Сетезависимые и сетенезависимые уровни.

Сетезависимые: физический, канальный, сетевой. Эти уровни связаны с технической реализацией.

Сетенезависимые: сеансовый, представительный, прикладной. Ориентированы на приложения.

Промежуточный: транспортный. Он скрывает детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет создавать приложения не зависящие от технических средств.

Линии связи

Это среда, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратура, которая генерирует сигналы и промежуточная аппаратура.

Аппаратура передачи данных (АПД / DCE Data Circuit Terminating Equipment) – это модем, сетевой адаптер, устройства подключения к цифровым каналам.

Промежуточная аппаратура. Используется на линиях большой протяженности. Ее задачи:

· улучшить качество сигнала (повторитель),

· создать постоянный составной канал связи (коммутатор, мультиплексор).

Вся эта аппаратура прозрачна для пользователя. В зависимости от типа этой аппаратуры линии связи делятся на аналоговые (передаваемые сигналы имеют непрерывный диапазон значений) и цифровые (сигнал имеет конечное число состояний).

Тип среды. В зависимости от типа среды линии связи делятся на:

· Проводные (воздушные). Это провода без изоляции и экранирующих оплеток. По ним традиционно передаются телефонные и телеграфные сигналы.

· Кабельные (медные copper cable и волоконно-оптические fiber-optic cable)

Кабель состоит из проводников, заключенных в изоляцию (электрическую, электромагнитную, механическую). Типы кабеля:

¨ Витая пара. Twisted Pair ТР. Это скрученные медные провода. Экранированная, если провода обернуты в изоляционный экран, и неэкранированная.

¨ Коаксиальный кабель. Состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной слоем изоляции (кабельное телевидение).

¨ Волоконно-оптическй кабель, состоит из тонких волокон 5-60 микрон, по которым распространяются световые сигналы.

· Радиоканалы наземной и спутниковой связи. Образуются передатчиком и приемником радиоволн. Существует большое количество радиоканалов – короткие, средние, длинные волны, УКВ и СВЧ диапазоны.

Изначально конкретная технология была тесно связана с конкретным типом кабеля и топологией (Ethernet – коаксиальный кабель+шина, Token Ring – лог. кольцо, физ. звезда + STP). Т.о. кабельное хозяйство было жестко привязано к сетевой технологии. В настоящее время наблюдается тенденция использования физической звездообразной топологи для реализации любой логической топологии. Самыми распространенными кабелями стало UTP и оптоволокно.

Физическая топология и тип кабеля стали независимы от технологии передачи данных. Предлагается создать коммуникационную инфраструктуру здания, а сетевая технология станет приложением кабельной системы. Так возникли открытые структурированные кабельные системы (СКС).

Стандарты кабельных систем приняты в 1995 году. В них описаны.стандарты телекоммуникационных кабельных систем жилых зданий и малых коммерческих зданий. Наиболее употребимы следующие стандарты:

· Американский стандарт EIA/TIA-568-A

· Международный стандарт ISO/IEC 11801

· Европейский стандарт CENELEC EN50173

· Стандарт компании IBM

СКС – это универсальные кабельные проводки локальных сетей, без привязки к конкретной технологии. Цель СКС:

· определить общую кабельную систему для передачи голоса и данных, которая поддерживает подключение аппаратуры различных производителей,

· обеспечить планирование и установку СКС, удовлетворяющую различным требованиям персонала,

· установить критерии пропускной способности и технические характеристики различных типов кабеля. Стандарт описывает электрические, оптические и механические характеристики кабеля. Он не оговаривает, для какого протокола предназначен кабель. Это протоколы поддерживают или нет определенные типы кабелей.

Характеристики линий связи

Характеристики линий связи проверяются на эталонных воздействиях, часто это синусоидальные сигналы различной частоты.

Любой периодический сигнал можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и амплитуд. Например, для последовательности прямоугольных импульсов это разложение вычисляется на основании формул Фурье. Каждая такая синусоида называется гармоникой. Этот набор гармоник – спектральное разложение сигнала. Спектр можно найти, используя спектральный анализатор. Проходя по линиям связи, сигнал искажается. Особенно искажаются низко- и высокочастотные гармоники. Желательно знать, при каких частотах сигнал доходит без искажений.

1. Амплитудно-частотная характеристика. Показывает, как изменяется амплитуда выходного сигнала по сравнению с получаемым для разных частот.

Знание этой характеристики позволит определить форму выходного сигнала. Для этого надо преобразовать составляющие его гармоники и сложить их. Трудность в том, что тестировать надо весь диапазон частот с мелким шагом. Поэтому на практике используются полоса пропускания и затухание.

