Тема 4. Линии связи и каналы передачи данных

Стр 1 из 5Следующая ⇒

Тема 4. Линии связи и каналы передачи данных

4.1. Проводные линии связи

4.2. Оптические линии связи

4.3. Беспроводные каналы связи

4.4. Спутниковые каналы передачи данных

Для построения компьютерных сетей применяются линии связи, использующие различную физическую среду.

Среда передачи:

Ø Провода — коаксиальный кабель, витая пара, …

Ø Оптоволокно

Ø Электромагнитные волны — радиоволны, ИК, видимый свет...

В качестве физической среды в коммуникациях используются: металлы (в основном медь), сверхпрозрачное стекло (кварц) или пластик и эфир. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель " витая пара", коаксиальные кабель, волоконно-оптический кабель и окружающее пространство.

Рис. Проект Techno.net

Линии связи или линии передачи данных - это промежуточная аппаратура и физическая среда, по которой передаются информационные сигналы (данные).

В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи (виртуальных или логических каналов), например путем частотного или временного разделения каналов. Канал связи - это средство односторонней передачи данных. Если линия связи монопольно используется каналом связи, то в этом случае линию связи называют каналом связи.

Канал связи является совокупностью технических средств и среды распространения, обеспечивающей передачу сообщения любого вида от источника к получателю при помощи сигналов электросвязи.

По каналам связи передаются, как правило, модулированные сигналы. Несущая частота передачи, (например, при трансляции по радиоканалу) на порядок превосходит частоты голосового сигнала.

Коммутация на основе частотного уплотнения

Коммутация на основе разделения канала во времени

Канал передачи данных - это средства двухстороннего обмена данными, которые включают в себя линии связи и аппаратуру передачи (приема) данных. Каналы передачи данных связывают между собой источники информации и приемники информации.

Итак, в зависимости от физической среды передачи данных линии связи можно разделить на:

· проводные линии связи без изолирующих и экранирующих оплеток;

· кабельные, где для передачи сигналов используются такие линии связи как кабели " витая пара", коаксиальные кабели или оптоволоконные кабели;

· беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи), использующие для передачи сигналов электромагнитные волны, которые распространяются по эфиру.

Проводные линии связи

Проводные (воздушные) линии связи используются для передачи телефонных и телеграфных сигналов, а также для передачи компьютерных данных. Эти линии связи применяются в качестве магистральных линий связи.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические . На них сегодня строятся как магистрали крупных территориальных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотношением качества к стоимости, а также простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100 метров от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя – например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети

По проводным линиям связи могут быть организованы аналоговые и цифровые каналы передачи данных. Скорость передачи по проводным линиям " простой старой телефонной линии" (POST - Primitive Old Telephone System) является очень низкой. Кроме того, к недостаткам этих линий относятся помехозащищенность и возможность простого несанкционированного подключения к сети.

Кабельные линии связи

Кабельные линии связи имеют довольно сложную структуру. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции. В компьютерных сетях используются три типа кабелей.

Витая пара (twisted pair) — кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку. Пары проводов скручиваются между собой с целью уменьшения наводок. Витая пара является достаточно помехоустойчивой. Существует два типа этого кабеля: неэкранированная витая пара UTP и экранированная витая пара STP.

Характерным для этого кабеля является простота монтажа. Данный кабель является самым дешевым и распространенным видом связи, который нашел широкое применение в самых распространенных локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа “звезда”. Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя RJ45.

Рис. 4.1. Внутренние типы кабелей типа «витая пара»

Рис. 4.2. Наружные типы кабелей типа «витая пара»

Кабель используется для передачи данных на скорости 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Витая пара обычно используется для связи на расстояние не более нескольких сот метров.

В зависимости от наличия защиты – электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности кабелей на основе витых пар:

незащищенная витая пара UTP (Unshielded twisted pair) – отсутствует защитный экран вокруг отдельной пары;
фольгированная витая пара FTP (Foiled twisted pair) – имеется один общий внешний экран в виде фольги;
защищенная витая пара STP (Shielded twisted pair) – имеется защитный экран для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;
фольгированная экранированная витая пара S/FTP (Screened Foiled twisted pair) – имеется защитный экран для каждой пары в фольгированной оплетке и внешний экран из медной оплетки;
незащищенная экранированная витая пара SF/UTP (Screened Foiled Unshielded twisted pair) – двойной внешний экран из медной оплетки и фольги, каждая витая пара без защиты

К недостаткам кабеля " витая пара" можно отнести возможность простого несанкционированного подключения к сети.

Коаксиальный кабель (coaxial cable) - это кабель с центральным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (медной оплетки или слой алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией.

