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1000BASE-T: 在第五类双绞线上实现的千兆以太网
为什么选用1000BASE-T: 在第五类双绞线上实现的千兆以太网
1000BASE-T技术原理
准备在已有的线缆上进行部署
准备在新型双绞线: 5e类双绞线上进行部署
将以太网/快速以太网向高速网络移植
结论
附录A: 千兆以太网结构和对不同媒质的支持
附录B: 1000BASE-T的重要性能参数
附录B: 1000BASE-T的重要性能参数
附录D: 五类现场修正步骤
技术原理
3Com公司Philippe Ginier-Gillet与线缆设计技术公司
Christopher T.Di Minico合著
---- 网络管理人员在预算紧张而且必须维持现有的网络体系时如何在局域网(LAN)上实现对带宽有很高要求的应用呢 最新的以太网技术,1000BASE-T(在五类双绞线上实现有千兆以太网)可以帮助网络管理人员以一种简单而且成本低廉的方式迅速提升网络的性能.
---- 1000BASE-T是一种以太网技术,它在五类线上提供1000Mbps的传输带宽.而五类线是在LAN体系中最广泛采用的物理媒体.IEEE的标准化委员会在1999年六月正式批准1000BASE-T成为一种以太网标准.
---- 本文是专门面对那些需要了解1000BASE-T技术原理的网络管理人员的.它将说明由IEEE 802.3ab特别工作组所设计的1000BASE-T是如何在五类线上运行的,它还将解释如何在现有的五类线设施上实现1000BASE-T以及如何在新的网络上采用增强型五类线(Cat 5e)实现1000BASE-T.
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为什么选用1000BASE-T: 在第五类双绞线上实现的千兆以太网
---- 1000BASE-T(在第五类双绞线上实现的千兆以太网)由于以下几个原因成为网络管理人员的最佳选择之一.它主要满足现有网络中出现的对带宽飞速增长的需求.在这些网络中,新兴的应用不断出现,而在网络边缘交换机也不断增加.千兆以太网既可以保护公司在以太网和快速以太网的设施上已有的投资,它能够提供一种简单而廉价的性能提升办法,同时又能继续使用大量现有的水平线缆传输介质.
飞速增长的带宽需求
---- 在以太网和快速以太网络中出现了很多新兴的对带宽有大量需求的应用.这些应用包括:
Internet和Intranet应用,这些应用可能需要从任何位置向任何位置的数据传送方式.在这些应用中,服务器分布上企业网中的各个位置而用户可以从公司网络的内部或外部访问Web站点.这些应用使得数据传送方式和带宽需求变得日益不可预测.
数据库和备份应用,这些应用需要处理分布在上千上万个服务器和存储系统中的千兆字节或万亿字节的数据.
对带宽有大量需求而对延时又十分敏感的组件应用,例如桌面视频会议或交换式的白板.
出版,多媒体图像和科学模型应用,这些应用生成很多多媒体和图像文件,这些文件的大小飞速增长,从几兆字节到千兆字节甚至到万亿字节.
---- 除了桌面连接选择之外,网络中不断添加的交换机也进一步加大了带宽上的压力.在网络边缘的交换机可以极大地增加业务量,这些数据需要在工作组,服务器或骨干网络的层次上会聚.
在以太网/快速以太网设施上的大量投资
---- 以太网在LAN技术中居于主导的无以伦比的技术.截止到1997年年底,超过500的已有网络连接都是采用以太网技术,这意味着超过11亿8千万台计算机,工作站和服务器都是通过以太网实现互连的1.
---- 以太网/快速以太网的部署包括了网卡,集线器,交换机以及网络管理功能,人员培训和线缆设施等各个方面的投资.实际上,线缆设施是一种长期投资,它一般要持续至少两年的时间,最长则可达到10年.(平均地,将近一半的设施都要使用五年以上的时间2).
在已有的第五类双绞线上实现简单,低成本的性能提升
---- 1000BASE-T可以为以太网/快速以太网络向高速网络的移植提供一种简单,廉价的方案,它还具有以下特点:
1000BASE-T可以将以太网10/100 Mbps的性能提升到1000 Mbps.灵活的10/100和10/100/1000连接可以为现有的以100 Mbps为基础的网络提供平滑的过渡.
1000BASE-T是现有的性能价格比最佳的高速网络技术.1000BASE-T能够继续支持现有的已经过实际检验的快速以太网和V.90/56K调制解调器技术,而且与以太网/快速以太网技术具有相同的成本曲线.实际上,我们预期1000BASE-T技术具有比1000BASE-SX(光纤千兆网络)更突出的性能价格比,而1000BASE-SX 在所有的LAN技术中已经具备了最低的每秒数据传送成本(每Mbps低于1.5美元).
1000BASE-T可以保留以太网的设备和设施投资,其中包括在5类线设施上的已有投资.在墙体,天花板和架空地板中进行线缆更新是既费时而又需要大量投资的工作,而1000BASE-T则不需要进行这些工作.保留5类双绞线设施是十分重要的,这有以下两个原因:
五类线是现今最主要的水平线缆传输介质,它可以为桌面系统和组件会聚业务提供连接(图1).光纤则是不同建筑物之间的互连的主要介质.
五类线是构建基本/骨干网络线缆的重要选择之一,它可以用来连接不同的楼层配线盒.
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1000BASE-T技术原理
千兆以太网媒质规范
---- 千兆以太网可以利用现有的线缆设施,从而获得良好的性能价格比.它可以在楼层内,楼内和园区内的网络上采用,因为它可以支持多种连接媒体和大范围的连接距离.特别地,千兆以太网可以在下列四种媒质上运行:
单模光纤,最大连接距离至少可达5公里
多模光纤,最大连接距离至少550米
平衡,屏蔽铜缆,最大连接距离至少25米
五类线,最大连接距离至少100米
Notes: Figure shows the percentage of organizations that have installed the cable type. Multiple choices were allowed. Other cabling types (Category 6 STP, Category 4, Category 6 UTP, plastic optical fiber) each scored less than 10 percent. Source: Sage Research, December 1998, Network Cabling Market Study
Figure 1. Current Horizontal Network Cable Types
Notes: Figure shows the percentage of organizations that have installed the cable type. Multiple choices were allowed. Other cabling types (Category 3, Category 5e, Category 6 STP, Category 4, Category 6 UTP, plastic optical fiber) each scored less than 10 percent.
