3_2.htm 3.2. Характеристика передающих сред В компьютерных сетях могут быть использованы различные типы передающих сред, в основном это кабели сетевой проводки различного вида. Рассмотрим их характеристики более подробно. Кабели сетевой проводки подразделяются на категории (стандарты). Наибольшее распространение в настоящее время получили кабельные системы стандартов: • Спецификации корпорации IBM • Система категорий UL (Underwriters Labs} • Стандарт ЕIА/ТIА 568. Кабельные системы спецификации корпорации IBM предусматривают 9 различных типов кабелей. Наиболее распространенным среди них является кабель IBM type 1 — экранированная витая пара (STP), которая широко используется для сетей Token Ring. Система категорий UL (Underwriters Labs) включает 5 категорий кабелей. В настоящее время система UL приведена в соответствие с системой категорий ЕIА/ТIА. Стандарт Е1А/Т1А 568 разработан совместными усилиями UL, ANSI (American National Standarts Institute) и Е1А/Т1А (Electronic Industry Association/Telecommunications Industry Association) для кабельных систем на витой паре (UTP). В дополнение к стандарту ЕIА/ТIА 568 существует документ DIS 11801, разработанный ISO (International Standard Organization) и 1ЕС (International Electrotechnical Commission). Данный стандарт использует термин «категория» для отдельных кабелей и термин «класс» для кабельных систем. Необходимо также отметить, что требования стандарта ЕIА/ТIА 568 относятся только к сетевому кабелю. Но реальные системы, помимо кабеля, включают также соединительные разъемы, розетки, распределительные панели и другие элементы. Использование только кабеля категории 5, например, не гарантирует создание кабельной системы этой категории. В связи с этим все выше перечисленное оборудование должно быть также сертифицировано на соответствие данной категории кабельной системы. Двухпроводная открытая линия — это простейший тип среды передачи информации. Она обеспечивает скорость передачи данных до 19,2 Кбит/с на расстояниях до 50 м. Наиболее дешевым кабельным соединением является витое двухжильное проводное соединение часто называемое витой парой (twisted pair). Витая пара получается в результате скрещивания пары проводов, что позволяет уменьшить взаимные наводки. Она может быть использована для передачи данных на расстояния до 100 м со скоростью передачи до 1 Гбит/ с. Кабель категории 5, например, — это линия длиной 100 м с сопротивле- нием 100 Ом, которая обеспечивает ширину полосы пропускания сигнала до 100 МГц. Для сравнения, категория 4 имеет широкополосность 20 МГц. На настоящий момент разработаны, но пока еще не стандартизированы, кабели категорий 6 и 7 с полосой пропускания, соответственно, 200 МГц и 600 МГц. Но и это еще не предел. Неэкранированная витая пара (UTP) позволяет достигнуть скорости передачи данных до 1,2 Гбит/с. Этапы развития структурированных кабельных проводных систем на примере SYSTIMAX SCS компании Lucent Technologies представлены на рис. 3.9. Широкое распространение в качестве передающей среды, благодаря низкой стоимости изготовления и обеспечения сравнительно небольшого затухания проходящего сигнала, в компьютерных сетях получил коаксиальный кабель. Сети на основе коаксиального кабеля наиболее просты в изготовлении, чего нельзя сказать об их эксплуатации и модернизации. Он используется для передачи сигналов на расстояния нескольких сотен метров со скоростью передачи до сотен Мбит/с. Существующие стандарты оговаривают применение двух основных типов коаксиального кабеля: • Толстый Ethernet (10Base-5) • Тонкий Ethernet (10Base-2) В большинстве случаев применяется тонкий кабель — его проще прокладывать и к тому же он дешевле. Сети стандарта Ethernet с использованием коаксиального кабеля имеют топологию «шина», то есть устройства подключаются к кабелю параллельно, а на обоих концах кабеля должны быть установлены согласующие сопротивления — «заглушки». Скорость передачи информации составляет при этом 10 Мбит/с при длине кабеля до 185 м. Коаксиальные кабели уже многие годы широко используются в различных системах и в зависимости от их конкретного применения имеют различное конструктивное исполнение. В настоящее время насчитывается более 100 конструкций таких кабелей. В чем же их основные сходства и различия?
