Серебряная нить, шелковая связь - сетевые кабели

Вероятно, сэр Вальтер Скотт ничего не знал о сетевых кабелях, когда писал об этих "связях", но, в принципе, сказано верно: действительно, сетевые кабели почти невидимы, но они являются весьма важным компонентом всей сети. К решающим факторам, влияющим на выбор типа кабеля можно отнести тип информации, которой обмениваются компьютеры (текст, сложные графические изображения, видео- и аудиоданные), расстояние между ними и среду, в которой должна работать сеть, созданная с их помощью. Поэтому выбор типа кабеля определяется типом создаваемой сети отдельно в каждом конкретном случае.

Примечание:
Медные провода, используемые в витых парах и коаксиальных кабелях, могут быть либо многожильными, либо одножильными. Многожильный провод состоит из переплетенных проводов меньшего сечения, а одножильный - из единственного провода. По сравнению с одножильными, многожильные провода отличаются гибкостью, поэтому использование последних предпочтительнее в тех местах, где они могут подвергается значительной нагрузке, которая может разрушить одножильный провод. Однако при этом надо учитывать, что скорость затухания сигнала в многожильных проводах выше, чем в одножильных.

Каковы же критерии выбора? Их несколько, относящихся как к медным, так и к оптоволоконным кабелям. Кабель каждого типа спроектирован так, чтобы решить тем или иным методом одну из самых серьезных проблем, стоящих перед любым типом линии передачи: минимизировать внешние помехи, (радиочастотный шум или RF (radio frequency) - шум). Изначально в качестве среды передачи использовались обычные медные кабели, поскольку они превосходно проводят электрические сигналы. Однако это же свойство делает их восприимчивыми к помехам, созданным другими источниками электрических сигналов, искажающими исходный сигнал. Чтобы решить проблему помехозащищенности, и кабелях используют всевозможные методы защиты сигнальных проводников от внешних помех, в том числе и такие которые делают их совершенно нечувствительными к RF-помехам.

Примечание:
Источником RF-шума являются электромагнитные помехи (EMI - electromagnetic interference).
Такой шум генерируется не только передающими устройствами. Так, электромагнитные помехи генерируют мощные электромоторы, линии электропередачи, излучения радаров, прочие незащищенные должным образом кабели и, конечно, мощные радиопередатчики.

Чем менее чувствителен кабель к помехам, тем с большей скоростью по нему можно передавать данные, поскольку скорость передачи по аналоговым каналам, таким как медные провода, зависит от частоты. Последнее обстоятельство очень важно при выборе типа кабеля. Нередко медные кабели различают по максимально допустимой частоте сигналов, которые они могут пропускать (при заданной величине ослабления - Прим. ред.). Если вы не понимаете, что это значит, то не сможете разобраться в типах кабелей.
Частота характеризует количество колебаний некоторой величины (например, напряжения) за секунду. Она выражается в герцах, или числе периодов колебаний за секунду. В самом простом случае колебания можно представить как синусоидальные волны (рис. 1.2). Иными словами, синусоидальное колебание, частота которого составляет 8 МГц, в течение одной секунды восемь миллионов раз проходит через максимум. Чем выше частота, тем больше скорость перемещения данных, поскольку в единственную секунду можно "упаковать" большее количество единиц и нулей.

