Главная → Статьи → Основные типы кабельных и беспроводных сред передачи данных

Основные типы кабельных и беспроводных сред передачи данных

4.1. Основные типы кабельных и беспроводных сред передачи данных

На сегодня большая часть компьютерных сетей используют для соединения провода и кабели. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами. Наиболее распространены: коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель.

Однако постепенно в нашу жизнь входит беспроводная среда передачи данных. Термин «беспроводная среда» может ввести в заблуждение, т. к. предполагает полное отсутствие проводов. В действительности это не так. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, где основная среда передачи данных - кабель. В ЛВС они оказываются наиболее полезными:

в помещениях, заполненных людьми (приемная и т. п.);
для людей, которые не работают на одном месте (врач, брокер и т. п.);
в изолированных помещениях и зданиях (склад, гараж и т. п.);
в строениях (памятниках архитектуры или истории), где прокладка дополнительных кабельных трасс недопустима.

Для беспроводной передачи данных используют: инфракрасное и лазерное излучение, радиопередачу и телефонию. Эти способы передачи данных в компьютерных сетях, как локальных, так и глобальных, привлекательны тем, что:

гарантируют определенный уровень мобильности;
позволяют снять ограничение на длину сети, а использование радиоволн и спутниковой связи делают доступ к сети фактически неограниченным.

4.2. Коаксиальный кабель

До недавнего времени самой распространенной средой передачи данных был коаксиальный кабель: относительно недорогой, легкий и гибкий, безопасный и простой в установке. На рис. 4.1 приведена конструкция коаксиального кабеля

Рис. 4.1. Конструкция коаксиального кабеля.

Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Она изоляцией отделяется от металлической оплетки, которая играет роль заземления и защищает передаваемые по жиле сигналы от:

внешних электромагнитных шумов (атмосферных, промышленных);
перекрестных помех – электрических наводок, вызванных сигналами в соседних проводах.

Используют толстый и тонкий коаксиальный кабель. Их характеристики представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Характеристики коаксиального кабеля.

Тип	Диаметр	Эффективная длина сегмента	Скорость передачи	Обозначение по стандарту IEEE 802.3
толстый	1 см	500 м	10 Мбит/с	10 base 5
тонкий	0,5 см	185 м	10 Мбит/с	10 base 2

В обозначении кабелей по стандарту IEEE 802.3 первые две цифры – скорость передачи в Мбит/с, слово "base" - обозначает, что кабель используется в сетях с узкополосной передачей (baseband network), последняя цифра – эффективная длина сегмента в сотнях метров, при которой уровень затухания сигнала остается в допустимых пределах. Тонкий подключается к сетевым платам непосредственно через Т-коннектор (рис. 4.2), толстый – через специальное устройство - трансивер (рис. 4.3).

Рис. 4.2. Подключение тонкого коаксиала.

Рис. 4.3. Подключение толстого коаксиала.

Различают обычные и пленумные коаксиальные кабели. Последние обладают повышенными механическими и противопожарными характеристиками и допускают прокладку под полом, между фальшпотолком и перекрытием. При выборе для ЛВС данного типа кабеля следует принимать во внимание, что:

это среда для передачи речи, видео и двоичных данных;
позволяет передавать данные на достаточно большие расстояния;
использует хорошо знакомую технологию, обеспечивая достаточный уровень защиты данных.

4.3. Витая пара

Если для передачи электрических сигналов воспользоваться обычной парой параллельных проводов для передачи знакопеременного сигнала большой частоты, то возникающие вокруг одного из них магнитные потоки будут вызывать помехи в другом (рис. 4.4). Для исключения этого явления провода перекручивают между собой (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Пара параллельных проводов. Рис. 4.5. Витая пара .

Витая пара - это изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном отрезке длины, что требуется для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такие линии как нельзя лучше подходят для создания симметричных цепей, в которых используется балансный принцип передачи информации (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Симметричная цепь

Приемник и передатчик гальванически развязаны друг от друга согласующими трансформаторами. При этом во вторичные обмотки (сетевые адаптеры) подается только разность потенциалов первичной обмотки (непосредственно протяженной линии). Из-за этого необходимо отметить два важных момента.

Токи в любой точке идеальной витой пары равны по значению, и противоположны по направлению. Следовательно, векторы напряженности электромагнитного поля каждого из проводников противоположно направлены, и суммарное ЭМИ отсутствует. Под идеальной витой парой понимается линия, в которой проводники бесконечно плотно прилегают друг к другу, имеют бесконечно малый диаметр, и ток, протекающий через них, стремится к нулю.
Метод накладывает некоторые ограничения на протокол передачи (невозможность передачи постоянной составляющей), но значительно более устойчиво к внешним влияниям (по сравнению, например, с несимметричным RS-232). Из рис. 4.6 видно, что результирующее напряжение наводки на вторичной обмотке будет синфазным, соответственно не передастся на вторичную обмотку (сетевой адаптер).

