Абонент (узел, хост, станция) — это устройство, подключенное к сети и активно участвующее в информационном обмене. Чаще всего абонентом (узлом) сети является компьютер, но абонентом также может быть, например, сетевой принтер или другое периферийное устройство, имеющее возможность напрямую подключаться к сети. Далее в курсе вместо термина абонент для простоты будет использоваться термин компьютер.
Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует их ресурсы. Таким образом, он обслуживает сеть. Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно, что сервер — самый мощный компьютер. Выделенный (dedicated) сервер — это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделенный сервер может помимо обслуживания сети выполнять и другие задачи. Специфический тип сервера — это сетевой принтер.
Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает, то есть сеть его обслуживает, а он ей только пользуется. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией. В принципе каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером.
Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения. В этом случае то приложение, которое только отдает ресурс в сеть, является сервером, а то приложение, которое только пользуется сетевыми ресурсами — клиентом.
Топология локальных сетей
Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.
Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий, их достоинствах и недостатках надо.
Существует три базовые топологии сети:
- Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи.Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис.1.5).
Рис. 1.5. Сетевая топология шина
- Звезда (star) — к одному центральному компьютеруприсоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из нихиспользует отдельную линию связи (рис.1.6). Информация от периферийногокомпьютера передается только центральному компьютеру, от центрального —одному или нескольким периферийным.
Рис. 1.6. Сетевая топология звезда
- Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены вкольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одномнаправлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру,следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего вцепочке компьютера (рис.1.7).
Рис. 1.7. Сетевая топология кольцо
На практике нередко используют и другие топологии локальных сетей, однако большинство сетей ориентировано именно на три базовые топологии.
Прежде чем перейти к анализу особенностей базовых сетевых топологий, необходимо выделить некоторые важнейшие факторы, влияющие на физическую работоспособность сети и непосредственно связанные с понятием топология.
- Исправностькомпьютеров (абонентов), подключенных к сети. В некоторых случаяхполомка абонента может заблокировать работу всей сети. Иногданеисправность абонента не влияет на работу сети в целом, не мешаетостальным абонентам обмениваться информацией.
- Исправностьсетевого оборудования, то есть технических средств, непосредственноподключенных к сети (адаптеры, трансиверы, разъемы и т.д.). Выход из строясетевого оборудования одного из абонентов может сказаться на всейсети, но может нарушить обмен только с одним абонентом.
- Целостностькабеля сети. При обрыве кабеля сети (например, из-за механическихвоздействий) может нарушиться обмен информацией во всей сети или водной из ее частей. Для электрических кабелей столь же критично короткоезамыкание в кабеле.
- Ограничениедлины кабеля, связанное с затуханием распространяющегося по нему сигнала.Как известно, в любой среде при распространении сигнал ослабляется(затухает). И чем большее расстояние проходит сигнал, тем больше онзатухает (рис. 1.8). Необходимо следить, чтобы длина кабеля сети не былабольше предельной длины Lпр, при превышении которой затуханиестановится уже неприемлемым (принимающий абонент не распознаетослабевший сигнал).
Рис. 1.8. Затухание сигнала при распространении по сети
Топология шина
Топология шина (или, как ее еще называют, общая шина) самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов по доступу к сети. Компьютеры в шине могут передавать информацию только по очереди, так как линия связи в данном случае единственная. Если несколько компьютеров будут передавать информацию одновременно, она исказится в результате наложения (конфликта, коллизии). В шине всегда реализуется режим так называемого полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).
В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через который передается вся информация, это увеличивает ее надежность (ведь при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.
Поскольку центральный абонент отсутствует, разрешение возможных конфликтов в данном случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина сложнее, чем при других топологиях. Тем не менее из-за широкого распространения сетей с топологией шина (прежде всего наиболее популярной сети Ethernet) стоимость сетевого оборудования не слишком высока.
Рис. 1.9. Обрыв кабеля в сети с топологией шина
Важное преимущество шины состоит в том, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать обмен.
Казалось бы, при обрыве кабеля получаются две вполне работоспособные шины (рис. 1.9). Однако надо учитывать, что из-за особенностей распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных согласующих устройств, терминаторов, показанных на рис. 1.5 и 1.9 в виде прямоугольников. Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. В случае разрыва или повреждения кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Подробнее о согласовании будет изложено в специальном разделе курса. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть.
Отказ сетевого оборудования любого абонента в шине может вывести из строя всю сеть. К тому же такой отказ довольно трудно локализовать, поскольку все абоненты включены параллельно, и понять, какой из них вышел из строя, невозможно.
