Линии связи в компьютерных сетях презентация

сигналов в линиях связи
Спектральное представление сигналов
Искажения сигнала из-за не идеальности характеристик линии связи
Искажения сигнала, обусловленные помехами
Характеристики линий связи
Амплитудно-частотная характеристика,
Полоса пропускания и затухание сигнала в линии связи
Пропускная способность линии
Помехоустойчивость и достоверность
Типы кабелей
Кабели на основе витых пар
Коаксиальные кабели
Оптоволоконные кабели
Бескабельные каналы связи

     Содержание

используемая для обмена информацией между компьютерами.
В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные линии связи.
Существуют беспроводные (wireless) сети.

в монопольном пользовании отдельных компьютеров, так и разделяемые (shared), когда одна линия связи используется несколькими компьютерами. Во втором случае линией могут пользоваться несколько абонентов. Иначе говоря, в линии связи организуется множество каналов.
Канал – совокупность линии связи и каналообразующей аппаратуры (рис.2).

Рис.2. Образование каналов в линии связи

Существуют разные способы образования/разделения каналов, в числе которых:
временное (TDM), когда абоненты поочередно (в определенном порядке или случайным образом) получают доступ к линии связи;
частотное (FDM), когда абоненты передают информацию в разных, не перекрывающихся частотных диапазонах;
кодовое (CDMA), когда для передачи используются ортогональные* сигналы, каждый из которых соответствует своему абоненту :

*Ортогональными называются сигналы, скалярное произведение которых равно нулю. 

передача бит за битом.
Параллельная передача (в параллельном коде) – передача всех бит одновременно.
В локальных сетях данные, как правило, передаются в последовательном коде, то есть бит за битом.
Последовательная передача медленнее, чем параллельная, когда несколько бит данных (разрядов) передаются одновременно – каждый по своей линии или каналу связи.
Параллельная передача более дорогостоящая. При более быстрой параллельной передаче увеличивается количество соединительных кабелей в n раз, где n - количество разрядов параллельного кода. При этом, если расстояние между абонентами сети значительно, то стоимость кабеля может быть сравнима со стоимостью компьютеров и даже превосходить ее. К тому же проложить один кабель гораздо проще, чем 8,16, 32 или 64. При последовательной передаче дешевле обойдется поиск повреждений и ремонт кабеля.
Передача на большие расстояния требует сложной передающей и приемной аппаратуры: для этого надо формировать мощный сигнал на передающей стороне и детектировать слабый сигнал на приемной стороне. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной передаче количество передатчиков и приемников или частотных каналов в линии связи возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода.

отдельных кабелей были точно равны друг другу, иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. Например, при скорости передачи 100 Мбит/с и длительности бита 10нс этот временной сдвиг не должен превышать (5-10)нс. Такую величину сдвига дает разница в длинах кабелей в (1-2) метра.
Таким образом:
стоимость и сложности прокладки и эксплуатации многопроводных линий связи,
сложность передающей и приемной аппаратуры при параллельной передаче
необходимость обеспечения равной длины отдельных линий,
– все это заставляет сделать выбор в пользу последовательной передачи данных.
Однако, в современных высокоскоростных локальных сетях используют параллельную передачу по 2-4 и более кабелям, что позволяет:
увеличить скорость передачи данных,
при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания.
Допустимая длина кабелей при этом не превышает 100 м.
Примером может служить сегмент 100BASE-T4 сети Fast Ethernet.

претерпевают искажения, обусловленные:
как свойствами линий,
так и действием помех.
Для анализа этих искажений пользуются спектральной моделью сигналов.

представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд и фаз (рис.3),
каждая синусоида называется гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного процесса или спектром,
спектр таких процессов дискретный*,
непериодические и случайные процессы можно представить в виде интеграла синусоид. Спектр таких процессов непрерывный. Например, спектральное разложение одиночного импульса имеет гармоники с частотами от -∞ до +∞ (рис. 4).

