网络电缆系统对电涌的敏感性

为了免受上述由于系统间地线噪声,电涌以及闪电产生的瞬间电流等问题的影响,人们想出了许多方法来隔离保护网络电缆系统。而实验测试和事实表明在有些情况下上述措施可能失效,实际上大多数网络数据电缆抗干扰性很好,但RS-232连接、AVI接口电缆和调制解调器电话线是例外。

台式机一般都采用内置网卡来连接网络。网卡也叫“网络适配器”网卡是局域网中最基本的部件之一,它是连接计算机与网络的硬件设备。无论是双绞线连接、同轴电缆连接还是光纤连接,都必须借助于网卡才能实现数据的通信。

摘要:

现在比较流行的两种网络互联系统符合IEEE802.3
(即IEC88023)国际标准,该标准明确要求在传输媒介( 网络电缆) 和媒介连接附件MAU( Medium
AttachmentUnit)之间必须采取隔离措施。MAU是网络节点上的一种电路装置,它使节点和传输媒介偶合。这种隔离是消除网络系统态干扰的关键措施。网络结构不同,隔离措施和隔离性能也不一样,下面讲讲它们之间的区别:

按网卡的总线接口类型来分我们一般可分为早期的ISA接口网卡、PCI接口网卡。目前在服务器上PCI-X总线接口类型的网卡也开始得到应用,笔记本电脑所使用的网卡是PCMCIA接口类型的。下面小编为大家详细介绍以太网卡是什么的相关知识。

 
  
本文摘抄并整理了以太网相关理论知识,包括CSMA/CD协议机制及工作、LAN互连,详细分析了Ethernet
II帧格式,最后给出Ethernet II帧实例。

LocalTalk电缆 (Apple)

图片 1

 

每个LocalTalk系统的用户或设备通过一个小适配器盒和LocalTalk电缆连接。盒子里有一个小的信号隔离变压器,它使用户硬件和主干网络在电气上完全隔离。结构见图1,设在APC设计中心的国家电源测试实验室作的测试表明:LocalTalk
适配器能经受得住2000伏IEEE587的B类波形电压的冲击测试。由于LocalTalk
适配器的隔离作用,LocalTalk电缆系统从根本上来说是抗电源电涌干扰的, 除非是很高的或能量很大的冲击电压,LocalTalk
网络一般不地被来自系统电缆上的冲击电涌所损坏。

我们日常使用的网卡都是以太网网卡。目前网卡按其传输速度来分可分为10M网卡、10/100M自适应网卡以及千兆网卡。如果只是作为一般用途,如日常办公等,比较适合使用10M网卡和10/100M自适应网卡两种。如果应用于服务器等产品领域,就要选择千兆级的网卡。

一、以太网[1]

令牌环(TOKEN-RING)

一、标准以太网

1.1 概述

令牌环网络设备间通过MAU相连接,MAU里有一个不的信号隔离变压器,它的作用和LocalTalk里MAU的作用相似,如图1示。有关令牌环网的IEEE802.5标准没有明确提出具体的隔离要求,所以制造商不同。令牌环网的抗干扰性能也可能大不一样。

开始以太网只有10Mbps的吞吐量,使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD,Carrier
Sense Multiple Access/Collision
Detection)的访问控制方法,这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接,并且在IEEE
802.3标准中,为不同的传输介质制定了不同的物理层标准,在这些标准中前面的数字表示传输速度,单位是“Mbps”,最后的一个数字表示单段网线长度(基准单位是100m),Base表示“基带”的意思,Broad代表“宽带”。

    以太网(Ethernet)是一种计算机局域网组网技术。IEEE制定的IEEE
802.3标准给出了以太网的技术标准。它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。它很大程度上取代了其他局域网标准,如令牌环网(token
ring)、FDDI和ARCNET。
以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑,但目前的快速以太网(100BASE-T、1000BASE-T标准)为了最大程度的减少冲突,最大程度的提高网络速度和使用效率,使用交换机(Switch
hub)来进行网络连接和组织,这样,以太网的拓扑结构就成了星型,但在逻辑上,以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD(Carrier
Sense Multiple Access/Collision Detect
即带冲突检测的载波监听多路访问)的总线争用技术[1]。

连接设备接口(AUI)

·10Base-5
使用直径为0.4英寸、阻抗为50Ω粗同轴电缆,也称粗缆以太网,最大网段长度为500m,基带传输方法,拓扑结构为总线型;10Base-5组网主要硬件设备有:粗同轴电缆、带有AUI插口的以太网卡、中继器、收发器、收发器电缆、终结器等。

 
  
以太网基于网络上无线电系统多个节点发送信息的想法实现,每个节点必须取得电缆或者信道的才能传送信息,有时也叫作以太(Ether)。(这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体-光以太。后来的研究证明光以太不存在。)
每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址,以保证以太网上所有系统能互相鉴别。由于以太网十分普遍,许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。