Source: Sage Research, December 1998, Network Cabling Market Study
Figure 2.Current Building Backbone Cable Types
---- 1 According to industry analyst International Data Corporation (IDC), Framingham, MA.
---- 2 From the December 1998 Networking Cabling Market Study by Sage Research, Natick, MA.
---- IEEE 802.3z千兆以太网标准于1998年六月获得批准,它为三种传输媒质定义了三种收发器: 1000BASE-LX用于安装单模光纤,1000BASE-SX用于安装多模光纤, 1000BASE-CX用于平衡,屏蔽铜缆,它可以用于机房的互连.1000BASE-LX的收发器也可以于多模光纤,其传送距离至少可达550米.
---- 另一个特别工作小组,IEEE 802.3ab已经定义了在 5类线的基础上运行千兆以太网的物理层.IEEE标准化委员会在1999年六月批准了1000BASE-T标准.图三概括了这几种千兆以太网的选择方案,以及定义它们的标准.
---- 如果要了解更多有关在支持不同媒体上支持千兆以太网的信息,请参阅附录A.
Figure 3. Gigabit Ethernet Media Options and Standards
1000BASE-T重要规范
---- 1000BASE-T可以继续使用现有的线缆设施,它规定在5类线上的传输距离最远可达100米.
---- 1000BASE-T的其他一些重要规范使其成为一种价格低廉,不易被破坏并具有良好性能的技术.首先,它支持以太网MAC,而且可以后向兼容10/l00Mbps以太网技术.其次,很多的1000BASE-T产品都将支持100/1000自动协商功能,1000BASE-T因此可以直接在快速以太网络中通过升级实现.第三,1000BASE-T是一种高性能技术,它每传送100亿比特,其中错误的数据位不会超过一个(误比特率低于10-10 ,这与100BASE-T的误比特率相当).
详细的1000BASE-T线缆规范
---- 1000BASE-T规定可以在五类平衡双绞线上传送数据.在ANSI/EIA/TIA-568-A(1995)中规定了其所采用的四对五类双绞线的性能.其他的链路性能参数(回程损耗和ELFEXT)在TIA/EIA-TSB-95中规定.图4详细地列出了所有与1000BASE-T线缆性能参数规范有关的标准.如想了解更多有关的信息,请参阅附录B.五类线的标准在ISO/IEC 11801: 1995中有规定("信息技术: 用户前端设备的通用线缆").ISO/IEC 11801: 1995的第二版将会规定一些其他的线缆性能参数,以便支持千兆以太网.
1000BASE-T设计
---- 1000BASE-T是专门为在五类双绞线上传送数据而设计的.1Gbps的传送速率可以等效地看作在四对双绞线上,每对的传送速率为250Mbps (250Mbps x 4 = 1Gbps).
---- 1000BASE-T与100BASE-T采用相同的传送时钟频率(125MHz),但是利用了一种更加强大的信号传输和编/解码方案,该方案可以在链路上较100BASE-T多传送一倍的数据.下面是对这两种技术规范的比较:
1000BASE-T: 125MHz x 2比特 = 250Mbps
100BASE-TX: 125MHz x 2比特-符号 = 125M比特-符号/s
---- 请注意: 125M比特-符号/s等效于100Mbps,因为100BASE-T采用一种4B/5B编码-在将信号放到线缆上进行传输之前,每4比特的数据被转换成5比特-符号; 因此有效的比特传送速率为: 125 x 4/5 = 100Mbps.
---- 1000BASE-T可以支持现有的已经获得实际检验的快速以太网和V.90/56K调制解调器技术,从而获得了良好的性能价格比.在802.3快速以太网和V.90或56K调制解调器中实现信号传输和编/解码技术的高级DSP也可以用来实现1000BASE-T.第六页中的表1总结了1000BASE-T可以重新使用的100BASE-T的技术和方案.如果要了解更详细的信息,请参阅附录C.
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准备在已有的线缆上进行部署
---- 在现有的五类线上准备部署1000BASE-T是一个简单明了的过程.第一步是对线缆的安装进行测试,检测其是否适于部署1000BASE-T.如果现有的安装不能满足1000BASE-T所规定的性能参数(这种情况一般不太可能发生),可以采取一些标准的修正措施.
对已有的第五类双绞线安装进行测试
线缆测试信息在ANSI/TIA/EIA-TSB-67,"用于现场测试双绞线系统的传输性能规范"中规定,1995年以后安装的双绞线都应遵循这个规范.
1000BASE-T中其他的测试参数,例如回程损耗和ELFEXT等,在ANSI/TIA/EIA-TSB-95公告,"100欧姆4对五类双绞线的其他传输性能指导"中规定.
当前版本的线缆测试工作中都已经实现了这些附加的测试要求(如果欲查阅线缆测试工具列表,请参阅千兆以太网联盟的网址: http://www.gigabit-ethernet.org/technology/ whitepapers/ gige_0399/copper.html#installed).现场可以先将两个手持式的设备-每个接在需要测试线缆的一端-用一条现场测试电缆连接起来,然后激活1000BASE-T测试功能.测试设备将会指出能否通过1000BASE-T的测试,并指出相应的测试参数.很多现场测试仪器都包括诊断功能,可以用来确定未能通过测试的原因.附录D中列出了修正措施.
调整已有的第五类双绞线以便采用1000BASE-T
---- 如果现有的五类线的安装不能满足1000BASE-T所规定的性能参数要求(这种情况不太可能发生),可以采取在ANSI/TIA/EIA-TSB-95中所详细规定的一些简单的现场操作步骤进行修正.其中提供了三种可以采用的修正方案:
利用高性能的增强型5类线进行修补(请参阅后面定义5e类线的小节)
减少链路中接头的数目
重新连接链路中的一些接头
---- 在附录D中具体介绍修正的措施.在大多数不能满足规范要求的情况中,不需要进行所有的修正措施.
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准备在新型双绞线: 5e类双绞线上进行部署
---- 千兆以太网联盟建议所有为1000BASE-T而设计的新线缆的安装都应当采用5e类线(增强型5类线).5e类线是专门为满足所有1000BASE-T传输性能参数而生产的.在现场测度5e类线的性能时,没有必要进行1000BASE-T所规定的现场测试.
