Середовища передачі даних

1. Інтерфейси передачі даних 

Для побудови комп'ютерних мереж можуть застосовуються лінії зв'язку, що використовують різне фізичне середовище. Як фізичне середовище в комунікаціях використовуються: метали (в основному мідь), надпрозоре скло (кварц) або пластик та ефір. У якості фізичного середовища передачі даних використовуються: кабель "вита пара", коаксіальний кабель, волоконно-оптичний кабель.

Інтерфейс – сукупність способів і методів взаємодії двох систем, пристроїв або програм для обміну інформацією між ними, що визначає характеристики з'єднання, сигналів обміну і тому подібне.

Інтерфейси є основою взаємодії усіх сучасних інформаційних систем. Якщо інтерфейс якого-небудь об'єкту (комп'ютера, програми, функції) не змінюється (стабільний, стандартизований), це дає можливість модифікувати сам об'єкт, а не перебудовувати принципи його взаємодії з іншими об'єктами (так, наприклад, навчившись працювати з однією програмою під Windows, користувач з легкістю освоїть і інші - тому, що вони мають однотипні елементи інтерфейсу).

Лінії зв'язку або лінії передачі даних – це проміжна апаратура і фізичне середовище, по якому передаються інформаційні сигнали (дані).  У одній лінії зв'язку можна утворити декілька каналів зв'язку (віртуальних або логічних каналів), наприклад шляхом частотного або тимчасового розподілу каналів.

Залежно від фізичного середовища передачі даних лінії зв'язку можна розділити на:

• дротяні лінії зв'язку без ізолюючих і екрануючих обплетень;

• кабельні, де для передачі сигналів використовуються такі лінії зв'язку як кабелі "вита пара", коаксіальні кабелі або оптоволоконні кабелі;

• безпровідні (радіоканали наземного і супутникового зв'язку), що використовують для передачі сигналів електромагнітні хвилі.

Для побудови локальних зв'язків в обчислювальних мережах використовуються різні види кабелів – коаксіальний кабель, кабель на основі екранованої і неекранованої витої пари і оптоволоконний кабель. Найбільш популярним видом середовища передачі даних на невеликі відстані (до 100 м) є неекранована вита пара, яка забезпечує пропускну спроможність до 100 Мб/с. Оптоволоконний кабель широко застосовується як для побудови локальних зв'язків, так і для утворення магістралей глобальних мереж. Оптоволоконний кабель може забезпечити дуже високу пропускну спроможність каналу (до декількох Гб/с) і передачу на значні відстані (до декількох десятків кілометрів без проміжного посилення сигналу).

Як середовище передачі даних в обчислювальних мережах використовуються також електромагнітні хвилі різних частот – КВ, УКВ, НВЧ. Проте, поки в локальних мережах радіозв'язок використовується тільки в тих випадках, коли виявляється неможливим прокладення кабелю, наприклад, в будівлях, що є пам'ятниками архітектури. Це пояснюється передусім недостатньою надійністю мережевих технологій, побудованих на використанні електромагнітного випромінювання. Для побудови глобальних каналів цей вид середовища передачі даних використовується ширше – з його допомогою побудовані супутникові канали зв'язки і наземні радіорелейні канали. 

2. Кабель типу "вита пара" – twisted pair 

Вита пара (англ. twisted pair) – вид кабелю для зв'язку, який є декількома ізольованими провідниками, скручених між собою та покритих пластиковою оболонкою. Скручування провідників роблять з метою підвищення міри зв'язку між собою провідників однієї пари (електромагнітна перешкода однаково впливає на обидва дроти) і наступного зменшення електромагнітних завад від зовнішніх джерел, а також взаємних наведень. Для зниження зв'язку окремих пар кабелю в кабелях UTP категорії 5 і вище за дріт пари звиваються з різним кроком.

Кабель підключається до мережевих пристроїв за допомогою роз'єму "RJ 45".

