Конспект лекций по теме 1.2

Под топологией^[1] (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети понимается взаимное физическое расположение компьютеров сети и способ соединения их линиями связи. Это понятие относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. Топология определяет требования к оборудованию, тип среды передачи данных, возможные и наиболее рациональные методы управления обменом, надежность работы, возможности модернизации сети.

В настоящее время используют три базовые сетевые топологии:

Шина (bus) - все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам.

Звезда (star) - к одному центральному компьютеру присоединяются периферийные компьютеры, при этом каждый из них использует отдельную линию связи. Информация от периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального - нескольким периферийным.

Кольцо (ring) - компьютеры последовательно объединены в кольцо.

Передача информации в кольце производится в одном направлении, каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему за ним, а получает информацию от предыдущего.

На практике возможно использование и других топологий локальных вычислительных сетей, однако большинство сетей ориентировано именно на три базовые топологии.

Топология шина

Топология шина по своей структуре предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров и равноправие всех абонентов по доступу к сети. Компьютеры в шине передают информацию только по очереди, так как линия связи в данной топологии единственная. Если несколько компьютеров будут передавать информацию одновременно, она исказится в результате наложения (конфликта, коллизии). В шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях), но не одновременно.

В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через которого передается вся информация - это увеличивает ее надежность (при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину достаточно простая процедура, оно возможно даже во время работы сети. Как правило, при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.

При отсутствии центрального абонента разрешение возможных конфликтов ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина несколько сложнее, чем в других топологиях.

Одним из преимуществ шины является то, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать взаимодействие.

Для увеличения длины сети с топологией шина используют несколько сегментов (частей сети с шинной топологией), соединенных между собой с помощью специальных усилителей и восстановителей амплитуды сигналов - репитеров (повторителей).

Однако такое наращивание длины сети возможно только в определенных пределах. Ограничения на длину связаны с конечной скоростью распространения сигналов в среде передачи данных.

Топология звезда

Звезда - это единственная топология сети с явно выделенным центральным компьютером, к которому подключаются все остальные абоненты. Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который приходится вся сетевая нагрузка. Оборудование центрального абонента существенно более сложное, чем оборудование периферийных абонентов. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, так как управление осуществляется центральным абонентом^[2].

Если говорить об устойчивости топология звезда к отказам абонентов, то выход из строя периферийного компьютера или его сетевого оборудования не приводит к ухудшению функционирования оставшейся части сети, но поломка центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим принимаются специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевого оборудования. Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут продолжать сетевое взаимодействие.

В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. В звезде допустимо подключение вместо периферийного еще одного центрального абонента (топология из нескольких соединенных между собой звезд).

Большое достоинство звезды состоит в том, что все точки подключения находятся в одном месте. Благодаря этому можно контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно в случае шинной топологии), а также организовать контроль доступа посторонних лиц к важным для сети точкам подключения.

Одним из основных недостатков топологии звезда является жесткое ограничение количества абонентов. Как правило, центральный абонент не может обслуживать более 8 - 16 периферийных абонентов. Кроме того, общим недостатком для всех топологий типа звезда является значительно больший, чем при других топологиях, расход кабеля, что при современных ценах на него не является существенным.

Топология кольцо

Кольцо - это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя соседними: от одного он получает информацию, а другому передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работают только два абонента: один передатчик и один приемник (связь типа точка-точка). При этом каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает, усиливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера. В этом случае затухание сигнала во всем кольце не имеет большого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Размеры кольцевых сетей на практике достигают десятков километров (сети FDDI), кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие сетевые топологии.

Явно выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом и контролирует его. На этой особенности топологии строятся методы управления обменом по сети, рассчитанные специально на кольцо. В таких методах право на следующую передачу переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру с использованием эстафеты - специального «маркера». Подключение новых абонентов в топологии кольцо выполняется относительно просто, хотя при этом необходима остановка работы всей сети на время подключения. Количество абонентов в кольце может быть достаточно большим (до тысячи и больше). Эта топология обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает надежную работу с большими объемами передаваемой по сети информации, так как в ней отсутствуют коллизии (в отличие от шины), а также нет центрального абонента (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками данных.

