» »

Производительность среды передачи данных. Среда передачи данных

Физическая среда является основой, на которой строятся физические средства соединения. Сопряжение с физическими средствами соединения посредством физической среды обеспечивает Физический уровень. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц. На физическом уровне находится носитель, по которому передаются данные. Среда передачи данных может включать как кабельные, так и беспроводные технологии. 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.

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.

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.

Типы кабелей и структурированные кабельные системы

В качестве среды передачи данных используются различные виды кабелей: коаксиальный кабель, кабель на основе экранированной и неэкранированной витой пары и оптоволоконный кабель. Наиболее популярным видом среды передачи данных на небольшие расстояния (до 100 м) становится неэкранированная витая пара, которая включена практически во все современные стандарты и технологии локальных сетей и обеспечивает пропускную способность до 100 Мб/с (на кабелях категории 5). Оптоволоконный кабель широко применяется как для построения локальных связей, так и для образования магистралей глобальных сетей. Оптоволоконный кабель может обеспечить очень высокую пропускную способность канала (до нескольких Гб/с) и передачу на значительные расстояния (до нескольких десятков километров без промежуточного усиления сигнала).

В качестве среды передачи данных в вычислительных сетях используются также электромагнитные волны различных. Однако пока в локальных сетях радиосвязь используется только в тех случаях, когда оказывается невозможной прокладка кабеля, например, в зданиях. Это объясняется недостаточной надежностью сетевых технологий, построенных на использовании электромагнитного излучения. Для построения глобальных каналов этот вид среды передачи данных используется шире – на нем построены спутниковые каналы связи и наземные радиорелейные каналы, работающие в зонах прямой видимости в СВЧ диапазонах.

Очень важно правильно построить фундамент сети – кабельную систему. В последнее время в качестве такой надежной основы все чаще используется структурированная кабельная система.

Структурированная кабельная система SCS (Structured Cabling System) – это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

Преимущества структурированной кабельной системы.

Универсальность. Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети.

Увеличение срока службы. Срок старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 8-10 лет.

Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. Стоимость кабельной системы в основном определяется не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке.

Возможность легкого расширения сети. Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко наращивать, позволяя легко и ценой малых затрат переходить на более совершенное оборудование, удовлетворяющее растущим требованиям к системам коммуникаций.

Обеспечение более эффективного обслуживания. Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей.

Надежность. Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность, поскольку обычно производство всех ее компонентов и техническое сопровождение осуществляется одной фирмой-производителем.

Существует несколько различных типов кабелей, используемых в современных сетях. Ниже приведены наиболее часто используемые типы кабелей. Множество разновидностей медных кабелей составляют класс электрических кабелей, используемых как для прокладки телефонных сетей, так и для инсталляции ЛВС. По внутреннему строению различают кабели на витой паре и коаксиальные кабели.

Кабель типа «витая пара» (twisted pair )

Витой парой называется кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание проводов уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю, а экранированные витые пары еще более увеличивают степень помехозащищенности сигналов.

Кабель типа «витая пара» используется во многих сетевых технологиях, включая Ethernet, ARCNet и IBM Token Ring.

Кабели на витой паре подразделяются на: неэкранированные UTP (Unshielded Twisted Pair) и экранированные медные кабели. Последние подразделяются на две разновидности: с экранированием каждой пары и общим экраном STP (Shielded Twisted Pair) и с одним только общим экраном FTP (Foiled Twisted Pair). Наличие или отсутствие экрана у кабеля вовсе не означает наличия или отсутствия защиты передаваемых данных, а говорит лишь о различных подходах к подавлению помех. Отсутствие экрана делает неэкранированные кабели более гибкими и устойчивыми к изломам. Кроме того, они не требуют дорогостоящего контура заземления для эксплуатации в нормальном режиме, как экранированные. Неэкранированные кабели идеально подходят для прокладки в помещениях внутри офисов, а экранированные лучше использовать для установки в местах с особыми условиями эксплуатации, например, рядом с очень сильными источниками электромагнитных излучений, которых в офисах обычно нет.

Частота передаваемого сигнала, (МГц)

Коаксиальные кабели

Коаксиальные кабели используются в радио и телевизионной аппаратуре. Коаксиальные кабелимогут передавать данные со скоростью 10 Мбит/с на максимальное расстояние от 185 до 500 метров. Они разделяются на толстые и тонкие в зависимости от толщины. Типы коаксиальных кабелей приведены в табл. 4.2.

Кабель Thinnet, известный как кабель RG-58, является наиболее широко используемым физическим носителем данных. Сети при этом не требуют дополнительного оборудования и являются простыми и недорогими. Хотя тонкий коаксиальный кабель (Thin Ethernet) позволяет передачу на меньшее расстояние, чем толстый, но для соединений с тонким кабелем применяются стандартные байонетные разъемы BNC типа СР-50 и ввиду его небольшой стоимости он становится фактически стандартным для офисных ЛВС. Используется в технологии Ethernet 10Base2.

Таблица 4.2. Типы коаксиальных кабелей

Название, значение сопротивления

Thicknet, 50 Ом

Thinnet, 50 Ом, сплошной центральный медный проводник

Thinnet, 50 Ом, центральный многожильный проводник

Broadband/Cable television (широковещательное и кабельное телевидение), 75 Ом

Broadband/Cable television (широковещательное и кабельное телевидение), 50 Ом

ARCNet, 93 Ом

Толстый коаксиальный кабель(Thick Ethernet)имеет большую степень помехозащищенности, большую механическую прочность, но требует специального приспособления для прокалывания кабеля, чтобы создать ответвления для подключения к ЛВС. Он более дорогой и менее гибкий, чем тонкий. Используется в технологии Ethernet 10Base5, описанной ниже. Сети ARCNet с посылкой маркера обычно используют кабель RG-62 А/U.

Оптоволоконный кабель

Отличительная особенность оптоволоконных систем – высокая стоимость как самого кабеля (по сравнению с медным), так и специализированных установочных элементов (розеток, разъемов, соединителей и т. п.). Правда, главный вклад в стоимость сети вносит цена активного сетевого оборудования для оптоволоконных сетей.

Оптоволоконные сети применяются для горизонтальных высокоскоростных каналов, а также все чаще стали применяться для вертикальных каналов связи (межэтажных соединений).