大多数以太网卡上有一个15脚的AUI接口与本地HUB或 MAU连接, 其结构如图1示。但它和LocalTalk和令牌环网结构有很大不同,因为其未受隔离保护的AUI线路比较长,AUI终端处的HUB一百米以上也正常运行,但必须确保要有很好的隔离措施。当HUB用 AUI电缆时,一定要遵守以下规则:确保所有使用HUB的用户和HUB 本身由同一个配电盘供电,这能防止产生巨大的系统间地线噪声。AUI线应短于10米。 如果可能的话,让所有的HUB用户和HUB由同一电流断路器保护。

·10Base-2
使用直径为0.2英寸、阻抗为50Ω细同轴电缆,也称细缆以太网,最大网段长度为185m,基带传输方法,拓扑结构为总线型;10Base-2组网主要硬件设备有:细同轴电缆、带有BNC插口的以太网卡、中继器、T型连接器、终结器等。

1.2 CSMA/CD

以太同轴电缆

·10Base-T
使用双绞线电缆,最大网段长度为100m,拓扑结构为星型;10Base-T组网主要硬件设备有:3类或5类非屏蔽双绞线、带有RJ-45插口的以太网卡、集线器、交换机、RJ-45插头等。

    带冲突检测的载波侦听多路访问
(CSMA/CD)技术规定了多台电脑共享一个信道的方法。
这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet,它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网要简单。CSMA/CD使用了以下机制:

IEEE802.3对RG-58型同轴网络电缆作了详细说明:

· 1Base-5 使用双绞线电缆,最大网段长度为500m,传输速度为1Mbps;

style=”color: #0000f0;”>(1)没有任何使用时隙(适配器可以在任何时刻开始传输)

style=”color: #0000f0;”>(2)其他适配器传输时进行载波侦听(侦听到其他适配器在传输,它决不会传输帧)

style=”color: #0000f0;”>(3)传输时进行碰撞检测(检测到其他适配器在传输,它中止自己传输)

style=”color: #0000f0;”>(4)重传之前,适配器等待一个随机时间

“MAU必须提供DRE物理层电路和同轴主干电缆间的隔离。DTE 物理导线和同轴电缆导线或屏蔽层之间的在50Hz、60Hz时的阻抗应大于250千欧。此外DTE物理层和同轴电缆屏蔽线之间在3MHz至30MHz的阻抗应小于15 欧。 隔离方式应能在500Vac,rms下承受一分钟”。

·10Broad-36 使用同轴电缆(RG-59/U
CATV),网络的最大跨度为3600m,网段长度最大为1800m,是一种宽带传输方式;

 
  
注:(2)(3)是以太网适配器通过测量传输前和传输过程中的电压等级进行的。

以太同轴电缆连结方式见图2。 和其它如调制解调器或视频设备与用户设备的连结方式不同,同轴电缆网连接完全在设备内进行隔离。这一点表现为在一端接头多园管与外环有一层塑料绝缘环。在以太网电路板一个单独的隔离区内跨过绝缘工的特殊的绝缘器,用于同轴界面能绝缘高电压,并且使用户工作站和同轴层之间能正常通讯。该系统能很好的阻止电涌(除非电压、能量很大)。为了限制以太网线与工作站之间的高电压,以太网适配器上配有一个高电压“放电器”型电涌抑制器,500Vrms以上的电涌能激发“放电器”半电涌泄放到工作站的杨壳里, 保护了适配器。遗憾的是泄放到工作站机壳的电涌可能会损坏工作站上的其它接口设备,特别是与RS-232接口设备,如打印机、绘图仪(象鼠标器等不需接地的设备不会损坏)。IEEE802.3还要求隔离层两边间的高频阻抗很小,这可用电容滤波器来解决,但它会在网络节点机壳与以太网环之间引起高频噪声,从而给以太网带来系统内部地线噪声,破坏网络通讯。在T8里已讨论了地线噪声的产生原因及后果。IEEE802.3
标准要求所有的以太网同轴电缆部分必须牢固接大地,且只能一点接地。这有助于减小系统间地线噪声。现实中网络管理员应知道以太网接地点位置,应周期性地检测以确保的确是一点接地。

·10Base-F 使用光纤传输介质,传输速率为10Mbps。

适配器从网络层获得数据报,执行以下步骤(CSMA/CD协议工作):

UTP适配器卡和HUB用一个小的隔离变压器提供电隔离,结构如图3示。 除了隔离变压器在用户内部外。它和Localtalk系统比较相似。所以AUI电缆能抗电涌冲击和地线噪声的干扰。的同轴电缆以太网连结不同,UTP 系统在网络电缆和地之间没有滤波器和电涌抑制器,这样用户设备和网络间偶合噪声很小从这一点上说, UTP连接伏于以太网连接。IEEE802.3对10BASE-T电缆的隔离和电涌要求说明如下:

