Вибір та обгрунтування середовища передачі даних

Вибір та обгрунтування середовища передачі даних

1. Загальні характеристики середовища передачі даних

Середовища передачі даних поділяються на дві категорії. Кабельна середовище передачі (носій) - з центральним провідником, укладеним в пластикову оболонку.

Кабелі широко використовуються в невеликих локальних мережах. Кабель зазвичай передає сигнали в нижній частині електромагнітного спектру, що представляє собою звичайний електричний струм і іноді радіохвилі.

Бездротова середовище передачі даних передбачає використання більш високих частот електромагнітного спектру.

Це радіохвилі, мікрохвилі і інфрачервоні промені. Таке середовище необхідна для мобільних комп'ютерів або мереж, які передають дані на великі відстані. Зазвичай вона застосовується в мережах підприємств і в глобальних мережах (в стільниковому телефоні для передачі сигналу застосовується мікрохвильовий сигнал).

У мережах, що охоплюють кілька географічних пунктів, часто використовується комбінація кабельної та бездротової середовищ передачі даних.

При виборі оптимального типу носія слід знати такі характеристики середовища передачі даних:

• вартість;

• складність установки;

• пропускну здатність;

• загасання сигналу;

• схильність електромагнітних перешкод (EMI, Electro - Magnetic Interference);

• можливість несанкціонованого прослуховування.

Вартість. Вартість кожного середовища передачі даних слід порівняти з її продуктивністю і доступними ресурсами.

Складність установки. Складність установки залежить від конкретної ситуації, але можна провести якийсь узагальнене зіставлення середовищ передачі даних. Одні типи носіїв встановлюються за допомогою простих інструментів і не вимагають великої підготовки, інші потребують тривалого навчання співробітників, і їх установку краще надати професіоналам.

Пропускна здатність. Можливості середовища передачі даних зазвичай оцінюються по смузі пропускання. У комунікаціях поняття "смуга пропускання" означає діапазон частот, що пропускаються середовищем передачі даних. У мережах вона оцінюється за кількістю біт, які можна передати через даний носій в секунду. На смугу частот кабелю впливають також методи передачі сигналів.

Число вузлів. Важливою характеристикою мережі є число комп'ютерів, які можна легко підключити до мережевих кабелів. Кожна мережева кабельна система має природне для неї кількість вузлів, перевищення якого вимагає застосування спеціальних пристроїв: мостів, маршрутизаторів, повторювачів і концентраторів, що дозволяють розширити мережу.

Згасання сигналів. При передачі електромагнітні сигнали слабшають. Це явище називається загасанням.

Електромагнітні перешкоди. Електромагнітні перешкоди (EMI) впливають на переданий сигнал. Вони викликаються зовнішніми електромагнітними хвилями, які спотворюють корисний сигнал, що утрудняє його декодування приймаючим комп'ютером. Деякі середовища передачі даних більш схильні до електромагнітних перешкод, ніж інші. Перешкоди називають також шумами.

Як середовище передачі даних в електронній зв'язку можна використовувати:

• коаксіальний кабель;

• виту пару проводів (twisted pair);

• волоконно оптичний кабель;

• інфрачервоне випромінювання;

• мікрохвильовий діапазон радіоефіру;

• радіодіапазон ефіру.

На сьогоднішній день переважна частина комп'ютерних мереж у більшості випадків для з'єднання використовує дроти або кабелі.

Так, фірма Belden, провідний виробник кабелів, публікує каталог, де пропонує більше 2200 їх типів. На щастя, в більшості мереж застосовуються тільки три основні групи кабелів:

1. коаксіальний кабель (coaxial cable);

2. вита пара (twisted pair):

• неекранована (Unshielded Twisted Pair, UTP);

• екранована (Shielded Twisted Pair, STP);

3. оптоволоконний кабель (fiber optic).

2. Кабелі на основі кручених пар

Виті пари проводів використовуються в самих дешевих і на сьогоднішній день, мабуть, найбільш популярних кабелях.

Кабель на основі кручених пар представляє собою кілька пар скручених ізольованих мідних проводів в єдиній діелектричної (пластикової) оболонці. Він досить гнучкий і зручний для прокладки.

Зазвичай в кабель входять дві або чотири кручені пари. Неекрановані кручені пари характеризуються слабкою захищеністю від зовнішніх електромагнітних перешкод, а також слабкою захищеністю від підслуховування з метою, наприклад, промислового шпигунства.

Перехоплення переданої інформації можливий як за допомогою контактного методу (за допомогою двох голочок, увіткнуті в кабель), так і за допомогою безконтактного методу, що зводиться до радіоперехоплення випромінюваних кабелем електромагнітних полів. Для усунення цих недоліків застосовується екранування.