Оптоволоконный кабель (Fiber Optic Cable) обеспечивает высокую скорость передачи данных на большом расстоянии. Они также невосприимчивы к интерференции и подслушиванию. В оптоволоконном кабеле для передачи сигналов используется свет. Волокно, применяемое в качестве световода, позволяет передачу сигналов на большие расстояния с огромной скоростью, но оно дорого, и с ним трудно работать.

Для установки разъемов, создания ответвлений, поиска неисправностей в оптоволоконном кабеленеобходимы специальные приспособления и высокая квалификация. Оптоволоконный кабель состоит из центральной стеклянной нити толщиной в несколько микрон, покрытой сплошной стеклянной оболочкой. Все это, в свою очередь, спрятано во внешнюю защитную оболочку.

Оптоволоконные линии очень чувствительны к плохим соединениям в разъемах. В качестве источника света в таких кабелях применяются светодиоды, а информация кодируется путем изменения интенсивности света. На приемном конце кабеля детектор преобразует световые импульсы в электрические сигналы.

Существуют два типа оптоволоконных кабелей – одномодовые и многомодовые. Одномодовые кабели имеют меньший диаметр, большую стоимость и позволяют передачу информации на большие расстояния. Поскольку световые импульсы могут двигаться в одном направлении, системы на базе оптоволоконных кабелей должны иметь входящий кабель и исходящий кабель для каждого сегмента. Оптоволоконный кабель требует специальных коннекторов и высококвалифицированной установки.

4.1.Основные типы кабельных и беспроводных сред передачи данных

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. Однако постепенно в нашу жизнь входит беспроводная среда передачи данных. 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 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.

4.1.1.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. 4.1 приведена конструкция коаксиального кабеля.

Рис.4.1.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 4.1. Таблица 4.1

Характеристики коаксиального кабеля.

В обозначении кабелей по стандарту IEEE 802.3 первые две цифры - скорость передачи в Мбит/с, 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. 4.2), толстый - через специальное устройство - трансивер (рис. 4.3).


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: 1)это среда для передачи речи, видео и двоичных данных; 2)позволяет передавать данные на большие расстояния; 3)это хорошо знакомая технология, предлагающая достаточный уровень защиты данных.

4.1.2.Витая пара

Если для передачи электрических сигналов воспользоваться обычной парой параллельных проводов для передачи знакопеременного списка большой частоты, то возникающие вокруг одного из них магнитные потоки будут вызывать помехи в другом (рис. 4.4). Для исключения этого явления провода перекручивают между собой (рис. 4.5).


Самая простая витая пара (twisted pair) - это два перевитых друг вокруг друга изолированных провода. Существует два вида такого кабеля: -неэкранированная витая пара (UTP); -экранированная витая пара (STP). Часто несколько витых пар помещают в одну защитную оболочку (типа телефонного кабеля). Наиболее распространена в ЛВС неэкранированная витая пара стандарта 10 baseT с эффективной длиной сегмента - 100 м. Определено 5 категорий на основе UTP (таблица 4.2). Таблица 4.2

Категории кабальных соединений на неэкранированной витой паре

4.1.3.Компоненты кабельной системы

При построении развитой кабельной системы ЛВС и для упрощения работы с ней используются следующие компоненты: ·Концентраторы. 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, которые 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. Одинарные или двойные витки RJ-45 для подключения к панели расширения или настенным розеткам. Обеспечивают скорость до 100 Мбит/с. ·Настенные розетки к которым можно подключить два или более соединителя. 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. 4.6.


Рис.4.6.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.

4.1.4.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 оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости (до 100 Мбит/с, а теоретически возможно до 200 Мбит/с). Основа кабеля - оптическое волокно - тонкий стеклянный цилиндр (жила), покрытая слоем стекла, называемого оболочкой и имеющей отличный от жилы коэффициент преломления (рис. 4.7).


Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами (рис. 4.8). 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.

4.2.Узкополосная и широкополосная передачи сигналов

В современных компьютерных сетях для передачи кодированных сигналов по сетевому кабелю наибольшее применение находят две наиболее распространенные технологии: -узкополосная передача сигналов; -широкополосная передача сигналов. Узкополосные (baseband) системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты (рис. 4.9).


Рис. 4.9. Узкополосная передача.

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это разница между max и min частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно их передавать и принимать. Широкополосные (broadband) системы передают данные в виде аналогового сигнала, который использует некоторый интервал частот (рис. 4.10). Сигналы представляют собой непрерывные (а не дискретные) электронные или оптические волны. При таком способе сигналы передаются по физической среде в одном направлении. Если обеспечить необходимую полосу пропускания, то по одному сетевому кабелю одновременно можно передавать несколько сигналов (например, кабельного телевидения, телефона и передача данных).


Рис. 4.10. Широкополосная передача

Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства (в. т. ч. и компьютеры) настраиваются так, чтобы работать с выделенной им частью полосы пропускания. В широкополосной системе сигнал передается только в одном направлении. Для возможности приема и передачи каждым из устройств необходимо обеспечить два пути прохождения сигнала. Для этого можно: -использовать два кабеля; -разбить полосу пропускания кабеля на два канала, которые работают с разными частотами: один канал на передачу, другой - на прием.

4.3. Кодирование сигналов

Данные, хранимые в РС и передаваемые между ними в ЛВС, представляются в цифровом виде (рис. 4.11). Каждое информационное сообщение (пакет) - это строка битов, содержащая закодированную информацию.


Так как кабель содержит всего две проводящие жилы, то в каждый момент времени по нему можно передать только один бит информации (последовательная передача данных). 1.При широкополосной передаче цифровые данные РС перед передачей по сетевому кабелю преобразуются в аналоговый несущий сигнал синусоидальной формы: u = U*sin(wt+w) Это преобразование называется модуляцией. В зависимости от того, какой из параметров данного сигнала изменяется различают три типа модуляции: амплитудную, частотную и фазовую. Рассмотрим два из них. При амплитудной модуляции (АМ) используется несущий сигнал постоянной частоты (W0). Для передачи бита со значением "1" передается волна несущей частоты. Отсутствие сигнала означает передачу бита "0", т. е.:


При частотной модуляции (ЧМ) используется сигнал несущей с двумя частотами. В этом случае бит "1" представляется сигналом несущей частоты W1, а бит "0" - частоты W2, т. е.:


Обратный процесс - процесс преобразования аналогового сигнала в цифровые данные на РС, которая принимает переданный ей модулированный сигнал называется демодуляцией. 2.При узкополосной передаче используется двуполярный дискретный сигнал. При этом кодирование в сетевом адаптере передающей РС цифровых данных в цифровой сигнал выполняется напрямую. Наиболее простым и часто используемым является кодирование методом без возврата к нулю (NRZ - Non Return to Zero), в котором бит "1" представляется положительным напряжением (H - высокий уровень), а бит "0" - отрицательным напряжением (L - низкий уровень). Т. е. сигнал всегда выше или ниже нулевого напряжения, откуда и название метода. Иллюстрация изложенных методов кодирования сигналов приведена на рис. 4.12.


