Коммуникационное оборудование

Сети

История зарождения сетевых технологий относится к временам противостояния СССР и США: инженерам США было поставлено задание сформировать отказоустойчивую децентрализованную систему приятия решений. Для решения поставленной задачи было сформировано агентство ARPA Advanced Research Projects Agency, под патронажем которого в 1969 году была реализована первая сеть ArpaNet. Размер сети был 4 узла. Сеть не имела выделенного центра.

Разработка оказалась настолько удачной, что различные организации (в основном – университеты) пожелали к ней присоединиться. В 1970 г. в ARPANET появляется первый канал, связавший организации на разных побережьях США.

В 1973 г. ARPANET впервые выходит за пределы США — при помощи норвежского спутника NORSAR к ней подключаются вычислительные центры в Норвегии и Англии.

В 1984 году число узлов сети превысило тысячу.

В 1989 году число узлов превысило 10 тысяч.

За полвека разрабатывалось множество сетевых технологий и протоколов. Наиболее прочные позиции заняли технологии семейства Ethernet и Wi-Fi, а также стек протоколов TCP/IP, поддерживающий взаимодействие узлов на всех уровнях.

Классификации сетей

Существует множество классификаций сетей. Одной из них является территориальная:

• Локальные (Local Area Network, LAN) — это относительно небольшие сети масштаба предприятия, дома, офиса и т.п.
• Муниципальные (Metropolitan Area Network, MAN) — сети масштаба города.
• Глобальные (Wide Area Network, WAN) — сети, охватывающие значительное географическое пространство — регион, страну, континент.

Согласно некоторым классификациям вводятся также корпоративные, офисные и прочие.

Наиболее принципиальная разница между локальными и глобальными сетями. Локальная вычислительная сеть (ЛВС) характеризуется:

• Высокой скоростью передачи, большой пропускной способностью
• Низким уровнем ошибок (вероятность ошибок 10^-7~10^-8).
• Эффективным быстродействующим механизмом управления обменом
• Ограниченным, точно определенным числом компьютеров.

Коммуникационное оборудование

За исключение топологии «точка-точка» во всех сетях для объединения нескольких устройств требуется дополнительное коммуникационное оборудование. Это:

• Концентратор (hub), который принимал сигнал от одного устройства, усиливал его и передавал на всех остальные устройства сети.
• Коммутатор (switch) – «избирательный» повторитель, передающий сигнал только получателю в рамках одной сети.
• Маршрутизатор (router)- устройство, соединяющее сети (передающий данные из одной сети в другую).
• Точка доступа – беспроводной концентратор, соединяющий в одну сеть беспроводные устройства.

Основные термины и определения

В эпоху зарождения сетей ЛВС, как правило, были компьютерными сетями с узкополосной передачей и коммутацией пакетов.

Узкополосная и широкополосная передача

Узкополосная передача подразумевает, что сетевой кабель (или иная сетевая среда) передает только один сигнал в любой момент времени. Широкополосная передача обеспечивает передачу нескольких сигналов одновременно, используя для каждого разную частоту передачи (кабельное телевидение, радиосигнал).

Формат пакета

Пакет — единица информации, передаваемая между устройствами сети. Формат пакета определяется сетевыми протоколами, но общий вид формата пакета следующий:

Стартовые биты вводятся для настройки аппаратуры принимающего адаптера.

Адресная информация указывает на отправителя пакета и получателя пакета.

В пакет встраивается управляющая информация, регулирующая процесс обмена, и контрольная сумма, обеспечивающая корректность принятой информации.

Коммутация пакетов за счет дополнительных полей пакета увеличивает общий объем передаваемой информации, но, в отличии от коммутации канала, не изолирует принимающее и отправляющее устройства от взаимодействия с прочими устройствами сети.

Передача пакета

Независимо от способа соединения устройств в сеть, взаимодействие между устройствами строится по следующей схеме:

• Отправитель формирует пакет, в котором указаны адрес получателя и адрес самого отправителя.
• Пакет отправляется в среду передачи, в которой может быть принят любым присоединенным устройством.
• Только получатель, опознав свой адрес, принимает пакет; прочие устройства его игнорируют.

