Министерство образования Российской Федерации

Управление высшим профессиональным образованием

Тверской государственный технический университет

Кафедра электронных вычислительных машин

Курсовой проект по информатике

«Компьютерная сеть предприятия»

Выполнил: Симашов В.В.

Группа: ВМКСС-126

Принял: проф. Григорьев В.А.

Тверь 2006

Оглавление

1.Оглавление…………………………………………………………………………2

2.Многослойное представление корпоративной сети……………………………..4

3.Стратегические проблемы построения транспортной системы корпоративной сети……………………………………………………………………………………5

4..Кабельная инфраструктура……………………………………………………….6

4.1.Структурированная кабельная система…………………………………….7

4.2.Преимущества СКС………………………………………………………….8

4.3.Основные характеристики кабельной системы…………………………..10

4.4.СКС в России……………………………………………………………….11

4.5.Стандарты кабельных систем………………………………………………13

5.Волоконно-оптические кабели…………………………………………………..15

5.1.Категории оптических волокон…………………………………………….15

5.2.Принцип передачи данных…………………………………………………16

5.3.Усиление сигнала…………………………………………………………...17

5.4.Демультиплексирование……………………………………………………20

5.5.Коннекторы………………………………………………………………….20

5.6.Скорости передачи данных………………………………………………...21

5.7.Маркировка согласно DIN VDE 0888……………………………………..21

5.8.Пластиковое оптическое волокно…………………………………………23

5.9.Оболочка кабеля……………………………………………………………24

5.10.Защита от грызунов……………………………………………………….27

5.11.Усиливающие элементы………………………………………………….28

5.12.Механические характеристики кабеля…………………………………..29

5.13.Графическое обозначение характеристик кабеля……………………….31

6.Выбор технологии магистрали

6.1.АТМ(Асинхронный режим передачи)…………………………………….32

6.2.FDDI(Fiber Distributed Data Interface)……………………………………..36

6.3.Synchronous Optical Network……………………………………………….40

6.4.Token Ring…………………………………………………………………..41

6.5. GigabitEthernet……………………………………………………………..43

6.6.RPR(Resilient Packet Ring)…………………………………………………44

7.Соглосование протоколов канального уровня мостами и коммутаторами…..51

7.1.Инкапсулирующие мосты и коммутаторы………………………………..51

7.2.Транслирующие мосты и коммутаторы…………………………………...52

8.Сегментация сети…………………………………………………………………53

9.Виртуальные локальные сети……………………………………………………55

9.1.Виртуальные сети на коммутаторах……………………………………….56

9.2.Совместимость виртуальных сетей от разных производителей…………57

9.3.Коммутаторы 3-го уровня…………………………………………………..59

10.Компьтерная сеть предприятия………………………………………………...61

11.Список литературы……………………………………………………………..64

Многослойное представление корпоративной сети

Корпоративную сеть полезно рассматривать как сложную систему, состоящую из нескольких взаимодействующих слоев. В основании пирамиды, представляющей корпоративную сеть, лежит слой компьютеров- центров хранения и обработки информации, и транспортная подсистема, обеспечивающая надежную передачу информационных пакетов между компьютерами.

Над транспортной системой работает слой сетевых операционных систем, который организует работу приложений в компьютерах и предоставляет через транспортную систему ресурсы своего компьютера в общее пользование.

Над операционной системой работают различные приложения, но из-за особой роли систем управления базами данных, хранящих в упорядоченном виде основную корпоративную информацию и производящих над ней базовые операции поиска, этот класс системных приложений обычно выделяют в отдельный слой корпоративной сети.

На следующем уровне работают системные сервисы, которые, пользуясь СУБД, как инструментом для поиска нужной информации среди миллионов и миллиардов байт, хранимых на дисках, предоставляют конечным пользователям эту информацию в удобной для принятия решения форме, а также выполняют некоторые общие для предприятий всех типов процедуры обработки информации. К этим сервисам относится служба World Wide Web, система электронной почты, системы коллективной работы и многие другие.

И, наконец, верхний уровень корпоративной сети представляют специальные программные системы, которые выполняют задачи, специфические для данного предприятия или предприятий данного типа. Примерами таких систем могут служить системы автоматизации банка, организации бухгалтерского учета, автоматизированного проектирования, управления технологическими процессами и т.п.

Конечная цель корпоративной сети воплощена в прикладных программах верхнего уровня, но для их успешной работы абсолютно необходимо, чтобы подсистемы других слоев четко выполняли свои функции.

В данном проекте подробно рассматривается только транспортная система.

Стратегические проблемы построения транспортной системы корпоративной сети

Из-за того, что транспортная система создает основу для взаимосвязанной работы отдельных компьютеров, ее часто отождествляют с самим понятием "корпоративная сеть", считая все остальные слои и компоненты сети просто надстройкой. В свою очередь, транспортная система корпоративной сети состоит из ряда подсистем и элементов. Наиболее крупными составляющими транспортной системы являются такие подсистемы как локальные и глобальные сети корпорации, опять же понимаемые как чисто транспортные средства. В свою очередь каждая локальная и глобальная сеть состоит из периферийных подсетей и магистрали, которая эти подсети связывает воедино. Каждая подсеть также может иметь иерархическую структуру, образованную своими маршрутизаторами, коммутаторами, концентраторами и сетевыми адаптерами, Все эти коммуникационные устройства связаны разветвленной кабельной системой.

При создании и модернизации транспортной системы в стратегические вопросы ее планирования включают в первую очередь следующие.

• Создание кабельной инфраструктуры с масштабируемой производительностью для сложных локальных сетей.

• Выбор технологии магистрали для крупных локальных сетей предприятия. Технология определяется используемыми протоколами нижнего уровня, такими как Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet и т.п. и существенно влияет на типы используемого в сети коммуникационного оборудования. Магистраль, как правило, является одной из наиболее дорогостоящих частей любой сети. Кроме того, так как через нее проходит значительная часть трафика сети, то ее свойства сказываются практически на всех сервисах корпоративной сети, которыми пользуются конечные пользователи.