Рис. 4.12. Варианты кодирования сигналов.

Как при передаче аналоговых, так и цифровых сигналов, если следующие друг за другом биты ровны (оба "0" или оба "1"), то трудно сказать, когда кончается один и начинается другой. Для решения этой задачи приемник и передатчик надо синхронизировать, т. е. одинаково отсчитывать интервалы времени. Это можно выполнить либо введя дополнительную линию для передачи синхроимпульсов (что не всегда возможно, да и накладно), либо использовать специальные методы передачи данных: асинхронный или автоподстройки.

4.4.Асинхронная передача и автоподстройка

При низких скоростях передачи сигналов используется метод асинхронной передачи, при больших скоростях эффективнее использовать метод автоподстройки. Как передатчик, так и приемник снабжены генераторами тактовых импульсов, работающими на одной частоте. Однако невозможно, чтобы они работали абсолютно синхронно, поэтому их необходимо периодически подстраивать. Аналогично обыкновенным часам, которые необходимо периодически корректировать. При асинхронной передаче генераторы синхронизируются в начале передачи каждого пакета (или байта) данных и предполагается, что за это время не будет рассогласования генераторов, которые бы вызвали ошибки в передаче. При этом считается, что все пакеты одной длины (например, байт). Синхронизация тактового генератора приемника достигается тем, что: -перед каждым пакетом (байтом) посылается дополнительный "старт-бит", который всегда равен "0"; -в конце пакета посылается еще один дополнительный "стоп-бит", который всегда равен "1". Если данные не передаются, линия связи находится в состоянии "1" (состояние незанятости). Начало передачи вызывает переход от "1" к "0", что означает начало "старт-бита". Этот переход используется для синхронизации генератора приемника. Поясним этот процесс временной диаграммой (рис. 4.13):


При передаче с автоподстройкой используется метод Манчестерского кодирования, при котором: -тактовый генератор приемника синхронизируется при передаче каждого бита; -и следовательно, можно посылать пакеты любой длины. Синхронизация сигнала данных достигается обеспечением перехода от "H"-уровня к "L"-уровню или наоборот, в середине каждого бита данных (рис. 4.14). Эти переходы служат для синхронизации тактового генератора приемника. Биты данных кодируются: "0" - при переходе "L" а "H" и "1" - при переходе "H" а "L"


Если информация не передается, в линии данных нет никаких переходов и тактовые генераторы передатчика и приемника рассогласованы. При этом виде кодирования переходы происходят не только в середине каждого бита данных, но и между битами, когда два последовательных бита имеют одно и то же значение. После простоя линии необходима предварительная синхронизация генератора, которая достигается посылкой фиксированной последовательности битов (преамбула и биты готовности). Например, можно использовать преамбулу из восьми битов: 11111110, где первые 7 битов используются для начальной синхронизации, а последний - для сообщения приемнику, что преамбула окончилась, т. е. далее пойдут биты данных.

4.5.Плата сетевого адаптера (СА)

Плата сетевого адаптера выступает в качестве физического интерфейса или соединения между компьютером и сетевым кабелем. Платы вставляются в слоты расширения системной шины всех сетевых компьютеров и серверов. Назначение платы сетевого адаптера: -подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю; -передача (или прием) данных другому компьютеру; -управление потоком данных между компьютером и кабельной системой. 1. Подготовка данных. Плата сетевого адаптера принимает циркулирующие по системной шине параллельные данные, организует их для последовательной (побитовой) передачи. Этот процесс завершается переводом цифровых данных компьютера в электрические или оптические сигналы, которые и передаются по сетевым кабелям. Отвечает за это преобразование трансивер. 2. Сетевой адрес. Помимо преобразования данных плата СА должна указать свой адрес, чтобы ее можно было отличить от других плат. За каждым производителем СА закреплен стандартом IEEE некоторый интервал адресов. Производители "прошивают" эти адреса в микросхеме плат. Благодаря этому, каждый СА и, следовательно, каждый сетевой компьютер имеет уникальный адрес в сети. При передаче данные из памяти компьютера через системную шину поступают в СА. Обычно они поступают быстрее, чем их способна передать плата СА, поэтому она должна иметь буфер для их временного хранения. Это позволяет согласовать скорости передачи по шине без потерь производительности и искажения данных. 3. Передача и управление данными. Перед посылкой данных по сети плата СА проводит "электронный диалог" с принимающим СА, во время которого они "оговаривают": -максимальный размер блока передаваемых данных; -объем данных, передаваемый без подтверждения о получении; -интервалы между передачами блоков; -объем данных, который может принять СА, не переполняясь; -скорость передачи данных. Все эти действия каждый СА выполняет в строго определенной последовательности в соответствие со строго определенными правилами, которые называются протоколами и подробно будут рассматриваться ниже. 4. Сетевые кабели и соединители. Каждый тип кабеля имеет различные сетевые характеристики, которым должен соответствовать и СА. Поэтому платы СА рассчитаны на работу с определенным видом кабеля (коаксиал, витая пара и т. д.). Некоторые СА могут содержать несколько типов соединителей для различных физических сред.

На физическом уровне обычно применяется один из следующих четырех типов среды передачи:

Кабель “витая пара” (симметричный кабель);

Коаксиальный кабель (тонкий или толстый);

Оптоволоконный кабель;

Окружающее пространство.

Каждая из этих сред отличается друг от друга необходимым оборудованием, пропускной способностью, помехоустойчивостью, максимальной протяженностью, сложностью установки, собственником инфраструктуры и многими другими параметрами. Характеристики сред будем рассматривать со следующих основных четырех точек зрения: пропускной способности, помехоустойчивости, сложности установки, популярности среди пользователей. Общее впечатление с этих позиций дает табл.5.1.

