6 Коммуникационное оборудование

Коммуникационное оборудование (сommunication equipment) - оборудование, обеспечивающее обмен информацией между абонентами сети.

К активному коммуникационному оборудованию относятся устройства, потребляющие энергию: сетевые карты, модемы, трансиверы, мультиплексоры, повторители (репитеры), концентраторы (многопортовые повторители), мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы.

Трансивер (TRANsmitter + receiver, приемопередатчик) – устройство, обеспечивающее передачу информации между сетевым адаптером и кабелем сети или между двумя сегментами сети. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface).

Трансиверы усиливают сигнал, преобразуют его уровни или форму (например, электрическую в световую). Трансиверами также часто называют встроенные в сетевой адаптер приемопередатчики.

Мультиплексоры – устройства, выполняющие мультиплексирование (multiplexing), т.е. разделение одного выходного канала между по нескольким входным каналам.

Существует три метода мультиплексирования:

• Частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing, FDM),

• Синхронное временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM),

• Асинхронное временное мультиплексирование.

При частотном мультиплексировании полоса пропускания выходного канала разделяется между несколькими входными каналами с меньшей шириной. Каждый канал передает информацию в своей полосе частот и на своей несущей частоте.

Данный вид мультиплексирования используется в аналоговых каналах. Наглядным примером может послужить радиовещание, где в пределах одного канала (радиоэфира) размещено множество радиоканалов в разных частотных полосах.

При синхронном временном мультиплексировании каждому входному каналу выделяется фиксированный промежуток времени передачи по выходному каналу (тайм-слот). При этом используется вся полоса пропускания канала.

При асинхронном временном мультиплексировании каждому узлу выделяется часть пропускной способности канала. Если канал имеет пропускную способность M бит/с, из кадров узлов мультиплексор формирует один суперкадр, состоящий из N кадров, который отправляется по каналу со скоростью N*M бит/с. После приема суперкадра необходимо разделить суперкадр и отправить составляющие его кадры по нужным каналам.

Временное мультиплексирование используется в цифровых сетях.

В сети имеется также пассивное коммуникационное оборудование, которое не потребляет энергию: кабели, разъемы, розетки, патч-панели, коммутационные шкафы и стойки, пассивные концентраторы и т.д.

Кабели являются средой передачи данных. Для их соединения предназначены разъемы и розетки, для перекомутации - патч-панели.

Коммутационные шкафы и стойки служат для крепления активного и пассивного оборудования.

7 Передающие среды в сетях эвм

Передача данных в сетях ЭВМ может осуществляться по кабелю (ограниченная, или кабельная среда передачи) и с помощью электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве (неограниченная среда передачи).

Сети, использующие первый тип среды передачи, называются кабельными, или проводными, использующие второй тип – бескабельными, или беспроводными.

Ограниченной кабельная среда передачи называется, по причине того, что для каждого ее типа определено максимальное число абонентов в сети. При беспроводной передаче, к сети может подключаться неограниченное число абонентов.

В большинстве случаев предпочтительно использование кабельных сред. По сравнению с неограниченными средами, они обладают следующими преимуществами:

• более высокой надежностью,

• более высокой скоростью передачи,

• меньшей стоимостью кабелей и сопутствующего сетевого оборудования по сравнению с оборудованием для беспроводных сетей (если расстояния между абонентами сети не слишком значительные)

Использование беспроводных сетей может быть предпочтительнее в следующих случаях:

• прокладка кабеля технически затруднена (например, из-за водных преград),

• при значительных расстояниях между абонентами, когда стоимость кабеля и его прокладки высока, а большая скорость передачи не требуется,

• есть необходимость подключения к сети пользователей, часто меняющих местонахождение,

• имеются организационные проблемами (например, необходимо проложить траншею через оживленную магистраль в центре города, на что очень сложно получить согласие городских властей).

В сетях ЭВМ в настоящее время используются три типа кабелей:

• кабели на основе витых пар (или просто витая пара),

• коаксиальный кабель,

• волоконно-оптический кабель.

Витая пара (twisted pair)

Кабели на основе витых пар являются самим простым и широко распространенным видом сред передачи в сетях ЭВМ.

Витая пара представляет собой два перевитых изолированных медных провода.

Скручивание позволяет свести к минимуму индуктивные наводки проводов друг на друга и снизить влияние переходных процессов. Качество пары тем лучше, чем плотнее скрутка (количество витков на единицу длины).

Кабели на основе витых пар представляют собой одну или несколько витых пар, помещенных в единую диэлектрическую (пластиковую) оболочку (рис. 4.31).