Сигнал в кольце проходит последовательно через все абоненты сети, поэтому выход из строя любого из них (или его сетевого оборудования) нарушает работу всей сети - это является существенным недостатком кольца. Короткое замыкание или обрыв в любом из кабелей кольца так же делает неработоспособной сеть с данной топологией.

Средой передачи информации называются линии (каналы) связи, по которым производится информационный обмен между компьютерами. В большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя сейчас применяются и беспроводные сети находят все более широкое применение^[1].

Информация в локальных сетях, как правило, передается с помощью последовательного кода, то есть бит за битом. Такой способ передачи медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода. Однако при более быстрой параллельной передаче (по нескольким кабелям одновременно) значительно увеличивается количество соединительных кабелей (в 8 раз при 8-разрядном коде). При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость соединительного кабеля сравнима или превосходит стоимость остальных компонентов сети. Кроме того, передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной и дорогой аппаратуры приемника и передатчика, так как при этом необходимо генерировать мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал со стороны приемника. В случае последовательной передачи для этого требуется только один передатчик и приемник, при параллельной количество требуемых передатчиков и приемников увеличивается. Кроме того, при параллельной передаче очень важно, чтобы длины отдельных кабелей были одинаковы. Иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временное смещение, которое может привести к сбоям в работе сети или к ее полной неработоспособности.

Кабели делятся на три вида:

-электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);

-электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);

-оптоволоконные кабели (fiber optic).

Каждый тип кабеля имеет свои достоинства и недостатки, поэтому при выборе необходимо учитывать особенности решаемой задачи и отличии конкретной сети, в том числе и используемую топологию.

Принципиально важные параметры кабелей:

1. Полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле. Эти параметры тесно связаны между собой, так как с увеличением частоты сигнала растет его затухание.

2. Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти две взаимосвязанные характеристики показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой - как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать передаваемую информацию.

3. Скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр – задержка сигнала на единицу длины кабеля. Этот параметр имеет существенное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала – 0,6 - 0,8 от скорости распространения света в вакууме, типичные величины задержек – 4 - 5 нс/м.

4. Величина волнового сопротивления кабеля (импеданс). Сопротивление учитывают при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от его концов. Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичные значения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом.

В настоящее время используются следующие стандарты на кабели:

-EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) – американский;

-ISO/IEC IS 11801 (Generic cabling for customer premises) – международный;

-CENELEC EN 50173 (Generic cabling systems) – европейский.

Эти стандарты описывают практически идентичные кабельные системы, которые отличаются терминологией и нормами на основные регламентируемые параметры.

Кабели на основе витых пар

Витые пары проводов используются в относительно недорогих и самых популярных кабелях. Они состоят из нескольких пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке.

Такие кабели отличаются высокой гибкостью и удобством при прокладке и монтаже. Скручивание проводов позволяет уменьшить индуктивные наводки проводов в кабеле друг на друга и снизить влияние переходных процессов. В кабели разных категорий входят две или четыре витые пары (4 или 8 проводников).

Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех и от подслушивания. Для улучшения этих характеристик применяется экранирование кабелей.

В случае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлический экран-оплетку для уменьшения собственных излучений кабеля, его защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга. Чтобы экран защищал от помех его необходимо заземлять. Экранированная витая пара существенно дороже, чем ее неэкранированный аналог.

