Тема 2. Базовые сетевые технологии

Занятие 1: «Среды передачи данных»

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

Основные понятия и определения.

Искусственные среды передачи данных.

Естественные среды передачи данных.

УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ:

· Дать систематизированные основы научных знаний об особенностях применения искусственных и естественных сред для передачи данных.

· Стимулировать активную познавательную деятельность студентов и способствовать формированию их логического и творческого мышления.

ВРЕМЯ - 4 академических часа.

МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ - лекционная аудитория.

УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ – Мультимедийный видеопроектор, экран со стойкой, ПЭВМ с установленным программным обеспечением: ОС Windows XP | 7 | Vista, полный пакет Microsoft Office 2007.

 

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ

1. Основные понятия и определения.

Под средой передачи данных понимают физическую субстанцию, по которой происходит передача электрических либо световых сигналов, использующихся для переноса той или иной информации, представленной в цифровой форме.

Среды передачи данных могут быть естественными и искусственными.

Искусственные среды – такие среды передачи данных, которые были специально изготовлены для использования в качестве среды передачи данных. Представителями искусственной среды являются, например, электрические и оптоволоконные (оптические) кабели.

Естественные среды – это существующие в природе среды; чаще всего естественной средой для передачи сигналов является атмосфера Земли, но возможно также использование других сред – безвоздушного пространства, воды, грунта, корабельного корпуса и т.д.

Искусственные среды передачи данных.

Типичными и наиболее распространенными представителями искусственной среды передачи данных являются кабели, основными из которых являются волоконно-оптический (fiber) кабель, коаксиал (coaxial) и витая пара (twisted pair).

При этом и коаксиал, и витая пара для передачи сигналов используют металлический проводник, а волоконно-оптический кабель – световод, сделанный из стекла или пластмассы.

В редких случаях, помимо оптических волокон, для передачи слаботочных сигналов в электронике применяют углеродные волокна (carbon fibers). Такая "экзотическая" среда применяется, в частности, для соединения усилителей мощности с акустическими колонками класса high-end (считается, что электрический сигнал, передаваемый по такому "акустическому" кабелю, испытывает меньшее рассеяние, чем в металлическом кабеле). В такой аппаратуре применяют также кабели из серебра, что обеспечивает получение так называемого "серебряного" звучания.

Рассмотрим подробнее основные виды кабельных систем.

Коаксиальный кабель.

Коаксиальный кабель (coaxial, от co - совместно и axis - ось) представляет собой два соосных гибких металлических проводника, разделенных диэлектриком.

Коаксиальный кабель состоит из нескольких частей, проиллюстрированных на рис. 1.

Рис.1. Структура коаксиального кабеля.

Внутри кабеля размещена центральная жила (проводник, сигнальный провод, линия, носитель сигнала, внутренний проводник), окруженная изоляционным материалом (диэлектриком). Указанный слой изоляции охвачен тонким металлическим экраном. Ось металлического экрана совпадает с осью внутреннего проводника – отсюда и следует название "коаксиал". И, наконец, внешней частью кабеля является пластиковая оболочка.

Центральная жила может состоять из одного сплошного проводника (одножильный коаксиал) или нескольких, являющихся одним проводником (многожильный коаксиал). Она обычно выполнена из меди, медного сплава с оловом или серебром; алюминия или стали с медным покрытием.

Диэлектрик – полиэтилен или тефлон с воздушной прослойкой или без нее.

Экран может быть выполнен в виде фольги или оплетки.

Проводной экран изготавливается из поливинилхлорида или полиэтилена (noplenun), тефлона или кинара (plenun).

Внешний экран может быть выполнен из фольги, оплетки или из их комбинаций. Возможна также многослойная (например, четырехслойная) защита.

Существует несколько размеров коаксиального кабеля. Различают толстый (диаметром 0.5 дюйма) и тонкий (диаметром 0.25 дюйма) коаксиальные кабели. Толстый коаксиал более крепкий, стойкий к повреждению и может передавать данные на более длинные расстояния, но недостатком такого кабеля является сложность его подсоединения.

Заметим также, что существуют такие разновидности коаксиального кабеля, как твинаксиал, тринаксиал, quad-кабель и т.д.

Двужильный или твинаксиальный (twinaxial) кабель - коаксиал с двумя проводящими жилами, каждая из которых помещена в свой собственный слой диэлектрика.

