第1章 计算机网络概述 计算机网络是将处在不同空间位置、操作相对独立、彼此间需要互相通信和资源共享的计算机、服务器、外部设备用通信线路、软硬件设备互联起来的系统。计算机网络这个术语既包括完成信息传递任务的通信线路和软硬件设备，也包括进行通信的计算机、服务器和外部设备。现代网络的概念中还包括被传递的信息和提供给网络的服务内容。 网络可以是一个由计算机、传输介质和交换机设备组成的简单组合，也可以是复杂的大型网络。从企业网络、校园网络、政府网络到互联网，全球数百万个简单的和复杂的、小型的和大型的计算机网络是数字化和信息化社会的基础，在当今信息时代它对信息的收集、传输、存储和处理都起着非常重要的作用。 计算机网络自20世纪60年代出现以来，至今已有40多年的历史。今天，现代计算机网络具备的尖端技术、规模与应对未来升级变化的能力，确保了无与伦比的链路覆盖与超级的灵活性。今天的网络不仅具备满足当前网络的需要，而且能应对未来各类信息化产品对带宽、联网方式无休止需求的挑战。 1.1 计算机网络的组成与分类 1.1.1 计算机网络的组成 如图1.1所示，计算机网络由传输介质、交换机设备、网间互联设备、转换设备、网络安全设备以及发起数据传输和接收数据的计算机、计算机化设备、各种数据服务器组成，用于计算机和计算机化设备之间跨地理位置的数据通信。 图1.1 计算机网络的组成 我们把发起数据传输和接收数据的计算机、服务器和各种计算机化设备称为网络系统的终端系统，而由传输介质、交换机设备、网间互联设备、转换设备、网络安全设备组成的系统称为网络系统的传输系统。 计算机、服务器等用户终端既是网络的使用者，又是网络的组成部分。计算机、服务器等用户终端中的操作系统负责把要传输的数据进行分组、封装，发送到网络中；把接收到的数据报文还原成数据，存储在终端中。同时，网络终端还承担了网络通信所需要的数据校验、出错重发、流量控制等必要的操作。 计算机、服务器等用户终端设备需要完成必要的网络传输的发起和接收任务。Windows、UNIX、Linux等现代计算机操作系统中都有完成网络通信所需要的各种程序，是现代计算机操作系统的一个重要组成部分。使用计算机网络的手机和电子设备的嵌入式操作系统也内嵌了必要的网络通信程序。 网络终端也称网络工作站，如计算机、网络打印机等。在客户/服务器网络中，客户机是指网络终端，服务器称为服务器终端。服务器是被网络终端访问的计算机系统，是专门为客户机提供应用服务和数据服务的高性能计算机，例如大型机、小型机、UNIX工作站和PC服务器。安装上服务器软件后构成的网络服务器，被分别称为大型机服务器、小型机服务器、UNIX工作站服务器和PC服务器 网络服务器是计算机网络中提供信息、服务和数据共享的核心设备。网络中可共享的资源，如信息、数据库、大容量磁盘、外部设备和多媒体节目等，通过服务器提供给网络终端。服务器按照可提供的服务可分为应用服务器、文件服务器、数据库服务器、打印服务器、Web服务器、电子邮件服务器和代理服务器等。 网络终端和网络服务器是通过网络传输介质将数据发送到网络中的。网络传输介质承担网络数据跨地域传输的任务。有四种主要的网络传输介质，分别是双绞线电缆、光纤、微波和同轴电缆（由于同轴电缆在现代网络中只起辅助作用，所以在图1.1中没有予以表现）. 在局域网中的主要传输介质是双绞线，这是一种不同于电话线的8芯电缆，具有传输1000Mbps的能力。局域网中另外一种重要的传输介质是光缆。光缆在局域网中大多承担干线部分的数据传输。另外，使用微波的无线局域网由于其灵活性而逐渐普及，尤其是在非政府部门的局域网中得到了越来越广泛的应用。早期的局域网中曾经使用过网络同轴电缆，从1995年开始，网络同轴电缆逐渐被淘汰，已经不在局域网中使用了。由于Cable Modem的使用，电视同轴电缆还在充当互联网连接的一种传输介质。 作为网络系统除了网络终端设备、网络传输介质之外的第三个主要组成部分，网络设备的核心任务是把网络终端传来的数据报文转发给目的地终端（在网络中分别称这两种终端为源终端和目标终端）。最有代表性的网络设备是网络交换机和网络路由器。其中，局域网交换机是把计算机连接在一起的基本网络设备，计算机之间的数据报可以通过局域网交换机转发。计算机要连接到网络中，必须首先连接到局域网交换机上。不同种类的网络使用不同的交换机。目前绝大多数用于局域网的交换机是以太网交换机。 也可以使用被称为Hub的网络集线器设备来替代局域网交换机。Hub的价格低廉，但通信效率低。由于局域网交换机价格的大幅下降，所以正式网络中已经不再使用Hub. 通过局域网交换机与计算机终端的连接，可以组成简单的数据传输网络。将这些小的简单网络互联，可以组成规模更大、更复杂的网络。将小的简单网络互联起来的设备是路由器。 路由器是连接网络的必要设备，用于在网络之间转发数据报。路由器不仅提供同类网络之间的互相连接，还提供不同网络之间的通信，比如，局域网与广域网的连接、以太网与帧中继网络的连接等。 在网络远程连接中，调制解调器是一个重要的设备。调制解调器用于将数字信号调制成频率带宽更窄的信号，以便在远距离电缆传输中传输数字信号。在网络远程连接中，还会用到ATM交换机、帧中继交换机、中继器等网络设备。 如图1.2所示，复杂的网络系统仍然是由上述网络设备构建而成的。由图可见，计算机首先被交换机连接起来，组成小的、简单的网络。一个个小的简单网络被路由器连接在一起，最后形成规模较大的局域网络。处于不同地理位置的局域网，通过各个局域网的边界路由器互联，可组建成跨地理位置的大型广域网络。 图1.2 网络的构建 在没有条件直接布放光缆连接局域网的情况下，也可以租用通信公司的公共网络实现局域网互联。