Таблица 5.1

Сравнительные характеристики сред передачи данных

Пропускная способность – это область (спектр) частот гармонических колебаний, пропускаемых средой передачи, т. е. полоса пропускания. Полоса пропускания измеряется в герцах, а скорость передачи – в битах в секунду. Ширина полосы пропускания среды должна быть достаточной для прохождения существенных амплитуд частотного спектра сигналов. При повышении спектра полосы пропускания, например, за счет возросшей частоты сигналов, среда может не успевать изменять свое энергетическое состояние, что и приведет к искажению сигналов. Мы уже отмечали границы полосы пропускания кабельных сред (см. рис.3.2). Расширим эту схему использованием окружающего пространства различными владельцами, как показано на рис.5.1.

Скорость пропускания зависит не только от ширины полосы, но и от способов модуляции и кодирования. Например, передача последовательности одинаковых цифр манчестерским кодом идет на частоте вдвое большей, чем потенциальным кодом без возвращения к нулю.

Рис. 5.1. Полосы пропускания, закрепленные за различными службами

С пропускной способностью связана такая характеристика, как способность к широковещанию. Эта способность определяется, в основном, конструкцией и материалом среды передачи. “Витая пара” – для двухточечной связи, коаксиал – для широковещания.

Помехозащищенность среды также зависит от конструкции. Она измеряется отношением мощности сигнала к мощности шума. Чем больше это отношение (измеряется в децибелах), тем выше помехоустойчивость. Качественные оценки этого параметра уже даны в табл. 5.1.

При распространении в среде сигнал любой частоты теряет свою мощность из-за рассеивания или излучения. Затухание сигнала определяет максимальную допустимую протяженность среды при фиксированных мощности передатчика и чувствительности приемника. Для увеличения протяженности обычно применяются усилители мощности, повторители, ретрансляторы.

Измеряется затухание в децибелах как отношение мощности сигнала в начале и в конце единицы длины среды передачи (обычно 1 км) на фиксированной частоте передачи.

Чем толще кабель, тем труднее его прокладывать (требуется больший радиус закругления). Но более толстые проводники обладают меньшим затуханием и допускают большую длину передачи без применения дополнительного оборудования.

Стоимость среды передачи - стоимость проектно-монтажных работ по строительству этой линии и затрат на ее эксплуатацию. Стоимость является определяющим фактором популярности применения той или иной среды.

Рассмотрим характеристики конкретных сред.

Кабель “витая пара” состоит из двух изолированных проводников, перевитых между собою. По определенной частоте витков, типу изоляции (бумага, шелк, поливинил) и некоторым другим параметрам кабель “витая пара” разделяется на несколько категорий. В целом, чем выше категория кабеля, тем больший объем информации по нему можно передать, тем меньше перекрестные наводки между проводниками (больше витков на 1 м погонный кабеля), тем он дороже. По сравнению с другими средами “витая пара” обладает меньшей пропускной способностью и сравнительно низкой помехозащищенностью. Вместе с тем, кабель “витая пара” прост в установке и является безусловным лидером в реализации Физического уровня по популярности.

В соответствии со стандартом США EIA/TIA – 568А по проектированию и созданию Структурированных Кабельных Систем (СКС) допускается применение четырех типов кабелей. Наиболее популярным из них является кабель неэкранированный с витыми парами из медных проводников UTP (Unsielded Twisted Pair). Категории 3, 4, 5 этого кабеля поддерживают рабочие частоты 16, 20 и 100 МГц. Соответствие выпускаемых промышленностью кабелей предъявляемым требованиям устанавливается сертификатом. В США такого рода сертификацию проводит независимая организация UL по двум направлениям: по электробезопасности и по техническим характеристикам. Классификация кабелей различных фирм – производителей по уровням, соответствующая стандарту качества ISO 9002, приведена в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Классификация кабелей различных производителей

Рабочая полоса частот (скорость передачи) Фирма – производитель
Anixter UL EIA/TIA AT&T
Передача речи, данных (до 20 кбит/с) Level 1 Level І - -
1 МГц (1 Мбит/с) Level 2 Level ІІ - -
16 МГц (16 Мбит/с) Level 3 Level ІІІ Category 3 Category ІІІ
20 МГц (20 Мбит/с) Level 4 Level ІV Category 4 Category ІV
100 МГц (100 Мбит/с) 155 МГц (155 Мбит/с) Level 5 Level V Category 5 Category V

Кабель “витая пара” категории 3 применяется в локальных низкоскоростных сетях со скоростью до 20 Мбит/с на расстоянии до 100 м. Кабель категории 5 также применяется на расстояниях 100-200 м, но со значительно более высокой скоростью передачи.

Коаксиальный кабель представляет собою центральный медный провод, окруженный слоем изолирующего материала (полиэтилена), который заключен внутри второго проводника в виде оплетки. Вся конструкция защищена от механических повреждений пластиковой оболочкой. По сравнению с “витой парой” коаксиал обладает значительно большей пропускной способностью и помехозащищенностью.

Выпускаются тонкий узкополосный и толстый широкополосный коаксиальные кабели. С помощью тонкого кабеля можно передавать информацию на расстояния до 10 км со скоростью до 50 Мбит/с. Толстый кабель имеет параметры 50 км и 300-500 Мбит/с, соответственно. Лучшие характеристики и стоят дороже. К недостаткам следует отнести большие по сравнению с “витой парой” размеры и вес. Следствием этого является сложность монтажа и обслуживания, что и привело к снижению популярности использования в качестве среды Физического уровня.

Оптоволоконный кабель конструктивно весьма прост, но требует профессионального монтажа. Он состоит из волокон диаметром от единиц до сотен микрон, окруженных твердым покрытием и помещенных в защитную оболочку. Ночной светильник, имитирующий салют, и есть пучок таких волокон без внешней общей оболочки. Вначале оптоволоконные кабели изготавливались из чистого кварцевого стекла, но сейчас уже разработаны технологии на основе пластмассы. Оболочка световода выполняет функцию зеркала для обеспечения эффекта полного внутреннего отражения. Источником распространяемого по кабелю света является светодиод, а на другом конце детектор преобразует световые колебания в электрические.

