其它新的计算机设备时，同样只要在原插口作简单的分线处理，然后在同层配线间和总设备间做跳线操作，而不需要重新布线。 • 如果采用光纤、超五类混合的结构化布线方式，可以解决诸如三维多媒体的传输和用户对ISDN、ATM的需求。

性能价格比 结构化布线非结构化布线时间结构化布线与非结构化布线性能价格比从下图可以看到，随着时间的推移，结构化布线的曲线是上升的，非结构化布线的曲线是下降的。这样形成一个剪刀差，时间越长，两种布线方式的性能价格比的差距越大。由于结构化布线是将原来相互独立、互不兼容的若干种布线，集中成为一套完整的布线体系，统一设计，统一施工，可省去大量的重复劳动和设备占用。

7.2 铜质线缆 • 信号传输问题和传输特性铜质线缆的传输信号的质量会受到铜导体特性的影响。比如： • 电噪音 • 串音 • 衰减 • 电容 • 直流电阻 • 阻抗 • 连续性和极性 • 线缆长度所有的线缆安装应该被测试，以保证它们的每个特性都满足相关标准，以保证通信质量。

电噪声 在LAN铜质电缆附近的电磁运动，会扭曲LAN中传输的正常信号。这是因为导体或设备电压的剧烈变化，会在它的周围产生电磁场。当改变的电磁场通过另一导体时，会引起导体中电压的改变,从而引起信号的扭曲和噪音。无线电波也能引起噪声，因为任何长度的线缆都象一个天线。这种设备和信号与另一个设备和信号相干扰的特性叫做电磁干扰(EMI)，或无线电频率干扰（RFI）。噪声单位一般用毫伏(mV)或分贝微伏（dBmV）。它通常是按低频、中频和高频分类。噪声的来源有荧光灯、调光器、交流电、对讲机、计算机、复印机、打印机、医疗设备、收音机、电视机、马达、电焊机等。网络铜质导线设计、安装的原则是它们应远离噪声源。

串音（Cross-talk） 串音(也叫串扰)，是一种特殊的噪音，它是由于附近缆线里的电压波动引起的电信号的改变。在打电话时，我们有时能够察觉串音的存在，就象有人在隔壁房间讲话一样。在数据线中，串音会被作为错误检测出来。串音分为近端串扰(NEXT)、远端串扰（FEXT）以及综合串扰。 • NEXT：(Near End Cross-talk)：近端串扰，电信号在线缆及连接器上传送时，在导体周围产生一个电磁场，它辐射到相邻线对上，就会对其信号传输造成不良干扰。近端串扰表征了这种干扰对同在近端的传送线对与接收线对所造成的影响。

PSNEXT（Power Sum Cross-talk）：综合近端串扰表明四对线缆中三对线缆传输信号时对另一对在近端所造成的影响。

ELFEXT（Equal Level Far End Cross-talk）：平衡等级远端串扰是传送端的干扰信号对相邻线对在远端所造成的影响。 • PSELFEXT（Power sum ELFEXT）：综合平衡等级远端串扰表明三对线缆处于通信状态时，对另一对线缆在远端所造成的干扰。

信道楼层配线设备链路工作区线缆信道与链路（注：D为设备，T为终端。） D C C C T • Delay Skew：传输时延差是不同线对的传输时延的差值，以传输时延的最小值为基准点，其余线对的时延与之的差值即为传输时延差。 • Channel、Link：信道（Channel）是从发送输出端到接收输入端之间传送信息的通道。结构化布线系统中的有线信道和链路如下图示，下图可看出信道不包括两端设备。

1000Mb/s 1000Mb/s Power Sum 综合影响示意图

衰减(Attenuation) 衰减是指信号强度的减弱。接收端接收到的信号能量一定会比发送端发送的信号能量小。经过衰减的信号能量与干扰信号相当，就无法分辨原先所传送的信号。通常发生在信号通过传输介质时。有两个主要的衰减源，它们用分贝来计算： • 线缆的电气特性，尤其是电阻； • 在线缆相互连接、终止、破裂处插入的编码可能发生传输丢失。衰减量与传输介质的长度成正比。安装好传输介质后，必须检测线缆的衰减程度。仔细的连接线缆可减少衰减，因此选用高品质的连接器是设减少衰减的措施。

ACR（Attenuation to cross-talk ratio）：衰减串扰比是在某一频率上测得的串扰与衰减的比值。ACR为负值，则说明噪音的强度高于所传送的信号强度。 • PSACR（Power Sum Attenuation to Cross-talk Ratio）：综合衰减串扰比反映了三对线同时进行信号传输时对另一对线所造成的综合影响。 • Return Loss：回程损耗。电信号在遇到端接点阻抗不匹配时，部分能量会反射回传送端。