通信公司公共网络中使用的交换机称为广域网交换机。 1.1.2 计算机网络的分类 可以从不同的角度对计算机网络进行分类。学习并理解计算机网络的分类，有助于我们更好地理解计算机网络。 1) 根据计算机网络覆盖的地理范围分类 按照计算机网络所覆盖的地理范围的大小进行分类，计算机网络可分为局域网、城域网和广域网。了解一个计算机网络所覆盖的地理范围的大小，可以使人们一目了然地了解该网络的规模和主要技术。图1.3 局域网 局域网（LAN）的覆盖范围一般在方圆几十米到几千米（见图1.3) 。一个办公室、一个办公楼、一个园区范围内的网络就是典型的例子。在企业、院校、政府部门内部建设的网络也是局域网。 当网络的覆盖范围达到一个城市的大小时，则称之为城域网。网络覆盖到多个城市甚至全球的时候，就属于广域网的范畴了（见图1.4) 。我国著名的公共广域网是ChinaNet、ChinaPAC、ChinaFrame、ChinaDDN、CMNET等。大型企业、院校、政府机关通过租用公共广域网的线路，可以构成自己的广域网。 图1.4 广域网 互联网是世界上最大的广域网，覆盖全球，完成了最大地域范围内的计算机之间的网络通信传输。CMNET是我国正在建设的3G通信网络，目前已经覆盖了31个主要城市。由于计算机网络涵盖了数据、语音、视频等通信内容，3G通信也采用与计算机网络完全相同的TCP/IP技术，且承担计算机之间的通信，所以事实上CMNET是一个与ChinaNet等网络平行的计算机广域网络。 2) 根据链路传输控制技术分类 链路传输控制技术是指如何分配网络传输线路、网络交换设备资源，以避免网络通信链路资源冲突，同时为所有网络终端和服务器进行数据传输。典型的网络链路传输控制技术有总线争用技术、令牌技术、FDDI技术、ATM技术、帧中继技术和ISDN技术。对应上述技术的网络分别是以太网、令牌网、FDDI网、ATM网、帧中继网和ISDN网。 总线争用技术是以太网的标志。总线争用，顾名思义，即需要使用网络通信的计算机要抢占通信链路。如果争用链路失败，就需要等待下一次的争用，直到占得通信链路。这种技术的实现简单，介质使用效率非常高。21世纪以来，使用总线争用技术的以太网成为计算机网络中占主导地位的网络。 令牌网和FDDI网一度是以太网的挑战者。它们分配网络传输线路和网络交换设备资源的方法是在网络中下发一个令牌报文包，轮流交给网络中的计算机。需要通信的计算机只有得到令牌的时候才能发送数据。令牌网和FDDI网的思路是需要通信的计算机轮流使用网络资源，避免冲突。但是，令牌技术相对以太网技术过于复杂，在千兆以太网出现后，令牌网和FDDI网不再具有竞争力，淡出了网络技术。 ATM是英文Asynchronous Transter Mode的缩写，称为异步传输模式。ATM采用光纤作为传输介质，传输以53个字节为单位的超小数据单元（称为信元）. ATM网络的最大吸引力之一是具有特别的灵活性，用户只要通过ATM交换机建立交换虚电路，就可以提供突发性、宽频带传输的支持，适应包括多媒体在内的各种数据传输，传输速度高达622Mbps. 我国的ChinaFrame是一个使用帧中继技术的公共广域网，它是由帧中继交换机组成的，使用虚电路模式的网络。所谓虚电路，是指在通信之前需要在通信所途经的各个交换机中根据通信地址建立起数据输入端口到转发端口之间的对应关系。这样，当带有报头的数据帧到达帧中继网的交换机时，交换机就可以按照报头中的地址正确地依虚电路的方向转发数据报。帧中继网可以提供高达数Mbps的传输速度，由于其可靠的带宽保证和相对于互联网的安全性，已成为银行、大型企业和政府机关局域网互联的主要网络。 ISDN是综合业务数据网的缩写，建设的宗旨是在传统的电话线路上传输数字数据信号。ISDN通过时分多路复用技术，可以在一条电话线上同时传输多路信号。ISDN可以提供从144Kbps到30Mbps的传输带宽，但是由于其仍然属于电话技术的线路交换，租用价格较高，并没有成为计算机网络的主要通信网络。 3) 根据网络拓扑结构分类 网络拓扑结构分为物理拓扑和逻辑拓扑。物理拓扑结构描述网络中由网络终端、网络设备组成的网络节点之间的几何关系，反映出网络设备之间以及网络终端是如何连接的。 如图1.5所示，网络按照拓扑结构划分为总线形结构、环形结构、星形结构、树形结构和网状结构。 图1.5 计算机网络的拓扑结构 总线形拓扑结构是早期同轴电缆以太网的连接方式，网络中各个节点挂接到一条总线上。这种物理连接方式已经被淘汰。 星形拓扑结构是现代以太网的物理连接方式。在这种结构下，以中心网络设备为核心，与其他网络设备以星形方式连接，最外端是网络终端设备。星形拓扑结构的优势是连接路径短，易连接，易管理，传输效率高。这种结构的缺点是中心节点需要具有很高的可靠性和冗余度。 树形拓扑结构的网络层次清晰，易扩展，是目前多数校园网和企业网使用的结构。这种方法的缺点是根节点的可靠性要求很高。 环形拓扑结构的网络中，通信线路沿各个节点连接成一个闭环。数据传输经过中间节点的转发，最终可以到达目的节点。这种通信方法的最大缺点是通信效率低。 网状拓扑结构构造的网络可靠性最高。在这种结构下，每个节点都有多条链路与网络相连，高密度的冗余链路使得即使一条，甚至多条链路出现故障，网络仍然能够正常工作。网状拓扑结构的网络的缺点是成本高，结构复杂，管理维护相对困难。 1.2 计算机网络的发展 尽管电子计算机在20世纪40年代研制成功，但是30年后到了80年代初期，计算机网络仍然被认为是一个昂贵而奢侈的技术。