ingångDe viktigaste typerna av kommunikationslinjer. Fysisk dedikerad kommunikationslinje Vad är fysiska kommunikationslinjer
Kommunikationsledningen (fig. 3.7) består i allmänhet av ett fysiskt medium genom vilket elektriska informationssignaler sänds, dataöverföringsutrustning och mellanutrustning. En synonym till termen "kommunikationslinje" är termen "kommunikationskanal".
Ris. 3.7. Kommunikationslinjens sammansättning
Det fysiska mediet för dataöverföring är en kabel, det vill säga en uppsättning ledningar, isolerande och skyddande skal och kontakter, såväl som jordens atmosfär eller yttre rymden, genom vilka elektromagnetiska vågor utbreder sig.
Beroende på dataöverföringsmediet är kommunikationslinjer (bild 3.8) uppdelade i:
Trådbunden (luftburen);
Kabel (koppar och fiberoptik);
Radiokanaler för markbundna och satellitkommunikation.
Ris. 3.8. Typer av kommunikationslinjer
Tråd (overhead) kommunikationslinjer är ledningar utan några isolerande eller skärmande flätor, läggs mellan stolparna och hänger i luften. Sådana kommunikationslinjer bär traditionellt telefon- eller telegrafsignaler, men i avsaknad av andra möjligheter används dessa linjer även för att överföra datordata. Hastigheten och bullerimmuniteten hos dessa linjer lämnar mycket övrigt att önska. Idag ersätts trådbundna kommunikationslinjer snabbt av kabel.
Kabellinjer är en ganska komplex struktur. Kabeln består av ledare inneslutna i flera lager av isolering: elektriska, elektromagnetiska, mekaniska och möjligen klimatiska. Dessutom kan kabeln utrustas med kontakter som gör att du snabbt kan ansluta till olika utrustningar. V dator nätverk Det finns tre huvudtyper av kabel som används: tvinnade kopparkablar, koaxialkablar med kopparledare och fiberoptiska kablar.
Ett tvinnat par av trådar kallas ett tvinnat par. Twisted pair finns i skärmad form (STP), där ett par koppartrådar är inslagna i en isolerande skärm, och oskärmade (UTP) när det inte finns något isolerande omslag. Att tvinna ledningarna minskar effekten av externt brus på de önskade signalerna som överförs över kabeln. Koaxialkabeln har en obalanserad struktur och består av en inre kopparledare och en fläta som är separerade från ledaren av ett lager av isolering. Det finns flera typer koaxialkabel, som skiljer sig i egenskaper och användningsområden - för lokala nätverk, för globala nätverk, för kabel tv... Fiberoptisk kabel består av tunna (5-60 mikron) fibrer genom vilka ljussignaler utbreder sig. Detta är en bättre typ av kabel - den ger dataöverföring med en mycket hög hastighet (upp till 10 Gbit/s och högre) och dessutom, bättre än andra typer av överföringsmedium, ger den dataskydd från externa störningar.
Radiokanaler för markbunden och satellitkommunikation bildas med hjälp av en sändare och mottagare av radiovågor. Det finns ett stort antal olika typer av radiokanaler, som skiljer sig åt i både det använda frekvensområdet och kanalområdet. De korta, medel- och långa våglängdsbanden (KB, CB och LW), även kallade amplitudmodulationsband (AM) för den typ av signalmodulering som används i dem, tillhandahåller långdistanskommunikation, men med en låg datahastighet. Mer höghastighetskanaler är de som arbetar i ultrakortvågsbanden (VHF), som kännetecknas av frekvensmodulering (FM), såväl som i mikrovågsbanden. I mikrovågsområdet (över 4 GHz) reflekteras inte längre signaler av jordens jonosfär. En stabil förbindelse kräver en siktlinje mellan sändaren och mottagaren. Därför använder sådana frekvenser antingen satellitkanaler eller radioreläkanaler, om detta villkor är uppfyllt.
I datornätverk används idag nästan alla de beskrivna typerna. fysiska miljöer dataöverföring, men de mest lovande är fiberoptik. Idag används de som grund för byggandet av motorvägar för stora territoriella nätverk, såväl som höghastighetskommunikationslinjer för lokala nätverk. Twisted pair är också ett populärt medium, som kännetecknas av ett utmärkt förhållande mellan kvalitet och kostnad och enkel installation. Twisted pair-kablar används vanligtvis för att ansluta slutanvändare av nätverk på avstånd upp till 100 meter från hubben. Satellitkanaler och radiokommunikation används oftast i de fall kabelkommunikation inte kan användas - till exempel när kanalen går genom ett glesbygdsområde eller för kommunikation med mobilanvändare nätverk, som en lastbilschaufför, en läkare som gör en runda.
Huvudtyperna av kommunikationslinjer är indelade i trådbundna och trådlösa. I trådbundna kommunikationslinjer bildar det fysiska medium genom vilket signaler utbreder sig en mekanisk länk mellan mottagaren och sändaren. Trådlösa kommunikationslinjer kännetecknas av att det inte finns någon mekanisk koppling mellan sändaren och mottagaren, och informationsbäraren är elektromagnetiska vågor som utbreder sig i omgivningen.
Kabelkommunikationslinjer
Genom designfunktioner är trådlinjer uppdelade i:
lufttrådar, som är trådar utan några isolerande eller skärmande mantlar, lagda mellan stolparna och hängande i luften;
kabel, som består av ledare, vanligtvis inneslutna i flera lager av isolering.
Överliggande kommunikationslinjer bär traditionellt telefon- eller telegrafsignaler, men i avsaknad av andra möjligheter används dessa linjer för att överföra datordata. Hastighetsegenskaperna och bullerimmuniteten hos dessa linjer lämnar mycket övrigt att önska. Trådkommunikationslinjer ersätts snabbt av kabel.
Kabel elektriska kommunikationslinjer är indelade i tre huvudtyper: en kabel baserad på tvinnade par av koppartrådar, en koaxialkabel med en kopparkärna och även en fiberoptisk kabel.
Ett tvinnat par av trådar kallas ett tvinnat par. Ledningarna är tvinnade för att eliminera den ömsesidiga påverkan mellan de elektriska strömmarna i ledarna. Twisted pair finns i en skärmad version där ett par koppartrådar är inslagna i en isolerande skärm, och oskärmade när det inte finns någon isoleringsmantel. Ett eller flera tvinnade par buntas ihop till kablar med ett skyddande hölje.
Oskärmat tvinnat par har ett brett användningsområde. Den används i både telefon- och datornätverk. För närvarande är UTP-kabel ett populärt medium för överföring av information över korta avstånd [ca 100 meter] Twisted pair-kablar är indelade i 5 kategorier beroende på de elektriska och mekaniska egenskaperna. I datornätverk används i stor utsträckning kablar i 3 och 5 kategorier, som beskrivs i den amerikanska standarden EIA / TIA-568A.
Kategori 3-kabel är designad för låghastighetsdataöverföring. För den bestäms dämpningen vid en frekvens på 16 MHz och måste vara minst 13,1 dB med en kabellängd på 100 meter. Kategori 5 partvinnad kabel kännetecknas av en dämpning på minst 22 dB för en frekvens på 100 MHz med en kabellängd på högst 100 meter. Frekvensen 100 MHz valdes eftersom denna kategorikabel är designad för höghastighetsdataöverföring, vars signaler har betydande övertoner vid en frekvens på cirka 100 MHz.
Alla UTP-kablar, oavsett kategori, finns i 4-pars design. Vart och ett av de fyra paren har en specifik färg och tonhöjd. Fördelarna med UTP-kabeln inkluderar:
flexibilitet hos kabeln, på grund av vilken installationen av kommunikationslinjen förenklas;
låg kostnad med tillräckligt hög bandbredd [upp till 1 Gbps].
Nackdelarna med oskärmad partvinnad kabel är:
låg ljudimmunitet;
hård gräns för kabellängd.
Skärmad twisted pair STP-brunn skyddar de överförda signalerna från störningar och avger även mindre elektromagnetiska vågor utanför. Närvaron av en jordad skärm ökar dock kostnaden för kabeln och komplicerar dess läggning, eftersom den kräver jordning av hög kvalitet. STP-kabel används huvudsakligen för överföring av diskret information, och röst sänds inte över den.
Den huvudsakliga standarden som definierar STP-parametrar är IBMs proprietära standard. I denna standard är kablar inte indelade i kategorier, utan i typer. Typ 1 matchar ungefär UTP kategori 5. Den består av 2 par tvinnade koppartrådar, skärmade med en ledande fläta, som är jordad. Kabel typ IBM 2 är en typ 1-kabel med extra 2 par oskärmad rösttråd. Inte alla typer av IBM-standard är STP.
