Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети. Основными функциями средств, относящихся к данному уровню, является побитовое преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи, а также собственно передача сигналов по физической среде.

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи. Среда передачи – это физическая среда, по которой возможно распространение информационных сигналов в виде электрических, световых и т.п. импульсов. В настоящее время выделяют два основных типа физических соединений: соединения с помощью кабеля и беспроводные соединения.

Технические характеристики среды передачи влияют на такие потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи данных и максимальная скорость передачи данных.

Кабельные системы

Кабель (cable), используемый для построения компьютерных сетей, представляет собой сложную конструкцию, состоящую, в общем случае, из проводников, изолирующих и экранирующих слоев. В современных сетях используются три типа кабеля:

• коаксиальный кабель (coaxial cable);
• «витая пара» (twisted pair);
• оптоволоконный кабель (fiber optic).

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым набором технических характеристик, влияющих на основные потребительские параметры сетей:

Тип кабеля

Характеристика

Максимальное расстояние передачи

Максимальная скорость передачи

Коаксиальный кабель

185 – 500 м

10 Мбит/с

«Витая пара»

30 – 100 м

10 Мбит/с – 1 Гбит/с

Оптоволоконный кабель

10 Мбит/с – 2 Гбит/с

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель был первым типом кабеля, использованным для соединения компьютеров в сеть. Кабель данного типа состоит из центрального медного проводника, покрытого пластиковым изолирующим материалом, который, в свою очередь, окружен медной сеткой и/или алюминиевой фольгой. Этот внешний проводник обеспечивает заземление и защиту центрального проводника от внешней электромагнитной интерференции. При прокладке сетей используются два типа кабеля — «Толстый коаксиальный кабель» (Thicknet) и «Тонкий коаксиальный кабель» (Thinnet). Сети на основе коаксиального кабеля обеспечивают передачу со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная длина сегмента лежит в диапазоне от 185 до 500 м в зависимости от типа кабеля.

Устройство коаксиального кабеля

«Витая пара»

Кабель типа «витая пара» (twisted pair), является одним из наиболее распространенных типов кабеля в настоящее время. Он состоит из нескольких пар медных проводов, покрытых пластиковой оболочкой. Провода, составляющие каждую пару, закручены вокруг друг друга, что обеспечивает защиту от взаимных наводок. Кабели данного типа делятся на два класса — «экранированная витая пара» («Shielded twisted pair») и «неэкранированная витая пара» («Unshielded twisted pair»). Отличие этих классов состоит в том, что экранированная витая пара является более защищенной от внешней электромагнитной интерференции, благодаря наличию дополнительного экрана из медной сетки и/или алюминиевой фольги, окружающего провода кабеля. Сети на основе «витой пары» в зависимости от категории кабеля обеспечивают передачу со скоростью от 10 Мбит/с – 1 Гбит/с. Длина сегмента кабеля не может превышать 100 м (до 100 Мбит/с) или 30 м (1 Гбит/с).

Устройство кабеля типа «витая пара”

Оптоволоконный кабель

Оптоволоконные кабели представляют собой наиболее современную кабельную технологию, обеспечивающую высокую скорость передачи данных на большие расстояния, устойчивую к интерференции и прослушиванию. Оптоволоконный кабель состоит из центрального стеклянного или пластикового проводника, окруженного слоем стеклянного или пластикового покрытия и внешней защитной оболочкой. Передача данных осуществляется с помощью лазерного или светодиодного передатчика, посылающего однонаправленные световые импульсы через центральный проводник. Сигнал на другом конце принимается фотодиодным приемником, осуществляющим преобразование световых импульсов в электрические сигналы, которые могут обрабатываться компьютером. Скорость передачи для оптоволоконных сетей находится в диапазоне от 100 Мбит/c до 2 Гбит/с. Ограничение по длине сегмента составляет 2 км.

Устройство оптоволоконного кабеля

Беспроводные технологии

Беспроводные технологии используют в качестве среды электромагнитные волны.

Основой классификации беспроводных технологий передачи данных является разделение спектра электромагнитного излучения на диапазоны частот. Особо выделяют два диапазона: радиоизлучение в коротковолновом (КВ) и ультракоротковолновом (УКВ) диапазоне (от 3-30 МГц до 300-6000ГГц) и инфракрасное излучение (50 – 400 ТГц).