二、快速以太网

(1)成帧,并把帧放到适配器缓冲区中

(2)如果适配器侦听到信道空闲(即在96比特时间内,没有信号能量从信道进入适配器),则开始传输该帧,否则等待直到线路空闲

(3)如果适配器在传输过程中没有检测到其他适配器的信号能量,并且传输了整个帧,则成功传输,否则停止传输,并且传输一个48比特的拥塞信号,传完之后,适配器进入一个指数回退阶段。

(4)如果超过最大尝试次数,则退出传输模块,并向网络层协议报告发送失败

MAU应能隔离DTE物理层电路(包括机壳地)和所有的MDI接线( 包括没有用10BASW-T的导线)。该电气隔离至少能经受得住以下测试中的一种:1)60秒的50  ̄60Hz的1500rms电流的冲击;2)60秒的2250伏直流电;3)1秒钟上升/下降沿为1.
2/50微秒,2400伏脉冲的冲击。测试后阻抗应大于2兆欧(500Vdc时)

随着网络的发展,传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。在1993年10月以前,对于要求10Mbps以上数据流量的LAN应用,只有光纤分布式数据接口可供选择,但它是一种价格非常昂贵的、基于100Mpbs光缆的LAN。1993年10月,Grand
Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fastch10/100和网络接口卡FastNIC100,快速以太网技术正式得以应用。随后Intel、SynOptics、3COM、BayNetworks等公司亦相继推出自己的快速以太网装置。与此同时,IEEE802工程组亦对100Mbps以太网的各种标准,如100BASE-TX、100BASE-T4、MII、中继器、全双工等标准进行了研究。1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3u
100BASE-T快速以太网标准(Fast Ethernet),就这样开始了快速以太网的时代。

    指数回退算法是指一帧连续经历n次碰撞后,适配器随机从0~(2^m
-1)随机选择一个值(假设为K),等待K*512比特时间再传输。这里m为10和n较小的一个,即m=min(n,
10)。

IEEE 802.3-1990标准

快速以太网与原来在100Mbps带宽下工作的FDDI相比它具有许多的优点,最主要体现在快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资,它支持3、4、5类双绞线以及光纤的连接,能有效的利用现有的设施。
快速以太网的不足其实也是以太网技术的不足,那就是快速以太网仍是基于CSMA/CD技术,当网络负载较重时,会造成效率的降低,当然这可以使用交换技术来弥补。
100Mbps快速以太网标准又分为:100BASE-TX
、100BASE-FX、100BASE-T4三个子类。

1.3 LAN互联

上述隔离电涌试验与ANSI(62.4)B类对电源的测试要求很相似。 该测试要求很高,由于要经受这样高标准的测试,所以10BASE-T电缆系统和其它网络电缆系统相比,在抑制系统地线噪声和电涌方面性能要强些。APC 设计中心内的国家电源实验室测试表明用上述测试方法,当电压超过4500伏时隔离无效。还有由于没有屏蔽层,同其它系统相比10BASE-T系统易受到电磁噪声的干扰。

·
100BASE-TX:是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线,一对用于发送,一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B编码方式,信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT
1类布线标准。使用同10BASE-T相同的RJ-45连接器。它的最大网段长度为100米。它支持全双工的数据传输。

(1)中继器

光纤电缆

·
100BASE-FX:是一种使用光缆的快速以太网技术,可使用单模和多模光纤(62.5和125um)。多模光纤连接的最大距离为550米。单模光纤连接的最大距离为3000米。在传输中使用4B/5B编码方式,信号频率为125MHz。它使用MIC/FDDI连接器、ST连接器或SC连接器。它的最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10公里,这与所使用的光纤类型和工作模式有关,它支持全双工的数据传输。100BASE-FX特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或高保密环境等情况下的适用。

 
  
因为信号的衰减和延时,以太网段有距离限制(如10BASE5同轴电缆最长距离500米),中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段,当一段同轴电缆断开,中继器可以保证其他网段正常工作。

光纤电缆和其它电缆相比,不易产生系统间地线噪声和电涌,且不易受到外来干扰影响。因为光纤电缆不导电且有一个很大冲击电压截止值它远远大于用户电力环境中可能出现的最大的冲击电压,所以光纤电缆布线时可以靠近电源线。光纤电缆的抗电冲击性为以太网络的安全提供了保证。

·
100BASE-T4:是一种可使用3、4、5类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。100Base-T4使用4对双绞线,其中的三对用于在33MHz的频率上传输数据,每一对均工作于半双工模式。第四对用于CSMA/CD冲突检测。在传输中使用8B/6T编码方式,信号频率为25MHz,符合EIA586结构化布线标准。它使用与10BASE-T相同的RJ-45连接器,最大网段长度为100米。

(2)集线器

总结

图片 2

 
  
随着应用的拓展,人们逐渐发现星型的网络拓扑结构最为有效,于是设备厂商们开始研制有多个端口的中继器。多端口中继器即为集线器,集线器可以连接到其他集线器或者同轴网络。集线器是物理层设备,当一比特到达某接口时,集线器增强它的信号能量,传输到所有其他接口

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