En koaxialkabel består av två koncentriska ledare isolerade från varandra, varav det yttre utseendet på ett rör. På grund av denna design är koaxialkabeln mindre känslig för extern elektromagnetisk påverkan, så den kan användas vid högre dataöverföringshastigheter. Dessutom, på grund av den relativt tjocka centrala kärnan, kännetecknas dessa kablar av minimal dämpning av den elektriska signalen, vilket gör att information kan överföras över tillräckligt långa avstånd. Koaxialkabelns bandbredd kan vara större än 1 GHz/km och dämpningen mindre än 20 dB/km vid 1 GHz.
Det finns många typer av koaxialkablar som används i olika typer av nätverk - telefon, tv och dator. Det finns två typer av kablar som används i lokala nätverk: tunn koaxialkabel och tjock koaxialkabel.
Den tunna koaxialkabeln har en ytterdiameter på cirka 5 mm och diametern på den centrala koppartråden är 0,89 mm. Denna kabel är designad för att överföra signaler med ett spektrum på upp till 10 MHz på ett avstånd av upp till 185 meter.
Den tjocka koaxialkabeln har en ytterdiameter på cirka 10 mm och diametern på den centrala koppartråden är 2,17 mm. Denna kabel är designad för att överföra signaler med ett spektrum på upp till 10 MHz över ett avstånd på 500 meter.
Tunn koaxialkabel har sämre mekaniska och elektriska egenskaper jämfört med tjock koaxialkabel, men på grund av sin flexibilitet är den mer bekväm att installera.
En koaxialkabel är flera gånger dyrare än en tvinnad kabel, och när det gäller egenskaper är den särskilt sämre än en fiberoptisk kabel, därför används den mindre och mindre när man bygger ett kommunikationssystem för datornätverk.
Fiberoptiska kablar är sammansatta av centrumledare lätt [kärna] - en glasfiber omgiven av ytterligare ett lager glas - en beklädnad med lägre brytningsindex än kärnan. Ljusstrålarna sprider sig längs kärnan och går inte utöver dess gränser och reflekterar från skalet. Varje glasfiber sänder endast signaler i en riktning.
Beroende på fördelningen av brytningsindex och storleken på kärndiametern finns det:
multimodfiber med stegvis brytningsindex;
multimod fiber med smidig förändring brytningsindex;
singelmodsfiber.
En enkellägeskabel använder en mittledare med mycket liten diameter, i proportion till ljusets våglängd - från 5 till 10 mikron. I detta fall utbreder sig praktiskt taget alla strålar längs kärnans optiska axel utan att reflekteras från beklädnaden. Bandbredden för en enkellägeskabel är mycket bred - upp till hundratals gigahertz per kilometer. Att göra fibrer av hög kvalitet för en enkellägeskabel är utmanande teknisk process vilket gör kabeln ganska dyr.
Multimode-kablar använder bredare innerkärnor som är lättare att tillverka. Standarderna definierar två av de vanligaste multimodskablarna: 62,5 / 125 µm och 50/125 µm, 62,5 µm eller 50 µm är diametern på mittledaren och 125 µm är diametern på den yttre ledaren.
I multimodskablar finns det flera ljusstrålar i den inre ledaren som samtidigt studsar mot den yttre ledaren. En ledares reflektionsvinkel kallas strålläge. Multimode-kablar har en smalare bandbredd - från 500 till 800 MHz / km. Försmalningen av bandet uppstår på grund av förlusten av ljusenergi under reflektioner, såväl som på grund av interferensen av strålar av olika lägen.
Följande används som ljusemissionskällor i fiberoptiska kablar:
lysdioder;
lasrar.
Lysdioder kan avge ljus med våglängder på 0,85 och 1,3 mikron. Lasersändare arbetar vid våglängder på 1,3 och 1,55 mikron. Hastigheten hos moderna lasrar tillåter modulering av ljusflödet vid frekvenser på 10 GHz och högre.
Fiberoptiska kablar har utmärkta elektromagnetiska och mekaniska egenskaper, vars nackdel är komplexiteten och höga kostnader för installationsarbete.
Trådlösa kommunikationslinjer
Tabellen ger information om de elektromagnetiska frekvensområdena som används i trådlösa kommunikationskanaler.
Radiokanaler för markbunden och satellitkommunikation bildas med hjälp av en sändare och mottagare av radiovågor. Radiovågor är elektromagnetiska oscillationer med en frekvens f mindre än 6000 GHz [med en våglängd l större än 100 mikron]. Sambandet mellan våglängd och frekvens ges av
f = c / lambda där c = 3 * 10 8 m / s är ljusets hastighet i vakuum.
För överföring av information används radiokommunikation främst när kabelkommunikation är omöjlig - till exempel:
när kanalen passerar genom ett glest befolkat eller svårtillgängligt område;
kontakta mobilabonnenter som en taxichaufför, en ambulansläkare.
Den största nackdelen med radiokommunikation är dess svaga brusimmunitet. Detta gäller i första hand lågfrekventa radiovågsområden. Ju högre driftfrekvens, desto större kapacitet [antal kanaler] har kommunikationssystemet, men desto kortare avståndsgränser vid vilka direkt överföring mellan två punkter är möjlig. Det första av skälen ger upphov till en tendens att bemästra nya högre frekvensområden. Radiovågor med en frekvens som överstiger 30 GHz kan dock användas för avstånd på högst eller i storleksordningen 5 km på grund av absorption av radiovågor i atmosfären.
För sändning över långa avstånd används en kedja av radiorelästationer, separerade från varandra på ett avstånd av upp till 40 km. Varje station har ett torn med en mottagare och sändare av radiovågor, tar emot en signal, förstärker den och sänder den till nästa station. Riktningsantenner används för att öka signaleffekten och minska påverkan av störningar.
Satellitkommunikation skiljer sig från radiorelä genom att en konstgjord jordsatellit fungerar som en repeater. Denna typ av kommunikation ger en högre kvalitet på överförd information eftersom den kräver färre mellanliggande noder längs informationsöverföringsvägen. En kombination av radioreläkommunikation med satellit används ofta.
Infraröd och millimetervågsstrålning används på korta avstånd i fjärrkontroller. Den största nackdelen med strålning i detta område är att den inte passerar genom ett hinder. Denna nackdel är samtidigt en fördel när strålning i ett rum inte stör strålningen i ett annat. Det finns inget behov av att få tillstånd för denna frekvens. Det är en utmärkt kommunikationskanal för inomhusbruk.
Det synliga området används också för överföring. Ljuskällan är vanligtvis en laser. Koherent strålning är lätt att fokusera. Men regn eller dimma förstör saken. Även konvektionsströmmar på taket som uppstår en varm dag kan förstöra transmissionen.
I datornätverk används telefon, telegraf, tv, satellitkommunikationsnät. Tråd (luft), kabel, markbundna och satellitradiokanaler används som kommunikationslinjer. Skillnaden mellan dem bestäms av dataöverföringsmediet. Det fysiska mediet för dataöverföring kan vara en kabel, såväl som jordens atmosfär eller yttre rymden, genom vilken elektromagnetiska vågor utbreder sig.
Kabel (overhead) kommunikationslinjer- det här är trådar utan isolerande eller skärmande flätor, som läggs mellan stolparna och hänger i luften. Traditionellt används de för att överföra telefon- och telegrafsignaler, men i avsaknad av andra möjligheter används de för att överföra datordata. Trådkommunikationslinjer kännetecknas av låg bandbredd och låg brusimmunitet, så de ersätts snabbt av kabellinjer.
Kabelledningar inkluderar en kabel bestående av ledare med isolering i flera lager - elektriska, elektromagnetiska, mekaniska och kontakter för att ansluta olika utrustningar till den. I KS används huvudsakligen tre typer av kabel: en kabel baserad på tvinnade par av koppartrådar (detta är ett tvinnat par i en skärmad version, när ett par koppartrådar är inlindade i en isolerande skärm, och oskärmad, när det finns inget isolerande omslag), koaxialkabel (består av en inre kopparledare och en fläta separerad från kärnan av ett skikt av isolering) och en fiberoptisk kabel (består av tunna - 5-60 mikron stora fibrer genom vilka ljussignaler utbreder sig ).
Optiska fibrer har den bästa prestandan bland kabelkommunikationslinjer. Deras främsta fördelar: hög genomströmning (upp till 10 Gbit / s och över), på grund av användningen av elektromagnetiska vågor i det optiska området; okänslighet för externa elektromagnetiska fält och frånvaron av egen elektromagnetisk strålning, låg arbetsintensitet för att lägga en optisk kabel; gnista, explosion och brandsäkerhet; ökat motstånd mot aggressiva miljöer; liten specifik vikt (förhållandet mellan den linjära massan och bandbredden); breda användningsområden (skapande av allmänt tillgängliga motorvägar, datorkommunikationssystem med kringutrustning lokala nätverk, inom mikroprocessorteknik, etc.).