• Выбор технологии, структуры связей и коммуникационного оборудования для подсетей, входящих в крупную локальную сеть. Для каждой подсети этот вопрос может решаться автономно с учетом требований и традиций каждого подразделения предприятия. Однако, всегда нужно учитывать последствия, которые связаны с выбором разных технологий в разных подсетях – сложность объединения подсетей на магистрали не должна быть чрезмерной.

• Выбор способа объединения подсетей на магистрали, например, с помощью маршрутизации, с помощью шлюзов или же с помощью транслирующих коммутаторов. При использовании во всех подсетях одной и той же технологии (случай довольно редкий для большой сети) потребность в трансляции протоколов может отпасть и тогда магистраль будет отличаться от подсетей только скоростью и надежностью.

• Выбор коммуникационного оборудования, образующего магистраль. После выбора способа объединения подсетей можно выбрать конкретные типы и модели коммуникационного оборудования, которое воплотит выбранный способ в жизнь.

Кабельная инфраструктура

Являясь фундаментом сети, кабельная система в конечном счете определяет предельно возможную пропускную способность, предоставляемую в распоряжение приложений. Не менее важной характеристикой сети является отказоустойчивость. Согласно зарубежным исследованиям (журнал LANTechnologies), 70% времени простоев обусловлено проблемами, возникшими вследствие низкого качества применяемых кабельных систем. Правильное проектирование кабельной системы является необходимым условием не только для достижения необходимой производительности и надежности сети, но и для обеспечения ее гибкости, способности к развитию. На самых первых этапах внедрения какого-либо новшества в сети руководитель проекта должен убедиться, допускает ли кабельная система подобные изменения.Вот почему так важно правильно построить фундамент сети - кабельную систему.

Структурированная кабельная система

Задача создания эффективной кабельной системы все чаще решается путем использования структурированной кабельной системы. Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях. Если внутри здания или в пределах комплекса зданий установлена структурированная кабельная система(далее СКС), то путем перекоммутации кабелей в специальных кроссовых секциях и шкафах можно гибко и без больших дополнительных затрат приспосабливаться в течение 5 - 10 лет к изменяющейся структуре сети и появляющимся новым протоколам.

Кабельная система такого типа должна обладать некоторой долей избыточности. Так, в каждой комнате здания должно быть разведено достаточное количество оконечных розеток, к которым подключаются сетевые адаптеры компьютеров, даже если в настоящее время в таком количестве розеток и нет необходимости. Эти ненужные розетки могут никуда не подключаться, но быть подведенными к ближайшему кроссовому шкафу, чтобы подключиться к новому концентратору, когда это станет необходимо. Начальная избыточность СКС окупится достаточно быстро, так как стоимость наращивания кабелей и розеток в действующей кабельной системе всегда выше, чем их установка в период установки всей кабельной системы. К избыточности приводит также желание получить ясную структуру кабельной системы, так как здесь иногда приходится жертвовать элегантным, но отклоняющимся от общей схемы решением, в пользу избыточного, но единообразного решения.

Преимущества СКС

• Универсальность. СКС при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и даже передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем. Это позволяет автоматизировать многие процессы по контролю, мониторингу и управлению хозяйственными службами и системами жизнеобеспечения.

• Увеличение срока службы. Срок морального старения хорошей СКС может составлять 8-10 лет.

• Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. Стоимость кабельной системы в основном определяется не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке (затраты на выполнение работ по инсталляции кабельной системы зачастую в 2-3 раза превосходят стоимость материалов и оборудования). Поэтому более выгодно провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно с большим запасом по длине, чем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля. Это помогает быстро и дешево изменять структуру кабельной системы при перемещениях персонала или смене приложений.

• Возможность легкого расширения сети. СКС является модульной, поэтому ее легко наращивать, что позволяет легко и ценой малых затрат переходить на более совершенное оборудование, удовлетворяющее растущим требованиям к системам коммуникаций.

• Обеспечение более эффективного обслуживания. СКС облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой.

• Надежность. СКС имеет повышенную надежность, поскольку обычно производство всех ее компонентов и техническое сопровождение осуществляется одной фирмой-производителем.

Большинство стандартных сетевых технологий, как старых (Ethernet, TokenRing, FDDI), так и новых (FastEthernet, 100VG-AnyLAN, ATM), использует три основных типа кабелей - неэкранированную витую пару (UTP), экранированную витую пару (STP) и многомодовый оптоволоконный кабель. В состав любой кабельной системы входят кабели различных типов, каждый из которых имеет свою область или области назначения.

Для определения областей назначения того или иного типа кабеля полезно выделять в кабельной системе отдельные подсистемы. В типичную иерархическую СКС входят горизонтальные и вертикальные подсистемы, а также подсистема кампуса. Горизонтальные подсистемы работают в пределах отдела и соединяют кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей. Подсистемы этого типа соответствуют этажам здания. Вертикальные подсистемы работают внутри здания, соединяют кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Кампусовская система, работающая в пределах территории между зданиями, соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется backbone (или магистралью).

Помимо технических характеристик при выборе кабеля нужно учитывать, какая кабельная система уже установлена на вашем предприятии, и какие тенденции и перспективы существуют на рынке в данный момент.

Основные характеристики кабельной системы

Кабельная система должна соответствовать условиям ее применения. Требования, выдвигаемые небольшими фирмами, могут значительно отличаться от требований со стороны крупных организаций, например банков.

К числу факторов, влияющих на стоимость и пропускную способность кабеля, относятся следующие.

• Простота установки.

Насколько прост кабель в установке, насколько просто работать с ним? В небольших сетях, с небольшими расстояниями, где безопасность данных не самый главный вопрос, нет смысла прокладывать толстый, громоздкий и дорогой кабель.

• Экранирование.

Экранирование кабеля приводит к его удорожанию, тем не менее практически любая сеть использует одну из форм экранированного кабеля. Чем больше помех в месте прокладки кабеля, тем большее экранирование требуется. Прокладка пленумного кабеля существенно увеличивает стоимость проекта.

• Перекрестные помехи.

Перекрестные помехи и внешние шумы могут вызвать серьезные проблемы в больших сетях, где критическим вопросом является вопрос защиты данных. Недорогие кабели слабо защищены от внешних электрических полей, генерируемых электропроводкой, двигателями, реле и радиопередатчиками.