В соответствии с тем, к какому диапазону относятся электромагнитные волны, используемые для передачи данных, сети разделяют на два типа:

• радиосети (как наземные, так и спутниковые);
• инфракрасные сети.

Частотные характеристики электромагнитных волн влияют на основные характеристики сети:

Диапазон частот, на которых осуществляется передача

Характеристика

Максимальное расстояние передачи

Максимальная скорость передачи

КВ-диапазон (3-30 МГц)

до неск. тыс. км

До 6 Кбит/с

УКВ-диапазон (100 – 512 МГц)

70 – 50 км

10 – 128 Кбит/с

УКВ-диапазон (900 МГц-2,5 ГГц)

250 м – 20 км

2 — 10 Мбит/с

Инфракрасные волны (300-400 ТГц)

30 м – 1 км

20 – 622 Мбит/с

Сравнение кабельных и беспроводных сетей

Беспроводные сети имеют ряд преимуществ по сравнению с кабельными сетями:

мобильность: абоненты, подключенные к беспроводной сети, имеют возможность перемещаться во время работы;

универсальность: возможность развертывания сети там, где прокладка кабеля может оказаться слишком дорогой или вообще невозможной;

срочность: скорость развертывания беспроводной сети достаточно высока, поскольку не тратится время на прокладку кабеля.

К недостаткам беспроводных сетей по сравнению с кабельными следует отнести:

зависимость качества связи от природных явлений (например, грозы) и погодных условий (например, туман является помехой для передачи в инфракрасном диапазоне);

для высокочастотных технологий необходимость расположения приемника и передатчика в прямой видимости;

возможность возникновения конфликтов с другими беспроводными средствами связи (например, сотовая телефония).

Топология сети

Еще одним важным понятием физического уровня является способ соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети . Если сеть состоит всего из двух компьютеров, то они соединяются «напрямую». Такой способ соединения получил название «точка-точка» («point-to-point»).

Соединение типа «точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться последовательность соединений типа «точка-точка».

Последовательность соединений типа «точка-точка»

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров нескольких устройств передачи данных.

В качестве альтернативного подхода возможно использование более сложных топологий, позволяющих подключить к общей среде сразу несколько компьютеров, имеющих по одному устройству передачи данных. Выделяют три базовые топологии: «Шина» («bus»), «Кольцо» («ring»), «Звезда» («star»).

Топология “Шина”

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля, называемый «шиной». Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине. На концах кабеля-шины устанавливаются специальные заглушки — «терминаторы» (terminator). Они необходимы для того, чтобы погасить сигнал после прохождения по шине. К недостаткам топологии «Шина» следует отнести следующее:

• данные, предаваемые по кабелю, доступны всем подключенным компьютерам;
• в случае повреждения «шины» вся сеть перестает функционировать.

Топология “Кольцо”

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения; сеть замкнута, образуя неразрывное кольцо, по которому передаются данные. Эта топология подразумевает следующий механизм передачи: данные передаются последовательно от одного компьютера к другому, пока не достигнут компьютера-получателя. Недостатки топологии «кольцо» те же, то и у топологии «шина»:

• общедоступность данных;
• неустойчивость к повреждениям кабельной системы.

Топология “Звезда”

В сети с топологией «звезда» все компьютеры соединены со специальным устройством, называемым сетевым концентратором или «хабом» (hub), который выполняет функции распределения данных. Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют. Благодаря этому, имеется возможность решения проблемы общедоступности данных, а также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы. Однако функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора.

Физическая и логическая топологии

Следует отметить, что термин топология может употребляться для обозначения двух понятий – физической топологии и логической топологии. Физическая топология – способ физического соединения компьютеров с помощью среды передачи, например, участками кабеля.

Логическая топология определяет маршруты передачи данных в сети. Во многих случаях, физическая топология однозначно определяет логическую топологию. Однако существуют такие конфигурации, в которых логическая топология отличается от физической. Например, сеть с физической топологией “звезда” может иметь логическую топологию “шина” – все зависит от того, каким образом устроен сетевой концентратор.