Nackdelar med FOCL:er: att ansluta ytterligare datorer till den optiska fibern försvagar signalen avsevärt, höghastighetsmodem som krävs för optiska fibrer är fortfarande dyra, optiska fibrer som ansluter datorer måste vara utrustade med omvandlare av elektriska signaler till ljussignaler och vice versa.
Radiokanaler för markbunden och satellitkommunikation bildas av en sändare och mottagare av radiovågor. Olika typer av radiokanaler skiljer sig åt i det använda frekvensområdet och överföringsområdet. Radiokanaler som verkar i intervallet korta, medellånga och långa vågor (HF, SV, DV) tillhandahåller långdistanskommunikation, men med en låg datahastighet. Dessa är radiokanaler som använder amplitudmodulering av signaler. Kanaler som arbetar på ultrakortvågsbanden (VHF) är snabbare, de kännetecknas av frekvensmodulering av signaler. Ultrahöghastighetskanaler är de som arbetar i ultrahögfrekvensområdena (UHF), dvs över 4 GHz. I mikrovågsområdet reflekteras inte signaler av jordens jonosfär, därför krävs en siktlinje mellan sändaren och mottagaren för stabil kommunikation. Av denna anledning används mikrovågssignaler antingen i satellitkanaler eller i radiorelä, där detta villkor är uppfyllt.
Kommunikationslinjeegenskaper... De viktigaste egenskaperna hos kommunikationslinjer inkluderar följande: frekvenssvar, bandbredd, dämpning, bandbredd, brusimmunitet, överhörning vid linjens närmaste ände, dataöverföringssäkerhet, enhetskostnad.
En kommunikationslinjes egenskaper bestäms ofta genom att analysera dess reaktioner på vissa referensinfluenser, som är sinusformade svängningar av olika frekvenser, eftersom de ofta finns i teknik och med deras hjälp är det möjligt att representera vilken funktion som helst av tiden. Graden av distorsion av sinusformade signaler för en kommunikationslinje uppskattas med hjälp av frekvenssvar, bandbredd och dämpning vid en specifik frekvens.
Frekvenssvar(AFC) ger den mest kompletta bilden av kommunikationslinjen, den visar hur amplituden av sinusoiden vid utgången av linjen dämpas i jämförelse med amplituden vid dess ingång för alla möjliga frekvenser av den överförda signalen (istället för signalen amplitud, dess effekt används ofta). Följaktligen låter frekvenssvaret dig bestämma formen på utsignalen för vilken ingångssignal som helst. Det är dock mycket svårt att få frekvenssvaret för en riktig kommunikationslinje, därför används i praktiken andra, förenklade egenskaper istället - bandbredd och dämpning.
Kommunikationsbandbreddär ett kontinuerligt frekvensområde i vilket förhållandet mellan utsignalens amplitud och insignalen överskrider en förutbestämd gräns (vanligtvis 0,5). Följaktligen bestämmer bandbredden frekvensområdet för en sinusvågssignal vid vilken denna signal sänds över kommunikationslinjen utan betydande distorsion. Den bandbredd som har störst inverkan på den maximalt möjliga dataöverföringshastigheten över kommunikationslinjen är skillnaden mellan maximala och lägsta frekvenser för en sinusformad signal i en given bandbredd. Bandbredden beror på typen av linje och dess längd.
Man bör skilja mellan bandbredd och spektrumbreddöverförda informationssignaler. Spektrumbredden för de sända signalerna är skillnaden mellan de maximala och minimala signifikanta signalövertonerna, det vill säga de övertoner som utgör huvudbidraget till den resulterande signalen. Om signifikanta signalövertoner faller inom linjens bandbredd, kommer en sådan signal att sändas och tas emot av mottagaren utan distorsion. Annars kommer signalen att förvrängas, mottagaren kommer att fela när den känner igen information, och därför kommer informationen inte att kunna sändas med den givna bandbredden.
FörsvagningÄr den relativa minskningen av signalens amplitud eller effekt när en signal med en viss frekvens sänds över linjen.
Dämpning A mäts i decibel (dB, dB) och beräknas med formeln:
där Рвх, Рвх - signaleffekt vid utgången respektive ingången på linjen.
För en ungefärlig uppskattning av distorsionen av signaler som sänds över linjen är det tillräckligt att känna till dämpningen av signalerna för grundfrekvensen, d.v.s. den frekvens vars överton har störst amplitud och effekt. En mer exakt uppskattning är möjlig med kunskap om dämpningen vid flera frekvenser nära grunden.
Kommunikationslinjekapacitet- detta är dess egenskap, som bestämmer (liksom bandbredden) den maximala dataöverföringshastigheten över linjen. Det mäts i bitar per sekund (bps) och även i härledda enheter (kbps, Mbps, Gbps).
Genomströmningen av en kommunikationslinje beror på dess egenskaper (frekvenssvar, bandbredd, dämpning) och på spektrumet av överförda signaler, vilket i sin tur beror på den valda metoden för fysisk eller linjär kodning (dvs. på metoden att representera diskret information i form av signaler). För en kodningsmetod kan en linje ha en bandbredd och för en annan en annan.
Vid kodning används vanligtvis en förändring i valfri parameter för en periodisk signal (till exempel sinusformade svängningar) - frekvensen, amplituden och fasen för en sinusoid eller tecknet på potentialen för en sekvens av pulser. En periodisk signal, vars parametrar ändras, kallas en bärvågssignal eller en bärvågsfrekvens om en sinusform används som en sådan signal. Om den mottagna sinusformen inte ändrar någon av sina parametrar (amplitud, frekvens eller fas), så bär den ingen information.
Antalet ändringar i informationsparametern för den periodiska bärvågssignalen per sekund (för en sinusform är detta antalet ändringar i amplitud, frekvens eller fas) mäts i baud. Sändarcykeln kallas tidsperioden mellan intilliggande förändringar i informationssignalen.
I allmänhet är linjebandbredden i bitar per sekund inte densamma som baudhastigheten. Beroende på kodningsmetoden kan den vara högre, lika med eller lägre än baudnumret. Om, till exempel, med denna kodningsmetod, ett enstaka bitvärde representeras av en puls med positiv polaritet och ett nollvärde representeras av en puls med negativ polaritet, då sänds växelvis växlande bitar (det finns inga serier av bitar av samma namn) fysisk signal under sändning av varje bit ändrar den sitt tillstånd två gånger. Därför, med denna kodning, är linjegenomströmningen två gånger lägre än antalet baud som sänds över linjen.
Linjens bandbredd påverkas inte bara av det fysiska, utan också av det sk logisk kodning, som utförs före fysisk kodning och består i att ersätta den ursprungliga sekvensen av informationsbitar med en ny sekvens av bitar som bär samma information, men som har ytterligare egenskaper (till exempel förmågan för den mottagande sidan att upptäcka fel i den mottagna sidan data eller för att säkerställa konfidentialitet för överförda data genom att kryptera dem). Logisk kodning, som regel, åtföljs av att den ursprungliga bitsekvensen ersätts med en längre sekvens, vilket negativt påverkar överföringstiden. användbar information.
Det finns en viss länken mellan bandbredden för en linje och dess bandbredd... Med en fast fysisk kodningsmetod ökar linjekapaciteten med en ökning av frekvensen för den periodiska bärvågssignalen, eftersom denna ökning åtföljs av en ökning av information som sänds per tidsenhet. Men med en ökning av frekvensen för denna signal ökar också bredden på dess spektrum, vilket sänds med förvrängningar som bestäms av linjens bandbredd. Ju större avvikelsen är mellan linjens bandbredd och bandbredden för de överförda informationssignalerna, desto mer utsätts signalerna för förvrängning och desto mer sannolika fel i mottagarens igenkänning av information. Som ett resultat visar sig hastigheten på informationsöverföringen vara lägre än man kunde ha förväntat sig.
Claude Shannon etablerade ett förhållande mellan bandbredden för en linje och dess maximala möjliga bandbredd, oavsett den antagna fysiska kodningsmetoden:
var MED- maximal linjegenomströmning (bit/s);
F- linjebandbredd (Hz);
- användbar signalkraft;
- bruseffekt (störningar).
Som följer av detta förhållande finns det ingen teoretisk bandbreddsgräns för en fast bandbreddslinje. Men i praktiken är det ganska svårt och dyrt att öka ledningskapaciteten genom att avsevärt öka sändareffekten eller minska bruseffekten på linjen. Dessutom begränsas effekten av dessa kapaciteter på genomströmningen inte av ett direkt proportionellt samband, utan av ett logaritmiskt.