电容（capacitance） 由于电容的存在，线缆会积累不应有的电能量。不合适的安装方法可能会扭曲、拉伸线缆，引起线缆局部电容增加。精心地安装线缆可避免对它的损坏。 • 直流电阻直流电阻反映导体阻碍电流流动的性质，电阻值随电缆的长度的增加而增加。选用的线缆应提供对直流电阻的检测值，并保证其电阻值符合要求。 • 阻抗阻抗是指倒替对电流整个的阻碍（包括电容和电阻）。它的值对各种电缆是不变的。但电缆连接时，不管是利用连接模块、配线架、还是设备相连，阻抗值就会改变。线缆的阻抗值必须与所接的网卡的阻抗值相匹配，也要与选定的其他网络设备的阻抗值想匹配。否则，信号会从连接点反射回来而扭曲传输的信号。

信号在电线中的传播速度 NVP = 100% 光在真空中的传播速度 • 可持续性和极性可持续性和级性是指要在连接模块和模块板上正确地连接每根线。可持续性意味着所有必要的连接都已经实现，电流形成回路。级性意味着连接允许电流沿着正确的方向流动。错误的连线、级性相反的连接，都会导致连接的失败。 • 线缆长度（Length）弯曲地敷设线缆，会使长度大大增加，其信号衰减程度和延迟大大增加，直流阻抗也会增加。可以用“时域反射计，TDR”来测量铜质线缆的长度，也能确定阻抗是否匹配。影响长度测试的重要因素是NVP值，即“信号在电缆中传输的速度与真空中光速的百分比”的意思。为达到实际长度的精确测试，该值需要在测试前取一段该批线缆的实际丈量长度样板对测试仪器进行校正，该样板长度一般为25米。经过事先校正过的现场测试，其链路长度比较接近于实际的线缆外观尺寸。

限制噪声和串扰的方法 在线缆设计中，有两种方法来限制噪声和串扰： • 屏蔽：把传输导体用另一导体包裹起来，以保证内部导体不受外部磁场的干扰，也避免内部导体成为“天线”而干扰其他导体。 • 抵消：将两根导体绞在一起，使彼此的磁场相互抵消。绞在一起的两根线缆受到其它电磁干扰的影响相同。

网络传输介质的选择 • 选择介质考虑的因素： • 数据传输速度； • 在某网络拓扑结构中的使用； • 距离要求； • 电缆和电缆组件的成本； • 要求的其他网络设备； • 可防止外界干扰； • 安装的灵活性和方便性； • 升级选择。

线缆安装准则 • 安装放线应留有足够的多余长度，以备将来使用； • 聘请有施工经验的专业人员安装； • 露天放置的线缆应用压力通风型的线缆； • 不能将线缆的外部塑料层剥掉，否则会导致串扰； • 不要将绞在一起的线缆分开，否则会导致串扰； • 线缆质量不能降低； • 尽可能让数据线垂直通过电力线； • 线缆末端尽可能接地，以防止噪音干扰； • 保证每个系统都有良好的接地，有过压保险和照明保护，以及UPS。

传输频率与传输速率的区别 • 线缆的频带带宽(MHZ)：表示的是单位时间内线路中的信号振荡的次数，是一个表征频率的物理量。 • 线缆上传输的数据速率(Mbps)：表示的是单位时间内线路中传输的二进制位的数量，是一个表征速率的物理量。传输频率表示传输介质提供的信息传输的基本带宽，带宽取决于所用导线的质量、每一根导线的精确长度及传输技术。传输频率表征了器件或介质对信息进行传输的带宽，衡量器件或介质传输性能时，可以采用采用带宽。下表直观地体现了传输频率与传输速率的区别：

同轴电缆 早期的网络常使用同轴电缆，它具有屏蔽好、带宽高和衰减低及安装方便的优点。它用一条导体线传输信号，导体周围裹一层绝体和一层同心的屏蔽网，屏蔽层和内部导体共轴。同轴电缆的带宽取决于电缆长度。线缆可以使用中继器加长网络。 • 分类 • 基带同轴电缆：有粗缆和细缆之分。它们以铜线为芯，外包一层用密织的网状导体环绕的绝缘材料。网状导体外又覆盖一层保护性材料。用于数字传输。特性：（1）高带宽；（2）极好的噪声抑制。 • 宽带同轴电缆：使用有线电视电缆（CATV）进行模拟信号传输的同轴电缆系统。宽带系统与基带系统的主要区别是覆盖的区域不同。

特性 • 主要电气参数： ⑴ 特性阻抗； ⑵ 衰减； ⑶ 传播速度； ⑷ 直流回路电阻。 • 主要物理参数： ⑴ 中心导体直径； ⑵ 屏蔽层的内外径； ⑶ 外部隔离材料的材质； ⑷ 最小弯曲半径。