近20年来，计算机网络技术取得了长足的发展，在今天，计算机网络技术已经和计算机技术本身一样精彩纷呈，普及到人们的生活和商业活动中，对社会各个领域产生了广泛而深远的影响。 1.2.1 早期的计算机通信 在个人计算机出现之前，计算机的体系架构是： 一台具有计算能力的计算机主机挂接多台终端设备（见图1.6) 。终端设备没有数据处理能力，只提供键盘和显示器，用于将程序和数据输入计算机主机和从主机获得计算结果。计算机主机分时、轮流地为各个终端执行计算任务。 图1.6 计算机主机与终端之间的数据传输 这种计算机主机与终端之间的数据传输，就是最早的计算机通信。 尽管有的应用中计算机主机与终端之间采用电话线路连接，距离可以达到数百千米，但是，在这种体系架构下构成的计算机终端与主机的通信网络，仅仅是为了实现人与计算机之间的对话，并不是真实意义上的计算机与计算机之间的网络通信。 1.2.2 分组交换网络 一直到1964年美国兰德（Rand）公司的Baran提出“存储转发”和1966年英国国家物理实验室的Davies提出“分组交换”的方法，独立于电话网络的、实用的计算机网络才开始了真正的发展。 分组交换的概念是将整块的待发送数据划分为一个个更小的数据段，在每个数据段前面安装上报头，构成一个个的数据分组（Packets) 。每个数据分组的报头中存放有目标计算机的地址和报文包的序号，网络中的交换机根据数据的这种地址决定向哪个方向转发数据。在这样概念下由传输线路、交换设备和通信计算机建设起来的网络，被称为分组交换网络（见图1.7) . 图1.7 分组交换网络 分组交换网络的概念是计算机通信脱离电话通信线路交换模式的里程碑。在电话通信线路交换的模式下，在通信之前，需要先通过用户的呼叫（拨号），由网络为本次通信建立线路。这种通信方式不适合计算机数据通信的突发性、密集性特点。而分组交换网络则不需要建立通信线路，数据可以随时以分组的形式发送到网络中。分组交换网络不需要建立呼叫线路的关键在于其中每个数据包（分组）的报头中都有目标主机的地址，网络交换设备根据这个地址就可以随时为单个数据包提供转发，将之沿正确的路线送往目标主机。 美国的分组交换网ARPANET于1969年12月投入运行，被公认为是最早的分组交换网。法国的分组交换网CYCLADES开通于1973年，同年，英国的NPL也开通了英国第一个分组交换网。到今天，现代计算机网络--以太网、帧中继、互联网都是分组交换网络。 1.2.3 以太网 以太网（见图1.8）目前在全球的网络技术中占有支配地位。以太网的研究起始于1970年早期的夏威夷大学，目的是要解决多台计算机同时使用同一传输介质而相互之间不产生干扰的问题。夏威夷大学的研究结果奠定了以太网共享传输介质的技术基础，形成了享有盛名的CSMA/CD方法。 图1.8 以太网 以太网的CSMA/CD方法是在一台计算机需要使用共享传输介质通信时，先侦听该共享传输介质是否已经被占用。当共享传输介质空闲的时候，计算机就可以抢用该介质进行通信。所以CSMA/CD方法又称为总线争用方法。 与现代以太网标准相一致的第一个局域网是由施乐公司的Robert Metcalfe和他的工作小组建成的。1980年由数字设备公司、英特尔公司和施乐公司联合发布了第一个以太网标准Ethernet。这种用同轴电缆为传输介质的简单网络技术立即受到了欢迎，20世纪80年代，用10Mbps以太网技术构造的局域网迅速遍布全球。 1985年，电气和电子工程学会IEEE发布了局域网和城域网的802标准，其中的802.3是以太网技术标准。802.3标准与1980年的Ethernet标准的差异非常小，以至同一块以太网卡可以同时发送和接收802.3数据帧和Ethernet数据帧。 20世纪80年代个人计算机的大量出现和以太网的廉价，使得计算机网络不再是一个奢侈的技术。10Mbps的网络传输速度很好地满足了当时相对较慢的个人计算机的需求。进入90年代以后，计算机的运行速度、需要传输的数据量越来越高，100Mbps的以太网技术随之出现。IEEE100Mbps以太网标准，被称为快速以太网标准。1999年IEEE又发布了千兆以太网标准。 今天，现代以太网几乎成为一统天下的网络主流技术。在1994-2010年的16年中，以太网技术发生了革命性的变化，运行速率从10Mbps上升到10Gbps。目前100Gbps的方案也正在开发之中，其标准已于近期发布。现代网络对带宽的需求，促使铜缆与光缆的技术革新，反过来促进了更高的带宽传输技术的出现。现代网络被要求拥有更高的带宽能力、更广泛的传输内涵。在经历了令牌网、FDDI网，甚至ATM网络技术的挑战后，现代以太网以其高速、简单、价低、灵活、可靠、可扩展性等优异的性能特性，开始向有线电视、3G移动通信领域快速渗透。 1.2.4 互联网 互联网是全球规模最大、应用最广的计算机网络。它是由院校、企业、政府的局域网自发地加入而发展壮大的超级网络，连接有数千万的计算机、服务器。在互联网上发布商业、学术、政府、企业的信息，以及新闻和娱乐的内容和节目，极大地改变了人们的工作和生活方式。 互联网的前身是1969年问世的美国ARPANET。到了1983年，ARPANET已连接有超过300台计算机。1984年ARPANET被分解为两个网络；一个用于民用，仍然称为ARPANET；另外一个用于军用，称为MILNET。美国国家科学基金组织NSF于1985-1990年期间建设由主干网、地区网和校园网组成的三级网络，称为NSFNET，并与ARPANET相连。到了1990年，NSFNET和ARPANET合在一起改名为互联网。随后，互联网上计算机接入的数目与日俱增，为了进一步扩大互联网，美国政府将互联网的主干网交由非私营公司经营，并开始对互联网上的传输收费，互联网由此得到了迅猛的发展。 