Инфокоммуникационные системы и сети (ИКСС)

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.