Таким образом, каждое устройство в сети должно иметь свой, уникальный адрес. Известны следующие адреса устройств:

• МАС-адрес, который аппаратно «прошивается» при изготовлении сетевой платы. Длина MAC-адреса 48 бит; старшие 3 байта указывают на производителя; младшие – уникально определяют сетевую плату.
• IP-адрес, который настраивается программно и является адресом сетевого интерфейса. IP-адрес устройства определяется в соответствии с местонахождением устройства в какой-либо сети, указывая и на адрес сети, которой принадлежит устройство и задавая уникальный адрес самого устройства. IP-адрес определяется в соответствии с протоколом IP сетевого стека протоколов TCP/IP.

IP-адресация

Согласно протоколу IP (Internet Protocol) каждое устройство сети должно иметь уникальный настраиваемый IP-адрес, который указывает на сеть, в котором расположено устройство и на устройство в сети.

В IP 4-ой версии длина адрес 32 бита; в IP 6ой версии – 128 бит. Для простоты рассмотрим IPv4.

32 бита адреса для удобства разбиваются на 4 октета. Максимальное значение октета 255 (11111111), минимальное 0 (00000000). Каждый октет для простоты человеческого восприятия записывается в десятичном виде.

Для определения границы адреса сети и адреса узла, вторым обязательным параметром является маска подсети. Маска подсети имеет размер 32 бита (как и адрес); слева у маски стоят единицы, справа – нули. Разряды IP-адреса, соответствующие единицам маски указывают на адрес сети. Разряды IP-адреса, соответствующие нулям маски указывают на адрес узла в этой сети.

В приведенном примере адрес сети 192.168.31.0. Адрес узла в этой сети – 192.168.31.42. В этой же сети могут быть устройства с адресами 192.168.31.1, 192.168.31.2,…, 192.168.31.254. Устройство с адресом 192.168.33.42 будет находиться в другой сети.

Внимание! Адрес 192.168.31.0 не принадлежит ни одному устройству сети, указывая на адрес сети; адрес 192.168.31.255 (все единицы в поле адреса узла) также не принадлежит ни одному устройству сети, являясь широковещательным адресом. Широковещательный адрес – адрес обращения ко всем устройствам сети.

Маска подсети может быть записана подобно адресу, как 255.255.255.0. Возможен иной вариант указания той же маски подсети: «/24». Число, записанное после «/» указывает на количество единиц в маске. Полный адрес устройства запишется как 192.168.31.42/24.

Не обязательно граница адреса сети и адреса узла проходит по границе октета. В приведенном примере рассмотрим вариант адреса 192.168.31.42/20 (или 192.168.31.42 с маской 255.255.240.0).

Как видно из рисунка, маска длиной 20 бит определяется адрес сети как 192.168.16.0/20. Данный адрес не может принадлежать ни одному устройству данной сети, указывая именно на саму сеть в IPv4.

Первым адресом данной сети может быть адрес, у которого в младшем разряде адреса узла стоит единица - 192.168.16.1/20. Последним, который можно назначить узлу в сети, - 192.168.31.254/20. Если все разряды адреса содержат единицы (192.168.31.255/20) – это широковещательный адрес сети 192.168.16.0/20. Количество устройств в этой сети равно 2¹²=4096-2=4094.

Пример сети

Ниже приведен пример объединения сетей.

Сеть 128.131.1.0/24 содержит 3 узла с адресами 128.131.1.101/24, 128.131.1.102/24 и 128.131.1.250/24 (сетевой принтер также является узлом сети и имеет адрес)

Сеть 128.131.2.0/24 содержит 5 узлов с адресами 128.131.2.101/24, 128.131.2.102/24, 128.131.2.103/24 (сервер), 128.131.2.104/24 и 128.131.2.105/24.

Сеть 128.131.3.0/24 содержит 6 узлов с адресами 128.131.3.101/24, 128.131.3.102/24, 128.131.4.103/24, 128.131.3.104/24, 128.131.3.105/24 и 128.131.3.106/24. Причем первые три узла подключены по беспроводному подключению через точку доступа. Остальные три узла вместе с точкой доступа соединяются через коммутатор.

Для соединения сетей используются маршрутизаторы. Маршрутизатор должен иметь адрес в каждой сети, в которую он входит. В данной схеме маршрутизаторы имеют по два адреса – для каждой сети.