4.3.1. Разновидности кабелей на основе витых пар

Витая пара не была новым изобретением. До этого она уже многие десятки лет успешно использовалась в телефонии, и остается только удивляться, почему ее перенос на почву Ethernet прошел только в сентябре 1990 года, когда был официально принят стандарт 10baseT. Вполне естественно, что это была витая пара 3 категории, с очень большим, в десятки сантиметров, шагом скрутки проводов в паре, и небольшой, до 20 МГц, полосой пропускания (т.е. были взяты прямо из телефонной проводки). Компьютерные кабеля отличало только оформление – 4 пары под одной оболочкой.

Немного позже, одновременно с появлением Fast Ethernet в 1995 году, был введен новый стандарт на кабель Категории 5 (Cat.5), с шагом скрутки, меняющемся для разных пар от 12 до 32 мм (например, ряд от Lucent - 15, 13, 20, 24 мм). Делается это для уменьшения перекрестных наводок, о которых будет рассказано ниже. Такой кабель обеспечивает передачу сигналов с частотой до 100 Мбит. Далее появилась Cat.5е (до 125 МГц), на подходе Cat.6 и в разработке Cat.7.

Самая простая витая пара (TP - Twisted Pair) – это два перевитых друг вокруг друга изолированных провода. Обычно выделяют два типа такого кабеля, а именно: неэкранированную витую пару (UTP) и экранированную витую пару (STP).

Рис. 4.7. Неэкранированная и экранированная витая пара.

Однако, согласно международному стандарту ISO/IEC 11801 приложение E, для обозначения конструкции экранированного кабеля используется комбинация из трех букв:

U — неэкранированный,
S — металлическая оплётка (только общий экран),
F — металлизированная лента (алюминиевая фольга).

Из этих букв формируется аббревиатура вида xx/xTP, обозначающая тип общего экрана и тип экрана для отдельных пар. Распространены следующие типы конструкции экрана:

Неэкранированный кабель (U/UTP). В них экранирование отсутствует — это кабели категория 6 и ниже.
Индивидуальный экран (U/FTP). Экранирование фольгой каждых отдельных пар. Защищает от внешних помех и от перекрёстных помех между витыми парами.
Общий экран (F/UTP, S/UTP, SF/UTP). Общий экран из фольги, оплётки, или фольги с оплёткой. Защищает от внешних электромагнитных помех.
Индивидуальный и общий экран (F/FTP, S/FTP, SF/FTP). Индивидуальные экраны из фольги для каждой витой пары, плюс общий экран из фольги, оплётки, или фольги с оплёткой. Защищает от внешних помех и от перекрёстных помех между витыми парами.

Экранированные кабели категорий 5e, 6/6A и 8/8.1 чаще всего используют конструкцию F/UTP (общий экран из фольги), тогда как экранированные кабели категорий 7/7A и 8.2 используют конструкцию S/FTP (с общей металлической оплёткой и фольгой для каждой пары).

В любом кабеле каждая паpа проводов состоит из пpовода, именуемого "Ring" и пpовода "Tip". Эти названия пpишли из телефонии. Каждая паpа в оболочке имеет свой номеp. Таким обpазом, каждый пpовод можно идентифициpовать как Ring1, Tip1, Ring2, Tip2 и т.д. Дополнительно к нумеpации пpоводов каждая паpа имеет свою уникальную цветовую схему:

cиний/cине-белый – для 1-ой паpы,
оpанжевый/оpанжево-белый – для 2-й,
зеленый/зелено-белый – для 3-й
коpичневый/коpичнево-белый – для 4-й и так далее.

Для каждой паpы пpоводов Ring-пpовод окpашен в основной цвет с полосками дополнительного, а Tip-пpовод – наобоpот. Hапpимеp, для первой паpы проводов Ring1-пpовод будет синий с белыми полосками, а Tip1-провод – белый с синими полосками. На практике, когда количество пар невелико (4 пары), окраска основного провода полосками цвета дополнительного не применяется. Часто несколько витых пар помещают в одну защитную оболочку (типа телефонного кабеля). Наиболее распространена в ЛВС неэкранированная витая пара стандартов 100BaseT и 1000BaseT с эффективной длиной сегмента – 100 м. Определено 6 категорий на основе UTP (таблица 4.2).

Таблица 4.2

Категории кабельных соединений на неэкранированной витой паре.

Категория	Скорость передачи (Мбит/с)	Количество пар	Применяемость
Cat.1	Используется для телефонных коммуникаций и не подходит для передачи данных	1 пара	Телефонная коммуникация
Cat.2	До 4	4 пара	...
Cat.3	До 10	4пары с 9-ю витками на 1 м	Применяется в сетях 10Base-T
Cat.4	До 16	4 пары	Применяется в сетях Token Ring
Cat.5	До 100	4 медных пары	Применяется в сетях 100Base-TX и других, требующих такую скорость.
Cat.5+	Сертифицирован для частоты до 300 МГц включительно. (IEC 46 Commity draft)	4 медных пары	Применяется в сетях 100Base-TX/1000Base-TX.
Cat.6	Сертифицирован для частоты до 600 МГц включительно. (DIN 44312-5 Draft)	4 медных пары	Применяется в сетях 100Base-TX/1000Base-TX.

