Физическая среда передачи данных

ПЛАН

1. Основные типы кабельных и беспроводных сред передачи данных.
2. Узкополосная и широкополосная передачи сигналов.
3. Кодирование сигналов.
4. Асинхронная передача и автоподстройка.
5. Плата сетевого адаптера (СА).

 {spoiler=Подробнее}

Основные типы кабельных и беспроводных сред передачи данных

На сегодня большая часть компьютерных сетей используют для соединения провода и кабели. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами. Наиболее распространены: коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель.

Однако постепенно в нашу жизнь входит беспроводная среда передачи данных. Термин «беспроводная среда» может ввести в заблуждение, т. к. предполагает полное отсутствие проводов. В действительности это не так. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, где основная среда передачи данных - кабель. В ЛВС они оказываются наиболее полезными:

•  в помещениях, заполненных людьми (приемная и т. п.);
• для людей, которые не работают на одном месте (врач, брокер и т. п.);
• в изолированных помещениях и зданиях (склад, гараж и т. п.);
• в строениях (памятниках архитектуры или истории), где прокладка дополнительных кабельных трасс недопустима.

Для беспроводной передачи данных используют: инфракрасное и лазерное излучение, радиопередачу и телефонию. Эти способы передачи данных в компьютерных сетях, как локальных, так и глобальных, привлекательны тем, что:

• гарантируют определенный уровень мобильности;
• позволяют снять ограничение на длину сети, а использование радиоволн и спутниковой связи делают доступ к сети фактически неограниченным.

7.1.1. Коаксиальный кабель

До недавнего времени самой распространенной средой передачи данных был коаксиальный кабель: относительно недорогой, легкий и гибкий, безопасный и простой в установке. На рис. 7.1 приведена конструкция коаксиального кабеля.  

Рис. 7.1. Конструкция коаксиального кабеля

Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Она изоляцией отделяется от металлической оплетки, которая играет роль заземления и защищает передаваемые по жиле сигналы от:

• внешних электромагнитных шумов (атмосферных, промышленных);
• перекрестных помех – электрических наводок, вызванных сигналами в соседних проводах.

Используют толстый и тонкий коаксиальный кабель. Их характеристики представлены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Характеристики коаксиального кабеля.

Тип	Диаметр	Эффективная длина сегмента	Скорость передачи	Обозначение по стандарту IEEE 802.3
толстый	1 см	500 м	10 Мбит/с	10 base 5
тонкий	0,5 см	185 м	10 Мбит/с	10 base 2

В обозначении кабелей по стандарту IEEE 802.3 первые две цифры – скорость передачи в Мбит/с, base обозначает, что кабель используется в сетях с узкополосной передачей (baseband network), последняя цифра – эффективная длина сегмента в сотнях метров, при которой уровень затухания сигнала остается в допустимых пределах. Тонкий подключается к сетевым платам непосредственно через Т-коннектор (рис. 7.2), толстый – через специальное устройство - трансивер (рис. 7.3).

		BNCT-коннектор (British Naval Connect)

 

Рис. 7.2. Подключение тонкого коаксиального кабеля

Рис. 7.3. Подключение толстого коаксиального кабеля

Различают обычные и пленумные коаксиальные кабели. Последние обладают повышенными механическими и противопожарными характеристиками и допускают прокладку под полом, между фальшпотолком и перекрытием. При выборе для ЛВС данного типа кабеля следует принимать во внимание, что:

1. это среда для передачи речи, видео и двоичных данных;
2. позволяет передавать данные на большие расстояния;
3. это хорошо знакомая технология, предлагающая достаточный уровень защиты данных.

Витая пара

Если для передачи электрических сигналов воспользоваться обычной парой параллельных проводов для передачи знакопеременного списка большой частоты, то возникающие вокруг одного из них магнитные потоки будут вызывать помехи в другом (рис. 7.4). Для исключения этого явления провода перекручивают между собой (рис. 7.5).

 

Рис. 7.4. Пара параллельных проводов

Рис. 7.5. Витая пара

Самая простая витая пара (twisted pair) – это два перевитых друг вокруг друга изолированных провода. Существует два вида такого кабеля:

• неэкранированная витая пара (UTP);
• экранированная витая пара (STP).