我国最早的互联网建设是1994年4月完成的NCFC与互联网的接入项目。由中国科学院主持，联合北京大学和清华大学共同完成的NCFC（中国国家计算与网络设施）是一个在北京中关村地区建设的超级计算中心。NCFC通过光缆将中科院中关村地区的30多个研究所及清华、北大两所高校连接起来，形成NCFC的计算机网络。到1994年5月，NCFC已连接了150多个以太网，3000多台计算机。我国的商业互联网--ChinaNet由中国电信和中国网通始建于1995年。ChinaNet通过美国MCI公司、Global One公司、新加坡Telecom公司、日本KDD公司与国际互联网连接。目前，ChinaNet骨干网已经遍布全国35个省、直辖市、自治区，干线速度达到数十Gbps，成为国际互联网的重要组成部分。 互联网已经成为世界上规模最大、增长速度最快的计算机网络，没有人能够准确说出互联网具体有多大、多快。联合国世界电信论坛会议副主席John Roth说： “互联网带宽每9个月会增加一倍的容量，但成本降低一半，比晶片变革速度每18个月翻一番还快。”这一定律被称为新摩尔定律。摩尔定律过去用来形容半导体科技的快速变革，平均每18个月，晶片的容量会成长一倍，成本却减少一半。新摩尔定律展现了互联网高速发展的现实。今天，我们的互联网概念，已经不仅仅指所提供的计算机通信链路，而且还指参与其中的服务器所提供的信息和服务资源。计算机通信链路、信息和服务资源整体，这些概念一起组成了现代互联网的体系结构。 小结 网络传输介质在网络中承担传输任务，交换机、路由器等网络设备负责通信报文在各传输介质之间的转发，网络终端则是网络通信的发起者与使用者。由网络传输介质、网络设备和网络终端组成的计算机网络是当今信息化社会不可缺少的组成部分，成为企业、政府和社会活动依赖的、极为重要的技术。 本章概述了网络的分类，使读者能够对网络有一个初步了解。本章还讨论了信号传输的基本原理和性质、信号的频带宽度与电缆的频带宽度等内容，这些内容是我们学习网络的基础，在后续章节中将会反复用到。 全球有数百万个局域网和将这些局域网互联起来而形成的广域网。局域网覆盖的范围为一个建筑物或一个建筑物群，为某个企业、政府部门或社会服务部门所有。像国家金审网、北京市地税网、银联网等网络的地域覆盖范围达到整个城市、全国甚至更大，这样的网络称为广域网。最大的网络是互联网，其重要性是不言而喻的。我们将在后续章节中详细介绍本章提出的各种网络概念，形成更清晰、完整的网络知识体系。第2章 网络传输介质 网络用传输介质将孤立的计算机和网络设备连接到一起，由网络设备为计算机之间的通信转发数据报文，进而完成数据传输功能。传输介质为计算机和网络设备之间提供链路，是网络的重要组成部分。 主流的计算机网络传输介质是双绞线电缆、光缆和微波。50Ω同轴电缆在20世纪90年代初期扮演着局域网传输介质的主要角色，但是在我国，90年代中期开始50Ω同轴电缆被双绞线电缆所淘汰。最近几年，随着Cable Modem技术的引入，大量使用75Ω电视同轴电缆实现互联网接入，同轴电缆又回到了计算机网络传输介质的行列。 2.1 数据传输的基本概念2.1.1 信息、数据和信号 信息反映了事务、行为的客观状态。车辆的行驶信息、航班的抵达信息、客户的账务信息、企业的资信信息、地方税收的征纳信息、国家的经济信息、国土的地理信息，各种信息需要进入计算机存储与处理，需要通过网络传输与共享。 信息也可以用数字的形式表示。为了进行计算机存储、处理和网络传输，信息需要数据化。数字化的信息称为数据。数据是承载信息的实体，信息则是数据的内在含义或解释。一类信息用数字表示应该是连续值，如声音强度、地面温度，这类信息是连续变化的。另一类信息数据，如成绩、名次等的取值是离散的。在对信息数字化的过程中，由于计算机小数点后保留位数有限，连续取值的信息和离散取值的信息，数字化后都是离散的。 为了进行数据传输，数据需要使用电压信号、光信号、电磁波信号进行发送与接收。计算机将数据封装为报文，转变为信号，由传输介质（如导线）将信号传输到网络设备（如网络交换机）。网络设备将信号转换为数据报文，查看报文中报头中的地址，再将报文转换为信号发送给另外的传输介质（如另外一根导线），传输到目标计算机。目标计算机最终将信号还原成数据。上述过程见图2.1. 图2.1 数据与信号 2.1.2 模拟信号与数字信号 如图2.2所示，信号有如下三种类型： 模拟信号、正弦波信号和数字信号。 图2.2 信号的种类 模拟信号是一种连续变化的信号。正弦波信号实际上还是模拟信号，但是由于正弦波信号是一个特殊的模拟信号，所以在这里我们把它单独作为一个信号类型。模拟信号的取值是连续的。 数字信号是一种0、1变化的信号。数字信号的取值是离散的。 数据既可以用模拟信号表示，又可以用数字信号表示。 计算机是一种使用数字信号的设备，因此计算机网络最直接、最高效的传输方法就是使用数字信号。在一些应用场合不得不使用模拟信号传输数据时，需要先把数字信号转换成模拟信号，待数据传送到目的地后，再转换回数字信号。 2.1.3 信号带宽与电缆带宽 不管是模拟信号还是数字信号，都是由大量频率不同的正弦波信号合成的。信号理论解释为： 任何一个信号都是由无数个谐波（正弦波）组成的。数学解释为： 任何一个函数都可以用傅里叶级数展开为一个常数和无穷个正弦函数。 图2.3 任意一个信号y(t)，都是由不同频率ωi的谐波组成的。 图2.3中，A0是信号y(t)的直流成分。sinω1t、sinω2t、sinω3t…是y(t)的谐波。