При прохождении по линии связи сети с топологией шина информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что накладывает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи. Причем каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния до передающего абонента. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования.
Если принять, что сигнал в кабеле сети ослабляется до предельно допустимого уровня на длине Lпр, то полная длина шины не может превышать величины Lпр. В этом смысле шина обеспечивает наименьшую длину по сравнению с другими базовыми топологиями.
Для увеличения длины сети с топологией шина часто используют несколько сегментов (частей сети, каждый из которых представляет собой шину), соединенных между собой с помощью специальных усилителей и восстановителей сигналов — репитеров или повторителей (на рис. 1.10 показано соединение двух сегментов, предельная длина сети в этом случае возрастает до 2 Lпр, так как каждый из сегментов может быть длиной Lпр). Однако такое наращивание длины сети не может продолжаться бесконечно. Ограничения на длину связаны с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи.
Рис. 1.10. Соединение сегментов сети типа шина с помощью репитера
Топология звезда
Звезда — это единственная топология сети с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который ложится большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он, как правило, заниматься не может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более сложным, чем оборудование периферийных абонентов. О равноправии всех абонентов (как в шине) в данном случае говорить не приходится. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.
Если говорить об устойчивости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного компьютера или его сетевого оборудования никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим должны приниматься специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевой аппаратуры.
Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально продолжать работу.
В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи, каждая из которых передает информацию в одном направлении, то есть на каждой линии связи имеется только один приемник и один передатчик. Это так называемая передача точка-точка. Все это существенно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет от необходимости применения дополнительных, внешних терминаторов.
Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в звезде проще, чем в случае шины, ведь каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня. Предельная длина сети с топологией звезда может быть вдвое больше, чем в шине (то есть 2 Lпр), так как каждый из кабелей, соединяющий центр с периферийным абонентом, может иметь длину Lпр.
Серьезный недостаток топологии звезда состоит в жестком ограничении количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8—16 периферийных абонентов. В этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, но за ними оно просто невозможно. В звезде допустимо подключение вместо периферийного еще одного центрального абонента (в результате получается топология из нескольких соединенных между собой звезд).
Звезда, показанная на рис. 1.6, носит название активной или истинной звезды. Существует также топология, называемая пассивной звездой, которая только внешне похожа на звезду (рис. 1.11). В настоящее время она распространена гораздо более широко, чем активная звезда. Достаточно сказать, что она используется в наиболее популярной сегодня сети Ethernet.
В центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а специальное устройство — концентратор или, как его еще называют, хаб (hub), которое выполняет ту же функцию, что и репитер, то есть восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их во все другие линии связи.
Рис. 1.11. Топология пассивная звезда и ее эквивалентная схема
Большое достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шинной топологии), а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения.
Общим недостатком для всех топологий типа звезда (как активной, так и пассивной) является значительно больший, чем при других топологиях, расход кабеля.
Топология кольцо
Кольцо — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи с двумя другими: от одного он получает информацию, а другому передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник (связь типа точка-точка). Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов.
Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает, усиливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера. Затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Если предельная длина кабеля, ограниченная затуханием, составляет Lпр, то суммарная длина кольца может достигать NLпр, где N — количество компьютеров в кольце. Полный размер сети в пределе будет NLпр/2, так как кольцо придется сложить вдвое. На практике размеры кольцевых сетей достигают десятков километров (например, в сети FDDI). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии.
Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен.
Строго говоря, компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Ведь один из них обязательно получает информацию от компьютера, ведущего передачу в данный момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на кольцо. В таких методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в кольцо выполняется достаточно просто, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае шины, максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками информации.
Рис. 1.12. Сеть с двумя кольцами
Сигнал в кольце проходит последовательно через все компьютеры сети, поэтому выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) нарушает работу сети в целом. Это существенный недостаток кольца.
Точно так же обрыв или короткое замыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной. Из трех рассмотренных топологий кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому в случае топологии кольца обычно предусматривают прокладку двух (или более) параллельных линий связи, одна из которых находится в резерве.
Иногда сеть с топологией кольцо выполняется на основе двух параллельных кольцевых линий связи, передающих информацию в противоположных направлениях (рис. 1.12). Цель подобного решения — увеличение (в идеале — вдвое) скорости передачи информации по сети. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем (правда, предельная скорость уменьшится).