Два главных физических различия между кабелями Cat.5 и Cat.6 – это количество витков витой пары на единицу длины и толщина оплетки. Длина витка нестандартизирована, но обычно у категории Cat.5e она составляет 1,5 - 2 витка на сантиметр, а у категории Cat.6 количество витков больше 2. Внутри одного кабеля, каждая цветная пара также обладает различной длиной витка, основанной на простых числах. Длины витков подобраны таким образом, чтобы два различных витка никогда не совпадали. Количество витков на каждую цветную пару обычно уникально для каждого производителя. Как можно видеть на рис. 4.8, на 1 дюйм у каждой цветной пары приходится разное количество витков.

Рис. 4.8. Сравнительный анализ скруток Cat.5, Cat.5e и Cat.6.

Во многих кабелях категории Cat.6 имеется нейлоновая нить, которая также уменьшает перекрестные помехи. Хотя нить является необязательной в Cat.5, но некоторые производители все равно добавляют ее. В кабеле Cat.6 нить также необязательна до тех пор, пока кабель проходит тесты стандарта. На картинке выше только кабель Cat-5e содержит нейлоновую нить.

Одной из проблем всех этих кабелей являются перекрестные помехи, т.е. наводки со стороны соседних линий, что может приводить к искажению передаваемых данных. Для уменьшения их влияния используют экран. В кабелях на основе экранированных витых пар каждая пара обматывается фольгой, а сам кабель заключается в медную оплетку, что позволяет передавать данные с более высокой скоростью и на большие расстояния.

Следует отметить еще один классификационный признак для кабелей на основе витых пар, среди которых различают

цельный кабель (Solid TP)
и скрученный кабель (Stranded TP).

Понятие цельного или скрученного кабеля относится к собственно медным проводникам внутри кабеля. Цельный кабель (рис. 4.9, справа) означает, что внутренний проводник представлен в виде единого куска меди, а в скрученных кабелях (рис. 4.9, слева) – из нескольких тонких медных проводников, скрученных вместе.

Рис. 4.9. Скрученный и цельный UTP-кабель.

Для каждого из типов проводников существуют различные приложения и методы использования, но большинству пользователей необходимо обязательно знать только о двух их основных особенностях:

Скрученные (Stranded) кабели являются более гибкими, и их следует использовать там, где кабель будет часто двигаться. Например, вблизи рабочих мест.
Цельный (Solid) кабель не так гибок, зато более долговечен, его можно идеально использовать для постоянных сетей – как на улице, так и внутри помещения.

4.3.2. Компоненты кабельной системы

При построении развитой кабельной системы ЛВС и для упрощения работы с ней используются следующие компоненты:

Коннекторы
Для подключения витой пары к компьютеру используется телефонный коннектор RJ-45, который отличается от используемых в современных телефонах и факсах RJ-11 тем, что имеет 8 контактов вместо 4.
Распределительные стойки и полки
Эти устройства позволяют организовать множество соединений и занимают мало места.
Коммутационные панели
Существуют разные панели расширения. Они поддерживают до 96 портов и скорость передачи до 100 Мбит/с.
Соединители
Представляют собой одинарные или двойные вилки RJ-45 для подключения к панели расширения или настенным розеткам. Обеспечивают скорость до 100 Мбит/с.
Настенные розетки
К этим розеткам можно подключить два или более соединителя.

Достоинством использования компонентов кабельной системы ЛВС является то, что на их основе можно компоновать сети различной топологии. Один из вариантов использования компонентов кабельной системы ЛВС может иметь вид, аналогичный приведенному на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Использование компонентов кабельной системы ЛВС .

При разработке топологии и построении конкретных ЛВС рекомендуется использовать витую пару в тех случаях, если:

есть ограничения на материальные затраты при организации ЛВС;
нужна достаточно простая установка, при которой подключение компьютеров – несложная операция.

Следует воздержаться от использования витой пары, если Вы хотите быть абсолютно уверенными в целостности данных, передаваемых на большие расстояния с высокой скоростью. В этих случаях более надежным является применение оптоволоконного кабеля.

4.4. Оптоволоконный кабель

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов, а не электрических сигналов. Следовательно, его нельзя вскрыть и перехватить данные. Передача по оптоволокну не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости.

В современных коммерческих системах телекоммуникации скорость составляет 2,5 или 10 Гбит/с на один канал передачи данных на расстояние до десяти километров и более.
При этом каждое волокно, используя спектральное уплотнение каналов, может передать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи, исчисляемую уже терабитами в секунду.
Если в 2008 году скорость была — 10,72 Тбит/с, в 2012 — 20 Тбит/с, то в 2014 она уже достигла — 255 Тбит/с. Начиная с 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела существующих технологий и о необходимости кардинальных изменений в этой отрасли.

Основа оптоволоконного кабеля – это оптическое волокно – тонкий стеклянный цилиндр (жила), покрытая слоем стекла, называемого оболочкой и имеющей отличный от жилы коэффициент преломления (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Структура оптоволокна. Рис. 4.12. Оптоволоконный кабель

Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами (рис. 4.12). Жесткость обеспечивает покрытие из пластика, а прочность – волокна кевлара.