Основным достоинством неэкранированных витых пар являются – простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 1000 Мбит/с. В соответствии со стандартом EIA/TIA 568, существуют пять основных и две дополнительные категории кабелей неэкранированных витых пар (UTP):

-кабель категории 1 - это телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речевые данные;

-кабель категории 2 - это кабель из витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц (в настоящее время он используется достаточно редко, а стандарт EIA/TIA 568 не различает кабели категорий 1 и 2);

-кабель категории 3 – это кабель для передачи данных в полосе частот до 16 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины, имеет волновое сопротивление 100 Ом (самый простой и недорогой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей, недавно он был самым распространенным, но сегодня вытесняется кабелем 5 категории);

-кабель категории 4 - это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц (используется редко, т.к. практически не отличается по своим характеристикам от категории 3);

-кабель категории 5 в на текущий момент самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц (состоит из витых пар которые имеют 27 витков на метр длины (8 витков на фут). Волновое сопротивление кабеля - 100 Ом. Кабель категории 5 ориентировочно на 30 -50% дороже, чем кабель категории 3;

-кабель категории 6 перспективный тип витой пары для передачи данных в полосе частот до 250 МГц;

-кабель категории 7 перспективный тип витой пары для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.

Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек:

-Кабель в поливинилхлоридной (ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы в относительно мягких условиях эксплуатации.

-Кабель в тефлоновой оболочке дороже, предназначен для менее комфортных условий эксплуатации.

Кабель в ПВХ оболочке называется non-plenum, в тефлоновой оболочке – plenum. Еще один важный параметр любого кабеля – это скорость распространения сигнала в кабеле или задержка распространения сигнала в кабеле в пересчете на единицу его длины. Типичная величина задержки большинства используемых кабелей составляет около 4 -5 нс/м. Каждый из проводов, входящих в кабель на основе витых пар имеет свой цвет изоляции, что значительно упрощает монтаж разъемов.

Коаксиальные кабели

Коаксиальный кабель - это электрический кабель, который состоит из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана из фольги), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.

Этот тип кабеля до недавнего времени был очень распространен, что связано с его высокой помехозащищенностью (за счет металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, частотными полосами пропускания (свыше 1ГГц), и значительными допустимыми расстояниями передачи (до километра). К нему сложнее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также значительно меньше электромагнитных излучений. Однако ему свойственны следующие недостатки: монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а его стоимость значительно выше (дороже в 1,5 – 3 раза). Сейчас его применяют гораздо реже, чем витую пару.

Чаще всего коаксиальный кабель используется в сетях с топологией типа шина. В этом случае на концах кабеля обязательно должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, один из которых необходимо заземлить.

Волновое сопротивление кабеля указывается в сопроводительной документации. Чаще всего в локальных сетях применяются 50-омные (RG-58, RG-11, RG-8) и 93-омные кабели (RG-62). Марок коаксиального кабеля немного, он считается морально устаревшим и не перспективным. Существует два основных типа коаксиального кабеля:

-тонкий (thin) кабель, более гибкий, имеющий диаметр около 5 мм;

-толстый (thick) кабель, значительно более жесткий диаметром 10 мм.

Современные стандарты на кабельные системы не включают коаксиальный кабель в перечень используемых типов кабелей.

Оптоволоконные кабели

Волоконно-оптический (оптоволоконный) кабель - это кабель с принципиально новым принципом передачи данных. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на очень большие расстояния (до десятков километров) практически без ослабления. Внутренняя структура оптоволоконного кабеля практически идентична структуре коаксиального электрического кабеля.

Вместо центрального медного провода используется тонкое (диаметром 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка с иным коэффициентом преломления, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. Речь идет о режиме полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у центрального и волокна, и стеклянной оболочки эти коэффициенты различны). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех в случае применения такого кабеля не требуется, но иногда ее применяют для механической защиты от окружающей среды.