*Дискретный спектр состоит из гармоник с дискретными значениями частоты.

для периодической последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и амплитуды), спектр легко вычисляется на основании ряда Фурье.

=1/τ – практическая ширина спектра видеоимпульса)

можно найти с помощью специальных приборов (или программ) - спектральных анализаторов, которые измеряют спектр реального сигнала и отображают распределение амплитуд гармоник спектра на экране или распечатывают их на принтере.

характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рис.5б). Кроме того, на сигнал накладывается аддитивный шум (рис.5в).Вследствие этого на приемном конце линии сигналы плохо распознаются.

Рис. 5. Изменение формы сигнала (а) на выходе линии связи, обусловленное неидеальностью АЧХ и ФЧХ (б) и действием помех (в).

(а) на выходе линии связи, обусловленное неидеальностью АЧХ и ФЧХ (б) и действием помех (в).

происходит из-за того, что ее физические параметры линии связи отличаются от идеальных.
Провода всегда представляют собой распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки (рис. 6). В результате для синусоид различных частот линия будет обладать различным полным сопротивлением, а значит, и передаваться они будут по-разному - с разными задержками и затуханием.
Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения, мешающие идеальному распространению света.
Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то она также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы одинаково хорошо передавали весь спектр синусоид, от нуля до бесконечности.

Рис. 6. Представление проводной/кабельной линии как распределенной индуктивно-емкостной нагрузки

параметрами линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии.
Помехи создают:
электрические двигатели,
электронные устройства,
атмосферные явления и т. д.
Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей и усилительно-коммутирующей аппаратуры, полностью устранить влияние внешних помех не удается. Поэтому сигналы на выходе линии связи обычно имеют сложную форму (как это и показано на рис. 6), по которой трудно понять, какой сигнал был передан по линии.

- сигнал на приемной стороне,
- аддитивная помеха (от слова add – сложение), суммирующаяся с сигналом,
- мультипликативная помеха (от слова multiply – умножать), проявляющаяся в изменении коэффициента передачи канала.

С точки зрения характера воздействия помех на сигнал различают аддитивную и мультипликативную помехи. Их влияние на сигнал обычно описывают следующим выражением:

можно разделить на:
широкополосные (собственные шумы электронной усилительной аппаратуры),
узкополосные (синусоидальная помеха с частотой 50 Гц, проходящая по цепям питания),
Помеха, как случайный процесс, может характеризоваться законом распределения.
Часто, являясь результатом сложения помех разной природы, представляет собой нормальный (гауссовский) случайный процесс с нулевым средним и дисперсией D:

(ФЧХ);
полоса пропускания;
затухание;
пропускная способность;
помехоустойчивость;
перекрестные наводки;
стоимость,
и др.

искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как:
амплитудно-частотная характеристика (АЧХ),
фазо-частотная характеристика (ФЧХ),
полоса пропускания,
затухание на определенной частоте.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость коэффициента передачи* линии от частоты (рис.7).
АЧХ линии связи показывает, как изменяются амплитуды/мощности спектральных составляющих сигнала на выходе линии по сравнению с амплитудами на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.
Идеальная линия связи должна иметь:
равномерную АЧХ,
линейную ФЧХ.
При этом не нарушится соотношение амплитуд и фаз в спектре сигнала, а значит и форма сигнала на выходе линии связи останется неизменной.
Реальная линия – это линия с распределенными параметрами, обладающая распределенным омическим, индуктивным и емкостным сопротивлением. АЧХ такой линии неравномерна, а ФЧХ – не линейна, что приводит к нарушению соотношении амплитуд и фаз в спектре передаваемого сигнала, а значит к изменению его формы.

