Глава 6. Режимы передачи данных. Среды передачи

Линия связи между удаленными компьютерами состоит из физической среды, по которой передаются сигналы, аппаратуры передачи данных АПД (или аппаратуры окончания канала данных АКД) и промежуточного оборудования коммуникационной сети (рис.6.1). Промежуточное оборудование может включать мультиплексоры, демультиплексоры, коммутаторы, маршрутизаторы, повторители и пр.

Рис.6.1. Обобщенная структура линии связи между удаленными компьютерами

В общем случае в комплексе аппаратно-программных средств, подключаемых к среде передачи можно выделить:

- DTE (data terminal equipment) – оконечное оборудование для ввода, вывода, обработки и хранения данных. Чаще всего это компьютер, где работает приложение.

- DCE (data circuit-terminating equipment) – аппаратура передачи данных (модем, сетевой адаптер), устройство физического и канального уровня, соединяющее DTE c линией связи. Фактически DCE служит интерфейсом между компьютером и средой передачи (например, между компьютером и оптоволоконным кабелем, или между компьютером и телефонной линией). На DCE возлагаются функции преобразования сигнала от DTE в вид, подходящий для передачи по линии связи – формат среды передачи. Именно среда передачи определяет способы и возможности передачи данных. Существуют специальные протоколы взаимодействия DTE и DCE. Примером DTE-to-DCE интерфейса является последовательный интерфейс RS-232.

Модем – это специальный тип DCE-устройства, применяемый для передачи данных от DTE в аналоговую среду передачи (например, от компьютера в телефонную линию или микроволновому передатчику). Модем модулирует сигнал аналоговой несущей последовательностью данных на передаче и выполняет обратное преобразование на приеме. Применяются модемы при необходимости передачи на достаточно большие расстояния. Другим случаем применения модемов может служить необходимость иметь несколько каналов передачи в одной среде (например, по одному кабелю).

Для соединения двух компьютеров на небольшом расстоянии можно использовать их соединение нуль-модемным кабелем (null modem). Он осуществит электрическое и механическое соединение передающего порта одного компьютера и принимающего порта другого. При этом нет необходимости преобразования цифрового сигнала в аналоговый.

При взаимодействии компьютеров возможны симплексная, дуплексная, асинхронная и синхронная передача.

Симплексная передача (simplex) означает возможность передачи данных по линии связи только в одну сторону. Полудуплексная передача (half duplex) – это передача данных устройствами в обе стороны, но поочередно. Дуплексная передача (full duplex) подразумевает возможность одновременной передачи взаимодействующими устройствами. В современных высокоскоростных системах используется дуплексная передача.

С точки зрения организации синхронизации передачи данных различают: асинхронные и синхронные протоколы передачи данных. При асинхронной (стартстопной) передаче комбинация бит каждого символа алфавита предваряется стартовым битом, заканчивается стоповым битом (или двумя стоповыми битами). Стартовый и стоповый биты синхронизируют передачу байта. Контроль ошибок осуществляется добавляемым битом контроля четности (или нечетности) числа единиц в байте.

Рис.6.2. Временная диаграмма сигнала в линии при стартстопной передаче контроллера

Контроллер в принимающем устройстве:

• обнаруживает на линии соответствующий стартовый бит (стартстопный переход – это сигнал, обозначающий момент начала приема комбинации бит);
• начинает регистрировать через определенные интервалы времени поступающие информационные биты;
• формирует байт в приемном буфере, выполняет проверку правильности приема.

Такая синхронизация является дешевой и простой в реализации, но замедляет передачу.

В современных высокоскоростных сетях применяется синхронные протоколы передачи, при которой синхронизируются блоки передаваемых данных. Перед блоком должен передаваться специальный сигнал, который обеспечит вхождение принимающего устройства в синхронный режим. Передаваемый блок данных имеет установленный формат. Контроль ошибок осуществляется за счет добавления к блоку данных контрольной последовательности, получаемой в результате кодирования пакета помехоустойчивым циклическим кодом (CRC). Длина контрольной последовательности может составлять 16 бит (CRC–16) или 32 бита (CRC–32). Принимающее устройство вычисляет значение контрольной последовательности в соответствии с известным алгоритмом по содержимому принятого блока. В случае совпадения вычисленной и принятой контрольной последовательности считается, что принятый блок данных не содержит ошибок. Действия по контролю ошибок в принятом блоке данных выполняет протокол канального уровня (мас-подуровень). Пример синхронной передачи (интерфейс USB) показан на рис.6.3.

