Лекция № 3 (2 часа)

Тема: Среда передачи в компьютерной сети.

Цель: Изучить основные типы кабелей и их характеристики, которые используются при построении компьютерной сети.

План

Введение

1. Коаксиальный кабель

1.1. Тонкий коаксиальный кабель

1.2. Толстый коаксиальный кабель

2. Витая пара

2.1. Неэкранированная витая пара

2.2. Экранированная витая пара

3. Оптоволоконный кабель

Введение

Для построения компьютерной сети могут применяться различные типы кабелей. Сегодня мы рассмотрим наиболее распространенные типы кабелей, применяемые для построения компьютерных сетей.

1. Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель - электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана. Обычно служит для передачи высокочастотных сигналов

Был одним из первых кабелей, используемых в локальных сетях, и продолжает применяться для этих целей и в наши дни.

Следует отметить, что коаксиальные кабели выходят из употребления и в сетях Ethernet заменяются кабелем витая пара. Однако в некоторых случаях его использование предпочтительнее, например, при прокладке кабеля между домами или через местность с наличием электромагнитных помех. Экранирующая оплетка дает ему некоторую защиту от такого воздействия.

Рисунок 7. Строение тонкого и толстого коаксиального кабеля

1.1 Тонкий коаксиальный кабель

Тонкий коаксиальный кабель - гибкий кабель диаметром около 5-6 мм. Он прост в применении и годится практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к платам сетевого адаптера компьютера. В основном используется для построения сетей с топологией шина. Тонкий коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстояние до 185 метров без его заметного искажения, вызванного затуханием.

Тонкий коаксиальный кабель относится к группе RG-58, его волновое сопротивление равно 50 Ом. Основная отличительная особенность этого семейства - медная жила. Она может быть сплошной или состоять из нескольких переплетенных проводов.

Основные виды тонкого коаксиального кабеля:

- RG-58/U - сплошная медная жила

- RG-58 A/U - в качестве жилы используются переплетенные провода

- RG-58 C/U - военный стандарт для RG-58 A/U

Тонкий коаксиальный кабель обладает худшими механическими и электрическими характеристиками по сравнению с толстым коаксиальным кабелем. Тонкий внутренний проводник диаметром 0,89 мм не так прочен, зато обладает гораздо большей гибкостью и удобный при монтаже.

Затухание сигнала в этом типе кабеля выше, чем в толстом коаксиальном кабеле.

Для подключения тонкого коаксиального кабеля к компьютерам используются BNC-коннекторы (British Naval Connector, BNC).

BNC-коннектор либо припаивается, либо обжимается на конце кабеля.

Рисунок 8. BNC-коннекторы.

Для подключения коаксиального кабеля к сетевой плате компьютера используется Т-коннектор.

Рисунок 9. BNC T-коннектор и его подключение к сетевой плате

На концах линии связи обязательно устанавливается терминатор для предотвращения отражения сигнала.

Рисунок 10. BNC-терминатор.

1.2 Толстый коаксиальный кабель

Толстый (thick) коаксиальный кабель - жесткий кабель с диаметром около 10-12 мм. Чем толще жила у кабеля, тем большее расстояние способен преодолеть сигнал. Толстый коаксиальный кабель способен передать сигнал на расстояние - до 500 метров. Иногда его называют стандартный Ethernet, поскольку он был первым типом кабеля, применяемым в Ethernet - популярной сетевой архитектуре, о которой мы узнаем позже.

Основные разновидности толстого коаксиального кабеля это RG-8 и RG-11. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Этот кабель имеет толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики. Но данный кабель сложно монтировать - он плохо гнется.

Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют внешний трансивер. Ниже на рисунке показан способ подключения толстого коаксиального кабеля.

Трансивер снабжен специальным коннектором, который назван весьма грозно - "зуб вампира". Этот "зуб" проникает через изоляционный слой и вступает в непосредственный физический контакт с проводящей жилой. Чтобы подключить трансивер к сетевому адаптеру, надо кабель трансивера подключить к коннектору сетевой платы.

Рисунок 11. Подключение толстого коаксиального кабеля к компьютеру.

2. Витая пара

Витая пара (twisted pair) - это кабель на медной основе, объединяющий в оболочке одну или более пар проводников. Каждая пара представляет собой два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Соответствия характеристик кабелей определенному классу или категории определяют стандарты ISO 11801 и TIA-568. Сами характеристики напрямую зависят от структуры кабеля и применяемых в нем материалов.

Несколько витых пар часто помещают в одну защитную оболочку. Их количество в таком кабеле может быть разным. Завивка проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними парами и другими источниками электромагнитных помех (двигателями, реле, трансформаторы).

Рисунок 12. Строение кабеля витая пара (STP).

Существует два типа кабеля: неэкранированная (unshielded) витая пара (UTP) и экранированная (shielded) витая пара (STP).

