第3章智能建筑內(nèi)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
　　本章導(dǎo)讀
　　智能建筑內(nèi)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是高速的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)通信，也可以實(shí)現(xiàn)語音和視頻信號的數(shù)字化傳輸，或者說，可以實(shí)現(xiàn)多媒體通信。它是智能建筑系統(tǒng)集成的平臺,是信息傳輸網(wǎng)的核心。
　　智能建筑內(nèi)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是局域網(wǎng)，傳輸速率已達(dá)10Gbps,目前的技術(shù)可保證到端點(diǎn)的傳輸速率為1000Mbps，因此，智能建筑內(nèi)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個高速的IP網(wǎng)絡(luò)。通過局域網(wǎng)上的網(wǎng)關(guān)/路由器就可以實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)和各種廣域計算機(jī)網(wǎng)的聯(lián)接。
　　在一個智能建筑內(nèi)實(shí)際上構(gòu)建了多個局域網(wǎng)，每一個局域網(wǎng)完成一類通信服務(wù)，如控制專網(wǎng)、安防專網(wǎng)、涉密辦公網(wǎng)、公用信息網(wǎng)等。這樣做的原因是： 隔離帶來了安全，降低了網(wǎng)絡(luò)通信流量。局域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間可以有目的地互聯(lián)起來，使網(wǎng)絡(luò)的安全性受到控制。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為管理與維護(hù)提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，并提供高密度的網(wǎng)絡(luò)端口，可滿足用戶容量分批增加的需求。
　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，從數(shù)據(jù)和信號的角度來看，目前的各種模擬傳輸業(yè)務(wù)均可能經(jīng)過數(shù)字化后在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳輸。例如，VoIP可以支持傳統(tǒng)的電話通信業(yè)務(wù)，IPTV可以支持有線電視業(yè)務(wù)。也就是說，將來只需要建一個高速IP網(wǎng)絡(luò)，就能實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的傳輸。
　　本章主要介紹當(dāng)前主流局域網(wǎng)技術(shù)以及局域網(wǎng)互聯(lián)、寬帶接入技術(shù)，然后介紹計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺及構(gòu)建方案，*后對網(wǎng)絡(luò)管理和安全進(jìn)行簡介。
　　本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)是在所學(xué)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行智能建筑內(nèi)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計和集成。
　　3.1智能建筑內(nèi)的計算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)
　　在智能建筑內(nèi)構(gòu)建計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要是應(yīng)用局域網(wǎng)以及局域網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)。局域網(wǎng)是一組由計算機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)在一起而形成的系統(tǒng)，其覆蓋區(qū)域限于建筑物內(nèi)或建筑群內(nèi)，允許網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的用戶之間相互高速通信，并共享計算機(jī)的軟硬件資源。局域網(wǎng)通常由網(wǎng)絡(luò)接口卡、電纜(光纜)系統(tǒng)、交換機(jī)、服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等部分組成。決定局域網(wǎng)特性的技術(shù)要素包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)類型、介質(zhì)的訪問控制以及安全管理等。當(dāng)前的技術(shù)主流是以太網(wǎng)。
　　3.1.1局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
　　1. 局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)
　　IEEE 802是局域網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。局域網(wǎng)在通信方面有自己的特點(diǎn)： *，其數(shù)據(jù)是以幀為單位傳輸?shù)�。第二，局域網(wǎng)內(nèi)部一般不需中間轉(zhuǎn)接，所以也不要求路由選擇。因此，局域網(wǎng)的參考模型對應(yīng)于OSI參考模型中的*低兩層，如圖3.1所示，實(shí)現(xiàn)了OSI模型*低兩層的功能。其中，物理層用來建立物理連接，數(shù)據(jù)鏈路層把數(shù)據(jù)構(gòu)成幀進(jìn)行傳輸，并實(shí)現(xiàn)幀順序控制、錯誤控制及流控制功能，使不可靠的鏈路變?yōu)榭煽康逆溌贰?br /> 　　圖3.1IEEE 802局域網(wǎng)參考模型與OSI參考模型