Другие топологии
Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология дерево (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Причем, как и в случае звезды, дерево может быть активным или истинным (рис. 1.13) и пассивным (рис. 1.14). При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном — концентраторы (хабы).
Рис. 1.13. Топология активное дерево
Рис. 1.14. Топология пассивное дерево. К — концентраторы
Довольно часто применяются комбинированные топологии, среди которых наиболее распространены звездно-шинная (рис. 1.15) и звездно-кольцевая (рис. 1.16).
Рис. 1.15. Пример звездно-шинной топологии
Рис. 1.16. Пример звездно-кольцевой топологии
В звездно-шинной (star-bus) топологии используется комбинация шины и пассивной звезды. К концентратору подключаются как отдельные компьютеры, так и целые шинные сегменты. На самом деле реализуется физическая топология шина, включающая все компьютеры сети. В данной топологии может использоваться и несколько концентраторов, соединенных между собой и образующих так называемую магистральную, опорную шину. К каждому из концентраторов при этом подключаются отдельные компьютеры или шинные сегменты. В результате получается звездно-шинное дерево. Таким образом, пользователь может гибко комбинировать преимущества шинной и звездной топологий, а также легко изменять количество компьютеров, подключенных к сети. С точки зрения распространения информации данная топология равноценна классической шине.
В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии в кольцо объединяются не сами компьютеры, а специальные концентраторы (изображенные на рис. 1.16 в виде прямоугольников), к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи. В действительности все компьютеры сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов линии связи образуют замкнутый контур (как показано на рис. 1.16). Данная топология дает возможность комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий. Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети. Если говорить о распространении информации, данная топология равноценна классическому кольцу.
В заключение надо также сказать о сеточной топологии (mesh), при которой компьютеры связываются между собой не одной, а многими линиями связи, образующими сетку (рис. 1.17).
Рис. 1.17. Сеточная топология: полная (а) и частичная (б)
В полной сеточной топологии каждый компьютер напрямую связан со всеми остальными компьютерами. В этом случае при увеличении числа компьютеров резко возрастает количество линий связи. Кроме того, любое изменение в конфигурации сети требует внесения изменений в сетевую аппаратуру всех компьютеров, поэтому полная сеточная топология не получила широкого распространения.
Частичная сеточная топология предполагает прямые связи только для самых активных компьютеров, передающих максимальные объемы информации. Остальные компьютеры соединяются через промежуточные узлы. Сеточная топология позволяет выбирать маршрут для доставки информации от абонента к абоненту, обходя неисправные участки. С одной стороны, это увеличивает надежность сети, с другой же – требует существенного усложнения сетевой аппаратуры, которая должна выбирать маршрут.
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, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.
Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, только одна крупнейшая кабельная компания Belden предлагает более 2000 их наименований. Но все кабели можно разделить на три большие группы:
- электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);
- электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);
- оптоволоконные кабели (fiber optic).
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.
Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:
- Полоса пропускания кабеля (частотный диапазонсигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле.Два этих параметра тесно связаны между собой, так как с ростом частотысигнала растет затухание сигнала. Надо выбирать кабель, который назаданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание. Или же надовыбирать частоту сигнала, на которой затухание еще приемлемо. Затуханиеизмеряется в децибелах и пропорционально длине кабеля.
- Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретностьпередачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, каккабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует навнешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую покабелю.
- Скорость распространения сигнала по кабелю или, обратныйпараметр – задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметримеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величиныскорости распространения сигнала – от 0,6 до 0,8 от скоростираспространения света в вакууме. Соответственно типичные величины задержек– от 4 до 5 нс/м.
- Для электрических кабелей очень важна величина волновогосопротивления кабеля. Волновое сопротивление важно учитывать присогласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля.Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников,от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичныезначения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом.