У разі екранованої кручений пари STP кожна з кручених пар поміщається в металеву оплітку-екран для зменшення випромінювань кабелю, захисту від зовнішніх електромагнітних перешкод і зниження взаємного впливу пар проводів один на одного (crosstalk - перехресні наведення). Природно, екранована кручена пара набагато дорожче, ніж неекранована, а при її використанні необхідно застосовувати і спеціальні екрановані роз'єми, тому зустрічається вона значно рідше, ніж неекранована вита пара.

Основні переваги неекранованих кручених пар - простота монтажу роз'ємів на кінцях кабелю, а також простота ремонту будь-яких пошкоджень у порівнянні з іншими типами кабелю. Всі інші характеристики у них гірше, ніж в інших кабелів.

Відповідно до стандарту EIA / TIA 568 існують п'ять категорій кабелів на основі неекранованої кручений пари (UTP).

3. Коаксіальні кабелі

Коаксіальний кабель являє собою електричний кабель, що складається з центрального проводу і металевого обплетення, розділених між собою шаром діелектрика (внутрішньої ізоляції) і поміщених у загальну зовнішню оболонку.

Коаксіальний кабель до недавнього часу був поширений найбільш широко, що пов'язано з його високою перешкодозахищеністю (завдяки металевій оплітці), а також більш високими, ніж у випадку кручений пари, допустимими швидкостями передачі даних (до 500 Мбіт / с) і великими допустимими відстанями передачі ( до 1 км і вище).

До нього важче механічно підключитися для несанкціонованого прослуховування мережі, він також дає помітно менше електромагнітних випромінювань зовні.

Однак монтаж і ремонт коаксіального кабелю істотно складніше, ніж кручений пари, а вартість його вище (він дорожче приблизно в 1,5-3 рази в порівнянні з кабелем на основі кручених пар). Складніше і установка роз'ємів на кінцях кабелю. Тому його зараз застосовують рідше, ніж виту пару.

Основне застосування коаксіальний кабель знаходить в мережах з топологією типу "шина".

При заземленні обплетення у двох або більше точках з ладу може вийти не тільки мережеве обладнання, але і комп'ютери, підключені до мережі. Термінатори повинні бути обов'язково погоджені з кабелем, тобто їх опір повинен бути дорівнює хвильовому опору кабелю.

Наприклад, якщо використовується 50-омний кабель, для нього підходять тільки 50-омние термінатори.

Існує два основних типи коаксіального кабелю:

1. тонкий (thin) кабель, що має діаметр близько 0,5 см, більш гнучкий;

2. товстий (thick) кабель, що має діаметр близько 1 см, значно жорсткіший. Він являє собою класичний варіант коаксіального кабелю, який вже майже повністю витіснений більш сучасним тонким кабелем.

Тонкий кабель використовується для передачі на менші відстані, ніж товстий, тому що в ньому сигнал загасає сильніше. Зате з тонким кабелем набагато зручніше працювати: його можна оперативно прокласти до кожного комп'ютера, а товстий вимагає жорсткої фіксації на стіні приміщення.

Підключення до тонкого кабелю (за допомогою роз'ємів BNC байонетного типу) простіше й не вимагає додаткового обладнання, а для підключення до товстого кабелю треба використовувати спеціальні досить дорогі пристрої, проколюють його оболонки і встановлюють контакт - як з центральною жилою, так і з екраном.

Товстий кабель приблизно вдвічі дорожче, ніж тонкий. Тому тонкий кабель застосовується набагато частіше.

Вартість в розрахунку на місце. Тонкий коаксіальний кабель має більш низьку ціну в розрахунку на робочу станцію - близько $ 25. Можна придбати ці кабелі з вже підключеними роз'ємами.

Прокласти такі кабелі зможе будь-який - вони просто з'єднуються ланцюжком від комп'ютера до комп'ютера.

Прокладка товстого коаксіального кабелю зазвичай коштує близько $ 50 на станцію. Крім того, для кожної станції будуть потрібні трансивери (близько $ 100).

Обмеження по відстані. Загальна довжина шини на тонкому коаксіальному кабелі обмежена 185 м. Товстий коаксіальний кабель має загальне обмеження в 500 м (у структурах без повторювачів).

4. Оптоволоконні кабелі

Оптоволоконний (він же - волоконно-оптичний) кабель - це принципово інший тип кабелю в порівнянні з розглянутими двома типами електричного або мідного кабелю.

Інформація по ньому передається не електричним сигналом, а світловим. Головний його елемент - це прозоре скловолокно, за яким світло проходить на величезні відстані (до десятків кілометрів) з незначним ослабленням.

Структура оптоволоконного кабелю дуже проста і схожа на структуру коаксіального електричного кабелю, тільки замість центрального мідного дроту тут використовується тонке (діаметром близько 1-10 мкм) скловолокно, а замість внутрішньої ізоляції - скляна або пластикова оболонка, яка не дозволяє світлу виходити за межі скловолокна.

Оптоволоконний кабель володіє винятковими характеристиками по перешкодозахищеності і секретності переданої інформації.

Ніякі зовнішні електромагнітні перешкоди в принципі не здатні спотворити світловий сигнал, а сам цей сигнал принципово не породжує зовнішніх електромагнітних випромінювань.