Внешние электромагнитные поля никак не искажают световые сигналы, поэтому оптоволоконный кабель хорошо защищен от помех. Диапазон пропускной способности у различных видов оптического волокна довольно широк. Однако даже нижней границы современные технологии передачи достигнуть не могут, так что есть неиспользуемый пока ресурс. В установке оптоволоконный кабель не сложен, но требует профессиональных приспособлений для сопряжения соседних отрезков кабеля и высокой квалификации исполнителей. Сочетание высоких свойств оптоволоконного кабеля даже при пока относительно высокой цене обусловило растущую популярность его использования.

Окружающее пространство – атмосфера, стратосфера, ближний космос - являет собой особый случай: здесь сама среда передачи обычно является общественным достоянием. Именно поэтому ее использование тщательно регулируется в пределах каждого географического региона государственными органами и международными соглашениями. В отличие от других сред передачи, которые при необходимости можно наращивать, окружающее пространство, по сути, ограниченно. Если в эфире тесно, то можно только мешать друг другу. Степень помехоустойчивости окружающего пространства зависит от частоты. На низких частотах велики помехи от разрядов молний и электротранспорта, на высоких – от дождя, тумана, состояния ионосферы. Самая большая сложность при установке – получение лицензии на использование выделенной полосы частот. И все-таки популярность этого способа передачи растет. К началу ХХI в. практически вся планета опутана сотами беспроводной связи.

И тем не менее, сегодня в локальных сетях различных топологий чаще применяются кабельные среды передачи данных. Сравнительные их характеристики представлены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Сравнительные характеристики кабельных сред передачи данных

Характе-ри­стика Тип среды передачи
“витая пара” коаксиал тонкий коаксиал толстый оптоволокон­ный кабель
Примене-ние в сетях топологий Кольцо, звезда, шина, дерево Шина, дерево, реже - кольцо Шина, дерево Кольцо, звезда
Максим. число узлов сети До 255 До 1024 2500 и более От 2 до 8
Максим. длина, км 10 ÷ 25 50 ÷ 80 2 ÷ 10
Максим. пропу­скная спо­собность (скорость) Мбит/с 1 ÷ 10 10 ÷ 50 До 500 500 на 10 км 1500 на 8 км до 5*10 3 на 5 км
Основные преиму-ще­ства Низкая стоимость, можно ис­пользо­вать существую­щие теле­фонные ли­нии Низкая цена, простота установки Широкое вещание, высокая помехозащи-щен­ность Смешанный трафик, абсо­лютная защита от шумов, за­щита от несанк­ционированного доступа
Основные недостат-ки Узость по­лосы, слабая защита от помех и не­санкциони­рован­ного доступа. Не­обходима механиче­ская защита, сложность поиска раз­рывов и за­землений Стабильная работа при нагрузке до 40 %, тре­бует за­щиты от механичес-ких повре­ждений и несанкцио-нирован­ного дос­тупа Повышенные цена и за­траты на про­кладку. Необ­ходимы разно-частотные мо­демы для око­нечных сис­тем Высокая цена, для установки необходим ква­лифицирован­ный персонал. Коммерчески пока недоступен

Рассмотрим некоторые технические параметры передачи по кабельным линиям связи.

Локальные сети строятся, в основном, с использованием кабельных линий связи. Любая кабельная линия описывается следующими параметрами передачи: коэффициентом распространения сигнала (iw) и волновым сопротивлением Z в (iw). По этим параметрам можно определить ток и напряжение в любой точке кабельной линии. Параметры передачи связаны с первичными параметрами линии – активным сопротивлением R, индуктивностью L, емкостью С и проводимостью изоляции G следующими соотношениями:

.

Сигналы, передаваемые по линиям, имеют широкий частотный спектр, поэтому учет частотной зависимости весьма актуален. Частотные зависимости сопротивления R и индуктивности L кабеля определяются в основном процессами перераспределения тока в токопроводящих жилах из-за поверхностного эффекта и эффекта близости (рис. 5.2).

Поверхностный эффект заключается в перераспределении тока в проводнике при взаимодействии основного тока с вихревыми токами, наведенными основным через внутреннее магнитное поле. В результате поверхностного эффекта возрастает плотность тока в поверхностных слоях проводника. Так, в медном проводнике на частоте 100 кГц толщина поверхностного слоя, в котором концентрируется ток, составляет 208 мкм, а на 1 МГц – 66 мкм. Таким образом, уже на частотах в несколько десятков килогерц толщина токопроводящего слоя много меньше диаметра проводника. Поверхностный эффект приводит к росту активного сопротивления и уменьшению индуктивности с ростом частоты.

Эффектом близости называется перераспределение тока из-за взаимодействия тока, протекающего по проводнику, с вихревыми токами, наводимыми внешним магнитным полем. При передаче сигнала по кабелю в двух проводниках, образующих замкнутую цепь, проходят токи противоположных направлений. Влияние полей обоих проводников приводит к увеличению плотностей токов на поверхностях проводников, обращенных друг к другу. В коаксиальной паре, вследствие эффекта близости в центральной жиле, ток концентрируется на внешней поверхности аналогично действию поверхностного эффекта, а во внешнем проводнике ток концентрируется на внутренней поверхности, как показано на эпюрах

Рис.5.2. Перераспределение тока из-за поверхностного эффекта и

эффекта близости

Обратите внимание! Внешние поля вызывают появление токов, протекающих в основном по наружной поверхности внешнего проводника. Вследствие эффекта близости с ростом частоты ω пути сигнальных и мешающих токов во внешнем проводнике разделяются – происходит самоэкранирование кабеля (этот момент изображен на эпюрах). Это и приводит к возрастанию защищенности коаксиальной пары от внешних помех с увеличением частоты передаваемого сигнала. Отсюда и бытовое название внешнего проводника коаксиальной пары – экран. Правда, низкочастотные поля линий электропередач и электрического транспорта экранируются плохо.

Влияние эффекта близости на активное сопротивление и индуктивность проводников кабельной пары аналогично действию поверхностного эффекта: с ростом w R увеличивается, L – уменьшается.

При увеличении частоты сигнала возрастает и комплексное сопротивление Z n поверхностного слоя, где концентрируется протекающий по проводнику ток. С учетом этого обстоятельства параметры передачи линии будут определяться как


;


;


,

где ρ 1,2 и μ 1,2 – значения удельного сопротивления и магнитной проницаемости проводников пары, соответственно.