　　(1) 物理層。負(fù)責(zé)在物理層實(shí)體間發(fā)送和接收位流，提供發(fā)送和接收信號的能力、對寬帶的頻道分配和對基帶信號的調(diào)制等。
　　(2) 數(shù)據(jù)鏈路層。該層又細(xì)分為兩個功能子層： 邏輯鏈控制(Logical Link Control，LLC)子層和介質(zhì)訪問控制(Media Access Control，MAC)子層。這種功能分解主要是為了使數(shù)據(jù)鏈功能中與硬件有關(guān)的部分和與硬件無關(guān)的部分分開。
　　MAC子層與物理層相鄰，為物理層訪問提供接口。MAC子層負(fù)責(zé)對介質(zhì)的訪問控制，為用戶分配信道使用權(quán)，具有管理多個源和目的鏈路的功能。IEEE 802制定了幾種介質(zhì)訪問控制方法，同一個LLC子層能與其中任一種訪問方法接口，目前這些介質(zhì)訪問控制方法包括載波監(jiān)聽沖突檢測多重訪問(CSMA/CD)、令牌總線(token.bus)及令牌環(huán)(token.ring)等訪問方法。
　　LLC子層在MAC子層的支持下向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)。LLC子層與具體的傳輸介質(zhì)無關(guān)，這種獨(dú)立于介質(zhì)的訪問控制方法屏蔽了各種IEEE 802網(wǎng)絡(luò)連接之間的差別，向網(wǎng)絡(luò)層提供一個統(tǒng)一的格式和接口。LLC子層的功能包括數(shù)據(jù)幀的組裝與拆卸、幀的收發(fā)、差錯控制、數(shù)據(jù)流控制和發(fā)送順序控制等，并為網(wǎng)絡(luò)層提供兩種類型的服務(wù)——面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)。
　　2. IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)
　　IEEE 802是一個標(biāo)準(zhǔn)系列，包含多個協(xié)議，其組成如圖3.2所示。
　　圖3.2IEEE 802協(xié)議棧
　　3.1.2以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)
　　1. 以太網(wǎng)
　　以太網(wǎng)(Ethernet)是當(dāng)今*流行的局域網(wǎng)，采用CSMA/CD介質(zhì)訪問方式進(jìn)行通信訪問，網(wǎng)絡(luò)的速率是10Mbps。雖然現(xiàn)在構(gòu)建的局域網(wǎng)幾乎已不再應(yīng)用10Mbps以太網(wǎng)技術(shù)，但是考慮到與以前所建系統(tǒng)的兼容性，我們?nèi)杂斜匾�了�?0Mbps以太網(wǎng)技術(shù)10BASE.T。
　　10BASE.T以太網(wǎng)所采用的傳輸介質(zhì)為3類、4類和5類UTP，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表3.1。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為以集線器(hub，現(xiàn)在采用交換機(jī))為節(jié)點(diǎn)的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　　表3.1以太網(wǎng)(IEEE 802.3)UTP介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
　　標(biāo)準(zhǔn)要求10BASE.T100BASE.TX100BASE.T4100BASE.T21000BASE.T
　　數(shù)據(jù)速率10Mbps100Mbps100Mbps100Mbps1000Mbps
　　介質(zhì)要求3類100m
　　4類140m
　　5類150m5類100m
　　3類100m
　　4類100m
　　5類100m3類100m
　　4類100m
　　5類100m5類100m
　　使用電纜對數(shù)22424
　　插座接線模式1.2和3.61.2和3.6全部線對
　　1.2和3.6全部線對
　　10BASE.T要求每臺計算機(jī)都有一塊網(wǎng)絡(luò)接口卡與一條從網(wǎng)卡到集線器的直接連接。圖3.3表明了10BASE.T布線方案。盡管所有集線器都能容納多臺計算機(jī)，但集線器還是有許多種尺寸。一個典型的小型集線器有24個端口，每個提供一條連接。這樣，一個集線器能在一個小組中連接所有計算機(jī)(如在一個部門中)。較大的集線器能容納幾百條連接。
　　圖3.310BASE.T以太網(wǎng)
　　2. 100BASE.T快速型以太網(wǎng)
　　可以說，100BASE.T是雙絞線以太網(wǎng)的100Mbps速率版,它的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3u，它是現(xiàn)行IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。有3個不同的100BASE.T物理層規(guī)范，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表3.2,其中兩個物理層規(guī)范支持長度為100m的無屏蔽雙絞線，第三個規(guī)范支持單�；蚨嗄９饫|。與10BASE.T和10BASE.F一樣，100BASE.T要求有中央集線器的星形布線結(jié)構(gòu)。
　　表3.2不同100Mbps快速以太網(wǎng)介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
　　標(biāo)準(zhǔn)要求100BASE.TX100BASE.T4100BASE.FX
　　距離/m1001002000
　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形星形星形
　　介質(zhì)5類 UTP或STP3/4/5類 UTP多�；騿文９饫|
　　要求線對數(shù)242
　　編碼方法4B/5B8B/6T4B/5B
　　信號頻率/MHz12525125
　　100BASE.T的MAC(介質(zhì)訪問方式)與10Mbps“經(jīng)典”以太網(wǎng)MAC幾乎完全一樣，正如前面所述，IEEE 802.3 CSMA/CD MAC具有固有的可縮放性，即它可以以不同速度運(yùn)行，并能與不同物理層連接。