A1、A2、A3…是各个谐波的大小（强度）. ω1、ω2、ω3…是谐波的频率。随着频率的增长，谐波的强度减弱。到了一定的频率ωi，其信号强度Ai会小到可以忽略不计。也就是说，一个信号y(t)的有效谐波不是无穷多的，信号y(t)可以被认为是由有限个谐波组成的，其最高频率的谐波的频率是ωmax. 定义： 一个信号有效谐波所占的频带宽度，称为这个信号的频带宽度，简称信号频宽或信号带宽。 模拟量电信号的频率比较低，如声音信号的带宽为20Hz～20kHz。数字信号的频率要高很多，因为从示波器看它的图像，其变化较模拟信号要锐利得多（参见图2.2) 。数字信号的高频成分非常丰富，有效谐波的最高频率一般都达几十MHz. 为了把信号不失真地传送到目的地，传输电缆需要把信号中所有的谐波不失真地传送过去。遗憾的是传输电缆只能传输一定频率的信号，频率过高的谐波将会急剧衰减而丢失。例如，普通电话线电缆的带宽是2MHz，它能轻松地传输语音电信号，但是对于数字信号（几十MHz) ，电话电缆就无法传输了。因此如果用电话电缆传输数字信号，就必须把它调制成模拟信号才能传输，而普通双绞线电缆的带宽高达100MHz，所以可以直接传输数字信号。 电缆对过高频率的谐波衰减得厉害的原因是电缆自身形成的电感和电容作用，而谐波的频率越高，电缆自身形成的电感和电容对其产生的阻抗就越大。不同电缆具有不同的传输带宽。一个信号能不能不失真地使用某种类型的电缆，取决于电缆的带宽是否大于信号的带宽。 定义： 电缆能够传输谐波信号的频率范围，称为该电缆的频带宽度，简称电缆频宽或电缆带宽。 使用数字信号传输的优势是抗干扰能力强，传输设备简单。缺点是需要传输电缆具有较高的带宽。使用模拟信号传输对传输介质的要求较低，但是抗干扰能力弱。 容易混淆的是，不管英语还是汉语，“带宽，Bandwidth”这个术语既被拿来描述网络电缆的频率特性，又被用于描述网络的通信速度。更容易混淆的是都用K、M来表示其单位。描述网络电缆的频率特性时，我们用kHz、MHz，简称K、M；描述网络的通信速度时，我们用Kbps、Mbps。仍然简称K、M. 2.2 电缆传输介质2.2.1 主要的电缆传输介质 用于网络信号传输的主要电缆是网线和同轴电缆。网线的名称是双绞线电缆（twisted pair cable) ，既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号。局域网络中90%的传输依靠双绞线电缆。同轴电缆在20世纪90年代是网络的主要传输介质，其位置到现在已经被双绞线电缆所取代。目前，同轴电缆在网络通信中只起对双绞线电缆和光缆的补充作用。 双绞线电缆分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)两大类。 1) UTP电缆 非屏蔽双绞线是最常用的网络连接传输介质。如图2.4所示，UTP电缆的最外层由PVC等绝缘材料包裹，内部有4对绝缘塑料包皮的铜线。8根铜线每两根互相扭绞在一起，形成线对。线缆扭绞在一起的目的是相互抵消彼此之间的电磁干扰。扭绞的密度沿着电缆循环变化，可以有效地消除线对之间的串扰。每米扭绞的次数需要精确地遵循规范设计，也就是说双绞线电缆的生产、加工需要非常精密的设备和工艺。 因为非屏蔽双绞线的英文名字是unshielded twisted-pair cable，所以我们将非屏蔽双绞线简称为UTP电缆。UTP电缆的4对线中，有两对作为数据通信线，另外两对作为语音通信线。因此，在电话和计算机网络的综合布线中，一根UTP电缆可以同时提供一条计算机网络线路和两条电话通信线路。 UTP电缆有许多优点： 电缆直径细，容易弯曲，因此易于布放；价格便宜。UTP电缆的缺点是其对电磁辐射采用简单扭绞，靠互相抵消的处理方式。因此，在抗电磁辐射方面，UTP电缆相对同轴电缆（电视电缆和早期的50Ω网络电缆）处于下风。人们曾经一度认为UTP电缆还有一个缺点是数据传输的速度慢。但是事实上，UTP电缆现在可以传输高达1000Mbps的数据，是铜缆中传输速度最快的通信介质。 2) STP电缆 屏蔽双绞线shielded twisted-pair cable (STP)结合了屏蔽、电磁抵消和线对扭绞的技术（见图2.5) 。同轴电缆和UTP电缆的优点，STP电缆都具备。在以太网中，STP可以完全消除线对之间的电磁串扰。最外层的屏蔽层可以屏蔽来自电缆外的电磁EMI干扰（electromagnetic interference)和无线电RFI干扰（radio frequence interference). 图2.4 非屏蔽双绞线（UTP) 图2.5 屏蔽双绞线（STP) STP电缆的缺点主要有两点： 一是价格贵；二是安装复杂。安装复杂是因为STP电缆的屏蔽层接地问题。电缆线对的屏蔽层和外屏蔽层都要在连接器处与连接器的屏蔽金属外壳可靠连接。交换设备、配线架也都需要良好接地。因此，STP电缆不仅材料本身成本高，而且安装的成本也相应增加。施工成本中，收费通常是材料成本乘以百分之十几。所以，当布放屏蔽双绞线电缆时，施工费用增加是合理的。 有一种STP电缆的变形，称为ScTP电缆。ScTP电缆把STP电缆中各个线对上的屏蔽层取消，只留下最外层的屏蔽层，以降低线材的成本和安装复杂程度。ScTP电缆中线对之间串扰的克服与UTP电缆一样由线对的扭绞抵消来实现。ScTP电缆的端接相对STP电缆要简单，这是因为免除了线对屏蔽层的接地工作。 屏蔽双绞线抗电磁辐射的能力很强，适合在工业环境和其他有严重电磁辐射干扰或无线电辐射干扰的场合布放。另外，屏蔽双绞线的外屏蔽层有效地屏蔽了线缆本身对外界的辐射。