• Скорость передачи (часть полосы пропускания).

Скорость передачи измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). Для медных кабелей сегодня самым распространенным значением является 10 Мбит/с, хотя последние стандарты позволяют передавать данные со скоростью 100 Мбит/с.Толстый коаксиальный кабель передает сигналы на большие расстояния, чем тонкий. Но с ним сложнее работать. По оптоволоконному кабелю данные передаются со скоростью более 100 Мбит/с, но для его установки нужны специальные навыки, к тому же он сравнительно дорог.

• Стоимость.

Стоимость кабелей, которые обеспечивают высокую степень защиты, передавая данные на большие расстояния, гораздо выше стоимости тонкого коаксиального кабеля, простого в установке и эксплуатации.

• Затухание сигнала.

Затухание сигнала — причина, которая ограничивает максимальную длину кабеля, так как значительно ослабленный сигнал может быть не распознан принимающим компьютером. Кабели разных типов имеют разную максимальную длину. Большинство сетей использует системы проверки ошибок: при искажении принятого сигнала они требуют его повторной передачи. Однако на это уходит дополнительное время, и, главное, снижается общая пропускная способность сети.

СКС в России

В России СКС нашли коммерческое применение сравнительно недавно - в начале 90-х годов в результате рыночных реформ и появления частного бизнеса. До этого локальные сети и учрежденческие АТС, как правило, были не интегрированы друг с другом.

Хотя в настоящее время наибольшее число инсталляций СКС осуществляются в мелких локальных сетях (с числом ПК от 10 до 20), многие крупные предприятия, учреждения и банки в последние годы также проявляют заинтересованность в установке у себя структурированных кабельных систем. Благодаря отсутствию унаследованного оборудования, в России, как правило, используются самые современные системы от ведущих производителей. Наибольшая доля рынка принадлежит таким известным западным маркам, как LucentTechnologies, BICCBrand-Rex, MOD-TAP, Alcatel, Siemens, AMP, IBM, а также российским маркам, как "АйТи".

Среди российских компаний-системных интеграторов, способных реализовать крупные проекты кабельных систем, специалисты отмечают IBS, "АйТи", "Черус", "Демос", R-Style, "Ланит", LVC, "Крок", "Руслан". Они располагают отделами, специализирующимися по локальным сетям, СКС и голосовой связи.

Основная доля рынка СКС принадлежит LucentTechnologies. Около 73% установленных систем используют проводку UTP.

Решения на основе экранированного кабеля связываются главным образом с системами TokenRing, но все большее число заказчиков в России предпочитает использовать эти кабели и в других сетях передачи данных. Коаксиальный кабель для горизонтальной проводки пользовался популярностью 2 года назад, но в последнее время он был вытеснен кабелями с витыми парами.

В последние два года существенные изменения произошли и в распределении рынка между кабелями разных категорий. Доля кабелей Категории 3 уменьшилась с двух третьих в 1994 до 37% в 1996 году.

Согласно прогнозам, весь рынок кабелей для передачи данных будет расти на 14,7% ежегодно. Наиболее быстрые темпы роста ожидаются на рынке STP - 33,6% ежегодно в денежном исчислении, далее следуют оптические кабели и UTP - 22,1% и 16,2% соответственно. Доля коаксиального кабеля будет неуклонно снижаться.

Стандарты кабельных систем

Сегодня в мире существуют три весьма сходных между собой стандарта на кабельные системы для ЛВС:

1. американский стандарт TIA/EIA 568A;

2. международный стандарт ISO/IEC 11801;

3. европейский стандарт EN50173.

Все эти стандарты кабельных систем определяет основные параметры неэкранированной витой пары UTP, экранированной витой пары STP и волоконно-оптического кабеля, то есть тех видов кабелей, которые покрывают все разнообразие физических уровней современных стандартов для локальных сетей.

Необходимо отметить, что стандарт EIA/TIA 568A относится только к сетевому кабелю. Но реальные системы, помимо кабеля, содержат также коннекторы, розетки, распределительные панели и др., т.е. все, что в совокупности составляет понятие кабельной системы. Использование только кабеля типа 5 не гарантирует создание кабельной системы этой категории. Все составные части кабельной системы также должны удовлетворять требованиям соответствующей категории, то есть работать без ухудшения электрических параметров передаваемых сигналов в заданных частотах. Важное значение имеет также технология инсталляции всех компонентов системы, нарушение которой приведет к снижению категории.

К числу наиболее распространенных стандартизованных СКС относятся кабельная система Cabling System, разработанная компанией IBM, кабельные системы Premises Distributed System и SYSTIMAX, разработанные AT&T, а также кабельная система OPENDEC сonnect корпорации Digital Equipment. Различные производители дают своим кабельным системам различные названия, но общие принципы их организации остаются одинаковыми.

Наряду с кабельными системами, соответствующими этим стандартам, в настоящее время имеется ряд проектов новых широкополосных кабелей, например, медных кабелей категории 6. Появились сообщения о гарантированных скоростях передачи данных 350 и 622 Мб/с обеспечиваемых новыми продуктами. Но стандартов на новые широкополосные кабели пока не существует. Специалисты высказывают большие сомнения в рыночном успехе этого проекта: во-первых, проблема совместимости с огромным числом уже установленных кабельных систем категорий 3 и 5, во-вторых, высокая стоимость, сравнимая со стоимостью сетей на основе волоконно-оптического кабеля, в-третьих, необходимость надежного заземления, которую не всегда просто реализовать.

Еще далеко не исчерпаны возможности кабельных систем категории 5. Вполне вероятно, они смогут поддерживать и сети GigabitEthernet. Если же говорить о высокоскоростных сетях (ATM и GigabitEthernet на скоростях 622 и 1000 Мбит/с соответственно), то для их реализации хорошо подходит волоконно-оптический кабель.

Поэтому, чтобы улучшить работу кабельной системы, можно модернизировать её путем прокладки горизонтального кабеля (проводки на этажах) категории 5, а в качестве магистрали оптического кабеля. В любом случае необходимо получить гарантию на кабельную систему и предусмотреть возможность последующей ее модернизации в будущем.