Коммутаторам также выделены адреса. Но коммутатор, если он неуправляемый, может и не иметь адреса.

Точка доступа, как правило, имеет возможность управления, поэтому также имеет свой адрес в сети.

Метод доступа к сети

В сети множество компьютеров подключаются к одной и той же среде передачи данных. Если два устройства начнут одновременную передачу данных, то в среде возникнет аномальная ситуация, при которой принимающее оборудование не может распознать данные ни от одного отправителя. Следовательно, должен существовать механизм управления доступом к среде (MAC – Media Access Control) для осуществления арбитража доступа и предотвращения одновременной передачи двумя системами.

Наиболее популярные механизмы доступа к среде

• Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). При данном методе доступа устройство, желающее передавать информацию, слушает среду передачи данных: если среда занята (передает другое устройство), передача откладывается до освобождения среды; если среда свободна, устройство может начать передачу.

При одновременной попытке доступа разных устройств к среде передачи возникает коллизия, которую устройства должны обнаружить, а передачу отложить на случайно выбранное время. Данный метод доступа используется в технологии Ethernet.

• Маркерный доступ предполагает поочередную передачу маркера каждому устройству сети. Маркер – небольшой пакет, дающий разрешение на передачу данных. Любое устройство имеет право передавать, только получив маркер. Данный метод доступа использовался в сетях Token-Ring и в настоящее время в беспроводных технологиях.
• Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Отличием от CSMA/CD является то, что в данном методе желающее передавать устройство посылает сигнал-запрос на передачу данных. В случае позитивного ответа, оно может передавать, что предотвращает коллизии передачи данных. Но возможно коллизии запросов. Данный метод доступа используется в настоящее время в беспроводных технологиях.

Используемый метод доступа связан с топологией сети.

Топология сети

Топология - физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи.

Примером могут служить

• Топология «точка-точка»: использует регулярно при соединении двух устройств друг с другом.

• Древовидная топология: практически не используется.

Наиболее широко распространенными сетевыми топологиями являются шина, звезда и кольцо.

Топология шина легла в основу первой версии сети Ethernet. Все устройства подсоединялись к толстому (версия 10Base-5) или к тонкому (версия 10Base-2) коаксиальному кабелю. Выделенный центр отсутствовал, все устройства был равноправны. Отказы оборудования не нарушали работу всей сети. Во время работы можно было добавлять новые устройства.

Передача данных устройствами производилась по очереди (все устройства одновременно не имели возможности передавать через единый кабель). Разрешение возможных конфликтов (при одновременном намерении передавать данные) ложилось на сетевое оборудование каждого отдельного узла.

В качестве механизма доступа к среде в Ethernet применялся CSMA/CD.

В настоящее время шина (как физическая топология) практически не используется.

Ей на смену пришла топология звезда.

Исходно звезда представляла собой сеть с выделенным центром: один компьютер являлся главным и управлял обменом. Как результат, конфликты в такой сети были невозможны. Подобная звезда называлась активной звездой.

На смену ей пришла пассивная звезда: в центре устанавливалось коммуникационное оборудование, которое передавало пришедший сигнал на все порты всем устройством, фактически не управляя обменом. Это устройство носит название концентратор – hub.

С позиции принципов взаимодействия устройств можно увидеть, что пассивная звезда, построенная на hub, будучи физически звездой, является логической шиной: в какой-либо момент времени передавать может только одно устройство. И разрешение конфликтных ситуация также ложится на оборудование узла - на сетевую плату.

В качестве механизма доступа к среде в пассивной звезде Ethernet и Fast Ethernet также применяется CSMA/CD.

Топология звезда активно используется в настоящее время с той разницей, что в качестве коммуникационного оборудования устанавливается коммутатор (switch), который, в отличие от концентратора, позволяет управлять трафиком и передавать данные через различные порты одновременно.

Топология кольцо использовалась в конкуренте Ethernet – в сети Token-Ring и ей подобных.

Устройства соединялись в единое кольцо; выход из строя хотя бы одного компьютера нарушал работу всей сети в целом. Для подключения нового устройства требовалась обязательная остановка сети.

Одно устройство брало на себя роль арбитра, определяющего право передачи данных. Арбитр определялся автоматически по MAC-адресу сетевой платы.