常用的同轴电缆型号参见下表。

以太网同轴细缆 细同轴电缆：中心有一个铜的或敷铜箔膜的铝导线，中轴上包围着一层绝缘泡沫材料。 • 型号： 10Base2 ：“10”代表了它的数据传输速度为10Mbps，“Base”代表了它使用基带传输，“2”代表了最大段长度为185（粗略为200）米。 • 硬件配置布线硬件：网络接口适配器（BNC以太网卡，PCMCIA卡等）； BNC-T型连接头；终端匹配电阻（50殴）电缆系统: 细缆(RG-58 A/U) （5毫米， 50欧姆） BNC连接器插头（安装在两端） BNC桶型连接器（连接两段细缆） BNC 终端匹配器（50欧姆）中继器

使用中继器（集线器）来扩展以太网LAN 细缆网的5-4-3规则：5个网络分段，4个中继器和3个组装分段两端被终结的简单以太网总线网络 • 细缆以太网的连接图

技术参数 • 最大的干线段长度:185米； • 最大网络干线电缆长度:925米； • 每条干线段支持的最大结点数:30； • BNC-T型连接器之间的最小距离:0.5米。 • 特点 • 容易安装； • 造价较低； • 抗干扰能力强； • 维护和扩展困难； • 断点多，可靠性差。 • 网络实施时的注意事项 • 不应绞结； • 弯角半径应大于20cm； • 各工作站点间的距离应大0.5米； • 接头安装要牢靠，防止信号短路； • 走线在电缆槽内，防止电缆损坏； • 铺设时，不可用力拉扯，防止拉断； • 两端一定要安装终端器，一个要接地； • 一般不可在室外，在室外的加装套管。

以太网同轴粗缆 同轴粗缆：中心为铜导体或敷铜箔膜的铝导体。 • 型号：10 Base 5中，“10””代表10Mbps的吞吐量，“Base”代表是基带传输，“5”代表了粗缆网的电缆最大网段长度为500米。 • 硬件配置硬件设备：网络接口适配器（AUI接口的以太网卡、PCMCIA卡）；收发器(Transceiver) （以太网(IEEE802.3)类型）；收发器电缆（AUI电缆）电缆系统：粗缆(RG-11 A/U)：（10毫米，50欧姆） N-系列连接器插头：（安装在两端） N-系列桶型连接器：（连接两段） N-系列终端匹配器：（50欧姆）中继器：（干线段的长度不超过500米）

粗缆结构 粗缆主干，其中连接了收发器和电缆

粗缆5-4-3规则 5个主干网络分段，4个中继器，3个分段

主要技术参数： • 最大干线段长度：500米。 • 最大网络干线电缆长度：2500米。 • 每条干线段支持的最大结点数：100。 • 收发器之间最小距离：2.5米。 • 收发器电缆的最大长度：50米。 • 主要特点： • 可靠性高，抗干扰能力强； • 地理覆盖范围大，最长距离可达2500米； • 安装、维护和扩展困难； • 造价高。 • 实施时应注意的问题 • 自然平直铺设； • 弯角半径应大于30厘米； • 各工作站点间的距离应大于2.5米； • 接头要牢靠，防止信号短路； • 走线在电缆槽内，防止电缆损坏； • 拉线时不可用力过猛，防止扭曲； • 可用连结器，总长度不可大于500米， • 一定要安装终端匹配电阻，一个接地； • 可安装在室外，要防护措施。

双绞线 双绞线是布线工程中最常用的传输介质。它由相互按一定扭距绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有色标来标记，成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。 • 分类按是否有屏蔽层来分，有如下两种类型： • 屏蔽双绞线(STP: Shielded Twisted Pair )； • 非屏蔽双绞线(UTP: Unshielded Twisted Pair )。

按EIA/TIA（电气工业协会／电信工业协会）为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号 ： • 一类双绞线：用于传输语音的电话线，不用于数据传输； • 二类双绞线：用于低速网络的电缆，传输带宽最高为4Mbps； • 三类双绞线：带宽为10Mbps，最高支持16Mmbps的容量； • 四类双绞线：用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，且传输距离更长。主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。这类双绞线可以是UTP，也可以是STP。 • 五类双绞线：增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz。主要用于100base-T和10base-T网络。 • 超5类线缆，与普通的5类UTP比较,性能得到了很大提高。

常见双绞线的型号 • 硬件配置使用双绞线组网，双绞线和其他网络设备（例如网卡）连接很简单，只需要RJ45接头（也叫水晶头）。

计算机与交换机的连接（TIA/EIA 568B标准） 3 2 4 1 1 2 3 4 5 6 7 8 白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕计算机与交换机连接图

交换机级连方式 3 2 4 1 1 2 3 4 5 6 7 8 白绿绿白橙蓝白蓝橙白棕棕交换机级连的另一端连接图

双绞线（10BASE-T）以太网技术规范可归结为5-4-3-2-1规则：双绞线（10BASE-T）以太网技术规范可归结为5-4-3-2-1规则： • 允许5个网段，每网段最大长度100米； • 在同一信道上允许连接4个中继器或集线器； • 在其中的三个网段上可以增加节点； • 在另外两个网段上，除做中继器链路外，不能接任何节点 • 上述将组建一个大型的冲突域，最大站点数1024，网络直径达2500米。

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