Рис. 4.31 – Кабели на основе витых пар а) неэкранированных б) экранированных

Толщина провода в витой паре составляет 0,4 - 0,6 мм, толщина изоляции - около 0,2 мм. В наиболее распространенных 4-х парных кабелях в основном используются проводники диаметром 0,51 мм, а внешняя оболочка имеет толщину 0,5 - 0,9 мм.

В зависимости от наличия экранирования существуют два вида витых пар:

• неэкранированная витая пара (unshielded twisted pair – UTP) рис. 4.31 а,

• экранированная витая пара (shielded twisted pair – STP) рис. 4.31 б.

Неэкранированная витая пара не имеет индивидуального экрана.

Достоинствами неэкранированной витой пары являются невысокая стоимость и простота монтажа.

Недостатками неэкранированных витых пар является:

• слабая защищенность от внешних электрических помех,

• перекрестные наводки пар друг на друга,

• излучение кабеля (может стать причиной перехвата передаваемой информации).

Причем действие перечисленных факторов увеличивается с ростом длины кабеля. Для уменьшения их действия применяется экранирование кабелей.

При экранировании витая каждая витая пара и кабель помещается в экран в виде металлической сетки.

Достоинствами экранированной витой пары по сравнению с неэкранированной являются:

• Более высокая защищенность от помех,

• Меньшая степень влияния перекрестных наводок,

• Меньшее излучение кабеля.

Недостатками экранированной витой пары по сравнению с неэкранированной являются более высокая стоимость и сложность для монтажа (требуется заземление экрана).

Экранированные витые пары применяются значительно реже, чем неэкранированные.

В зависимости от диапазона частот передаваемых сигналов существует восемь категорий кабелей на основе витых пар (табл. 4.2). Данные категории описываются в стандарте EIA/TIA 568 (новая редакция EIA/TIA 568A) и в международном стандарте ISO 11801.

Таблица 4.2 – Категории кабелей на основе витых пар.

Категория	Полоса частот, МГц	Применение	Максимальная скорость передачи данных	Количество витых пар в кабеле
1	0.1	Стандартный телефонный кабель. Использовался для передачи голоса или данных при помощи модема по телефонным каналам. В настоящее время считается устаревшим (не включен в новую редакцию стандарта).	20 Кбит/с	1
2	1	Использовался в сетях Token Ring и ARCnet. В настоящее время считается устаревшим (не включен в новую редакцию стандарта).	4 Мбит/с	2
3	16	Ethernet (10Base-T), Fast Ethernet (100BASE-T4 при расстояниях не более 100 м) и Token Ring.	10 Мбит/с, 100 МБит/с (100BASE-T4)	4
4	20	Использовался в сетях Ethernet (10Base-T) и Token Ring. Сейчас не используется.	16 Мбит/с	4
5	100	Fast Ethernet (100Base-TX) и для телефонных линий, поддерживающих скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар.	100 Мбит/с	4
5e	125	Gigabite Ethernet (1000Base-TX). Самая распространенная категория.	100 Мбит/с (при использовании двух пар), 1000 Мбит/с (при использовании четырех пар)	4
6	250	Fast Ethernet (100Base-TX) и Gigabit Ethernet (1000Base-TX). Добавлен в стандарт в июне 2002 г.	1000 Мбит/с	4
6а	500	Ethernet. Добавлен в стандарт в феврале 2008 года	10 Гбит/с
7	600-700	Ethernet. Утвержден только международным стандартом ISO 11801	100 Гбит/с	4

Коаксиальный кабель (coaxial cable)

Коаксиальный кабель состоит из медной проводящей жилы, покрытой изоляцией, экранирующей металлической оплеткой и внешней диэлектрической оболочкой (рис.4.42).

Рисунок 4.42 - Конструкция коаксиального кабеля

По жиле передаются электрические сигналы. Кабель может быть одножильным и многожильным.

Экран защищает кабель от действия помех, перекрестных наводок и снижает излучение. При сильных помехах возможна дополнительная экранизация в виде слоя фольги. Может также использоваться два слоя фольги и две оплетки.

Коаксиальный кабель хорошо защищен от помех и перекрестных наводок, имеет меньшее излучение. При этом он сравнительно недорогой, легкий, гибкий и простой в установке.

Существует два вида коаксиального кабеля:

Тонкий коаксиальный кабель (thin coaxial cable),

Толстый коаксиальный кабель (thick coaxial cable).

Коаксиальный кабель использовался только в устаревших сетевых технологиях Ethernet 10Base5, 10Base2 и ARCnet. Кроме того. Он используется в кабельном телевидении и в качестве антенного кабеля.