*под коэффициентом передачи может пониматься отношение амплитуд или мощностей сигнала на выходе и входе)

определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала.
Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуды и фазы составляющих его гармоник в соответствии с АЧХ и ФЧХ , а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники.
Несмотря на полноту информации, предоставляемой АЧХ и ФЧХ о линии связи, ее использование осложняется тем обстоятельством, что получить ее затруднительно. Для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит, количество экспериментов должно быть очень большим. Поэтому на практике вместо АЧХ, ФЧХ применяются другие, упрощенные характеристики - полоса пропускания и затухание

для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному (коэффициент передачи) превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,7.
Полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений (затуханий).
Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание АЧХ.
Ширина (width) полосы пропускания лпределяет максимально возможную скорость передачи данных по линии связи.

сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты.
Затухание характеризует лишь одну точку из АЧХ линии. Обычно известна основная частота передаваемого сигнала, т.е. частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Для более точной оценки нужно знать затухание на нескольких частотах, соответствующих нескольким значимым гармоникам передаваемого сигнала.
Затухание R измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по формуле:

где
Рвых — мощность сигнала на выходе линии,
Рвх — мощность сигнала на входе линии.

 

меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.
Например, кабель на витой паре категории 5 характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, сигналы которых имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц.
Часто оперируют с абсолютными значениями затухания, без указания знака.

этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается значение в 1мВт.
Т.о., уровень мощности р вычисляется по следующей формуле:

где Рc — мощность сигнала в милливаттах,
дБм (dBm) — это единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт).

передачи данных по линии связи.
Измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах, таких как:
килобит в секунду (1 Кбит/с=1000 бит.с),
мегабит в секунду (1 Мбит/с=1000 Кбит/с),
гигабит в секунду (1 Гбит/с=1000Мбит/с) и т. д.
Зависит от полосы пропускания канала: растет с увеличением полосы пропускания (рис.9)

видеоимпульса длительностью τ :
S(f) –спектр импульса, Fc =1/τ – практическая ширина спектра видеоимпульса, K(f) – АЧХ канала

Уменьшение длительности импульса, равносильное увеличению скорости передачи, ведет к расширению спектра, а значит к требованию расширения полосы пропускания.

между полосой пропускания линии связи и и шириной спектра сигнала

Уменьшение полосы ведет к искажению формы сигналов, а значит к увеличению вероятности ошибок и, как следствие, снижению скорости передачи информации и пропускной способности.

Клод Шеннон:

где
С —пропускная способность линии в битах в секунду,
F — ширина полосы пропускания линии в герцах,
Рс — мощность сигнала,
Рш — мощность гассовского шума.

На пути увеличения пропускной способности за счет полосы пропускания F существует предел.
Повысить пропускную способность линии можно:
за счет увеличения мощности передатчика Pc
за счет уменьшения мощности шума (помех) Pш на линии связи.

к формуле Шеннона является соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии:

где М — количество различимых состояний сигнала (его информационного параметра)

передачи за счет дополнительных состояний сигнала

Если сигнал имеет M=2 различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи (рис. 10, а): С=2Flog22=2F.
Если передатчик использует более чем 2 устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например 2 бита при наличии четырех различимых состояний сигнала M=4 (рис. 10,б): С=2Flog24=4F.

для повышения пропускной способности канала достаточно увеличить количество состояний сигнала до значительных величин. Однако, это не так, поскольку формула Найквиста не учитывает наличие шума.
Шум должен учитываться при выборе количества состояний информационного сигнала.
Так, для примера, приведенного на рис. 10, можно увеличить пропускную способность линии еще в 2 раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума превышает разницу между соседними уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума и формула Найквиста может использоваться для определения максимальной скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником в условиях помех.

зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств приемо-передающей аппаратуры на линии.
Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии.
Хорошей помехоустойчивостью обладают кабельные линии.
Отличной помехоустойчивостью — волоконно-оптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению.
Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают.
Применяют методы обработки, повышающие достоверность приема.

Cross Talk - NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого c выхода передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник, то он может принять наведенную внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен

10 log 10Рвых/Рнав,

где Рвых - мощность выходного сигнала, Рнав - мощность наведенного сигнала.

Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары категории 5 показатель NEXT должен быть меньше -27 дБ на частоте 100 МГц.
Показатель NEXT обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин.
Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы.
Оптические волокна также не создают сколь-нибудь заметных помех друг для друга.

является точечной оценкой вероятности битовой ошибки. Этот показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate - BER) или коэффициентом ошибок.
BER=k/N,
N - длина кодограммы или объем контролируемой выборки,
k – число бит, принятых с ошибкой.
Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок составляет, как правило, 10-4-10-6, в оптоволоконных линиях связи — 10-9. Значение BER равное, например, 10-4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.
Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно:
повышать степень помехозащищенности линии и канала,
снижать уровень перекрестных наводок в кабеле,
а также использовать более широкополосные линии связи.

Belden предлагает более 2000 наименований. Все выпускаемые кабели можно разделить на три большие группы:
кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на:
экранированные (shielded twisted pair - STP) и
неэкранированные (unshielded twisted pair - UTP);
коаксиальные кабели (coaxial cable);
оптоволоконные кабели (fiber optic).
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе типа кабеля надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.
В настоящее время действует стандарт на кабели EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), принятый в 1995 году и заменивший все действовавшие ранее фирменные стандарты.

EIA - Electronics Industries Alliance - Альянс отраслей электронной промышленности;
TIA - Telecommunication Industry Association - Ассоциация телекоммуникационной промышленности США.

и на сегодняшний день, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки.
Обычно в кабель входит две витые пары (рис.11) или четыре витые пары.

Рис. 11. Кабель с витыми парами

внешних электромагнитных помех,
слабой защищенностью от подслушивания с целью, например, промышленного шпионажа. Перехват передаваемой информации возможен как с помощью контактного метода (посредством двух иголочек, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей.
Для устранения этих недостатков применяется экранирование.
В экранированной витой паре (STP) каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk - перекрестные наводки).
Экранированная витая пара дороже, чем неэкранированная.
При ее использовании необходимо применять и специальные экранированные разъемы.
Поэтому встречается она реже, чем неэкранированная витая пара.

разъемов на концах кабеля,
простота ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля,
более низкая цена.
Остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей:
затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) больше, чем у коаксиальных кабелей,
слабая защищенность от подслушивания,
низкая помехозащищенность.
Поэтому линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров).
В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 100 Мбит/с и ведутся работы по повышению скорости передачи до 1000 Мбит/с.

пять категорий кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):
Кабель категории 1 - это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь, но не данные. Данный тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания, перекрестных наводок).
Кабель категории 2 - это кабель из витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц. Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок. В настоящее время он используется очень редко. Стандарт EIA/TIA 568 не различает кабели категорий 1 и 2.
Кабель категории 3 - это кабель для передачи данных в полосе часто до 16 MГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины (9 витков/м). Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это самый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. Имеет широкое распространение.
Кабель категории 4 - это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как мало отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. Кабель категории 4 тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом.
Был разработан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5.

совершенный кабель в настоящее время, рассчитанный на высокоскоростную передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков/м (8 витков на фут). Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Применяется в современных высокоскоростных сетях Fast Ethernet, FDDI, 100VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Примерно на 30-50% дороже, чем кабель категории 3.
Современные кабельные системы крупных зданий строятся на этом кабеле.
Кабель категории 6 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 200 МГц.
Кабель категории 7 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, полное волновое сопротивление наиболее совершенных кабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ± 15% в частотном диапазоне от частоты 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Эти требования не очень жесткие. Величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом.