Из последних формул следует, что волновое сопротивление кабеля на низких частотах увеличивается по модулю. С увеличением частоты волновое сопротивление становится чисто активным и постоянным ). Затухание кабеля пропорционально корню квадратному из частоты. Все рассмотренное относится ко всем электрическим кабелям.

Перейдем к рассмотрению свойств каждой среды передачи.

Кабель “витая пара” . Цифровые линии передачи данных организуются по кабелям “витая пара” на местных, межцеховых и межгородских сетях. На коротких расстояниях в единицы километров применяются многопарные телефонные кабели типа Т с диаметром жил 0,4-0,7 мм, изоляцией в виде пористой бумажной массы или спиралью намотанной бумажной ленты, парной скруткой жил. В одном кабеле типа Т число пар может достигать 1200 (для городской прокладки между жилыми домами и АТС). Могут также применяться многопарные кабели марки ТП с полиэтиленовой изоляцией. Для малонагруженных линий применяются кабели марки КСПП с диаметром жил 0,9 мм упрощенной конструкции, с малым числом жил (до четырех четверок) в полиэтиленовой изоляции. На средних дистанциях до 10 км могут использоваться одночетверочные кабели марки ЗКП с полиэтиленовой изоляцией. Скрутка четырех жил (а не двух) повышает помехозащищенность.

В кабелях основным видом помех являются переходные влияния между сигналами, передаваемыми по различным парам проводников одного кабеля. Предельная длина участка регенерации для цифровых линий определяется из условия обеспечения минимально допустимой величины защищенности от переходных помех. Взаимное влияние оценивается величиной переходного затухания на ближнем А 0 и дальнем концах участка:
;


,

где индекс 1 относится к влияющей цепи, а индекс 2 – к цепи, подверженной влиянию.

Схема взаимного влияния между линиями в кабеле “витая пара” выглядит так (рис. 5.3):

Рис. 5.3. Взаимное влияние линий в кабеле

Величина переходного влияния в кабелях “витая пара” зависит не только от длины участка, но и от частоты передаваемого сигнала. Эта зависимость также носит характер возрастания влияния с ростом частоты.

Предельные нижние значения переходного затухания (в децибелах) для кабелей разных категорий приведены в табл.5.4.

Таблица 5.4

Границы переходного затухания в кабелях различных категорий, дБ

Частота, МГц Категория
10,0 11,5 7,5 7,0
20,0 - 11,0 10,3
100,0 - - 24,0

Коаксиальные кабели. Линии передачи данных более высокого качества и технических характеристик организуются по коаксиальным кабелям. Наибольшее распространение получили кабели марок КМ – 4, МКТ – 4 и КМ– 8/6. Магистральный коаксиальный кабель КМ – 4 содержит 4 коаксиальные пары диаметром 2,6/9,4 мм (первое число – диаметр центральной жилы, второе – внутренний диаметр внешнего проводника) и 5 “витых” четверок жил диаметром 0,9 мм. Изоляция коаксиальных пар выполнена в виде полиэтиленовых шайб. Малогабаритный коаксиальный кабель МКТ – 4 имеет 4 коаксиальные пары диаметром 1,2/4,6 мм и пять “витых пар” с диаметром жил 0,7 мм. Изоляция в коаксиальных парах – воздушно-полиэтиленовая. Комбинированный коаксиальный кабель КМ – 8/6 содержит 8 коаксиальных пар 2,6 / 9,4 мм, 6 коаксиальных пар 1,2/4,6 мм, а также одну четверку, 8 “витых пар” и 6 отдельных жил диаметром 0,9 мм.

Поскольку защищенность коаксиальной пары от внешних помех увеличивается пропорционально корню квадратному из частоты, переходное затухание в таких кабелях нормируется на нижней частоте используемого диапазона. Так, для пары 2,6/9,4 мм переходное затухание составляет 128 дБ на частоте 300 кГц для строительной длины 600 м. Это позволяет применять однокабельную систему организации линии передачи данных.

Волоконно-оптические кабели. Эти кабели являются наиболее перспективными для линий передачи сигналов. Основные достоинства оптического волокна – низкое затухание, слабые (практически нулевые) взаимные влияния между сигналами, передаваемыми по различным волокнам одного кабеля, малая чувствительность к внешним электромагнитным полям, небольшие размеры, малый радиус допустимого изгиба, большая ширина оптического диапазона волн, дешевое сырье для изготовления волокон.

Волоконный кабель содержит одно или много оптических волокон круглого сечения, изготовленных из кварцевого стекла (или пластмассы) с переменным по сечению волокна коэффициентом преломления. Потери на затухание в кварцевом стекле минимальны в диапазоне длин волн λ = 1,0 ÷ 1,8 мкм. Вне этого интервала возрастают потери на ультрафиолетовое слева и инфракрасное справа поглощение. В спектре пропускания кварцевого стекла максимумы поглощения приходятся на значения λ = 0,95; 1,24 и 1,39 мкм. Поэтому затухание в волокне менее 1 дБ/км принципиально может быть достигнуто лишь в нескольких дискретных областях (λ = 0,8; 1,2; 1,3 и

В реальных волокнах источником потерь, кроме чистоты стекла. являются вариации толщины волокна и плотности материала, изгибы, нарушение профиля показателя преломления, качество сращивания участков или их разъемных соединений. Все это приводит к возрастанию минимального затухания кабеля до 2 ÷ 5 дБ/км.

Оптическое волокно имеет сердцевину и оболочку. Для удержания света в волокне показатель преломления сердцевины n c должен быть выше, чем у оболочки n.

В зависимости от числа типов электромагнитных волн (мод), которые могут распространяться в волокне, различают одномодовые и многомодовые световоды (рис.5.4).

В настоящее время существует три основных типа световодов, отличающихся законом распределения показателя преломления по сечению и числом распространяющихся мод: многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 5.4а) , многомодовое градиентное волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 5.4б) и одномодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 5.4в) .