Часто несколько витых пар помещают в одну защитную оболочку (типа

телефонного кабеля). Наиболее распространена в ЛВС неэкранированная витая пара стандарта 10 baseT с эффективной длиной сегмента – 100 м. Определено 5 категорий на основе UTP (таблица 7.2).

Таблица 7.2

Категории кабальных соединений на неэкранированной витой паре

Категория	Скорость передачи (Мбит/с)	Количество пар
1	Телефонный кабель только для передачи речи	1 пара
2	До 4	4 пары
3	До 10	4пары с 9-ю витками на 1 м
4	До 16	4 пары
5	До 100	4 медных пары

Одной из проблем всех этих кабелей являются перекрестные помехи, т.е. наводки со стороны соседних линий, что может приводить к искажению передаваемых данных. Для уменьшения их влияния используют экран. В кабелях на основе экранированных витых пар каждая пара обматывается фольгой, а сам кабель заключается в медную оплетку, что позволяет передавать данные с более высокой скоростью и на большие расстояния.

Компоненты кабельной системы

При построении развитой кабельной системы ЛВС и для упрощения работы с ней используются следующие компоненты:

• Концентраторы. Для подключения витой пары к компьютеру используется телефонный коннектор RJ-45, который отличается от используемых в современных телефонах и факсах RJ-11 тем, что имеет 8 контактов вместо 4.
• Распределительные стойки и полки, которые позволяют организовать множество соединений и занимают мало места.
• Коммутационные панели. Существуют разные панели расширения. Они поддерживают до 96 портов и скорость передачи до 100 Мбит/с.
• Соединители. Одинарные или двойные витки RJ-45 для подключения к панели расширения или настенным розеткам. Обеспечивают скорость до 100 Мбит/с.
• Настенные розетки к которым можно подключить два или более соединителя.

Достоинством использования компонентов кабельной системы ЛВС является то, что на их основе можно компоновать сети различной топологии. Один из вариантов использования компонентов кабельной системы ЛВС может иметь вид, аналогичный приведенному на рис. 7.6.

 

Коннекторы

Коммутационные панели

l     l     l     l     l     l     l     l

l     l     l     l     l     l     l     l

        :

:

      :

Рис. 7.6. Использование компонентов кабельной системы ЛВС

При разработке топологии и построении конкретных ЛВС рекомендуется использовать витую пару в тех случаях, если:

• есть ограничения на материальные затраты при организации ЛВС;
• нужна достаточно простая установка, при которой подключение компьютеров – несложная операция.

Следует воздержаться от использования витой пары, если Вы хотите быть абсолютно уверенными в целостности данных, передаваемых на большие расстояния с высокой скоростью. В этих случаях более надежным является применение оптоволоконного кабеля.

Оптоволоконный кабель

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов, а не электрических сигналов. Следовательно, его нельзя вскрыть и перехватить данные.

Передача по оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости (до 100 Мбит/с, а теоретически возможно до 200 Мбит/с).

Основа кабеля – оптическое волокно – тонкий стеклянный цилиндр (жила), покрытая слоем стекла, называемого оболочкой и имеющей отличный от жилы коэффициент преломления (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Структура оптоволокна

Рис. 7.8. Оптоволоконный кабель

Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами (рис. 7.8). Жесткость обеспечивает покрытие из пластика, а прочность – волокна кевлара. Оптоволоконный кабель рекомендуется использовать:

-         при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью по надежной среде передачи.

Не рекомендуется использовать:

-         при ограниченности денежных средств;

-         при отсутствии навыков установки и корректного подключения оптоволоконных сетевых устройств.

Узкополосная и широкополосная передачи сигналов

В современных компьютерных сетях для передачи кодированных сигналов по сетевому кабелю наибольшее применение находят две наиболее распространенные технологии:

• узкополосная передача сигналов;
• широкополосная передача сигналов.

Узкополосные (baseband) системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты (рис. 7.9).

 

Рис. 7.9. Узкополосная передача.

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала

используется для передачи одного сигнала или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания – это разница между max и min частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно их передавать и принимать.

Широкополосные (broadband) системы передают данные в виде аналогового сигнала, который использует некоторый интервал частот (рис. 5.10). Сигналы представляют собой непрерывные (а не дискретные) электронные или оптические волны. При таком способе сигналы передаются по физической среде в одном направлении.