Триаксиальный (triaxial) кабель отличается от коаксиального тем, что содержит дополнительный медный экранирующий слой, который располагается между обычным экранирующим слоем и внешним покрытием.

Квадраксильный (quadrax) кабель - кабель, содержащий две жилы подобно твиаксиальному и окруженный подобно триаксиальному дополнительным экранирующим проводящим слоем.

Важное достоинство коаксиального кабеля – его способность передавать в один и тот же момент множество сигналов. Каждый такой сигнал называется каналом. Все каналы организуются на разных частотах, поэтому они не мешают друг другу.

Коаксиал обладает широкой полосой пропускания; это означает, что в ней можно организовать передачу трафика на высоких скоростях. Он также устойчив к электромагнитным помехам (по сравнению с витой парой) и способен передавать сигналы на большое расстояние. Кроме того, с технологией передачи сигналов по коаксиальному кабелю хорошо освоились многие поставщики и инсталляторы как кабельных систем, так и различных сетей передачи данных.

Витая пара.

Витая пара (TP - twisted pair) – кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание осуществляется для уменьшения внешних наводок (наводок от внешних источников) и перекрестных наводок (наводок от одного проводника другому проводнику из одной и той же пары). Часто кабель на витой паре (точнее, на нескольких, как правило, 4 витых парах) называют просто "витая пара", хотя, конечно, это – профессиональный жаргон. Витая пара была изобретена Александром Беллом в 1981 году.

В последние несколько лет производители витой пары научились передавать данные по своим кабелям с высокими скоростями и на большие расстояния. Некоторые из первых локальных сетей на персональных компьютерах, например, Omninet или 10Net, использовали витую пару, но могли передавать данные только со скоростью 1 Мбит/с. В 1984 году, когда была представлена сеть Token Ring, она обладала способностью пересылать данные со скоростью 4 Мбит/с по экранированной витой паре. А в 1987 году отдельные производители заявили, что сеть Ethernet может пересылать данные по неэкранированной витой паре, но компьютеры должны быть размещены на расстоянии, равном приблизительно 300 футов, а не 2000 футов, как было разрешено для соединения с помощью толстого коаксиального кабеля. Современные достижения сделали возможной передачу данных по кабелю на витой паре со скоростью 1 Гбит/с (по 250 Мбит/с в каждой из 4 пар).

По сравнению с волоконно-оптическими и коаксиальными кабелями, использование витой пары обладает рядом существенных преимуществ. Такой кабель более тонкий, более гибкий и его проще устанавливать. Он также недорог. И вследствие этого, витая пара является идеальным средством передачи данных для офисов или рабочих групп, где нет электромагнитных помех.

Однако, витая пара обладает следующими недостатками: сильное воздействие внешних электромагнитных наводок, возможность утечки информации и сильное затухание сигналов. Кроме того, проводники витой пары подвержены поверхностному эффекту - при высокой частоте тока, электрический ток вытесняется из центра проводника, что приводит к уменьшению полезной площади проводника и дополнительному ослаблению сигнала.

Несмотря на то, что существует несколько типов витой пары, такие разновидности как экранированная (STP - shielded twisted pair) и неэкранированная (UTP - unshielded twisted pair) являются самыми важными. При этом кабель UTP не содержит никаких экранов, а кабель STP может иметь экран вокруг каждой витой пары и, в дополнение к этому, еще один экран, охватывающий все витые пары (кабель S-STP). Применение экрана позволяет повысить помехоустойчивость.

Структура кабеля на витой паре представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структура витой пары.

Материалы, используемые при изготовлении витой пары, аналогичны материалам, используемым при изготовлении коаксиального кабеля.

Стандарты TIA/EIA-568, 568А определяют категории для витой пары. Существуют 7 таких категорий. Самая младшая (Категория 1) соответствует аналоговому телефонному каналу, а старшая (Категория 7) характеризуется максимальной частотой сигнала в 600 МГц, при этом Категории 1…3 выполняются на UTP, а 4…7 - UTP и STP.

Многие специалисты высказывают сомнения по поводу целесообразности введения 7 категории, так как стоимость кабеля, соответствующего данной категории, приравнивается к стоимости волоконно-оптических кабелей, в то время как ведутся работы по созданию более дешевых волоконно-оптических кабелей.