Оптоволоконный кабель рекомендуется использовать:

при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью по надежной среде передачи.

Не рекомендуется использовать:

при ограниченности денежных средств;
при отсутствии навыков установки и корректного подключения оптоволоконных сетевых устройств.

4.4.1. Одномодовые и многомодовые оптические волокна

Несмотря на огромное разнообразие оптоволоконных кабелей, волокна в них практически одинаковые. Более того, производителей самих волокон намного меньше (наиболее известны Corning, Lucent и Fujikura), чем производителей кабелей. По типу конструкции, вернее по размеру серцевины, оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ).

Таблица 4.3

Классификация оптоволоконных кабелей.


Оптоволокно
Луч света, направленный в сердцевину будет расспространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела "сердцевина-оболочка"
Одномодовое	Многомодовое
Диаметр сердцевины: 7 - 9 микрон Благодаря малому диаметру достигается передача лишь одной моды электромагнитного излучения, что исключает влияние дисперсионных искажений.	Диаметр сердцевины: 50 микрон (Европа) 65 микрон (США, Япония) Из-за большого диаметра распространяется несколько мод излучения, каждая под своим углом. Поэтому импульсы света испытывают дисперсионные искажения и из прямоугольных превращаются в колоколообразные.
.	Ступенчатое	Градиентное
	Показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно	Показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, что снижает влияние дисперсии на искажение оптического импульса.

В случае многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину, и сигнал на приемнике будет заметно "размазан" по времени.

Из-за этого хрестоматийный тип ступенчатых волокон (рис. 4.13, вариант 1), с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.

На смену ему пришло градиентное волокно (рис.4.13, вариант 2), которое имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рисунке хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.

Рис. 4.13. Одномодовые и многомодовые оптические волокна

В результате более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров, можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Соответственно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна с постоянной плотностью сердечника.

Однако, как бы не были сбалансированы градиентные многомодовые волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании волокон, имеющих достаточно малый диаметр сердечника. В которых, при соответствующей длине волны, будет распространяться один единственный луч.

Реально распространено волокно с диаметром сердечника 8 микрон, что достаточно близко к обычно используемой длине волны 1,3 мкм. Межчастотная дисперсия при неидеальном источнике излучения остается, но ее влияние на передачу сигнала в сотни раз меньше, чем межмодовой или материальной. Соответственно, и пропускная способность одномодового кабеля намного больше, чем многомодового.

Как это часто бывает, у более производительного типа волокна есть свои недостатки. В первую очередь, конечно, это более высокая стоимость, обусловленная стоимостью комплектующих, и требованиями к качеству монтажа.

Таблица 4.4

Сравнение одномодовых и многомодовых технологий.

Параметры	Одномодовые	Многомодовые
Используемые длины волн	1,3 и 1,5 мкм	0,85 мкм, реже 1,3 мкм
Затухание, дБ/км.	0,4 - 0,5	1,0 - 3,0
Тип передатчика	лазер, реже светодиод	светодиод
Толщина сердечника.	8 мкм	50 или 62,5 мкм
Стоимость волокон и кабелей.	Около 70% от многомодового	-
Средняя стоимость конвертера в витую пару Fast Ethernet.	$300	$100
Дальность передачи Fast Ethernet.	около 20 км	до 2 км
Дальность передачи специальных устройств Fast Ethernet.	более 100 км.	до 5 км
Возможная скорость передачи.	10 Гб, и более.	до 1 Гб. на ограниченной длине
Область применения.	телекоммуникации	локальные сети

4.4.2. Особенности применения оптических коннекторов

В разветвленных ЛВС использовать цельное оптоволокно от источника до приемника практически не возможно, поэтому обеспечение мобильности локальной оптической подсети достигается только с применением кроссового оборудования. Проблем передачи световой волны от одного отрезка волокна к другому не избежать. Для многократного и простого подключения оптических линков световоды обычно оконцовываются оптическими коннекторами.

Учитывая, что современные световоды – это микронные технологии, оконцовка волокна представляет собой непростую задачу. Связано это с тем, что в оптических коннекторах могут возникать существенные потери, возникающие при переходе оптического сигнала из одного световода в другой (рис. 4.14).

Потеря мощности и затухание оптической волны возникает при неточной центровке световодов, когда часть лучей просто не переходит в другой световод, или входит в него под углом более критического.
При неполном физическом контакте волокн образуется воздушный зазор – в связи с чем возникает эффект возвратных потерь.
Часть лучей при прохождении прозрачных сред с разной плотностью отражается в обратном направлении. Достигая резонатора, они усиливаются и вызывают искажения сигналов.

Рис. 4.14. Возможные потеря мощности сигнала в оптических коннекторах.

Неидеальная геометрическая форма волокн также вносит вклад в потери мощности (рис. 4.15). Это может быть элиптичность световода, нецентричность его сердцевины. Торец самого световода может содержать деформации: сколы и шероховатости, что в свою очередь уменьшает рабочую поверхность соприкосновения волокн.

Рис. 4.15. Неидеальность геометрической формы волокн.