　　100BASE.TX物理層支持快速以太網(wǎng)運(yùn)行在5類2對UTP或1類STP上。100BASE.T4物理層支持快速以太網(wǎng)運(yùn)行在3類、4類或5類的4對UTP上。100BASE.FX支持多�；騿文９饫|布線，這樣快速以太網(wǎng)就能在2km的距離內(nèi)傳輸信息。
　　100BASE.T4是為完全迎合龐大的3類音頻級布線安裝需要而設(shè)計的。100BASE.T4使用4對音頻級或數(shù)據(jù)級無屏蔽3類、4類或5類電纜。由于信號頻率只有25MHz，也可使用音頻級3類線纜。100BASE.T4使用所有的4對無屏蔽雙絞線，3對線用來同時傳送數(shù)據(jù)，而第4對線用來作為沖突檢測時的接收信道。與10BASE.T和100BASE.TX不同，它沒有單獨(dú)專用的發(fā)送和接收線，所以不可能進(jìn)行全雙工操作。
　　100BASE.T4為目前大量的10Mbps以太網(wǎng)向100Mbps快速以太網(wǎng)過渡提供了極大方便，大多數(shù)情況下只需要更換網(wǎng)卡和集線器，而不需要重鋪電纜線。
　　3.1.3千兆以太網(wǎng)
　　1. 千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
　　千兆以太網(wǎng)是建立在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的技術(shù)，它與快速以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)完全兼容，并利用原以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的全部技術(shù)規(guī)范，其中包括CSMA/CD協(xié)議、幀格式、流量控制以及IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中所定義的管理對象等。為了實(shí)現(xiàn)高速傳輸，千兆以太網(wǎng)定義了千兆介質(zhì)專用接口(GMII),從而將介質(zhì)子層和物理層分開，使得當(dāng)物理層的傳輸介質(zhì)和編碼方式變化時不會影響到介質(zhì)子層。千兆以太網(wǎng)技術(shù)有兩個標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.3z和IEEE 802.3ab。IEEE 802.3z為光纖和同軸電纜的全雙工鏈路方案的標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.3ab為非屏蔽雙絞線的半雙工鏈路標(biāo)準(zhǔn)。
　　2. 千兆以太網(wǎng)介質(zhì)
　　千兆以太網(wǎng)可采用4類介質(zhì)： 1000BASE.SX(短波長光纖)、1000BASE.LX(長波長光纖)、1000BASE.CX(短距離銅纜)、1000BASE.T(100m 4對6類UTP)，其介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表3.3所示。
　　表3.3千兆以太網(wǎng)介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
　　標(biāo)準(zhǔn)要求1000BASE.SX1000BASE.LX1000BASE.CX1000BASE.T
　　介質(zhì)多模光纖(62.5μm或50μm)多模光纖(62.5μm或50μm)單模光纖(9μm或10μm)150Ω STP5類UTP,4對
　　工作波長
　　/nm770~8601270~13551270~13550
　　距離/m220~550550500025100
　　其中,1000BASE.SX使用短波長（850nm）激光的多模光纖，1000BASE.LX使用長波長（1300nm）激光的單模和多模光纖。使用長波長和短波長的主要區(qū)別是傳輸距離和費(fèi)用。不同波長傳輸時信號衰減程度不同。短波長傳輸衰減大，距離短，但節(jié)省費(fèi)用； 長波長可傳輸更長的距離，但費(fèi)用高。1000BASE.CX為150Ω平衡屏蔽的特殊電纜集合，線速為1.25Gbps，使用8B/10B編碼方式。
　　3. 1000BASE.T
　　1000BASE.T是100BASE.T的自然擴(kuò)展，與10BASE.T、100BASE.T完全兼容。1000BASE.T規(guī)定可以在5類4對平衡雙絞線上傳送數(shù)據(jù),傳輸距離*遠(yuǎn)可達(dá)100m。1000BASE.T的重要性在于:可以直接在100BASE.TX快速以太網(wǎng)中通過升級交換機(jī)和網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)千兆到桌面，而不需要重鋪電纜線。
　　1000BASE.T是專門為在5類雙絞線上傳送數(shù)據(jù)而設(shè)計的。1000BASE.T與100BASE.T采用相同的傳送時鐘頻率(125MHz)，但是利用了一種更加復(fù)雜的信號傳輸和編/解碼機(jī)制——PAM.5碼，每個符號(5級脈沖幅度調(diào)制，取+2，+1，0，-1，-2之一)對應(yīng)兩位二進(jìn)制信息(其中4級表示兩位，一級用于前向糾錯碼)。1Gbps的傳送速率可以等效地看作分布在4對雙絞線上(4×125Mbps×2=1Gbps)。
　　4. 千兆以太網(wǎng)應(yīng)用
　　千兆以太網(wǎng)的光纖連接方式解決了樓層干線的高速連接，1000BASE.T千兆以太網(wǎng)技術(shù)用來解決桌面之間的高速連接。
　　千兆以太網(wǎng)可用于高速服務(wù)器之間的連接、建筑物的高速主干網(wǎng)、內(nèi)部交換機(jī)的高速鏈路以及高速工作組網(wǎng)絡(luò)。
　　由于千兆以太網(wǎng)采用大家熟悉的技術(shù)，是一種從目前普遍采用的以太網(wǎng)技術(shù)平滑過渡到千兆以太網(wǎng)的技術(shù)，是10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)技術(shù)的自然擴(kuò)展，因此有很好的應(yīng)用前景。圖3.4所示是某高校圖書館計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成方案。
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