Рис. 4.3. Общий вид коаксиального кабеля

Существует два типа коаксиального кабеля: тонкий коаксиальный кабель диаметром 5 мм и толстый коаксиальный кабель диаметром 10 мм. У толстого коаксиального кабеля затухание меньше, чем у тонкого кабеля. Стоимость коаксиального кабеля выше стоимости витой пары и выполнение монтажа сети сложнее, чем витой парой.

Коаксиальный кабель применяется, например, в локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа “общая шина”. Коаксиальный кабель более помехозащищенный, чем витая пара и снижает собственное излучение. Пропускная способность – 50-100 Мбит/с. Допустимая длина линии связи – несколько километров. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее, чем к витой паре.

Оптические линии связи

Кабельные оптоволоконные каналы связи. Оптоволоконный кабель (fiber optic) – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой.

Оптическое волокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон. На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование.

Рис. 4.4.

При построении сетей используются многожильные кабели (рис. 4.5), существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские. В верхней части рисунка [a] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля.

Свет (длина волны  ~ 1350 или 1500 нм) вводится в оптоволокно (диаметром d< 100 ) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем (клэдинг, 1А), коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем (2А). Кабель может содержать много волокон, например 8 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от крыс! ) стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Рис. 4.5. Сечение оптоволоконного кабеля

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна.

Основное преимущество этого типа кабеля – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно. Скорость передачи данных 3Гбит/c. Основные недостатки оптоволоконного кабеля – это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.

Беспроводные каналы связи

В качестве передающей среды в беспроводных каналах передачи данных могут использоваться:

Радиоканалы. Недостатком является то, что радиоволны частично поглощаются атмосферой, особенно при высокой влажности. Эти каналы сильно подвержены влиянию помех, в том числе грозовых разрядов и солнечного излучения.
Спутниковые каналы. Частоты от 4 до 20 ГГц. Обеспечивается скорость передачи данных около 50 Мбит/с.

В качестве передающей среды, как и в случае радиоканалов, используются радиоволны. Но сигнал передается не от одной наземной антенны к другой, а на спутник, и с него – на наземную антенну. Спутник должен находиться “в поле зрения антенны”. Используются либо геостационарные спутники, либо низколетящие спутники с сильно вытянутыми орбитами.

ü Геостационарные находятся над экватором на высоте 36 тыс.км. Период обращения 24 часа, то есть спутник находится постоянно над одной и той же земной поверхности. Для обеспечения связи между любыми двумя точками достаточно 3-4 спутников. Недостатки: неудобно использовать в высоких широтах; не хватает места в космосе, так как спутники, обеспечивающие связь на одной частоте, должны быть разнесены не менее чем на 2 градуса.

ü Низколетящие спутники находятся на высоте около 1, 5 тыс.км., период обращения 1-2 часа. В течение суток спутник проходит практически над всеми точками земной поверхности. Спутники работают в режиме “запомнить и передать”, т.е. принятая информация передается либо на земную антенну в тот момент, когда она находится “в поле зрения спутника”, либо на другой спутник.

Общий недостаток для радиоканалов и спутниковых каналов состоит в том, что требуется получить разрешение на использование частотного диапазона и разрешительные документы на радиооборудование. Стоимость достаточно высока. Достоинством является высокая мобильность. Для организации беспроводной связи используются специальные радиомодемы, которые подключаются к компьютеру через интерфейс RS-232, либо радиомодемы со встроенными Ethernet-адаптерами, которые подключаются к разъему на системной плате.

Инфракрасные каналы. Используются для установления двусторонней или широковещательной связи на близких расстояниях в зоне прямой видимости. В источнике обычно используются светодиоды для передачи инфракрасных волн приемнику.
Лазерные каналы, так же, как и инфракрасные, используются для организации связи между объектами, расположенными в пределах прямой видимости.

Радиоканалы наземной (радиорелейной и сотовой) и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн и относятся к технологии беспроводной передачи данных. Существует большое количество различных типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, CB и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция (Frequency Modulation, FM), а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves).

В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется.

Применение технологии Wi-Fi

Технология Wi-Fi может быть применена для:

создания беспроводных локальных сетей (WLAN);
расширения возможностей сетей;
организации доступа к Интернету.

Построение спутниковых каналов «точка-точка» (SCPC)

Компания ТИС предлагает услуги по организации выделенных спутниковых каналов связи «точка-точка» на базе классической технологии SCPC (Single Channel per Carrier, один канал на несущую). Из самого названия технологии следует, что для организации одного канала в каждом направлении выделяется одна несущая частота.

Для организации одного дуплексного канала (приём/передача) на спутниковом сегменте должны быть выделены две несущие частоты.