Оптоволоконный кабель обладает очень хорошими характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемых данных. Никакие внешние электромагнитные помехи не способны в принципе исказить световой сигнал, а сам сигнал не создает электромагнитного излучения. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети достаточно сложно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания волоконно-оптического кабеля достигает величины 1000 ГГц, что гораздо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля, первоначально довольно значительная, постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах, на больших частотах (свыше 200 МГц) их преимущества существенны.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Основной - относительно высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима высокая точность, от точности скола стекловолокна и качества его полировки зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего аналогичный коэффициент преломления света, что и стекловолокно кабеля. Для этого нужны специальные инструменты и высокая квалификация персонала. Использование оптоволоконного кабеля требует применения специальных оптических передатчиков и приемников, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что существенно увеличивает стоимость сети.

Оптоволоконный кабель менее гибок и прочен по сравнению с электрическим. Стандартная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 5 – 10 см, при меньших радиусах изгиба в центральном волокне могут появиться трещины, плохо переносит такой кабель и механическое растяжение. Оптоволоконный кабель чувствителен к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, что приводит к увеличению затухания сигнала. Перепады температуры сказываются также отрицательно, стекловолокно может треснуть.

Используют оптоволоконный кабель в сетях с топологией кольцо и звезда. Проблем с заземлением и согласованием при его использовании не существует, кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку сетевых компьютеров. В перспективе этот тип кабеля, вероятно, заменит все виды электрических кабелей.

Используют два различных типа волоконно-оптического кабеля:

-многомодовый (мультимодовый) кабель, более дешевый, но менее качественный;

-одномодовый кабель, с более высокой стоимостью, но имеющий лучшие характеристики в сравнении с предыдущим.

Различия между этими двумя типами в разных режимах прохождения световых лучей в кабеле при передаче данных. В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, форма сигнала почти не искажается, и результате они достигают приемника одновременно. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет с длиной волны 1,3 мкм. Потери сигнала и дисперсия при этом не велики, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем при использовании многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяют лазерные приемопередатчики, которые используют свет с необходимой длиной волны. Кроме того, лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет 0,5-5 дБ/км. В перспективе одномодовый кабель, вероятно, станет основным типом из-за своих высоких характеристик.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют существенный разброс, в следствии чего форма сигнала при приеме значительно искажается. Центральное волокно кабеля имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней его оболочки 125 мкм. Для передачи данных используется светодиод, что увеличивает срок службы приемопередатчиков и снижает их стоимость. Длина волны света в многомодовом кабеле 0,85 мкм, при этом существует разброс их длин около 30 - 50 нм. Допустимая длина такого типа кабеля составляет около 5 км. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 – 20 дБ/км. Многомодовый кабель - это основной тип волоконно-оптического кабеля в настоящее время, так как он значительно дешевле и доступнее.

Средняя величина задержки сигнала для наиболее распространенных кабелей составляет около 4 -5 нс/м, что примерно соответствует величине задержки в электрических кабелях. Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в разных видах оболочек - plenum и non-plenum.

Бескабельные каналы связи

Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях используются также бескабельные (беспроводные) их аналоги. Их главное преимущество состоит в том, что они позволяют реализовать мобильный вариант взаимодействия абонентов. Кроме того, не требуется прокладка проводов и компьютеры сети можно легко перемещать в пределах здания или комнаты. Для реализации беспроводных сетей используют радио и инфракрасные каналы. 

Радиоканал использует передачу информации с помощью радиоволн, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие тысячи и более километров. Скорость передачи достигает сотен мегабит в секунду (зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).

В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.

Недостатками радиоканала являются его плохая защита от прослушивания и очень низкая помехозащищенность. Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, из-за чего возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и др.). Существуют и некоторые сложности с лицензированием радиочастотного диапазона для таких сетей.

Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Используются частотные диапазоны – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 300 Мбит/с.

Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (в квартире, внутри офисного или университетского здания, на производстве или в общественных местах). Они могут использоваться во временных офисах или в других местах, где прокладка кабелей затруднена или неосуществима совсем, а также в качестве дополнения к существующей проводной локальной сети для обеспечения пользователям мобильного варианта работы.

Популярная технология беспроводных сетей Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между несколькими (2 – 16) компьютерами с помощью концентратора (называемого точкой доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, данная технология позволяет связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров при помощи мощных беспроводных мостов.

