ФИЗИЧЕСКАЯ СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 1. Основные типы кабельных и беспроводных сред передачи данных При построении сети необходимо, прежде всего, определить, при помощи какого носителя следует передавать связные сигналы, которые принято называть слаботочными. Под средой передачи данных понимают физическую субстанцию, по которой происходит передача электрических сигналов, использующихся для переноса той или иной информации, представленной в цифровой форме. Среда передачи данных может быть естественной и искусственной. Естественная среда - это существующая в природе среда; чаще всего естественной средой для передачи сигналов является атмосфера Земли, но возможно также использование других сред - безвоздушного пространства, воды, грунта, корабельного корпуса и т.д. Соответственно под искусственными понимают среды, которые были специально изготовлены для использования в качестве среды передачи данных. Представителями искусственной среды являются, например, электрические и оптоволоконные (оптические) кабели. Будем рассматривать среды передачи данных согласно их распространенности, поэтому начнем со сред передачи данных, которые мы решили называть искусственными. На сегодня большая часть компьютерных сетей используют для соединения провода и кабели. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами. Наиболее распространены: коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель. Далее о них подробнее. Хотя физические кабели являются наиболее распространенными носителями для сетевых коммуникаций, беспроводные технологии все более внедряются благодаря их способности связывать глобальные сети. На физическом уровне для физических кабелей определяются механические и электрические (оптические) свойства среды передачи, которые включают: тип кабелей и разъемов; разводку контактов в разъемах; схему кодирования сигналов для значений 0 и 1. Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей посредством процедуры передачи данных по каналу. В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов. Кабели связи, линии связи, каналы связи Для организации связи в сетях используются следующие понятия: кабели связи; линии связи; каналы связи. Кабель связи — это длинномерное изделие электротехнической промышленности. Из кабелей связи и других элементов (монтаж, крепеж, кожухи и т.д.) строят линии связи. Прокладка линии внутри здания задача достаточно серьезная. Длина линий связи колеблется от десятков метров до десятков тысяч километров. В любую более-менее серьезную линию связи кроме кабелей входят: траншеи, колодцы, муфты, переходы через реки, море и океаны, а также грозозащита (равно как и другие виды защиты) линий. Очень сложны охрана, эксплуатация, ремонт линий связи; содержание кабелей связи под избыточным давлением, профилактика (в снег, дождь, на ветру, в траншее и в колодце, в реке и на дне моря). Большую сложность представляют собой юридические вопросы, включающие согласование прокладки линий связи, особенно в городе. Вот чем линия (связи) отличается от кабеля. Называть кабель связи линией — все равно что асфальт, еще в кузове самосвала, именовать готовой автострадой. Разница примерно такая же. По уже построенным линиям организуют каналы связи. Причем если линию, как правило, строят и сдают сразу всю, то каналы связи вводят постепенно. Уже по линии можно дать связь, но такое использование крайне дорогостоящих сооружений очень неэффективно. Поэтому применяют аппаратуру каналообразования (или, как раньше говорили, уплотнение линии). По каждой электрической цепи, состоящей из двух проводов, обеспечивают связь не одной паре абонентов (или компьютеров), а сотням или тысячам: по одной коаксиальной паре в междугородном кабеле может быть образовано до 10800 каналов тональной частоты (0,3 – 3,4 КГц) или почти столько же цифровых, с пропускной способностью 64 Кбит/с. При наличии кабелей связи создаются линии связи, а уже по линиям связи создаются каналы связи. Линии связи и каналы связи заводятся на узлы связи. Линии, каналы и узлы образуют первичные сети связи. Термин «беспроводная среда» может ввести в заблуждение, т. к. предполагает полное отсутствие проводов. В действительности это не так. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, где основная среда передачи данных - кабель. В ЛВС (локальная вычислительная сеть) они оказываются наиболее полезными: в помещениях, заполненных людьми (приемная и т. п.); для людей, которые не работают на одном месте (врач, брокер и т. п.); в изолированных помещениях и зданиях (склад, гараж и т. п.); в строениях (памятниках архитектуры или истории), где прокладка дополнительных кабельных трасс недопустима. Для беспроводной передачи данных используют: инфракрасное и лазерное излучение, радиопередачу и телефонию. Эти способы передачи данных в компьютерных сетях, как локальных, так и глобальных, привлекательны тем, что: гарантируют определенный уровень мобильности; позволяют снять ограничение на длину сети, а использование радиоволн и спутниковой связи делают доступ к сети фактически неограниченным. 