Тема 2. Физический уровень

 

План

 

Теоретические основы передачи данных

      Информация  может передаваться по проводам за счет изменения какой-либо физической величины, например напряжения или силы тока. Представив значение напряжения или силы тока в виде однозначной функции времени , можно смоделировать поведение сигнала и подвергнуть его математическому анализу.

Ряды  Фурье

      В начале XIX столетия французский математик  Жан-Батист Фурье (JeanBaptiste Fourier) доказал, что любая периодическая функция  с периодом Т может быть разложена в ряд (возможно, бесконечный), состоящий из сумм синусов и косинусов:

  (2.1)

где - основная частота (гармоника), и - амплитуды синусов и косинусов n-й гармоники, а с - константа. Подобное разложение называется рядом Фурье. Разложенная в ряд Фурье функция может быть восстановлена по элементам этого ряда, то есть если период T и амплитуды гармоник известны, то исходная функция может быть восстановлена с помощью суммы ряда (2.1).

      Информационный  сигнал, имеющий конечную длительность (все информационные сигналы имеют конечную длительность), может быть разложен в ряд Фурье, если представить, что весь сигнал бесконечно повторяется снова и снова (то есть интервал от Т до 2Т полностью повторяет интервал от 0 до Т, и т. д.).

Амплитуды могут быть вычислены для любой заданной функции . Для этого нужно умножить левую и правую стороны уравнения (2.1) на , а затем проинтегрировать от 0 до Т. Поскольку:

  (2.2)

остается  только один член ряда . Ряд исчезает полностью. Аналогично, умножая уравнение (2.1) на и интегрируя по времени от 0 до Т, можно вычислить значения . Если проинтегрировать обе части уравнения, не изменяя его, то можно получить значение константы с. Результаты этих действий будут следующими:

  (2.3.)

Управляемые носители информации

      Назначением физического уровня сети является передача необработанного потока битов от одной машины к другой. Для передачи могут использоваться различные физические носители информации, называемые также средой распространения сигнала. Каждый из них имеет характерный набор полос пропускания, задержек, цен и простоты установки и использования. Носители можно разделить на две группы: управляемые носители, такие как медный провод и оптоволоконный кабель, и неуправляемые, например радиосвязь и передача по лазерному лучу без кабеля.

Магнитные носители

      Один  из самых простых способов перенести  данные с одного компьютера на другой - записать их на магнитную ленту или другой съемный носитель (например, перезаписываемый DVD), физически перенести эти ленты и диски к пункту назначения и там прочитать их.

      Высокая пропускная способность. Стандартная кассета с лентой Ultrium вмещает 200 Гбайт. В коробку размером 60x60x60 помещается около 1000 таких кассет, что дает общую емкость 1600 Тбит (1,6 Пбит). Коробка с кассетами может быть доставлена в пределах США в течение 24 часов службой Federal Express или другой компанией. Эффективная полоса пропускания при такой передаче составляет 1600 Тбит/86 400 с, или 19 Гбит/с. Если же пункт назначения находится всего в часе езды, то пропускная способность составит свыше 400 Гбит/с. Ни одна компьютерная сеть пока не в состоянии даже приблизиться к таким показателям.

      Экономичность. Оптовая цена кассеты составляет около $40. Коробка с лентами обойдется  в $4000, при этом одну и ту же ленту  можно использовать десятки раз. Прибавим $1000 на перевозку (а на самом  деле, гораздо меньше) и получим около $5000 за передачу 200 Тбайт или 3 цента за гигабайт.

      Недостатки. Хотя скорость передачи данных с помощью  магнитных лент отличная, однако величина задержки при такой передаче очень  велика. Время передачи измеряется минутами или часами, а не миллисекундами. Для многих приложений требуется мгновенная реакция удаленной системы (в подключенном режиме).

Витая пара

      Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, обычный диаметр которых составляет 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар.

      Применение  – телефонная линия, компьютерная сеть. Может передавать сигнал без ослабления мощности на расстояние, составляющее несколько километров. На более дальних расстояниях требуются повторители. Объединяются в кабель, с защитным покрытием. В кабеле пары проводов свиты, для избежание наложения сигнала. Могут использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых данных. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но в большинстве случаев на расстоянии до нескольких километров может быть достигнута скорость несколько мегабит в секунду. Благодаря довольно высокой пропускной способности и небольшой цене витые пары широко распространены и, скорее всего, будут популярны и в будущем.

      Витые пары применяются в нескольких вариантах, два из которых особенно важны в области компьютерных сетей. Витые пары категории 3 (CAT 3) состоят из двух изолированных проводов, свитых друг с другом. Четыре такие пары обычно помещаются вместе в пластиковую оболочку.

      Витые пары категории 5 (CAT 5) похожи на витые пары третьей категории, но имеют большее число витков на сантиметр длины проводов. Это позволяет еще сильнее уменьшить наводки между различными каналами и обеспечить улучшенное качество передачи сигнала на большие расстояния (рис. 1).