在军事、情报、使馆，以及审计署、财政部这样的政府部门，都可以使用屏蔽双绞线来有效地防止外界对线路数据的电磁侦听。对于线路周围有敏感仪器的场合，屏蔽双绞线可以避免对它们的干扰。 屏蔽双绞线电缆中，除了4对通信线对外，增加一条金属铜导线，用于电缆接地，可以加强双绞线的数据传输和抗干扰能力。屏蔽双绞线的端接需要可靠地接地，否则会引入更严重的噪声。这是因为屏蔽双绞线的屏蔽层此时就会像天线一样去感应周围所有的电磁信号。 2.2.2 网络电缆的频率特性 通常的双绞线电缆具有100MHz的频率带宽，可以覆盖数字信号的所有谐波。高端的双绞线电缆具有更高的频率响应特性，可以高达600MHz，接近有线电视电缆的频率响应特性。几种双绞线电缆的频率响应特性如下。 5类双绞线电缆： 100MHz 超5类双绞线电缆：100MHz 6类双绞线电缆：250MHz 7类双绞线电缆：600MHz上面所说的几类电缆，是美国的电气工业协会/电信工业协会（EIA/TIA）制定的评估标准的分类。EIA/TIA将双绞线电缆分为多个等级，每个等级的传输速率和应用环境都不相同，标准如下。 1类双绞线电缆（Category 1) : 20世纪80年代初之前的电话线缆，只能用于传输语音，不用于数字信号的传输。 2类双绞线电缆（Category 2) : 频带宽度为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数字信号传输，曾经是旧的令牌网低速传输（4Mbps）使用的电缆。 3类双绞线电缆（Category 3) : 是ANSI和EIA/TIA568标准制定时的主要数字信号传输电缆，频带宽度为1～16MHz，可以传输10Mbps速率的数字信号，服从10base-T的标准规范（第4章将学习），也可用于语音传输。3类双绞线电缆目前市场较少，但仍然有售，其价格是5类双绞线电缆的一半。 4类双绞线电缆（Category 4) : 该类电缆的频率带宽为1～20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T局域网。在5类双绞线电缆出现后，生产厂商已经不再生产该类电缆。 5类双绞线电缆（Category 5) : 该类电缆的频率带宽为1～100MHz，可以承担传输速率达到100Mbps的数字信号传输，满足100base-T的标准规范。该类电缆增加了绕线密度，外套较高质量的绝缘材料，是局域网中通用的网络传输电缆。 超5类双绞线电缆（Enhanced Category 5) : 超5类双绞线电缆与5类双绞线电缆的频率特性完全相同，也是100MHz。但是，超5类双绞线电缆比5类双绞线电缆具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（Structural Return Loss）要求，具有比5类电缆更小的衰减、更强的抗串扰能力和更小的时延误差，性能较普通5类电缆优越。只有超5类电缆的这些品质特性，才能保证100Mbps这样更高传输速度的数字信号要求。目前超过95%的局域网建设中使用超5类双绞线电缆。 6类双绞线电缆（Category 6) : 该类电缆的频率带宽达到250MHz. 6类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超5类双绞线电缆的带宽，能满足千兆位以太网需求。 7类双绞线电缆（Category 7) : 是由欧洲提出的标准，是ISO类级标准最高的一类双绞线电缆。该类电缆主要是为了适应万兆位以太网技术的应用和发展。7类双绞线电缆只能使用屏蔽双绞线，频率带宽至少可达500MHz，是6类双绞线电缆和超5类双绞线电缆的2倍以上，传输速率可达10Gbps. 快速以太网的传输速度是100Mbps (million bits per second) ，其信号的频宽约70MHz; ATM网的传输速度是150Mbps，其信号的频宽约80MHz；千兆网的传输速度是1000Mbps, 其信号的频宽接近100MHz。因此，用5类和超5类双绞线电缆能够满足目前网络传输对频率响应特性的要求。6类双绞线电缆是一个较新级别的电缆，其频率带宽可以达到250MHz. 2002年7月20日，TIA/EIA-568-B.2.1公布了6类双绞线的标准。6类双绞线除了要保证频率带宽之外还要达到更高要求，其他参数的要求也颇为严格。例如，串扰参数必须在250MHz的频率下测试。7类双绞线是欧洲提出的一种屏蔽电缆STP的标准，其计划频率带宽是600MHz。目前还没有制定出相应的测试标准。 双绞线的分类通常简写为CAT 5、CAT 5e、CAT 6和CAT 7. 2.2.3 双绞线的端接 计算机网卡、集线器、交换机、路由器等网络设备上都配置有网络接口，以便连接双绞线电缆。计算机网络设备中使用的网络接口是RJ45端口。图2.6中的交换机有16个RJ45端口，可以用来连接16台计算机。在网卡上和建筑物中的墙壁面板上也需要有这种RJ45端口，用于连接网线。RJ45端口实际上是一个可以拆卸的RJ45模块。与电话线端接使用的RJ11连接器和电话机上的RJ11端口模块接近，只是RJ11需要端接两对线，RJ45端口需要端接4对线。 图2.6 RJ45连接器和RJ45端口 为了将UTP电缆连接到网络端口上，需要在电缆的两端安装RJ45连接器（如图2.6所示）。在100Mbps快速以太网中，网卡、集线器、交换机、路由器用双绞线连接需要两对线，一对用于发送；另一对用于接收。EIA/TIA-T568标准规定，PC机的网卡和路由器使用1、2线对用作发送端，3、6线对用作接收端。