что такое ограниченная среда передачи данных

Среды передачи данных

В качестве сред передач данных могут выступать:

1. Медно-электрические кабеля:

— коаксиальный кабель, состоит из центральной жилы, её изоляции, и всё это помещено в оплетку из тонкого медного провода либо из алюминиевой или медной фольги. Оплетка предназначена для защиты центральной жилы от наведения на нее помех и уменьшения излучения ею полезного сигнала. На концах сегментов из коаксиального кабеля устанавливаются разъёмы называемые СР-50; BNC. В компьютерных сетях используют коаксиальные кабеля имеющие в основое соединение 50 Ом. Коаксиальный кабель может быть в 2х исполнениях: Тонкий внешним диаметром 5-6 мм. и толстый диаметром 12-14; мм.

3. Инфракрасные лучи:
Главной особенностью передачи с использованием ИК лучей – это необходимость обеспечения прямой видимости и не большого расстояния между 2мя ИК модемами.

4. Радиоволны:
Особенности прохождения радиоволн заключаются в следующем:
Окружающая землю ионосфера отражает радиоволны длинного, среднего и короткого диапазона. Радиоволны УКВ(сверхвысоко частотного диапазона) прошивают ионосферу и уходят в космос, поэтому для связи со спутником используется диапазон СВЧ. Также диапазон СВЧ используется для построения компьютерных сетей по технологии WI-FI. Необходимо учитывать то, что радиоволны СВЧ диапазона не обладают способностью огибать препятствия и любое препятствие, встречающееся на их пути, их поглощает. Поэтому основное требование к WIFI сетям прямая видимость между точкой доступа и сетевыми радио-картами.

Источник

Физика Ethernet для самых маленьких

Если не знаешь ответов на эти вопросы, а читать стандарты и серьезную литературу по теме лень — прошу под кат.

Кто-то считает, что это очевидные вещи, другие скажут, что скучная и ненужная теория. Тем не менее на собеседованиях периодически можно услышать подобные вопросы. Мое мнение: о том, о чем ниже пойдет речь, нужно знать всем, кому приходится брать в руки «обжимку» 8P8C (этот разъем обычно ошибочно называют RJ-45). На академическую глубину не претендую, воздержусь от формул и таблиц, так же за бортом оставим линейное кодирование. Речь пойдет в основном о медных проводах, не об оптике, т.к. они шире распространены в быту.

Технология Ethernet описывает сразу два нижних уровня модели OSI. Физический и канальный. Дальше будем говорить только о физическом, т.е. о том, как передаются биты между двумя соседними устройствами.

Технология Ethernet — часть богатого наследия исследовательского центра Xerox PARC. Ранние версии Ethernet использовали в качестве среды передачи коаксиальный кабель, но со временем он был полностью вытеснен оптоволокном и витой парой. Однако важно понимать, что применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель — разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина. Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией, а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи — доменом коллизий. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого — фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.

Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра

Теперь давайте представим, что будет, если в сети, изображенной на рисунке, узлы A и С одновременно начнут передачу, но успеют ее закончить раньше, чем примут сигнал друг друга. Это возможно, при достаточно коротком передаваемом сообщении и достаточно длинном кабеле, ведь как нам известно из школьной программы, скорость распространения любых сигналов в лучшем случае составляет C=3*10 8 м/с. Т.к. каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение — факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет. Зато узел B на входе получит сумму сигналов и не сможет корректно принять ни один из них. Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить размер домена коллизий и минимальный размер кадра. Не трудно догадаться, что эти величины прямо пропорциональны друг другу. В случае же если объем передаваемой информации не дотягивает до минимального кадра, то его увеличивают за счет специального поля pad, название которого можно перевести как заполнитель.

Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.

Витая пара и дуплексный режим рабты

Витая пара в качестве среды передачи отличается от коаксиального кабеля тем, что может соединять только два узла и использует разделенные среды для передачи информации в разных направлениях. Одна пара используется для передачи (1,2 контакты, как правило оранжевый и бело-оранжевый провода) и одна пара для приема (3,6 контакты, как правило зеленый и бело-зеленый провода). На активном сетевом оборудовании наоборот. Не трудно заметить, что пропущена центральная пара контактов: 4, 5. Эту пару специально оставили свободной, если в ту же розетку вставить RJ11, то он займет как раз свободные контакты. Таким образом можно использовать один кабели и одну розетку, для LAN и, например, телефона. Пары в кабеле выбраны таким образом, чтоб свести к минимуму взаимное влияние сигналов друг на друга и улучшить качество связи. Провода одной пару свиты между собой для того, чтоб влияние внешних помех на оба провода в паре было примерно одинаковым.
Для соединения двух однотипных устройств, к примеру двух компьютеров, используется так называемый кроссовер-кабель(crossover), в котором одна пара соединяет контакты 1,2 одной стороны и 3,6 другой, а вторая наоборот: 3,6 контакты одной стороны и 1,2 другой. Это нужно для того, чтоб соединить приемник с передатчиком, если использовать прямой кабель, то получится приемник-приемник, передатчик-передатчик. Хотя сейчас это имеет значение только если работать с каким-то архаичным оборудованием, т.к. почти всё современное оборудование поддерживает Auto-MDIX — технология позволяющая интерфейсу автоматически определять на какой паре прием, а на какой передача.

Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) — устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL).

Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:

Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона.

Gigabit Ethernet

В отличии от своих предшественников Gigabit Ethernet всегда использует для передачи одновременно все 4 пары. Причем сразу в двух направлениях. Кроме того информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00,01,10,11). Т.е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5). Кроме того, для того, чтоб использовать все пары одновременно для приема и передачи сетевой адаптер вычитает из общего сигнала собственный переданный сигнал, чтоб получить сигнал переданный другой стороной. Таким образом реализуется полнодуплексный режим по одному каналу.

Дальше — больше

10 Gigabit Ethernet уже во всю используется провайдерами, но в SOHO сегменте не применяется, т.к. судя по всему там вполне хватает Gigabit Ethernet. 10GBE качестве среды распространения использует одно- и многомодовое волокно, с или без уплотнением по длине волны, медные кабели с разъемом InfiniBand а так же витую пару в стандарте 10GBASE-T или IEEE 802.3an-2006.

40-гигабитный Ethernet (или 40GbE) и 100-гигабитный Ethernet (или 100GbE). Разработка этих стандартов была закончена в июле 2010 года. В настоящий момент ведущие производители сетевого оборудования, такие как Cisco, Juniper Networks и Huawei уже заняты разработкой и выпуском первых маршрутизаторов поддерживающих эти технологии.

В заключении стоит упомянуть о перспективной технологии Terabit Ethernet. Боб Меткалф, создатель предположил, что технология будет разработана к 2015 году, и так же сказал:

Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое

UPD: Спасибо хабраюзеру Nickel3000, что подсказал, про то что разъем, который я всю жизнь называл RJ45 на самом деле 8P8C.
UPD2:: Спасибо пользователю Wott, что объяснил, почему используются контакты 1,2,3 и 6.

Источник

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.

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

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.

Контроллер в принимающем устройстве:

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.

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

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.

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

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:

Таблица 6.2. Характеристики UTP

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.

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

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:

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.

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:

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.

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.

Источник