Större praktisk användning fick förhållandet hittat av Nyquist:
var M- antalet olika tillstånd för informationsparametern för den sända signalen.
Nyquist-förhållandet, som också används för att bestämma den maximala möjliga bandbredden för en kommunikationslinje, tar inte explicit hänsyn till förekomsten av brus på linjen. Emellertid återspeglas dess inflytande indirekt i valet av antalet tillstånd för informationssignalen. Till exempel, för att öka genomströmningen av linjen, var det möjligt att använda inte 2 eller 4 nivåer vid kodning av data, utan 16. Men om amplituden på bruset överstiger skillnaden mellan de intilliggande 16 nivåerna, kommer mottagaren inte att vara kan stadigt känna igen överförda data. Därför är antalet möjliga signaltillstånd faktiskt begränsat av förhållandet mellan signaleffekt och brus.
Med hjälp av Nyquist-formeln bestäms gränsvärdet för kanalkapaciteten för det fall då antalet tillstånd för informationssignalen redan har valts med hänsyn till möjligheterna för deras stabila igenkänning av mottagaren.
KommunikationslinjeimmunitetÄr dess förmåga att minska nivån av störningar som skapas i den yttre miljön på interna ledare. Det beror på vilken typ av fysiskt medium som används och på sättet att screena och undertrycka störningen. De mest bullerbeständiga, okänsliga för extern elektromagnetisk strålning, är fiberoptiska linjer, de minst bullerbeständiga är radiolinjer, en mellanposition upptas av kabelledningar. Minskning av störningar orsakade av extern elektromagnetisk strålning uppnås genom avskärmning och vridning av ledarna.
2.1. Typer av kommunikationslinjer
Kommunikationslinjen består i allmänhet av ett fysiskt medium genom vilket elektriska informationssignaler sänds, dataöverföringsutrustning och mellanutrustning. Synonymt med termen kommunikationslinjeär termen kommunikationskanal.
Ris. 1.1. Kommunikationslinjens sammansättning
Fysiskt överföringsmedium
Fysiskt överföringsmedium (medium) kan vara en kabel, det vill säga en uppsättning ledningar, isolerande och skyddande jackor och kontakter, såväl som jordens atmosfär eller yttre rymden genom vilken elektromagnetiska vågor utbreder sig.
Beroende på dataöverföringsmediet är kommunikationslinjer indelade i följande:
· Tråd (luft);
· Kabel (koppar och fiberoptisk);
Kabelledningar representerar en ganska komplex design. Kabeln består av ledare inneslutna i flera lager av isolering: elektriska, elektromagnetiska, mekaniska och möjligen klimatiska. Dessutom kan kabeln utrustas med kontakter som gör att du snabbt kan ansluta till olika utrustningar. Det finns tre huvudtyper av kablar som används i datornätverk: tvinnade kopparkablar, koaxialkopparkablar och fiberoptiska kablar.
Ett tvinnat par av trådar kallas tvinnat par... Twisted pair finns i skärmad version (Skärmad Twisted Pair, STP), när ett par koppartrådar är inlindade i en isolerande skärm och oskärmade (Oskärmat tvinnat par, UTP) när isoleringsfolien saknas. Att tvinna ledningarna minskar effekten av externt brus på de önskade signalerna som överförs över kabeln. Optisk fiber består av tunna (5-60 mikron) fibrer genom vilka ljussignaler fortplantar sig. Detta är den högsta kvalitetstypen av kabel - den ger dataöverföring med en mycket hög hastighet (upp till 10 Gbit/s och högre) och dessutom, bättre än andra typer av överföringsmedium, ger den dataskydd från externa störningar.
Radiokanaler för markbunden och satellitkommunikation bildas av en sändare och mottagare av radiovågor. Det finns ett stort antal olika typer av radiokanaler, som skiljer sig åt i både det använda frekvensområdet och kanalområdet. De korta, medelhöga och långa våglängdsområdena (KB, MW och LW), även kallade Amplitude Modulation (AM) områden efter den signalmoduleringsmetod de använder, ger långdistanskommunikation, men med en låg datahastighet. Fler höghastighetskanaler är verksamma i ultrakortvågsbanden (VHF), som kännetecknas av frekvensmodulering (frekvensmodulering, FM), såväl som mikrovågsband (mikrovågor eller mikrovågor).
I datornätverk används idag nästan alla de beskrivna typerna av fysiska dataöverföringsmedier, men de mest lovande är fiberoptiska. Twisted pair är också ett populärt medium, som kännetecknas av ett utmärkt förhållande mellan kvalitet och kostnad och enkel installation. Satellitkanaler och radiokommunikation används oftast i de fall kabelkommunikation inte kan användas.
2.2. Kommunikationslinjeegenskaper
De viktigaste egenskaperna hos kommunikationslinjer är:
· Amplitud-frekvenskarakteristik;
· bandbredd;
Försvagning;
· Brusimmunitet;
· Överhörning i den närmaste änden av linjen;
· Bandbredd;
· Tillförlitlighet för dataöverföring;
· Enhetskostnad.
Först och främst är konstruktören av ett datornätverk intresserad av dataöverföringens genomströmning och tillförlitlighet, eftersom dessa egenskaper direkt påverkar prestanda och tillförlitlighet hos nätverket som skapas. Bandbredd och trohet är kännetecken för både kommunikationslänken och hur data överförs. Därför, om överföringsmetoden (protokollet) redan har definierats, är dessa egenskaper också kända. Man kan dock inte prata om kommunikationslinjens bandbredd innan det fysiska lagerprotokollet är definierat för den. Det är i sådana fall, när det lämpligaste av de befintliga protokollen måste bestämmas, som linjens återstående egenskaper, såsom bandbredd, överhörning, brusimmunitet och andra egenskaper, blir viktiga. För att bestämma egenskaperna hos en kommunikationslänk används ofta en analys av dess reaktioner på vissa referensinfluenser.
Spektralanalys av signaler på kommunikationslinjer
Det är känt från teorin om övertonsanalys att vilken periodisk process som helst kan representeras som ett oändligt antal sinusformade komponenter, kallade övertoner, och mängden av alla övertoner kallas den spektrala nedbrytningen av den ursprungliga signalen. Icke-periodiska signaler kan representeras som en integral av sinusformade signaler med ett kontinuerligt spektrum av frekvenser.
Tekniken för att hitta spektrumet för valfri källsignal är välkänd. För vissa signaler som är väl beskrivna analytiskt, beräknas spektrumet enkelt baserat på Fourierformler. För godtyckliga vågformer som påträffas i praktiken kan spektrumet hittas med hjälp av speciella instrument - spektralanalysatorer, som mäter spektrumet av en verklig signal och visar amplituderna för komponentövertonerna. Distorsion av en sinusoid av vilken frekvens som helst av den sändande kanalen leder slutligen till distorsion av den sända signalen av vilken form som helst, särskilt om sinusoiderna med olika frekvenser inte är lika förvrängda. Vid sändning av impulssignaler som är typiska för datornätverk, förvrängs lågfrekventa och högfrekventa övertoner, vilket resulterar i att pulsfronterna förlorar sin rektangulära form. Som ett resultat kan det hända att signaler vid den mottagande änden av linjen inte är lätta att känna igen.
Kommunikationslinjen förvränger de överförda signalerna på grund av att dess fysiska parametrar skiljer sig från ideal. Så till exempel representerar koppartrådar alltid någon kombination av aktivt motstånd, kapacitiv och induktiv belastning fördelat längs längden. Som ett resultat, för sinusoider med olika frekvenser, kommer linjen att ha olika impedans, vilket innebär att de kommer att sändas på olika sätt. Fiberoptisk kabel har också förspänningar som förhindrar perfekt ljusutbredning. Om kommunikationslinjen innehåller mellanliggande utrustning, kan den också introducera ytterligare distorsion, eftersom det är omöjligt att skapa enheter som lika väl skulle överföra hela spektrumet av sinusoider, från noll till oändlighet.
Förutom signalförvrängningar som introduceras av kommunikationslinjens interna fysiska parametrar, finns det också externa störningar som bidrar till förvrängningen av signalformen vid linjeutgången. Denna störning skapas av olika elektriska motorer, elektroniska apparater, atmosfäriska fenomen, etc. Trots de skyddsåtgärder som vidtagits av konstruktörerna av kablar och förstärkningsväxlande utrustning är det inte möjligt att helt kompensera för påverkan av yttre störningar. Därför har signalerna vid utgången av kommunikationslinjen vanligtvis en komplex form, enligt vilken det ibland är svårt att förstå vilken diskret information som tillfördes till linjens ingång.