В многомодовых волокнах со ступенчатым профилем диаметр сердцевины d = 50 ÷ 300 мкм, скорости распространения различных мод не выравниваются, что приводит к дисперсии до 20 нс/км. В градиентных волокнах показатель преломления изменяется по параболе, что обеспечивает выравнивание оптических длин путей различных распространяющихся мод и, как следствие, резкое уменьшение межмодовой дисперсии до

0,2 ÷ 1,0 нс/км. Полное отсутствие дисперсии может обеспечить гиперболический профиль изменения показателя преломления, но его трудно выдержать при изготовлении волокна. Одномодовый режим распространения обеспечивается при поперечных размерах сердечника волокна, соизмеримых с длиной волны, и при малых значениях разности показателей преломления

сердцевины и оболочки. Так при n c = 1,5; Δ = n c - n = 0,002 и λ = 0,85 мкм диаметр одномодового волокна составляет d = 6,8 мкм. Из-за столь малых размеров сердечника и малой величины Δ изготовление таких волокон технически достаточно сложно. Поэтому первыми были освоены в изготовле-

нии многомодовые волокна.

Рис.5.4. Типы световодов

На различных участках сетей могут использоваться волоконно-оптические кабели с различными параметрами. На участках протяженностью порядка

10 км и скоростью передачи 2-140 Мбит/с можно применить волокно с затуханием до 10 дБ/км и дисперсией в несколько нс/км. При значительно большей протяженности линии связи потери в волокне не должны превышать 3-5 дБ/км, что определяет отстояние соседних пунктов регенерации на 8-10 км. Дисперсия импульсов в таких линиях должна быть ниже 1 нс/км, что потребует применения одномодового или градиентного волокна с очень жестко заданным профилем показателя преломления.

Вопросы для самопроверки:

1. Обоснуйте свой выбор между “витой парой” категории 3 (или 4) и тонким коаксиальным кабелем для передачи данных от автоматизированной технологической линии бумагоделательной машины до ВЦ комбината.

2. Сравните взаимовлияние каналов в кабеле с несколькими витыми парами и в кабеле с несколькими оптическими волокнами.

3. Из чего складывается стоимость среды передачи кабельных сред и окружающего пространства?

4. Какова физическая природа экранирующего эффекта внешнего проводника коаксиальной пары?

5. Чем объясняется перспективность применения оптоволоконного кабеля в линиях передачи данных информационных сетей?

6. В чем отличия многомодового волокна от одномодового?

7. Как зависит затухание сигнала в кабеле “витая пара” от частоты?

8. Чем следует руководствоваться при проектировании узлов усилителей мощности (регенерации сигнала) для различных физических сред передачи?

Выбор и обоснование среды передачи данных

1. Общие характеристики среды передачи данных

Среды передачи данных разделяются на две категории. Кабельная среда передачи (носитель) - с центральным проводником, заключенным в пластиковую оболочку.

Кабели широко используются в небольших локальных сетях. Кабель обычно передает сигналы в нижней части электромагнитного спектра, что представляет собой обычный электрический ток и иногда радиоволны.

Беспроводная среда передачи данных предполагает использование более высоких частот электромагнитного спектра.

Это радиоволны, микроволны и инфракрасные лучи. Такая среда необходима для мобильных компьютеров или сетей, передающих данные на большие расстояния. Обычно она применяется в сетях предприятий и в глобальных сетях (в сотовом телефоне для передачи сигнала применяется микроволновый сигнал).

В сетях, охватывающих несколько географических пунктов, часто используется комбинация кабельной и беспроводной сред передачи данных.

При выборе оптимального типа носителя следует знать следующие характеристики среды передачи данных:

Стоимость;

Сложность установки;

Пропускную способность;

Затухание сигнала;

Подверженность электромагнитным помехам (EMI, Electro-MagneticInterference);

Возможность несанкционированного прослушивания.

Стоимость. Стоимость каждой среды передачи данных следует сравнить с ее производительностью и доступными ресурсами.

Сложность установки. Сложность установки зависит от конкретной ситуации, но можно провести некоторое обобщенное сопоставление сред передачи данных. Одни типы носителей устанавливаются с помощью простых инструментов и не требуют большой подготовки, другие нуждаются в длительном обучении сотрудников, и их установку лучше предоставить профессионалам.

Пропускная способность. Возможности среды передачи данных обычно оцениваются по полосе пропускания. В коммуникациях понятие "полоса пропускания" означает диапазон частот, пропускаемых средой передачи данных. В сетях она оценивается по числу бит, которые можно передать через данный носитель в секунду. На полосу частот кабеля влияют также методы передачи сигналов.

Число узлов. Важной характеристикой сети является число компьютеров, которые можно легко подключить к сетевым кабелям. Каждая сетевая кабельная система имеет естественное для нее число узлов, превышение которого требует применения специальных устройств: мостов, маршрутизаторов, повторителей и концентраторов, позволяющих расширить сеть.

Затухание сигналов. При передаче электромагнитные сигналы слабеют. Это явление называется затуханием.

Электромагнитные помехи. Электромагнитные помехи (EMI) влияют на передаваемый сигнал. Они вызываются внешними электромагнитными волнами, искажающими полезный сигнал, что затрудняет его декодирование принимающим компьютером. Некоторые среды передачи данных более подвержены электромагнитным помехам, чем другие. Помехи называют также шумами.

В качестве среды передачи данных в электронной связи можно использовать:

· коаксиальный кабель;

· витую пару проводов (twistedpair);

· волоконно оптический кабель;

· инфракрасное излучение;

· микроволновый диапазон радиоэфира;

· радиодиапазон эфира.

На сегодняшний день подавляющая часть компьютерных сетей в большинстве случаев для соединения использует провода или кабели.

Так, фирма Belden, ведущий производитель кабелей, публикует каталог, где предлагает более 2200 их типов. К счастью, в большинстве сетей применяются только три основные группы кабелей:

1. коаксиальный кабель (coaxialcable);

2. витая пара (twistedpair):

Неэкранированная (Unshielded Twisted Pair, UTP);

Экранированная (Shielded Twisted Pair, STP);

3. оптоволоконныйкабель (fiber optic).

2. Кабели на основе витых пар

Витые пары проводов используются в самых дешевых и на сегодняшний день, пожалуй, самых популярных кабелях.

Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки.

Обычно в кабель входят две или четыре витые пары. Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также слабой защищенностью от подслушивания с целью, например, промышленного шпионажа.

Перехват передаваемой информации возможен как с помощью контактного метода (посредством двух иголочек, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Для устранения этих недостатков применяется экранирование.

В случае экранированной витой пары STPкаждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk - перекрестные наводки). Естественно, экранированная витая пара гораздо дороже, чем неэкранированная, а при ее использовании необходимо применять и специальные экранированные разъемы, поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.