Используемый метод доступа к среде – маркерный. Право передачи определялось специальным пакетом – маркером, который запускался в сеть арбитром. Маркер передавался по кольцу от устройства к устройству. Если устройство имело данные для передачи, маркер изымался из сети, данные передавались, после чего устройство маркер должно было вернуть в сеть – следующему устройству.

Данная топология позволяла соединять множество устройств в одну сеть, созданная сеть отличалась устойчивостью к перегрузкам по причине отсутствия конфликтов.

Для сетей с топологией кольцо модернизация была возможна только при полной замене оборудования (сеть передает со скоростью самого медленного устройства). Это было одной из причин, по которым, в настоящее время сети с кольцевой топологией практически не используются.

Клиенты и серверы

Клиент – устройство, запрашивающий информацию (данные, услугу).

Сервер – устройство, предоставляющее информацию другим устройствам.

С позиций сервера и клиента сети делятся на одноранговые сети и сети на основе сервера.

Исторически первыми были одноранговые сети, в которых все устройства равноправны и выступают одновременно и в роли сервера и в роли клиента. Характеристики одноранговой сети:

· Пользователи устройств сами выступают в роли администраторов и обеспечивают защиту информации

· Количество устройств в сети невелико; порядка десятка

· Устройства расположены компактно

· Вопросы защиты данных в сети не критичны

• В обозримом будущем не ожидается значительного расширения сети.

Основным недостатком одноранговых сетей является вопрос безопасности информации: для предоставления ресурсов своего устройства в доступ прочим устройствам сети требуется создать учетную запись для каждого подключаемого пользователя (без администраторских прав) и настроить права доступа каждой записи на ресурсы, предоставляемые в сетевой доступ. Данный способ совершенно верен по сути обеспечения защиты собственных данных, но технически требует слишком многих настроек и, потому, редко реализуем. Еще одна техническая проблема заключается в том, что если каждое устройство будет настраивать права доступа для каждого прочего устройства в сети из N компьютеров, то на каждом устройстве должно быть N-1 логинов и паролей для подключения к N-1 компьютеру.

Более простым вариантом является сделать на каждом компьютере единую гостевую учетную запись для всех пользователей сети. Но данный способ не позволяет разграничить права доступа подключаемых по сети пользователей и не позволяет идентифицировать подключенных абонентов. В данном варианте соблюсти безопасность информации затруднительно.

Таким образом, одноранговые сети возможны только для организации очень небольших сетей некритичных к вопросам защиты информации.

Альтернативой является создание сети на основе сервера, в которой есть как минимум один (а чаще – два) выделенный сервер, на котором хранится база данных пользователей сети. Настройка прав доступа на сетевые ресурсы производится в соответствии с записями этой базы. Сети на основе сервера позволяют создавать и обеспечивать разграничение прав доступа к ресурсам в больших (порядка сотен устройств) сетях.

Помимо функций ведения базы пользователей и разграничения прав доступа серверы выполняют (могут выполнять) следующие задачи:

· Файл-сервер: предназначен для хранения файлов и данных

· Принт-сервер: управление доступом пользователей к принтерам.

· Серверы приложений: для выполнения прикладных частей клиент-серверных приложений, а также для хранения данных, доступных клиентам. Не предоставляют данные для копирования, но отвечают на запросы

• Почтовые серверы: управляют передачей электронных сообщений между пользователями сети

К устройствам, выполняющим роль серверов, предъявляются повышенные требования:

· быстрый процессор (или несколько процессоров),

· оперативная память большого объема

• быстрые, надежные, жесткие диски.

Соответствие этим требованиям желательно, но необязательно для любого сервера. Например, для сервера, хранящие данные принципиальнее скорость и объем дисков, а для обработки данных на сервере, требуется оперативная память и мощный процессор.

Помимо указанных сетей существуют частично децентрализованные (гибридные) сети. Сервера в этих сетях используются для координации работы, поиска или предоставления информации о существующих устройствах сети и их статусе. А вся запрашиваемая информация рассредоточена по устройствам сети.

Классическим примером служат пиринговые файлообменные сети. Термин «пиринговые» происходит от peer-to-peer, P2P (один на один, с глазу на глаз). Требуемые данные скачиваются одним устройством у другого устройства. При этом, если эти данные присутствуют в сети на разных устройствах, то устройство, запросившее информацию, может качать данные одновременно с нескольких узлов (разные фрагменты файла принимаются параллельно, что повышает скорость получения информации). При скачивании части файла, это же устройство может предоставлять скачанный фрагмент для чтения новым устройствам.