Для исключения существенных потерь необходимо точно и плотно совместить оба световода. Чтобы обеспечить сохранность хрупкого волокна при многократном совмещении, их оконечные отрезки помещают в керамические, пластмассовые или стальные наконечники. Внутри наконечников существует канал, в который вводится и фиксируется химическим или механическим способом очищенный от оболочки световод. Для удалении оболочки используют либо специальные механические инструменты, либо химически активные растворы.

Внутри наконечника световод может фиксироваться как по всей длине канала, используя методы на основе клея, так и в точке ввода волокна в наконечник, использея механические методы фиксации (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Методы фиксации волокна внутри наконечника.

Процесс механической фиксации занимает гораздо меньше времени (до нескольких минут) и основан на "придавливании" волокна с помощью полимерных материалов. Но он менее надежен и недолговечен.
При химическом способе чаще всего фиксирующим составом являются эпоксидные растворы, как наиболее надежные. Однако период полного загустевания такого состава весьма продолжителен – до суток. Поэтому для более быстрого монтажа коннекторов могут применяться и другие компоненты или специальные печи для сушки.

Закончив установку световода в коннектор, выступающий излишек волокна удаляют специальными инструментами, надрезая и обламывая световод. После чего шлифуют торец наконечника, приступая к непосредственной полировке его поверхности. Особый интерес вызывает форма торцов наконечников (рис. 4.17). Их обработка представляет собой целое искусство.

Рис. 4.17. Возможные формы торцов наконечников.

Простейший вариант торца – это плоская форма. Ей присущи большие возвратные потери, поскольку вероятность возникновения воздушного зазора в окрестности световодов велика. Достаточно неровностей даже в нерабочей части поверхности торца.
Поэтому чаще всего применяются выпуклые торцы (радиус скругления 10–15мм). При хорошем центрировании плотное соприкосновение световодов гарантируется, а значит более вероятно отсутствие воздушного зазора.
Еще более продвинутым рещением является применение скругления торца под углом в несколько градусов. Скругленные торцы меньше зависят от деформаций, образуемых при соединении коннекторов, поэтому подобные наконечники выдерживают большее количество подключений (от 100 до 1000).

Также важен материал наконечника. Подавляющее число коннекторов строятся на основе керамических наконечников, как более стойких. После оконцовки световодов коннекторами необходимо произвести анализ качества поверхности наконечника. Чаще всего для этого применяются микроскопы. Професcиональные приборы обладают кратностью увеличения в сотни раз и снабжены специальной подсветкой с различных ракурсов. Они могут также иметь интерфейс подключния к дополнительному измерительному оборудованию.

4.4.3. Основные типы оптических коннекторов

Соединение двух оптических коннекторов строится по следующей схеме. Платформой для установки коннекторов служит розетка. Входящие в нее коннекторы фиксируются таким образом, чтобы оси их наконечников были отцентрированы, паралельны и плотно прижаты. Подобные розетки обычно устанавливают в оптические патч-панели, вставки монтажных коробов или в элементы активного сетевого оборудования, например, коммутаторы и маршрутизаторы (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Оптические шнуры 9/125, 50/125, 62,5/125, стоечный оптический кросс и промышлкнные коммутаторы.

Оптические шнуры (patch cord - шнур соединительный, англ.) – это отрезки оптического кабеля с коннекторами на обеих концах. Их используют для коммутации двух распределительных устройств (кроссов), либо для связи распределительных устройств с активным оборудованием. Обычно все соединительные патч корды маркируются цветом по общепринятому международному стандарту:

одномодовые 9/125 (SM - single mode) шнуры – желтым цветом;
многомодовые 50/125 (MM - multi mode) шнуры – оранжевым цветом;
многомодовые 62.5/125 (MM - multi mode) шнуры – серым цветом.

Типы коннекторов являются признаком, который определяет будущее назначение оптического патч-корда. В зависимости от установленных коннекторов различают два типа оптических патч кордов:

Соединительный патч-корд (на разных концах коннекторы одного типа);
Переходной патч-корд (на разных концах коннекторы разных типов).

Существуют оптические шнуры на основе дуплексного (duplex) и симплексного (simplex) оптического кабеля. Для оконцовки оптического кабеля используются разные типы коннекторов, которые различаются допустимым уровнем потерь мощности передаваемого сигнала (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Потери мощности сигнала в разных коннекторах.

ST-коннекторы (от англ. Straight Tip – прямой разъем)
Коннекторы различаются не только применяемыми наконечниками, но и типом фиксации конструкции в розетке. Самым распространенным в ЛВС является ST-тип коннектора. Керамический наконечник имеет цилиндрическую форму диаметром 2.5 мм со скругленным торцом. Фиксация производится за счет поворота оправы вокруг оси коннектора, при этом вращения основы коннектора отсутствуют (теоретически) за счет паза в разъеме розетки. Направляющие оправы сцепляясь с упорами ST-розетки при вращении вдавливают конструкцию в гнездо. Пружинный элемент обеспечивает необходимое прижатие.

