Среды передачи данных и их характеристики
Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.
Существует 4 вида сред передачи данных:
· Кабели на основе витых пар
· Бескабельные каналы связи
Витые пары проводов используются в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.
Обычно в кабель входит две (рис. 4,1) или четыре витые пары.
Рис. 4,1.
Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания, которое может осуществляться с целью, например, промышленного шпионажа. Причем перехват передаваемой по сети информации возможен как с помощью контактного метода (например, посредством двух иголок, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем действие помех и величина излучения во вне увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.
В случае экранированной витой пары STP каждая 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). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно, экранированная витая пара заметно дороже, чем неэкранированная. Ее использование требует специальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.
Основные достоинства неэкранированных витых пар — простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то понятно, почему линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 1000 Мбит/с, хотя технические проблемы, возникающие при таких скоростях, крайне сложны.
Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (рис. 4,2).
Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра ). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также 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). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Сейчас его применяют реже, чем витую пару. Стандарт EIA/TIA-568 включает в себя только один тип коаксиального кабеля, применяемый в сети Ethernet.
Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией типа шина. При этом на концах кабеля обязательно должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, причем один (и только один!) из терминаторов должен быть заземлен. Без заземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитных помех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнюю среду. Но 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, необходимо, чтобы их сопротивление равнялось волновому сопротивлению кабеля. Например, если используется 50-омный кабель, для него подходят только 50-омные терминаторы.
Реже коаксиальные кабели применяются в сетях с топологией звезда (например, пассивная звезда в сети Arcnet). В этом случае проблема согласования существенно упрощается, так как внешних терминаторов на свободных концах не требуется.
Существует два основных типа коаксиального кабеля:
· тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий;
· толстый (thick) кабель, диаметром около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собой классический вариант коаксиального кабеля, который уже почти полностью вытеснен современным тонким кабелем.
Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, поскольку сигнал в нем 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 BNC байонетного 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.
Как и в случае витых пар, важным параметром коаксиального кабеля является тип его внешней оболочки. Точно так же в данном случае применяются как non-plenum (PVC), так и plenum кабели. Естественно, тефлоновый кабель дороже поливинилхлоридного. Обычно тип оболочки можно отличить по окраске (например, для PVC кабеля фирма Belden использует желтый цвет, а для тефлонового — оранжевый).
Типичные величины задержки распространения сигнала в коаксиальном кабеле составляют для тонкого кабеля около 5 нс/м, а для толстого — около 4,5 нс/м.
Существуют варианты коаксиального кабеля с двойным экраном (один экран расположен внутри другого и отделен от него дополнительным слоем изоляции). Такие кабели имеют лучшую помехозащищенность и защиту от прослушивания, но они немного дороже обычных.
В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая пара или оптоволоконный кабель. И новые стандарты на кабельные системы уже не включают его в перечень типов кабелей.
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 (рис 4,3). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 — 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции — стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей ).
Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.
Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.
Самый главный из них — высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.
Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.
Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивныеразветвители (couplers) на 2—8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в разветвителе есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.
Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 — 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.
Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.
Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.
Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шахтах, искать и устранять повреждения). К тому же компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.
Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).
Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и т.д.). В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.
Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала — слабая помехозащищенность.
Для локальных беспроводных сетей (WLAN — Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения порадиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона — 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи — до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.
Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты). Они могут использоваться во временных офисах или в других местах, где прокладка кабелей неосуществима, а также в качестве дополнения к имеющейся проводной локальной сети, призванного обеспечить пользователям возможность работать перемещаясь по зданию.
Популярная технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точкой доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Для примера на рис. 4,4 показано объединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Важно, что многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что существенно упрощает их подключение к беспроводной сети.
Радиоканал широко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи. В этом применении у радиоканала нет конкурентов, так как радиоволны могут дойти до любой точки земного шара.
Если говорить о возможных топологиях, то наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа шина, в которой информация передается одновременно всем абонентам. Но при использовании узконаправленной передачи и/или частотного разделения по каналам можно реализовать любые топологии (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.
Какие среды передачи данных могут использоваться в компьютерных сетях?
