Типи ліній зв'язку локальних мереж

Міністерство  освіти і науки України

Національний  університет

“Львівська  політехніка”

 

 

 

 

 

 

ЗВІТ ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ № 1

З ДИСЦИПЛІНИ “комп’ютерні мережі”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Львів 2012

Типи ліній зв'язку локальних мереж

Середовище  передачі інформації називаються ті лінії зв'язки (або канали зв'язку), по яких проводиться обмін інформацією між комп'ютерами. У переважній більшості комп'ютерних мереж (особливо локальних) використовуються дротяні або кабельні канали зв'язку, хоча існують і безпровідні мережі, які зараз знаходять все більш широке застосування, особливо в портативних комп'ютерах.

Інформація в локальних мережах  найчастіше передається в послідовному коді, тобто битий за бітом. Така передача повільніша і складніша, ніж  при використанні паралельної  коди. Проте треба враховувати те, що при швидшій паралельній передачі (по декількох кабелях одночасно) збільшується кількість сполучних кабелів в число разів, рівне кількості розрядів паралельної коди (наприклад, в 8 разів при 8-розрядному коді). Це зовсім не дрібні гроші, як може показатися на перший погляд. При значних відстанях між абонентами мережі вартість кабелю цілком порівнянна з вартістю комп'ютерів і навіть може перевершувати її. До того ж прокласти один кабель (рідше два різноспрямованих) набагато простіше, ніж 8, 16 або 32. Значно дешевше обійдеться також пошук пошкоджень і ремонт кабелю.

Але це ще не все. Передача на великі відстані при будь-якому типові кабелю вимагає  складної передавальної і приймальної  апаратури, оскільки при цьому необхідно  формувати потужний сигнал на передавальному кінці і детектувати слабкий сигнал на приймальному кінці. При послідовній передачі для цього потрібний всього один передавач і один приймач. При паралельній же кількість необхідних передавачів і приймачів зростає пропорційно розрядності використовуваної паралельної коди. У зв'язку з цим, навіть якщо розробляється мережа незначної довжини (порядка десяток метрів) найчастіше вибирають послідовну передачу.

До того ж при паралельній  передачі надзвичайно поважно, щоб  довжини окремих кабелів точно дорівнювали один одному. Інакше в результаті проходження по кабелях різної довжини між сигналами на приймальному кінці утворюється часове зрушення, яке може привести до збоїв в роботі або навіть до повної непрацездатності мережі. Наприклад, при швидкості передачі 100 Мбіт/с і тривалість бито 10 нс це часове зрушення не повинне перевищувати 5-10 нс. Таку величину зрушення дає різниця в довжинах кабелів в 1-2 метри. При довжині кабелю 1000 метрів це складає 0,1-0,2%.

Треба відзначити, що в деяких високошвидкісних локальних мережах все-таки використовують паралельну передачу по 2-4 кабелям, що дозволяє при заданій швидкості передачі застосовувати дешевші кабелі з меншою смугою пропускання. Але допустима довжина кабелів при цьому не перевищує сотні метрів. Прикладом може служити сегмент 100BASE-T4 мережі Fast Ethernet.

Промисловістю випускається величезна  кількість типів кабелів, наприклад, тільки одна найбільша кабельна компанія Belden пропонує більше 2000 їх найменувань. Але всі кабелі можна розділити на три великі групи:

· електричні (мідні) кабелі на основі витих пар дротів (twisted pair), які діляться на екранованих (shielded twisted pair, STP) і неекранованих (unshielded twisted pair, UTP);

· електричні (мідні) коаксіальні кабелі (coaxial cable);

· оптоволоконні кабелі (fibre optic).

Кожен тип кабелю має свої переваги і недоліки, так що при виборі треба враховувати як особливості  вирішуваного завдання, так і особливості  конкретної мережі, у тому числі  і використовувану топологію.

Можна виділити наступні основні параметри  кабелів, принципово важливі для  використання в локальних мережах:

· Смуга пропускання кабелю (частотний діапазон сигналів, що пропускаються кабелем) і загасання сигналу в кабелі. Два цих параметра тісно зв'язані між собою, оскільки із зростанням частоти сигналу росте загасання сигналу. Треба вибирати кабель, який на заданій частоті сигналу має прийнятне загасання. Або ж треба вибирати частоту сигналу, на якій загасання ще прийнятно. Загасання вимірюється в децибелах і пропорційно довжині кабелю.