---- 5e类线的规范中包括了一些对于5类线只是作为非正式建议的传输参数(这些参数主要用于测量回程损耗和ELFEXT,请参阅附录B).生产MegaLANTM线缆的Mohawk/CDT(http://www.mohawk-cdt.com)等线缆生产厂商可以保证满足5e类线规范中的参数要求.5e类线还提供了进一步增强冗余,以便在最坏的环境中能够满足1000BASE-T标准的要求.
---- 1000BASE-T标准规定在已经安装了的5类线上传输数据,但它也可以在6类线和7类线系统上运行(请参阅第六页文本框,"其他线缆类型").
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将以太网/快速以太网向高速网络移植
---- 1000BASE-T可以很简便地实现性能的提升,以满足现今网络中对带宽飞速增长的需求.如果因为下述三种情况而出现了网络瓶颈,1000BASE-T是解决拥塞的最佳选择方案:
组件会聚
到高速服务器的连接
桌面连接
---- 下面的例子介绍了从以太网/高速以太网向千兆以太网过渡的一个典型方案.如图5中所述,大楼中最初的骨干网络是10/100Mbps以太网/快速以太网.几个以太网或快速以太网网段集中到一个10/100 Mbps 交换机,这个交换机又为几台服务器提供10/100Mbps连接.一些用户与他们的终端工作站之间有专门的10/100交换式连接.在这个配置中,用户已经开始遇到较长的响应时间而一些高效的用户已经体会到了网络瓶颈的出现.
---- 升级的第一个阶段包括三个方面(图6):
将骨干网络升级为100/1000Mbps快速以太网/千兆以太网交换.
升级工作组交换机,使其可以利用千兆以太网下行链路模块满足高效用户或大型工作组的需求.
在重要的服务器上采用100/1000Mbps快速以太网/千兆以太网网卡.
---- 采取了这些措施之后,干线网络的速率增加了十倍,这样就可以适应总体网络带宽增长的要求了,同时,在工作组交换机,终端工作站网卡和线缆上的已有投资得到了保护.
---- 移植过程的第二个阶段是将高效用户的网卡升级到100/1000Mbps快速以太网/千兆以太网网卡(图7).快速以太网将会在桌面系统上投入使用,而在一段时间之后,将逐步采用千兆以太网,这样就可以使高效的用户充分地访问网络的资源.
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结论
---- 1000BASE-T,在五类线上传送的千兆以太网,可以以一种简单而廉价的方式帮助网络管理人员提升他们的网络性能,同时又能将现有的以太网/快速以太网络向高速网络移植.下面概括了千兆以太网的一些特征:
1000BASE-T是一种以太网技术,其数据传送速率为1000Mbps.
1000BASE-T是为在五类线上传送数据而设计的,而五类线是现在应用最广泛的LAN线缆设施.
1000BASE-T可以采用了部分现有的快速以太网和调制解调器技术,这些技术具有良好的性能价格比而且已经经过了实践的检验.
1000BASE-T可以逐渐地在快速以太网中部署,因为很多1000BASE-T产品都将支持100/1000自动协商功能.
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附录A
千兆以太网结构和对不同媒质的支持
---- 千兆位以太网规范中的技术包括OSI模型中最下面的两层:
数据链路层, 控制对物理传输媒体的访问
物理层, 控制在物理媒体上的实际传输
---- 千兆位以太网可以支持以太网媒体访问控制(MAC)子层,从而实现了数据链路层的功能.MAC子层将上层通信发送的数据封装到以太网的帧结构中,并决定数据的安排,发送和接收方式.千兆位以太网的MAC就是以太网/快速以太网的MAC,这可以保证以太网/快速以太网和千兆位以太网帧结构之间的向后兼容性.
---- MAC层通过千兆媒体无关接口(GMII)发送或接收数据帧.因为GMII的设计允许MAC设备以一种标准方式测试是否存在符合千兆以太网标准的物理层,IEEE 802.3ab委员会可以将注意力主要集中在为五类线上传输的千兆以太网设计物理层上.在IEEE 802.3z特别工作组设计和定义千兆以太网总体标准和在光纤与屏蔽双绞线上的物理层实现方案的同时,IEEE 802.3ab特别工作组定义了1000BASE-T的标准.
---- 物理层定义了数据传输和接收的电气信号,链路状态,时钟要求,数据编码和电路系统.为了实现这些功能,定义了如下几个子层:
物理编码子层(PCS): 将GMII所发送的数据进行编码/解码,使其可适于在物理媒体上进行传送.
物理媒体附加子层(PMA): 生成发送到线路上的信号,并接收线路上的信号.
物理媒体相关子层(PMD): 提供与线缆的物理连接.
---- 表2详细介绍了千兆以太网媒体规范,相关线缆规范和IEEE所规定的最小范围.
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附录B
1000BASE-T的重要性能参数
专用于1000BASE-T线缆的性能参数
---- 为1000BASE-T的回程损耗和远端串扰(FEXT)所增加的线缆性能参数在10BASE-T和100BASE-TX中并没有规定.这些参数与不同的信号实现方式有关.10BASE-T和100BASE-TX中的信号是单向的-信号在一对双绞线上沿一个方向进行传输.与之相反的是,千兆以太网的信号是双向传输的-在同一对双绞线上,两个方向信号同时进行传输; 也就是说,两个收发器对占据同一对双绞线(图8).1000BASE-T在四对双绞线上使用双向传输的信号.在一对双绞线传送双向数据是通过一种被称作"混合电路"的设备实现的.混合电路将本地发送的信号与本地接收的信号区分开来.
---- 回程损耗是用来测量由于在线缆系统中阻抗不匹配而带来的反射能量的方式.回声通过回波抵消进行补偿.回波抵消技术已经在现有的电话网络中得到了实际检验.
---- FEXT是因为多余的信号耦合而在由近端的发送器导入远端的接收器的噪声.FEXT是类似1000BASE-T的多对,双向信号处理技术的一个重要因素,它可以通过抵消来消除.
---- 为了测量由于近端发送器耦合到邻近双绞线对中的多余信号,定义了等级别远端串扰(ELFEXT).它可以在远端测量耦合信号,并与同一对双绞线中所测得的接收信号电平进行比较.
Bidirectional transmission on the same wire results in echo (Figure 9). Echo is the combined effect of the cabling return loss and the hybrid function.