Высокочастотные сигналы в большей степени подвержены помехам, чем низкочастотные, поскольку за единицу времени они переносят большее число данных. Если это не укладывается у вас в голове, взгляните еще раз на рис. 1.2. Предположим, в течение половины секунды на высоко- и низкочастотные сигналы воздействует какая-нибудь помеха.
(Половина секунды - немалое время, но здесь мы собираемся только привести пример и ничего более.) Данные, передаваемые по каналам в эти полсекунды, исказятся и будут отброшены. В случае высокочастотного сигнала, объем потерянных данных будет значительно большим, поскольку за одинаковый период времени он переносит большее количество данных по сравнению с низкочастотным сигналом.
Максимальная частота сигналов в определенной степени характеризует кабель данного типа (это предельное значение не связано с рабочей частотой). Она только указывает, что теоретически физическая среда кабеля способна обеспечивать работу на данной частоте, если кабель не поврежден и правильно смонтирован. Например, кабель UTP категории 5 (рассматриваемый в следующем разделе), имеет максимальную частоту передачи 100 МГц, однако для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с достаточно частоты 62,5 МГц. Частота сигнала и ее связь со скоростью передачи данных, а также передаваемой мощностью описываются далее в этой главе в разделе "Беспроводные сети".
К другим физическим характеристикам кабелей разных типов относится предельно допустимая длина отрезка кабеля, обеспечивающая передачу сигнала. (Для разных частот длина такого отрезка будет разная. С ростом частоты эта величина будет уменьшаться Прим. ред.). Длина такого отрезка зависит от затухания. Затухание - это степень ослабления сигнала на участке кабеля фиксированной длины (обычно - 100 м на заданной частоте - Прим. ред.). Чем более подвержен кабель воздействию помех, тем сильнее заухает в нем сигнал. Следует различать затухание в кабеле, вызванное собственными потерями (обусловленное, например, потерями сигнала в диэлектрическом заполнении низкого качества), и затухание, обусловленное излучением сигнала из кабеля (вызванное недостаточным экранированием сигнальных проводников). В первом случае предельно допустимая длина отрезка кабеля будет небольшой, но внешние помехи не окажут воздействия на сигнал. Во втором - внешние сигналы могут наложиться на передаваемый (полезный сигнал и исказить его. - Прим. ред.). Для уменьшения затухания сигнала в сети используют различные устройства, например, повторители (репетиры), которые усиливают сигнал на длинных участках кабелей.

Помехи и затухание

Хотя помехи и затухание одинаково влияют на передачу данных, это совершенно разные явления. Помехи - случайный электрический сигнал, искажающий передаваемый полезный сигнал. При этом возможно искажение передаваемых данных и образование фактически нового сигнала: либо за счет добавления "горбов" (humps) к синусоидальной волне (колебанию) (полезный сигнал алгебраически складывается с сигналом помехи; такую помеху называют аддитивной. - Прим, ред.), либо за счет взаимодействия с сигналом (полезный сигнал алгебраически перемножается с сигналом помехи, что, в свою очередь, может происходить только в активных элементах; такую помеху называют мультипликативной. - Прим. ред.). Затухание же - это ослабление сигнала по мере его прохождения по линии связи. Затуханию подвержены любые сигналы. Так, по мере удаления от источника затухают звуковые сигналы, и на некотором расстоянии их уже невозможно разобрать.
Точно так же, электрический сигнал, пройдя слишком большое расстояние, затухает настолько, что передаваемые данные искажаются.
Распространение сигналов и помех по сети напоминает распространение звуковых сигналов. С помехами вы сталкиваетесь, когда разговаривают множество людей, и вам трудно разобрать, кто именно и что сказал, и даже идентифицировать какой-либо голос, если его перекрывает другой. С затуханием вы сталкиваетесь, когда кто-нибудь находится слишком далеко от вас, и вы не можете понять, что именно вам сказали. Проблема помех решается экранированием посторонних "разговоров", а затухания - усилением сигнала.

Кабели типа "витая пара"