1. Медно-электрические кабеля: — коаксиальный кабель, состоит из центральной жилы, её изоляции, и всё это помещено в оплетку из тонкого медного провода либо из алюминиевой или медной фольги. Оплетка предназначена для защиты центральной жилы от наведения на нее помех и уменьшения излучения ею полезного сигнала. На концах сегментов из коаксиального кабеля устанавливаются разъёмы называемые СР-50; BNC.
В компьютерных сетях используют коаксиальные кабеля имеющие в основое соединение 50 Ом.
Коаксиальный кабель может быть в 2х исполнениях: Тонкий внешним диаметром 5-6 мм. и толстый диаметром 12-14; мм.
Витая пара представляет собой 8 проводов попарно завитых и ламинированных изоляцией. Витые пары маркируются по цвету по цвету: оранжевый – бело-оранжевый; синий – бело-синий; коричневый – бело-коричневый; зеленый – бело-зеленый. На концах сегментов выполненных на витой паре устанавливается разъём RJ45. В работе локальных сетей принимают участие 2-е пары, подключенные соответственно к первому, второму и третьему, шестому контактам разъема RJ45 (если смотреть на разъем так что кабель уходит вниз, а защелка сзади разъёма). Завивка проводов делается для улучшения помехозащищенности и согласованности сетевых компонентов. Развитие проводов витой пары при монтаже допускается на длину 1 см. Провод витая пара выпускается в 2х исполнениях: UTP – неэкранированная витая пара; STP – экранированная. 2.
Оптоволоконный кабель — имеет два типа передачи:
— при многомодовой передаче используется источник света видимого спектра. Лучи хаотически отражаются от стенок световода.
— при одномодовой передаче используется лазерный луч, который двигается в доль оси более тонкого световода. Качество передачи и её дальность при одномодовой передаче гораздо выше. Световоды подключаются к устройствам, которые преобразовывают электрический сигнал в световой и наоборот (модем)
3. Инфракрасные лучи: Главной особенностью передачи с использованием ИК лучей – это необходимость обеспечения прямой видимости и не большого расстояния между 2мя ИК модемами.
4. Радиоволны: Особенности прохождения радиоволн заключаются в следующем: Окружающая землю ионосфера отражает радиоволны длинного, среднего и короткого диапазона. Радиоволны УКВ(сверхвысоко частотного диапазона) прошивают ионосферу и уходят в космос, поэтому для связи со спутником используется диапазон СВЧ. Также диапазон СВЧ используется для построения компьютерных сетей по технологии WI-FI. Необходимо учитывать то, что радиоволны СВЧ диапазона не обладают способностью огибать препятствия и любое препятствие, встречающееся на их пути, их поглощает. Поэтому основное требование к WIFI сетям прямая видимость между точкой доступа и сетевыми радио-картами.
Среды передачи в компьютерных сетях
Каждая среда обладает своими достоинствами и недостатками. Обычно принимают во внимание цену, простоту реализации, возможную скорость передачи и помехоустойчивость, возможность защиты от несанкционированного доступа.
Среды разделяют на ограниченные и неограниченные.
Ограниченные среды представляют собой кабели (витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель) и передают электрические и световые сигналы. Возможности передачи данных ограничены возможностями кабельной системы.
Неограниченные среды (wireless media) обеспечивают радиопередачу (10 4 – 10 8 Гц), микроволновую передачу (10 8 -10 12 Гц, сотовая связь, телевидение), инфракрасную передачу (10 12 – 10 14 Гц, миллиметровое излучение – ПДУ) и лазерную передачу (10 14 – 10 15 Гц, видимый свет).
Виды кабелей, используемых в сетях передачи данных
Витая пара (ТР – twisted pair)
Этот носитель состоит из двух изолированных медных проводов. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких, расположенных рядом витых пар. (Два параллельных провода образуют простейшую антенну, а витая пара – нет). Полоса пропускания такой среды передачи зависит от диаметра и длины провода.
Неэкранированная витая пара категории 5
Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя RJ-45.