Graden av distorsion av sinusformade signaler av kommunikationslinjer uppskattas med hjälp av egenskaper såsom frekvenssvar, bandbredd och dämpning vid en specifik frekvens.
Frekvenssvar
Frekvenssvar visar hur sinusformens amplitud vid kommunikationsledningens utgång dämpas i jämförelse med amplituden vid dess ingång för alla möjliga frekvenser hos den sända signalen. Istället för amplituden i denna karakteristik används ofta en signalparameter såsom dess effekt. Genom att känna till frekvenssvaret för en riktig linje kan du bestämma formen på utsignalen för nästan vilken insignal som helst. För att göra detta är det nödvändigt att hitta spektrumet för insignalen, transformera amplituden för dess ingående övertoner i enlighet med amplitud-frekvenskarakteristiken och sedan hitta formen på utsignalen genom att addera de transformerade övertonerna.
Trots fullständigheten av informationen som tillhandahålls av amplitud-frekvenskarakteristiken om kommunikationslinjen, kompliceras dess användning av det faktum att det är mycket svårt att få det. Därför används i praktiken, istället för amplitud-frekvenskarakteristiken, andra, förenklade egenskaper - bandbredd och dämpning.
Bandbredd
Bandbreddär ett kontinuerligt frekvensområde för vilket förhållandet mellan amplituden hos utsignalen och insignalen överskrider någon förutbestämd gräns, vanligtvis 0,5. Det vill säga, bandbredden bestämmer frekvensområdet för en sinusformad signal vid vilken denna signal sänds över kommunikationslinjen utan betydande distorsion. Genom att känna till bandbredden kan du, med en viss grad av approximation, få samma resultat som att känna till frekvenssvaret. Bredd bandbredd har störst inverkan på maximalt möjliga överföringshastighet av information över kommunikationslinjen.
Försvagning
Försvagning definieras som den relativa minskningen av en signals amplitud eller effekt när en signal med en viss frekvens sänds över en signallinje. Således är dämpningen en punkt från linjens frekvenssvar. Dämpning A mäts vanligtvis i decibel (dB, decibel - dB) och beräknas med följande formel:
A = 10 log10 vitling/stift,
där Pout är signaleffekten vid linjeutgången,
Рвх - signaleffekt vid linjeingången.
Eftersom utsignaleffekten för en kabel utan mellanförstärkare alltid är mindre än insignaleffekten är kabeldämpningen alltid negativ.
Absolut kraftnivåäven mätt i decibel. I detta fall tas ett värde på 1 mW som basvärdet för signaleffekten, i förhållande till vilken den aktuella effekten mäts. Således beräknas effektnivån p med hjälp av följande formel:
p = 10 log10 P / 1mW [dBm],
där P är signaleffekten i milliwatt,
dBm (dBm) är en måttenhet för effektnivå (decibel per 1 mW).
Således är frekvenssvar, bandbredd och dämpning universella egenskaper, och kunskap om dem gör att vi kan dra slutsatser om hur signaler av vilken form som helst kommer att överföras genom kommunikationslinjen.
Bandbredden beror på typen av linje och dess längd. I fig. 1.1 visar bandbredden för kommunikationslinjer av olika typer, samt de mest använda frekvensområdena inom kommunikationsteknik.
Ris. 1.1. Kommunikationsbandbredder och populära frekvensband
Linjekapacitet
Genomströmning linje karakteriserar den maximalt möjliga dataöverföringshastigheten över kommunikationslinjen. Genomströmningen mäts i bitar per sekund - bps, och även i härledda enheter som kilobit per sekund (Kbps), megabit per sekund (Mbps), gigabit per sekund (Gbps), etc. ...
Genomströmningen av en kommunikationslinje beror inte bara på dess egenskaper, såsom frekvenssvar, utan också på spektrumet av sända signaler. Om betydande signalövertoner faller inom linjens bandbredd, kommer en sådan signal att överföras väl av denna kommunikationslinje och mottagaren kommer att korrekt känna igen informationen som skickas längs linjen av sändaren (fig. 1.2a). Om signifikanta övertoner går utöver kommunikationslinjens bandbredd, då kommer signalen att bli avsevärt förvrängd, mottagaren kommer att göra misstag vid igenkänning av information, vilket innebär att information inte kommer att kunna sändas med en given bandbredd (Fig. 1.2b). .
Ris. 1.2.Överensstämmelse mellan kommunikationsbandbredd och signalspektrum
Valet av en metod för att representera diskret information i form av signaler som tillförs kommunikationslinjen kallas fysisk eller linjekodning... Spektrum av signaler och följaktligen linjens bandbredd beror på den valda kodningsmetoden. För en kodningsmetod kan således en linje ha en bandbredd och för en annan en annan.
De flesta kodningsmetoder använder en förändring i någon parameter av en periodisk signal - frekvensen, amplituden och fasen för en sinusform, eller tecknet på potentialen för en sekvens av pulser. En periodisk signal, vars parametrar ändras, anropas bärarsignal eller bärvågsfrekvens om en sinusoid används som en sådan signal.
Antalet ändringar i informationsparametern för den periodiska bärvågssignalen per sekund mäts i baud... Tidsperioden mellan närliggande förändringar i informationssignalen kallas sändarcykeln. Linjebandbredd i bitar per sekund är i allmänhet inte detsamma som baud. Det kan vara antingen högre eller lägre än baudtalet, och detta förhållande beror på kodningsmetoden.
Om signalen har mer än två distinkta tillstånd, kommer genomströmningen i bitar per sekund att vara högre än baudhastigheten. Till exempel, om informationsparametrarna är fasen och amplituden för en sinusform, och det finns 4 fastillstånd vid 0,90, 180 och 270 grader och två värden på signalamplituden, kan informationssignalen ha 8 särskiljbara tillstånd. I detta fall sänder ett modem som arbetar med en hastighet av 2400 baud (med en klockfrekvens på 2400 Hz) information med en hastighet av 7200 bps, eftersom 3 bitar av information sänds med en signaländring.
Linjegenomströmningen påverkas inte bara av fysisk utan också av logisk kodning. Logisk kodning utförs före fysisk kodning och innebär att bitarna i den ursprungliga informationen ersätts med en ny sekvens av bitar, som bär samma information, men som har ytterligare egenskaper, till exempel förmågan för den mottagande sidan att upptäcka fel i den mottagna datan. Med logisk kodning ersätts oftast den ursprungliga bitsekvensen med en längre sekvens, så kanalbandbredden i förhållande till den användbara informationen reduceras.
Förhållandet mellan bandbredden för en linje och dess bandbredd
Ju högre frekvens den periodiska bärvågssignalen är, desto mer information per tidsenhet sänds över linjen och desto högre linjekapacitet med en fast fysisk kodningsmetod. Men med en ökning av frekvensen för den periodiska bärvågssignalen ökar också bredden på spektrumet för denna signal, vilket totalt kommer att ge den signalsekvens som valts för fysisk kodning. Linjen sänder detta spektrum av sinusoider med de distorsioner som bestäms av dess bandbredd. Ju större avvikelsen är mellan linjebandbredden och spektrumbredden för de överförda informationssignalerna, desto mer förvrängs signalerna och desto mer sannolikt blir det fel i den mottagande sidans igenkänning av information, vilket innebär att informationsöverföringshastigheten faktiskt är mindre än man kunde ha förväntat sig.
Förhållandet mellan bandbredden för en linje och dess maximal möjlig bandbredd, oavsett den accepterade fysiska kodningsmetoden, fastställde Claude Shannon:
C = F log2 (1 + Pc / Psh),
där C är den maximala linjegenomströmningen i bitar per sekund,
F är linjens bandbredd i hertz,
Рс - signalstyrka,
Psh är bruseffekten.
Det är möjligt att öka linjekapaciteten genom att öka sändareffekten eller minska bruseffekten (störningseffekten på kommunikationslinjen). Båda dessa komponenter är mycket svåra att ändra. En ökning av sändareffekten leder till en betydande ökning av dess storlek och kostnad. Att minska ljudnivån kräver användning av speciella kablar med bra skyddande skärmar, vilket är mycket dyrt, samt brusreducering i sändaren och mellanutrustning, vilket inte är lätt att åstadkomma. Dessutom begränsas effekten av den användbara signalens effekt och brus på genomströmningen av det logaritmiska beroendet, som växer mycket mindre snabbt än det direkt proportionella.
I huvudsak nära Shannons formel är följande förhållande erhållet av Nyquist, som också bestämmer den maximala möjliga bandbredden för en kommunikationslinje, men utan att ta hänsyn till bruset på linjen:
C = 2F log2 M,
där M är antalet särskiljbara tillstånd för informationsparametern.