      

Рис. 1. UTP категории 3 (а), UTP категории 5 (б).

      Все эти типы соединений часто называются UTP (unshielded twisted pair - неэкранированная витая пара)

      Экранированные кабели из витых пар корпорации IBM не стали популярными за пределами фирмы IBM.

Коаксиальный  кабель

      Другим  распространенным средством передачи данных является коаксиальный кабель. Он лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Широко применяются два типа кабелей. Один из них, 50-омный, обычно используется для передачи исключительно цифровых данных. Другой тип кабеля, 75-омный, часто применяется для передачи аналоговой информации, а также в кабельном телевидении.

      Вид кабеля в разрезе показан на рисунке 2.

     

Рис. 2. Коаксиальные кабель.

      Конструкция и специальный тип экранирования  коаксиального кабеля обеспечивают высокую пропускную способность и отличную помехозащищенность. Максимальная пропускная способность зависит от качества, длины и соотношения сигнал/шум линии. Современные кабели имеют полосу пропускания около 1 ГГц.

      Применение  – телефонные системы (магистрали), кабельное телевиденье, региональные сети.

Волоконная  оптика

      Существующая  ныне оптоволоконная технология, может  развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и при  этом много специалистов занято поиском  более совершенных материалов. Сегодняшний практический предел в 10 Гбит/с обусловлен неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно, хотя в лабораторных условиях уже достигнута скорость 100 Гбит/с на одинарном волокне.

      Оптоволоконная  система передачи данных состоит из трех основных компонентов: источника света, носителя, по которому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала, или детектора. Световой импульс принимают за единицу, а отсутствие импульса - за ноль. Свет распространяется в сверхтонком стеклянном волокне. При попадании на него света детектор генерирует электрический импульс. Присоединив к одному концу оптического волокна источник света, а к другому - детектор, получается однонаправленная система передачи данных.

      При передачи светового сигнала используется свойство отражения и преломления света при переходе из 2-х сред. Таким образом при подаче света под определенным углом на границу сред световой пучок полностью отражается и запирается в волокне (рис. 3).

     

Рис. 3. Свойство преломления света.

      Существует 2 типа оптоволоконного кабеля: многомодный - передает пучок света, одномодный - тонкий до предела нескольких длин волны, действует практически как  волновод, свет двигается по прямой без отражения. Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 50 Гбит/с на расстоянии до 100 км.

      В системах связи используются три  диапазона длин волн: 0,85, 1,30 и 1,55 мкм  соответственно.

      Структура оптоволоконного кабеля схожа с  структурой коаксиального провода. Разница состоит лишь в том, что в первом нет экранирующей сетки.

      В центре оптоволоконной жилы располагается стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет. В многомодовом оптоволокне диаметр сердечника составляет 50 мкм, что примерно равно толщине человеческого волоса. Сердечник в одномодовом волокне имеет диаметр от 8 до 10 мкм. Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника. Внешним слоем служит пластиковая оболочка, защищающая остекление. Оптоволоконные жилы обычно группируются в пучки, защищенные внешней оболочкой. На рисунке 4 показан трехжильный кабель.

Рис. 4. Трехжильный оптоволоконный кабель.

      При обрыве соединение отрезков кабеля может осуществляться тремя способами:

1. На конец кабеля может прикрепляться специальный разъем, с помощью которого кабель вставляется в оптическую розетку. Потеря - 10-20 % силы света, зато позволяет легко изменить конфигурацию системы.
2. Сращивание - два аккуратно отрезанных конца кабеля укладываются рядом друг с другом и зажимаются специальной муфтой. Улучшение прохождения света достигается выравниванием концов кабеля. Потеря - 10 % мощности света.
3. Сплавление. Потеря практически отсутствуют.

      Для передачи сигнала по оптоволоконному  кабелю могут использоваться два  типа источника света: светоизлучающие  диоды (LED, Light Emitting Diode) и полупроводниковые  лазеры. Их сравнительная характеристика приведена в таблице 1. 

Таблица 1.

Сравнительная таблица использования светодиода и полупроводникового лазера

      Приемный  конец оптического кабеля представляет собой фотодиод, генерирующий электрический  импульс, когда на него падает свет.

Сравнительная характеристика оптоволоконного кабеля и медного провода.

      Оптическое  волокно обладает рядом преимуществ:

1. Высокая скорость.
2. Меньше ослабление сигнала, вывод меньше повторителей (один на 50км, а не на 5)
3. Инертен к внешним электромагнитным излучениям, химически нейтрально.
4. Легче по весу. 1000 медных витых пар длиной в 1 км весит около 8000 кг. Пара оптоволоконных кабелей весит всего 100 кг при большей пропускной способности
5. Низкие затраты на прокладку

      Недостатки:

1. Сложность и компетентность при монтаже.
2. Хрупкость
3. Дороже медного.
4. передачи в режиме simplex, между сетями требуется минимум 2 жилы.