Основные линии связи для компьютерных сетей

      Возможности среды передачи данных обычно оцениваются  по полосе пропускания. В сетевой  отрасли пропускная способность (и  полоса пропускания) измеряется в мегабитах  в секунду (Мбит/с). Большая полоса пропускания обычно повышает возможности  передачи сигналов и производительность сети.

      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.

      При передаче электромагнитные сигналы  слабеют. Это явление называется затуханием. Транслируемые сигналы  теряют свою мощность — поглощаются  и уходят в неверном направлении, что накладывает ограничения на расстояние, преодолеваемое сигналами до наступления неприемлемого уровня. Если сигнал становится слишком слабым, в нем трудно отличить 1 от 0, и в коммуникационном канале возникают ошибки. Из-за затухания и рассеяния необходимо очень внимательно контролировать длину сетевого кабеля, чтобы она не превышала максимальной длины, рекомендуемой для данного типа кабеля.

      Электромагнитные  помехи (ЕМI) влияют на передаваемый сигнал. Они вызываются внешними электромагнитными волнами, искажающими полезный сигнал, что затрудняет его декодирование  принимающим компьютером. Родственной проблемой является возможность перехвата сигнала, особенно если в сети необходима высокая степень защиты.  

      2.1 Кабель типа «витая пара»  

      В кабелях типа "витая пара" для  передачи сигналов используются одна или более пар скрученных медных проводников. Такой кабель широко применяется  в телекоммуникациях.

      Поскольку медные проводники, проводящие электрические  сигналы, близко прилегают друг к другу, каждый из них может создавать помехи в другом. Такое взаимодействие проводников называют перекрестными наводками. Для уменьшения перекрестных и внешних помех проводники перекручиваются. Перекручивание позволяет сигналам, испускаемым проводниками, гасить друг друга и предохранять кабель от внешних шумов (Рис.1).

      Изоляция                                 Медный проводник

Рис.1. Кабель «витая пара»

      Существует  два типа кабеля «витая пара»:

      Неэкранированная  «витая пара» (Unshielded Twisted Pair, UTP);

      Экранированная  «витая пара»(Shielded Twisted Pair, STP).

      Кабель  типа "неэкранированная витая пара" (UТР) состоит из нескольких витых  пар, заключенных в пластмассовую оболочку  (Рис.2).

                                                                                        

Защитная  оболочка

/

Провод

Рис.2. Неэкранированная «витая пара»

      Кабель "неэкранированная витая пара" может состоять из четырех или  восьми проводников. Кабель UТР с четырьмя жилами называется двухпарным. Сетевые топологии, использующие UТР, требуют применения как минимум двухпарного кабеля.

      Поскольку кабель UТР первоначально применялся в телефонных системах, прокладка UТР часто напоминает установку телефонных систем. Для четырехпарного кабеля необходим модульный разъем Rj-45. Для двухпарного кабеля нужен телефонный разъем Rj-11. Два разъема (коннектора) подключаются к обоим концам соединительного кабеля. Один разъем вставляется в компьютер или другое устройство, а другой — в стенную кабельную розетку. Стенная розетка соединяет ответвительный кабель сети (абонентский отвод) с основным кабелем.

      Основной  кабель подключается к коммутационной панели. Коммутационная панель обеспечивает связь с помощью основных соединительных кабелей с другими пользовательскими  и коммуникационными устройствами.

      Основные  характеристики кабеля:

• стоимость - стоимость кабеля UТР очень низка по сравнению с другой средой передачи данных;
• установка - прокладка кабеля UТР проста и не требует особой квалификации. Поскольку для UТР необходимо оборудование, аналогичное аппаратуре телефонной связи, обслуживание и реконфигурация сети будет относительно несложной;
• пропускная способность - при применении большинства существующих технологий кабель UТР поддерживает передачу данных со скоростью от 1 до 155 Мбит/с на расстояние до 100 метров. Наиболее распространена скорость передачи 10 Мбит/с;
• число узлов - поскольку кабелем UТР можно соединить только два компьютера, число компьютеров в сети UТР ограничивается не кабелем. Оно определяется концентратором (или концентраторами), соединяющим эти кабели. В сети Ethernet верхний предел составляет 75 узлов на один домен, но фактически зависит от типа трафика в сети. Согласно спецификации, верхний предел равен 1024 узлам, но вряд ли удастся его достичь;
• затухание - сигнал, передаваемый по медному кабелю, обычно быстро затухает. Из-за этого при использовании UТР расстояние обычно ограничивается 100 метрами;
• электромагнитные помехи - кабель UТР сильно подвержен ЕМI. Скручивание уменьшает перекрестные наводки, но некоторые шумы остаются. Кроме того, электромагнитные волны могут испускаться такими внешними устройствами, как электрические моторы и люминесцентные лампы. Поскольку медный кабель также генерирует сигналы, UТР подвержен перехвату информации.

      Единственным  отличием между «экранированной витой парой» (SТР) и UТР состоит в том, что кабель SТР экранирован (обычно покрыт алюминиевой/полиэстеровой оболочкой). Этот экран защищает внутреннюю оболочку кабеля (Рис.3)

Рис.3. Экранированная «витая пара»

      SТР  был первым кабелем "витая  пара", использованным в локальной сети. В настоящее время широко используются оба типа витой пары.                                                                                                                                    

      SТР  имеет следующие характеристики:

• стоимость - основная масса кабелей SТР имеет высокую стоимость. Кабели SТР дороже, чем UТР и тонкий коаксиальный кабель, но дешевле, чем толстый коаксиальный или волоконно-оптический кабель;
• установка - необходимость применения специальных разъемов делает установку SТР более трудной, чем UТР. Разъемы должны заземляться. Для упрощения следует использовать стандартизированные кабели. Поскольку SТР — жесткий и толстый кабель, работать с ним довольно трудно;
• пропускная способность - поскольку экранирование уменьшает влияние внешних помех, теоретически SТР позволяет передавать 500 Мбит/с на расстояние 100 м. Между тем лишь в немногих инсталляциях скорость передачи данных превышает 155 Мбит/с. В настоящее время в большинстве сетей SТР данные передаются со скоростью 16 Мбит/с;
• число узлов - поскольку кабелем SТР можно соединить только два компьютера, число узлов в сети SТР ограничивает концентратором. В сети Token Ring полезный верхний предел составляет 200 узлов на одно кольцо, но он зависит от трафика в сети. Согласно спецификации верхний предел составляет 270 узлов;
• затухание - стандартное ограничение составляет 100 метров;
• электромагнитные помехи - самая существенная разница между SТР и UГР состоит в уменьшении влияния ЕМI. Экранирование в значительной степени блокирует помехи, однако, как любой медный кабель, SТР все равно остается подверженным ЕМI и перехвату информации.

 

      2.2  Коаксиальный кабель 

      Коаксиальный  кабель имеет два проводника с  общей центральной осью. В центре такого кабеля проходит сплошной медный проводник или многожильный провод. Он заключен в пластиковый вспененный изолированный слой. Такой же изолирующий слой покрывает второй проводник — цилиндрическую оплетку, металлическую фольгу или то и другое. Оплетка предохраняет провод от электромагнитных помех. Ее часто называют экраном. Внешний слой такого кабеля образует жесткая пластмассовая оболочка, обеспечивающая защиту и изоляцию (Рис.4).

1- центральный  проводник; 2- изолятор; 3- проводник - экран; 4- внешний изолятор.

Рис.4. Коаксиальный кабель

      Наибольшее  применение имеют кабели среднего (2,6/9,5мм) и малогабаритного (1,2/4,6мм) типов. В  ряде случаев используют комбинированные конструкции кабелей, состоящие из 4, 6, 8 коаксиальных пар среднего типа и 4, 6 малогабаритных пар. Средние коаксиальные пары предназначены для организации многоканальной связи и телевидения на большие расстояния между оконечными пунктами и крупными узлами связи. Малогабаритные коаксиальные кабели предназначены для строительства кабельных магистралей ограниченной протяженности, рокадных линий между магистралями,   устройства глубоких вводов радиорелейных линий и обеспечения областных связей. Достоинствами этих кабелей являются простота конструкции, дешевизна и технологичность их изготовления.