Вита пара – один з компонентів сучасних структурованих кабельних систем. Використовується в телекомунікаціях і в комп'ютерних мережах як фізичне середовище передачі сигналу. Нині, завдяки своїй дешевизні і легкості в монтажі, є найпоширенішим рішенням для побудови дротяних кабельних локальних мереж. Використовується у багатьох мережевих топологіях, включаючи Ethernet, ARCNet, IBM Token Ring.

Конструктивно кабель «вита пара» складається з декількох провідників. Провідники виготовлені з монолітного мідного дроту завтовшки 0,4-0,6 мм. Товщина ізоляції провідника – близько 0,2 мм, матеріал зазвичай полівінілхлорид (англійське скорочення PVC), для якісніших зразків 5 категорії – поліпропілен (PP), поліетилен (PE). Особливо високоякісні кабелі мають ізоляцію зі спіненого (комірчастого) поліетилену, який забезпечує низькі діелектричні втрати, або тефлону, що забезпечує високий робочий діапазон температур

Також усередині кабелю зустрічається так звана "розривна нитка" (зазвичай капрон), яка використовується для полегшення обробки зовнішньої оболонки – при витягуванні вона робить на оболонці подовжній розріз, який відкриває доступ до кабельного сердечника, гарантовано не ушкоджуючи ізоляцію провідників. Також розривна нитка, зважаючи на свою високу міцність на розрив, виконує захисну функцію.

У загальному випадку, кольори не означають особливих властивостей, але їх застосування дозволяє легко відрізняти комунікації з різним функціональним призначенням, як при монтажі, так і обслуговуванні. Найпоширеніший колір оболонки кабелів – сірий. У зовнішніх кабелів зовнішня оболонка чорного кольору. Помаранчеве забарвлення, як правило, вказує на негорючий матеріал оболонки.

Залежно від структури провідників може використовуватись одно- і багатожильний кабель. У першому випадку кожен дріт складається з однієї мідної жили і називається жила-моноліт, а в другому – з декількох і називається жила-пучок.

Одножильний кабель не припускає прямих контактів з периферією. Як правило, його застосовують для прокладання в коробах, стінах і з наступним підключенням до розетки. Пов'язано це з тим, що мідні жили досить товсті і при частих вигинах швидко ламаються.

У свою чергу багатожильний кабель погано переносить "урізування" в роз'єми панелей розеток (тонкі жили розрізають), але чудово поводиться при вигинах і скручуванні. Крім того, багатожильний провід має більше загасання сигналу. Тому багатожильний кабель використовують в основному для виготовлення патчкордів (англ. patchcord), що сполучають периферію з розетками.

Залежно від наявності захисту – електрично заземленого мідного обплетення або алюмінієвої фольги навколо скручених пар, визначають різновиди цієї технології:

• неекранована вита пара (англ. UTP - Unshielded twisted pair) – без захисного екрану;

• фольгована вита пара (англ. FTP - Foiled twisted pair), також відома як F/UTP) – присутній один загальний зовнішній екран у вигляді фольги;

• екранована вита пара (англ. STP - Shielded twisted pair) – присутній захист у вигляді екрану для кожної пари і загальний зовнішній екран у вигляді сітки;

• фольгована екранована вита пара (англ. S/FTP - Screened Foiled twisted pair) – зовнішній екран із мідного обплетення і кожна пара у фольгованому обплетенні.

Екранування забезпечує кращий захист від електромагнітних наведень як зовнішніх, так і внутрішніх. Екран по усій довжині сполучений з неізольованим дренажним дротом, який об'єднує екран у разі розподілу на секції при зайвому вигині або розтягуванні кабелю.

Існує декілька категорій кабелю вита пара, які нумеруються від CAT1 до CAT7 і визначають ефективний частотний пропускний діапазон. Кабель вищої категорії зазвичай містить більше пар дротів і кожна пара має більше витків на одиницю довжини.

CAT1 (смуга частот 0,1 Мгц) – телефонний кабель, який має всього одну пару провідників (у Росії застосовується кабель і взагалі без скручувань - "локшина" - у неї характеристики не гірші, але більше вплив перешкод). Використовується тільки для передачі голосу або даних за допомогою модему.