Рис.6.3. Синхронная передача пакета данных

Далее кратко рассмотрим среды передачи, используемые в сетях передачи данных. Каждая среда обладает своими достоинствами и недостатками. Обычно принимают во внимание цену, простоту реализации, возможную скорость передачи и помехоустойчивость, возможность защиты передаваемых данных от несанкционированного доступа.

Среды разделяют на ограниченные и неограниченные.

Ограниченные среды представляют собой кабели (витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель), которые передают электрические и световые сигналы. Возможности передачи данных ограничены возможностями кабеля. При этом различные производители компьютерной техники предъявляют различные требования к реализации кабельных систем. Например, кабельные системы для подключения терминалов к IBM AS/400 отличаются от кабельных систем, используемых для подключения персональных компьютеров к AS/400. Кабельные системы компаний AMP и RID имеют разные возможности.

Неограниченные среды (wireless media) обеспечивают микроволновую, лазерную, инфракрасную и радио передачи.

Исключительно ограниченные среды применяются в высокоскоростной передаче данных на ограниченных расстояниях. При построении мобильных сетей, больших корпоративных сетей или глобальных сетей применяется комбинация ограниченных и неограниченных сред.

Ограниченные среды. Витая пара

Витую пару образует пара изолированных перевитых медных проводников (жил). Эти жилы объединяются в одном кабеле изолирующей оплеткой. Для подключения сетевых устройств посредством витой пары используются разъемы RJ-11 (4 пина), RJ-45 (8 пинов – 4 пары) и мультипиновые разъемы RS-232, RS-449. Витая пара бывает экранированной (Shielded Twisted Pair - STP, Foil Twisted Pair - FTP) и неэкранированной (Unshielded Twisted Pair - UTP).

Экранированная витая пара имеет дополнительный экран в виде фольги или металлической сетки. STP была разработана компанией IBM для сетей Token Ring (например, STP IBM Type 1). До сих пор не утвержден стандарт на экран из-за сложности заземления и высокой стоимости.

Рис.6.4. Разъем RJ-45

Преимущественно в сетях передачи данных используется неэкранированная витая пара. В 1991 г. EIA/TIA опубликовала документ – бюллетень TSB-36, где описала категории UTP в соответствии с частотными характеристиками полосы пропускания и параметры измерения этих кабелей. Применяемые в высокоскоростной передаче данных кабели UTP, согласно стандартам EIA/TIA 568, имеют 8 жил (4 пары) и определенные характеристики. Сертификацию кабельных систем производителей на соответствие этим характеристикам проводит с 1991 г. специальная лаборатория – Underwriter’s Laboratories.

Таблица 6.1. Категории неэкранированной витой пары

Категория UTP	Полоса пропускания, МГц
3-cat3
4-cat4
5-cat5
5e-cat5e
6-cat6

Кабели имеют одинаковую конструкцию и отличаются плотностью и качеством навивки. Измерения кабеля проводят по 70-ти параметрам, на определенных частотах и при определённой температуре. Укажем основные измеряемые характеристики неэкранированной витой пары:

- Attenuation (затухание);

- NEXT- near end crosstalk (перекрестное влияние на ближний конец);

- Impedance (полное сопротивление); 100 Ом для всех категорий +/- 15% на всех частотах.

Таблица 6.2. Характеристики UTP

Частота, МГц	Cat 3	Cat 4	Cat 5
	Attenuation, Дб	NEXT, Дб	Attenuation, Дб	NEXT, Дб	Attenuation, Дб	NEXT, Дб
	-	-	-	-

Достоинствами UTP являются дешевизна, совместимость с существующими телефонными кабельными системами, наличие множества стандартов, относительная простота инсталляции и относительно низкая стоимость диагностического оборудования.

Недостатком UTP является подверженность электромагнитным влияниям, что приводит к необходимости применения множества средств кодирования и скремблирования для обеспечения высокоскоростной передачи.

Ограниченные среды. Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель состоит из двух проводников, находящихся на одной оси (“co”, “axis”- ось) и разделенных изолирующей оплеткой. В системах передачи данных больших компьютеров также применяются кабели, состоящие из трех проводников – твинаксиальные (twinax). По своим характеристикам (полоса пропускания, максимальные расстояния) эти кабели находятся посредине между UTP и оптоволокном. Для кабельного телевидения применяется 75-омный кабель RG-59 (РК-75). Для “старых” Ethernet-сетей, рассчитанных на скорость передачи 10 Мбит/с, использовали кабели RG-11 и RG-58. В современных высокоскоростных системах коаксиальные кабели не используются, т.к. являются более дорогими и более тяжелыми, чем UTP, а с другой стороны, приближаются по стоимости к оптоволокну.