Рис.5 Амплитудно-частотная характеристика

· Полоса пропускания, Гц. Это диапазон частот, в котором отношение амплитуд входного и выходного сигналов не превышает заданную величину (обычно 1/2). Главное, чтобы гармоники сигнала укладывались в полосу пропускания.

· Затухание, децибел, 10 lg P_вых/P_вход, Р– мощность. P_вых/P_вход=(А_вых/А_вход)². Эта величина всегда отрицательная. Нужно затухание на частоте передаваемого сигнала (гармоника имеет самую большую амплитуду). Начальная скорость сигнала 60-80% от скорости света уменьшается из-за рассеивания части энергии. С повышением частоты затухание увеличивается

Затухание 6 дБ соответствует уменьшению амплитуды в 2 раза (мощности в 4 раза), 10 дБ – в 3,5 раза (мощности в 10 раз)

Витая пара кат 5 имеет затухание – не ниже 23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100м. Выбрана эта частота, так как этот кабель используется для высокоскоростной передачи.

Витая пара кат 3 имеет затухание – не ниже 11,5 дБ для частоты 10 МГц при длине кабеля 100м

2. Пропускная способность, бит/с. Характеризует макс скорость передачи данных. Зависит не только от АХЧ, но и от спектра передаваемых сигналов. Если спектр укладывается в полосу пропускания, то такой сигнал хорошо передается. Спектр сигнала зависит от способа физического кодирования.

Связь между пропускной способностью и полосой пропускания

1. Формула Шеннона С=F log₂ (1+P_c/P_ш)

С–макс пропускная способность, бит в сек

F–ширина полосы пропускания в Гц

P_c – мощность сигнала

P_ш – мощность шума

2. Формула Найквиста С=2F log₂ М

М–количество состояний информационного параметра.

Пусть передается последовательность 11011100101101

При М=0 ее можно передать за 14 тактов, а при М=4 за 7 тактов.

 

Рис. 6 Повышение скорости передачи

3. Помехоустойчивость. Способность уменьшать уровень эл. магнитных помех. Зависит от физической среды. Наиболее помехоустойчивы волоконно-оптические линии, наименее – радиолинии. Для уменьшения помех используют экранирующие оплетки.

4. Достоверность передачи данных. Это вероятность искажения бита данных при передаче. При этом не учитываются свойства протоколов корректировать ошибки. (Величина равная 10–4 означает, что из 10000 бит один исказится).

5. Удельная стоимость

6. Наиболее важные электромагнитные характеристики:

· Затухание, дБ. Погонное затухание. Уменьшается с частотой.

· Волновое сопротивление (импеданс). Измеряется в Ом. Зависит от частоты. При не соответствии этого сопротивления у линии и приемника возникают отражения сигнала. Это измеряется возвратными потерями. Они должны быть большими.

· Активное сопротивление. Сопротивление постоянному току. Измеряется омметром. пропорционально длине, обратно пропорционально сечению.

· Емкость. Способность проводника накапливать заряд. Стараются ее уменьшить, чтобы не искажался сигнал.

· Перекрестные наводки на ближнем конце (NEXT near end cross talk loss). Для витой пары паразитные емкости и индуктивности дают помеху, которая принимается за сигнал NEXT=20 log А_помехи/А_{сигнала} Уменьшается от шага скрутки. Увеличиваются с частотой.

Такие характеристики как пропускная способность и достоверность передачи данных зависят от протокола физического уровня.

Кабели

1. Витая пара. Используется во всех сетевых технологиях. Сети на основе витой пары основаны на звезде. Расстояние от активного хаба до компьютера 100 метров. Скрученная пара проводов по своим физическим свойствам существенно отличается от пары проводов, идущих параллельно. У ВП, чем мельче шаг скрутки (8 витков на 1 метр), тем меньше перекрестные помехи и больше погонное затухание.

Неэкранированная ВП (UTP Unshielded ТР) – кабель заключен в общий экран, но пары не имеют индивидуальных экранов. Волновое сопр. –100 (120) Ом

Согласно стандарту EIA/TIA 568 разделяют 5 категорий

Таблица 4. Категории UTP

Кат.	Класс линии	Полоса частот, МГц	Применение
	А	0,1	Аналоговая телефония
	B		Цифровая телефония, 4 Mбит/сек, 4 пары проводов
	C		10Base-T (Ethernet), 10 Mбит/сек
			Token Ring, 16 Mбит/сек
	D		100Base-TX (Fast Ethernet) 100 Mбит/сек
5e	D		1000Base-TX (Gigabit Ethernet), 100 Mбит/сек
	E1		Не стандартизованы
	F1

 

Экранированная ВП (STP Shielded ТР) – каждая пара обязательно имеет индивидуальный экран.

