Среды передачи информации

Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьюте­рами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно ло­кальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети.

Информация в локальных сетях чаще всего передается в последователь­ном коде, то есть бит за битом. Понятно, что такая передача медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода. Однако надо учи­тывать то, что при более быстрой параллельной передаче увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству раз­рядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде). Это совсем не мелочь, как может показаться на первый взгляд. При значи­тельных расстояниях между абонентами сети стоимость кабеля может быть вполне сравнима со стоимостью компьютеров и даже превосходить ее. К тому же проложить один кабель (реже два разнонаправленных) го­раздо проще, чем 8,16 или 32. Значительно дешевле обойдется также по­иск повреждений и ремонт кабеля.

Но это еще не все. Передача на большие расстояния при любом типе ка­беля требует сложной передающей и приемной аппаратуры: для этого надо формировать мощный сигнал на передающем конце и детектиро­вать слабый сигнал на приемном конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При парал­лельной же передаче количество передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода. Поэто­му даже при разработке сети незначительной длины (порядка десятка метров) чаще всего все равно выбирают последовательную передачу.
К тому же при параллельной передаче чрезвычайно важно, чтобы длины 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 10 не этот временной сдвиг не должен превышать 5-10 не. Такую величину сдвига дает разница в дли­нах кабелей в 1-2 метра. При длине кабеля 1000 метров это составляет 0,1-0,2%.

Правда, в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки ис­пользуют параллельную передачу по 2-4 кабелям, что позволяет при за­данной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания, но допустимая длина кабелей при этом не превы­шает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 сети Fast Ethernet.
Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, на­пример, крупнейшая кабельная фирма Belden предлагает более 2000 их 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.

Кабели на основе витых пар

Витые пары проводов используются в самых дешевых и на сегодняшний день, пожалуй, 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. 2.1) или четыре витые пары.
Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также 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 случае экранированной витой пары 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 (cross talk - перекрестные наводки). Естественно, экранированная витая пара гораздо дороже, чем неэкрани­рованная, а при ее использовании необходимо применять и специальные экранированные разъемы, поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.

Основные достоинства неэкранированных витых пар — простота монтажа разъемов, на концах кабеля, а также простота ремонта любых повреж­дений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характери­стики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохожде­ния по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то становится понятным, почему 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.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют 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, во 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 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это са­мый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. Сейчас он имеет наибольшее распростра­нение.
• Кабель категории 4 - это кабель, передающий данные в по­лосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как не слиш­ком заметно 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. Кабель был разработав для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5.
• Кабель категорий 5 - самый совершенный кабель в настоя­щее время, рассчитанный на передачу данных в полосе ча­стот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины (8 витков на фут). Кабель тестиру­ется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Рекомендуется применять его в современных высоко­скоростных сетях типа Fast Ethernet и TPFDDI. Кабель ка­тегории 5 примерно на 30-50% дороже, чем кабель катего­рии 3.
• 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. Как видим, требования не очень жесткие: величина волнового сопро­тивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом. Здесь же отме­тим, что волновое сопротивление экранированной витой пары STP 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.

Второй важнейший параметр, задаваемый стандартом, - это максималь­ное затухание сигнала, передаваемого по кабелю, на разных частотах. В таблице 2.1 приведены предельные значения величины затухания для кабелей категорий 3, 4 и 5 для расстояния 1000 футов (305 метров) при нормальной температуре окружающей среды 20°С.

Из таблицы видно, что величины затухания на частотах, близких к пре­дельным, для всех кабелей очень значительны, то есть даже на неболь­ших расстояниях сигнал ослабляется в десятки и сотни раз, что предъяв­ляет высокие требования к приемникам сигнала.
Еще один специфический параметр, определяемый стандартом - это ве­личина так называемой перекрестной наводки на ближнем конце (NEXT -Near End Crosstalk). Он характеризует влияние разных проводов в кабе­ле друг на друга. В таблице 2.2 представлены значения допустимой пере­крестной наводки на ближнем конце для кабелей категорий 3, 4 и 5 на различных частотах сигнала. Естественно, более качественные кабели обеспечивают меньшую величину перекрестной наводки.

Стандарт определяет также максимально допустимую величину рабочей емкости каждой из витых пар 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 20°С.
Для присоединения витых пар используются разъемы (коннекторы) типа RJ-45, похожие на всем известные 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. 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. Надо учитывать, что при установке разъемов стандартом 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.
Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек:

• кабель в поливинилхлоридной (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 обозначает здесь не собрание руководства какой-то партии, а пространство под фальшполом и над под­весным потолком, где очень удобно размещать кабели сети. Для проклад­ки в этих скрытых от глаз пространствах как раз удобнее кабель в теф­лоновой оболочке, который, в частности, горит гораздо хуже, чем ПВХ- кабель, и не выделяет при горении так много ядовитых газов.
Еще один важный параметр любого кабеля, который жестко не опреде­ляется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, — это скорость распространения сигнала в кабеле, то есть задержка распространения сигнала в кабеле в расчете на единицу длины.

Производители кабелей иногда указывают величину задержки на метр длины, 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:
t з =l/(3 • 1010 • NVP),
где t - величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах. На­пример, если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка t будет равна 5,13 нс/м. Типичная величина задержки большинства современных ка­белей составляет около 5 нс/м.
В таблице 2.3 приведены величины NVP и задержек на метр длины (в наносекундах) для некоторых типов кабеля двух самых известных фирм-производителей AT&T и Belden.

Стоит также отметить, что каждый из проводов, входящих в кабель 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 комнатах, и контроль с помощью приборов зат­руднен.

Примером кабеля с экранированными витыми парами 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 (напри­мер, DB9). Имеются и экранированные версии разъема RJ-45.