Радиоканал используется в глобальных сетях, как для наземной, так и для спутниковой связи. В этом применении у него отсутствуют конкуренты, так как радиоволны теоретически не имеют пределов распространения.

Использование инфракрасного канала также предполагает отсутствие соединительных проводов, так как использует для взаимодействия инфракрасное излучение (как у пульта дистанционного управления телевизором). Основным его преимуществом по сравнению с радиоканалом является нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. В этом случае используют высокую мощность передачи для исключения взаимного влияния других источников теплового (инфракрасного) излучения. Применяют такие сети и в областях, где наличие электромагнитных полей является недопустимым (медицина, научные исследования). Скорости передачи данных по инфракрасному каналу не велики, обычно не превышают 5 -10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае применения радиоканала, не достигается, также требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Недостаточно надежно функционирует инфракрасная связь в условиях высокой запыленности воздуха.

Перечисленные особенности приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях достаточно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферийным оборудованием (интерфейс IrDA). Инфракрасные каналы делятся на две группы:

- Каналы прямой видимости, где связь осуществляется с использованием лучей, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. В этом случае связь возможна только при отсутствии непрозрачных препятствий между компьютерами сети. Протяженность такого канала прямой видимости достигает нескольких километров.

- Каналы на рассеянном излучении. Они работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Связь может осуществляться на гораздо меньших расстояниях, только в пределах одного помещения.

 

Подключение линий связи

Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи

Электрические линии связи (коаксиальные кабели, витые пары) требуют проведения специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача информации, но и функционирование сети.

Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без искажений и отражений. Принцип согласования кабеля состоит в следующем: на его концах устанавливают согласующие резисторы (терминаторы) сопротивление которых равно волновому сопротивлению используемого кабеля. Волновое сопротивление - это характеристика данного типа кабеля, которая зависит только от его внутреннего строения (сечения, количества проводников, толщины и материала изоляции и т.д.). Его величина указывается в сопроводительной документации на кабель и составляет обычно от 50-100 Ом для коаксиального кабеля, 100-150 Ом для витой пары. Сетевые адаптеры компьютеров специально рассчитываются на работу с конкретным типом кабеля.

Экранирование электрических линий связи используют для уменьшения влияния на кабель внешних электромагнитных полей. Такой экран представляет собой алюминиевую или медную оболочку (плетеную из отдельных проводников или из фольги), в которую заключаются провода кабеля. Для того, чтобы экран работал его необходимо заземлить. Кроме того, экранирование существенно уменьшает внешние излучения кабеля, что важно для обеспечения секретности передаваемых данных. Побочными положительными эффектами от экранирования являются увеличение механической прочности кабеля и трудности с подсоединением к кабелю для подслушивания передаваемой информации. Экран заметно повышает не только механическую прочность кабеля, но также и его стоимость.

Гальваническая развязка компьютеров от сети при использовании электрического кабеля совершенно необходима. Это связано с тем, что по электрическим кабелям (по сигнальным проводам и по экрану) идут не только информационные сигналы, но и так называемый выравнивающий ток, который возникает вследствие не идеальности заземления компьютеров. Если компьютер не заземлен, на его корпусе может образоваться наведенный потенциал около 110 вольт переменного тока.

Соединение компьютеров ЛВС электрическим кабелем обязательно должно включать:

- согласование кабеля с использованием терминаторов;

- гальваническую развязку компьютеров от сети;

- заземление всех компьютеров;

- заземление экрана кабеля (при наличии) в одной точке.

Информация в кабельных сетях передается в закодированном виде - каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических или световых сигналов в сетевом кабеле^[1].

Код NRZ

Код NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) - это простейший код который представляет собой цифровой сигнал (рис. 8). Логической единице соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логическому нулю - низкий уровень напряжения (или наоборот). В течение битового интервала (bit time, BT), то есть за время передачи одного бита не происходит никаких изменений уровня сигнала в кабеле.