Одним из важных элементов кабеля является среда, изолирующая внутренний проводник от внешнего, причем одним из лучших изоляторов (диэлектриков) является обыкновенный воздух. К основным характеристикам коаксиального кабеля относится ряд параметров: • Волновое сопротивление • Коэффициент затухания • Коэффициент стоячей волны • Температурная зависимость вышеперечисленных характеристик. Большинство коаксиальных кабелей имеют волновое сопротивление 50 или 75 Ом. При одинаковом наружном размере 75-омные кабели имеют меньшее затухание по сравнению с 50-омными. Они также дешевле благодаря более тонкому внутреннему проводнику. Однако за этот выигрыш приходится платить одним существенным недостатком — потерей мощности. Благодаря более толстому внутреннему проводнику по 50-омному кабелю можно передавать на 30% большую мощность, чем по 75-омному кабелю того же размера. При этом разница в затухании на средних частотах — всего 5%. Потери в коаксиальном кабеле оцениваются коэффициентом затухания и складываются из двух составляющих: • Потери в диэлектрике(изоляторе) • Потери в проводнике (внутреннем и внешнем). Потери в изоляторе зависят только от его диэлектрических свойств и не зависят от размеров поперечного сечения кабеля. Потери в проводниках, наоборот, жестко связаны с их размерами, причем в большей мере с размером внутреннего проводника, так как основная часть электромагнитного поля распространяется в кабеле вдоль него, сильно убывая по направлению к внешнему проводнику. Коэффициент стоячей волны определяется технологией производства кабеля, то есть неоднородностями, нестабильностью волнового сопротивления вдоль кабеля. Конструктивно все кабели можно разделить на 4 группы: • Гибкие • Полугибкие • Полужесткие •Жесткие. У гибких кабелей внешним проводником служит оплетка из тонких проволок, что и обеспечивает ему высокую гибкость — 50 000 перегибов и более без повреждений. Поскольку оплетка все же не сплошной проводник, то через промежутки между проволочками происходит «просачивание» электромагнитного поля наружу. А для электрического тока такая оплетка состоит как бы из огромного количества контактов, что приводит к увеличению ее сопротивления. Поэтому эта группа кабелей имеет самое высокое затухание, что делает невозможным применение их для передачи сигналов на большие расстояния. У полугибких кабелей для повышения экранирования и уменьшения электрического сопротивления (затухания) на изоляцию сначала накладывается фольга, а уже поверх нее оплетка. При такой конструкции кабеля зату- хание значительно ниже, чем у гибких, однако они на порядок проигрывают им в гибкости. Полужесткие кабели имеют сплошной сварной внешний проводник, который в 95% конструкций имеет спиральный или кольцевой гофр. Такие кабели имеют низкий коэффициент затухания и обладают высоким экранирующим свойством. Поскольку все кабели предназначены для использования как в помещениях, так и на открытых местах, то они должны выдерживать повышенные и пониженные температуры, их перепады, быть стойкими к воздействию влаги и солнечному излучению. Отечественные коаксиальные кабели изначально разрабатывались для военных целей, и в этом одна из причин их весьма высоких свойств по этим показателям. Конструктивное исполнение некоторых кабелей представлено на рис. 3.10. В качестве примера рассмотрим появившийся на отечественном рынке в последнее время японский коаксиальный кабель. Основные характеристики этих кабелей представлены в таблице 3.1. Марка кабеля состоит из числа или цифры, обозначающих приблизительный диаметр кабеля по металлической оплетке (под внешней изоляцией), буквы D (волновое сопротивление 50 Ом) или буквы С (75 Ом) и через дефис — несколько букв или цифр и букв, обозначающих тип изоляции. Наиболее распространенная изоляция из сплошного полиэтилена имеет обозначение 2V. Таблица 3.1. Основные характеристики японских коаксиальных кабелей
Марка Диаметр Диаметр центрального Потери в дБ на 10-м на чатоте, МГц кабеля кабеля, проводника, мм MM 50 144 430 1200 1.5D-2V 2,90 - 1,50 2,85 4,10 10,00 3D-2V 5,30 - 0,82 1,54 2,2 5,27 5D-2V 7,30 1,40 0,60 1,05 1,85 3,5.0 8D-2V 11,10 - 0,40 0,72 1,35 2,60 10D-2V 13,10 2,90 0,31 0,56 1,05 2,10 20D-2V 26,00 — 0,18 0,35 0,70 1,50 Для кабелей марки 1,5D—2V и 3D—2V потери даны для значений частот 30,100, и 1000 МГц.
