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 (10⁴ – 10⁸ Гц), микроволновую передачу (10⁸ -10¹² Гц, сотовая связь, телевидение), инфракрасную передачу (10¹² – 10¹⁴ Гц, миллиметровое излучение – ПДУ) и лазерную передачу (10¹⁴ – 10¹⁵ 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.

Разъем 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.

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.

• экранированная витая пара (ScTP – screened twisted pair); кабель имеет общий защитный экран из алюминиевой фольги – фольгированная витая пара (FTP — Foiled twisted pair), или кабель имеет два общих экрана из алюминиевой фольги и медной сетки SFTP.

• 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:

• Attenuation (затухание);

• 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):

• 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.

• 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

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 10¹⁵ 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:

• 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.

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.