计算机网络中信号SPD对传输速率的影响毕业论文

1计算机网络中信号SPD对传输速率的影响南京信息工程大学曾峥210044【摘要】计算机信息系统的防雷电侵害正愈来愈受到人们的重视，本文分析了雷电侵害计算机网络设备的几种途径，对电源系统、信号系统的防雷措施作了简单介绍，主要介绍在计算机网络中起保护作用的浪涌保护器（SPD）及其对网络的影响，以及对网络参数进行测试的方法和要求。【关键词】雷电侵害、传输速率、双绞线、信号SPD引言随着现代通信技术的不断发展，计算机网络信息系统正扮演着愈来愈重要的角色，雷电灾害对其造成的威胁和危害也愈来愈大，每年都有多起因雷击造成计算机及网络通讯设施损坏，从而导致信息传输中断、信息受损乃至人身安全受到威胁的事故发生。由于计算机网络设备一般放置在建筑物内的计算机机房内，建筑物通常都有防直击雷的避雷设施，一般情况下，网络设备受到建筑物防直击雷设施的保护，处于雷电的非暴露区，遭受直击雷的可能性相对较小，而遭受感应雷的概率则较高，因此计算机网络系统考虑更多的是感应雷及雷电波入侵的防护问题。而浪涌保护器（SPD）可以限制雷电反击、侵入波、雷电感应和操作过电压而产生的瞬时过电压和泄放电涌电流，通过对电源线路和通信线路等雷电入侵路径加装浪涌保护器（SPD），来阻止或减轻雷电对网络系统的冲击。但是，由于浪涌保护器自身会产生串扰、回波阻抗、信号衰减等，如果其自身参数与网络参数差异很大，则在数据的传输过程中，会出现信号衰减值及串扰值增大，阻抗的连续性得到破坏，从而影响网络的正常传输。因此，采用合适的浪涌保护器是必要的。1、网络基础知识1.1网络系统的组成1.1.1网络种类首先我们有必要了解一下网络方面的相关知识。计算机网络按覆盖范围可分为：广域网（WAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）。其中以广域网（WAN）和局域网（LAN）最常见。广域网（wideareanetwork），或者称WAN是一种跨越大的地域的网络，通常包含一个国家或州。局域网(LAN)的名字本身就隐含了这种网络地理范围的局域性。由于较小的地理范围的局限性，LAN通常要比广域网(WAN)具有高的多的传输速率,例如，目前LAN的传输速率为10Mb/s,FDDI的传输速率为100Mb/s。要构成LAN,必须有其基本组成部件。组成LAN需要下述5种基本结构:1）计算机(特别是PC机);2）传输媒体;3）网络适配器;4）网络连接设备;5）网络操作系统。具备了上述四种网络构件,便可搭成一个基本的LAN硬件平台。21.1.2网络的拓扑结构网络拓扑结构是指网络中通信线路和站点（计算机或设备）的几何排列形式。选择正确的网络拓扑很重要，因为它将影响网络设备的类型，布线方法，升级方式和网络的管理。常见的网络拓扑结构有：（1）总线型拓扑结构；（2）星型拓扑结构；（3）树型拓扑结构；（4）环型拓扑结构；（5）网状型拓扑结构；（6）混合型拓扑结构。如下图1所示：图1各种网络拓扑结构示意图1.2通信线路种类现代建筑物内的信息网络不再是一个信息孤岛，它必须是一个互连互通的开放性网络，来满足人们信息交换的需求。各建筑物之间以及建筑物与外部网络之间都需要物理介质的连接，内网与外网连接的通信方式有多种，如PSTN（拨号接入）、ISDN技术、DDN技术、ADSL技术等等。常用的网络传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤电缆和无线与卫星通信信道。在上述几种通信介质中，都可能因遭受直接雷或感应雷而侵害两端连接的网络系统。1）、同轴电缆同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体及所包围的单根内导线所组成。柱体及导线用绝缘材料隔开，其频率特性比双绞线好，能进行较高速率的传输。由于它的屏蔽性能好，抗干扰能力强，通常多用于基带传输。同轴电缆网络中，一般分为3类：主干网、次主干网、线缆。2）、光缆光导纤维是一种传输光束的细而柔韧的媒质。光导纤维电缆由一捆纤维组3成，简称光缆。光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它有以下优点：1）较宽的频带。