В наше время наиболее эффективной и перспективной передающей средой является волоконно-оптический кабель, с помощью которого образуются волоконно-оптические системы передачи информации, получившие в настоящее время широкое распространение. Передача информации по такому кабелю осуществляется в виде пульсирующего светового потока, на который практически не влияют электрические или магнитные помехи. Кроме того, трудность перехвата информации, проходящей по волоконно-оптическому кабелю, повышает безопасность связи. Такой кабель обеспечивает передачу данных на большие расстояния со скоростью до десятков Гбит/с и используется, в основном, в протяженных магистральных линиях связи. 9 декабря 1997 года был открыт оптоволоконный канал связи, который соединил Великобританию с Гонконгом. Протяженность оптоволоконного кабеля, который проходит через несколько европейских, азиатских и африканских стран, — около 300 000 км. Этот кабель позволяет передавать данные со скоростью 10 Гбит/с. Оптоволокно используется и для построения компьютерных сетей с высокой пропускной способностью, например, построенных по технологии Fiber (Fibre) Channel. В отличие от металлических кабелей связи, в которых переносчиком информации является электрический ток, в оптоволокне этим целям служит поток фотонов в диэлектрике высокой прозрачности — в сверхчистом кварце или полимерных материалах. Они являются хорошими диэлектриками, вследствие чего оптические волокна, а значит и оптоволоконные кабели, являются не чувствительными к электромагнитным помехам. Кроме того, они значительно более устойчивы к различным агрессивным химическим средам. При равных диаметрах оптические кабели имеют большее, чем другие виды кабелей, количество информационно-проводящих жил, так как диаметр световодов вместе с защитной оболочкой составляет не более 250 мкм. Благодаря малому затуханию световой энергии в световоде и незначительным искажениям формы сигналов оптоволоконные кабели имеют значительно большую строительную длину по сравнению с металлическими кабелями. В настоящее время можно выделить 4 основных типа конструкций оптоволоконных кабелей: • Многоповивные кабели (кабели повивной скрутки) • Кабели пучковой скрутки • Кабели с «профильными» сердечниками • Ленточные кабели. Первые два типа кабелей относятся к классической конструкции, остальные — характерны для большинства оптических кабелей. Сердечник много-повивного кабеля выполнен в виде повивов из оптических модулей (нитей с защитным покрытием), закрученных вокруг центрального упрочняющего
Рис. 3.11. Типы конструкций волоконно-оптических кабелей
Рис. 3.12. Оптические кабели фирмы NOKIA элемента. Такая конструкция эффективна с числом модулей не более 20. Такой типовой повивной кабель имеет внешний диаметр 12 мм и состоит из 6—8 оптических модулей. Оптический кабель пучковой скрутки состоит из пучков оптических модулей, повитых вокруг центрального упрочняющего сердечника. Пучок представляет собой трубку из полимера со свободно уложенными в ней волокнами. Оптические модули в таком кабеле размещены в пазах профильного упрочняющего сердечника. Сердечники пучковой скрутки выполняются из однотипных пучков. В отличие от кабелей повивной скрутки, повивы в сердечнике пучковой скрутки имеют одинаковые направление и шаг. Оптический кабель такого типа выпускается внешним диаметром 15—25 мм и содержит 25—50 модулей. Кабель с профильным сердечником состоит из сердечника, представляющего собой несущий пластиковый элемент с винтообразными пазами, в которые свободно без натяжения укладываются световод с первичной защитной оболочкой или оптические модули, диаметр которых меньше ширины паза. Сердечник с оптическими волокнами или модулями обматывается изоляционной лентой и покрывается оболочкой. В таком кабеле обычно находится 8—10 световодов, а внешний диаметр кабеля доходит до 20 мм. Ленточный кабель собран из отдельных плоских лент с параллельно уложенными световодами на расстоянии друг от друга в несколько десятых долей миллиметра. Сердечник такого кабеля как раз и образуется этими скрученными лентами, а усиливающие элементы располагаются в его оболочке. Благодаря плотной укладке кабель такой конструкции может иметь очень небольшие размеры. Каждый из рассмотренных типов оптических кабелей имеет как свои преимущества, так и свои недостатки. Поэтому их применение в каждом конкретном случае диктуется условиями прокладки и характером решаемых задач. Конструктивные особенности кабелей (их сечение), а также их особенности и способы применения представлены на рис. 3.11. В настоящее время на российском рынке представлены оптические кабели зарубежного и отечественного производства. Наша промышленность производит оптические кабели, рассчитанные на работу либо в первом, либо во втором, либо в третьем окне прозрачности, характеризующихся длиной волны 0,82—0,86 мкм, 1,28—1,36 мкм, 1,53—1,56 мкм соответственно.
