Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

261

Экранированный кабель применяется только для передачи дан-

ных, а голос по нему не передают. Основным стандартом, опреде-

ляющим параметры экранированной витой пары, является фир-

менный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на ка-

тегории, а на типы: Туре 1, Туре 2,..., Туре 9. Основным типом эк-

ранированного кабеля является кабель Туре 1 стандарта IBM. Он

состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных прово-

дящей оплеткой, которая заземляется. Электрические параметры

кабеля Туре 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP

категории 5. Экранированные витые пары используются также в

кабеле IBM Type 2, который представляет кабель Туре 1 с добав-

ленными 2 парами неэкранированного провода для передачи голо-

са. Для присоединения экранированных кабелей к оборудованию

используются разъемы

конструкции IBM.

8.1.5. Коаксиальные кабели

Существует большое количество типов коаксиальных кабе-

лей, используемых в сетях различного типа – телефонных, теле-

визионных и компьютерных. Ниже приводятся основные типы и

характеристики этих кабелей.

RG-8 и RG-11 – «толстый» коаксиальный кабель, разработан-

ный для сетей Ethernet 10Base-5. Этот кабель имеет достаточно

толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который

обеспечивает хорошие механические и электрические характери-

стики,

но его сложно монтировать – он плохо гнется. RG-58/U,

RG-58 A/U и RG-58 C/U – разновидности «тонкого» коаксиально-

го кабеля для сетей Ethernet 10Base-2. Все эти разновидности ка-

беля имеют волновое сопротивление 50 Ом, но обладают худши-

ми механическими и электрическими характеристиками по срав-

нению с «толстым» коаксиальным кабелем. Для соединения ка-

белей с оборудованием используется разъем типа BNC. RG-59 –

телевизионный кабель

с волновым сопротивлением 75 Ом. Ши-

роко применяется в кабельном телевидении.

8.1.6. Волоконно-оптические кабели

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального про-

водника света (сердцевины) – стеклянного волокна, окруженно-

262

го другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим по-

казателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по

сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от

покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения

показателя преломления и от величины диаметра сердечника

различают:

– многомодовое волокно со ступенчатым изменением показа-

теля преломления (рис. 8.5, а);

– многомодовое

волокно с плавным изменением показателя

преломления (рис. 8.5, 6);

– одномодовое волокно (рис. 8.5, в).

Понятие «мода» описывает режим распространения световых

лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле

(Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник

очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света – от

5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространя-

ются

вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего

проводника.

Рис. 8.5, а. Схема распространения сигнала в оптическом волокне

Рис. 8.5, б. Схема распространения сигнала в оптическом волокне

263

Рис. 8.5, в. Схема распространения сигнала в оптическом волокне

Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая – до

сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных

волокон для одномодового кабеля представляет сложный техно-

логический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно

дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра дос-

таточно сложно направить пучок света,

не потеряв при этом зна-

чительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) использу-

ются более широкие внутренние сердечники, которые легче изго-

товить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем

проводнике одновременно существует несколько световых лучей,

отражающихся от внешнего проводника под разными углами.

Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых

кабелях с

плавным изменением коэффициента преломления ре-

жим распространения каждой моды имеет более сложный харак-

тер. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропуска-

ния – от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за

потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерфе-

ренции лучей разных мод.

В качестве источников излучения света

в волоконно-

оптических кабелях применяются светодиоды и полупроводни-

ковые лазеры. Для одномодовых кабелей применяются только

полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре

оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом,

невозможно без больших потерь направить в волокно. Для мно-

гомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные

излучатели. Волоконно-оптические кабели обладают отличными

характеристиками

всех типов: электромагнитными, механиче-

скими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают

264

хорошей механической прочностью). Однако у них есть один

серьезный недостаток – сложность соединения волокон с разъе-

мами (MIC, ST и SC) и между собой при необходимости наращи-

вания длины кабеля.

На рисунке 8.6 изображена отдельная оптоволоконная жила

(а) и поперечное сечение трехжильного кабеля.