2）电磁绝缘性好。3）衰减性较小。4）中继器间隔距离大。光缆有单模和多模之分。3）、双绞线由于双绞线在网络中应用最为广泛，这里我们重点来谈谈双绞线。双绞线（Twisted-Pair）是现在最普通的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组成，典型直径为1毫米。两根线绞接在一起是为了防止其电磁感应在邻近线队中产生干扰信号。现行双绞线电缆中一般包含4个双绞线对，具体为橙1/橙2、蓝4/蓝5、绿6/绿3、棕8/棕7。计算机网络使用1-2、3-6两组先队分别来发送和接收数据。双绞线接头为具有国际标准的RJ-45插头和插座。双绞线分为屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP，非屏蔽双绞线有线缆外皮作为屏蔽层，适用于网络流量不大的场合中。屏蔽式双绞线具有一个金属套夹，对电磁干扰EMI具有较强的理解能力，适用于网络流量较大的高速网络协议应用。双绞线根据性能又可分为5类、6类和7类，现在常用的为5类非屏蔽双绞线，其频率带宽为100MHz，能够可靠的运行4MB、10MB和16MB的网络系统。当运行100MB以太网时，可使用屏蔽双绞线以提高网络在高速传输时的抗干扰特性。6类、7类双绞线分别可工作于200MHz和600MHz的频率带宽之上，且采用特殊设计的RJ-45插头。1.3过电压侵入网络的途径及信号SPD的采用浪涌电压侵入计算机系统的主要途径有以下几种：1.电源系统的侵入。雷击直接击中电力线或电力线附近，在电力线上感应出过电压，传入电源系统。2.信号系统的侵入。雷电感应电压由信号线传入。3.空间电磁场的感应。雷电击中接闪器或建筑物，雷电流沿引下线流入大地时，在周围空间产生交变的电磁场，在电源线或信号线上感应出过电压。4.地电位的反击。雷电流流入大地时，由于接地电阻的存在，会产生较大的压降，使地电位抬高，反向击穿设备；或雷云在大地感应出相反电荷，若雷云消失时，大地上的电荷会向无穷远处流散，使地电位升高，产生反击。所以雷电浪涌过电压的防护通常包括：电源系统的防护、信号系统的防护、电磁屏蔽的防护、接地系统的联合接地体。为了避免因通信电缆引入雷电侵害的可能性，通常采用的技术是在电缆接入网络通信设备前首先接入信号浪涌保护器（信号SPD），即在链路中串入一个瞬态过电压保护器，它可以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压，阻断过电压及雷电波的侵入，尽可能降低雷电对系统设备的冲击。网络电涌保护器的主要用途是：将瞬时的雷电流泄流入地，同时将感应过电压限制在设备可承受的水平，免受过电压的冲击。通常情况下，网络交换机与服务器布置在同一机房内，且距离较近，所以通常将信号SPD安装在集线器（HUB）的出入口端，这样可以同时保护交换机与服务器（如图2所示位置都需接信号SPD）。如果只在服务器的网卡端口安装浪涌保护器，则只可对服务器进行保护，4交换机仍有雷电浪涌侵入的危险。由于信号浪涌保护器串接在通信线路中，所以信号SPD除了满足防雷性能特征外，还必须满足信号传输带宽等网络性能指标的要求。因而选择相关产品时，除了考虑保护对象以外，应充分考虑防雷性能指标及网络带宽、传输损耗、接口类型等网络性能指标。2、影响网络传输的参数网络电涌保护器安装方式通常是直接串接在服务器的网卡端口或HUB的RJ45端口。正是由于保护器直接串在了网络的传输通道上，所以就可能会影响网络的传输速率。要讨论网络电涌保护器对网络传输速率的影响需从两个方面进行分析：1、影响网络传输速率的因素；2、网络浪涌保护器自身的因素。2.1影响网络传输速率的因素影响网络传输速率的几个指标：1)衰减（attenuation）衰减定义为信号在链路中传播时，由于其所遇到的电阻而导致的传输信号的减小。它是沿链路的信号损失度量，用“dB”表示，表示源传送端信号到接收端信号强度的比率。衰减随频率而变化。2)串扰（crosstalk）串扰分近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT）近端串扰（NEXT）是当在线缆的单个线对中传输信号时，从该线对串至同一线缆中其他线对的能量值的测量。