Рис. 3.13. Использование радиопередающей среды За рубежом существуют десятки фирм, занимающихся производством оптических кабелей. В настоящее время они производят широкий ассортимент кабелей, 90% которых состоят из одномодовых оптических волокон. Обусловлено это тем, что современные одномодовые оптические волокна дешевле многомодовых и, кроме того, они имеют меньшее погонное затухание и большую широкополосность. Последнее особенно актуально при быстро растущих скоростях и объемах передачи информации. Внешний вид кабелей, производимых фирмой NOKIA, представлен на рис. 3.12. Передача информации с помощью высокочастотной энергии (радиоволн), которые также относятся к передающей среде, позволяет в УКВ и СВЧ-диапа-зонах обеспечить значительное количество линий связи для компьютерных сетей в труднодоступных для прокладки обычных кабелей местах. Беспроводные соединения позволяют осуществлять подключение со скоростью от 256 Кбит/с до 2 Мбит/с. Возможность влияния помех на радиоканал, большая вероятность перехвата информации снижают надежность данной передающей среды. Однако в связи с использованием новейших западных и российских технологий, в частности переход к сотовой системе с использованием стандарта CDMA, позволяют строить радиосети в масштабе города и даже развертывать глобальные системы передачи информации. Не секрет, что изначально беспроводные радиосети разрабатывались для офисных применений (рис. 3.13 а), но, как оказалось на базе такого оборудования можно создавать очень хорошо работающие сети в масштабах города (рис.3.13 б). Как правило, на начальном этапе строительства таких сетей создаются несколько базовых станций с круговой диаграммой направленности, накрывающих всю территорию обслуживания. В дальнейшем, с увеличением числа пользователей, для снижения нагрузки на сеть разворачиваются дополнительные базовые станции и в идеальном случае сеть должна состоять из большого числа базовых станций с малым радиусом действия. В этом случае возникает проблема взаимных помех от соседних базовых станций, но современное радиооборудование позволяет решать эту проблему. Выбор аппаратной части и программного обеспечения компьютерной сети При выборе аппаратной части компьютерной сети необходимо определить: • Количество компьютеров, необходимых для использования в качестве рабочих станций и файл-серверов • Тип сетевых адаптеров • Устройства связи • Устройство бесперебойного питания. Особые требования предъявляются к компьютерам, используемым в качестве файл-серверов, при выборе которых следует учитывать: • Тип процессора • Объем оперативной памяти • Тип диска и дискового контроллера. Для компьютера, функционирующего в компьютерной сети в качестве рабочей станции, нет необходимости в винчестере, но обязательной является установка в сетевой адаптер микросхемы дистанционной загрузки. Такая микросхема содержит программу, с помощью которой на этапе инициализации компьютера происходит загрузка оперативной памяти из файл-сервера. Сетевые адаптеры подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние сетевые адаптеры устанавливаются в разъем расширения материнской платы, а внешние подключаются к компьютеру через сквозной принтерный порт. Например, для сети Ethernet, при использовании Novell Netware, применяются сетевые адаптеры типа NE1000/NE2000/NE320. Объединение вычислительных устройств, для успешного функционирования сети, осуществляется с помощью различных устройств связи. К ним относятся повторители (repeater), концентраторы (hub), мосты (bridge), переключатели (switch), маршрутизаторы (routes) и шлюзы (gateway). Повторители и концентраторы используются для объединения сегментов или лучей в компьютерную сеть с целью пересылки пакета данных с единого порта во все остальные независимо от инициатора сообщений. Мосты предназначены для фильтрации пакетов данных с последующей пересылкой их нужным адресатам с целью сокращения графика в