Основной стандарт – фирменный стандарт компании IBM. В нем 9 типов, причем относительно кабелей всех типов.

Таблица 5. Категории STP

Тип	Конструкция	Применение
Type 1	Одножильный. 2 пары скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которая заземляется +общий плетеный экран. Волновое сопр. 150 Ом.	Стационарная проводка Token Ring. Этот кабель имеет лучшие хар-ки, но громоздкий
Type 2	Одножильный. 2 пары + 2 неэкранированных пары для передачи голоса.	Телефония + Token Ring. Стационарная проводка. Очень толстый тяжелый и жесткий
Type 6	Многожильный. 2 пары STP 150 Ом	Шнуры для Token Ring
Type 8	Многожильный плоский. 2 пары STP 150 Ом	Подковерный для Token Ring

 

2. Коаксиальный кабель coaxial cable

Используется в сетевых технологиях Ethernet 10Base5, 10Base2, ARCnet, FDDI, кабельном телевидении, в качестве антенного кабеля. На нем создаются топологии типа шина. Кабель состоит из центральной жилы и оплеток (диэлектрик, металлическая оплетка, внешняя оплетка). В идеале электрическое и магнитное поле остаются внутри кабеля, но реально он излучает и принимает помехи.

Таблица 6. Типы коаксиального кабеля

Кабель	Характеристика	Применение
RG-8 и RG-11	«толстый» коаксиал. Внешний диаметр 0,5 дюйма. Волновое сопр. 50 Ом.	Ethernet 10Base5
RG-58/U сплошной RG-58 A/U многожильный RG-58 C/U военный стандарт	«тонкий» коаксиал. Внешний диаметр 0,2 дюйма. Волновое сопр. 50 Ом, но выше степень затухания. Зато более гибкий.	Ethernet 10Base2
RG-59, RG-6	Волновое сопр. 75 Ом	Кабельное телевидение

 

Таблица 7 Некоторые характеристики коаксиальных сетей

	«тонкий» коаксиал	«толстый» коаксиал
Максимальная длина сегмента	длина сегмента –185 м.	500 м
Число сегментов	5 (сеть строится не более чем на 4 повторителях), не более 30 узлов в сегменте	5, не более 100 узлов в сегменте
Радиус сгиба	не менее 3 диаметров	не менее 5 диаметров
Подключение устройства к сегменту	BNC (British Naval Connector) (BNC –коннектор, T-коннектор, BNC-терминатор, баррел-коннектор)	Трансивер соединяется с жилой спец. коннектором. Интерфейс соединения с сетевой картой AUI (Attachment Unit Interface)

 

3. Волоконно-оптические кабели

Состоит из сердцевины, оптической оболочки – это оптоволокно, далее защитное покрытие и буфер.

Соотношение диаметров сердцевины и оболочки стандартное – 50/125, 100/140, 9,5/125 – измеряются в мкм. В зависимости от траектории распространения света различают одномодовое (SMF single mode fiber) диаметр сердцевины 8 – 9.5 мкм и многомодовое (MMF multi mode fiber) диаметр сердцевины 50 – 62.5 мкм.

В одномодовом кобеле луч идет, не отражаясь от внешнего проводника. Очень широкая полоса пропускания, но трудно изготавливать.

Число мод зависит от конструкции – показателей преломления и толщины сердцевины и оболочки. Режим передачи определяется способом ввода света в волокно. Это осуществляет лазер или светодиод.

Кабели характеризуются высокой скоростью передачи, так как работают с высокой частотой несущей. Эти кабели безразличны к электромагнитным помехам. Хорошо защищены от прослушивания. Прослушать неразрушающим способом очень дорого.

Очень дорогие монтажные работы.

Оптоволокно изготавливается из кварцевого песка. Его запасы по сравнению с медью неисчерпаемы. Оптоволокно долговечно, его время жизни 25 лет.

Таблица 8. Сравнительные характеристики кабелей

	Тонкий коаксиальный	Толстый коаксиальный	Неэкранированная витая пара	Волоконно-оптический кабель
Стоимость	дороже витой пары	дороже тонкого коаксиала	самая дешевая	самый дорогой
Макс. длина сегмента, м				1-5 км
Макс. длина сети, м				зав. от типа ~2000
Скорость передачи, Мбит/с	10 Мбит/с	10 Мбит/с	4–100 Мбит/с	выше 100 Мбит/с
Гибкость	изгиб >3 диаметров кабеля	изгиб >5 диаметров кабеля	самый гибкий	Самый жесткий >10 диам.
Помехоустойчивость	средняя	худшая	лучшая
Полоса пропускания, МГц	шире, чем у ВП	0.1–600 МГц	10Гц-10ГГц
Волновое сопр., Ом