Сервер в подобной сети используется, как упоминалось, только для предоставления информации о местоположении запрашиваемых данных.

Для реализации пиринговых сетей требуется дополнительное программное обеспечение, например, BitTorrent.

Протоколы

Протокол (в терминологии вычислительных сетей) - заранее согласованный стандарт, который позволяет двум устройствам обмениваться данными.

Иное, сходное определение гласит, что протокол - формальный набор правил и соглашений, определяющих, каким образом устройства в сети обмениваются данными.

Протоколы описывают любой момент взаимодействия – от характеристик сигнала, передаваемых по кабелю, до языка запросов, позволяющих обмениваться сообщениями приложениям, исполняемым на разных компьютерах.

Протоколы разрабатываются различными организациями такими, как:

• Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE, Institute of Electrical and Electronic Engineers) – Североамериканская организация, опубликовавшая рекомендации рабочей группы 802, содержавшие стандарты, определившие протоколы Ethernet и Token Ring
• Международная организация по стандартизации (ISO, International Organization for Standardization). Всемирное объединение организаций по выработке эталонов, включающее более 100 государств.
• IETF( Internet Engineering Task Forse, Специальная комиссия Интернет-разработок) – RFC (запросы на комментарии в Интернете), протоколы TCP/IP
• W3C (Консорциум Всемирной Паутины) – Развитие Всемирной Сети (HTML, HTTP)
• И т.д.

Сетевая модель

Для обеспечения взаимодействия любого сетевого оборудования потребовалось ввести стандартизацию. Причем требовалось стандартизовать все уровни взаимодействия устройств – от побитовой передачи до клиент-серверного взаимодействия.

В 1984 году организацией ISO была предложена эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI - Open Systems Interconnection reference model.

Под открытой системой подразумевается любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.

Спецификация – это формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик.

Открытые спецификации - опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.

Согласно модели OSI сетевое взаимодействие делится на семь уровней. На каждом уровне решается своя задача. Каждый уровень имеет свой набор протоколов для его реализации. Данные проходят по всем уровням как на стороне отправителя, так и – в обратном порядке – на стороне получателя.

Согласно модели взаимодействие инициируется на Прикладном уровне. Прикладной уровень обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере, и управляет остальными шестью уровнями.

Представительский уровень определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети, то есть выполняет функцию переводчика (преобразование символов, кодировок, способов представления данных в разных архитектурах, разных программах, различных устройствах), а также решает вопросы шифрования и дешифрирования данных, а при необходимости – и их сжатия.

Сеансовый уровень управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и прекращает связь); также распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.

Транспортный уровень разбивает передаваемую информацию на фрагменты (пакеты), нумерует их и обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, в нужной последовательности.

Сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов от отправителя к получателю по определяемому на данном уровне маршруту; отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен (IP-адреса) в физические сетевые адреса (MAC-адреса) и обратно.

Канальный уровень обеспечивает формирование пакетов стандартного вида и управление доступом к сети; также на этом уровне проводится контроль ошибок и повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов. На канальном уровне выделяют два подуровня:

• Верхний подуровень (LLC - Logical Link Control) - управление логической связью, устанавливает виртуальный канал связи, преобразует биты и байты, полученные с МАС в формат, требуемый сетевым уровнем.
• Нижний подуровень (MAC - Media Access Control) осуществляет непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Биты и байты преобразуются в кадры и наоборот.

Физический уровень отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в среде передачи, и обратное декодирование; определяет требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению (пакеты) и проч.

Физический уровень

Физический уровень определяет среду передачи (медный кабель, оптоволокно, беспроводные реализации: радиоволны, инфракрасное излучение, лазеры, микроволновое излучение и прочее) и включает в себя:

• Технологию передачи данных
• Оборудование для поддержки данной технологии
• Спецификации, которым должно удовлетворять оборудование
• Природу сигналов, используемых для кодирования передаваемой информации

Рассмотрим подробнее некоторые аспекты физического уровня передачи данных.