10BASE-T,100BASE-TX和1000BASE-T线缆的性能参数
---- 传输信号可能由于线缆或外部的噪声源的影响而受到损害(第12页中图11).为了接收器能够可靠地工作,必须控制传输信号的损耗.必须保持一定的信噪比(SNR),损耗(一般称作噪声)与传输信号之间的比值,这样才能获得可以接受的误比特率(BER).
---- 以下的一些重要线缆性能参数决定了信号的损耗:
衰减 是由于线缆阻抗而引起的信号能量的减少,以分贝表示(图12).衰减是频率的函数,而且正比于线缆的长度,也就是说在给定频率的情况下,长度为50米的线缆上的衰减是长度为100米的衰减的一半.在接收器对信号进行均衡以补偿线缆的损耗时,衰减的影响将会被消除.以太网,快速以太网和千兆以太网的信号都会受到线缆衰减的影响.
近端串扰(NEXT) 是发送器因为多余的信号耦合而引入邻近接收器的噪声(图13).NEXT会影响以太网/快速以太网和千兆以太网.利用NEXT抵消器可以消除它的影响.千兆以太网技术中使用了NEXT抵消器,而在快速以太网中则没有使用抵消器.在1000BASE-T中增加的NEXT抵消器可以提高以太网/快速以太网的性能,因为它提高了抗噪声的能力.
延时 是指信号通过一个媒质进行传输经历的时间与光速的差值.延时畸变是指不同双绞线对延时的差值(图14).对延时畸变所做的规定是为保证分散在四对双绞线上传送的信号可以在以太网/快速以太网和千兆以太网的接收端重新聚合起来.
---- 请注意性能的余量: 非常重要的一点是,1000BASE-T的设计是为了在最恶劣的环境中,在最大的距离上进行数据传送.也就是说,1000BASE-T是为在链路中的所有组件(线缆和连接硬件)的性能特性均为最差的情况而设计的.在实际的网络中,不太可能出现在网络设施中包括多个或全部都是最差的组件的情况.此外,线缆的衰减与距离成正比,也就是说,50米长线缆的衰减是100米线缆衰减的一半.因此,大多数已经安装的线缆和在通常的安装情况下,将会有较大的性能余量.
概述
---- 所有的以太网双绞线技术都受到信号损耗的影响.因是在1000BASE-T中,这些干扰已经被消除了.例如,1000BASE-T回波抵消器利用在电信领域中得到广泛应用而且获得了实践检验的技术.此外,1000BASE-T串扰抵消器利用数字信号处理(DSP)技术,这种技术已经在很多高级调制解调器和数字用户线(DSL)设备中采用.表3总结了1000BASE-T中的信号损耗和修正措施.
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附录C
1000BASE-T物理层实现
---- 如前所述,1000BASE-T物理层是由多个子层组成的.
---- 8比特的帧通过千兆媒体无关接口(GMII)从 MAC子层传送到物理编码子层(PCS).为了对8个GMII比特进行编码,需要26 = 256种码字.在如果四对传输线路上使用双电平信号,只能实现24 = 16种数据编码.类似的,在三电平可以实现34=81种编码.五电平信号将会实现54 = 625种可能的编码,IEEE选择采用这种编码方式.1000BASE-T所采用的五电平信号名为脉冲幅度调制5(PAM-5),它已经被100BASE-T2(在两对三类双绞线上实现的快速以太网)所采用.
---- 与之不同的是,100BASE-T采用的是三电平信号(MLT-3).图15所示为100BASE-T和1000BASE-T信号的眼图.眼图所示的情况是由随机数据调制而成的波形,每个信号的周期从左至右显示,在左侧的同一个位置开始.由这个图可以看出1000BASE-T相邻信号电平之间的距离更小,因此对传输信号的变形更加敏感,也就是说,与100BASE-T其抗噪声冗余更少.
Figure 15. Eye Pattern of 100BASE-T Versus 1000BASE-T Signaling
---- 但是,由于采用卷积编码,可以补偿一些损失的抗噪声冗余.1000BASE-T中采用的卷积编码(称作Trellis编码)使得接收器可以进行错误检测和纠正(通过Viterbi译码).这是一种已经完全成熟,而且经过实际检验的技术,早在10年之前,已经在调制解调器上所采用.与之不同的是,100BASE-TX采用分组码(4B5B,每五个符号代表四个比特).分组码是一种简单的编码方式,它不支持错误检测和纠正.
---- 实际上,由于采用了Trellis编码和Viterbi译码,1000BASE-T对外部噪声的抗干扰能力甚至超过了100BASE-T,这是因为1000BASE-T在所传送的信号流中传输的是不相关的信号,在任何一对双绞线的两个传送方向上传送的信号都不具有相关性,而且各对双绞线信号之间也没有相关性.而从外部引入的噪声一般在各对双绞上是有相关性的.因此可以采用统计的方法消除外部噪声,从而实现100BASE-T所不具备的抗噪声能力.
总结
---- 1000BASE-T需要运行快速以太网的同一类五类双绞上实现数据的可靠传送,因此它需要功能强大的数字信号处理和编码/解码方式,以保证在五类双绞线信号传输的可靠性.图16所示为一个1000BASE-T收发器的结构,各个部分的技术细节都在前面进行了介绍.
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附录D
五类线现场修正步骤
---- ANSI/TIA/EIA-TSB-95(1998)定义了可以用以改进回程损耗和ELFEXT性能的修正措施.这些修正措施可以用于 ANSI/TIA/EIA-568-A(图17)中定义的不同部分.
---- 交叉连接设备是一种可以利用接插线或跳线将水平电缆与设备电缆连接在一起的设备(通常是一种接线板).交叉连接设备通常不用于高速数据通信的电缆解决方案中.1000BASE-T提供了一种互连线缆的解决方案,如图18所示.这种互连设备(接线板)可以将水平电缆与设备电缆直接连接起来.
---- 下面五个步骤可以将最大配置降低为最小配置.它们对应于图17和18中的各个部分.
用5e类线接线板中的插接线代替现有的插接线,这种插接线的设计可以满足回程损耗和ELFEXT参数的要求.
将交叉连接设备重新配置为一个互连设备.
利用现有的转换接头或加固接头用5e类线的转换接头和加固接头代替.
用5e类线的工作区域引出线接头代替现有的工作区域引出线接头.
利用5e类线的互连设备代替现有的互连设备.
---- 在完成每项操作之后,建议重新对兼容性进行测试.在实际情况下,可以灵活地选择是采用哪种可能的操作.例如,因为测试设备还接入在线缆中,首先替换插接线可能是最方便的.