Слабым местом ST-технологии является вращательное движение оправы при подключении/отключении коннектора. Оно требует большого жизненного пространства для одного линка, что важно в многопортовых кабельных системах. Более того, вращения наконечника отсутствуют только теоретически. Даже минимальные изменения положения последнего влекут рост потерь в оптических соединениях. Наконечник выступает из основы конструкции на 5-7 мм, что ведет к его загрязнению.
Рис. 4.20. Общий вид ST-коннектора.
SC-коннекторы (от англ. Subscriber Connector – абонентский разъем),
Слабые стороны ST-коннекторов в настоящее время решают за счет применения SC-технологии. Сечение корпуса имеет прямоугольную форму. Подключение/отключение коннектора осуществляется поступательным движением по направляющим и фиксируется защелками. Керамический наконечник также имеет цилиндрическую форму диаметром 2.5 мм со скругленным торцом, а некоторые модели имеют скос поверхности. Наконечник почти полностью покрывается корпусом и потому менее подвержен загрязнению нежели в ST-конструкции. Отсутствие вращательных движений обуславливает более осторожное прижатие наконечников.

В некторых случаях SC-коннекторы применяются в дуплексном варианте. На конструкции могут быть предусмотрены фиксаторы для спаривания коннекторов, или применяться специальные скобы для группировки корпусов. Коннекторы с одномодовым волокном обычно имеют голубой цвет, а с многомодовым серый.
Рис. 4.21. Общий вид SС-коннекторов.
LC-коннекторы
Коннекторы типа LC - это малогаббаритный вариант SC-коннекторов . Он также имеет прямоугольное сечение корпуса. Конструкция исполняется на пластмассовой основе и снабжена защелкой, подобной защелке, применяющейся в модульных коннекторах медных кабельных систем. Вследствие этого и подключение коннектора производится схожим образом. Наконечник изготавливается из керамики и имеет диаметр 1.25 мм.

Встречаются как многомодовые, так и одномодовые варианты коннекторов. Ниша этих изделий - многопортовые оптические системы.
Рис. 4.22. Общий вид LС-коннектора.
FC-коннекторы
В одномодовых системах встречается еще одна разновидность коннекторов. Они характеризуются отличными геометрическими характеристиками и высокой защитой наконечника. Коннектор FC достаточно распространенный тип оптического коннектора на телекоммуникационных сетях, сетях кабельного телевидения, специализированных системах. Также используется в измерительной технике.

Преимуществом коннектора есть резьбовое соединение которое обеспечивает хорошее соединие. Корпус разъема изготовлен из никелированной латуни. Для фиксации на адаптере разъем FC снабжен гайкой с резьбой М8*0.75. Подпружиненный керамический феруль коннектора полностью развязан от корпуса разъема и оболочки кабеля, что гарантирует высокую механическую надежность соединения.
Рис. 4.23. Общий вид FС-коннектора.
FDDI-коннекторы
Для подключения дуплексного кабеля могут использоваться не только спаренные SC-коннекторы. Часто в этих целях применяют FDDI-коннекторы. Конструкция исполняется из пластмассы и содержит два керамических наконечника. Для исключения неправильного подключения линка коннектор имеет несимметричный профиль.

Технология FDDI предусматривает четыре типа используемых портов: A, B, S и M. Проблема идентификации соответствующих линков решается за счет снабжения коннекторов специальными вставками, которые могут различаться по цветовой гамме или содержать буквенные индексы. В основном данный тип используется для подключения к оптическим сетям оконечного оборудования.
Рис. 4.24. Общий вид FDDI-коннекторов.
MT-RJ-коннекторы
Области применения этих коннекторов – это проводка в зданиях (горизонтальная и backbone), ЛВС и телекоммуникационные сети. Особенность этого типа в том, что размер и конструкция защелки коннектора аналогичны разъемам RJ-45.

Разработка коннектора MT-RJ преследовала решение следующих задач: малый размер, низкая стоимость и простота установки. Использование коннектора MT-RJ увеличивает плотность портов в два раза по сравнению со стандартными коннекторами и делает его идеальным для использования в приложениях типа fiber-to-the-desk. Дизайн коннектора соответствует требованиям TIA (рис. 4.25).

В коннекторе MT-RJ используется улучшенная версия индустриального стандарта для коннекторов типа RJ-45. Именно малый размер и удобство защелки аналогичной RJ-45 определяют преимущества данного коннектора при использовании в горизонтальной проводке до рабочего места.

Особенностью системы MT-RJ от Molex является использование различных PN для коннекторов модификации «папа» (с направляющими штырьками, выступающими из ферула) и «мама» (с дырочками под штырьки). Имеются две модификации адаптера, одна из которых устанавливается в гнездо для симплексного SC адаптера.
Рис. 4.25. Общий вид MT-RJ-коннекторов.

4.5. Узкополосная и широкополосная передачи сигналов

В современных компьютерных сетях для передачи кодированных сигналов по сетевому кабелю наибольшее применение находят две наиболее распространенные технологии:

узкополосная передача сигналов;
широкополосная передача сигналов.

Узкополосные (baseband) системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты (рис. 4.26). Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля.

Рис. 4.26. Узкополосная передача.

Полоса пропускания – это разница между max и min частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно их передавать и принимать.