Волоконно-оптические кабели

Пять лет назад волоконно-оптические кабели использовались лишь операторами связи да крупными предприятиями. Теперь, когда настало время широкого внедрения сетей Gigabit Ethernet и уже ратифицирован стандарт 10 Gigabit Ethernet, оптические сети становятся массовой технологией. Несмотря на простоту основных компонентов этих сетей — стекло да свет — оптические технологии и описывающие их термины для многих остаются тайной за семью печатями.

Категории оптических волокон

Оптические волокна делятся на две категории: многомодовые и одномодовые. Первые имеют более толстую сердцевину (светонесущую жилу) с типовым диаметром 50 или 62,5 мкм, сердцевина вторых — всего лишь от 2 до 10 мкм (для сравнения, диаметр обычного человеческого волоса равен 140 мкм). Многомодовыми волокна называют потому, что их диаметр значительно больше длины волны, а значит, в них распространяется множество различных типов световых лучей — мод. Многомодовые кабели предназначены для использования на более коротких расстояниях, чем одномодовые. Причина этого — дисперсия, т. е. уширение световых импульсов. После прохождения фотонами некоторого расстояния импульсы расплываются до такой степени, что приемник уже не в состоянии отличить уровень логической единицы от нуля.

По одномодовому кабелю сигналы способны передаваться на сотни и даже тысячи километров, в зависимости от типа источника излучения, длины волны и скорости передачи данных. Поскольку визуально отличить многомодовое волокно от одномодового практически невозможно, большинство производителей стремятся облегчить нам эту задачу. Многомодовые кабели обычно имеют оранжевую оболочку, а одномодовые — желтую.

Принцип передачи данных

В оптической связи используются два типа источников: светодиоды и лазеры. Первые применяются только с многомодовыми кабелями, а вторые — чаще всего с одномодовыми. Светодиоды не могут работать с одномодовыми кабелями, так как их излучение недостаточно когерентно.

По медным линиям данные передаются в виде последовательностей импульсов, соответствующих нулевым и единичным битам. Оптоволокно работает аналогичным образом, но импульсы образуются включением и выключением источника света (если говорить точнее, то при низких скоростях передачи модулируется управляющий ток (лазеры с внутренней модуляцией), а при высоких — сам оптический сигнал (лазеры с внешней модуляцией)). Чем чаще пульсация излучения, тем больше данных можно переслать по оптоволокну. Существует предельная скорость, с которой лазер может включаться и выключаться, все еще генерируя столько фотонов, сколько необходимо для того, чтобы мощность на другом конце кабеля была достаточной для принимающей аппаратуры. По этой причине в высокоскоростных оптоволоконных соединениях для передачи данных используется несколько длин волн — спектральных каналов.

По одному медному кабелю может передаваться несколько различных потоков данных за счет деления его полосы пропускания на каналы. Каждому каналу разрешается пересылать данные в течение определенного промежутка времени, таким образом, все каналы по очереди получают возможность отправить свои данные. Этот метод носит название временного уплотнения — Time Division Multiplexing (TDM). Существует также частотное уплотнение — Frequency Division Multiplexing (FDM), когда каждый канал занимает определенную ему полосу частот. Примером применения FDM-систем является радио- и телевизионное вещание.

В большинстве оптических систем применяется комбинация этих двух методов уплотнения (мультиплексирования), при этом создается несколько каналов передачи на разных частотах (длинах волн). Технология WDM (Wavelength Division Multiplexing), представляющая собой одну из трех разновидностей спектрального уплотнения, занимает среднее положение в смысле эффективности использования спектра. В системах WDM объединяются спектральные каналы, длины волн которых отличаются одна от другой на 10 нм. Самой производительной является технология DWDM (Dense WDM). Она предусматривает объединение каналов, разнесенных по спектру не более чем на 1 нм, а в некоторых системах даже на 0,1 нм. Вследствие такого плотного размещения сигналов по спектру стоимость оборудования DWDM обычно очень высока.

Наименее эффективно спектральные ресурсы используются в новых системах на основе технологии CWDM (Coarse WDM). Здесь спектральные каналы разнесены не менее чем на 20 нм (в некоторых случаях эта величина достигает 35 нм). Системы CWDM обычно используются в городских сетях и даже в ЛВС, где низкая цена оборудования является важным фактором. Оборудование CWDM не ограничено каким-то одним участком спектра и может работать в диапазоне от 1300 до 1600 нм, в то время как аппаратура DWDM привязана к более узкому частотному диапазону выше 1500 нм.

Усиление сигнала

Конечная задача любой оптической системы связи — это доставка световых импульсов из точки A в точку B. За секунду свет в оптоволокне может пройти расстояние в 200 тыс. км, однако не существует ни одного источника, излучение которого, распространяясь на такие расстояния, сохраняло бы четкое отличие логических единиц и нулей. Это связано не только с дисперсией; фотоны могут поглощаться оболочкой оптоволокна, таким образом, снижается их общее число. Приемник подсчитывает фотоны, которые достигли его за определенный период. Если их число оказывается выше заданной величины, он фиксирует логическую единицу, если меньше — нуль. Недостаточное число фотонов может привести к появлению ложных нулей.

Возможно, вы думаете, что, увеличивая мощность лазера-источника, а следовательно и число фотонов, вам удастся собрать необходимое их число на приемнике. Все было бы именно так, если бы оптические волокна работали линейно, но они нелинейны. Чтобы зависимость между входной и выходной мощностью была как можно ближе к линейной, мощность большинства лазеров в одномодовых системах поддерживается на уровне 0,5 Вт. Из-за нелинейности оптических систем повышение входной мощности может даже привести к снижению выходной мощности.

Стандартным методом увеличения пробега фотонов в оптоволокне является регенерация сигнала. Применяют два способа регенерации: по схеме OEO (Optical—Electrical—Optical, оптика—электроника—оптика) и с использованием оптических усилителей (fiber amplifiers). Системы OEO, называемые также повторителями, принимают оптический сигнал, демультиплексируют его и преобразуют в электрический. Затем электрические сигналы усиливаются, очищаются от шума и конвертируются обратно в оптические. Устройства OEO могут работать с любыми длинами волн и обычно используются в линиях связи CWDM и иногда в системах WDM.