STP волновое сопротивление должно быть по стандарту равно 150 Ом ± 15%. Для согласования импедансов кабеля и оборудования в случае их несовпадения применяют согласующие трансформаторы (Balun). Встречается также экранированная витая пара с волновым сопротивлением 100 Ом, но довольно редко.
Для неэкранированной витой пары волновое сопротивление – 100 Ом.
2. Максимальное затухание сигнала, передаваемого по кабелю (указывается для разных частот). В табл. 1 приведены предельные значения величины затухания для кабелей категорий 3, 4 и 5 для расстояния 1000 футов (305 метров) при температуре окружающей среды 20°С.
Затухание A (dB) вычисляется по формуле:
,
где Pвых, Pвх – мощность сигнала на выходе и входе стандартного отрезка кабеля.
Из табл. 1 видно, что величины затухания на частотах, близких к предельным для всех кабелей значительны, то есть даже на небольших расстояниях сигнал ослабляется в десятки и сотни раз, что предъявляет высокие требования к приемникам сигнала.
3. Величина перекрестной наводки. Она характеризует влияние разных проводов в кабеле друг на друга. В табл. 2 представлены значения допустимой перекрестной наводки на ближнем конце для кабелей категорий 3, 4 и 5 на различных частотах сигнала. Более качественные кабели обеспечивают меньшую величину перекрестной наводки.
4. Максимально допустимая величина рабочей емкости витых пар. Для кабелей категории 4 и 5 она должна составлять не более 17 нФ на 305 метров (1000 футов) при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20o С.

кабеле в расчете на единицу длины. Этот параметр жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети.
Производители кабелей иногда указывают:
величину задержки на метр длины - tз,
а иногда - скорость распространения сигнала относительно скорости света (или NVP - Nominal Velocity of Propagation, как ее часто называют в документации).
Связаны эти две величины простой формулой:
t3=l/(3 • 1010 • NVP),
где
t3 - величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах.
Например, если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка t3 = 5,13 нс/м.
Типичная величина задержки большинства современных кабелей составляет около 5 нс/м.
В табл. 3 приведены величины NVP и задержек на метр длины (в наносекундах) для некоторых типов кабеля двух самых известных фирм-производителей AT&T и Belden.

на основе витых пар, как правило, имеет свой цвет изоляции, что существенно упрощает монтаж разъемов, особенно в том случае, когда концы кабеля находятся в разных помещениях, и контроль с помощью приборов затруднен.

может служить кабель STP IBM типа 1, который включает в себя две экранированные витые пары (AWG типа 22).
Волновое сопротивление каждой пары составляет 150 Ом. Для этого кабеля применяются специальные разъемы, отличающиеся от разъемов для неэкранированной витой пары.

типа RJ-45, похожие на разъемы, используемые в телефонах (RJ-11), но несколько большие по размеру (поэтому они не входят в телефонную розетку). Разъемы RJ-45 имеют восемь контактов вместо четырех в случае RJ-11 (рис.12). Присоединяются разъемы к кабелю с помощью специальных обжимных инструментов. При этом золоченые игольчатые контакты разъема прокалывают изоляцию каждого провода, входят между его жилами и обеспечивают надежное и качественное соединение.
При установке разъемов допускается расплетение витой пары кабеля на длину не более одного сантиметра.
Чаще всего витые пары используются для передачи данных в одном направлении, то есть в топологиях типа «звезда» или «кольцо».
Топология «шина» обычно ориентируется на коаксиальный кабель. Поэтому внешние терминаторы, согласующие неподключенные концы кабеля, для витых пар практически никогда не применяются.

Рис.12. Разъемы
для присоединения витых пар

(ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы кабеля в сравнительно комфортных условиях эксплуатации;
кабель в тефлоновой оболочке дороже и предназначен для более жестких условий эксплуатации.
Кабель в ПВХ-оболочке называется еще non-plenum, а кабель в тефлоновой оболочке - plenum.
Термин plenum означает пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где очень удобно размещать кабели сети. Для прокладки в этих скрытых от глаз пространствах удобнее кабель в тефлоновой оболочке, который, горит гораздо хуже, чем ПВХ-кабель, и не выделяет при горении так много ядовитых газов.

и металлической оплетки, разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (рис. 13).