Если вы обернете один хороший проводник вокруг другого, то получите систему проводников, в определенной степени защищенную от внешних помех (RF-шумов).
Именно так изготовлен кабель с витой парой. На практике используют два типа таких кабелей: неэкранированная витая пара (UTP) и экранированная витая пара (STP).
Кабели UTP и STP имеют два отличия. Первое: в UTP используются четыре пары проводников, а в STP - две. Второе, и основное, отличие заложено в самом названии кабелей. В STP предусмотрен дополнительный проводящий слой, окружающий витые провода, который обеспечивает дополнительную защиту от помех. Это отнюдь не означает, что кабель STP всегда лучше защищен от RF-шумов по сравнению с UTP. Просто в кабелях использован разный подход к проблеме защиты. Теоретически, в кабелях UTP два провода, скрученные друг с другом, каждый в отдельности является приемником шума, но эти шумы противофазные.
В кабелях же STP проводники защищены, в основном, дополнительным проводящим слоем, а не скручиванием друг с другом. В то же время, дополнительный защитный слой затрудняет работу с кабелем, поскольку придает ему жесткость. Кроме того, такая защита эффективна только при правильном заземлении и целостности экранирующего слоя. Различия между кабелями UTP и STP показаны на рис. 1.3.
Ассоциация электронной промышленности (EIA), Ассоциация телекоммуникационной промышленности (TIA) и Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) установили стандарт кабелей UTP, подразделяющий их на пять категорий.
Затем они уполномочили организацию Underwriter's Laboratories сертифицировать и сортировать и соответствии с этим стандартом кабели, продаваемые на территории Соединенных Штатов. Чем выше номер категории кабеля, тем больше в нем должно быть скруток на погонный фут и чаще меняться форма этих витков для исключения радиочастотных помех (RFI). Таким образом, хотя и не существует кабелей, которые совершенно нечувствительны к помехам, чем выше категория кабеля UTP, тем менее он подвержен помехам RFI и EMI и, соответственно, обеспечивает более быструю и точную передачу данных Другими словами, кабели категории 3 обеспечивают передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с и содержат не менее трех скруток на погонный фут. Они иногда встречаются в существующих локальных сетях. Однако практически во всех новых локальных сетях используют кабели UTP категории 5, которые допускают скорость передачи до 100 Мбит/с и позволяют расположить компьютеры на расстоянии до 90 м.

Примечание:
Кабель STP обычно используют в сетях Token Ring, UTP - в сетях Ethernet (10BaseT и 100BaseT), и изредка в сетях Token Ring.

Другие категории кабелей

Следует отметить, что кабель категории 5 относится к высшему сертифицированному стандарту кабелей с витыми парами. Помимо него, существуют ещё не прошедшие сертификацию стандарты: улучшенная категория 5 и категория 6.
Кабель улучшенной категории 5 подобен кабелю категории 5 (высокоскоростной UTP), однако несколько усовершенствован. По сравнению с обычным кабелем категории 5 форма витков кабеля намного разнообразнее, оме того, в нем использованы провода повышенного качества. Как правило, эти кабели позволяют пропускать сигналы с частотой до 200 МГц. Пока не известно, каким образом кабель улучшенной категории 5 будет описан в стандарте. Возможно, в нем будет указана предельная частота либо стандарт потребует поддержки частоты не менее 300 МГц.
Кабель категории 6 относится, скорее, к типу STP, поскольку в нем предусмотрена обязательная изоляция витой пары проводящей фольгой. Пока не ясно, какие частоты он будет пропускать, а также требования стандарта. Во всяком случае, его предельное значение частоты должно составлять 350-600 МГц. В стандарте категории 6 остается немало нерешенных вопросов, например, тип используемого разъема, точное определение его типа, а также поддерживаемая скорость передачи. Все это пока мешает более широкому применению кабели категории 6.
Кабель категории 5 соответствует требованиям сети Fast Ethernet, которая поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Зачем же нужны более "быстрые" кабели?
В основном, они необходимы в сетях ATM и Gigabit Ethernet, работающих на частотах до нескольких сотен МГц (350 МГц в ATM). По сравнению с этими скоростными сетями Fast Ethernet напоминает устаревший автомобиль (например, Pontiac Oldsmobil) вашего отца.
При частоте, не превышающей 100 МГц кабель категории 5 не в состоянии обеспечить такие скорости передачи, поэтому следует либо улучшать характеристики кабеля UTP, либо перейти на оптоволоконные кабели.

Кроме того, в изделиях фирмы IBM предусмотрено использование кабелей различных типов с витой парой и двух типов оптоволоконных кабелей. Кабели подразделяются по функциональным признакам, а не по степени устойчивости к RFI. Ниже перечислены типы кабелей с витой парой.