近端串扰损耗是一条UTP链路中一对线到另一对线的耦合。近端串扰是UTP线路的一个关键性的指标，其数值不是链路某一点的数值，而是整条链路在某一点的迭加值。近端串扰dB值越高，性能越好。远端串扰（FEXT）定义为在线缆链路近端产生，而在链路远端另一线缆对中测量到的串扰耦合。远端串扰与近端串扰相类似，只不过在测量时是在线缆远端而不是在线缆近端而已。远端串扰和长度紧密相关。3)直流电阻直流环路电阻会消耗一部分信号并并转变成热量，它是指一对导线电阻的和，ISO11801规格的网线的直流电阻不得大于19.2Ω，每对线间的差异不能太5大（0.1Ω），否则表示接触不良，必须检查连接点。4)特性阻抗（characteristicimpedance）特性阻抗定义为通信线缆对电流的总抵抗力，用欧姆作计量单位。包括电阻及频率为1—100MHz的电感阻抗及电容阻抗，是一个综合的阻抗值。每条通信线缆必须有统一、一致的特征阻抗指标。另外，一条布线链路中的所有线缆和部件都必须有一致的特征阻抗指标。各种电缆有不同的特性阻抗，对双绞线电缆而言，则有100Ω、120Ω及150Ω几种。由于特性阻抗是线缆对通过的信号的阻碍能力。它是受直流电阻，电容和电感的影响，在整条电缆中必须保持一个参数。（其参数和公式如图3所示）r=(Ri-ZO)/(Ri+RO)=(150Ω-100Ω)/(150Ω+100Ω)=50/250=0.2=20%5)衰减串扰比（ACR）衰减串扰比（ACR）是描述在存在由传输线对引起的不利的能量串扰情况下，信号能否被正确接收的性能参数。在某些频率范围内，串扰与衰减的比例关系是一个重要的参数，由最差的衰减量与NEXT量值的差值计算（ACR=NEXT-Attenuation），ACR值较大表示抗干扰能力强，要求大于10dB。ACR随传输信号频率的增加而减小。6）电缆特性通讯信道的品质是由它的电缆特性（信噪比SNR）来描述的。SNR是在考虑到干扰信号的情况下，对数据信号强度的一个度量。如果SNR过低，将导致数据信号在被接收时，接收器不能分辨数据信号和噪音信号，最终引起数据错误。因此，为了使数据错误限制在一定范围内，必须定义一个最小的可接收的SNR。2.2网络浪涌保护器自身的因素网络浪涌保护器自身的主要网络指标由于网络浪涌保护器是串在了链路中，如果其自身参数与网络参数差异很大，则在数据的传输过程中，会出现信号衰减值及串扰值增大，阻抗的连续性受到破坏，从而影响网络的正常传输。以下是几个对于网络传输非常重要但易被人忽视的指标：1)串扰(crosstalk)串扰指标是网络数据传输一个重要的指标，由于浪涌保护器内部的走线在大电路板上，所以其破坏了五类线的标准绞绕，会使串扰值增大。6串扰值的增大会使得数据在传输过程中，相互碰撞量增大，误码率增加，从而使传输速率显得较慢。2)驻波比电压驻波比（VSWR）：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传送线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的。这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。驻波比定义为信号中驻波的最高电压幅度与最低电压幅值之比。在工程上VSWR经常表示为回波损失。3）回波损耗(returnloss)回波损耗是对由阻抗不匹配引起的反射能量的度量。当终端阻抗（元件阻抗）并没有与线缆的特征阻抗匹配的时候，阻抗不匹配就会发生在通信线缆链路上。由于浪涌保护器中包含了一些容性及感性的元件，如果只考虑防浪涌的作用，而忽略了网络的特性阻抗，则传输的数据通过保护器时，其链路的特性阻抗会表现出不连续性，从而使一些传输量反射回发送端，到达不了接收端，表现出网速变慢。ReturnLoss(dB)=-20log[(VSWR-1)/(VSWR+1)]3、网络传输介质的测试3.1网络测试仪而网络信号浪涌保护器是否会影响计算机网络的传输速率的问题，我们就必须对计算机网络进行测试。现阶段市场上有多种系列、型号的测试仪，如FlukeDSP—100测试仪、Fluke620局域网电缆测试仪、Fluke