交换机和集线器与之相反，使用3、6线对作为发送端，1、2线对作为接收端。 计算机与交换机或集线器连接时，因为计算机网卡中的RJ45端口使用1、2接插点用作数据发送端（如图2.7所示），交换机的1、2接插点恰好用作数据接收，所以UTP电缆的两端在连接器的端接顺序应该完全一样。这样端接的UTP电缆被称为直通线。 图2.7 直通线 交换机和集线器有时候为了扩充端口的数量，或者延伸网络的长度（双绞线电缆UTP和STP的最大连接长度是100m) ，需要用UTP电缆来连接交换机和集线器。由于两端都是交换机或集线器，网络端口完全一样，即RJ45端口都是用1、2接插点作为接收，用3、6接插点作为发送，所以UTP电缆一端接1、2接插点的线对，需要交叉到另外一端的3、6。线对在两端交叉端接的UTP电缆如图2.8所示，被称为交叉电缆。两台计算机网卡直接连接也需要使用交叉电缆，道理是一样的。 图2.8 交叉线 为了便于双绞线端接时辨别线序，双绞线的每根线在出厂时都标有颜色，被称为色谱。双绞线中8根线的色标分别是橙色、橙色白色条纹、绿色、绿色白色条纹、蓝色、蓝色白色条纹、棕色和棕色白色条纹。表2.1给出了根据TIA/EIA 568-B标准的直通线线序排列说明。表2.1 直通线的线序图 12345678A端橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕B端橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕 对于直通线来说，双绞线电缆两端端接的线序是一样的，色谱排列自然也一样。我们注意到所有线对中两根线是排在一起的，只有绿色线对中绿白和绿色线被分别排在3和6的位置上。这时因为按照图2.6的排列，需要把4、5位置留出来。双绞线电缆使用1、2、3、6的位置分别作为发送线对和接收线对，而不是简单地定为1、2、3、4，是为了把最中间的4、5位置留出来，以便兼容RJ11。也就是说，UTP电缆的4、5线对可以承载一条电话线路。同时，电话线一端的RJ11连接器可以直接插入RJ45端口模块。 在制作交叉双绞线连接电缆时，TIA/EIA 568-B标准线序排列如表2.2所示。表2.2 交叉线的线序图 12345678A端橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕B端绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕 交换机和集线器的发送端口与接收端口的设置与计算机网卡的设置正好相反的目的是使计算机与交换机和集线器的连接线缆的端接简化。我们知道，制作UTP的直通线要比制作交叉线简单。尤其是需要先在建筑物内布线，再用UTP跳线将计算机与交换机连接在一起的场合，直通线的使用可以避免线序的混乱，如图2.9和图2.10所示。 图2.9 建筑物内的网络布线 图2.10 建筑物中墙面上的网络端口 2.2.4 双绞线及双绞线端接的测试 为保证信号可靠传输，传输介质以及线缆的布放和端接，必须进行全面的测试。借助电缆测试仪器，这些测试是确保网络能够在高速度、高频率的条件可靠工作的必要保证。最后的性能参数必须满足某一个公认的测试标准。目前国际流行的有三个标准： 美国的TIA/EIA-568标准、ISO/IEC 11801标准、欧洲的EN 50173标准。 主要的双绞线电缆及双绞线电缆布放和端接的测试参数为： 线序wire map 连接conection 电缆长度cable length 直流电阻DC resistance 阻抗impedance 衰减attenuation 近端串扰near-end crosstalk(NEXT) 功率和近端串扰power sum near-end crosstalk(PSNEXT) 等效远端串扰equal-level far-end crosstalk(ELFEXT) 功率和远端串扰power sum equal-level far-end crosstalk(PSELFEXT) 回返损失return loss 传导延时propagation delay 时延差delay skew线序测试是指测试双绞线两端的8条线是否正确端接。当然，线序测试也测试了线缆是否有断路或开路。线序测试也完成了连接测试，确保线缆质量及端接的可靠。 根据TIA/EIA-568标准，双绞线电缆长度不得超过100m. 直流电阻和交流阻抗超标，会造成衰减指标超标。直流电阻太大，会使电信号的能量消耗为热能。交流阻抗过大或过小，会造成两端设备的输入电路和输出电路阻抗不匹配，导致一部分信号像回声一样反射回发送端设备，造成接收端信号衰弱。另外，交流阻抗在整个线缆长度上应该保持一致，不仅从端点测试的交流阻抗需要满足规范，而且沿着线缆的所有部位都应该满足规范。 回返损失测试由于沿线缆长度上交流阻抗不一致而导致信号能量的反射。回返损失用分贝来表示，是测试信号与反射信号的比值。因此，电缆测试仪上回返损失测试结果的读数越大越好。TIA/EIA-568标准规定回返损失应该大于10个db. 衰减是所有电缆测试的重要参数，是指信号通过一段电缆后信号幅值的降低。电缆越长，直流电阻和交流阻抗越大，信号频率越高，衰减就越大。图2.11 串扰 串扰是指一根线缆电磁辐射到另外一根线缆（见图2.11) 。当一对线缆中的电压变化时，就会产生电磁辐射能量。这个能量就像无线电信号一样发射出去，而另外一对线缆此时就会像天线一样，接收这个能量辐射。频率越高，串扰就越显著。双绞线就是要依靠扭绞来抵消这样的辐射。