Среда передачи данных

Средой передачи данных называется физическая среда, пригодная для прохождения сигнала. Чтобы компьютеры могли обмениваться кодированной информацией, среда должна обеспечить их физическое соединение друг с другом. Существует несколько видов сред, применяемых для соединения компьютеров:

• коаксиальный кабель;

• неэкранированная витая пара;

• экранированная витая пара;

• оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель. Коаксиальный кабель состоит из внешнего цилиндрического пустотелого проводника, окружающего один внутренний провод (рис. 2.3.1).

Коаксиальный кабель состоит из двух проводящих элементов. Один из них – медный провод, находящийся в центре кабеля и окруженный слоем гибкой изоляции. Поверх изоляционного материала расположен экран из тонких переплетающихся медных проводов или из металлической фольги, который в электрической цепи играет роль второго провода. Как следует из названия, внешняя оплетка служит для экранирования центрального провода от влияния помех. Снаружи экран покрыт оболочкой.

Рисунок 2.3.1 – Структура коаксиального кабеля

Для локальных сетей применение коаксиального кабеля дает несколько преимуществ:

• коаксиальный кабель может использоваться без усиления сигнала на больших расстояниях, чем экранированная или неэкранированная витая пара. Это означает, что сигнал может проходить более длинные расстояния между сетевыми узлами, не нуждаясь в повторителе для усиления сигнала, как в витой паре;

• коаксиальный кабель дешевле, чем оптоволоконный.

Наконец, в течение долгого времени коаксиальный кабель использовался во всех типах обмена данными, что позволило хорошо изучить эту технологию.

По толщине коаксиальный кабель, используемый в компьютерных сетях можно разделить на два вида: толстый (Thicknet) и тонкий (Thinnet).

Как правило, с более толстым кабелем работать менее удобно. Об этом следует помнить, особенно если кабель надо будет протягивать по уже существующим коробам и желобам с ограниченным размером. Он достаточно жесткий из-за экрана и имеет оболочку желтого цвета. В некоторых ситуациях прокладка толстого кабеля весьма затруднительна, поэтому необходимо помнить, что чем сложнее среда передачи данных в установке, тем дороже сама установка. С тонким коаксиальным кабелем работать более удобно – он более гибкий.

На концах коаксиального кабеля, как правило, используется специальный разъем – BNC-коннектор (рис. 2.3.2). Чтобы отраженный сигнал поглощался на кон­цах кабеля, там устанавливали BNC-терминаторы, один из которых обязательно заземлялся.

Десять – пятнадцать лет назад при создании компьютерных сетей применялся в основном коаксиальный кабель. Сейчас же он в боль­шинстве сетей заменен витой парой или оптически­ми кабелями.

Рисунок 2.3.2 – BNC-коннекторы различных типов

Неэкранированная витая пара

Кабель на основе неэкранированной витой пары (unshielded twisted-pair, UTP) используется во многих сетях и представляет собой четыре пары скрученных между собой проводов, при этом каждая пара изолирована от других.

Кабель UTP, применяемый в сетях передачи данных, имеет четыре пары медных проводов. Наружный диаметр UTP составляет около 0,17 дюйма (4,35 мм). Небольшой диаметр кабеля дает определенные преимущества при прокладке. Поскольку неэкранированная витая пара может использоваться в большинстве сетевых архитектур, популярность ее продолжает расти.

Кабель UTP проще в установке и дешевле других типов сред передачи данных. Фактически удельная стоимость UTP на единицу длины меньше, чем у любого другого типа кабелей, использующихся в локальных сетях. Однако реальным преимуществом витой пары остается ее размер. Так как этот кабель имеет небольшой внешний диаметр, то он будет не так быстро заполнять сечение коробов, как другие виды кабелей. Этот фактор становится особенно важным, когда речь идет о прокладке сети в старых зданиях. Кроме того, на концах кабеля UTP, как правило, используется специальный разъем – RJ-коннектор (registered jack connector) (рис. 2.3.3).

Рисунок 2.3.3 – RJ-коннектор

Первоначально RJ-коннектор применялся для подключения к телефонной линии, а сейчас используется в сетевых соединениях и гарантирует хорошее и надежное подключение. Это объясняет существенное снижение количества потенциальных источников шума в сети.

Следует отметить что, кабель UTP более подвержен электрическим шумам и помехам, чем другие типы носителей. Раньше можно было сказать, что кабель UTP уступает в скорости передачи данных другим видам кабелей, но в настоящее время, фактически, UTP является самой быстрой средой передачи данных на основе медных проводников. Однако, в случае использования кабеля UTP, расстояние между усилителями сигнала меньше, чем при использовании коаксиального кабеля.

Экранированная витая пара. Кабель на основе экранированной витой пары (shielded twisted-pair, STP) (рис. 2.3.4) объединяет в себе методы экранирования и скручивания проводов. Предназначенный для использования в сетях передачи данных и правильно установленный STP-кабель по сравнению с UTP-кабелем имеет большую устойчивость к электромагнитным и радиочастотным помехам без существенного увеличения веса или размера кабеля.