Även om Nyquist-formeln inte explicit tar hänsyn till förekomsten av brus, återspeglas dess påverkan indirekt i valet av antalet tillstånd för informationssignalen. Antalet möjliga signaltillstånd begränsas faktiskt av förhållandet mellan signaleffekt och brus, och Nyquist-formeln bestämmer den maximala dataöverföringshastigheten i fallet när antalet tillstånd redan har valts med hänsyn till förmågan till stabil igenkänning av mottagare.
Ovanstående förhållanden ger ett gränsvärde för linjekapaciteten, och graden till vilken denna gräns närmar sig beror på de specifika fysiska kodningsmetoderna som diskuteras nedan.
Linjeimmunitet
Linjeimmunitet bestämmer dess förmåga att minska nivån av störningar som skapas i den yttre miljön, på de inre ledarna. En linjes immunitet beror på vilken typ av fysiskt medium som används, såväl som på själva linjens skyddande och undertryckande medel.
Near End Cross Talk (NÄSTA) bestämma kabelns immunitet mot interna störningskällor, när det elektromagnetiska fältet för signalen som sänds av sändarens utgång längs ett par ledare inducerar en störsignal på det andra paret av ledare. Om en mottagare är ansluten till det andra paret kan den ta den inducerade interna störningen som en användbar signal. NÄSTA index, uttryckt i decibel, är lika med 10 log Pout / Pnav, där Pout är effekten av utsignalen, Pnav är effekten av den inducerade signalen. Ju lägre NEXT-värde, desto bättre kabel.
På grund av det faktum att i vissa nya teknologier dataöverföring används samtidigt över flera tvinnade par, har indikatorn nyligen börjat användas PowerSUM, som är en modifiering av NEXT-indikatorn. Denna siffra återspeglar den totala effekten av överhörning från alla sändarpar i kabeln.
Tillförlitlighet för dataöverföring
Tillförlitlighet för dataöverföring karakteriserar sannolikheten för distorsion för varje överförd databit. Ibland kallas samma indikator bitfelsfrekvens (BER)... BER-värdet för kommunikationskanaler utan ytterligare medel för skydd mot fel är som regel 1, i fiberoptiska kommunikationslinjer - 10-9. Värdet på tillförlitligheten för dataöverföring, till exempel, i 10-4 indikerar att i genomsnitt av 10 000 bitar är värdet på en bit förvrängd.
Bitdistorsion uppstår både på grund av närvaron av brus på linjen och på grund av vågformsdistorsion på grund av linjens begränsade bandbredd. Därför, för att öka tillförlitligheten hos de överförda data, är det nödvändigt att öka nivån av brusimmunitet för linjen, minska nivån av överhörning i kabeln och även använda fler bredbandskommunikationslinjer.
2.3. Nätverkskabelstandarder
En kabel är en ganska komplex produkt som består av ledare, skärmskikt och isolering. I vissa fall innehåller kabeln kontakter som ansluter kablarna till utrustningen. Dessutom används olika elektromekaniska enheter som kallas tvärsnitt, tvärboxar eller skåp för att säkerställa snabb omkoppling av kablar och utrustning. I datornätverk används kablar som uppfyller vissa standarder, vilket gör att du kan bygga ett kabelnätverk av kablar och anslutningsenheter olika tillverkare... Ett protokolloberoende tillvägagångssätt har antagits för kabelstandardisering. Det vill säga att standarden endast specificerar de elektriska, optiska och mekaniska egenskaper som en viss typ av kabel eller anslutningsprodukt måste uppfylla.
Det finns många egenskaper som anges i kabelstandarder, av vilka de viktigaste listas nedan.
· Försvagning... Dämpningen mäts i decibel per meter för en specifik frekvens eller frekvensområde för en signal.
· Near End Cross Talk (NÄSTA)... Mäts i decibel för en specifik signalfrekvens.
· Impedans (karakteristisk impedans)är det totala (aktiva och reaktiva) motståndet i den elektriska kretsen. Impedansen mäts i ohm och är relativt konstant för kabelsystem.
· Aktivt motståndär motstånd likström i en elektrisk krets. Till skillnad från impedans är resistansen oberoende av frekvensen och ökar med kabellängden.
· Kapacitetär metallledares egenskap att lagra energi. De två elektriska ledarna i en kabel, åtskilda av ett dielektrikum, är en kondensator som kan lagra en laddning. Kapacitet är oönskad.
· Extern elektromagnetisk strålning eller elektriskt brus... Elektriskt brus är oönskad växelspänning i en ledare. Det finns två typer av elektriskt brus: bakgrundsljud och impulsbrus. Elektriskt brus mäts i millivolt.
· Ledardiameter eller tvärsnittsarea... För kopparledare är det amerikanska AWG-systemet (American Wire Gauge) ganska vanligt, vilket introducerar vissa konventionella typer av ledare, till exempel 22 AWG, 24 AWG, 26 AWG. Ju större trådtypnummer, desto mindre diameter.
Fokus för nuvarande standarder ligger på partvinnade och fiberoptiska kablar.
Oskärmade tvinnade par kablar
UTP koppar oskärmad kabel är indelad i 5 kategorier beroende på elektriska och mekaniska egenskaper (Kategori 1 - Kategori 5). De vanligaste kategorierna diskuteras nedan.
Kablar Kategori 1 används där kraven på överföringshastighet är minimala. Vanligtvis är detta en kabel för digital och analog röst och låghastighets (upp till 20 Kbps) dataöverföring. Fram till 1983 var det huvudtypen av kabel för telefonledningar.
Kablar Kategori 3 standardiserades 1991 när Standard för telekommunikationskablar för kommersiella byggnader(EIA-568), som definierade de elektriska egenskaperna hos Kategori 3-kablar för frekvenser upp till 16 MHz som stöder höghastighetsnätverk. Kategori 3-kabel är designad för både dataöverföring och röstöverföring. Trådstigning är cirka 3 varv per fot (30,5 cm).
Kablar Kategori 5 var speciellt utformade för att stödja höghastighetsprotokoll. Deras egenskaper bestäms i intervallet upp till 100 MHz. Denna kabel kör protokoll med en dataöverföringshastighet på 100 Mbit/s - FDDI (med den fysiska standarden TP-PMD), Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, samt snabbare protokoll - ATM med en hastighet av 155 Mbit/s, och Gigabit Ethernet med en hastighet på 1000 Mbps.
Alla UTP-kablar, oavsett kategori, finns i 4-pars design. Vart och ett av de fyra kabelparen har en specifik färg och stigning. Vanligtvis är två par för dataöverföring och två för röstöverföring.
RJ-45-kontakter och uttag används för att ansluta kablar till utrustning, som är 8-stiftskontakter som liknar vanliga RJ-11-telefonkontakter.
Skärmade tvinnade par kablar
Skärmad twisted pair STP-brunn skyddar de överförda signalerna från externa störningar och avger även mindre elektromagnetiska vågor utanför. Närvaron av en jordad skärm ökar kostnaden för kabeln och komplicerar installationen. Den skärmade kabeln används endast för dataöverföring.
Den huvudsakliga standarden som definierar parametrarna för skärmat tvinnat par är den egenutvecklade IBM-standarden. I denna standard är kablar inte indelade i kategorier, utan i typer: Typ I, Typ 2, ..., Typ 9.
Den huvudsakliga typen av skärmad kabel är IBM Type 1-kabel. Den består av 2 par tvinnade ledningar, skärmade med en ledande fläta, som är jordad. De elektriska parametrarna för en kabel av typ 1 är ungefär desamma som för en UTP-kabel i kategori 5. Den karakteristiska impedansen för en kabel av typ 1 är dock 150 ohm.
Inte alla IBM-standardkablar är skärmade kablar – vissa definierar egenskaperna hos oskärmade telefonkablar (typ 3) och fiberoptiska kablar (typ 5).
Fiberoptiska kablar
Fiberoptiska kablar består av en central ledare av ljus (kärna) - en glasfiber omgiven av ytterligare ett lager glas - en beklädnad som har ett lägre brytningsindex än kärnan. Ljusstrålarna sprider sig längs kärnan och går inte utöver dess gränser och reflekterar från skalets täckskikt. Beroende på fördelningen av brytningsindex och storleken på kärndiametern finns det:
· Multimodfiber med en stegvis förändring av brytningsindex (fig. 1.3a);
· Multimodfiber med en jämn förändring av brytningsindex (fig. 1.36);
· Single-mode fiber (fig. 1.3c).