Кабели на основевитых пар Кабельна основе витых пар представляет собойнесколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единойдиэлектрической (пластиковой) оболочке.  Рис. 2.1. Кабель с витыми парами Неэкранированныевитые пары характеризуются слабой защищенностьюот внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания, которое можетосуществляться с целью, например, промышленного шпионажа. Причем перехватпередаваемой по сети информации возможен как с помощью контактного метода(например, посредством двух иголок, воткнутых в кабель), так и с помощьюбесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелемэлектромагнитных полей. Причем действие помех и величина излучения во внеувеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатковприменяется экранирование кабелей. Вслучае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран дляуменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех иснижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk –перекрестные наводки). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен бытьобязательно заземлен. Естественно, экранированная витаяпара заметно дороже, чем неэкранированная. Ее использование требуетспециальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительнореже, чем неэкранированная витая пара. Основныедостоинства неэкранированных витых пар – простотамонтажа разъемов на концах кабеля, а также ремонта любых повреждений посравнению 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 мерепрохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальныхкабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то понятно, почемулинии связи на основе витых пар, как правило,довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). Согласностандарту EIA/TIA 568, существуют пять основных и две дополнительныекатегории кабелей на основе неэкранированной витой пары(UTP):
Согласностандарту EIA/TIA 568, полное волновое сопротивление наиболее совершенныхкабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ±15% в частотномдиапазоне от 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Требования не оченьжесткие: величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85до 115 Ом. Здесь же следует отметить, что волновое сопротивлениеэкранированной витой пары STP по стандарту должно быть равным 150 Ом ±15%.Для согласования сопротивлений кабеля и оборудования в случае их несовпаденияприменяют согласующие трансформаторы (Balun). Существует также экранированнаявитая пара с волновым сопротивлением 100 Ом, но используется она довольноредко. Второйважнейший параметр, задаваемый стандартом, – это максимальное затуханиесигнала, передаваемого по кабелю, на разных частотах. В таблице 2.1 приведеныпредельные значения величины затухания в децибелах для кабелей категорий 3, 4и 5 на расстояние 1000 футов (то есть 305 метров) при нормальной температуреокружающей среды 20°С. |
| Таблица 2.1. Максимальное затухание в кабелях | ||||
| Частота,МГц | Максимальноезатухание, дБ | |||
| Категория3 | Категория4 | Категория5 | ||
| 0,064 | 2,8 | 2,3 | 2,2 | |
| 0,256 | 4,0 | 3,4 | 3,2 | |
| 0,512 | 5,6 | 4,6 | 4,5 | |
| 0,772 | 6,8 | 5,7 | 5,5 | |
| 1,0 | 7,8 | 6,5 | 6,3 | |
| 4,0 | ||||
| 8,0 | ||||
| 10,0 | ||||
| 16,0 | ||||
| 20,0 | — | |||
| 25,0 | — | — | ||
| 31,25 | — | — | ||
| 62,5 | — | — | ||
| — | — |
Чащевсего витые пары используются для передачи данныхв одном направлении (точка-точка), то есть в топологиях типа звезда иликольцо. Топология шина обычно ориентируется на коаксиальныйкабель. Поэтому внешние терминаторы, согласующие неподключенные концыкабеля, для витых пар практически никогда неприменяются.
Кабеливыпускаются с двумя типами внешних оболочек:
- Кабель вполивинилхлоридной (ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работыв сравнительно комфортных условиях эксплуатации.
- Кабель в тефлоновойоболочке дороже и предназначен для более жестких условий эксплуатации.
Кабельв ПВХ оболочке называется еще non-plenum, а в тефлоновой – plenum. Терминplenum обозначает в данном случае пространство под фальшполом и над подвеснымпотолком, где удобно размещать кабели сети. Для прокладки в этих скрытых отглаз пространствах как раз удобнее кабель в тефлоновой оболочке, который, вчастности, горит гораздо хуже, чем ПВХ – кабель, и не выделяет при этомядовитых газов в большом количестве.
Ещеодин важный параметр любого кабеля, который жестко не определяетсястандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, – этоскорость распространения сигнала в кабеле или, другими словами, задержка распространения сигнала в кабеле в расчете наединицу длины.
Производителикабелей иногда указывают величину задержки наметр длины, а иногда – скорость распространения сигнала относительно скоростисвета (или NVP – Nominal Velocity of Propagation, как ее часто называют вдокументации). Связаны эти две величины простой формулой:
tз =1/(3 ? 108 ? NVP)
гдеtз – величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах. Например,если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка tз будет равна5,13 нс/м. Типичная величина задержки большинствасовременных кабелей составляет около 4—5 нс/м.