      Большие коаксиальные пары представляют собой, как правило, одну пару большого размера (7/27мм  11/40мм и др.). Они используются по двухкабельной системе и предназначаются для организации большого числа каналов на главных направлениях связи.

      Сети  на коаксиальном кабеле создаются путем  объединения Т-образных секций в  один длинный сегмент. Два свободных  конца сегмента завершаются терминаторами (Рис.5). ПК подключаются к одному из концов Т-образной секции. Данные передаются вдоль всего сегмента и достигают всех устройств, входящих в сегмент (Рис.6). 

Рис.5. Терминатор и Т-коннектор 
 

 

Рис.6. Соединение компьютеров с помощью коаксиального кабеля

      Для того чтобы сеть функционировала, весь сегмент должен оставаться неповрежденным. Это означает, что, если какая-нибудь секция кабеля повреждена или отключена, то сеть работать не будет. В процессе модернизации сети (например, путем добавления новых ПК) происходит разрыв сегмента, что делает сеть временно неработоспособной. Коаксиальный кабель может использоваться только для сетей стандарта Ethernet.

      Коаксиальный  кабель имеет следующие характеристики:

• стоимость - коаксиальный кабель относительно недорог. Стоимость тонкого коаксиального кабеля меньше, чем SТР или UTР категории 5. Толстый коаксиальный кабель дороже SТР или UTР категории 5, но дешевле волоконно-оптического кабеля;
• установка - после небольшой практики подключение разъемов становится несложным, а сам кабель устойчив к различным повреждениям. Коаксиальный кабель требует наличия оконечной нагрузки и заземления. Заземление завершает электрическую цепь;
• пропускная способность - типичная скорость передачи данных для современной коаксиальной сети составляет 10 Мбит/с;
• число узлов - специфицируемый максимум числа узлов для сегмента тонкой Еthernet составляет 30, а для сегмента толстой Еthernet — 100 узлов;
• затухание - из-за использования медного кабеля сигнал в коаксиальном кабеле затухает, но в меньшей степени, чем в кабеле "витая пара". Длина кабельных сегментов ограничивается двумя тысячами метров;
• электромагнитные помехи - медный коаксиальный кабель остается подверженным ЕМI и перехвату информации.

 

      2.3  Волоконно-оптический кабель  

      Волоконно-оптический кабель передает не электрические, а  световые сигналы. Он намного более эффективный, чем другая среда передачи данных. Когда снизится его стоимость, этот кабель станет оптимальным выбором для сетей.

      

      Рис.7. – Пример двух типов волоконно-оптических кабелей

      Волоконно-оптический кабель имеет внутренний сердечник из стекла или пластика, проводящий свет. Внутренний сердечник кабеля покрыт оболочкой — слоем стекла, отражающим свет. Оптическое волокно заключено в защитную пластиковую оболочку, которая может иметь различную жесткость (рис. 7). 

       

      В жестких, усиленных конфигурациях волокна полностью "упакованы" в пластиковую оболочку, а для укрепления кабеля он иногда содержит усиливающие жилы. В облегченных конфигурациях между внутренней и внешней оболочкой оставлено пространство, заполненное гелем или другим специальным материалом. Внутренняя защитная оболочка обеспечивает необходимую жесткость, делающую кабель устойчивым к разрывам, а также перегреву или переохлаждению. Дополнительную защиту дает гель, усиливающие жилы и внешняя оболочка.

      Кабель  может содержать одно светопроводящее волокно, но обычно их несколько. Волоконно-оптический кабель компактнее и легче, чем медный. Диаметр одного волокна примерно соответствует человеческому волосу.

      Существует  несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они  отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса  центрального волокна. На рис. 8 показаны три разновидности волокна (А, Б  и В). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокона. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму, дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются солитонами.

      

      Рис.8. Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса

      При современных технологиях необходимо использовать повторители через  каждые 30 км (против 5 км для медных проводов). По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.