CAT2 (смуга частот 1 Мгц) – застарілий тип кабелю, 2 пари провідників, що підтримують передачу даних на швидкостях до 4 Мбіт/с, використовувався в мережах Token ring і Arcnet. Зараз іноді зустрічається в телефонних мережах.

CAT3 (смуга частот 16 Мгц) – 4-парний кабель, що використовується при побудові телефонних і локальних мереж 10BASE - T і token ring, підтримує швидкість передачі даних до 10 Мбіт/с або 100 Мбіт/с за технологією 100BASE - T4 на відстані не далі 100 метрів. На відміну від попередніх двох, відповідає вимогам стандарту IEEE 802.3.

CAT4 (смуга частот 20 Мгц) – кабель складається з 4 скручених пар, використовувався в мережах token ring, 10BASE - T, 100BASE - T4, швидкість передачі даних не перевищує 16 Мбіт/с по одній парі. Зараз не використовується.

CAT5 (смуга частот 100 Мгц) – 4-парний кабель, що використовується при побудові локальних мереж 100BASE - TX і для прокладення телефонних ліній, підтримує швидкість передачі даних до 100 Мбіт/с при використанні 2 пар.

CAT5e (смуга частот 125 Мгц) – 4-парний кабель, вдосконалена категорія 5. Швидкість передач даних до 100 Мбіт/с при використанні 2 пар і до 1000 Мбіт/с при використанні 4 пар. Кабель категорії 5e є найпоширенішим і використовується для побудови комп'ютерних мереж.

CAT6 (смуга частот 250 Мгц) – застосовується в мережах Fast Ethernet і Gigabit Ethernet, складається з 4 пар провідників і здатний передавати дані на швидкості до 1000 Мбіт/с.

CAT6a (смуга частот 500 Мгц) – застосовується в мережах Ethernet, складається з 4 пар провідників і здатний передавати дані на швидкості до 10 Гбіт/с і планується використовувати його для додатків, що працюють на швидкості до 40 Гбіт/с.

CAT7 – специфікація на цей тип кабелю затверджена тільки міжнародним стандартом ISO 11801, швидкість передачі даних до 10 Гбіт/с, частота сигналу, що пропускається, до 600-700 Мгц. Кабель цієї категорії має загальний екран і екрани навколо кожної пари.

Кожна окремо взята вита пара, що входить до складу кабелю, призначеного для передачі даних і повинна мати хвилевий опір 100±25 Ом, інакше форма електричного сигналу буде спотворена і передача даних стане неможливою. Причиною проблем з передачею даних може бути не лише неякісний кабель, але також наявність "скручувань" в кабелі і використання розеток нижчої категорії, ніж кабель.

Недоліки неекранованої витої пари:

• чутливість до перешкод з боку зовнішніх електромагнітних джерел;

• накладання сигналу між суміжними дротами;

• неекранована вита пара уразлива для перехоплення сигналу;

• загасання сигналу (обмеження до 100 м).

Недоліки екранованої витої пари:

• кабель менш гнучкий;

• вимагає електричного заземлення.

3. Коаксіальний кабель 

Коаксіальний кабель (коаксіальна пара) – пара, провідники якої розташовані співісно і розділені ізоляцією. Це електричний кабель, що складається з розташованих центрального провідника і екрану. Використовується для передачі високочастотних сигналів.

Коаксіальний кабель може передавати дані швидкість до 10 Мбіт/с на максимальну відстань до 500 м.

Будова коаксіального кабелю:

1 - внутрішній провідник (мідний дріт);

2 - ізоляція (суцільний поліетилен);

3 - зовнішній провідник (обплетення з міді);

4 - оболонка (світлостабілізований поліетилен).

Оболонка (служить для ізоляції і захисту від зовнішніх дій) зі світлостабілізованого (тобто стійкого до ультрафіолетового випромінювання) поліетилену, полівінілхлориду або іншого ізоляційного матеріалу.

Зовнішній провідник (екрану) має вигляд обплетення, фольги, покритої шаром алюмінію плівки і їх комбінацій, а також гофрованої трубки з міді, мідного або алюмінієвого сплаву.