2. Коаксиальный кабель До недавнего времени самой распространенной средой передачи данных был коаксиальный кабель: относительно недорогой, легкий и гибкий, безопасный и простой в установке. На рис. 1 приведена конструкция коаксиального кабеля. Рис. 1. Конструкция коаксиального кабеля. Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Она изоляцией отделяется от металлической оплетки, которая играет роль заземления и защищает передаваемые по жиле сигналы от: внешних электромагнитных шумов (атмосферных, промышленных); перекрестных помех – электрических наводок, вызванных сигналами в соседних проводах. Используют толстый и тонкий коаксиальный кабель. Их характеристики представлены в таблице 1. Таблица 1 Характеристики коаксиального кабеля. Тип Диаметр Эффективная длина сегмента толстый тонкий 1 см 0,5 см 500 м 185 м Скорость передачи 10 Мбит/с 10 Мбит/с Обозначение по стандарту IEEE 802.3 10 base 5 10 base 2 В обозначении кабелей по стандарту IEEE 802.3 первые две цифры – скорость передачи в Мбит/с, слово "base" - обозначает, что кабель используется в сетях с узкополосной передачей (baseband network), последняя цифра – эффективная длина сегмента в сотнях метров, при которой уровень затухания сигнала остается в допустимых пределах. Тонкий подключается к сетевым платам непосредственно через Т-коннектор (рис. 2), толстый – через специальное устройство - трансивер (рис. 3). Рис. 2. Подключение тонкого коаксиала. Рис. 3. Подключение толстого коаксиала. Различают обычные и пленумные коаксиальные кабели. Последние обладают повышенными механическими и противопожарными характеристиками и допускают прокладку под полом, между фальшпотолком и перекрытием. При выборе для ЛВС данного типа кабеля следует принимать во внимание, что: это среда для передачи речи, видео и двоичных данных; позволяет передавать данные на достаточно большие расстояния; использует хорошо знакомую технологию, обеспечивая достаточный уровень защиты данных. 3. Витая пара Если для передачи электрических сигналов воспользоваться обычной парой параллельных проводов для передачи знакопеременного сигнала большой частоты, то возникающие вокруг одного из них магнитные потоки будут вызывать помехи в другом (рис. 4). Для исключения этого явления провода перекручивают между собой (рис. 5). Рис. 4. Пара параллельных проводов. Рис. 5. Витая пара . Витая пара - это изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном отрезке длины, что требуется для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такие линии как нельзя лучше подходят для создания симметричных цепей, в которых используется балансный принцип передачи информации (рис. 6). Рис. 6. Симметричная цепь Приемник и передатчик гальванически развязаны друг от друга согласующими трансформаторами. При этом во вторичные обмотки (сетевые адаптеры) подается только разность потенциалов первичной обмотки (непосредственно протяженной линии). Из-за этого необходимо отметить два важных момента. Токи в любой точке идеальной витой пары равны по значению, и противоположны по направлению. Следовательно, векторы напряженности электромагнитного поля каждого из проводников противоположно направлены, и суммарное ЭМИ отсутствует. Под идеальной витой парой понимается линия, в которой проводники бесконечно плотно прилегают друг к другу, имеют бесконечно малый диаметр, и ток, протекающий через них, стремится к нулю. Метод накладывает некоторые ограничения на протокол передачи (невозможность передачи постоянной составляющей), но значительно более устойчиво к внешним влияниям (по сравнению, например, с несимметричным RS232). Из рис. 6 видно, что результирующее напряжение наводки на вторичной обмотке будет синфазным, соответственно не передастся на вторичную обмотку (сетевой адаптер). 3.1. Разновидности кабелей на основе витых пар Витая пара не была новым изобретением. До этого она уже многие десятки лет успешно использовалась в телефонии, и остается только удивляться, почему ее перенос на почву Ethernet прошел только в сентябре 1990 года, когда был официально принят стандарт 10baseT. Вполне естественно, что это была витая пара 3 категории, с очень большим, в десятки сантиметров, шагом скрутки проводов в паре, и небольшой, до 20 МГц, полосой пропускания (т.