Termen "mod" beskriver utbredningssättet för ljusstrålar i kabelns inre kärna. Single Mode Fiber (SMF) en mittledare med mycket liten diameter används, i proportion till ljusets våglängd - från 5 till 10 mikron. I detta fall utbreder sig praktiskt taget alla ljusstrålar längs fiberns optiska axel utan att reflekteras från den yttre ledaren. Bandbredden för en enkellägeskabel är mycket bred - upp till hundratals gigahertz per kilometer. Att tillverka tunna, högkvalitativa fibrer för en enkellägeskabel är en komplex teknisk process, vilket gör en enkellägeskabel ganska dyr. Dessutom är det ganska svårt att rikta en ljusstråle in i en fiber med så liten diameter utan att förlora en betydande del av sin energi.
Ris. 1.3 . Optiska kabeltyper
V multimode kablar (Multi Mode Fiber, MMF) bredare inre kärnor används, som är lättare att tillverka tekniskt. Standarderna definierar två av de vanligaste multimodskablarna: 62,5 / 125 µm och 50/125 µm, där 62,5 µm eller 50 µm är diametern på mittledaren och 125 µm är diametern på den yttre ledaren.
I multimode-kablar finns flera ljusstrålar samtidigt i den inre ledaren, som studsar mot den yttre ledaren i olika vinklar. Strålens reflektionsvinkel kallas strålläget. I multimodskablar med en jämn förändring av brytningsindex är utbredningsläget för varje läge mer komplext.
Multimode-kablar har en smalare bandbredd - från 500 till 800 MHz / km. Försmalningen av bandet uppstår på grund av förlusten av ljusenergi under reflektioner, såväl som på grund av interferensen av strålar av olika lägen.
Följande används som ljusemissionskällor i fiberoptiska kablar:
· Lysdioder;
· Halvledarlasrar.
För singelmodskablar används endast halvledarlasrar, eftersom med en så liten diameter på den optiska fibern kan ljusflödet som skapas av lysdioden inte riktas in i fibern utan stora förluster. För multimodskablar används billigare LED-sändare.
För informationsöverföring används ljus med en våglängd på 1550 nm (1,55 mikron), 1300 nm (1,3 mikron) och 850 nm (0,85 mikron). Lysdioder kan avge ljus med våglängder på 850nm och 1300nm. Strålare med en våglängd på 850 nm är betydligt billigare än sändare med en våglängd på 1300 nm, men kabelbandbredden för 850 nm är smalare, till exempel 200 MHz/km istället för 500 MHz/km.
Lasersändare arbetar vid 1300 och 1550 nm våglängder. Hastigheten hos moderna lasrar tillåter modulering av ljusflödet vid frekvenser på 10 GHz och högre. Lasersändare skapar ett koherent ljusflöde, vilket gör att förlusterna i optiska fibrer blir mindre än när man använder ett inkoherent LED-flöde.
Användningen av endast ett fåtal våglängder för att överföra information i optiska fibrer är förknippad med det speciella med deras amplitud-frekvensegenskaper. Det är för dessa diskreta våglängder som uttalade maxima för signaleffektöverföringen observeras, och för andra vågor är dämpningen i fibrerna betydligt högre.
Fiberoptiska kablar ansluts till utrustningen med MIC-, ST- och SC-kontakter.
Fiberoptiska kablar har utmärkta egenskaper av alla typer: elektromagnetiska, mekaniska, men de har en allvarlig nackdel - komplexiteten i att ansluta fibrer med kontakter och med varandra om det är nödvändigt att öka kabellängden. Att fästa en optisk fiber till anslutningen kräver högprecisionsskärning av fibern i ett plan strikt vinkelrätt mot fiberaxeln, samt att utföra anslutningen genom en komplex limningsoperation.
Kommunikationslinje I det allmänna fallet består den av ett fysiskt medium genom vilket elektriska informationssignaler sänds, dataöverföringsutrustning och mellanutrustning. Synonymt med termen kommunikationslinje(linje) är termen länk(kanal).
Det fysiska mediet för dataöverföring kan vara en kabel, det vill säga en uppsättning ledningar, isolerande och skyddande skal och kontakter, såväl som jordens atmosfär eller yttre rymden genom vilken elektromagnetiska vågor utbreder sig.
Beroende på dataöverföringsmediet är kommunikationslinjer indelade i följande:
§ tråd (luft);
§ kabel (koppar och fiberoptik);
§ radiokanaler för markbunden och satellitkommunikation.
Kabel (overhead) kommunikationslinjerär trådar utan några isolerande eller skärmande flätor, läggs mellan stolparna och hänger i luften. Sådana kommunikationslinjer bär traditionellt telefon- eller telegrafsignaler, men i avsaknad av andra möjligheter används dessa linjer även för att överföra datordata. Hastigheten och bullerimmuniteten hos dessa linjer lämnar mycket övrigt att önska. Idag ersätts trådbundna kommunikationslinjer snabbt av kabel.
Kabelledningar representerar en ganska komplex design. Kabeln består av ledare inneslutna i flera lager av isolering: elektriska, elektromagnetiska, mekaniska och möjligen klimatiska. Dessutom kan kabeln utrustas med kontakter som gör att du snabbt kan ansluta till olika utrustningar. Det finns tre huvudtyper av kablar som används i datornätverk: tvinnade kopparkablar, koaxialkopparkablar och fiberoptiska kablar.
Ett tvinnat par av trådar kallas tvinnat par. Twisted pair finns i skärmad version , när ett par koppartrådar är inlindade i en isolerande skärm och oskärmade , när isoleringsfolien saknas. Att tvinna ledningarna minskar effekten av externt brus på de önskade signalerna som överförs över kabeln.
Koaxialkabel har en asymmetrisk struktur och består av en inre kopparkärna och en fläta separerade från kärnan av ett lager av isolering. Det finns flera typer av koaxialkabel, som skiljer sig i egenskaper och användningsområden - för lokala nätverk, för breda nätverk, för kabel-tv, etc.
Fiberoptisk kabel består av tunna fibrer längs vilka ljussignaler utbreder sig. Detta är den högsta kvalitetstypen av kabel - den ger dataöverföring med en mycket hög hastighet (upp till 10 Gbit/s och högre) och bättre än andra typer av överföringsmedium ger dataskydd från externa störningar.
Radiokanaler för markbunden och satellitkommunikation bildas av en sändare och mottagare av radiovågor. Det finns ett stort antal olika typer av radiokanaler, som skiljer sig åt i både det använda frekvensområdet och kanalområdet. De korta, medelhöga och långa våglängdsområdena (KB, MW och LW), även kallade Amplitude Modulation (AM) områden efter den signalmoduleringsmetod de använder, ger långdistanskommunikation, men med en låg datahastighet. Fler höghastighetskanaler fungerar i ultrakortvågsbanden (VHF), som kännetecknas av frekvensmodulering, såväl som i mikrovågsbanden (mikrovågor).
I mikrovågsområdet (över 4 GHz) reflekteras inte längre signaler av jordens jonosfär och för stabil kommunikation krävs en siktlinje mellan sändaren och mottagaren. Därför använder sådana frekvenser antingen satellitkanaler eller radioreläkanaler, om detta villkor är uppfyllt.
I datornätverk används idag nästan alla de beskrivna typerna av fysiska dataöverföringsmedier, men de mest lovande är fiberoptiska. Idag används de som grund för byggandet av motorvägar för stora territoriella nätverk, såväl som höghastighetskommunikationslinjer för lokala nätverk.
Twisted pair är också ett populärt medium, som kännetecknas av ett utmärkt förhållande mellan kvalitet och kostnad och enkel installation. Twisted pair-kablar används vanligtvis för att ansluta slutanvändare av nätverk på avstånd upp till 100 meter från hubben. Satellitkanaler och radiokommunikation används oftast i de fall kabelkommunikation inte kan användas – till exempel när en kanal passerar genom ett glesbygdsområde eller för att kommunicera med en mobilnätsanvändare.
Även när man överväger det enklaste nätverket som bara består av två maskiner kan du se många av problemen som finns i alla datornätverk, inklusive problem, associerad med fysisk överföring av signaler över kommunikationslinjer , utan vars lösning någon form av kommunikation är omöjlig.
Vid beräkning representeras data av binär kod ... Inuti datorn motsvarar ettorna och nollorna av data diskret elektrisk signaler. Representationen av data i form av elektriska eller optiska signaler kallas kodning. . Existerar olika sätt kodning av binära siffror 1 och 0, till exempel potential ett sätt på vilket en spänningsnivå motsvarar en och en annan spänningsnivå motsvarar noll, eller impuls en metod när pulser med olika eller en polaritet används för att representera siffror.