Ізоляція виконана у вигляді суцільного (поліетилен, спінений поліетилен, суцільний фторопласт і т.д.) або напівповітряного діелектричного заповнення, що забезпечує постійність взаємного розташування (співісна) внутрішнього і зовнішнього провідників.

Внутрішній провідник має вигляд поодинокого прямолінійного або звитого в спіраль дроту, багатожильного проводу, трубки з міді, мідного сплаву, алюмінієвого сплаву, омідненної сталі і т. д.

Завдяки збігу центрів обох провідників, а також певному співвідношенню між діаметром центральної жили і екрану, усередині кабелю в радіальному напрямі утворюється режим стоячої хвилі, що дозволяє понизити втрати електромагнітної енергії на випромінювання майже до нуля. В той же час екран забезпечує захист від зовнішніх електромагнітних завад.

Коаксіальний кабель може використовуватись для систем кабельного телебачення, для систем зв'язку, авіаційної, космічної техніки, комп'ютерних мереж, побутової техніки і т. д.

Двома основними типами коаксіального кабелю, використовуваного в локальних мережах, є "Товстий Ethernet" (Thicknet) і "Тонкий Ethernet" (Thinnet).

Thinnet. Також відомий як кабель RG-58 використовується найчастіше. Він найбільш гнучкий з усіх типів коаксіальних кабелів, має товщину приблизно 6 мм. Він може використовуватися для з'єднання кожного комп'ютера з іншими комп'ютерами в локальній мережі за допомогою T -коннектора, British Naval Connector (BNC)-конектора і 50-Омних заглушок (terminator термінаторів). Використовується в основному для мереж типу 10Base-2 Ethernet.

Ця конфігурація підтримує передачу даних з швидкість до 10 Мбіт/с на максимальну відстань до 185 м між повторювачами.

Thicnet. Є товщим і дорожчим коаксіальним кабелем. По конструкції він схожий з попереднім, але менш гнучкий. Використовується як основа для мереж 10Base-5 Ethernet. Цей кабель має маркування RG-8 або RG-11, приблизно 12 мм в діаметрі. Він використовується у вигляді лінійної шини. Для підключення до кожної мережевої плати використовується спеціальний зовнішній трансивер AUI (Attachment unit interface) і відгалуження, що пронизує оболонку кабелю для доступу до дроту.

Має товстий центральний провідник, який забезпечує надійну передачу даних на відстань до 500 м на сегмент кабелю. Часто використовується для створення сполучних магістралей. Швидкість передачі даних до 10 Мбіт/с.

Характерною для цього кабелю є простота монтажу. Цей кабель є найдешевшим і поширенішим видом зв'язку, який знайшов широке в системах кабельного телебачення.

Переваги:

• простота монтажу;

• дешевизна;

• високий захист від зовнішніх завад.

Недоліки:

• невисока швидкість передачі даних (до 10 Мбіт/с).

4. Оптоволоконний кабель

Оптичне волокно – нитка з оптично прозорого матеріалу (скло, пластик), що використовується для перенесення світла усередині себе за допомогою повного внутрішнього віддзеркалення.

Принцип передачі світла, що використовується у волоконній оптиці, був уперше продемонстрований за часів королеви Вікторії (1837-1901 рр.), але розвиток сучасної волоконної технології почався в 1950-х роках. Винахід лазерів зробив можливою побудову волоконно-оптичних ліній передачі, що перевершують за своїми характеристиками традиційні дротяні засоби зв'язку.

Забезпечує високу швидкість передачі інформації на великі відстані. Вони не сприйнятливі до електромагнітного шуму і прослуховування.

Він складається з центрального скляного або пластикового провідника, оточеного іншим шаром скляного або пластикового покриття, і зовнішньої захисної оболонки. Дані передаються по кабелю за допомогою лазерного або світлодіодного передавача, який посилає однонапрямлені світлові імпульси через центральне скляне волокно. Скляне покриття допомагає підтримувати фокусування світла у внутрішньому провіднику. На іншому кінці провідника сигнал приймається діодним приймачем, що перетворює світлові сигнали в електричний сигнал.