Источник

Тема 2. типы кабелей и структурированные кабельные системы

В качестве среды передачи данных используются различные виды кабелей: коаксиальный кабель, кабель на основе экранированной и неэкранированной витой пары и оптоволоконный кабель. Наиболее популярным видом среды передачи данных на небольшие расстояния (до 100 м) становится неэкранированная витая пара, которая включена практически во все современные стандарты и технологии локальных сетей и обеспечивает пропускную способность до 100 Мб/с (на кабелях категории 5). Оптоволоконный кабель широко применяется как для построения локальных связей, так и для образования магистралей глобальных сетей. Оптоволоконный кабель может обеспечить очень высокую пропускную способность канала (до нескольких Гб/с) и передачу на значительные расстояния (до нескольких десятков километров без промежуточного усиления сигнала).

В качестве среды передачи данных в вычислительных сетях используются также электромагнитные волны различных частот – КВ, УКВ, СВЧ. Однако пока в локальных сетях радиосвязь используется только в тех случаях, когда оказывается невозможной прокладка кабеля, например, в зданиях. Это объясняется недостаточной надежностью сетевых технологий, построенных на использовании электромагнитного излучения. Для построения глобальных каналов этот вид среды передачи данных используется шире – на нем построены спутниковые каналы связи и наземные радиорелейные каналы, работающие в зонах прямой видимости в СВЧ диапазонах.

Очень важно правильно построить фундамент сети – кабельную систему. В последнее время в качестве такой надежной основы все чаще используется структурированная кабельная система.

Структурированная кабельная система (Structured Cabling System – SCS) – это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

Преимущества структурированной кабельной системы.

— Универсальность. Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети.

— Увеличение срока службы. Срок старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 8-10 лет.

— Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. Стоимость кабельной системы в основном определяется не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке.

— Возможность легкого расширения сети. Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко наращивать, позволяя легко и ценой малых затрат переходить на более совершенное оборудование, удовлетворяющее растущим требованиям к системам коммуникаций.

— Обеспечение более эффективного обслуживания. Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей.

— Надежность. Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность, поскольку обычно производство всех ее компонентов и техническое сопровождение осуществляется одной фирмой-производителем.

Тема 3. Кабельные системы

Выделяют два больших класса кабелей: электрические и оптические, которые принципиально различаются по способу передачи по ним сигнала.

Отличительная особенность оптоволоконных систем – высокая стоимость как самого кабеля (по сравнению с медным), так и специализированных установочных элементов (розеток, разъемов, соединителей и т. п.). Правда, главный вклад в стоимость сети вносит цена активного сетевого оборудования для оптоволоконных сетей.

Оптоволоконные сети применяются для горизонтальных высокоскоростных каналов, а также все чаще стали применяться для вертикальных каналов связи (межэтажных соединений).

Оптоволоконные кабели в будущем смогут составить реальную конкуренцию медным высокочастотным, поскольку стоимость производства медных кабелей снижаться не будет, ведь для него нужна очень чистая медь, запасов которой на земле гораздо меньше, чем кварцевого песка, из которого производят оптоволокно.

Основные поставщики оптоволоконного кабеля для России – Mohawk/CDT, Lucent Technologies и AMP.

Тема 4. Типы кабелей

Существует несколько различных типов кабелей, используемых в современных сетях. Ниже приведены наиболее часто используемые типы кабелей. Множество разновидностей медных кабелей составляют класс электрических кабелей, используемых как для прокладки телефонных сетей, так и для инсталляции ЛВС. По внутреннему строению различают кабели на витой паре и коаксиальные кабели.

Кабель типа «витая пара» (twisted pair)

Витой парой называется кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание проводов уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю, а экранированные витые пары еще более увеличивают степень помехозащищенности сигналов.

Кабель типа «витая пара» используется во многих сетевых технологиях, включая Ethernet, ARCNet и IBM Token Ring.

Кабели на витой паре подразделяются на: неэкранированные (UTP – Unshielded Twisted Pair) и экранированные медные кабели. Последние подразделяются на две разновидности: с экранированием каждой пары и общим экраном (STP – Shielded Twisted Pair) и с одним только общим экраном (FTP – Foiled Twisted Pair). Наличие или отсутствие экрана у кабеля вовсе не означает наличия или отсутствия защиты передаваемых данных, а говорит лишь о различных подходах к подавлению помех. Отсутствие экрана делает неэкранированные кабели более гибкими и устойчивыми к изломам. Кроме того, они не требуют дорогостоящего контура заземления для эксплуатации в нормальном режиме, как экранированные. Неэкранированные кабели идеально подходят для прокладки в помещениях внутри офисов, а экранированные лучше использовать для установки в местах с особыми условиями эксплуатации, например, рядом с очень сильными источниками электромагнитных излучений, которых в офисах обычно нет.