Рис. 8.6. Структура оптоволоконной жилы (а) и кабеля из трех

волокон (б)

Соединение отрезков кабеля может осуществляться тремя

способами. Во-первых, на конец кабеля может прикрепляться

специальный разъем, с помощью которого кабель вставляется в

оптическую розетку. Подобное соединение приводит к потере 10-

20% силы света, зато оно позволяет легко изменить конфигура-

цию системы

Во-вторых, они могут механически сращиваться – два акку-

ратно отрезанных конца кабеля укладываются рядом друг с дру-

гом и зажимаются специальной муфтой. Улучшение прохожде-

ния света достигается выравниванием концов кабеля. При этом

через соединение пропускается свет, и задачей является добиться

максимального соответствия мощности выходного сигнала мощ-

ности входного. Одно механическое

сращивание кабелей занима-

ет у опытного монтажника сетей около 5 минут и дает в результа-

те потерю 10 % мощности света.

В-третьих, два куска кабеля могут быть сплавлены вместе.

Сплавное соединение почти так же хорошо, как и сплошной ка-

бель, но даже при таком методе происходит небольшое уменьше-

ние мощности света.

265

Во всех трех типах соединений в точке соединения могут воз-

никнуть отражения, и отраженный свет может интерферировать с

сигналом.

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного

превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение

монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-

за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого

монтажного оборудования. Так

, присоединение оптического во-

локна к разъему требует проведения высокоточной обрезки во-

локна в плоскости, строго перпендикулярной оси волокна, а так-

же выполнения соединения путем сложной операции склеивания,

– а не обжатия, как это делается для витой пары. Выполнение же

некачественных соединений сразу резко сужает полосу пропус-

кания волоконно-оптических кабелей и

линий.

Несмотря на относительную дороговизну, оптоволоконная

передача обладает целым рядом преимуществ.

Оптоволокно имеет высокую пропускную способность, ис-

числяемую гигабитами в секунду, и малые потери сигнала. По

сравнению с медью допускает большую длину сегментов (участ-

ков кабеля без промежуточного активного оборудования), исчис-

ляемую километрами.

Оптоволокно легче и компактнее медного кабеля.

Оптоволокно

обеспечивает гальваническую развязку соединяе-

мых узлов с любым необходимым напряжением изоляции. Это

относится к чисто диэлектрическим кабелям, не использующим

металлических силовых элементов, и не имеющим медных жил.

Оптоволокно безопасно с точки зрения применения во взры-

воопасной среде.

Оптоволоконный кабель практически нечувствителен к элек-

тромагнитным помехам (кроме сверхмощных, возникающих при

ядерном взрыве

) и сам не является источником помех.

Оптоволоконная связь обеспечивает высокую защищенность

информации от несанкционированного доступа. Для съема ин-

формации необходимо физическое подключение к волокну –

врезка ответвителя, которую затруднительно осуществить неза-

метно.

По всем техническим характеристикам одномодовое волокно

превосходит многомодовое, причем цена одномодового волокна

266

заметно ниже. Однако, стоимость оконечного оборудования для

него существенно выше, что обусловлено сложностью генера-

ции узконаправленного длинноволнового луча и более высоки-

ми требованиями к прецизионности элементов. По этой причине

одномодовое волокно в основном применяют для связи на даль-

ние расстояния, а многомодовое шире применяют в локальных

сетях. Утверждение, что оптические линии

, проложенные для

существующих технологий, для повышения пропускной способ-

ности ожидают только новых источников и приемников сигна-

лов, безусловно, справедливо лишь для одномодового волокна.

Далеко не все многомодовые кабели обладают полосой пропус-

кания, достаточной для работы Gigabit Ethernet с максимальной

длиной магистрали.

За высокие параметры оптоволокна приходится платить пока

что довольно высокую цену,

поскольку дорого все – и активное

оборудование, и разъемы, и инструмент, и работы по оконцовке

кабеля. Сам кабель по цене вполне сопоставим с медным. В от-

личие от оконцовки медного кабеля, где установка разъема может

занимать меньше минуты, установка и полировка оптического

коннектора занимает гораздо больше времени и требует высокой

квалификации и

умелых рук инсталлятора. Для оконцовки требу-

ется большое количество специальных инструментов и расход-

ных материалов. Соединители новых поколений, не требующие

полировки, имеют более высокую цену. Сварка оптоволокна тре-

бует применения дорогостоящего оборудования. Прокладка оп-

товолоконного кабеля требует осторожности: превышение растя-

гивающего усилия, особенно в сочетании с изгибом, может при-

вести

к обрыву волокна. Монтаж и оконцовка медного кабеля го-

раздо проще и дешевле.