· Перешкодозахисна кабелю і забезпечувана ним секретність передачі інформації. Ці два взаємозв'язані параметри показують, як кабель взаємодіє з навколишнім середовищем, тобто, як він реагує на зовнішні перешкоди, і наскільки просто прослухати інформацію, передавану по кабелю.

· Швидкість розповсюдження сигналу по кабелю або, зворотний параметр - затримка сигналу на метр довжини кабелю. Цей параметр має принципове значення при виборі довжини мережі. Типові величини швидкості розповсюдження сигналу - від 0,6 до 0,8 від швидкості розповсюдження світла у вакуумі. Відповідно типові величини затримок - від 4 до 5 нс/м.

· Для електричних кабелів дуже важлива величина хвилевого опору кабелю. Хвилевий опір поважно враховувати при узгодженні кабелю для запобігання віддзеркаленню сигналу від кінців кабелю. Хвилевий опір залежить від форми і взаєморозташування провідників, від технології виготовлення і матеріалу діелектрика кабелю. Типові значення хвилевого опору - від 50 до 150 Ом.

В даний час діють наступні стандарти на кабелі:

· EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) - американський;

· ISO/IEC IS 11801 (Generic cabling for customer premises) - міжнародний;

· CENELEC EN 50173 (Generic cabling systems) - європейський.

Ці стандарти описують практично  однакові кабельні системи, але відрізняються  термінологією і нормами на параметри. У даній роботі пропонується дотримуватися  термінології стандарту EIA/TIA 568.

Кабелі на основі витих  пар

Виті пари дротів використовуються в дешевих і сьогодні, мабуть, найпопулярніших кабелях. Кабель на основі витих пар є декількома парами скручених попарно ізольованих мідних дротів в єдиній діелектричній (пластиковою) оболонці. Він досить гнучкий і зручний для прокладки. Скручування дротів дозволяє звести до мінімуму індуктивні наведення кабелів один на одного і понизити вплив перехідних процесів.

Зазвичай в кабель входить дві (мал. 2.1) або чотири виті пари.

Мал. 2.1.  Кабель з витими парами

Неекрановані виті пари характеризуються слабкою захищеністю від зовнішніх електромагнітних перешкод, а також від підслуховування, яке може здійснюватися з метою, наприклад, промислового шпигунства. Причому перехоплення передаваної по мережі інформації можливе як за допомогою контактного методу (наприклад, за допомогою двох голок, увіткнених в кабель), так і за допомогою безконтактного методу, що зводиться до радіоперехоплення випромінюваних кабелем електромагнітних полів. Причому дія перешкод і величина випромінювання в зовні збільшується із зростанням довжини кабелю. Для усунення цих недоліків застосовується екранування кабелів.

В разі екранованої витої пари STP кожна з витих пар поміщається в металеве обплетення-екран для зменшення випромінювань кабелю, захисту від зовнішніх електромагнітних перешкод і зниження взаємного впливу пар дротів один на одного (crosstalk - перехресні наведення). Для того, щоб екран захищав від перешкод, він має бути обов'язково заземлений. Природно, екранована витаючи пара помітно дорожче, ніж неекранована. Її використання вимагає спеціальних екранованих роз'ємів. Тому зустрічається вона значно рідше, ніж неекранована витаючи пара.

Основні достоїнства неекранованих витих пар - простота монтажу роз'ємів на кінцях кабелю, а також ремонту будь-яких пошкоджень в порівнянні з іншими типами кабелю. Решта всіх характеристик у них гірша, ніж біля інших кабелів. Наприклад, при заданій швидкості передачі загасання сигналу (зменшення його рівня у міру проходження по кабелю) у них більше, ніж біля коаксіальних кабелів. Якщо врахувати ще низьку перешкодозахисну, то зрозуміло, чому лінії зв'язку на основі витих пар, як правило, досить короткі (зазвичай в межах 100 метрів). В даний час витаючи пара використовується для передачі інформації на швидкостях до 1000 Мбіт/с, хоча технічні проблеми, що виникають при таких швидкостях, украй складні.