К достоинствам этого кода относятся его относительно простая реализация (исходный сигнал не надо ни кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также максимальная среди других кодов пропускная способность среды передачи информации, требуемая при данной скорости передачи.

Недостатком кода NRZ является возможность потери синхронизации приемником во время приема слишком длинных блоков информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только внутренним тактовым генератором (внутренними часами). Если передается продолжительная последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только используя внутренние часы. Временной сдвиг к концу приема большого пакета может превысить длительность одного или нескольких бит. В результате произойдет потеря переданной информации. Поэтому код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (1 Кб).

Три других кода (RZ, бифазный код, манчестерский код) принципиально отличаются от NRZ тем, что сигнал имеет дополнительные переходы (фронты) в пределах одного битового интервала. Это сделано для того, чтобы приемник мог подстраивать свои внутренние часы под принимаемый сигнал на каждом битовом интервале. Такой приемник может с высокой степенью надежности надежно принимать последовательности любой длины. Такие коды называются самосинхронизирующимися.

Код RZ

Код RZ (Return to Zero - с возвратом к нулю) - этот трехуровневый код получивший такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к «нулевому», среднему уровню.

Переход к этому уровню происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю соответствует положительный импульс, логической единице - отрицательный (или наоборот) в первой половине каждого битового интервала. В середине каждого битового интервала есть переход сигнала (положительный или отрицательный), из которого приемник может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к любому отдельному биту. Это гарантирует отсутствие потери синхронизации при любой длине пакета.

Недостаток данного кода заключается в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Кроме того, наличие трех уровней усложняет оборудование, повышает стоимость приемника и передатчика.

Код RZ применяется как в сетях на основе электрического кабеля, так и в оптоволоконных сетях. В этом случае используется три уровня: «сильный» свет, «средний» свет, и его отсутствие. Это удобно для диагностики: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет определить целостность волоконно-оптической линии связи.

Манчестерский код

Манчестерский код (или код Манчестер-II) чаще всего используется в локальных сетях. Он относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет меньшее количество уровней (два), что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению аппаратуры приемника и передатчика. Логическому нулю соответствует положительный переход в середине битового интервала (первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логическая единица представляется отрицательным переходом в середине битового интервала (или наоборот).

Как и в коде RZ, наличие перехода в середине бита позволяет приемнику манчестерского кода выделять из пришедшего набора пакетов синхросигнал, что позволяет передавать информацию сколь угодно большими последовательностями. Как и в случае применения кода RZ приемник легко может определить начало передаваемой последовательности бит и ее конец, вне зависимости от ее длинны.

Манчестерский код используется не только в электрических, но и в волоконно-оптических линиях связи (один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).

Бифазный код

Бифазный код считают разновидностью манчестерского, так как их характеристики аналогичны. Данный код отличается от классического манчестерского кода способом монтажа проводов кабеля в сети.

Модуляция сигналов

В некоторых случаях в сетях используется и другой способ кодирования - модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового синусоидального сигнала. Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу увеличить пропускную способность канала связи (доступна передача несколько бит одновременно). К самым простым видам аналогового кодирования относятся:

- амплитудная модуляция (АМ, AM – Amplitude Modulation), при которой логической единице соответствует наличие сигнала (сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала при этом не изменяется. Недостаток амплитудной модуляции - подверженность действию помех и шумов и повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинства – простота аппаратурной реализации и узкий частотный диапазон.

- частотная модуляция (ЧМ, FM - Frequency Modulation), при которой логическому нулю соответствует сигнал более низкой частоты, а логической единице сигнал более высокой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при частотной модуляции остается постоянной.

- фазовая модуляция (ФМ, PM – Phase Modulation) Смене логического нуля на логическую единицу и наоборот соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала неизменной частоты и амплитуды.

Применяются и значительно более сложные методы кодирования и модуляции, которые являются комбинацией перечисленных методов.