Оптические усилители предлагают более элегантное решение, без преобразования фотонов в электрические сигналы. Наибольшее распространение получили усилители на волокне, легированном эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifier — EDFA). Хотя обычно используется эрбий, аналогичные результаты могут дать и другие химические элементы, такие, как празеодим и иттербий. Поэтому более общим является термин “усилитель на волокне, легированном редкоземельным элементом” (Rare-Earth-Doped Fiber Amplifier — REDFA).

В таком усилителе содержится участок оптоволокна с примесью редкоземельного элемента, например эрбия. На этом участке полезный сигнал смешивается с излучением лазера накачки, работающего на длине волны 980 или 1480 нм. Лазер накачки возбуждает атомы эрбия, и, когда на них падают фотоны полезного сигнала, часть энергии возбуждения передается этому сигналу, усиливая его. Типичный усилитель REDFA включает катушку легированного волокна длиной 10 м. Лазер накачки может быть расположен рядом с ним или на расстоянии, лишь бы мощность его излучения не снижалась чересчур сильно.

Усилители REDFA часто используют в подводных кабельных системах, поскольку они позволяют значительно снизить потребность в дополнительном оборудовании. Кроме того, в отличие от повторителей OEO эти усилители не добавляют заметной задержки в проходящий сигнал. Однако вместе с полезной составляющей устройства REDFA усиливают и шум в оптическом сигнале, на больших расстояниях этот шум может привести к серьезным искажениям.

Хотя обычно основной проблемой оптической передачи является обеспечение достаточной мощности, чтобы сигнал мог достичь точки назначения, иногда приходится сталкиваться и с обратной проблемой. Если слишком много фотонов достигают приемника, он “слепнет”, подобный эффект наблюдается, когда человек смотрит прямо на солнце. В общем, превышение мощности — вещь не слишком хорошая для приемника. Многомодовые приемники, как правило, защищены от перегрузки, а вот одномодовые — нет, и проблемы могут возникнуть тогда, когда мощность передатчика не соответствует дальности связи.

Одномодовые передатчики поставляются в вариантах с различной мощностью для передачи на разные расстояния. Было бы большой ошибкой предположить, что передатчик и приемник, рассчитанные на покрытие больших расстояний, смогут работать на более коротких расстояниях и что приемник при этом не сгорит. Конструкция фотоприемника предполагает определенную величину потерь мощности, в соответствии с расстоянием, на которое рассчитан передатчик. Если по дальности или мощности они не подходят друг другу, то для их совместной работы необходимы “солнцезащитные очки” — оптические аттенюаторы, которые помещаются между двумя отрезками оптоволокна или непосредственно перед приемником.

Демультиплексирование

Как только сигналы достигают оконечного устройства, они должны быть демультиплексированы и отправлены получателям. На первый взгляд самый простой способ — “расщепить” оптоволокно и направить одни и те же сигналы всем приемникам. При этом каждый фотоприемник должен воспринимать только фотоны определенной длины волны и игнорировать все остальные. Но такие узкополосные приемники стоят очень дорого. Поэтому чаще всего используют широкополосные приемники, способные воспринимать большую часть спектра лазерного излучения. При этом, однако, на каждый приемник должны попадать только фотоны с заданной длиной волны.

Один из способов выделения желаемой длины волны основан на использовании брэгговской решетки. Ее можно представить в виде набора канавок, вытравленных поперек сердцевины оптоволокна. Если канавки расположены на определенном расстоянии друг от друга, то свет с некоторой длиной волны будет отражаться от такой решетки в обратном направлении. Затем решетка из косых “зарубок” (blazed grating) отражает этот свет под углом, выводя его из волокна и направляя на приемник. Используя эту технологию, можно разделить все длины волн и направить их на соответствующие приемники.

Коннекторы

Волоконно-оптические кабели могут иметь разную длину и использовать различные типы коннекторов. Коннекторы, возможно, самая сложная часть волоконно-оптической кабельной системы. Можно легко запутаться в их названиях — FC, SC, LC, ST, MT. Большинство специалистов запоминают типы коннекторов, давая им названия, отражающие их специфические возможности. Например, FC — Finger Cramp (сводит пальцы), этот коннектор может вызвать судорогу при попытке туго закрутить гайку при его подключении; SC — Stab Click (защелка), коннектор вставляется в разъем с характерным щелчком; LC — Little Click (маленькая защелка), уменьшенный вариант SC-коннектора; ST — Stab Twist (вставь и поверни), коннектор вставляется в разъем и для фиксации поворачивается на четверть оборота; MT — Mighty Tiny (могучая крошка), самый маленький из коннекторов.

Скорости передачи данных

Скорости передачи волоконно-оптических систем связи невероятно велики. Современные системы позволяют передать все содержимое CD-диска за полсекунды. И технология продолжает развиваться. Организация Optical Internetworking Forum (http://www.oiforum.com) завершает разработку стандартов для уровня OC-768, которые позволят увеличить пропускную способность линий связи до 40 Гбит/c. Такая скорость соответствует передаче в секунду восьми полных CD-дисков или 5 Гбайт данных.

Но даже 40 Гбит/с — это далеко не предел. Так, компания Alcatel продолжает наращивать пропускную способность волокна, “втискивая” в одно оптическое волокно 365 спектральных каналов со скоростью 10 Гбит/с каждый и обеспечивая их передачу на расстояние 6800 км. Эта технология, предназначенная для подводных кабельных систем, будет обеспечивать пропускную способность, достаточную для передачи трафика 47 млн. телефонных разговоров.

Следующий рубеж — чисто оптическая коммутация. И такие компании, как Opthos, уже прокладывают путь в этом направлении. Сегодня большинство коммутаторов используют технологию с промежуточным преобразованием сигнала в электрическую форму (OEO), и сама коммутация в действительности осуществляется электронными компонентами. Коммутация на оптическом уровне не только происходит значительно быстрее, но и способствует снижению уровней тепловыделения и шума.

Маркировка согласно DIN VDE 0888

Почти все европейские производители наносят на оптоволоконный кабель маркировку, соответствующую системе стандарта DIN VDE 0888.