Втаблице 2.3 приведенывеличины NVP и задержек на метр длины (внаносекундах) для некоторых типов кабеля двух самых известныхкомпаний-производителей ATT и Belden.
| Таблица 2.3. Временные характеристики некоторых кабелей | |||||
| Фирма | Марка | Категория | Оболочка | NVP | Задержка |
| ATT | non-plenum | 0,67 | 4,98 | ||
| ATT | non-plenum | 0,70 | 4,76 | ||
| ATT | non-plenum | 0,70 | 4,76 | ||
| ATT | plenum | 0,70 | 4,76 | ||
| ATT | plenum | 0,75 | 4,44 | ||
| ATT | plenum | 0,75 | 4,44 | ||
| Belden | 1229A | non-plenum | 0,69 | 4,83 | |
| Belden | 1455A | non-plenum | 0,72 | 4,63 | |
| Belden | 1583A | non-plenum | 0,72 | 4,63 | |
| Belden | 1245A2 | plenum | 0,69 | 4,83 | |
| Belden | 1457A | plenum | 0,75 | 4,44 | |
| Belden | 1585A | plenum | 0,75 | 4,44 |
Стоиттакже отметить, что каждый из проводов, входящих в кабель на основе витых пар, как правило, имеет свой цвет изоляции, чтосущественно упрощает монтаж разъемов, особенно в том случае, когда концыкабеля находятся в разных комнатах, и контроль с помощью приборов затруднен.
Коаксиальные кабели
Коаксиальныйкабельпредставляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медногопровода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоемдиэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель до недавнеговремени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью(благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания(свыше 1ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (докилометра ). К нему труднее механически подключиться для несанкционированногопрослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излученийвовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабелясущественно сложнее, чем витой пары, а стоимостьего выше (он дороже примерно в 1,5 – 3 раза). Сложнее и установка разъемов наконцах кабеля. Сейчас его применяют реже, чем витую пару.Стандарт EIA/TIA-568 включает в себя только один тип коаксиальногокабеля, применяемый в сети Ethernet.
Основноеприменение коаксиальный кабель находит в сетях стопологией типа шина. При этом на концах кабеля обязательно должныустанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала,причем один (и только один!) из терминаторов должен быть заземлен. Беззаземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитныхпомех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнююсреду.
Существуетдва основных типа коаксиального кабеля:
- тонкий (thin) кабель,имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий;
- толстый (thick) кабель,диаметром около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собойклассический вариант коаксиального кабеля,который уже почти полностью вытеснен современным тонким кабелем.
Тонкийкабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, посколькусигнал в нем затухает сильнее. Зато с тонким кабелем гораздо удобнееработать: его можно оперативно проложить к каждому компьютеру, а толстыйтребует жесткой фиксации на стене помещения. Подключение к тонкому кабелю проще и не требует дополнительногооборудования. А для подключения к толстому кабелю надо использовать специальныедовольно дорогие устройства, прокалывающие его оболочки и устанавливающиеконтакт как с центральной жилой, так и с экраном. Толстый кабель примерновдвое дороже, чем тонкий, поэтому тонкий кабель применяется гораздо чаще.
Каки в случае витых пар, важным параметром коаксиального кабеля является тип еговнешней оболочки. Точно так же в данном случае применяются как non-plenum(PVC), так и plenum кабели. Естественно, тефлоновый кабель дорожеполивинилхлоридного. Обычно тип оболочки можно отличить по окраске (например,для PVC кабеля фирма Belden использует желтый цвет, а для тефлонового –оранжевый).
Типичныевеличины задержки распространения сигнала в коаксиальном кабеле составляютдля тонкого кабеля около 5 нс/м, а для толстого – около 4,5 нс/м.
Существуютварианты коаксиального кабеля с двойным экраном (один экран расположен внутридругого и отделен от него дополнительным слоем изоляции). Такие кабели имеютлучшую помехозащищенность и защиту от прослушивания, но они немного дорожеобычных.
Внастоящее время считается, что коаксиальный кабельустарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая пара или оптоволоконныйкабель. И новые стандарты на кабельные системы уже не включают его вперечень типов кабелей.
Оптоволоконные кабели
Оптоволоконный(он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеляпо сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля.Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главныйего элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит наогромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.
Рис. 2.4. Структура оптоволоконного кабеля
Структураоптоволоконного кабеля очень проста и похожа наструктуру коаксиального электрического кабеля (рис. 2.4). Тольковместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметромоколо 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стекляннаяили пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределыстекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полноговнутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентамипреломления (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 окружающейсреды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под однойоболочкой несколько оптоволоконных кабелей).
Оптоволоконный кабель обладаетисключительными характеристиками по помехозащищенности и секретностипередаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципене способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешнихэлектромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля длянесанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как приэтом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей.Стоимость оптоволоконного кабеля постоянноснижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиальногокабеля.
Типичнаявеличина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых влокальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствуетпоказателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемогосигнала затухание увеличивается оченьнезначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) егопреимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нетконкурентов.