Основные параметры кабелей

Основные параметры кабелей, определяющие их производительность, это:

• Полоса пропускания кабеля и связанное с ним затухание сигнала. Полоса пропускания – это диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.

Несложно понять, что сигнал, переданный в среду (в кабель), постепенно ослабевает, искажается и, на каком-либо расстоянии, деформируется, что делает невозможным распознавание исходно переданной информации.

Также очевидно, что при передаче на больших частотах, затухание возрастает, а расстояние передачи уменьшается.

• Помехозащищенность и обеспечиваемая им секретность передачи информации

Если передается электрический сигнал, то сильная электромагнитная помеха извне может существенно исказить сигнал вплоть до искажения передаваемых данных. Для защиты от внешних воздействий кабели экранируются. Либо, как в случае витой пары, конструкция кабеля направлена на снижение влияния помех.

Обратной стороной помехозащищённости является возможность при помощи специального оборудования уловить передаваемый по кабелю сигнал, то есть секретность передачи информации.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель помимо мощной внутренней жилы имеет внутреннюю , внешнюю изоляцию и металлическую оплетку, осуществляющую защиту от электромагнитных помех. Коаксиал характеризуется:

• высокой помехозащищенностью от внешних воздействий (за счет мощного экранирования); как следствие дает малое электромагнитное излучение вовне;
• трудно механически подключиться для несанкционированного прослушивания;
• большим допустимым расстоянием передачи данных;
• широкой, (больше, чем в случае витой пары), полосой пропускания (свыше 1ГГц).

Существуют толстые и тонкие коаксиальные кабели. Толстый (thick) - классический коаксиал толщиной около 1 см, жесткий, дорогой. Тонкий (thin) коаксиал толщиной кабеля - около 0,5 см, более гибкий, что обеспечивало большее удобство подключения, но меньшее расстояние передачи, чем у толстого за счет затухания сигнала.

Несмотря на многие достоинства, в настоящее время коаксиальные кабели в локальных сетях практически не используются. Основная причина – стоимость кабеля, а также дорогой и сложный монтаж.

Коаксиалы активно использовались в первых сетевых технологиях. В частности первые Ethernet (10Base-5) сети имели шинную топологию: на одну шину (один кабель – толстый коаксиал) подключались все устройства сети. Схема такой сети приведена на рисунке.

Толстый коаксиал (как правило, прокладывался по стенке) позволял строить сети размером до полукилометра. Если требовалось удлинение сети, применялся репитер – удлинитель-усилитель сигнала. К толстому коаксиалу, пробивая изоляцию, крепились специальные устройства – трансиверы, через которые сигнал передавался на компьютер посредством тонкого коаксиального кабеля.

Тонкий коаксиальный кабель использовался аналогично толстому с той разницей, что общая длина сети была меньше, а компьютеры соединялись напрямую посредством тонких коаксиальных кабелей (модификация Ethernet 10Base-2).

В стандарте Fast Ethernet (1995 год) коаксиальный кабель был исключен из видов используемых кабелей. Его полностью вытеснила витая пара.

Витая пара

Как видно из рисунка, витая пара в настоящее время имеет минимум 4 пары проводов перевитых с одинаковым шагом. Каждый провод имеет свой цвет. Сигнал передается разностью потенциалов на двух проводах. Возникающая помеха может существенно исказить результат передачи. За счет перекручивания этих двух проводов с равномерным шагом скрутки возникающая помеха возникает одновременно в обоих кабелях и при определении значении сигнала (как разность потенциалов) влияние помехи нивелируется.

Витая пара имеет следующие характеристики:

• гибкий и удобный для прокладки;
• простота монтажа разъемов на концах кабеля и ремонта;
• короткие линии связи (в пределах 100 метров), при больших расстояниях возможны ошибки передачи;
• используется для передачи информации на скоростях 100 Мбит/с и до 1000 Мбит/с; при скорости 1000 Мбит/с возникают технические сложности;
• существуют экранированные и неэкранированные витые пары. В настящее время наиболее популярна неэкранированная витая пара категории 5E;
• классическое применение витых пар – для создания сети с топологией «звезда».