Виды кабеля
В зависимости от наличия защиты — электрически заземлённой медной сетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют следующие разновидности данной технологии:
· незащищенная витая пара (UTP — Unshielded twisted pair); кабель не имеет индивидуальных заземленных экранов вокруг каждой пары.
- неэкранированная витая пара (UTP – Unscreened twisted pair); кабель не имеет общего экрана.
- экранированная витая пара(ScTP – screened twisted pair); кабель имеет общий защитный экран из алюминиевой фольги – фольгированная витаяпара (FTP — Foiled twisted pair), или кабель имеет два общих экрана из алюминиевой фольги и медной сетки SFTP.
- Cat1 – это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь. Этот тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания, перекрестных наводок).
- Cat2 – это кабель из двух витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц (со скоростью до 4 Мбит/с). Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок. В настоящее время он используется очень редко.
- Cat3 – это двухпарный кабель для передачи данных или многопарный для передачи речи стандартизируется в полосе частот до 16 МГц; витые пары содержат девять витков на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это самый простой тип кабелей, который был рекомендован стандартом для организации локальных сетей. В настоящее время для передачи данных практически не используется. Выпускается типа UTP и ScTP, рекомендуется для реализации горизонтальных подсистем в структурированных кабельных системах.
- Cat4 – это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Кабель был создан для работы в локальных сетях по стандарту IEEE 802.5 (Token Ring, разработка компании IBM). В настоящее время не используется.
- Cat5 – кабель, стандартизируется в полосе частот до 100 МГц. Состоит из четырех витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины (8 витков на фут). Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. В настоящее время выпускается усовершенствованный кабель CAT5e, который лучше пропускает высокочастотные сигналы до 125МГц. Рекомендуется применять его в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet (100 Мбит/с). Является самым распространённым сетевым носителем, использующимся в компьютерных сетях. Выпускается типов UTP, FTP, SFTP.
- Cat6 – этот тип кабеля стандартизируется для передачи данных в полосе частот до 250 МГц. Расширенная категория Cat6A работает в полосе до 500МГц (по некоторым источникам – до 625МГц). Кабель экранирован общей оболочкой.
- многомодовый или мультимодовый кабель (multimode fiber, MMF), более дешевый, но менее качественный;
- одномодовый кабель (singlemode fiber, SMF), более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.
Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания. Перехват передаваемой по сети информации возможен как с помощью контактного метода (например, посредством двух иголок, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем, действие помех и величина излучения во внешнюю среду увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.
· защищенная витая пара (STP — Shielded twisted pair); каждая пара в кабеле имеет индивидуальный заземленный экран. Кроме того, может использоваться обозначение PiMF – Pair in Metal Foil.
В кабеле STP каждая 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). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно, защищенная витая пара заметно дороже, чем незащищенная. Ее использование требует специальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже.
Основными измеряемыми характеристиками неэкранированной витой пары являются:
— NEXT (near end crosstalk, перекрестное влияние на ближний конец);
— Impedance (полное сопротивление), равно 100 Ом для всех категорий +/- 15% на всех частотах.
Стандарт ТIA/ЕIA 568 (TIA – Telecommunication Industry Association – Ассоциация телекоммуникационной промышленности,EIA –Electronics Industries Alliance – Альянс электронной промышленности) определяет следующие категории кабелей на основе незащищенной витой пары (UTP):
· Cat7 – стандартизируется для передачи данных в полосе частот до 600 МГц. Кабель относится к категории защищенной витой пары – STP, PiMF. Категория 7А – стандартизируется в полосе частот до 1200 МГц. Используются экранированные разъемы TERA и JJ-45.
Витые пара 6-й и 7-й категории используются для поддержки высокоскоростных сетевых технологий (10GbE).
Для всех категорий витой пары стандарт допускает максимальную длину соединительного кабеля (с учетом всех кроссовых шнуров) между двумя активными сетевыми устройствами – 100м.
Коаксиальный кабель (Coaxial) представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.
Коаксиальный кабель обладает высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), имеет более широкую по сравнению с витой парой полосу пропускания (свыше 1ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излучений во внешнюю среду. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше. В настоящее время для организации новых сетей не используется.
Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель (Fiber) – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными выше типами. Информация по нему передается световым сигналом. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на расстояния до десятков километров с незначительным ослаблением.
Структура оптоволоконного кабеля
Структура оптоволоконного кабеля похожа на структуру коаксиального электрического кабеля. Вместо центрального медного провода здесь используется тонкое стекловолокно (диаметром 9, 50 или 62,5 мкм), а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, которая не позволяет лучу света выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме полного внутреннего отражения света от границы двух сред с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления ниже, чем у центрального волокна).
Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).
Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10 15 Гц, то есть 1000 ТГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается, и сейчас этот тип кабеля используется очень широко для построения сетей любого размера.
Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.
Самый главный из них – сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна достаточно высокая квалификация персонала и специальные дорогостоящие инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. В точке соединения могут возникать отражения, и отраженный свет может интерферировать с передаваемым сигналом.
Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.
Различают два типа оптоволоконного кабеля:
Различие между ними обусловлено разными режимами прохождения световых лучей в кабеле.
Распространение света в одномодовом кабеле
Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна 9мкм, диаметр внешней оболочки 125мкм (обозначается 9/125).
Источником света для одномодового кабеля является лазер с требуемой длиной волны. Обычно используются длины волн около значений 1310нм и 1550нм.
Если диаметр волокна составляет несколько длин волн света, то волокно действует подобно волноводу, и свет движется по прямой линии без отражения от стенок волокна. В одномодовом кабеле луч света проходит практически по прямой линии, и форма сигнала на выходе почти не искажается. Затухание сигнала в современном одномодовом кабеле составляет около 0,5 дБ/км и менее.
Распространение света в многомодовом кабеле
В многомодовом кабеле центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм или 50 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (обозначается как 62,5/125 или 50/125 соответственно). Для генерации сигнала используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков. В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет не более 3 дБ/км. Многомодовый кабель дешевле.
Для подсоединения оптоволоконных кабелей к сетевому оборудованию применяют ST—коннекторы и SC-коннекторы. Разъем ST был разработан компанией AT&T в середине 80-х годов и используется для соединения всех видов многомодового и одномодового оптоволокна и подключения старого сетевого оборудования. Коннектор прост, относительно дешев, легко устанавливается, но чувствителен к рывкам за кабель, вибро- и ударным нагрузкам. Преобладал в сетях в 90-х годах. Основным недостатком ST-коннектора считается необходимость поворота для фиксации в розетке соединителя. Для преодоления этого недостатка японской корпорацией NTT был разработан коннектор типа SC. Коннектор SC имеет механическую развязку наконечника, фиксирующего элемента и кабеля. Подключение и отключение коннектора SC производится линейно (push-pull).
Коннекторы SC имеют лучшие характеристики по вносимому затуханию (0,2-0,25 дБ) и нашли широкое применение в одномодовых и многомодовых сетях с передачей данных на скорости от 100 Мбит/c.
Коннекторы оптоволоконных кабелей
В системах связи используется три основных диапазона длин волн: 850нм , 1300нм и 1550нм. Диапазон 850нм обладает более высоким ослаблением до 5 дБ/км.
На небольших расстояниях применяются многомодовые кабели, световой пучок передается на длинах волн 850 и 1300 нм.
На больших расстояниях применяются одномодовые кабели, световой пучок передается в диапазонах 1300 и 1550 нм. Перекрываемое расстояние без регенерации сигнала может достигать несколько тысяч километров.
Физические среды передачи информации в компьютерных сетях.
Физические среды передачи информации в компьютерных сетях.
Важнейшим компонентом, определяющим во многом, состав оборудования, эффективность работы и расстояния между абонентами сети, является используемая в компьютерной сети физическая среда установления соединений. Для локальных сетей обычно используют три принципиальные схемы соединения: с помощью витой пары, коаксиального или волоконно-оптического кабеля.
Витая пара.
Витая пара ( Twisted pair — ТР) в настоящее время является самой распространенной средой передачи и представляет собой пару свитых проводов. Кабель, составленный из нескольких витых пар, как правило, покрыт жесткой пластиковой оболочкой, предохраняющей его от воздействия внешней среды и механических повреждений. Схема витой пары представлена на рис. 1. В нормальных условиях витая пара поддерживает скорость передачи данных от 10 до 100 Мбит/с.