Рис. 13. Коаксиальный кабель

Существуют варианты коаксиального кабеля с двойным экраном (один экран расположен внутри другого и отделен от него дополнительным слоем изоляции). Такие кабели имеют лучшую помехозащищенность и защиту от прослушивания, но они дороже обычных.

типа «шина».
На концах кабеля обязательно должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, причем один (и только один!) из терминаторов должен быть заземлен. Без заземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитных помех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнюю среду. Но при заземлении оплетки в двух или более точках из строя может выйти не только сетевое оборудование, но и компьютеры, подключенные к сети !!! Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, то есть их сопротивление должно быть равно волновому сопротивлению кабеля. Например, если используется 50-омный кабель, для него подходят только 50-омные терминаторы.
Реже коаксиальные кабели применяются в сетях с топологией «звезда» (например, в сети Arcnet). В этом случае проблема согласования существенно упрощается, так как внешних терминаторов на свободных концах не требуется.
Волновое сопротивление кабеля указывается в сопроводительной документации. Чаще всего в локальных сетях применяются 50-омные (например, RG-58, RG-11) и 93-омные кабели (например, RG-62).
Телевизионные 75-омные кабели в ЛВС не используются.
Коаксиальный кабель не считается перспективным. В сети Fast Ethernet не предусмотрено применение коаксиальных кабелей. Однако во многих случаях классическая шинная топология (а не пассивная звезда) очень удобна. Она не требует применения дополнительных устройств - концентраторов.

см, более гибкий;
толстый (thick) кабель, имеющий диаметр около 1 см, значительно более жесткий. Почти полностью вытеснен более современным тонким кабелем.

Рис.14. Толстый (thicknet) и тонкий (thinnet) сетевые коаксиальные кабели

на меньшие расстояния, чем толстый, так как в нем сигнал затухает сильнее,
Типичные величины задержки распространения сигнала в коаксиальном кабеле составляют:
для тонкого кабеля около 5 нс/м,
для толстого — около 4,5 нс/м.
С тонким кабелем удобнее работать:
его можно оперативно проложить к каждому компьютеру, а толстый требует жесткой фиксации на стене помещения;
подключение к тонкому кабелю (с помощью разъемов BNC) проще и не требует дополнительного оборудования, а для подключения к толстому кабелю надо использовать специальные довольно дорогие устройства (трансмиттеры), прокалывающие его оболочки и устанавливающие контакт как с центральной жилой, так и с экраном.
Толстый кабель примерно вдвое дороже, чем тонкий.
Поэтому тонкий кабель применяется чаще.

оболочки (Рис.15).
Применяются как non-plenum (PVC), так и plenum кабели.
Тефлоновый кабель дороже поливинилхлоридного, но его противопожарные свойства допускают прокладку без дополнительной защиты, n.к. при возгорании помещения менее токсичен, чем PVC .
Тип оболочки можно отличить по ее окраске (например, для кабеля PVC фирма Belden использует желтый цвет, а для тефлонового - оранжевый).

Рис.15. Коаксиальные кабели в поливинилхлоридной и тефлоновой оболочке.

что связано с такими его достоинствами как:
высокая помехозащищенность (благодаря металлической оплетке),
более высокая, чем у витой пары, допустимая скорость передачи данных (до 500 Мбит/с),
большее, чем у витой пары, допустимое расстояние передачи (до 1 км и больше),
к нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети,
дает заметно меньше электромагнитных излучений.

Стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5-3 раза по сравнению с кабелем на основе витых пар).
Сложнее установка разъемов на концах кабеля.
Поэтому его применяют реже, чем витую пару.
В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая пара или оптоволоконный кабель. Новые стандарты на кабельные системы не включают коаксиальный кабель в перечень типов кабелей.

кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами. Данные по нему передаются не в виде электрических импульсов, а в виде импульсов света. Его основа - прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на расстояние до десятков километров с незначительным ослаблением.
Структура оптоволоконного кабеля похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 17), только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае имеет место режим полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется, однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Рис. 17. Структура оптоволоконного кабеля

Рис.16. Оптический кабель

)

в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам этот сигнал принципиально не порождает внешних электромагнитных излучений.
Обеспечивает наилучшую защиту секретности передаваемой информации. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как это требует нарушения целостности кабеля.
Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, что много выше, чем у любых электрических кабелей. Следовательно и его пропускная способность выше.
Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет около 5 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но для оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, он просто не имеет конкурентов.
Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. Однако в данном случае необходимо применение специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание (механическое сращивание-сплайсинг) с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. Для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа.
Чувствителен к резким перепадам температуры, в результате которых стекловолокно может треснуть.
Чувствительны к механическим воздействиям (удары, ультразвук) - так называемый микрофонный эффект. Для его уменьшения используют мягкие звукопоглощающие оболочки.
Менее прочен, чем электрический, и менее гибкий (типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10-20 см).
Чувствителен к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала.
В настоящее время выпускаются оптические кабели из радиационно-стойкого стекла . Стоят они дороже).
Хотя оптоволоконные кабели и допускают разветвление сигналов (для этого выпускаются специальные разветвители на 2-8 каналов), как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении, между одним передатчиком и одним приемником. Любое разветвление сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети.

«кольцо».
Никаких проблем согласования и заземления в таких топологиях не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети.
Этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели всех типов или сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

кабель, более дешевый, но менее качественный;
одномодовый кабель, более дорогой, но имеющий лучшие характеристики.
Основные различия между этими типами связаны с разным способом прохождения световых лучей в кабеле.

величины диаметра сердечника различают:
многомодовое (многолучевое) волокно со ступенчатым изменением коэффициента преломления (рис. а);
многомодовое волокно с плавным изменением коэффициента преломления (рис. б);
одномодовое (однолучевое) волокно (рис. в).
Мода – траектория или путь, который проходит луч света в сердцевине волокна. Понятие «мода» описывает способ распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля.

Одномодовое – сигнал распространяется по одной прямой, вдоль волокна

очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света — от 5 до 15 мкм (500-1500 нм). Длина волны света в одномодовом кабеле равна 1,3 мкм (1300 нм).
Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая — до сотен ГГц/км.
Практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника, в результате чего достигают приемника одновременно, и форма сигнала практически не искажается.
Потери сигнала при этом очень малы, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля.
Для одномодовых кабелей в качестве источников сигнала применяются только полупроводниковые лазеры, использующие свет исключительно требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Необходимость в таких источниках обусловлена и тем что световой поток, создаваемый более простым источником - светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно.
Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля - сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель более дорогим.
Однако, в перспективе одномодовый кабель должен стать основным благодаря своим прекрасным характеристикам.

внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее распространенных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм — это диаметр центрального проводника, а 125 мкм — диаметр внешнего проводника.
Во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешней части световода под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет более сложный характер.
Траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается.
Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания — (500 - 800 ) МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.
Для передачи информации используется обычный (не лазерный) источник - светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем.
Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм.
Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км.
В настоящее время многомодовый кабель - основной тип оптоволоконного кабеля, так как он дешевле и доступнее.
Задержка распространения сигнала в оптоволоконном кабеле не сильно отличается от задержки в электрических кабелях. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4-5 нс/м.

длиной волны 1550 нм (1,55 мкм), 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм).
Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели с длиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм, но полоса пропускания кабеля для волн 850 нм уже (200 МГц/км вместо 500 МГц/км), а значит скорость передачи меньше.
Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 и 1550 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный* (упорядоченный) поток света, за счет чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании некогерентного (хаотичного) потока светодиодов.
Использование только нескольких длин волн для передачи информации в оптических волокнах связанно с особенностью их АЧХ. Для этих длин волн наблюдаются ярко выраженные максимумы передачи мощности сигнала. Для других волн затухание в волокнах существенно выше.