Работа с оптоволокном требует соблюдения особых правил

техники безопасности. В отличие от почти безобидных медных

проводов, работа с оптоволокном может представлять серьезную

опасность для здоровья:

Обрезки световодов – это микроскопические иголки, труд-

но видимые невооруженным глазом. Они могут

переносить-

ся ветром. Попадая на кожу или слизистые оболочки (осо-

бенно глаза), могут вызывать серьезные травмы.

267

Лучи источников, особенно лазерных, при попадании в глаз

могут привести к травме органов зрения. Большинство излу-

чателей работает в невидимом инфракрасном спектре, так

что опасного луча и не видно. При работе с оптоволокном

соблюдайте технику безопасности. С обнаженным волокном

работайте в защитных очках. Не разбрасывайте обрезки во-

локна – их удобно

собирать на колечко из липкой ленты

(скотча), закрепленное на рабочем месте. Не заглядывайте в

торец волокна!

8.2. Беспроводные сети

Идея цифровой беспроводной связи не нова. В 1901 году

впервые была продемонстрирована телеграфная связь между ко-

раблем и берегом при помощи азбуки Морзе, состоящей из точек

и тире, что весьма похоже на двоичный код. Сегодняшние циф-

ровые радиосистемы обладают более высокой производительно-

стью, однако в их основе лежит та же идея. Все

беспроводные се-

ти можно разбить на следующие три категории:

– взаимодействующие системы;

– беспроводные ЛВС (LAN);

– беспроводные глобальные сети (WAN).

Под взаимодействующими системами понимается, прежде

всего, связывание между собой компонентов компьютера с ис-

пользованием радиоволн малого радиуса действия. Почти любой

компьютер состоит из нескольких частей: монитора, клавиатуры,

мыши, принтера... Каждое из этих внешних

устройств, как из-

вестно, подсоединяется к системному блоку с помощью кабелей.

В настоящее время разработана система беспроводной связи

компонентов компьютера. Кроме стандартных устройств, с ее

помощью можно подключать к компьютеру цифровые камеры,

сканеры, мультимедиапроекторы и др. То есть теперь практиче-

ски любые цифровые устройства, располагающиеся недалеко от

системного блока, можно

соединить с ним беспроводной сетью.

Следующим шагом в развитии этого направления стали бес-

проводные локальные вычислительные сети. В них каждый ком-

пьютер оборудован радиомодемом и антенной, с их помощью он

268

может обмениваться данными с другими компьютерами. В 1997

году введен стандарт 802.11, который на профессиональном жар-

гоне получил прозвище WiFi. Ко времени начала процесса стан-

дартизации Ethernet уже играл доминирующую роль среди техно-

логий ЛВС, поэтому было решено сделать стандарт 802.11 со-

вместимым с Ethernet. В частности, это коснулось возможности

посылать IP-пакеты по беспроводной ЛВС таким

же способом,

как и по обычной сети Ethernet. Данный стандарт подразумевает

возможность работы в двух режимах: с базовой станцией и без

базовой станции. В первом случае связь осуществляется посред-

ством базовой станции, называемой в терминологии 802.11 точ-

кой доступа. Во втором случае компьютеры общаются непо-

средственно друг с другом. Этот режим иногда

называют спе-

циальной сетью. Типичным примером является случай, ко-

гда несколько людей создают беспроводную локальную сеть,

объединяя в нее свои ноутбуки. При этом они обычно находятся

в помещении, в котором отсутствует базовая станция.

Оба режима показаны на рис. 8.7. Иногда беспроводная ЛВС

состоит из нескольких секций, в каждую из которых входит одна

базовая станция, подключенная к Ethernet. Тогда в целом система

выглядит как единая сеть Ethernet. Это показано на рис. 8.8. Эле-

мент, соединяющий 802.11 с внешним миром, называется пор-

талом.