Рис. 1. Кабель из витых пар
Однако ряд факторов может существенно снизить скорость передачи данных, в частности, потеря данных ( data loss ), перекрестное соединение ( crosstalk coupling ) и влияние электромагнитного излучения. Для уменьшения влияния электрических и магнитных полей применяется экранирование (кабель из витых пар покрывается фольгой или оплеткой). Но после экранирования витой пары в значительной степени увеличивается затухание (аттенюация — attenuation ) сигнала. Под затуханием сигнала подразумевается его ослабление при передаче из одной точки сети в другую. Экранирование изменяет сопротивление, индуктивность и емкость таким образом, что линия становится склонной к потерям данных. Подобные потери могут сделать витую пару ненадежной средой передачи. И экранированная, и неэкранированная витая пара используются для передачи данных на несколько сотен метров.
Спецификации категорий витой пары.
В соответствии со спецификациями ассоциации электронной и телекоммуникационной промышленности ( Electronic Industries Association and Telecommunications Industries Association — EIA / TIA ) вводится пять стандартных категорий кабеля из витых пар. Обратите внимание, что при определении категорий кабеля используется только неэкранированная витая пара ( unshielded twisted pair — DTP ).
Кабель первой категории используется для передачи голосовых данных. С начала 80-х годов кабель CAT 1 используется в основном в качестве проводки телефонных линий. Кабель первой категории не сертифицирован для передачи данных любого типа и в большинстве случаев не рассматривается как среда для передачи цифровых данных.
Кабель второй категории используется для передачи информации со скоростью не более 4 Мбит/с. Этот тип проводки характерен для сетей устаревшей кольцевой топологии, использующих протокол с передачей маркера. Кабель тактируется частотой 1 МГц.
Кабель третьей категории в основном используется в локальных сетях с устаревшей архитектурой Ethernet l 0 base — T и сертифицирован для передачи данных со скоростью до 16 Мбит/с. Кабель тактируется частотой 16 Мгц.
Кабель четвертой категории используется в качестве среды соединения сетей с кольцевой архитектурой или архитектурой lObase — T / l 00 base — T . Кабель САТ4 сертифицирован для передачи данных со скоростью до 16 Мбит/с и состоит из четырех витых пар. Тактируется частотой 20 МГц.
Кабель пятой категории является самой распространенной средой передачи сетей Ethernet . Кабель поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с и используется в сетях с архитектурой l 00 base -Т и l0base-T. Кабель тактируется частотой 100 МГц.
Коаксиальный кабель.
Коаксиальный кабель является широко распространенной средой передачи данных. Такое название кабель получил вследствие того, что состоит из двух проводников ( axes ). Один провод-пик (цельная или витая жила) экранируется вторым, который тоже может быть сплошным или переплетенным. Проводники, как правило, разделены слоем диэлектрического материала. Сам кабель покрыт пластиковой оболочкой. Коаксиальный кабель лучше защищен от помех и позволяет увеличить длину сегмента сети. Использующие коаксиальный кабель сети стандартов l 0 base -5/2 характеризуются пропускной способностью 10 Мбит/с. Максимальная длина сегмента для сетей стандарта l 0 base -5 составляет приблизительно 500 метров, а для сетей стандарта l 0 base -2 — приблизительно 180 метров. На рисунках 2 и 3 показан коаксиальный кабель в разрезе. С увеличением диаметра коаксиального кабеля пропускная способность повышается. Однако одновременно с этим увеличиваются затраты на выполнение проводки из такого кабеля, поскольку необходимо использовать специальные инструменты. Коаксиальный кабель менее подвержен влиянию шума по сравнению с витой парой. Кабель состоит из двух концентрических проводников, разделенных слоем диэлектрического материала. Импеданс коаксиального кабеля может быть равен 75 Ом (кабель толщиной 1/2 дюйма) или 50 Ом (кабель толщиной 3/8 дюйма).
Рис. 2. Сечение коаксиального кабеля.