Підключитися до цього типу кабелю для несанкціонованого прослуховування мережі практично неможливо, так як це вимагає порушення цілісності кабелю.

Теоретично можлива смуга пропускання такого кабелю досягає величини 10 ГГц, що незрівнянно вище, ніж у будь-яких електричних кабелів. Вартість оптоволоконного кабелю постійно знижується.

Типова величина загасання сигналу в оптоволоконних кабелях на частотах, що використовуються в локальних мережах, становить близько 5 дБ / км. Найголовніший з них - висока складність монтажу.

Хоча оптоволоконні кабелі і допускають розгалуження сигналів (для цього випускаються спеціальні розгалужувачі на 2-8 каналів), як правило, їх використовують для передачі даних тільки в одному напрямку, між одним передавачем і одним приймачем.

Чутливий він і до іонізуючих випромінювань, з-за яких знижується прозорість скловолокна, тобто збільшується загасання сигналу. Оптоволоконні кабелі чутливі також до механічних впливів (удари, ультразвук) - так званий мікрофонний ефект. Для його зменшення використовують м'які звукопоглинальні оболонки.

Застосовують оптоволоконний кабель тільки в мережах з топологією "зірка" і "кільце". Ніяких проблем узгодження і заземлення в даному випадку не існує. Кабель забезпечує ідеальну гальванічну розв'язку комп'ютерів мережі.

Існують два різних типи оптоволоконних кабелів:

1. багатомодовий (або мультимодових) кабель - дешевший, але менш якісний;

2. одномодовий кабель - дорожчий, але має кращі характеристики.

Одномодовий кабель має діаметр центрального волокна близько 1,3 мкм і передає світло тільки з такою ж довжиною хвилі (1,3 мкм).

У многомодовом кабелі траєкторії світлових променів мають помітний розкид, в результаті чого форма сигналу на приймальному кінці кабелю спотворюється. Центральне волокно має діаметр 62,5 мкм, а діаметр зовнішньої оболонки - 125 мкм (це іноді позначається як 62,5 / 125). Довжина хвилі світла в многомодовом кабелі дорівнює 0,85 мкм.

Допустима довжина кабелю досягає 2-5 км.

Типова величина затримки для найбільш поширених кабелів становить 4-5 нс / м.

Обмеження по відстані. У Ethernet 10 Base - FL відстань багатомодового волоконно-оптичного кабелю обмежується 2000 м, а при використанні Fast Ethernet 100 Base - F - 400 м.

Обидва обмеження пов'язані з часовими характеристиками Ethernet, а не з властивостями самого кабелю.

Межа пропускної здатності для сучасних волоконно-оптичних кабелів складає 622 Мбіт / с на відстані 1000 м. При кожному скороченні довжини кабелю удвічі його смуга пропускання подвоюється.

Радіоканал використовує передачу інформації з використанням радіохвиль, тому він може забезпечити зв'язок на багато десятків, сотні і навіть тисячі кілометрів.

Швидкість передачі може досягати десятків мегабіт в секунду (тут багато чого залежить від обраної довжини хвилі і способу кодування). Проте в локальних мережах радіоканал не набув широкого поширення через досить високу вартість передавальних і приймальних пристроїв, низькою перешкодозахищеності, повної відсутності секретності переданої інформації та низької надійності зв'язку.

А от для глобальних мереж радіоканал часто є єдино можливим рішенням, тому що дозволяє за допомогою супутників-ретрансляторів порівняно просто забезпечити зв'язок з усім світом. Використовують радіоканал і для зв'язку двох і більше локальних мереж, що знаходяться далеко один від одного, в єдину мережу.

Таблиця 1

Інфрачервоний канал також не вимагає сполучних проводів, оскільки використовує для зв'язку інфрачервоне випромінювання (подібно пульта дистанційного керування системи домашнього телевізора).

Головна його перевага в порівнянні з радіоканалом - нечутливість до електромагнітних перешкод, що дозволяє застосовувати його, наприклад, у виробничих умовах.

Правда, в даному випадку потрібно досить висока потужність передачі, щоб не впливали ніякі інші джерела теплового (інфрачервоного) випромінювання. Погано працює інфрачервона зв'язок і в умовах сильної запиленості повітря.

Граничні швидкості передачі інформації по інфрачервоному каналу не перевищують 5-10 Мбіт / с.

Інфрачервоні канали діляться на дві групи.

1. Канали прямої видимості, в яких зв'язок здійснюється на променях, що йдуть безпосередньо від передавача до приймача. При цьому зв'язок можливий тільки при відсутності перешкод між комп'ютерами мережі. Протяжність каналу прямої видимості може досягати декількох кілометрів.

2. Канали на розсіяному випромінюванні, які працюють на сигналах, відбитих від стін, стелі, підлоги та інших перешкод. Перешкоди в даному випадку не страшні, але зв'язок може здійснюватися тільки в межах одного приміщення.