Рис. 8.7. Варианты организации беспроводной сети

Первые беспроводные локальные сети работали на скорости 1

Мбит/с, но позднее скорость доведена до 10-50 Мбит/с. Несо-

269

мненно, 802.11 вскоре приведет к настоящей революции в ком-

пьютерном мире и в технологиях доступа в Интернет. Беспро-

водные сети уже устанавливаются в аэропортах, на железнодо-

рожных станциях, в отелях, больших магазинах и образователь-

ных учреждениях и становятся все более популярными.

Рис. 8.8. Организация портала

Третий тип беспроводных сетей используется в глобальных

сетях. Примером может служить система сотовой связи. Первые

сотовые сети были аналоговыми и предназначались только для

передачи речи. Второе поколение было уже цифровым, но ниче-

го, кроме речи, передавать по-прежнему было нельзя. Наконец,

нынешнее, третье поколение – цифровое, причем появилась

воз-

можность передачи, как голоса, так и других данных.

В некотором смысле, сотовые сети – это те же беспроводные

ЛВС, разница лишь в зоне охвата и более низкой скорости пере-

дачи. Если обычные беспроводные сети могут работать со скоро-

стью до 50 Мбит/с на расстоянии десятков метров, то сотовые

системы передают данные

на скорости 1 Мбит/с, но расстояние

от базовой станции до компьютера или телефона исчисляется ки-

лометрами, а не метрами. Сейчас развиваются высокопроизводи-

тельные глобальные беспроводные сети. Эта технология имеет

свой стандарт, IEEE 802.16.

В скором времени следует ожидать широкого распростране-

ния стандарта 802.16е, реализованного в портативных компьюте-

рах. Он имеет следующие характеристики:

частотный диапазон

от 2 до 11 ГГц, пропускная способность до 75 Mb/сек, радиус

действия до 45 км.

Радиосвязь в последние годы получает все большее распро-

странение в беспроводных сетях передачи информации. Ее уста-

270

навливают как в помещениях, так и вне зданий. Радиоволны про-

сто сгенерировать, они могут преодолевать большие расстояния,

проходить сквозь стены, огибать здания.

Свойства радиоволн зависят от частоты. При работе на низких

частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, одна-

ко мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от

передатчика. На

высоких частотах радиоволны вообще имеют

тенденцию распространяться исключительно по прямой линии и

отражаться от препятствий. Кроме того, они поглощаются, на-

пример, дождем. Радиосигналы любых частот подвержены поме-

хам со стороны электрического оборудования. Благодаря способ-

ности радиоволн распространяться на большие расстояния вза-

имные помехи, вызываемые одновременно работающими пользо-

вателями, представляют собой

серьезную проблему. Поэтому все

государства ведут очень строгий учет владельцев радиопередат-

чиков.

В диапазонах LF и MF (см. рис. 8.3) радиоволны распростра-

няются вдоль поверхности земли. Эти волны можно поймать ра-

диоприемником на расстоянии около 1000 км. Радиоволны этих

диапазонов легко проникают сквозь здания. Основным препятст-

вием для использования этих диапазонов для передачи данных

является

их относительно низкая пропускная способность.

Радиоволны диапазонов HF и VHF поглощаются землей. Од-

нако те из них, которые доходят до ионосферы, представляющей

собой слой заряженных частиц, расположенный на высоте от 100

до 500 км, отражаются ею и посылаются обратно к поверхности

Земли. Такие диапазоны частот используются для дальней связи.

На частотах выше 100 МГц радиоволны

распространяются

почти по прямой, поэтому могут быть сфокусированы в узкие

пучки. Концентрация энергии в виде узкого пучка при помощи

параболической антенны (вроде всем известной спутниковой те-

левизионной тарелки) приводит к улучшению соотношения сиг-

нал/шум, однако для подобной связи передающая и принимаю-

щая антенны должны быть довольно точно направлены друг на

друга. Кроме того, подобная направленность позволяет использо-

вать несколько передатчиков, установленных в ряд, сигналы от

которых принимаются также установленными в ряд приемными

антеннами без взаимных помех.