По этому стандарту каждому типу кабеля ставится в соответствие последовательность букв и цифр, в которых заключены все характеристики волоконно-оптического кабеля.

Мало кто из производителей для маркировки волоконно-оптического кабеля применяет все пятнадцать знаков, часто ограничиваясь только несколькими первыми символами.

Например, I-V(ZN)H 1x4 G50/125 обозначает кабель для применения внутри помещений [I]. Волокна находятся в плотном буфере диаметром 900 мкм [V], с неметаллическими силовыми элементами [ZN], с негорючей и слабодымной оболочкой [Н]. Количество волокон - 4. Тип волокна - многомодовое [G50/125] с размером ядра и волоконной оболочкой 50 и 125 мкм соответственно.

A/I-DQ(ZN)(SR)H 1x8 G50/125 обозначает кабель для применения снаружи, а также внутри помещений [A/I]. Волокна размещаются в центральной трубке, заполненной водоотталкивающим составом [DQ]. Кевларовые или стекловолоконные нити [ZN] в металлической гофрированной броне [SR]. Внешняя оболочка - LSZH, слабодымная, не выделяющая галогенов при горении [Н]. Трубка одна с восемью волокнами [1x8]. Тип волокна - многомодовое [G50/125] с размером ядра и волоконной оболочкой 50 и 125 мкм соответственно.

A-DF(ZN)2Y(SR)2Y 6x4 Е9/125 - кабель для использования вне помещений [А]. Имеет две полиэтиленовые оболочки [2Y]: внешнюю и внутреннюю, между которыми расположена металлическая броня в виде гофрированной ленты [SR]. Волокна расположены в шести трубках по четыре в каждой [6x4]. Внутренность трубки, а также пустоты между трубками заполнены водоотталкивающим составом [DF]. В качестве силовых компонентов [ZN] используются кевларовые нити и центральный неметаллический элемент. Тип волокна - одномодовое [Е9/125] с размером ядра и волоконной оболочкой 9 и 125 мкм соответственно.

Все остальные технические характеристики оптического волокна и кабельной оболочки производители должны указывать в сопроводительной документации.

Пластиковое оптическое волокно

Все большую популярность приобретают кабели с пластиковым оптическим волокном - POF (Plastic Optic Fiber). С одной стороны, данный тип кабелей не стоит относить к группе специальных, так как область их применения не требует особой конструкции кабеля. С другой стороны, этот кабель отличается от всех остальных тем, что в нем в качестве среды передачи используется не стеклянное, а пластиковое оптическое волокно с размером сердцевины 900/1000 мкм. В таком кабеле достаточной является однослойная защитная оболочка из негорючего материала.

Волоконно-оптический кабель POF может широко применяться в индустриальных, офисных и домашних сетях для качественной передачи сигналов от цифровой видеотехники, DVD, DVB-приемников, видеокамер наблюдения. POF также дает возможность использования недорогого, по сравнению со стеклянными волокнами, решения для сетей Fast Ethernet. В этом случае возможным является применение гибридного кабеля пятой категории, который под внешней оболочкой содержит два световода POF(рис. 1) .

Рис.1 Гибридный кабель POF и UTP пятой категории

Оболочка кабеля

Чаще всего материалом, который используется для изготовления наружной оболочки волоконно-оптических кабелей, является полиэтилен. Он обладает и отличными физическими параметрами (большая прочность, хорошая износостойкость, неподверженность ультрафиолетовому излучению, окислению и другим химическим воздействиям), и хорошими диэлектрическими свойствами. Полиэтилен имеет неплохую сопротивляемость проникновению влаги, низким и высоким температурам, а также обладает способностью не изменять свои физические свойства под воздействием перепадов температуры окружающей среды.

Оболочки волоконного кабеля различаются по плотности используемого полиэтилена. Самым прочным материалом является полиэтилен высокой плотности - HDPE (High Density Polyethylene). Он используется при изготовлении кабелей для наружного применения, которые непосредственно закапываются в грунт или протягиваются по канализационным трубам. Стоимость такого материала достаточно высока, поэтому он чаще применяется в кабелях с большим количеством оптических волокон. Меньшую стоимость имеет полиэтилен средней плотности - MDPE (Medium Density Polyethylene). Из него изготавливается большинство кабелей, которые при относительно низкой цене отличаются хорошими механическими характеристиками, что обеспечивает достаточный уровень защиты оптических волокон.

Менее прочным является полиэтилен низкой плотности - LDPE (Low Density Polyethylene), который часто используется в конструкции кабелей вместе с полиэтиленом высокой плотности. Например, волоконно-оптический кабель с металлической броней. Его внешняя оболочка может изготавливаться из MDPE-полиэтилена, а дополнительная внутренняя оболочка, которая находится под стальной броней, - из полиэтилена LDPE.

Придать повышенную прочность волоконно-оптическому кабелю можно в том случае, если в качестве верхнего слоя используется полиамид PA (Рolyamide). Это очень подходящий материал для производства кабеля промышленного применения. Полиамид имеет отличную сопротивляемость химическим соединениям, таким как концентрированные щелочи, различные масла, некоторые растворы органических и минеральных кислот. Толщина полиамидной пленки не превышает 0,5 мм. Сама оболочка чаще всего имеет оранжевый или черный цвет.

Несмотря на хорошие механические характеристики, сам полиамид подвержен проникновению влаги и воздействию ультрафиолета. Поэтому, как правило, полиамид применяется как дополнительный элемент конструкции вместе с полиэтиленом. Такой кабель используют для прокладки в кабельных канализациях или пластиковых трубопроводах. Затянуть полиамидный кабель несложно, поскольку коэффициент трения между гладкой оболочкой из полиамида и пластиковым трубопроводом сравнительно низкий. Кроме того, полиамид обладает отличной абразивной стойкостью.

Особое внимание стоит уделить волоконно-оптическим кабелям, оболочки которых отвечают требованиям пожарной безопасности. Основой для изготовления соответствующих оболочек является полиэтилен, а необходимые свойства достигаются путем добавления специальных химических добавок. В описании волоконно-оптического кабеля о наличии таких свойств чаще всего свидетельствует аббревиатура LSZH (Low Smoke Zero Halogen).