Таблица 4.3 – Типы коаксиального кабеля и их примение

Тип	Применение
RG-6 (тонкий)	Кабельное телевидение
RG-8 (толстый)	10Base5
RG-11 (толстый)	Кабельное телевидение
RG-58 (тонкий)	10Base2
RG-59 (тонкий)	Кабельное телевидение, ARCnet

Стандарт EIA/TIA-568 описывает требования к коаксиальному кабелю, но в стандарт 568A он не вошел, как устаревший.

Оптоволоконный кабель (fiber optic cable)

Основой кабеля является оптическое волокно, состоящее из стеклянного цилиндра (жилы), окруженного оболочкой - слоем стекла, обладающего меньшим коэффициентом преломления, чем центральный проводник, и защитного диэлектрического покрытия (рис.4.44).

Рис. 4.44 – Структура оптоволокна

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов, а не электрических сигналов. Поэтому такой кабель не подвержен электрическим помехам, перекрестным наводкам, и не излучает. Оптоволоконный кабель позволяет передавать данные на высокой скорости (до 100 Мбит/с), т.к. работают с очень высокой частотой несущей. Передача может осуществляться на большие расстояние, т.к. у оптоволокна очень малый коэффициент затухания сигнала.

Недостатками оптоволоконных кабелей является высокая стоимость и сложность установки.

Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами (рис. 4.45).

Рис. 4.45 - Оптоволоконный кабель

В зависимости от показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

• одномодовое волокно (рис. 4.46 а),

• многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 4.46 б),

• многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 4.46 в).

В одномодовом волокне (single mode) диаметр световодной жилы сравним с длиной световой волны (5-15 мкм). Поэтому при прохождении светового луча по оптоволокну отражения от экрана не происходит. Следовательно в волокне может распространяться только один световой луч (одна мода).

В многомодовом волокне жила имеет диаметр 40-100 мкм, поэтому световой луч при прохождении по оптоволокну отражается от экрана, что делает возможным распространение большого числа световых лучей (мод).

Рис. 4.46 – Типы оптоволокна а) одномодовое б) многомодовое со ступенчатым изменением показателя преломления в) многомодовое с плавным изменением показателя преломления

Одномодовый кабель обладает большей полосой пропускания и длиной передачи по сравнению с многомодовым, но он достаточно дорог, что связано со сложностью технологии производства жил малого диаметра.

Многомодовый кабель дешевле и проще в изготовлении, чем одномодовый (центральные жилы имеют больший диаметр), но имеет более узкую полосу пропускания.

Выбор кабеля

Выбор кабельной системы осуществляется по следующим параметрам:

• Требования безопасности (помехозащищенность),

• Необходимая скорость передачи,

• Максимальное расстояние между узлами сети,

• Простота установки,

• Стоимость.

В табл. 4.4 приведена сравнительная характеристика кабелей для сетей Ethernet по перечисленным параметрам и даны рекомендации по их применению.

Таблица 4.4. - Сравнительные характеристики кабелей

Характеристики	Тонкий коаксиальный кабель (10Base-2)	Толстый коаксиальный кабель (10Base-5)	(10Base-T)	(10Base-F)
Помехо-защищенность	Хорошая	Хорошая	Плохая	Не подвержен действию помех
Скорость передачи	10 Мбит/с	10 Мбит/с	4-100 Мбит/с	100 Мбит/с и выше
Стоимость	Дороже витой пары	Дороже тонкого коаксиального кабеля	Самый дешевый	Самый дорогой
Максимальное расстояние между узлами	185	500	100	1 км (многомодовый) 2 км (одномодовый)
Простота установки	Прост в установке	Прост в установке	Очень прост в установке	Труден в установке
Гибкость	Довольно гибкий (более 3 диаметров)	Менее гибкий, чем тонкий коаксиальный кабель (более 5 диаметров)	Самый гибкий (менее 3 диаметров)	Не гибкий (более 10 диаметров)
Рекомендуемое применение	Средние и большие сети с высокими требованиями к защите данных	Средние и большие сети с высокими требованиями к защите данных	UTP – сети с ограниченным бюджетом, STP – Token Ring любого размера	Сети любого размера с высокими требованиями к скорости передачи

Беспроводная передача данных

В лекции 7 перечислены случаи использования неограниченных сред передачи для построения беспроводных сетей.

Существуют следующие способы передачи данных в беспроводных сетях:

• передача в инфракрасном диапазоне (infrared),

• лазерное излучение (laser),

• с помощью узкополосных радиосигналов, или одночастотная передача (narrow-band radio)

• с помощью радиосигналов с распределенным (рассеянным) спектром (spread-spectrum radio),

• спутниковая связь,

• сотовая связь.