е. были взяты прямо из телефонной проводки). Компьютерные кабеля отличало только оформление – 4 пары под одной оболочкой. Немного позже, одновременно с появлением Fast Ethernet в 1995 году, был введен новый стандарт на кабель Категории 5 (Cat.5), с шагом скрутки, меняющемся для разных пар от 12 до 32 мм (например, ряд от Lucent - 15, 13, 20, 24 мм). Делается это для уменьшения перекрестных наводок, о которых будет рассказано ниже. Такой кабель обеспечивает передачу сигналов с частотой до 100 Мбит. Далее появилась Cat.5е (до 125 МГц), на подходе Cat.6 и в разработке Cat.7. Самая простая витая пара (TP - Twisted Pair) – это два перевитых друг вокруг друга изолированных провода. Обычно выделяют два типа такого кабеля, а именно: неэкранированную витую пару (UTP) и экранированную витую пару (STP). Рис. 7. Неэкранированная и экранированная витая пара. Однако, согласно международному стандарту ISO/IEC 11801 приложение E, для обозначения конструкции экранированного кабеля используется комбинация из трех букв: U — неэкранированный, S — металлическая оплётка (только общий экран), F — металлизированная лента (алюминиевая фольга). Из этих букв формируется аббревиатура вида xx/xTP, обозначающая тип общего экрана и тип экрана для отдельных пар. Распространены следующие типы конструкции экрана: Неэкранированный кабель (U/UTP). В них экранирование отсутствует — это кабели категория 6 и ниже. Индивидуальный экран (U/FTP). Экранирование фольгой каждых отдельных пар. Защищает от внешних помех и от перекрёстных помех между витыми парами. Общий экран (F/UTP, S/UTP, SF/UTP). Общий экран из фольги, оплётки, или фольги с оплёткой. Защищает от внешних электромагнитных помех. Индивидуальный и общий экран (F/FTP, S/FTP, SF/FTP). Индивидуальные экраны из фольги для каждой витой пары, плюс общий экран из фольги, оплётки, или фольги с оплёткой. Защищает от внешних помех и от перекрёстных помех между витыми парами. Экранированные кабели категорий 5e, 6/6A и 8/8.1 чаще всего используют конструкцию F/UTP (общий экран из фольги), тогда как экранированные кабели категорий 7/7A и 8.2 используют конструкцию S/FTP (с общей металлической оплёткой и фольгой для каждой пары). В любом кабеле каждая паpа проводов состоит из пpовода, именуемого "Ring" и пpовода "Tip". Эти названия пpишли из телефонии. Каждая паpа в оболочке имеет свой номеp. Таким обpазом, каждый пpовод можно идентифициpовать как Ring1, Tip1, Ring2, Tip2 и т.д. Дополнительно к нумеpации пpоводов каждая паpа имеет свою уникальную цветовую схему: cиний/cине-белый – для 1-ой паpы, оpанжевый/оpанжево-белый – для 2-й, зеленый/зелено-белый – для 3-й коpичневый/коpичнево-белый – для 4-й и так далее. Для каждой паpы пpоводов Ring-пpовод окpашен в основной цвет с полосками дополнительного, а Tip-пpовод – наобоpот. Hапpимеp, для первой паpы проводов Ring1-пpовод будет синий с белыми полосками, а Tip1-провод – белый с синими полосками. На практике, когда количество пар невелико (4 пары), окраска основного провода полосками цвета дополнительного не применяется. Часто несколько витых пар помещают в одну защитную оболочку (типа телефонного кабеля). Наиболее распространена в ЛВС неэкранированная витая пара стандартов 100BaseT и 1000BaseT с эффективной длиной сегмента – 100 м. Определено 6 категорий на основе UTP (таблица 2). Таблица 2 Категории кабельных соединений на неэкранированной витой паре. Категория Cat.1 Cat.2 Cat.3 Скорость передачи Количество пар (Мбит/с) Используется для телефонных коммуникаций и не 1 пара подходит для передачи данных До 4 4 пара 4пары До 10 с 9-ю витками на 1 м Cat.4 До 16 4 пары Cat.5 До 100 2-4 медных пары Cat.5+ Cat.6 Сертифицирован для частоты до 300 МГц включительно. (IEC 46 Commity draft) Сертифицирован для частоты до 600 МГц включительно. (DIN 44312-5 Draft) Применяемость Телефонная коммуникация ... Применяется в сетях 10Base-T Применяется в сетях Token Ring Применяется в сетях 100Base-TX и других, требующих такую скорость. 2-4 медных пары Применяется в сетях 100Base-TX/1000BaseTX. 4 медных пары Применяется в сетях 100Base-TX/1000BaseTX. Два главных физических различия между кабелями Cat.5 и Cat.6 – это количество витков витой пары на единицу длины и толщина оплетки. Длина витка нестандартизирована, но обычно у категории Cat.5e она составляет 1,5 - 2 витка на сантиметр, а у категории Cat.6 количество витков больше 2. Внутри одного кабеля, каждая цветная пара также обладает различной длиной витка, основанной на простых числах. Длины витков подобраны таким образом, чтобы два различных витка никогда не совпадали. Количество витков на каждую цветную пару обычно уникально для каждого производителя. Как можно видеть на рис. 8, на 1 дюйм у каждой цветной пары приходится разное количество витков. Рис. 8. Сравнительный анализ скруток Cat.5, Cat.5e и Cat.6. Во многих кабелях категории Cat.6 имеется нейлоновая нить, которая также уменьшает перекрестные помехи. Хотя нить является необязательной в Cat.5, но некоторые производители все равно добавляют ее. В кабеле Cat.6 нить также необязательна до тех пор, пока кабель проходит тесты стандарта. На картинке выше только кабель Cat-5e содержит нейлоновую нить. Одной из проблем всех этих кабелей являются перекрестные помехи, т.