Вообще существует немало стандартов, описывающих необходимые свойства кабельных оболочек в соответствии с международными или национальными требованиями техники пожарной безопасности. О них следует рассказать подробнее.

Условие, когда внешняя оболочка кабеля не поддерживает горения (Non propagation of flame) означает, что в случае воспламенения вертикально расположенного кабеля снизу его оболочка не будет способствовать распространению пламени вверх. Однако соответствие данной норме ни в коем случае не гарантирует, что при расположении кабеля, например, в туннелях или трубопроводах огонь не будет распространяться в горизонтальном направлении.

Если кабель имеет соответствующие характеристики, то это гарантирует, что он сам не станет причиной возгорания или распространения огня (хотя существует немало других источников возгорания).

Отсутствие выделения галогенов и других токсичных соединений при горении обеспечивает необходимые условия для эвакуации персонала и устранения возгорания. Это такие же важные свойства волоконно-оптического кабеля, как и способность не выделять дым под воздействием огня. В таблице ниже приведены основные характеристики оболочки кабеля в соответствии с нормами пожарной безопасности.

Наличие у волоконно-оптического кабеля негорючей оболочки, которая не выделяет галогенов, заметно увеличивает его стоимость, но при прокладывании кабеля внутри помещений, на промышленных объектах, в туннелях метрополитена международные и национальные нормы пожарной безопасности обязывают к применению кабеля именно такого типа.

Защита от грызунов

Когда говорят, что кабель имеет защиту от грызунов, то чаще всего подразумевается наличие металлической брони. Объясняется это тем, что такая броня наиболее эффективна при невысокой стоимости, поэтому именно она нашла наиболее широкое применение. Условно можно выделить несколько типов металлической брони:

• стальная ламинированная лента, которая сгибается вдоль, чтобы ее боковые края находили один на другой. Получается некое подобие трубки, которую для увеличения допустимого сдавливающего усилия еще и гофрируют;

• проволочная броня из стальной оцинкованной проволоки, основное назначение которой - обеспечение большого допустимого усилия на разрыв, а также защита от грызунов. Этот кабель предназначен для вкапывания в грунт. Кстати, использование волоконно-оптического кабеля с проволочной броней является обязательным при построении первичных сетей по российским стандартам.

Иногда необходимо использовать кабель, у которого полностью отсутствуют металлические компоненты. Существуют волоконно-оптические кабели с так называемой "неметаллической броней". Это подразумевает либо внешний слой из особо прочного диэлектрического материала, например, полиамида толщиной полмиллиметра, либо тонкий слой полипропилена.

Хорошую защиту от грызунов может обеспечить и плотный слой стекловолоконных нитей (не путать с нитями из кевлара), которые выполняют также роль силовых элементов. Однако при изгибе кабеля трубка с оптическими волокнами может выйти из слоя продольно-натянутых стекловолоконных нитей, что ставит под угрозу защиту волокна. Этого можно избежать, если стекловолоконные нити закручены в спираль или даже переплетены вместе - таким образом, степень защиты повышается.

Все эти способы защиты от грызунов основываются на тех особенностях конструкции волоконно-оптического кабеля, которые помогают усилить его механическую прочность. Существует и другой способ, который базируется на добавлении специальных химических компонентов во внешнюю оболочку (у нас нечасто можно встретить такой тип кабеля из-за его высокой стоимости). Построение волоконно-оптических каналов связи требует значительных капиталовложений, поэтому, начиная с этапа проектирования, необходимо свести до минимума те факторы, которые могут снизить надежность линии передачи. При этом защита от грызунов является составной частью задачи по обеспечению стабильной работы волоконно-оптического канала связи.

Усиливающие элементы

Для увеличения допустимого растяжения волоконно-оптического кабеля в его конструкцию обязательно вводят силовые элементы. Величины допустимого растяжения в 1000-2000 Н (ньютонов) можно достичь с помощью использования кевларовых или стекловолоконных нитей. Как правило, этого показателя бывает вполне достаточно для кабелей общего назначения. Нити могут образовывать плотный слой, а могут и переплетаться. Считается, что кевларовые нити обеспечивают большее допустимое усилие на разрыв. Однако стекловолоконные нити еще и защищают от грызунов и являются барьером для распространения горения.

Иногда параллельно с кевларовыми нитями применяют один центральный или пару боковых стержней. Дополнительные силовые элементы могут быть диэлектрическими или металлическими. Конструкция с центральным силовым элементом характерна для кабеля с большим числом волокон, которые группами размещаются вокруг силового элемента.

Высокое допустимое усилие на разрыв в специальных типах кабелей, в которых эта величина должна иметь значение десятков килоньютонов, достигается с помощью стальных прутьев. В таких кабелях оптические волокна чаще располагаются не в термопластиковых, а в стальных гелезаполненных трубках.

Механические характеристики кабеля

А теперь поговорим о механических характеристиках волоконно-оптического кабеля. Эти характеристики отображают то, как волоконно-оптический кабель реагирует на механические воздействия: растяжение/сдавливание, изгиб и кручение. В результате изменения температуры окружающей среды происходит естественное увеличение или уменьшение длины кабеля. Поэтому в группу этих характеристик также входит температурный диапазон, в котором можно хранить, эксплуатировать и монтировать кабель.

Величина допустимого продольного растяжения (Tensile performance) характеризует максимальное усилие, которое можно приложить в продольном направлении кабеля и при котором не произойдет изменение характеристик оптического волокна. При растяжении кабеля в первую очередь происходит воздействие на саму оболочку, и только потом - на оптическое волокно.

Пример зависимости растяжения волокна и кабельной оболочки от прилагаемого усилия приведен на рисунке.

Рис.2 Зависимость растяжения волокна и оболочки кабеля от прилагаемой силы растяжения

Из него видно, что при растяжении кабеля с силой, меньшей 1,5 кН, натяжения оптического волокна не происходит. Это граничное значение и указывают как предел прочности на разрыв.

Почему не сразу происходит растяжение оптического волокна? Длина волокна в кабеле превышает длину его оболочки - световоды свободно располагаются в гелезаполненной трубке в виде спирали (рис. а). При растяжении кабельной оболочки волоконная спираль распрямляется (рис. б), при сжатии - наоборот, сжимается (рис. в).