为什么选用1000BASE-T: 在第五类双绞线上实现的千兆以太网
1000BASE-T技术原理
准备在已有的线缆上进行部署
准备在新型双绞线: 5e类双绞线上进行部署
将以太网/快速以太网向高速网络移植
结论
附录A: 千兆以太网结构和对不同媒质的支持
附录B: 1000BASE-T的重要性能参数
附录B: 1000BASE-T的重要性能参数
附录D: 五类现场修正步骤
技术原理
3Com公司Philippe Ginier-Gillet与线缆设计技术公司
Christopher T.Di Minico合著
---- 网络管理人员在预算紧张而且必须维持现有的网络体系时如何在局域网(LAN)上实现对带宽有很高要求的应用呢 最新的以太网技术,1000BASE-T(在五类双绞线上实现有千兆以太网)可以帮助网络管理人员以一种简单而且成本低廉的方式迅速提升网络的性能.
---- 1000BASE-T是一种以太网技术,它在五类线上提供1000Mbps的传输带宽.而五类线是在LAN体系中最广泛采用的物理媒体.IEEE的标准化委员会在1999年六月正式批准1000BASE-T成为一种以太网标准.
---- 本文是专门面对那些需要了解1000BASE-T技术原理的网络管理人员的.它将说明由IEEE 802.3ab特别工作组所设计的1000BASE-T是如何在五类线上运行的,它还将解释如何在现有的五类线设施上实现1000BASE-T以及如何在新的网络上采用增强型五类线(Cat 5e)实现1000BASE-T.
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为什么选用1000BASE-T: 在第五类双绞线上实现的千兆以太网
---- 1000BASE-T(在第五类双绞线上实现的千兆以太网)由于以下几个原因成为网络管理人员的最佳选择之一.它主要满足现有网络中出现的对带宽飞速增长的需求.在这些网络中,新兴的应用不断出现,而在网络边缘交换机也不断增加.千兆以太网既可以保护公司在以太网和快速以太网的设施上已有的投资,它能够提供一种简单而廉价的性能提升办法,同时又能继续使用大量现有的水平线缆传输介质.
飞速增长的带宽需求
---- 在以太网和快速以太网络中出现了很多新兴的对带宽有大量需求的应用.这些应用包括:
Internet和Intranet应用,这些应用可能需要从任何位置向任何位置的数据传送方式.在这些应用中,服务器分布上企业网中的各个位置而用户可以从公司网络的内部或外部访问Web站点.这些应用使得数据传送方式和带宽需求变得日益不可预测.
数据库和备份应用,这些应用需要处理分布在上千上万个服务器和存储系统中的千兆字节或万亿字节的数据.
对带宽有大量需求而对延时又十分敏感的组件应用,例如桌面视频会议或交换式的白板.
出版,多媒体图像和科学模型应用,这些应用生成很多多媒体和图像文件,这些文件的大小飞速增长,从几兆字节到千兆字节甚至到万亿字节.
---- 除了桌面连接选择之外,网络中不断添加的交换机也进一步加大了带宽上的压力.在网络边缘的交换机可以极大地增加业务量,这些数据需要在工作组,服务器或骨干网络的层次上会聚.
在以太网/快速以太网设施上的大量投资
---- 以太网在LAN技术中居于主导的无以伦比的技术.截止到1997年年底,超过500的已有网络连接都是采用以太网技术,这意味着超过11亿8千万台计算机,工作站和服务器都是通过以太网实现互连的1.
---- 以太网/快速以太网的部署包括了网卡,集线器,交换机以及网络管理功能,人员培训和线缆设施等各个方面的投资.实际上,线缆设施是一种长期投资,它一般要持续至少两年的时间,最长则可达到10年.(平均地,将近一半的设施都要使用五年以上的时间2).
在已有的第五类双绞线上实现简单,低成本的性能提升
---- 1000BASE-T可以为以太网/快速以太网络向高速网络的移植提供一种简单,廉价的方案,它还具有以下特点:
1000BASE-T可以将以太网10/100 Mbps的性能提升到1000 Mbps.灵活的10/100和10/100/1000连接可以为现有的以100 Mbps为基础的网络提供平滑的过渡.
1000BASE-T是现有的性能价格比最佳的高速网络技术.1000BASE-T能够继续支持现有的已经过实际检验的快速以太网和V.90/56K调制解调器技术,而且与以太网/快速以太网技术具有相同的成本曲线.实际上,我们预期1000BASE-T技术具有比1000BASE-SX(光纤千兆网络)更突出的性能价格比,而1000BASE-SX 在所有的LAN技术中已经具备了最低的每秒数据传送成本(每Mbps低于1.5美元).
1000BASE-T可以保留以太网的设备和设施投资,其中包括在5类线设施上的已有投资.在墙体,天花板和架空地板中进行线缆更新是既费时而又需要大量投资的工作,而1000BASE-T则不需要进行这些工作.保留5类双绞线设施是十分重要的,这有以下两个原因:
五类线是现今最主要的水平线缆传输介质,它可以为桌面系统和组件会聚业务提供连接(图1).光纤则是不同建筑物之间的互连的主要介质.
五类线是构建基本/骨干网络线缆的重要选择之一,它可以用来连接不同的楼层配线盒.
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1000BASE-T技术原理
千兆以太网媒质规范
---- 千兆以太网可以利用现有的线缆设施,从而获得良好的性能价格比.它可以在楼层内,楼内和园区内的网络上采用,因为它可以支持多种连接媒体和大范围的连接距离.特别地,千兆以太网可以在下列四种媒质上运行:
单模光纤,最大连接距离至少可达5公里
多模光纤,最大连接距离至少550米
平衡,屏蔽铜缆,最大连接距离至少25米
五类线,最大连接距离至少100米
Notes: Figure shows the percentage of organizations that have installed the cable type. Multiple choices were allowed. Other cabling types (Category 6 STP, Category 4, Category 6 UTP, plastic optical fiber) each scored less than 10 percent. Source: Sage Research, December 1998, Network Cabling Market Study
Figure 1. Current Horizontal Network Cable Types
Notes: Figure shows the percentage of organizations that have installed the cable type. Multiple choices were allowed. Other cabling types (Category 3, Category 5e, Category 6 STP, Category 4, Category 6 UTP, plastic optical fiber) each scored less than 10 percent.