Згідно стандарту EIA/TIA 568, існують  п'ять основних і дві додаткові  категорії кабелів на основі неекранованої витої пари (UTP):

• Кабель категорії 1 - це звичайний телефонний кабель (пари дротів не виті), по якому можна передавати тільки мову. Цього типа кабелю має великий розкид параметрів (хвилевого опору, смуги пропускання, перехресних наведень).
• Кабель категорії 2 - це кабель з витих пар для передачі даних в смузі частот до 1 Мгц. Кабель не тестується на рівень перехресних наведень. В даний час він використовується дуже рідко. Стандарт EIA/TIA 568 не розрізняє кабелі категорій 1 і 2.
• Кабель категорії 3 - це кабель для передачі даних в смузі частот до 16 Мгц, що складається з витих пар з дев'ятьма витками дротів на метр довжини. Кабель тестується на всі параметри і має хвилевий опір 100 Ом. Це найпростіший тип кабелів, рекомендований стандартом для локальних мереж. Ще недавно він був найпоширенішим, але зараз повсюдно витісняється кабелем категорії 5.
• Кабель категорії 4 - це кабель, передавальний дані в смузі частот до 20 Мгц.Використовується рідко, оскільки не дуже помітно відрізняється від категорії 3. Стандартом рекомендується замість кабелю категорії 3 переходити відразу на кабель категорії 5. Кабель категорії 4 тестується на всі параметри і має хвилевий опір 100 Ом. Кабель був створений для роботи в мережах за стандартом IEEE 802.5.
• Кабель категорії 5 - в даний час самий здійснений кабель, розрахований на передачу даних в смузі частот до 100 Мгц. Складається з витих пар, що мають не менше 27 витків на метр довжини (8 витків на фут). Кабель тестується на всі параметри і має хвилевий опір 100 Ом. Рекомендується застосовувати його в сучасних високошвидкісних мережах типа Fast Ethernet і TPFDDI. Кабель категорії 5 приблизно на 30-50% дорожче, ніж кабель категорії 3.
• Кабель категорії 6 - перспективний тип кабелю для передачі даних в смузі частот до 200 (або 250) Мгц.
• Кабель категорії 7 - перспективний тип кабелю для передачі даних в смузі частот до 600 Мгц.

Згідно стандарту EIA/TIA 568, повний хвилевий опір найбільш досконалих кабелів категорій 3, 4 і 5 повинно складати 100 Ом ±15% у  частотному діапазоні від 1 Мгц до максимальної частоти кабелю. Вимоги не дуже жорсткі: величина хвилевого опору може знаходитися в діапазоні від 85 до 115 Ом. Тут же слід зазначити, що хвилевий опір екранованої витої пари STP за стандартом має бути рівним 150 Ом ±15%. Для узгодження опорів кабелю і устаткування в разі їх неспівпадання застосовують трансформатори, що погоджують (Balun). Існує також екранована витаючи пара з хвилевим опором 100 Ом, але використовується вона досить рідко.

Другий найважливіший параметр, що задається стандартом, - це максимальне загасання сигналу, передаваного по кабелю, на різних частотах. У (таблиці 2.1) приведені граничні значення величини загасання в децибелах для кабелів категорій 3, 4 і 5 на відстань 1000 футів (тобто 305 метрів) при нормальній температурі навколишнього середовища 20°С.

З таблиці видно, що величини загасання на частотах, близьких до граничних, для всіх кабелів дуже значительны. Навіть на невеликих відстанях сигнал ослабляється в десятки і сотні разів, що пред'являє високі вимоги до приймачів сигналу.

Ще один специфічний параметр, визначуваний стандартом, це величина так званого  перехресного наведення на ближньому  кінці (NEXT - Near End CrossTalk).  Він характеризує вплив різних дротів в кабелі один на одного. Суть даного параметра ілюструється на(мал. 2.2.). Сигнал, передаваний по одній з витих пар кабелю (верхня пара), наводить індуктивну перешкоду на іншу (нижнюю) виту пару кабелю. Дві виті пари в мережі зазвичай передають інформацію в різні боки, тому найбільш важливе наведення на ближньому кінці сприймаючої пари (нижней на малюнку), оскільки саме там знаходиться приймач інформації. Перехресне наведення на далекому кінці (FEXT - Far End CrossTalk) не має такого великого значення.

Таблиця 2.1. Максимальне  загасання в кабелях
Частота, МГц	Максимальне загасання в кабелях, дБ
	Категорія 3	Категорія 4	Категорія 5
0,064	2,8	2,3	2,2
0,256	4,0	3,4	3,2
0,512	5,6	4,6	4,5
0,772	6,8	5,7	5,5
1,0	7,8	6,5	6,3
4,0	17	13	13
8,0	26	19	18
10,0	30	22	20
16,0	40	27	25
20,0	—	31	28
25,0	—	—	32
31,25	—	—	36
62,5	—	—	52
100	—	—	67