Кабели классифицируются по категории, указанным в таблице 6.1. Основанием для отнесения кабеля к одной из категорий служит максимальная частота передаваемого по нему сигнала.

Категория	Частота передаваемого сигнала, (МГц)
5+

Коаксиальные кабели используются в радио и телевизионной аппаратуре. Коаксиальные кабелимогут передавать данные со скоростью 10 Мбит/с на максимальное расстояние от 185 до 500 метров. Они разделяются на толстые и тонкие в зависимости от толщины. Типы коаксиальных кабелей приведены в таблице 6.2.

Тип	Название, значение сопротивления
RG-8 и RG-11	Thicknet, 50 Ом
RG-58/U	Thinnet, 50 Ом, сплошной центральный медный проводник
RG-58 А/U	Thinnet, 50 Ом, центральный многожильный проводник
RG-59	Broadband/Cable television (широковещательное и кабельное телевидение), 75 Ом
RG-59 /U	Broadband/Cable television (широковещательное и кабельное телевидение), 50 Ом
RG-62	ARCNet, 93 Ом

Кабель Thinnet, известный как кабель RG-58, является наиболее широко используемым физическим носителем данных. Сети при этом не требуют дополнительного оборудования и являются простыми и недорогими. Хотя тонкий коаксиальный кабель (Thin Ethernet) позволяет передачу на меньшее расстояние, чем толстый, но для соединений с тонким кабелем применяются стандартные байонетные разъемы BNC типа СР-50 и ввиду его небольшой стоимости он становится фактически стандартным для офисных ЛВС. Используется в технологии Ethernet 10Base2, описанной ниже.

Толстый коаксиальный кабель(Thick Ethernet)имеет большую степень помехозащищенности, большую механическую прочность, но требует специального приспособления для прокалывания кабеля, чтобы создать ответвления для подключения к ЛВС. Он более дорогой и менее гибкий, чем тонкий. Используется в технологии Ethernet 10Base5, описанной ниже. Сети ARCNet с посылкой маркера обычно используют кабель RG-62 А/U.

Оптоволоконный кабель (Fiber Optic Cable) обеспечивает высокую скорость передачи данных на большом расстоянии. Они также невосприимчивы к интерференции и подслушиванию. В оптоволоконном кабеле для передачи сигналов используется свет. Волокно, применяемое в качестве световода, позволяет передачу сигналов на большие расстояния с огромной скоростью, но оно дорого, и с ним трудно работать.

Для установки разъемов, создания ответвлений, поиска неисправностей в оптоволоконном кабеленеобходимы специальные приспособления и высокая квалификация. Оптоволоконный кабель состоит из центральной стеклянной нити толщиной в несколько микрон, покрытой сплошной стеклянной оболочкой. Все это, в свою очередь, спрятано во внешнюю защитную оболочку.

Оптоволоконные линии очень чувствительны к плохим соединениям в разъемах. В качестве источника света в таких кабелях применяются светодиоды (LED — Light Emitting Diode), а информация кодируется путем изменения интенсивности света. На приемном конце кабеля детектор преобразует световые импульсы в электрические сигналы.

Существуют два типа оптоволоконных кабелей – одномодовые и многомодовые. Одномодовые кабели имеют меньший диаметр, большую стоимость и позволяют передачу информации на большие расстояния. Поскольку световые импульсы могут двигаться в одном направлении, системы на базе оптоволоконных кабелей должны иметь входящий кабель и исходящий кабель для каждого сегмента. Оптоволоконный кабель требует специальных коннекторов и высококвалифицированной установки.

Статьи к прочтению:

Как делают кабель

Похожие статьи:

Base-T, 100Base-TX Неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair – UTP) – это кабель из скрученных пар проводов. Характеристики кабеля: — диаметр…

Считается, что к данному этапу проектирования тип кабеля определен (сравнение различных вариантов приведено в разделах Выбор оборудования Лекция 15 и…

Источник