Source: Sage Research, December 1998, Network Cabling Market Study
Figure 2.Current Building Backbone Cable Types
---- 1 According to industry analyst International Data Corporation (IDC), Framingham, MA.
---- 2 From the December 1998 Networking Cabling Market Study by Sage Research, Natick, MA.
---- IEEE 802.3z千兆以太网标准于1998年六月获得批准,它为三种传输媒质定义了三种收发器: 1000BASE-LX用于安装单模光纤,1000BASE-SX用于安装多模光纤, 1000BASE-CX用于平衡,屏蔽铜缆,它可以用于机房的互连.1000BASE-LX的收发器也可以于多模光纤,其传送距离至少可达550米.
---- 另一个特别工作小组,IEEE 802.3ab已经定义了在 5类线的基础上运行千兆以太网的物理层.IEEE标准化委员会在1999年六月批准了1000BASE-T标准.图三概括了这几种千兆以太网的选择方案,以及定义它们的标准.
---- 如果要了解更多有关在支持不同媒体上支持千兆以太网的信息,请参阅附录A.
Figure 3. Gigabit Ethernet Media Options and Standards
1000BASE-T重要规范
---- 1000BASE-T可以继续使用现有的线缆设施,它规定在5类线上的传输距离最远可达100米.
---- 1000BASE-T的其他一些重要规范使其成为一种价格低廉,不易被破坏并具有良好性能的技术.首先,它支持以太网MAC,而且可以后向兼容10/l00Mbps以太网技术.其次,很多的1000BASE-T产品都将支持100/1000自动协商功能,1000BASE-T因此可以直接在快速以太网络中通过升级实现.第三,1000BASE-T是一种高性能技术,它每传送100亿比特,其中错误的数据位不会超过一个(误比特率低于10-10 ,这与100BASE-T的误比特率相当).
详细的1000BASE-T线缆规范
---- 1000BASE-T规定可以在五类平衡双绞线上传送数据.在ANSI/EIA/TIA-568-A(1995)中规定了其所采用的四对五类双绞线的性能.其他的链路性能参数(回程损耗和ELFEXT)在TIA/EIA-TSB-95中规定.图4详细地列出了所有与1000BASE-T线缆性能参数规范有关的标准.如想了解更多有关的信息,请参阅附录B.五类线的标准在ISO/IEC 11801: 1995中有规定("信息技术: 用户前端设备的通用线缆").ISO/IEC 11801: 1995的第二版将会规定一些其他的线缆性能参数,以便支持千兆以太网.
1000BASE-T设计
---- 1000BASE-T是专门为在五类双绞线上传送数据而设计的.1Gbps的传送速率可以等效地看作在四对双绞线上,每对的传送速率为250Mbps (250Mbps x 4 = 1Gbps).
---- 1000BASE-T与100BASE-T采用相同的传送时钟频率(125MHz),但是利用了一种更加强大的信号传输和编/解码方案,该方案可以在链路上较100BASE-T多传送一倍的数据.下面是对这两种技术规范的比较:
1000BASE-T: 125MHz x 2比特 = 250Mbps
100BASE-TX: 125MHz x 2比特-符号 = 125M比特-符号/s
---- 请注意: 125M比特-符号/s等效于100Mbps,因为100BASE-T采用一种4B/5B编码-在将信号放到线缆上进行传输之前,每4比特的数据被转换成5比特-符号; 因此有效的比特传送速率为: 125 x 4/5 = 100Mbps.
---- 1000BASE-T可以支持现有的已经获得实际检验的快速以太网和V.90/56K调制解调器技术,从而获得了良好的性能价格比.在802.3快速以太网和V.90或56K调制解调器中实现信号传输和编/解码技术的高级DSP也可以用来实现1000BASE-T.第六页中的表1总结了1000BASE-T可以重新使用的100BASE-T的技术和方案.如果要了解更详细的信息,请参阅附录C.
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准备在已有的线缆上进行部署
---- 在现有的五类线上准备部署1000BASE-T是一个简单明了的过程.第一步是对线缆的安装进行测试,检测其是否适于部署1000BASE-T.如果现有的安装不能满足1000BASE-T所规定的性能参数(这种情况一般不太可能发生),可以采取一些标准的修正措施.
对已有的第五类双绞线安装进行测试
线缆测试信息在ANSI/TIA/EIA-TSB-67,"用于现场测试双绞线系统的传输性能规范"中规定,1995年以后安装的双绞线都应遵循这个规范.
1000BASE-T中其他的测试参数,例如回程损耗和ELFEXT等,在ANSI/TIA/EIA-TSB-95公告,"100欧姆4对五类双绞线的其他传输性能指导"中规定.
当前版本的线缆测试工作中都已经实现了这些附加的测试要求(如果欲查阅线缆测试工具列表,请参阅千兆以太网联盟的网址: http://www.gigabit-ethernet.org/technology/ whitepapers/ gige_0399/copper.html#installed).现场可以先将两个手持式的设备-每个接在需要测试线缆的一端-用一条现场测试电缆连接起来,然后激活1000BASE-T测试功能.测试设备将会指出能否通过1000BASE-T的测试,并指出相应的测试参数.很多现场测试仪器都包括诊断功能,可以用来确定未能通过测试的原因.附录D中列出了修正措施.
调整已有的第五类双绞线以便采用1000BASE-T
---- 如果现有的五类线的安装不能满足1000BASE-T所规定的性能参数要求(这种情况不太可能发生),可以采取在ANSI/TIA/EIA-TSB-95中所详细规定的一些简单的现场操作步骤进行修正.其中提供了三种可以采用的修正方案:
利用高性能的增强型5类线进行修补(请参阅后面定义5e类线的小节)
减少链路中接头的数目
重新连接链路中的一些接头
---- 在附录D中具体介绍修正的措施.在大多数不能满足规范要求的情况中,不需要进行所有的修正措施.
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准备在新型双绞线: 5e类双绞线上进行部署
---- 千兆以太网联盟建议所有为1000BASE-T而设计的新线缆的安装都应当采用5e类线(增强型5类线).5e类线是专门为满足所有1000BASE-T传输性能参数而生产的.在现场测度5e类线的性能时,没有必要进行1000BASE-T所规定的现场测试.