Тип 1. Одножильный кабель STP, используемый для передачи данных. Каждый кабель состоит из двух пар проводов.
Тип 2. Сочетание четырех неэкранированных и двух экранированных одножильных проводов в единой оболочке. Неэкранированные провода (UTP) предназначены для передачи речевых сообщений (voice transmission), а экранированные (STP) - данных.
Тип 3. Состоит из четырех пар одножильных проводов, используемых для передачи речевых сообщений и данных.
Тип 6. Состоит из двух пар многожильных кабелей. Во многом подобен типу 1, однако вместо одножильного используется многожильный провод.
Тип 8. Специальный плоский кабель STP, что позволяет прокладывать его под коврами.
Тип 9. Состоит из двух экранированных пар STP, покрытых специальной оболочкой (plenum), а не поливинилхлоридом (PVC), поэтому его можно прокладывать в перекрытиях между этажами здания. При горении PVC выделяет токсичные газы, поэтому, чтобы кабель соответствовал правилам пожарной безопасности, используют иную оболочку.

Как правило, в сетях, проложенных кабелями с витыми парами, каждая сетевая плата соединяется с центральным коммутатором (centrally located switching area). Это может быть либо концентратор, либо подключенный к нему врезной соединитель, который служит точкой подключения множества кабелей. Концентраторы подробно рассматриваются в гл. 5 "Дополнительное сетевое оборудование".

Коаксиальные кабели

Коаксиальные кабели часто называют кабелями BNC, сеть на их основе называют "тонкой" сетью (Thinnet). Они состоят из центрального медного проводника, заключенного в изоляционную оболочку, покрытого слоем алюминиевой или медной оплетки, которая защищает проводник от RF-помех. Коаксиальный кабель состоит из четырех частей (рис. 1.4):
• центрального проводника, называемого внутренним проводником;
• изоляционного слоя, называемого диэлектриком, который окружает внутренний проводник;
• слоя фольги или металлической оплетки, называемого экраном (shield), покрывающего диэлектрик;
• слоя внешней изоляции (наружная часть кабеля), называемого защитным покрытием (jacket).

Скорость передачи данных по коаксиальным кабелям не превышает 10 Мбит/с. По современным стандартам это немного, однако в некоторых случаях кабели этого типа предпочтительнее UTP. Во-первых, предельная длина участка кабеля UTP составляет 100 м, а коаксиального кабеля - более 800 м. Однако после 185 м необходимо усилить сигнал с помощью устройства, называемого повторителем, которое рассматривается в гл. 5 "Дополнительное сетевое оборудование".
Во-вторых, вы можете использовать коаксиальные кабели для прямого соединения компьютеров друг с другом (вместо соединения с центральным концентратором) в последовательную цепь. Это очень удобно, если необходимо соединить всего лишь пару компьютеров в одной комнате, поскольку отпадает надобность в приобретении концентратора.

Примечание:
На практике используется второй тип коаксиального кабеля, называемый "толстой сетью"
(Thicknet). Он применяется в устаревших сетях и в настоящее время встречается редко. У этого кабеля большая протяженность рабочих участков, чем у Thinnet, однако с ним намного сложнее работать. Он настолько жесткий, что один знакомый подрядчик, называет его "замерзшим желтым садовым шлангом". На практике толстые сети используют не для соединения самих компьютеров, а для создания сетевой магистрали (backbone), к которой прочие компьютеры подключены короткими отводами тонкого коаксиального кабеля.

Оптоволоконные кабели

Один из путей решения проблемы защиты от RF-помех, заключается в том, чтобы полностью разрубить этот гордиев узел. Чтобы сделать кабель совершенно нечувствительным к EMI, можно совершенно отказаться от передачи электрических сигналов. Для этого можно использовать оптоволоконные кабели.
Оптоволоконные кабели нечувствительны к RF-шуму потому, что для передачи данных в них применяют свет, а не электрические импульсы. Свет проходит по тончайшей стеклянной или пластиковой нити, покрытой тонким изоляционным слоем, называемым оболочкой (cladding). Оболочка окружена покрытием, которое защищает непрочную нить.
На рис. 1.5 показана структура оптоволоконного кабеля.