Широкополосные (broadband) системы передают данные в виде аналогового сигнала, который использует некоторый интервал частот (рис. 4.27). Сигналы представляют собой непрерывные (а не дискретные) электронные или оптические волны. При таком способе сигналы передаются по физической среде в одном направлении.

Рис. 4.27. Широкополосная передача.

Если обеспечить необходимую полосу пропускания, то по одному сетевому кабелю одновременно можно передавать несколько сигналов (например, кабельного телевидения, телефона и передача данных).

Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства (в том числе и компьютеры) настраиваются так, чтобы работать с выделенной им частью полосы пропускания.

Рис. 4.28. Частотное разделение каналов (FDM).

Современные технологии передачи данных используют частотное разделение сигналов, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных потоков, после чего каждый из них передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал.

При использовании обычного частотного мультиплексирования (FDM - Frequency-Division Multiplexing) защитные интервалы (Guard Band) между поднесущими, необходимые для предотвращения взаимного влияния сигналов, довольно велики (рис. 4.28), поэтому доступный спектр используется не очень эффективно.

В случае же ортогонального частотно-разделенного мультиплексирования (OFDM) центры поднесущих частот размещены так, что пик каждого последующего сигнала совпадает с нулевым значением предыдущих (рис. 4.29а). Такая схема позволяет более эффективно использовать доступную полосу частот. Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они еше претерпевают и фазовую модуляцию, определяемую своей последовательностью бит. После этого все они проходят через мультиплексор и собираются в единый информационный пакет.

Рис. 4.29. Ортогональное частотно-разделенное мультиплексирование (ОFDM).

Аналогичные технологии используют не только в радиоканалах, но и в оптических средах передачи данных. Основным принципом технологии WDM (Wavelength-division multiplexing, спектральное уплотнение или уплотнение по длине волны) является возможность передавать в одном оптическом волокне множество сигналов на различных несущих длинах волн (рис. 4.29б).

В российском телекоме системы передачи, созданные с помощью технологии WDM, называют «системы уплотнения». Существуют несколько типов WDM-систем.

Один из них – это CWDM (Coarse Wavelength-division multiplexing, грубое частотное разделение каналов) – системы с разносом оптических несущих на 20 нм (2500 ГГц). Рабочий диапазон 1261-1611 нм, в котором можно реализовать до 18 симплексных каналов.
DWDM (Dense Wavelength-division multiplexing, плотное частотное разделение каналов) – системы с разносом оптических несущих на 0,8 нм (100 ГГц). Имеют два рабочих диапазона – 1525-1565 нм и 1570-1610 нм, в которых можно реализовать до 44-х симплексных каналов.

В широкополосной системе сигнал передается только в одном направлении. Для возможности приема и передачи каждым из устройств необходимо обеспечить два пути прохождения сигнала. Для этого можно:

либо использовать два кабеля;
либо разбить полосу пропускания кабеля на два канала, которые работают с разными частотами: один канал на передачу, другой – на прием.

4.6. Кодирование сигналов

Данные, хранимые в РС и передаваемые между ними в ЛВС, представляются в цифровом виде (рис. 4.30). Каждое информационное сообщение (пакет) – это строка битов, содержащая закодированную информацию.

Рис. 4.30. Процесс передачи информации.

Так как кабель содержит всего две проводящие жилы, то в каждый момент времени по нему можно передать только один бит информации (последовательная передача данных).

При широкополосной передаче цифровые данные РС перед передачей по сетевому кабелю преобразуются в аналоговый несущий сигнал синусоидальной формы:

Это преобразование называется модуляцией. В зависимости от того, какой из параметров данного сигнала изменяется различают три типа модуляции: амплитудную, частотную и фазовую. Рассмотрим первые два из них.
- При амплитудной модуляции (АМ) используется несущий сигнал постоянной частоты (ω₀). Для передачи бита со значением «1» передается волна несущей частоты. Отсутствие сигнала означает передачу бита «0», то есть:
  
  При частотной модуляции (ЧМ) используется сигнал несущей с двумя частотами. В этом случае бит «1» представляется сигналом несущей частоты ω₁, а бит «0» – сигналом частоты ω₂, то есть:
Обратный процесс - процесс преобразования аналогового сигнала в цифровые данные на РС, которая принимает переданный ей модулированный сигнал называется демодуляцией.
Рис. 4.31. Варианты кодирования сигналов.
При узкополосной передаче используется двуполярный дискретный сигнал. При этом кодирование в сетевом адаптере передающей РС цифровых данных в цифровой сигнал выполняется напрямую.
Наиболее простым и часто используемым является кодирование методом без возврата к нулю (NRZ – Non Return to Zero), в котором бит «1» представляется положительным напряжением (H – высокий уровень), а бит «0» – отрицательным напряжением (L – низкий уровень). То есть, сигнал всегда выше или ниже нулевого напряжения, откуда и название метода. Иллюстрация изложенных методов кодирования сигналов приведена на рис. 4.31.