2.1 Неэкранированная витая пара

Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на категории

Категория 1 - телефонный кабель, всего одна пара (может применяется кабель без скруток - «лапша»). Используется только для передачи голоса или данных при помощи модема.

Категория 2 - старый тип кабеля, 2 пары проводников, поддерживал передачу данных на скоростях до 4 Мбит/с, использовался в сетях Token ring и Arcnet. Сейчас иногда встречается в телефонных сетях.

Категория 3 - 4-парный кабель, используется при построении телефонных и локальных сетей 10BASE-T и Token ring, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 500 метров. В отличие от предыдущих двух, отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3.

Категория 4 - кабель состоит из 4 скрученных пар, использовался в сетях Token ring, 10BASE-T, 100BASE-T4, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с по одной паре, сейчас не используется.

Категория 5 - 4-парный кабель, использовался при построении локальных сетей 100BASE-TX и для прокладки телефонных линий, поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар.

Категория 5e - 4-парный кабель, усовершенствованная категория 5. Скорость передач данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар. Кабель категории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Иногда встречается двухпарный кабель категории 5e.

Категория 6 - применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 1000 Мбит/с и до 10 гигабит на расстояние до 50 м.

Категория 6a - применяется в сетях Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с.

Категория 7 - спецификация на данный тип кабеля утверждена только международным стандартом ISO 11801, скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары

Категория 7a - разработана для передачи данных на скоростях до 40 Гбит/с.

Каждая отдельно взятая витая пара, входящая в состав кабеля, предназначенного для передачи данных, должна иметь волновое сопротивление 100±15 Ом, в противном случае форма электрического сигнала будет искажена и передача данных станет невозможной. Причиной проблем с передачей данных может быть не только некачественный кабель, но и наличие «скруток» в кабеле и использование розеток более низкой категории, чем кабель.

2.2 Экранированная витая пара

Кабель экранированной витой пары STP имеет оплетку, которая обеспечивает большую защиту, чем неэкранированная витая пара. Кроме того, пары проводов STP обмотаны фольгой. В результате экранированная витая пара обладает лучшей изоляцией, защищающей передаваемые данные от внешних помех. Это означает, что STP, по сравнению с UTP, меньше подвержена воздействию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния.

Помимо того, что экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, она излучает меньше электромагнитных колебаний. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного заземления.

Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары, является фирменный стандарт IBM.

В этом стандарте кабели делятся на типы Type 1...Type 9.

Основным типом экранированного кабеля является кабель Type 1 стандарта IBM. Он состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которая заземляется.

Электрические параметры кабеля Type 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5. Однако волновое сопротивление кабеля Type 1 равно 150 Ом. (UTP категории 5 имеет волновое сопротивление 100 Ом). Поэтому простое "улучшение" кабельной проводки сети путем замены неэкранированной пары UTP на STP Type 1 невозможно. Необходимо еще учитывать и последующую замену оборудования, которое работает с этими кабелями (поскольку теперь нужно оборудование с большим входным сопротивлением).

Кабель STP Type 1 включен в стандарты EIA/TIA-568A, ISO 11801 и EN50173.

Экранированная витая пара отличается от неэкранированной в основном только высоким уровнем защиты от помех и электрических шумов, а, следовательно, обеспечивает более надежную передачу сигналов в линии.

3. Оптоволоконный кабель

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это надежный способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются.

Оптическое волокно - нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается.

Передача по оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется на высокой скорости (в настоящее время до 40 Гбит/с).

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

Рисунок 13. Структура оптоволоконного кабеля

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

- многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления

- многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления

- одномодовое волокно

Понятие мода описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля.

Рисунок 14. Многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления

Рисунок 15. Многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления

Рисунок 16. Одномодовое волокно.

В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света - от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника.

Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля с диаметром проводника 62,5 мкм и 50 мкм.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами.

В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет более сложный характер.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

- светодиоды;

- полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Для передачи информации применяется свет с длиной волны: 1550 нм (1,55 мкм) 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм).

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC, которые имеют довольно сложную конструкцию.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов; электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток - сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования.

Рисунок 17. Оптоволоконные коннекторы.

Контрольные вопросы

1. Какие наиболее распространенные типы кабелей применяются для построения сетей?

2. Опишите строение тонкого и толстого коаксиального кабеля.

3. Каково волновое сопротивление коаксиального кабеля?

4. Какое устройство устанавливается на концах линии связи при использовании коаксиального кабеля, и каково его предназначение.

5. Основные достоинства и недостатки применения тонкого коаксиального кабеля.

6. Опишите строение кабеля витая пара.

7. Основное отличие экранированной витой пары от неэкранированной витой пары.

8. На какие категории делится неэкранированный кабель витая пара.

9. Опишите строение оптоволоконного кабеля и его разновидности.

10. Основные достоинства и недостатки использования оптоволоконного кабеля.