Рис.3 Положение оптического

волокна в трубке

Поэтому, когда прикладывается растягивающее усилие к оболочке, световод сначала распрямляется и только потом начинает удлиняться сам. По некоторым критериям растяжение оптического волокна на величину до 0,5% также является допустимым, и тогда пределом прочности на разрыв кабеля по тому же рисунку можно считать уже 2 кН.

Иногда указывают два значения предела прочности на разрыв: кратковременное и длительное. Говоря о данной характеристике волоконно-оптического кабеля, важно заметить, что речь не идет о физическом разрыве кабеля или даже самого волокна.

Максимальный изгиб кабеля (Cable bend) является еще одним важным параметром, который характеризует предельно допустимый радиус кривизны укладки кабеля. Его необходимо учитывать, когда речь идет о прокладке волоконно-оптического кабеля, например, в трубопроводах или кабельных каналах. Величина минимально допустимого радиуса изгиба часто находится в пределах 15-20 диаметров от внешней оболочки кабеля. Если пренебречь этим параметром, может нарушиться целостность световодов в кабеле.

Кручение (Torsion) определяет способность оболочки кабеля обеспечивать защиту волокна при скручивании оболочки вокруг своей оси. Для кабеля с металлической броней допустимый угол скручивания меньше, чем для кабеля без брони.

Параметры температурного цикла (Temperature cycling) определяют стабильность коэффициента затухания волокна при эксплуатации кабеля в различных температурных условиях. Изменение температуры окружающей среды в первую очередь приводит к скручиванию, растяжению или сжатию кабельной оболочки, а это, как уже отмечалось, оказывает влияние на характеристики волокна.

Защита от проникновения влаги (Water penetration) является важным параметром для волоконно-оптического кабеля, особенно если он предназначен для применения вне помещений. В лаборатории тестовый отрезок кабеля помещается в воду на глубину около одного метра. Оптические волокна не должны вступить в контакт с водой в течение одних или нескольких суток.

Графическое обозначение характеристик кабеля

Залогом успешного продвижения продукта является четкое понимание поставщиками его особенностей и умение объяснить это потребителю. Например, оценить характеристики кабеля можно по прилагаемому к продукту техническому описанию. Здесь, возможно, не стоит знать всю методику определения механических параметров согласно стандарту ЕС 60794-1, но разбираться, что какой параметр обозначает, нужно точно.

Немецкий стандарт DIN VDE 0888 дает довольно полную информацию о волоконно-оптическом кабеле. Однако для этого необходимо выполнение двух условий: маркировка кабеля в соответствии с DIN VDE 0888 и наличие таблицы, поясняющей данную маркировку.

Оригинальное решение для указания наиболее важных свойств кабеля предлагает компания R&M. Речь идет об использовании ряда пиктограмм, предоставляющих наглядную информацию о волоконно-оптическом кабеле. Некоторые из таких пиктограмм представлены в таблице ниже.

Выбор технологии магистрали  

Атм(Асинхронный режим передачи)

Асинхронный режим передачи (ATM) - это усовершенствованная технология коммутации пакетов, которая обеспечивает высокоскоростную передачу пакетов фиксированной длины через широкополосные и узкополосные локальные или глобальные сети.

Она одинаково пригодна как для локальных, так и для глобальных сетей и может передавать данные с очень высокой скоростью (от 66 Мбит/с до 622 Мбит/с и даже выше).

Технология

ATM - это широкополосный метод ретрансляции ячеек, при котором данные передаются ячейками фиксированной длины (по 53 байта). Ячейки содержат 48 байтов - собственно передаваемые данные и 5 дополнительных байтов - заголовок ATM. Например, передавая 1000-байтный пакет, ATM разобьет его на 21 кадр и поместит каждый кадр в ячейку. Результат - передача стандартных, единообразных пакетов.

Рис.4. Ячейки ATM состоят из 48 байтов данных и 5 байтов заголовка.

Сетевое оборудование может коммутировать, маршрутизировать и перемещать пакеты фиксированного размера быстрее, чем пакеты произвольного размера. А ячейки стандартного размера позволяют более эффективно использовать буферы и сокращают время на свою обработку. Одинаковый размер ячеек, кроме того, упрощает планирование необходимой полосы пропускания.

Теоретически пропускная способность ATM может достичь 1,2 Гбита в секунду. В настоящее время, однако, скорость ATM ограничивается скоростью оптоволоконного кабеля, которая не превышает 622 Мбит/с. Большинство серийных плат ATM будет передавать данные со скоростью около 155 Мбит/с.

Например, ATM со скоростью 622 Мбит/с передает полное собрание Британской энциклопедии (The Encyclopedia Britannica), включая иллюстрации, меньше чем за одну секунду. Если передавать эти же данные, используя модем на 2400 бод, операция займет больше двух дней.

Компоненты

В настоящее время компоненты ATM производятся узким кругом поставщиков. Вся аппаратура в сети ATM должна быть ATM-совместимой. Поэтому переход на магистрали к АТМ требует замены традиционных коммутаторов и маршрутизаторов с интерфейсами Ethernet, FastEthernet или FDDI на коммутаторы АТМ со сложной системой сигнализации и существенно более высокой стоимостью за порт. Такой переход требует как значительных инвестиционных вложений, так и обучения обслуживающего сеть персонала. Кроме того, сегодня до конца не решена проблема взаимодействия магистрали АТМ с подсетями, работающими на основе традиционных протоколов локальных сетей. В этой области определенно ощущается недостаток стандартов, на основе которых могло бы работать в одной сети оборудование разных производителей. Два стандарта из этой области - LANE и ClassicalIP - только частично решают проблему. Даже при наличии стандарта на работу многопротокольных маршрутизаторов через АТМ и достаточной производительности самих маршрутизаторов, особенности работы системы сигнализации коммутаторов АТМ затрудняют сегодня использование АТМ в качестве магистрали крупной локальной сети. Эти особенности, описанные выше, приводят к слишком большому времени установления новых соединений на магистрали, измеряемому единицами миллисекунд. Это одна из причин сравнительно медленного распространения ATM.