сети. Переключатели (переключающие концентраторы) — это многопортовые мосты, используемые для подключения к магистралям с интенсивным графиком для увеличения пропускной способности сети. Маршрутизаторы строго выдерживают таблицы маршрутизации сообщений с целью их оптимальной доставки абонентам. Они характеризуются типом протокола и портов, и используются для объединения удаленных друг от друга локальных сетей. Шлюзы необходимы для преобразования транспортных протоколов и отличаются высокой вычислительной мощностью. Высокую надежность работы компьютерной сети обеспечивает устройство бесперебойного питания, подключаемое через специальный адаптер к файл-серверу. В случае сбоя по питанию это устройство выдает на сервер сигнал, по которому файл-сервер завершает свою работу без потери информации на нем. Для каждой конкретной компьютерной сети может быть разработана своя сетевая операционная система. Однако для большинства практичес- ких сетей с успехом используются уже разработанные операционные системы, например, такие, как ОС Microsoft Windows или ОС Novell Netware 386 версии 3.11. Сетевое программное обеспечение организуется в соответствии с классами сетей. При этом различают два основных класса: • Сети с архитектурой клиент-сервер • Сети равноправных компьютеров (одноранговые). К классу сетей с архитектурой клиент-сервер относятся сети на платформе Windows NT Server фирмы Microsoft и Netware фирмы Novell. В этом классе в качестве сервера используется специальный компьютер, обслуживающий до 1000 персональных компьютеров. К одноранговым сетям, как правило, относятся только сети, работающие на платформе DOS/Windows, а именно Window for Workgroup фирмы Microsoft и Personal Netware фирмы Novell. В таких сетях каждый компьютер может быть сервером, пользователем или клиент-сервером. Пользователи в таких компьютерных сетях могут без разрешения администратора распоряжаться ресурсами своего и других компьютеров, число которых в сети не превышает 25. В компьютерной сети средняя скорость передачи сообщений рабочими станциями равна предельной пропускной способности сервера, данной на среднее число активных рабочих станций в сети. Пропускная способность сервера, являясь важной характеристикой производительности вычислительной сети, зависит от аппаратных и программных средств сети. Так, предельная пропускная способность сервера одноранговой сети практически не зависит от типа сети и не превышает величины 250 Кбит/с. При аналогичной конфигурации сервер Netware имеет производительность 1200 Кбит/с. В компьютерной сети с централизованным управлением выделяют один или несколько компьютеров, управляющих обменом данными по сети. При этом диски выделенных компьютеров, называемых файл-серверами или серверами баз данных, доступны всем пользователям. На сервере функционирует специальная сетевая операционная система, использующая защищенный режим работы процессора. Кроме того, с помощью специальной программы NetLink имеется возможность передавать данные с одной рабочей станции на другую без подключения файл-сервера. К наиболее известным сетевым ОС с децентрализованным управлением относятся Novell Netware, Microsoft LAN Manager (на базе OS/2), VINES (на базе Vnix). Компьютерные сети с децентрализованным управлением не содержат в своем составе выделенных серверов и относятся к одноранговым сетям. Как правило, рабочие станции, имеющие доступ к дискам других станций в сети, функции управления сетью передают по очереди друг к другу. Распространенными сетями с децентрализованным управлением являются Artisoft LANtastic, LANswart фирмы D-Link systems, Invisible Software NET-30 и Web NOS фирмы Web corp., которые реализованы в виде надстройки над ОС MS DOS. При организации работы пользователей в компьютерной сети большое внимание должно уделяться разработке правил обмена сообщениями между компьютерами и порядком их использования, объединенных в сетевой протокол.