Однакооптоволоконный кабель имеет и некоторыенедостатки.
Самыйглавный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходимамикронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировкисильно зависит затухание в разъеме). Дляустановки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специальногогеля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. Влюбом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты.Поэтому чаще всего оптоволоконный кабельпродается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концахкоторых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, чтонекачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля,определяемую затуханием.
Такженадо помнить, что использование оптоволоконного кабелятребует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующихсветовые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличиваетстоимость сети в целом.
Оптоволоконный кабель менее прочени гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгибасоставляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокноможет сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а такжераздавливающие воздействия.
Чувствителеноптоволоконный кабель и к ионизирующимизлучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то естьувеличивается затухание сигнала. Резкие перепадытемпературы также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.
Применяютоптоволоконный кабель только в сетях с топологиейзвезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в данном случае несуществует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. Вбудущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели или, вовсяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырьядля производства стекла более чем достаточно.
Существуютдва различных типа оптоволоконного кабеля:
- многомодовый или мультимодовыйкабель, более дешевый, но менее качественный;
- одномодовый кабель,более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.
Сутьразличия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождениясветовых лучей в кабеле.
Рис. 2.5. Распространение света в одномодовом кабеле
Водномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, врезультате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почтине искажается (рис. 2.5). Одномодовыйкабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает светтолько с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этомочень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большеерасстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодовогокабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие светисключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока ещесравнительно дороги и не долговечны. Затухание сигналав одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1дБ/км.
Рис. 2.6. Распространение света в многомодовом кабеле
Вмногомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, врезультате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (рис. 2.6). Центральноеволокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (этоиногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (нелазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службыприемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света вмногомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волноколо 30 – 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 – 5 км. Многомодовыйкабель – это основной тип оптоволоконного кабеляв настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затуханиев многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 – 20 дБ/км.
Типичнаявеличина задержки для наиболее распространенныхкабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.
Оптоволоконные кабели, как иэлектрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum.
Бескабельныеканалы связи Кромекабельных каналов в компьютерных сетяхиногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимуществосостоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делатьотверстий в стенах, закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать егопод фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шахтах,искать и устранять повреждения). К тому же компьютеры сети можнолегко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему непривязаны. Радиоканал используетпередачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он можетобеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров.Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многоезависит от выбранной длины волны и способа кодирования). Особенностьрадиоканала состоит в том, что сигнал свободноизлучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают проблемысовместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательнымистанциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками ит.д.). В радиоканале используется передача вузком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущейчастоты. Главнымнедостатком радиоканала является его плохая защита отпрослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другойбольшой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность. Длялокальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее времяприменяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях(обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Чаще всегоиспользуются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи –до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с. СетиWLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения наограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского зданияили в таких общественных местах, как аэропорты). Они могут использоватьсяво временных офисах или в других местах, где прокладка кабелейнеосуществима, а также в качестве дополнения к имеющейся проводнойлокальной сети, призванного обеспечить пользователям возможность работатьперемещаясь по зданию. Популярнаятехнология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2до 15 с помощью концентратора (называемого точкой доступа, Access Point,AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сетина расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Дляпримера на рис. 2.7 показанообъединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Важно, что многиемобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, чтосущественно упрощает их подключение к беспроводной сети.  Рис. 2.7. Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi Радиоканал широкоприменяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковойсвязи. В этом применении у радиоканала нетконкурентов, так как радиоволны могут дойти до любой точки земного шара. Инфракрасныйканал также не требует соединительных проводов, так как использует длясвязи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управлениядомашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом – нечувствительность к электромагнитнымпомехам, что позволяет применять его, например, в производственныхусловиях, где всегда много помех от силового оборудования. Правда, в данномслучае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влиялиникакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохоработает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха. Скоростипередачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5—10Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнутаскорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и вслучае радиоканала, не достигается, такжетребуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит ктому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях довольно редко. Восновном они используются для связи компьютеров с периферией (интерфейсIrDA). |
Статьи к прочтению:
Важнейший доклад на пасторской конференции | А. Коломийцев
Похожие статьи:
-
Понятие компьютерных (вычислительных сетей). основные сведения.
Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью — иметь возможность для совместного использования данных. Персональный компьютер –…
-
Основные системы и понятия сети internet
Цветовая модель RGB Первая цветовая модель, которая приходит на ум — это RGB (красный, зеленый, синий). Она используется в светящихся мониторах,…