Основные достоинства неэкранированных витых пар - простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также простота ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей.

Согласно стандарту EIA/TIA568 существуют пять категорий кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP).

3. Коаксиальные кабели

Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального провода и металлической оплетки, разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.

Коаксиальный кабель до недавнего времени был распространен наиболее широко, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), а также более высокими, чем в случае витой пары, допустимыми скоростями передачи данных (до 500 Мбит/с) и большими допустимыми расстояниями передачи (до 1 км и выше).

К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он также дает заметно меньше электромагнитных излучений вовне.

Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5-3 раза по сравнению с кабелем на основе витых пар). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Поэтому его сейчас применяют реже, чем витую пару.

Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией типа "шина".

При заземлении оплетки в двух или более точках из строя может выйти не только сетевое оборудование, но и компьютеры, подключенные к сети. Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, то есть их сопротивление должно быть равно волновому сопротивлению кабеля.

Например, если используется 50-омный кабель, для него подходят только 50-омные терминаторы.

Существует два основных типа коаксиального кабеля:

1)тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий;

2)толстый (thick) кабель, имеющий диаметр около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собой классический вариант коаксиального кабеля, который уже почти полностью вытеснен более современным тонким кабелем.

Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, так как в нем сигнал затухает сильнее. Зато с тонким кабелем гораздо удобнее работать: его можно оперативно проложить к каждому компьютеру, а толстый требует жесткой фиксации на стене помещения.

Подключение к тонкому кабелю (с помощью разъемов BNCбайонетного типа) проще и не требует дополнительного оборудования, а для подключения к толстому кабелю надо использовать специальные довольно дорогие устройства, прокалывающие его оболочки и устанавливающие контакт - как с центральной жилой, так и с экраном.

Толстый кабель примерно вдвое дороже, чем тонкий. Поэтому тонкий кабель применяется гораздо чаще.

Стоимость в расчете на место. Тонкий коаксиальный кабель имеет более низкую цену в расчете на рабочую станцию - около $ 25. Можно приобрести эти кабели с уже подключенными разъемами.

Проложить такие кабели сможет любой - они просто соединяются цепочкой от компьютера к компьютеру.

Прокладка толстого коаксиального кабеля обычно стоит порядка $ 50 на станцию. Кроме того, для каждой станции потребуются трансиверы (около $ 100).

Ограничения по расстоянию. Общая длина шины на тонком коаксиальном кабеле ограничена 185 м. Толстый коаксиальный кабель имеет общее ограничение в 500 м (в структурах без повторителей).

4. Оптоволоконные кабели

Оптоволоконный (он же - волоконно-оптический) кабель - это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля.

Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна.

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации.

Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам этот сигнал принципиально не порождает внешних электромагнитных излучений.

Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как это требует нарушения целостности кабеля.


Понятие среды передачи данных

Под средой передачи данных следует понимать набор оборудования с помощью

Которого осуществляется взаимодействие между участниками соединения в рамках

Сеанса связи.

В самом простом случае среда передачи может быть реализована в виде кабеля

(единственного или в составе группы) и/или использовать какой либо из видов

Беспроводных технологий.

Для использовании кабеля в компьютерной сети должны быть однозначно описаны:

Тип кабельной системы и ее физические характеристики;

Формы и уровни информационного сигнала;

Способы разветвления среды передачи и подключения к ней;

Требования, выставляемые к сетевому оборудованию.

При использовании беспроводных технологий ограничений и требований еще больше,

Поскольку каждая из этих сред имеет особые способы кодирования, декодирования и

Применения сигнала в среде.

Обычно среда передачи работает в одном из следующих режимов:

Симплексная передача. Однонаправленный канал, сигналы проходят по нему всегда

Только в одном направлении.

Полудуплексная передача. Сигналы могут передаваться в обоих направлениях по

Единственному каналу связи, но в каждый момент времени сигналы передаются только

В одну сторону.

Дуплексная передача. Данный способ реализует полноценную двустороннюю связь по

Единственному каналу связи.

Свойства среды передачи определяют уровень защиты передаваемых сигналов от

Помех. Помехи бывают следующих типов:

Электромагнитные помехи представляют собой вторжение постороннего

Электромагнитного сигнала, нарушающего форму полезного сигнала. Когда в полезный

Сигнал добавляются внешние помехи, принимающий компьютер не может правильно

Интерпретировать сигнал.

Радиочастотные помехи представляют собой сигналы радиопередатчиков и других

Устройств, генерирующих сигналы на радиочастотах. К ним относятся также

Процессоры и дисплеи компьютеров. Радиочастотным считается электромагнитное

Излучение на частотах от 10 КГц до 100 ГГц. Излучение на частотах от 2 до 10 ГГц

Называется также микроволновым.

Влияние радиочастотных помех устраняется с помощью помехозащитных фильтров,

Применяемых в различных типах сетей.

Перекрестные помехи. К этому типу помех относятся сигналы проводов,

Расположенных на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. Протекающий по

Проводу электрический ток создает электромагнитное поле, которое генерирует

Сигналы в другом проводе, расположенном рядом. Довольно часто, разговаривая по

Телефону, можно услышать приглушенные разговоры других людей. Причиной этого

Являются перекрестные помехи.

Перекрестные помехи значительно уменьшаются, если скрутить два провода, как это

Сделано в витой паре. Чем больше витков приходится на единицу длины, тем меньше

Влияние помех.

Затухание сигналов. Проходя по кабелю, электрические и оптические сигналы

Становятся все слабее. Чем больше расстояние до источника, тем слабее сигнал.

Такое ослабление сигнала с расстоянием называется затуханием сигнала. Затухание

Является причиной того, что в спецификациях различных сетевых архитектур

Указывается ограничение на длину кабеля. Если это ограничение соблюдается, то

Эффект затухания не повлияет на нормальную работу канала связи.

Различные кабельные системы имеют различные допуски по диапазону рабочих частот

И скорости затухания сигнала (рисунок 1).

При увеличении частоты затухание увеличивается, потому что, чем выше частота

Сигнала, тем интенсивнее рассеивание его электромагнитной энергии в окружающее

Пространство. При увеличении частоты сам провод превращается из носителя сигнала

В антенну, рассеивающую его энергию в пространство.

Все стандарты относящиеся к среде передачи данных описываются на физическом

Уровне модели OSI.