Как при передаче аналоговых, так и цифровых сигналов, если следующие друг за другом биты равны (оба «0» или оба «1»), то трудно сказать, когда кончается один и начинается другой. Для решения этой задачи приемник и передатчик надо синхронизировать, т. е. одинаково отсчитывать интервалы времени.

Это можно выполнить либо введя дополнительную линию для передачи синхроимпульсов (что не всегда возможно, да и накладно), либо использовать специальные методы передачи данных: асинхронный или автоподстройки.

4.7. Асинхронная передача и автоподстройка

При низких скоростях передачи сигналов используется метод асинхронной передачи, при больших скоростях эффективнее использовать метод автоподстройки. Как передатчик, так и приемник снабжены генераторами тактовых импульсов, работающими на одной частоте. Однако невозможно, чтобы они работали абсолютно синхронно, поэтому их необходимо периодически подстраивать. Аналогично обыкновенным часам, которые необходимо периодически корректировать.

При асинхронной передаче генераторы синхронизируются в начале передачи каждого пакета (или байта) данных и предполагается, что за это время не будет рассогласования генераторов, которые бы вызвали ошибки в передаче. При этом считается, что все пакеты одной длины (например, байт). Синхронизация тактового генератора приемника достигается тем, что:

перед каждым пакетом (байтом) посылается дополнительный «старт-бит», который всегда равен «0»;
в конце пакета посылается еще один дополнительный «стоп-бит», который всегда равен «1».

Если данные не передаются, линия связи находится в состоянии «1» (состояние незанятости). Начало передачи вызывает переход от «1» к «0», что означает начало «старт-бита». Этот переход используется для синхронизации генератора приемника. Поясним этот процесс временной диаграммой (рис. 4.32):

Рис. 4.32. Асинхронная передача.

При передаче с автоподстройкой используется метод Манчестерского кодирования, при котором:

тактовый генератор приемника синхронизируется при передаче каждого бита;
и следовательно, можно посылать пакеты любой длины.

Синхронизация сигнала данных достигается обеспечением перехода от «H»-уровня к «L»-уровню или наоборот, в середине каждого бита данных (рис. 4.33). Эти переходы служат для синхронизации тактового генератора приемника. Биты данных кодируются: «0» – при переходе от «L» к «H» и «1» – при переходе «H» к «L».

Рис. 4.33. Передача с автоподстройкой.

Если информация не передается, в линии данных нет никаких переходов и тактовые генераторы передатчика и приемника рассогласованы.

При этом виде кодирования переходы происходят не только в середине каждого бита данных, но и между битами, когда два последовательных бита имеют одно и то же значение.

После простоя линии необходима предварительная синхронизация генератора, которая достигается посылкой фиксированной последовательности битов (преамбула и биты готовности).

Например, можно использовать преамбулу из восьми битов: 11111110, где первые 7 битов используются для начальной синхронизации, а последний – для сообщения приемнику, что преамбула окончилась, т. е. далее пойдут биты данных.

4.8. Плата сетевого адаптера (СА)

Плата сетевого адаптера выступает в качестве физического интерфейса или соединения между компьютером и сетевым кабелем. Платы вставляются в слоты расширения системной шины всех сетевых компьютеров и серверов. Назначение платы сетевого адаптера:

подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;
передача (или прием) данных другому компьютеру;
управление потоком данных между компьютером и кабельной системой.

Рассмотрим кратко основные функции платы сетевого адаптера:

Подготовка данных.
Плата сетевого адаптера принимает циркулирующие по системной шине параллельные данные, организует их для последовательной (побитовой) передачи.

Этот процесс завершается переводом цифровых данных компьютера в электрические или оптические сигналы, которые и передаются по сетевым кабелям. Отвечает за это преобразование трансивер.
Сетевой адрес.
Помимо преобразования данных плата СА должна указать свой адрес, чтобы ее можно было отличить от других плат. За каждым производителем СА закреплен стандартом IEEE некоторый интервал адресов. Производители «прошивают» эти адреса в микросхеме плат. Благодаря этому, каждый СА и, следовательно, каждый сетевой компьютер имеет уникальный адрес в сети.

При передаче данные из памяти компьютера через системную шину поступают в СА. Обычно они поступают быстрее, чем их способна передать плата СА, поэтому она должна иметь буфер для их временного хранения. Это позволяет согласовать скорости передачи по шине без потерь производительности и искажения данных.
Передача и управление данными.
Перед посылкой данных по сети плата СА проводит «электронный диалог» с принимающим СА, во время которого они «оговаривают»:
- максимальный размер блока передаваемых данных;
- объем данных, передаваемый без подтверждения о получении;
- интервалы между передачами блоков;
- объем данных, который может принять СА, не переполняясь;
- скорость передачи данных.
Все эти действия каждый СА выполняет в строго определенной последовательности в соответствие со строго определенными правилами, которые называются протоколами и подробно будут рассматриваться ниже.
Сетевые кабели и соединители.
Каждый тип кабеля имеет различные сетевые характеристики, которым должен соответствовать и СА. Поэтому платы СА рассчитаны на работу с определенным видом кабеля (коаксиал, витая пара и т. д.). Некоторые СА могут содержать несколько типов соединителей для различных физических сред.

Источник: habarov.spb.ru