Как вы понимаете, оптоволокно - критический элемент среды передачи данных. На каждом конце волокна находится устройство, которое называется кодек или кодер/декодер. Кодек отвечает за преобразование данных в световые импульсы и обратное их преобразование в электрические импульсы, с которыми работает компьютер. Чтобы передать данные, светодиод (LED) или лазер, находящийся на одном конце оптоволокна, посылает по кабелю световые сигналы. Когда эти сигналы достигают другого конца кабеля, они преобразуются в исходную (электрическую) форму.
Может показаться, что трафик оптоволоконного кабеля ограничен единственным трактом данных (path of data), но это не так. Во-первых, оптоволоконные кабели могут состоять из нескольких волокон, что позволяет передавать данные по множеству трактов.
Чем больше волокон в кабеле, тем больше данных может проходить по нему одновременно (точно так же, как дорога с четырьмя полосами может пропустить намного больше машин, чем однополосная).
Во-вторых, существуют оптоволоконные кабели двух типов: одномодовые и многомодовые.

Примечание:
Модой (mode) называют луч света, входящий в оптоволоконный кабель под определенным углом.

Одномодовые кабель передает данные по единственному тракту (path). Луч света в таком кабеле имеет высокую интенсивность, поэтому одномодовые кабели передают данные на большие расстояния. Поэтому они пригодны либо для систем, требующих интенсивного трафика, либо для передачи на большие расстояния.
Многомодовое оптоволокно одновременно пропускает по кабелю множество мод. На практике используют два типа многомодовых оптических волокон: оптоволокно со ступенчатым изменением показателя преломления и градиентное оптоволокно. В оптоволокне со ступенчатым изменением показателя преломления световые лучи двигаются внутри кабеля по зигзагообразным траекториям. В градиентном оптоволокне световые лучи следуют по более закругленным траекториям, напоминающим синусоидальную волну (рис. 1.6).

Из-за того, что передается множество световых лучей, проходящих по многомодовым кабелям обоих типов, световые импульсы подвержены модальной дисперсии, т.е. рассеянию исходного импульса. (Процесс распространения прямоугольного импульса подобен забегу команды спортсменов: на старте они стоят на одной прямой линии (вершина импульса плоская). После старта более быстрые вырываются вперед и приходят к финишу первыми. При этом никакой прямой линии нет. Нет и плоской вершины импульса. — Прим. ред.).
Рассеяние замедляет прохождение сигнала, поэтому одномодовые кабели передают быстрее одномодовых. Чтобы понять, почему так происходит, представьте себе, что вы бросили мяч вниз по трубе. Если вы бросили только один мяч, и он летит, не касаясь стенок трубы, то он будет двигаться быстрее и точнее, чем если бы отскакивал от стенок. Точно так же, как отскакивание мяча от стенок трубы, замедляет его движение, скорость светового луча замедляется отражением от границы оптоволоконного кабеля.

Примечание:
Одномодовые кабели дороже многомодовых и могут передавать сигнал на большие расстояния, не требуя усиления. Поэтому многомодовые кабели чаще прокладывают внутри зданий, а одномодовые - между зданиями.