---- 5e类线的规范中包括了一些对于5类线只是作为非正式建议的传输参数(这些参数主要用于测量回程损耗和ELFEXT,请参阅附录B).生产MegaLANTM线缆的Mohawk/CDT(http://www.mohawk-cdt.com)等线缆生产厂商可以保证满足5e类线规范中的参数要求.5e类线还提供了进一步增强冗余,以便在最坏的环境中能够满足1000BASE-T标准的要求.
---- 1000BASE-T标准规定在已经安装了的5类线上传输数据,但它也可以在6类线和7类线系统上运行(请参阅第六页文本框,"其他线缆类型").
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将以太网/快速以太网向高速网络移植
---- 1000BASE-T可以很简便地实现性能的提升,以满足现今网络中对带宽飞速增长的需求.如果因为下述三种情况而出现了网络瓶颈,1000BASE-T是解决拥塞的最佳选择方案:
组件会聚
到高速服务器的连接
桌面连接
---- 下面的例子介绍了从以太网/高速以太网向千兆以太网过渡的一个典型方案.如图5中所述,大楼中最初的骨干网络是10/100Mbps以太网/快速以太网.几个以太网或快速以太网网段集中到一个10/100 Mbps 交换机,这个交换机又为几台服务器提供10/100Mbps连接.一些用户与他们的终端工作站之间有专门的10/100交换式连接.在这个配置中,用户已经开始遇到较长的响应时间而一些高效的用户已经体会到了网络瓶颈的出现.
---- 升级的第一个阶段包括三个方面(图6):
将骨干网络升级为100/1000Mbps快速以太网/千兆以太网交换.
升级工作组交换机,使其可以利用千兆以太网下行链路模块满足高效用户或大型工作组的需求.
在重要的服务器上采用100/1000Mbps快速以太网/千兆以太网网卡.
---- 采取了这些措施之后,干线网络的速率增加了十倍,这样就可以适应总体网络带宽增长的要求了,同时,在工作组交换机,终端工作站网卡和线缆上的已有投资得到了保护.
---- 移植过程的第二个阶段是将高效用户的网卡升级到100/1000Mbps快速以太网/千兆以太网网卡(图7).快速以太网将会在桌面系统上投入使用,而在一段时间之后,将逐步采用千兆以太网,这样就可以使高效的用户充分地访问网络的资源.
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结论
---- 1000BASE-T,在五类线上传送的千兆以太网,可以以一种简单而廉价的方式帮助网络管理人员提升他们的网络性能,同时又能将现有的以太网/快速以太网络向高速网络移植.下面概括了千兆以太网的一些特征:
1000BASE-T是一种以太网技术,其数据传送速率为1000Mbps.
1000BASE-T是为在五类线上传送数据而设计的,而五类线是现在应用最广泛的LAN线缆设施.
1000BASE-T可以采用了部分现有的快速以太网和调制解调器技术,这些技术具有良好的性能价格比而且已经经过了实践的检验.
1000BASE-T可以逐渐地在快速以太网中部署,因为很多1000BASE-T产品都将支持100/1000自动协商功能.
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附录A
千兆以太网结构和对不同媒质的支持
---- 千兆位以太网规范中的技术包括OSI模型中最下面的两层:
数据链路层, 控制对物理传输媒体的访问
物理层, 控制在物理媒体上的实际传输
---- 千兆位以太网可以支持以太网媒体访问控制(MAC)子层,从而实现了数据链路层的功能.MAC子层将上层通信发送的数据封装到以太网的帧结构中,并决定数据的安排,发送和接收方式.千兆位以太网的MAC就是以太网/快速以太网的MAC,这可以保证以太网/快速以太网和千兆位以太网帧结构之间的向后兼容性.
---- MAC层通过千兆媒体无关接口(GMII)发送或接收数据帧.因为GMII的设计允许MAC设备以一种标准方式测试是否存在符合千兆以太网标准的物理层,IEEE 802.3ab委员会可以将注意力主要集中在为五类线上传输的千兆以太网设计物理层上.在IEEE 802.3z特别工作组设计和定义千兆以太网总体标准和在光纤与屏蔽双绞线上的物理层实现方案的同时,IEEE 802.3ab特别工作组定义了1000BASE-T的标准.
---- 物理层定义了数据传输和接收的电气信号,链路状态,时钟要求,数据编码和电路系统.为了实现这些功能,定义了如下几个子层:
物理编码子层(PCS): 将GMII所发送的数据进行编码/解码,使其可适于在物理媒体上进行传送.
物理媒体附加子层(PMA): 生成发送到线路上的信号,并接收线路上的信号.
物理媒体相关子层(PMD): 提供与线缆的物理连接.
---- 表2详细介绍了千兆以太网媒体规范,相关线缆规范和IEEE所规定的最小范围.
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附录B
1000BASE-T的重要性能参数
专用于1000BASE-T线缆的性能参数
---- 为1000BASE-T的回程损耗和远端串扰(FEXT)所增加的线缆性能参数在10BASE-T和100BASE-TX中并没有规定.这些参数与不同的信号实现方式有关.10BASE-T和100BASE-TX中的信号是单向的-信号在一对双绞线上沿一个方向进行传输.与之相反的是,千兆以太网的信号是双向传输的-在同一对双绞线上,两个方向信号同时进行传输; 也就是说,两个收发器对占据同一对双绞线(图8).1000BASE-T在四对双绞线上使用双向传输的信号.在一对双绞线传送双向数据是通过一种被称作"混合电路"的设备实现的.混合电路将本地发送的信号与本地接收的信号区分开来.
---- 回程损耗是用来测量由于在线缆系统中阻抗不匹配而带来的反射能量的方式.回声通过回波抵消进行补偿.回波抵消技术已经在现有的电话网络中得到了实际检验.
---- FEXT是因为多余的信号耦合而在由近端的发送器导入远端的接收器的噪声.FEXT是类似1000BASE-T的多对,双向信号处理技术的一个重要因素,它可以通过抵消来消除.
---- 为了测量由于近端发送器耦合到邻近双绞线对中的多余信号,定义了等级别远端串扰(ELFEXT).它可以在远端测量耦合信号,并与同一对双绞线中所测得的接收信号电平进行比较.
Bidirectional transmission on the same wire results in echo (Figure 9). Echo is the combined effect of the cabling return loss and the hybrid function.
10BASE-T,100BASE-TX和1000BASE-T线缆的性能参数
---- 传输信号可能由于线缆或外部的噪声源的影响而受到损害(第12页中图11).为了接收器能够可靠地工作,必须控制传输信号的损耗.必须保持一定的信噪比(SNR),损耗(一般称作噪声)与传输信号之间的比值,这样才能获得可以接受的误比特率(BER).