Если обеспечить необходимую полосу пропускания, то по одному сетевому кабелю одновременно можно передавать несколько сигналов (например, кабельного телевидения, телефона и передача данных).

 

Рис. 7.10. Широкополосная передача

Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства (в. т. ч. и компьютеры) настраиваются так, чтобы работать с выделенной им частью полосы пропускания.

В широкополосной системе сигнал передается только в одном направлении. Для возможности приема и передачи каждым из устройств необходимо обеспечить два пути прохождения сигнала. Для этого можно:

• использовать два кабеля;
• разбить полосу пропускания кабеля на два канала, которые работают с разными частотами: один канал на передачу, другой – на прием.

Кодирование сигналов

Данные, хранимые в РС и передаваемые между ними в ЛВС, представляются в цифровом виде (рис. 7.11). Каждое информационное сообщение (пакет) – это строка битов, содержащая закодированную информацию.

			СА
	РС1

 

Информационное сообщение (пакет)    01110010

              :                                                                    : 

 

Рис. 7.11. Процесс передачи информации.

Так как кабель содержит всего две проводящие жилы, то в каждый момент времени по нему можно передать только один бит информации (последовательная передача данных).

1. При широкополосной передаче цифровые данные РС перед передачей по сетевому кабелю преобразуются в аналоговый несущий сигнал синусоидальной формы:

u = U*sin(ωt+φ)

Это преобразование называется модуляцией. В зависимости от того, какой из параметров данного сигнала изменяется различают три типа модуляции: амплитудную, частотную и фазовую. Рассмотрим два из них.

При амплитудной модуляции (АМ) используется несущий сигнал постоянной частоты (ω₀). Для передачи бита со значением «1» передается волна несущей частоты. Отсутствие сигнала означает передачу бита «0», т. е.:

u = Um*sin(ω0t+φ0),

где                     1 при бите «1»                           0 при бите «0»

При частотной модуляции (ЧМ) используется сигнал несущей с двумя частотами. В этом случае бит «1» представляется сигналом несущей частоты ω₁, а бит «0» – частоты ω₂, т. е.:

u = U0*sin(ωmt+φ0),

где                    ω1 при бите «1»                          ω2 при бите «0»

Обратный процесс - процесс преобразования аналогового сигнала в цифровые данные на РС, которая принимает переданный ей модулированный сигнал называется демодуляцией.

2. При узкополосной передаче используется двуполярный дискретный сигнал. При этом кодирование в сетевом адаптере передающей РС цифровых данных в цифровой сигнал выполняется напрямую.

Наиболее простым и часто используемым является кодирование  методом без возврата к нулю (NRZ – Non Return to Zero), в котором бит «1» представляется положительным напряжением (H – высокий уровень), а бит «0» – отрицательным напряжением (L – низкий уровень). Т. е. сигнал всегда выше или ниже нулевого напряжения, откуда и название метода. Иллюстрация изложенных методов кодирования сигналов приведена на рис. 7.12.

 

Рис. 7.12. Варианты кодирования сигналов.

Как при передаче аналоговых, так и цифровых сигналов, если следующие друг за другом биты ровны (оба «0» или оба «1»), то трудно сказать, когда кончается один и начинается другой. Для решения этой задачи приемник и передатчик надо синхронизировать, т. е. одинаково отсчитывать интервалы времени.

Это можно выполнить либо введя дополнительную линию для передачи синхроимпульсов (что не всегда возможно, да и накладно) , либо использовать специальные методы передачи данных: асинхронный или автоподстройки.

 Асинхронная передача и автоподстройка

При низких скоростях передачи сигналов используется метод асинхронной передачи, при больших скоростях эффективнее использовать метод автоподстройки. Как передатчик, так и приемник снабжены генераторами тактовых импульсов, работающими на одной частоте. Однако невозможно, чтобы они работали абсолютно синхронно, поэтому их необходимо периодически подстраивать. Аналогично обыкновенным часам, которые необходимо периодически корректировать.

При асинхронной передаче генераторы синхронизируются в начале передачи каждого пакета (или байта) данных и предполагается, что за это время не будет рассогласования генераторов, которые бы вызвали ошибки в передаче. При этом считается, что все пакеты одной длины (например, байт). Синхронизация тактового генератора приемника достигается тем, что:

• перед каждым пакетом (байтом) посылается дополнительный «старт-бит», который всегда равен «0»;
• в конце пакета посылается еще один дополнительный «стоп-бит», который всегда равен «1».