В целом характеристики хуже, чем у других кабелей. Но, учитывая, что размер сетей масштаба офиса вполне укалывается в 100 метров от компьютера до коммутатора, а стоимость и легкость монтажа у данного типа кабеля наилучшие. Стандарты Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и даже 10GB Ethernet в качестве среды передачи определяют неэкранированную витую пару категории 5, 5E или 6. Можно предположить, что витая пара будет продолжать активно использоваться.

Оптоволокно

В силу природы испльзуемого сигнала (света) сигнал-свет проходит по кабелю на огромные расстояния (до десятков километров) с высокой скоростью (~ 10 Гбит/с и выше) с незначительным ослаблением сигнала. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10¹² Гц, то есть 1000 ГГц. Также данный кабель лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех и имеет исключительные характеристики по помехозащищенности и секретности передаваемой информации.

Оптическое волокно состоит из двух частей с различными коэффициентами преломления – сердцевины и оболочки. В зависимости от толщины сердцевины волокна оптоволокно подразделяют на многомодовое и одномодовое.

Рассмотрим прохождение сигнала в многомодовом оптоволокне:

В многомодовом оптоволокне центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, диаметр внешней оболочки 125 мкм (62,5/125). Длина волны света ~0,85 мкм, наблюдается разброс длин волн ~30 – 50 нм. При размерах сердцевины, значительно больших, чем длина волны луча, возможно множество траекторий (мод), а при диаметре сердцевины близких к длине волны (одномодовое) – только одна. При передаче сигнала через многомодовое оптоволокно траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Поэтому на слишком больших расстояниях многомодовое оптоволокно не применяется. Допустимая длина кабеля составляет 2 – 5 км.

Для передачи используется светодиоды, отличающиеся относительно невысокой стоимостью и длительным сроком службы приемопередатчиков.

Многомодовый – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время.

В одномодовом волокне кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм, передает свет с длиной волны (1,3 мкм). Таким образом, лучи проходят один и тот же путь, достигают приемника одновременно, форма сигнала почти не искажается, что позволяет передавать сигнал практически на сотню километров.

В качестве приемо-передатчиков применяются лазерные приемопередатчики, характеризующиеся относительной дороговизной, большим быстродействием, недолговечностью по сравнению со светодиодами. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше.

Классическое применение одномодового волокна – межконтинентальные кабели.

К недостаткам оптоволокна относят:

• высокая сложность монтажа (учитывая диаметр световода);
• необходимость применения специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические;
• кабель менее прочен и гибок, чем электрический кабель; плохо переносит механическое растяжение и раздавливающие воздействия;
• чувствителен к ионизирующим излучениям и резким перепадам температуры, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна.

Радиосвязь

Одной из наиболее популярных в настоящее время является видов связей является радиосвязь.

Радиоволны - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Для организации радиосвязи требуется радиопередатчик, передающий сигнал, и радиоприемник, принимающий сигнал и усиливающий его. Если не используется направленная антенна, и на пути нет препятствий, радиоволны распространяются по всем направлениям равномерно и сигнал падает пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником.

Таким образом, любое беспроводное устройство должно быть оснащено приемником, передатчиком и антенной (антенна бывает встроенная).

При беспроводной передаче существует множество помех, начиная от перекрытий зданий, особенностей ландшафта, заканчивая помехами от прочей работающей техники. Если все беспроводные устройства будут использовать одну частоту, то устройства будут перекрывать друг друга. Для беспроводных устройств для повышения качества передаваемого сигнала и разделения рабочей частоты существуют свои методы кодирования информации и доступа к среде передачи.

В качестве примера можно назвать уплотнение с пространственным разделением, предполагающее, что для передачи одну и ту же частоту можно использовать одновременно в различных пространственных областях. Эта технология легла в основу сотовой связи.

Уплотнение с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) предполагает что в пределах одной пространственной зоны различные станции могут вещать в различных диапазонах частот.

Уплотнение с временным разделением (Time Division Multiplexing, TDM) предпалагает передачу различным устройствам в различные временные интервалы.

Уплотнение с кодовым разделением (Code Division Multiplexing, CDM) определяет, что для различных устройств информация будет передаваться закодированная своей кодовой последовательностью . Например, кодовая последовательность Баркера каждый передаваемый юит кодируется цепочкой одиннадцати битов «10110111000». Для передачи «110» в этом случае будет передано «10110111000 10110111000 01001000111»

Перечисленные способы лишь дают общее представления о механиз