---- 以下的一些重要线缆性能参数决定了信号的损耗:
衰减 是由于线缆阻抗而引起的信号能量的减少,以分贝表示(图12).衰减是频率的函数,而且正比于线缆的长度,也就是说在给定频率的情况下,长度为50米的线缆上的衰减是长度为100米的衰减的一半.在接收器对信号进行均衡以补偿线缆的损耗时,衰减的影响将会被消除.以太网,快速以太网和千兆以太网的信号都会受到线缆衰减的影响.
近端串扰(NEXT) 是发送器因为多余的信号耦合而引入邻近接收器的噪声(图13).NEXT会影响以太网/快速以太网和千兆以太网.利用NEXT抵消器可以消除它的影响.千兆以太网技术中使用了NEXT抵消器,而在快速以太网中则没有使用抵消器.在1000BASE-T中增加的NEXT抵消器可以提高以太网/快速以太网的性能,因为它提高了抗噪声的能力.
延时 是指信号通过一个媒质进行传输经历的时间与光速的差值.延时畸变是指不同双绞线对延时的差值(图14).对延时畸变所做的规定是为保证分散在四对双绞线上传送的信号可以在以太网/快速以太网和千兆以太网的接收端重新聚合起来.
---- 请注意性能的余量: 非常重要的一点是,1000BASE-T的设计是为了在最恶劣的环境中,在最大的距离上进行数据传送.也就是说,1000BASE-T是为在链路中的所有组件(线缆和连接硬件)的性能特性均为最差的情况而设计的.在实际的网络中,不太可能出现在网络设施中包括多个或全部都是最差的组件的情况.此外,线缆的衰减与距离成正比,也就是说,50米长线缆的衰减是100米线缆衰减的一半.因此,大多数已经安装的线缆和在通常的安装情况下,将会有较大的性能余量.
概述
---- 所有的以太网双绞线技术都受到信号损耗的影响.因是在1000BASE-T中,这些干扰已经被消除了.例如,1000BASE-T回波抵消器利用在电信领域中得到广泛应用而且获得了实践检验的技术.此外,1000BASE-T串扰抵消器利用数字信号处理(DSP)技术,这种技术已经在很多高级调制解调器和数字用户线(DSL)设备中采用.表3总结了1000BASE-T中的信号损耗和修正措施.
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附录C
1000BASE-T物理层实现
---- 如前所述,1000BASE-T物理层是由多个子层组成的.
---- 8比特的帧通过千兆媒体无关接口(GMII)从 MAC子层传送到物理编码子层(PCS).为了对8个GMII比特进行编码,需要26 = 256种码字.在如果四对传输线路上使用双电平信号,只能实现24 = 16种数据编码.类似的,在三电平可以实现34=81种编码.五电平信号将会实现54 = 625种可能的编码,IEEE选择采用这种编码方式.1000BASE-T所采用的五电平信号名为脉冲幅度调制5(PAM-5),它已经被100BASE-T2(在两对三类双绞线上实现的快速以太网)所采用.
---- 与之不同的是,100BASE-T采用的是三电平信号(MLT-3).图15所示为100BASE-T和1000BASE-T信号的眼图.眼图所示的情况是由随机数据调制而成的波形,每个信号的周期从左至右显示,在左侧的同一个位置开始.由这个图可以看出1000BASE-T相邻信号电平之间的距离更小,因此对传输信号的变形更加敏感,也就是说,与100BASE-T其抗噪声冗余更少.
Figure 15. Eye Pattern of 100BASE-T Versus 1000BASE-T Signaling
---- 但是,由于采用卷积编码,可以补偿一些损失的抗噪声冗余.1000BASE-T中采用的卷积编码(称作Trellis编码)使得接收器可以进行错误检测和纠正(通过Viterbi译码).这是一种已经完全成熟,而且经过实际检验的技术,早在10年之前,已经在调制解调器上所采用.与之不同的是,100BASE-TX采用分组码(4B5B,每五个符号代表四个比特).分组码是一种简单的编码方式,它不支持错误检测和纠正.
---- 实际上,由于采用了Trellis编码和Viterbi译码,1000BASE-T对外部噪声的抗干扰能力甚至超过了100BASE-T,这是因为1000BASE-T在所传送的信号流中传输的是不相关的信号,在任何一对双绞线的两个传送方向上传送的信号都不具有相关性,而且各对双绞线信号之间也没有相关性.而从外部引入的噪声一般在各对双绞上是有相关性的.因此可以采用统计的方法消除外部噪声,从而实现100BASE-T所不具备的抗噪声能力.
总结
---- 1000BASE-T需要运行快速以太网的同一类五类双绞上实现数据的可靠传送,因此它需要功能强大的数字信号处理和编码/解码方式,以保证在五类双绞线信号传输的可靠性.图16所示为一个1000BASE-T收发器的结构,各个部分的技术细节都在前面进行了介绍.
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附录D
五类线现场修正步骤
---- ANSI/TIA/EIA-TSB-95(1998)定义了可以用以改进回程损耗和ELFEXT性能的修正措施.这些修正措施可以用于 ANSI/TIA/EIA-568-A(图17)中定义的不同部分.
---- 交叉连接设备是一种可以利用接插线或跳线将水平电缆与设备电缆连接在一起的设备(通常是一种接线板).交叉连接设备通常不用于高速数据通信的电缆解决方案中.1000BASE-T提供了一种互连线缆的解决方案,如图18所示.这种互连设备(接线板)可以将水平电缆与设备电缆直接连接起来.
---- 下面五个步骤可以将最大配置降低为最小配置.它们对应于图17和18中的各个部分.
用5e类线接线板中的插接线代替现有的插接线,这种插接线的设计可以满足回程损耗和ELFEXT参数的要求.
将交叉连接设备重新配置为一个互连设备.
利用现有的转换接头或加固接头用5e类线的转换接头和加固接头代替.
用5e类线的工作区域引出线接头代替现有的工作区域引出线接头.
利用5e类线的互连设备代替现有的互连设备.
---- 在完成每项操作之后,建议重新对兼容性进行测试.在实际情况下,可以灵活地选择是采用哪种可能的操作.例如,因为测试设备还接入在线缆中,首先替换插接线可能是最方便的.
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