Оптические волокна получили большое распространение в качестве Магистральных линий LAN с отводами на каждую рабочую станцию с помощью кабелей UTP в сетях с напряженным трафиком. Оптоволоконные Кабели редко прокладывают к рабочим столам по двум причинам. Первая: они дороже UTP (и расчете на погонный фут) и требуют для установки некоторых специальных знаний, что также удорожает применение кабелей. Вторая — связана с появлением сети Fast Ethernet, которая поддерживает скорость передачи до 100 Мбит/с по кабелю UTP. Она не достигла скорости работы оптоволоконных линий в сетях FDDI (гл. 2), однако соперничает с ней. Но поскольку для некоторых приложений требуется высокая скорость передачи, а стоимость оптоволоконных кабелей падает, вероятно, вскоре вы встретите их и на рабочих станциях.
Если оптоволоконные кабели слишком дороги для прокладки на рабочие станции и не всегда обеспечивают большую скорость, чем UTP, почему же их используют вообще? Во-первых, это действительно скоростные кабели и, кроме того, широкополосные кабели превосходно подходят для передачи трафика с критическими требованиями, например, видеоданных. Во-вторых, поскольку по кабелю передаются световые, а не электрические, сигналы, оптоволоконные кабели абсолютно невосприимчивы к EMI и FRI. Поэтому сигналы иногда могут проходить несколько миль без малейшего искажения. Некоторые типы оптических волокон допускают передачу на расстояние до трех миль в среде LAN, а в среде WAN, с помощью мощных лазерных устройств — через всю страну. Кроме того, оптоволоконные кабели полезны в опасных средах, поскольку не искрят в местах подключения (что потенциально возможно при использовании электрических кабелей). Более того, в них не используется металл, поэтому кабели устойчивы к коррозии. Наконец, к оптоволоконному кабелю труднее подключить несанкционированный отвод, чем к медному, поэтому он лучше защищен и, следовательно, предпочтительнее для создания засекреченных линий связи.
Сравнительно новый вид оптоволоконных сетей — оптоволоконные каналы — стирает различие между отдельными устройствами и сетью, причем даже в большей степени, чем это уже достигнуто в локальных сетях. Скорость работы оптоволоконных каналов может даже превысить скорость работы FDDI.

Беспроводные сети

Беспроводные сети не столь таинственны, как может показаться. По существу, в них обеспечивается соединение двух устройств без прокладки кабеля между ними. Такие сети в наибольшей степени полезны в следующих случаях.

• Проводная связь невозможна либо непомерно дорога по соображениям материально-технического (logistical) обеспечения.
• Клиенты (например, пользователи портативных компьютеров) часто соединяются и отключаются от сети, либо не имеют доступа к персональному компьютеру, подключенному к сети.
• Клиенты сети часто перемещаются с места на место.

Однако, если на то нет особой причины, создавать сеть (или часть сети), используя беспроводные соединения, не рекомендуется. Беспроводные сети работают медленнее, чем их проводные аналоги и в большей мере подвержены помехам. В то же время в некоторых случаях они незаменимы. Например, составление инвентарных списков намного облегчается с помощью портативного компьютера, соединенного с сетью беспроводной связью, что проще, чем с проводным терминалом, который необходимо постоянно держать включенным для ввода чисел.
Принцип работы беспроводных сетей точно такой же, как и у проводных Интенсивность работы и скорость передачи сигнала данных зависят от его частоты и от частоты несущей (carrier frequency). Частота несущей зависит от частоты сигнала данных. В этом отношении беспроводные сети можно разделить на два класса: использующие радиочастотные сигналы и инфракрасные. Радиочастотные сигналы занимают широкую полосу частот и способны огибать препятствия. Однако скорость обмена радиосигналами относительно невысока. Частота инфракрасных сигналов и скорость их передачи очень высока, однако этот сигнал распространяется только в пределах прямой видимости. 

Смотрите также

Архитектура
Топология локальных сетей Ethernet Классификация сетей Ethernet Технические характеристики локальных сетей Некоторые особенности различных сетевых стандартов В рамках этой книг ...

Что может сделать повторитель
Усиливая сигнал, повторители делают несколько полезных вещей сразу. Во-первых, в сетях Ethernet они устраняют конфликты или позволяют построить более протяженную сеть и избавить ее от конфликтов. Во ...

Обзор средств управления сетями
Теперь вы представляете, какую информацию о сети необходимо иметь под рукой. Однако вы не сможете получить всю нужную информацию, просто прогулявшись по зданию. Такой обход сети может оказаться физи ...