Оптичне волокно має круглий переріз і складається з двох частин – серцевини і оболонки. Для забезпечення повного внутрішнього віддзеркалення абсолютний показник заломлення серцевини дещо вищий за показник заломлення оболонки. Промінь світла, спрямований в серцевину, поширюватиметься по ній, багаторазово віддзеркалюючись від межі розділу "серцевина – оболонка".

Усі оптичні волокна мають діаметр 125±1 мікрон. Діаметр серцевини може відрізнятися залежно від типу волокна і національних стандартів.

Швидкість передачі даних для оптоволоконного кабелю досягає від 100 Мбіт/с до 3 Гбіт/с. Дані можуть бути надійно передані на відстань до 2 км без повторювача.

Оптичне волокно передає сигнали тільки в одному напрямі, тому кабель складається з двох волокон. На передавальному кінці оптоволоконного кабелю вимагається перетворення електричного сигналу у світловий, а на приймальному кінці зворотне перетворення.

Основна перевага цього типу кабелю – надзвичайно високий рівень завадозахищеності і відсутність випромінювання. Несанкціоноване підключення дуже складне.  Швидкість передачі даних 3 Гбіт/c. Основні недоліки оптоволоконного кабелю – це складність його монтажу, невелика механічна міцність і чутливість до іонізуючих випромінювань, є найдорожчим типом кабелю.

Переваги:

• висока швидкість передачі даних (до 3 Гбіт/c.);

• неможливість перехоплення сигналу;

• завадостійкість;

• низьке затухання сигналу (до 2 км).

Недоліки:

• висока вартість;

• складність монтажу;

• низька механічна міцність.

5. Характеристики кабелю

Кожен тип кабелю має свої переваги і недоліки. При виборі потрібно враховувати як особливості вирішуваної задачі, так і особливості конкретної мережі, у тому числі і топологію.

Можна виділити наступні основні параметри кабелів, принципово важливі для використання в локальних мережах:

• Смуга пропускання кабелю (частотний діапазон сигналів, що пропускаються кабелем) і загасання сигналів у кабелі. Два ці параметри тісно пов'язано між собою, оскільки із зростанням частоти сигналу росте загасання сигналу. Потрібно вибирати кабель, який на заданій частоті сигналу матиме прийнятне затухання. Затухання вимірюється в децибелах і пропорційно довжині кабелю.

• Завадозахищеність кабелю та секретність передачі інформації. Ці два взаємозв'язані параметри показують, як кабель взаємодіє з довкіллям, тобто, як він реагує на зовнішні перешкоди, і наскільки просто прослухати інформацію, що передається по кабелю.

• Швидкість поширення сигналу по кабелю або, зворотний параметр – затримка сигналу на метр довжини кабелю. Цей параметр має принципове значення при виборі довжини мережі. Типові величини швидкості поширення сигналу – від 0,6 до 0,8 від швидкості поширення світла у вакуумі. Відповідно типові величини затримок – від 4 до 5 нс/м.

• Для електричних кабелів дуже важлива величина хвилевого опору кабелю. Хвилевий опір важливо враховувати при узгодженні кабелю для запобігання віддзеркаленню сигналу від кінців кабелю. Хвилевий опір залежить від форми і взаєморозташування провідників, від технології виготовлення і матеріалу діелектрика кабелю. Типові значення хвилевого опору – від 50 до 150 Ом.

6. Структурована кабельна система

Згідно досліджень (журнал LAN Technologies), 70% часу простоїв обумовлено проблемами, що виникли внаслідок низької якості кабельних систем. Тому так важливо правильно побудувати фундамент мережі - кабельну систему. Останнім часом як така надійна основа все частіше використовується структурована кабельна система.

Структурована кабельна система (Structured Cabling System, SCS) – це набір комутаційних елементів (кабелів, роз'ємів, конекторів, кросових панелей і шаф), а також методика їх спільного використання, яка дозволяє створювати регулярні, легко розширювані структури зв'язків в обчислювальних мережах.