е. наводки со стороны соседних линий, что может приводить к искажению передаваемых данных. Для уменьшения их влияния используют экран. В кабелях на основе экранированных витых пар каждая пара обматывается фольгой, а сам кабель заключается в медную оплетку, что позволяет передавать данные с более высокой скоростью и на большие расстояния. Следует отметить еще один классификационный признак для кабелей на основе витых пар, среди которых различают цельный кабель (Solid TP) и скрученный кабель (Stranded TP). Понятие цельного или скрученного кабеля относится к собственно медным проводникам внутри кабеля. Цельный кабель (рис. 9, справа) означает, что внутренний проводник представлен в виде единого куска меди, а в скрученных кабелях (рис. 4.9, слева) – из нескольких тонких медных проводников, скрученных вместе. Рис. 9. Скрученный и цельный UTP-кабель. Для каждого из типов проводников существуют различные приложения и методы использования, но большинству пользователей необходимо обязательно знать только о двух их основных особенностях: Скрученные (Stranded) кабели являются более гибкими, и их следует использовать там, где кабель будет часто двигаться. Например, вблизи рабочих мест. Цельный (Solid) кабель не так гибок, зато более долговечен, его можно идеально использовать для постоянных сетей – как на улице, так и внутри помещения. 3.2. Компоненты кабельной системы При построении развитой кабельной системы ЛВС и для упрощения работы с ней используются следующие компоненты: Коннекторы Для подключения витой пары к компьютеру используется телефонный коннектор RJ-45, который отличается от используемых в современных телефонах и факсах RJ-11 тем, что имеет 8 контактов вместо 4. Распределительные стойки и полки Эти устройства позволяют организовать множество соединений и занимают мало места. Коммутационные панели Существуют разные панели расширения. Они поддерживают до 96 портов и скорость передачи до 100 Мбит/с. Соединители Представляют собой одинарные или двойные вилки RJ-45 для подключения к панели расширения или настенным розеткам. Обеспечивают скорость до 100 Мбит/с. Настенные К этим розеткам можно подключить два или более соединителя. розетки Достоинством использования компонентов кабельной системы ЛВС является то, что на их основе можно компоновать сети различной топологии. Один из вариантов использования компонентов кабельной системы ЛВС может иметь вид, аналогичный приведенному на рис. 10. Рис. 10. Использование компонентов кабельной системы ЛВС . При разработке топологии и построении конкретных ЛВС рекомендуется использовать витую пару в тех случаях, если: есть ограничения на материальные затраты при организации ЛВС; нужна достаточно простая установка, при которой подключение компьютеров – несложная операция. Следует воздержаться от использования витой пары, если Вы хотите быть абсолютно уверенными в целостности данных, передаваемых на большие расстояния с высокой скоростью. В этих случаях более надежным является применение оптоволоконного кабеля. 4.4. Оптоволоконный кабель В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов, а не электрических сигналов. Следовательно, его нельзя вскрыть и перехватить данные. Передача по оптоволокну не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости. В современных коммерческих системах телекоммуникации скорость составляет 2,5 или 10 Гбит/с на один канал передачи данных на расстояние до десяти километров и более. При этом каждое волокно, используя спектральное уплотнение каналов, может передать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи, исчисляемую уже терабитами в секунду. Если в 2008 году скорость была — 10,72 Тбит/с, в 2012 — 20 Тбит/с, то в 2014 она уже достигла — 255 Тбит/с. Начиная с 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела существующих технологий и о необходимости кардинальных изменений в этой отрасли. Основа оптоволоконного кабеля – это оптическое волокно – тонкий стеклянный цилиндр (жила), покрытая слоем стекла, называемого оболочкой и имеющей отличный от жилы коэффициент преломления (рис. 11). Рис. 11. Структура оптоволокна. Рис. 12. Оптоволоконный кабель Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами (рис. 12). Жесткость обеспечивает покрытие из пластика, а прочность – волокна кевлара. Оптоволоконный кабель рекомендуется использовать: при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью по надежной среде передачи. Не рекомендуется использовать: при ограниченности денежных средств; при отсутствии навыков установки и корректного подключения оптоволоконных сетевых устройств.