Рис 3. Продольный разрез коаксиального кабеля.
Волоконно-оптический кабель.
Это наиболее перспективная среда, позволяющая передавать данные в виде световых волн по стеклянному «проводнику» или кабелю. Волоконно-оптические линии связи используются на расстояниях свыше одного километра. Характерной их особенностью является высокая защищенность от несанкционированного подключения (что не удивительно, поскольку для передачи данных не используются электрические сигналы). Существует две разновидности кабеля: одномодовый и мпогомодовый. Коаксиальный и волоконно-оптический кабель устроены почти одинаково. Сердечник последнего состоит из сплетения тонких стеклянных волокон и заключен в пластиковую оболочку (плакирование— cladding ), отражающую свет обратно к сердечнику. Плакирование покрыто концентрическим защитным слоем пластика. Несколько волоконно-оптических кабелей объединяются в жгут и покрываются еще одним защитным слоем пластика. На рис. 4 показано устройство волоконно-оптического кабеля.
Рис. 4. Волоконно-оптический кабель.
Принцип передачи данных волоконно-оптическим кабелем.
Все стандартные кабели передают бинарные данные с помощью электрических импульсов. И только волоконно-оптический кабель, используя тот же принцип, передает данные с помощью световых импульсов. Источник света посылает данные по волоконно-оптическому «каналу», а принимающая сторона должна преобразовать полученные данные в необходимый формат.
Одномодовый и многомодовый кабель.
В относительно тонком волоконно-оптическом канале свет будет распространяться вдоль продольной оси канала. В физике этот эффект упоминается в следующей формулировке — «импульсы света распространяются в осевом (аксиальном) направлении». Именно это и происходит в одномодовом кабеле (см. рис. 5).
Однако преимущества этого типа передачи ограничены. С целью устранения подобных ограничений стали выпускать толстый кабель. Но тут возникла другая проблема — лучи света имеют свойство входить в канал под различными углами и проходить кабель, отражаясь от стенок сердечника. В результате вошедшие в канал под различными углами волны проходят различное расстояние и прибывают к получателю в разное время. Этот эффект, проиллюстрированный на рис. 6, получил название модальной дисперсии ( modal dispersion ).
Принцип работы волоконно оптического кабеля.
Рис. 5. Распространение света по одномодовому пути в тонком кабеле.
Рис. 6. Модальная дисперсия неаксиальных лучей в толстом кабеле.
Чем больше количество мод света в канале, тем уже полоса пропускания. В дополнение к тому, что различные импульсы достигают получателя практически одновременно, усиление дисперсии приводит к наложению импульсов и введению получателя в «заблуждение». В результате снижается общая пропускная способность. Одномодовый кабель передает только одну моду световых импульсов. Скорость передачи данных при этом достигает десятков гигабит в секунду. Одномодовый кабель в состоянии поддерживать несколько гигабитных каналов одновременно, используя для этого световые волны разной длины. Следовательно, пропускная способность многомодового волоконно-оптического кабеля ниже, чем у одномодового. Простейший способ уменьшения дисперсии — нивелирование ( grading ) волоконно-оптического кабеля. В результате лучи света синхронизируются таким образом, что дисперсия на стороне приемника уменьшается. Дисперсия также может быть уменьшена путем ограничения количества длин световых волн. Оба метода позволяют в некоторой степени уменьшить дисперсию, но не в состоянии привести скорость передачи данных в соответствие с одномодовым волоконно-оптическим кабелем.
Широко используется многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125. Обозначение «62,5» соответствует диаметру сердечника, а обозначение «125» — диаметру плакирования (все величины приведены в микронах). Из одномодовых распространены кабели с маркировкой 5-10/125. Ширина полосы пропускания обычно приводится в МГц/км. Хорошей моделью взаимоотношений полосы пропускания и дальности передачи служит резиновый жгут — с увеличением расстояния полоса пропускания сужается (и наоборот). В случае передачи данных на расстояние 100 метров полоса частот многомодового кабеля составляет 1600 МГц при длине волны 850 нм. Аналогичная характеристика одномодового кабеля составляет приблизительно 888 ГГц.