Если данные не передаются, линия связи находится в состоянии «1» (состояние незанятости). Начало передачи вызывает переход от «1» к «0», что означает начало «старт-бита». Этот переход используется для синхронизации генератора приемника. Поясним этот процесс временной диаграммой (рис. 7.13):

Рис. 7.13. Асинхронная передача

При передаче с автоподстройкой используется метод Манчестерского кодирования, при котором:

• тактовый генератор приемника синхронизируется при передаче каждого бита;
• и следовательно, можно посылать пакеты любой длины.

Синхронизация сигнала данных достигается обеспечением перехода от «H»-уровня к «L»-уровню или наоборот, в середине каждого бита данных (рис. 7.14). Эти переходы служат для синхронизации тактового генератора приемника. Биты данных кодируются:        «0» – при переходе «L» à «H» и «1» – при переходе «H» à «L»

L

H

L

H

                    0       1          0       0       1        1

NRZ - сигнал

Манчестерский код

 

Рис. 7.14. Передача с автоподстройкой

Если информация не передается, в линии данных нет никаких переходов и тактовые генераторы передатчика и приемника рассогласованы.

При этом виде кодирования переходы происходят не только в середине каждого бита данных, но и между битами, когда два последовательных бита имеют одно и то же значение.

После простоя линии необходима предварительная синхронизация генератора, которая достигается посылкой фиксированной последовательности битов (преамбула и биты готовности).

Например, можно использовать преамбулу из восьми битов: 11111110, где первые 7 битов используются для начальной синхронизации, а последний – для сообщения приемнику, что преамбула окончилась, т. е. далее пойдут биты данных.

Плата сетевого адаптера (СА)

Плата сетевого адаптера выступает в качестве физического интерфейса или соединения между компьютером и сетевым кабелем. Платы вставляются в слоты расширения системной шины всех сетевых компьютеров и серверов. Назначение платы сетевого адаптера:

• подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;
• передача (или прием) данных другому компьютеру;
• управление потоком данных между компьютером и кабельной системой.

1. Подготовка данных. Плата сетевого адаптера принимает циркулирующие по системной шине параллельные данные, организует их для последовательной (побитовой) передачи.

Этот процесс завершается переводом цифровых данных компьютера в электрические или оптические сигналы, которые и передаются по сетевым кабелям. Отвечает за это преобразование трансивер.

2. Сетевой адрес. Помимо преобразования данных плата СА должна указать свой адрес, чтобы ее можно было отличить от других плат. За каждым производителем СА закреплен стандартом IEEE некоторый интервал адресов. Производители «прошивают» эти адреса в микросхеме плат. Благодаря этому, каждый СА и, следовательно, каждый сетевой компьютер имеет уникальный адрес в сети.

При передаче данные из памяти  компьютера через системную шину поступают в СА. Обычно они поступают быстрее, чем их способна передать плата СА, поэтому она должна иметь буфер для их временного хранения. Это позволяет согласовать скорости передачи по шине без потерь производительности и искажения данных.

3. Передача и управление данными. Перед посылкой данных по сети плата СА проводит «электронный диалог» с принимающим СА, во время которого они «оговаривают»:

• максимальный размер блока передаваемых данных;
• объем данных, передаваемый без подтверждения о получении;
• интервалы между передачами блоков;
• объем данных, который может принять СА, не переполняясь;
• скорость передачи данных.

Все эти действия каждый СА выполняет в строго определенной последовательности в соответствие со строго определенными правилами, которые называются протоколами и подробно будут рассматриваться ниже.

4. Сетевые кабели и соединители. Каждый тип кабеля имеет различные сетевые характеристики, которым должен соответствовать и СА. Поэтому платы СА рассчитаны на работу с определенным видом кабеля (коаксиал, витая пара и т. д.). Некоторые СА могут содержать несколько типов соединителей для различных физических сред.

Контрольные вопросы:

1. Основные типы кабельных и беспроводных сред передачи данных.
   1. Узкополосная и широкополосная передачи сигналов.
   2. Кодирование сигналов.
   3. Асинхронная передача и автоподстройка.
   4. Плата сетевого адаптера (СА).
   5. Процесс передачи информации.

{/spoilers}