Переваги структурованої кабельної системи:

• Універсальність. Структурована кабельна система при продуманій організації може стати єдиним середовищем для передачі комп'ютерних даних в локальній обчислювальній мережі, організації локальної телефонної мережі, передачі відеоінформації і навіть передачі сигналів від датчиків пожежної безпеки або охоронних систем. Це дозволяє автоматизувати багато процесів по контролю, моніторингу і управлінню господарськими службами і системами життєзабезпечення.

• Збільшення терміну служби. Термін старіння добре структурованої кабельної системи може складати 8-10 років.

• Зменшення вартості додавання нових користувачів і зміни їх місць розміщення. Вартість кабельної системи в основному визначається не вартістю кабелю, а вартістю робіт по його прокладенню. Тому вигідніше провести одноразову роботу по прокладенню кабелю, можливо з великим запасом по довжині, чим кілька разів виконувати прокладення, нарощуючи довжину кабелю. Це допомагає швидко і дешево змінювати структуру кабельної системи при переміщеннях персоналу або зміні додатків.

• Можливість легкого розширення мережі. Структурована кабельна система є модульною, тому її легко нарощувати, дозволяючи легко і ціною малих витрат переходити на досконаліше устаткування, що задовольняє зростаючим вимогам до систем комунікацій.

• Забезпечення ефективнішого обслуговування. Структурована кабельна система полегшує обслуговування і пошук несправностей в порівнянні з шинною кабельною системою.

• Надійність. Структурована кабельна система має підвищену надійність оскільки звичайне виробництво усіх її компонентів і технічний супровід здійснюється однією фірмою-виробником.

Питання для перевірки:

1. Чи можуть цифрові кабелі передавати аналогові сигнали?

2. Які лінії зв'язку використовуються у комп'ютерних мережах і чим вони відрізняються?

3. Які типи кабелів використовуються у комп'ютерних мережах?

4. Чим відрізняються кабелі екранованої та неекранованої крученої пари?

5. Яку структуру має кабель неекранованої крученої пари?

6. Яку структуру має кабель екранованої крученої пари?

7. Яку структуру має коаксіальний кабель?

8. Чим принципово відрізняються поняття електричної ізоляції та електромагнітної ізоляції?

9. Порівняйте експлуатаційні параметри коаксіального кабелю та кабелю крученої пари.

10.  Яким чином та за допомогою яких роз'ємів приєднуються до комп'ютерів коаксіальні кабелі?

11. Яким чином та за допомогою яких роз'ємів приєднуються до комп'ютерів кабелі крученої пари?

12.  Яку структуру має оптоволоконний кабель?

13.  Як і завдяки якому фізичному ефекту розповсюджується світловий промінь у оптоволоконному кабелі?

1.  Воробієнко П.П. Телекомунікаційні та інформаційні мережі [Навчальний посібник] / П.П. Воробієнко, Л.А. Нікітюк, П.І. Резніченко – К.: Самміт-книга, 2010. – 708 с. (електронний варіант, формат pdf)

2. Городецька О.С. Комп’ютерні мережі: навчальний посібник / О.С. Городецька, В.А. Гикавий, О.В. Онищук. – Вінниця : ВНПУ, 2017. – 129 с.

3. Тарнавський Ю.А. Організація комп’ютерних мереж [Електронний ресурс]/  Ю.А. Тарнавський, І.М. Кузьменко – К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. – 259 с. (електронний варіант, формат pdf)

4. Микитишин А.Г. Комп’ютерні мережі [Навчальний посібник] / А.Г. Микитишин, М.М. Митник, П.Д. Стухляк, В.В. Пасічник – Львів.: «Магнолія 2006», 2013. – 256 с. (електронний варіант, формат pdf)

5. Азаров О.Д. Комп’ютерні мережі [Навчальний посібник] / О.Д. Азаров, С.М. Захарченко, О.В. Кадук, М.М. Орлова –Вінниця: ВНТУ, 2013. – 371 с.