Ограниченные среды. Оптоволоконный кабель (Fiber)

Эти кабели представляют собой тонкие светопроводящие стеклянные или пластиковые сердечники (core) в стеклянной же светоотражающей оболочке (cladding), заключенной в защитную оплетку (jacket). Имеется множество конструкций оптоволоконного кабеля в зависимости от вида прокладки и требований по скорости передачи. В отличие от предыдущих видов кабельных систем оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным воздействиям.

Рис.6.5. Конструкция оптоволоконного кабеля

Существует два вида оптического волокна в зависимости от диаметра стеклянного сердечника и стеклянной отражающей оболочки:

многомодовое волокно (multimode, MM) – (62,5/125 мкм и 50/125 мкм);

одномодовое волокно (singlemode, SM) – (8-10/125 мкм).

На небольших расстояниях и относительно низких скоростях передачи применяются многомодовые кабели, на больших расстояниях и высоких скоростях – одномодовые. Световой пучок передается по разным видам оптоволокна на разных длинах волн:

многомодовое волокно – 850 нм и 1310 нм с затуханием 2,4 и 0,5Дб/км соответственно;

одномодовое волокно – 1310 нм и 1550 нм с затуханием 0,17 – 0,5Дб/км.

По одномодовому кабелю сигналы способны передаваться на сотни и даже тысячи километров, в зависимости от типа источника излучения, длины волны и скорости передачи данных. Поскольку визуально отличить многомодовое волокно от одномодового практически невозможно, большинство производителей стремятся облегчить эту задачу. Многомодовые кабели обычно имеют оранжевую оболочку, а одномодовые — желтую.

Оптоволоконные кабели имеют очень большую полосу пропускания и соответственно допускают высокую скорость передачи сигнала. Одномодовое волокно пропускает частоты до 50 - 100 ГГц. Свет по нему передается тонким пучком (одна мода), источником света является лазер. Потенциально лазеры могут генерировать световую несущую с частотой до 100 TГц, а оптоволокно может передавать сигнал с частотой до 1 TГц, перекрываемое расстояние без регенерации может достигать 300 км в реальных условиях и 10000 км в лабораторных.

Пластиковые оптоволоконные кабели имеют несколько другие конструкции, используют длину волны 660 нм и источники красного света, обеспечивают передачу максимум на скорости 50Mбит/c на 100 м. Они не применяются для высокоскоростной передачи данных.

Достоинствами современных оптоволоконных кабелей являются: низкая стоимость (стеклянные компоненты значительно дешевле медных), лёгкость кабеля, очень высокая скорость передачи по сравнению с медными кабелями, нечувствительность к интерференциям и высокая защищенность от несанкционированного доступа.

Недостатками являются пока еще высокая стоимость соответствующего сетевого и диагностического оборудования, квалификационные требования к инсталлирующему персоналу.

Оптоволоконные системы передачи помимо кабелей включают:

• передатчики (transmitter, tranciever) – устройства, конвертирующие электрические сигналы в световые. Источником света может являться светодиод или лазер.
• приемники (receiver, tranciever) – устройства, конвертирующие световой сигнал в электрический. Основными его элементами являются обычно фотодиод и чип, регенерирующий и усиливающий сигнал.
• коннекторы и сплайсы–разъемы, которые обеспечивают соединение оптоволоконных кабелей между собой, подключение к передатчикам и приемникам. Коннекторы бывают различных видов в зависимости от возникающих на них потерь мощности сигнала, неизменности этих потерь во времени, стоимости, возможности переустановки, видов оптоволокна.

В настоящее время широко применяют ST-коннекторы. Разъем ST был разработан компанией AT&T в середине 80-х годов и получил наибольшее распространение в оптических подсистемах локальных сетей. Используется для соединения всех видов многомодового и одномодового оптоволокна, подключения старого сетевого оборудования. Коннектор прост, относительно дешев, и легко устанавливается. Основным недостатком ST-коннектора считается необходимость вращательного движения при подключении к розетке соединителя. Для преодоления этого недостатка был разработан коннектор типа SC (корпорация NTT). SC-коннектор имеет механическую развязку наконечника, фиксирующего элемента и кабеля. Подключение и отключение производится линейно (push-pull). Коннекторы SC нашли широкое применение в одномодовых и многомодовых сетях с передачей данных на скорости от 100 Мбит/c. часть Новое оптическое активное оборудование, разработанное после 1995 года, выпускается только в вариантах с SC-портами.

Рис.6.6. Коннекторы оптоволоконных кабелей

Коннекторы FC (корпорация NTT) ориентированы на применение в одномодовых линиях дальней связи и специализированных системах, а также в сетях кабельного телевидения. Соединители FC хорошо выдерживают вибрацию и удары.