Таким образом, выделенные частоты используются только данным каналом связи и не могут быть использованы ни одной другой земной станцией (ЗС) в сети, даже если канал в данный момент находится без полезной нагрузки.

Каналы SCPC целесообразней всего использовать, когда нужен стабильный, гарантированный канал связи для передачи большого объёма трафика с высоким коэффициентом загрузки канала. Например: магистральные спутниковые каналы связи, междугородных и международных телефонных каналов, каналов доступа в Интернет для крупных провайдеров, для постоянного телевизионного и радиовещания, для крупных корпораций (офисов) с высоким объёмом обмена информацией.

Выделенные спутниковые каналы организовываются между двумя любыми точками Заказчика, в зоне покрытия используемого спутника, также возможна организация последней мили до головного oфиса Заказчика с использованием сетей наземных операторов связи.

Спутники в системах связи могут находиться на геостационарных (высота 36 тысяч км) или низких орбитах. При геостационарных орбитах заметны задержки на прохождение сигналов (туда и обратно около 520 мс). Возможно покрытие поверхности всего земного шара с помощью четырех спутников. В низкоорбитальных системах обслуживание конкретного пользователя происходит попеременно разными спутниками.

Наземная часть системы представлена совокупностью комплексов, в состав каждого из них входят центральная станция (ЦС) и абонентские пункты (АП). Связь ЦС со спутником происходит по радиоканалу (пропускная способность 2 Мбит/с) через направленную антенну диаметром 1...3 м и приемопередающую аппаратуру. АП подключаются к ЦС по схеме " звезда" с помощью многоканальной аппаратуры (обычно это аппаратура Т1 или Е1, хотя возможна и связь через телефонные линии) или по радиоканалу через спутник. Те АП, которые соединяются по радиоканалу (это подвижные или труднодоступные объекты), имеют свои антенны, и для каждого АП выделяется своя частота. ЦС передает свои сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на частотах АП. Арендная плата за соединение " точка-точка" через VSAT cо скоростью 64 кбит/с составляет около 3900 долл. в месяц, что для больших расстояний дешевле, чем аренда выделенной наземной линии.

Классификация линий связи

Кабельные линии связи.

Кабельные линии связи изначально использовались для организации компьютерных сетей. Исторически первыми были компьютерные сети на основе обычного кабеля – невитой пары. Затем стали использоваться витые пары, которые постепенно вытеснялись коаксиальными кабелями. Однако с улучшением характеристик витых пар начался обратный процесс – замена сетей на основе коаксиального кабеля сетями на основе витых пар. В последнее время все шире используются оптоволоконные кабели.

Невитая пара

Невитая пара – наиболее простая среда передачи данных. Представляет собой пару параллельных медных проводов, разделенных диэлектрической оболочкой (обычный старый телефонный провод)

Витая пара

Витая пара состоит из двух медных изолированных проводов, один из которых обвит вокруг другого. Вьющийся провод предназначен для устранения взаимного влияния между соседними витыми парами. Кабель с витой парой бывает экранированный (shielded twisted pair, STP) и неэкранированный (unshielded twisted pair, UTP). Экранированный кабель, помимо проводников, включает дополнительные экраны для каждой пары проводников (медная оплетка или фольга), ослабляющие их взаимное влияние и влияние внешних электрических полей.

Неэкранированная витая пара

Неэкранированная витая пара состоит из двух изолированных медных проводов. Стандартом определяется пять категорий неэкранированных витых пар. Кабели разных категорий различаются характеристиками медных проводников и параметрами скрутки. Кабель категории 1 – это традиционный телефонный кабель для передачи аналоговых сигналов. Кабель категории 2- для передачи данных со скоростью до 4 Мбит/с. Кабель категории 3 обеспечивает скорость до 10Мбит/с, категории 4 – до 16 Мбит/с, категории 5 – до 100 Мбит/с. В настоящее время в компьютерных сетях практически повсеместно используются витые пары категории 5.

Все кабели неэкранированных витых пар независимо от категории выпускаются в четырехпарном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки.

Для подключения витой пары к узлу сети используются коннекторы RJ-45. Это 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы RJ-11.

Достоинством витых пар является низкая стоимость и легкость подключения. Недостатком – низкая помехозащищенность и небольшая длина сегмента сети – до 100м.

Экранированная витая пара

Экранированная витая пара хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне. Однако наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель широко использовался в первых стандартах ЛВС. Сущестует две его разновидности – толстый и тонкий. Центральный медный проводник коаксиального кабеля окружен изолирующим слоем, снаружи которого находится экран, представляющий собой стальную или медную оплетку. Весь кабель помещен во внешнюю оболочку из изоляционного материала.