Рисунок 2.3.4 – Структура экранированной витой пары

Кабель STP имеет все преимущества и недостатки кабеля UTP, но он лучше защищает от всех типов внешних помех. Кабель на основе экранированной витой пары дороже, чем на основе не экранированной.

В отличие от коаксиального кабеля, в кабеле STP экран не является частью цепи передачи данных. Поэтому у кабеля должен быть заземлен только один конец. Обычно установщики заземляют кабель в концентраторе или в коммутационном шкафу. Неправильное заземление кабеля может стать основной причиной проблем в сети, поскольку в этом случае экран начинает работать как антенна, принимающая электрические сигналы от других проводов в кабеле и от внешних источников электрических шумов. И наконец, длина отрезков кабеля на основе экранированной витой пары без установки усилителей сигналов не может быть такой же большой, как при использовании других сред передачи данных.

Оптоволоконный кабель. Оптоволоконный кабель является средой передачи данных, которая способна проводить модулированный световой сигнал. Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля: многомодовый (multi-mode) или одномодовый (single-mode). Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле. В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее.

Оптоволоконный кабель невосприимчив к электромагнитным помехам и способен обеспечивать более высокую скорость передачи данных, чем кабели на основе витой пары и коаксиальный кабель. В отличие от других сред передачи данных, имеющих в основе медные проводящие элементы, оптоволоконный кабель не проводит электрические сигналы. Вместо этого в оптоволоконном кабеле соответствующие битам сигналы заменяются световыми импульсами.

Оптоволоконный кабель, использующийся в сетях передачи данных, состоит из двух стекловолокон, заключенных в отдельные оболочки (рис. 2.3.5). Если посмотреть на кабель в поперечном сечении, то можно увидеть, что каждое стекловолокно окружено слоем отражающего покрытия, затем следует слой из пластмассы, имеющей название кевлар (Kevlar) (защитный материал, обычно использующийся в пуленепробиваемых жилетах), и дальше идет внешняя оболочка. Внешняя оболочка обычно делается из пластика и служит для защиты всего кабеля. Она отвечает требованиям соответствующих противопожарных и строительных норм.

Рисунок 2.3.5 – Структура оптоволоконного кабеля

Назначение кевлара состоит в том, чтобы придать кабелю дополнительные упругие свойства и предохранить от механического повреждения хрупкие толщиной в человеческий волос стекловолокна. Если требуется прокладка кабеля под землей, то иногда для придания дополнительной жесткости в его конструкцию вводят провод из нержавеющей стали.

Светопроводящими элементами оптоволоконного кабеля являются центральная жила и светоотражающее покрытие. Центральная жила – это обычно очень чистое стекло с высоким коэффициентом преломления. Если центральную жилу окружить покрытием из стекла или пластмассы с низким коэффициентом преломления, то свет может как бы захватываться центральной жилой кабеля. Этот процесс называется полным внутренним отражением и позволяет оптопроводящему волокну играть роль световода и проводить свет на огромные расстояния, даже при наличии изгибов.

MAC-адреса и сетевые адаптеры

Каждый компьютер, независимо от того, подключен он к сети или нет, имеет уникальный физический адрес. Не существует двух одинаковых физических адресов. Физический адрес (МАС-адрес – Media Access Control) зашит на плате сетевого адаптера (рис. 2.3.6).

Таким образом, в сети именно плата сетевого адаптера подключает устройство к среде передачи данных. Каждая плата сетевого адаптера, который работает на канальном уровне эталонной модели OSI, имеет свой уникальный МАС-адрес.

В сети, когда одно устройство хочет переслать данные другому устройству, оно может установить канал связи с этим другим устройством, воспользовавшись его МАС-адресом.

Рисунок 2.3.6 – Сетевой адаптер

Отправляемые источником данные содержат МАС-адрес пункта назначения. По мере продвижения пакета в среде передачи данных сетевые адаптеры каждого из устройств в сети сравнивают МАС-адрес пункта назначения, имеющийся в пакете данных, со своим собственным физическим адресом. Если адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует этот пакет, и данные продолжают движение к следующему устройству.

Если же адреса совпадают, то сетевой адаптер делает копию пакета данных и размешает ее на канальном уровне компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения.

Сетевые адаптеры преобразуют пакеты данных в сигналы для передачи по сети. В ходе изготовления фирмой-производителем каждому сетевому адаптеру присваивается физический адрес, который заносится в специальную микросхему, устанавливаемую на плате адаптера. В большинстве сетевых адаптеров МАС-адрес зашивается в ПЗУ. Когда адаптер инициализируется, этот адрес копируется в оперативную память компьютера. Поскольку МАС-адрес определяется сетевым адаптером, то при замене адаптера изменится и физический адрес компьютера: он будет соответствовать МАС-адресу нового сетевого адаптера.