如果电缆不合格，或者端接的质量不合格，双绞线依靠扭绞来抵消串扰的能力就会降低，造成通信质量下降，甚至不能通信。 TIA/EIA-568标准中规定，5类双绞线的近端串扰值小于等于24db才算合格。网络工程师们直观的感觉是测试结果的近端串扰数值越小，质量应该越好。为什么近端串扰数值越大越好呢？原因是TIA/EIA-568标准中规定，5类双绞线的近端串扰值是在信号发射端的测试信号的电压幅值与串扰信号幅值之比。比的结果用负的分贝数来表示。负的数值越大，反映噪声越小。传统上，电缆测试仪并不显示负数，所以从测试仪上读出30db（实际结果是-30db）要比读数为20db好。 电缆测试仪在测试串扰时，先在一对线缆中发射测试信号，然后测试另外一对线缆中的电压数值。这个电压就是由于串扰而产生的。 我们知道，近端串扰随着频率升高而显著。因此，我们在测试近端串扰的时候应该按照ISO/IEC 11801标准或TIA/EIA-568标准，对所有规定的频率完成测量。有些电缆测试仪为了缩短测试时间，只在几个频率点上测试，从而容易忽视隐藏频率测试点上的链路故障。 等效远端串扰是指远离发射端的另外一端形成的串扰噪声。由于衰减的原因，一般情况下，如果近端串扰测试合格，远端串扰的测试也能够通过。 功率和近端串扰是指来自所有其他线对的噪声之和。在早期的双绞线使用中我们只使用两对线缆来完成通信。一对用于发送；另一对用于接收。另外两对电话线对的语音信号频率较低，串扰很微弱。但是，随着DSL技术的使用，数据线旁边电话线对的语音线也会有几兆频率的数据信号。另外，千兆以太网开始使用所有4对线，经常会有多对线同时向一个方向传输信号。近代通信中，多对线缆中同时通信的串扰的汇聚作用对信号是十分有害的。因此，TIA/EIA-568-B开始规定需要测试功率和串扰。 造成直流电阻、交流阻抗、衰减、串扰等指标超标的原因除了线缆质量问题外，更多的是端接质量差（见图2.12) 。如果测试出上述指标或某项指标超标，一般都判断是端接问题。剪掉原来的RJ45连接器，重新端接，一般都可以排除这类故障。 图2.12 端接的质量 传导延时是对信号沿导线传输速度的测试。传导延时的大小取决于电缆的长度、线绞的疏密以及电缆本身的电特性。长度、线绞是随应用而定的。所以，传导延时主要是测试电缆本身的电特性是不是合格。TIA/EIA-568-B对不同类的双绞线有不同的传导延时标准。对于5类UTP电缆，TIA/EIA-568-B规定不得大于1μs。传导延时测量是电缆长度测量的基础。测试仪器测量电缆长度是依据传导延时完成的。由于电线是扭绞的，所以信号在导线中行进的距离要多于电缆的物理长度。电缆测试仪器在测量时，发送一个脉冲信号。这个脉冲信号沿同线路反射回来的时间就是传导延时。这样的测试方法被称为时域反射仪测试（time domain reflectometry test) ，或TDR测试。TDR测试不仅可以用来测试电缆的长度，也可以测试电缆中短路或断路的地方。当测试脉冲碰到短路或断路的地方时，脉冲的部分能量，甚至全部能量都会反射回测试仪器。这样就可以计算出线缆故障的大体部位。 信号沿一条UTP电缆的不同线对传输，其延迟会有一些差异。这是因为线缆电特性不一致造成的。TIA/EIA-568-B标准中的时延差（delay skew）参数就是这种差异的测试。延迟差异对于高速以太网（比如千兆以太网）的影响非常大。这是因为高速以太网使用几个线对同时传输数据，如果延迟差异太大，从几对线分别送出的数据在接收端就无法正确地装配。 对于没有使用那么高速度的以太网（如百兆以太网），因为数据不会拆开用几对数据线同时传送，所以工程师往往不注意这个参数。但是，时延差参数不合格的电缆在未来升级到高速以太网的时候就会遇到麻烦。下面列出了TIA/EIA-568-B对5类双绞线电缆常用测试参数的标准。图2.13 Fluke DSP-LIA013 电缆测试仪 长度（length) <90m 衰减（attenuation) <23.2db 传导延时(propagation delay) <1.0μs 直流电阻(DC resistance) <40 ohm 近端串扰(near-end crosstalk loss) >24db 回返损耗(return loss) >10db要完成电缆测试，必须使用电缆测试仪器。便携式电缆测试仪器的单价平均在3万元人民币左右。图2.13显示的是Fluke DSP-LIA013，它是大多数网络工程师所熟悉的便携式电缆测试仪，可以测试超5类双绞线电缆。 最后需要强调的是，网络布线不仅需要采购合格的材料（包括线缆和连接器），而且需要合格的施工（包括布放和端接）。电缆测试应该在施工完成后进行。这不仅可以测试线缆的质量，而且可以测试连接器、耦合器，更重要的是线缆布放的质量和端接的质量。 2.3 光纤传输介质 2.3.1 光缆 光缆（optical fiber cable）是高速、远距离数据传输的最重要的传输介质，多用于局域网的干线段和广域网的远程链路。在UTP电缆传输千兆位的高速数据还不成熟的时候，实际网络设计中工程师在千兆位的高速网段上完全依赖光缆。即使现在已经有可靠的用UTP电缆传输千兆位高速数据的技术，但是，由于UTP电缆的距离限制（100m) ，局域网的干线仍然要使用光缆（局域网上多用的多模光纤的标准传输距离是2km) 。在网络发展的今天，广域网成为网络建设的主要方向。单模光纤的传输距离超过几十km，成为广域网使用的重要网络传输介质。 光缆完全没有对外的电磁辐射，也不受任何外界电磁辐射的干扰，所以在周围电磁辐射严重的环境下（如工业环境中），以及需要防止数据被非接触侦听的需求下，光缆是一种可靠的传输介质。