Неограниченные среды. Микроволновая передача данных

Микроволновые системы передачи данных существуют в двух вариантах – спутниковые и наземные. Последние организуются, например, при помощи двух параболических антенн на крыше зданий, работают в нижней части гигагерцового диапазона и в условиях прямой видимости. Микроволновые системы являются дешевыми и высокоскоростными. Они чувствительны к интерференциям, прослушиваниям, атмосферным явлениям.

Неограниченные среды. Лазерная передача данных

Лазерная передача осуществляется при помощи узкого пучка света, генерируемого лазером. Система работает на более высоких частотах, чем микроволновая передача, и является более узконаправленной. В качестве излучателей используют лазеры, а в качестве приемников – фотодиоды. Лазерная передача устойчива к интерференциям, прослушиваниям, но сильно зависит от атмосферных явлений и работает на коротких расстояниях в условиях прямой видимости.

Неограниченные среды. Инфракрасная передача данных.

Для передачи используются инфракрасные диоды и фотодиоды с частотой выше 1000 ГГц. Скорости передачи данных близки к оптоволоконным системам, но перекрываемое расстояние не превышает 25 м при прямой видимости.

Неограниченные среды. Радио передача данных

Под радио передачей понимают передачу данных в диапазоне частот от 3 МГц до 3 ГГц. Радио системы широко распространены, имеют низкую стоимость и применяются для мобильных технологических приложений, радио (FM – передаваемый диапазон частот до 15KГц), телевидения (передаваемый диапазон частот до 6MГц). Скорости передачи данных относительно невысокие, и передача чувствительна к помехам и прослушиваниям.

Неограниченные среды. Беспроводные сети (wireless)

Эта передача данных осуществляется в ISM-диапазоне. ISM-диапазон (ISM – Industrial, Scientific and Medical) – это частоты, которые были зарезервированы разработчиками (правительственными органами США в 1985г. в гражданских целях и в 1950г. в военных целях) для индустриальных (902-928 МГц), научных (2400-2483МГц) и медицинских (5725-5850 МГц) целей. Осуществляется эта передача данных при помощи широкополосного, шумоподобного сигнала. В каждой сети есть свой уникальный код такого сигнала (реализуется при помощи чипа), позволяющий работать в данном регионе только тем, кто имеет такой же чип. Этот код (расширяющая псевдослучайная последовательность) добавляется к любому сообщению. Каждое сообщение может передаваться на целом спектре частот диапазона (spreading spectrum), которые могут быть несущими (spread sequence). Передающие устройства работают со скачкообразной псевдослучайной перестройкой частоты (hops). При получении сигнала из других таких сетей в данной сети он воспринимается как шум. Для беспроводных локальных сетей и решений последней мили утверждены стандарты IEEE 802.11 и 802.16. Диапазон используемых частот при этом был расширен до 11 ГГц, скорость до 135 Mбит/с, а радиус действия до 50 км. Эти стандарты будут кратко обсуждаться во второй части учебного пособия.

Выводы

Среда передачи может быть ограниченной и неограниченной. Для ограниченных сред наиболее перспективной и очень интенсивно развивающейся технологией является оптоволоконная передача. Неограниченные среды используются при неэффективности прокладки кабельных систем (мобильные системы, высокая стоимость прокладки). В любых средах возможны симплексная, дуплексная, асинхронная и синхронная передача.

Дополнительная информация

В настоящее время выпускаются и сертифицируются категории и классы кабельных систем на витой паре 7 и 7а.

Рекомендации МСЭ-Т:

Серии V (передача данных по телефонной сети). Синяя книга, том VIII, выпуск VIII.1, 1988;

Серии Х (сети данных и взаимодействие открытых систем).

www.cablelabs.com

www.cableword.com

www.broadband.forum

www.ti.com

www.wirelessdata.org

www.wireless.stanford.edu

Контрольные вопросы

1. При помощи какого устройства будем присоединять компьютер к принтеру на расстоянии 3-х метров?

А) модем

В) DCE

C) нульмодемный кабель

2. Физический носитель, содержащий стеклянный сердечник, который покрыт стеклянной оболочкой с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления, называется:

A) Оптоволоконная жила

B) Оптическая цепь

C) Оптоэлектронный модуль

D) Мода

3. Витая пара (UTP) категории 5 способна передавать сигнал в полосе пропускания до:

A) 16 МГц

B) 100 МГц

C) 250 МГц

D) 600 МГц

4. Укажите набор диапазонов длин волн, которые используются в оптоволоконных системах связи:

A) 0,85, 1,3, 1,55 мм

B) 0,85, 1,1, 1,4 мкм

C) 0,85, 1,3, 1,55 мкм

D) 1,3, 1,55 мм