* 10+6 мега (М); 10+9 – гига (Г); 10-6 – микро (мк); 10-9 – нано (н)

*)  В лазере гигантское количество атомов излучателей высвечивается согласованно в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток - это когерентный свет. Все источники синхронны и синфазны.

оптического волокна к разъему требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции склеивания, а не обжатия, как это делается для витой пары. Некачественных соединений сразу резко сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и линий.
При установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. Для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа.

бескабельные (беспроводные) каналы - радиоканалы.
Их главное преимущество в том, что:
не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, не надо закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шахтах, не надо искать и устранять повреждения кабеля);
компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.
Радиоканал предполагает передачу информации с помощью радиоволн, поэтому он может:
обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров.
скорость передачи может достигать десятков Mбит/c.
Главным недостатком радиоканала является :
низкая помехозащищенность,
слабая защищенность доступа к передаваемой информации,
низкая надежность связи.
Разработан стандарт IEEE 802.11b на беспроводные сети (wireless local area network - WLAN).
В них применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Чаще всего в качестве переносчика информации используются радиоволны СВЧ-диапазона - 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.

позволяют организовать обмен данными между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точкой доступа, Access Point - AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50.
Многие ноутбуки имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что упрощает их подключение к беспроводной сети.
Мощность, излучаемая передатчиком точки доступа или же клиентской станции, работающей по стандарту IEEE 802.11, не превышает 0,1 Вт*, что на порядок меньше мощности мобильного телефона.

Объединение компьютеров с помощью одной точки доступа.

*Многие производители ограничивают мощность программным путем, и можно поднять ее до 0,2-0,5 Вт. Для сравнения — мощность, излучаемая мобильным телефоном, на порядок больше (в момент звонка - до 2 Вт). Поскольку, в отличие от мобильного телефона, элементы сети расположены далеко от головы, можно считать, что WLAN безопаснее мобильных телефонов.

локальных сетей, находящихся далеко друг от друга, в единую сеть.
Для объединение локальных сетей применяются топологии «точка-точка» и «звезда»

Звезда
с всенаправленной антенной

Точка-точка
с однонаправленной антенной

решением, так как позволяет с помощью спутников-ретрансляторов сравнительно просто обеспечить связь со всем миром.

в узком спектре (одночастотная передача) рассчитана на охват небольшой площади. Радиосигнал в данном случае не проникает через металлические и железобетонные преграды, поэтому даже в пределах одного здания могут быть серьезные проблемы со связью. Связь в данном случае относительно медленная (около 4,8 Мбит/с).
Передача в рассеянном спектре (или многочастотная передача) для преодоления недостатков одночастотной передачи предполагает использование некоторой полосы частот, разделенной на частотные поддиапазоны (частотные каналы). Все абоненты сети через определенный временной интервал синхронно переходят на следующий канал (FH - frequency hopping). Для повышения секретности используется специальное кодирование информации. Скорость передачи при этом невысока - не более 2 Мбит/с, расстояние между абонентами - не более 3,2 км на открытом пространстве и не более 120 м внутри здания
Сотовая связь, строящаяся по тем же принципам, что и сотовые телефонные сети - они используют равномерно распределенные по площади ретрансляторы,
Микроволновая связь, применяющие узконаправленную передачу между наземными объектами или между спутником и наземной станцией.

для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора).
Достоинства:
главное его преимущество по сравнению с радиоканалом - нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях.
Недостатки:
требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли другие источники теплового (инфракрасного) излучения,
плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха,
Предельные скорости передачи информации по инфракрасному каналу не превышают 5-10 Мбит/с,
секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, не достигается,
как и в случае радиоканала, требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики,
Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы довольно редко.

которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров.
Каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Препятствия в данном случае не страшны, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения.
Наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа «шина», в которой информация передается одновременно всем абонентам.
При организации узконаправленной передачи можно реализовать любые топологии (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.