Тонкий коаксиальный кабель

Тонкий коаксиальный кабель – гибкий кабель диаметром около 0.5 см. Используется для объединения узлов сети на расстоянии до 185 м. Существуют различные стандарты тонкого коаксиального кабеля, различающиеся структурой центральной жилы: она может быть сплошной или состоять из нескольких переплетенных проводов. Для подключения тонкого коаксиального кабеля к узлам сети используются BNC-коннекторы различных типов:

BNC – припаивается или обжимается на концах кабеля

BNC-T – соединяет кабель с сетевым интерфейсом узла

BNC-баррел-коннектор – используется для соединения двух отрезков кабеля

BNC-терминатор – заглушка на конце кабеля.

Тонкий коаксиальный кабель позволяет реализовать топологии «шина» и «кольцо». До недавнего времени он был очень распространен при построении сетей. Тонкий коаксиальный кабель дороже витой пары, но лучше защищен от помех. Обеспечивает скорость до 20Мбит/с.

Толстый коаксиальный кабель

Толстый коаксиальный кабель – относительно жесткий кабель диаметром около 1 см. Медная жила кабеля толще, чем у тонкого коаксиального кабеля, следовательно, сопротивление меньше. Поэтому он может передавать сигнал на большие расстояния – до 500м. Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяется специальное устройство – транссивер. Он снабжен специальным коннектором, который «прокусывает» изоляционный слой и осуществляет контакт с проводящей жилой. Из-за своей жесткости кабель сложнее в прокладке, к тому же он дороже, чем тонкий.

Оптоволоконный кабель

Волоконно-оптические кабели предназначены для передачи больших объемов данных на высоких скоростях на большие расстояния. Данные передаются по кабелю с помощью лазерного или светодиодного передатчика, который посылает однонаправленные световые импульсы через центральное стеклянное волокно. Сигнал принимается на другом конце фотодиодным приемником, преобразующим световые импульсы в электрический сигнал.

Каждый оптоволоконный проводник передает сигналы только в одном направлении. Поэтому в компьютерных сетях для организации обмена данными в обоих направлениях необходимо использовать два независимо подключенных оптоволоконных кабеля с отдельными коннекторами.

Оптоволоконный кабель состоит из сердечника, выполненного из прозрачного оптоволокна, который окружен отражающим стекловолокном. Стекловолокно с сердечником покрыто защитным пластиком. Кроме того, в центре кабеля размещен стальной трос, который используется при прокладке линий связи. Сердечник оптоволоконного одноканального кабеля имеет толщину от 8 до 10 мкм, а в многоканальном – около 50 мкм.

Скорость передачи данных для оптоволоконного кабеля – от 100 Мбит/с до 2Гбит/с, а данные могут быть переданы без искажений на расстояние до двух километров. Оптоволоконный кабель обладает очень высокой помехозащищенностью. К тому же он невосприимчив к прослушиванию, что делает его особенно привлекательным для создания защищенных сетей. Недостатком является высокая стоимость, а также сложность в прокладке и установке. Он требует специальных соединителей и очень тщательного подключения к узлу сети.

В настоящее время оптоволоконные кабели используются в основном для территориально-распределенных сетей.

Беспроводные линии связи.

В качестве передающей среды могут использоваться:

Радиоканалы. Недостатком является то, что радиоволны частично поглощаются атмосферой, особенно при высокой влажности. Эти каналы сильно подвержены влиянию помех, в том числе грозовых разрядов и солнечного излучения.
Спутниковые каналы. Частоты от 4 до 20 ГГц. Обеспечивается скорость передачи данных около 50 Мбит/с.

Достоинством является высокая мобильность.

Для организации беспроводной связи используются специальные радиомодемы, которые подключаются к компьютеру через интерфейс RS-232, либо радиомодемы со встроенными Ethernet-адаптерами, которые подключаются к разъему на системной плате.

Инфракрасные каналы. Используются для установления двусторонней или широковещательной связи на близких расстояниях в зоне прямой видимости. В источнике обычно используются светодиоды для передачи инфракрасных волн приемнику.
Лазерные каналы, так же, как и инфракрасные, используются для организации связи между объектами, расположенными в пределах прямой видимости.

http: //setevoe.com.ua/? gclid=COvF9s3XtsMCFWnMtAodcGAAXw

К 1950 годам большинство стран использовало три типа общедоступных сетей:

1. Телеграфная сеть, которая просуществовала до конца XX века.

2. Телефонная сеть (аналоговая), имеющая полосу 4 КГц и почти не менявшаяся по принципам работы с 1880-х годов. Импульсная сигнальная система практически сохранилась без изменений с 1910 года.

3. Телексная сеть, которая применялась в основном для делового обмена.

пропускной способности сети?

надежности доставки пакета адресату?

минимальной стоимости передачи пакета?