Liknande tillvägagångssätt kan användas för att koda data och överföra dem mellan två datorer över kommunikationslinjer. Dessa kommunikationslinjer skiljer sig dock i sina elektriska egenskaper från de som finns inuti datorn. Den största skillnaden mellan externa och interna kommunikationslinjer är deras mycket längre och även genom att de sträcker sig utanför den skärmade inneslutningen genom områden som ofta är utsatta för starka elektromagnetiska störningar. Allt detta leder till betydligt större förvrängningar av rektangulära pulser (till exempel "kollaps" av kanterna) än inuti en dator. Därför, för tillförlitlig igenkänning av pulser vid den mottagande änden av kommunikationslinjen vid överföring av data inuti och utanför datorn, är det därför inte alltid möjligt att använda samma hastigheter och kodningsmetoder. Till exempel kräver en långsam ökning av pulskanten på grund av den höga kapacitiva belastningen av linjen överföring av pulser med en lägre hastighet (så att fram- och bakkanten av intilliggande pulser inte överlappar varandra och pulsen har tid att växa till den nivå som krävs).
V dator nätverk tillämpa både potential- och pulskodning av diskreta data samt ett specifikt sätt att representera data som aldrig används inuti en dator - modulation(fig. 3). Med modulering representeras diskret information av en sinusformad signal med den frekvens som den tillgängliga kommunikationslinjen förmedlar bra.
Potentiell eller impulskodning tillämpas på kanaler Hög kvalitet, och modulering baserad på sinusformade signaler är att föredra när kanalen introducerar starka distorsioner i de sända signalerna. Normalt används modulering i wide area-nätverk för att överföra data över analoga telefonlinjer, som utformades för att bära röst i analog form och därför är dåligt lämpade för direkt överföring av pulser.
För att konvertera data från en typ till en annan, använd modem. Termin "modem" - förkortning för modulator / demodulator. Binär noll omvandlas till exempel till en lågfrekvent signal och en till högfrekvent. Med andra ord, vid konvertering av data, modulerar modemet frekvensen analog signal(fig. 4).
Metoden för signalöverföring påverkas också av antalet ledningar i kommunikationslinjerna mellan datorer.
Dataöverföring kan ske parallellt (fig. 5) eller sekventiellt (fig. 6).
För att minska kostnaderna för kommunikationslinjer strävar nätverk vanligtvis efter att minska antalet ledningar och på grund av detta använder de inte parallell överföring av alla bitar av en byte eller ens flera byte, som görs inuti en dator, utan sekventiell, bitvis överföring, kräver endast ett par ledningar.
Det finns också tre olika metoder som används för att ansluta datorer och enheter, betecknade med tre olika termer. Anslutningen är: simplex, halv duplex och full duplex(fig. 7 ).
En simplexanslutning sägs vara när data rör sig i endast en riktning. En halvduplexanslutning gör att data kan färdas i båda riktningarna, men in annan tid, och slutligen, en full duplex-anslutning är när data flödar åt båda håll samtidigt.
Ris. 7. Exempel på dataströmmar.
Ett annat viktigt koncept är anslutningsväxling (växling).
Alla kommunikationsnätverk stödjer något sätt att byta sina abonnenter sinsemellan. Dessa prenumeranter kan vara fjärrdatorer, lokala nätverk, faxar eller helt enkelt samtalspartner som kommunicerar via telefoner. Det är praktiskt taget omöjligt att förse varje par av interagerande abonnenter med sin egen okopplade (dvs permanent anslutning) fysisk kommunikationslinje, som de skulle kunna "äga" monopol under en lång tid. Därför, i alla nätverk, används alltid en abonnentväxlingsmetod, som säkerställer tillgängligheten av tillgängliga fysiska kanaler samtidigt för flera kommunikationssessioner mellan nätverksabonnenter.
Länkväxling tillåter nätverkshårdvara att dela samma fysiska kommunikationskanal mellan flera enheter. De två huvudsakliga sätten att byta en anslutning är - kretsväxling och paketväxling.
Att byta krets skapar en enda, kontinuerlig anslutning mellan två nätverksanslutna enheter. Medan dessa enheter interagerar kan ingen annan använda den här anslutningen för att överföra sin egen information - den måste vänta tills anslutningen är ledig.
Ett enkelt exempel på en kretsomkopplare är en omkopplare typ A-B tjänar till att ansluta två datorer till en skrivare. För att göra det möjligt för en av datorerna att skriva ut, vrider du på en vippströmbrytare på omkopplaren, vilket skapar en kontinuerlig anslutning mellan datorn och skrivaren. Punkt-till-punkt-förbindelse bildas . Som visas i figuren kan bara en dator skriva ut samtidigt.
Ris. 6Koppla kretsar
De flesta moderna nätverk, inklusive Internet, använder paketväxling. Dataöverföringsprogram på sådana nätverk delar upp data i bitar som kallas paket. I ett paketkopplat nätverk kan data följa ett paket samtidigt, eller så kan det följa flera. Data kommer att anlända till samma destination, även om vägarna den följde kan vara helt olika.
För att jämföra två typer av nätverksanslutningar, anta att vi avbryter kanalen i var och en av dem. Till exempel, genom att koppla bort skrivaren från hanteraren i fig. 6 (genom att flytta vippomkopplaren till läge B) har du berövat honom möjligheten att skriva ut. Omkopplingskretsar kräver en oavbruten kommunikationskanal.
Ris. 7. Byte av paket
Omvänt kan data på ett paketkopplat nätverk färdas i olika vägar. Detta kan ses i fig. 7. Data följer inte nödvändigtvis samma väg mellan kontors- och hemdatorer, att bryta en av kanalerna kommer inte att leda till att anslutningen tappas - data kommer helt enkelt att följa en annan väg. Paketkopplade nätverk har många alternativa vägar för paket.
Paketväxling är en abonnentväxlingsteknik som har utformats specifikt för att effektivt överföra datortrafik.
Kärnan i problemet är pulserande trafik som typiska nätverksapplikationer genererar. Till exempel, när användaren får åtkomst till en fjärrfilserver, bläddrar användaren först igenom innehållet i katalogen på den servern, vilket genererar en liten mängd dataöverföring. Sedan öppnas den önskade filen i textredigerare, och denna operation kan skapa ett ganska intensivt datautbyte, speciellt om filen innehåller stora grafiska inneslutningar. Efter att ha visat flera sidor av filen arbetar användaren med dem lokalt under en tid, vilket inte kräver någon dataöverföring över nätverket alls, och returnerar sedan de modifierade kopiorna av sidorna till servern - och detta genererar återigen intensiv data överföra över nätverket.
Trafikrissningsförhållandet för en enskild nätverksanvändare, lika med förhållandet mellan den genomsnittliga dataväxlingshastigheten och maximalt möjliga, kan vara 1:50 eller 1:100. Om för den beskrivna sessionen att organisera växlingen av kanalen mellan användarens dator och servern, kommer kanalen för det mesta att vara inaktiv. Samtidigt kommer nätverkets växlingsmöjligheter att användas och kommer inte att vara tillgängliga för andra nätverksanvändare.
Med paketväxling delas alla meddelanden som sänds av en nätverksanvändare vid källnoden i relativt små delar som kallas paket. Ett meddelande är en logiskt ifylld del av data - en begäran att överföra en fil, ett svar på denna begäran som innehåller hela filen, etc.
Meddelanden kan vara av godtycklig längd, från några byte till många megabyte. Tvärtom kan paket vanligtvis också ha variabel längd, men inom snäva gränser, till exempel från 46 till 1500 byte. Varje paket är försett med en rubrik som specificerar adressinformationen som krävs för att leverera paketet till destinationsnoden, såväl som paketnumret som kommer att användas av destinationsnoden för att sammanställa meddelandet.
Paketen transporteras över nätverket som oberoende informationsenheter. Nätverksväxlar tar emot paket från ändnoder och, baserat på adressinformation, sänder dem till varandra och slutligen till destinationsnoden.
Paketnätverksväxlar skiljer sig från kanalswitchar genom att de har ett internt buffertminne för att tillfälligt lagra paket om switchens utgångsport vid tidpunkten för mottagning av ett paket är upptagen med att sända ett annat paket. I det här fallet ligger paketet under en tid i paketkön i buffertminnet i utgångsporten, och när kön når den vidarebefordras det till nästa switch. Ett sådant dataöverföringsschema tillåter utjämning av trafiken ryggraden mellan switchar och på så sätt använda dem på det mest effektiva sättet för att öka bandbredden på nätverket som helhet.
För ett par abonnenter skulle det faktiskt vara mest effektivt att förse dem med en kommuterad kommunikationskanal för enbart användning, eftersom den ges i kretskopplade nät. Med denna metod skulle interaktionstiden för ett par abonnenter vara minimal, eftersom data skulle överföras från en abonnent till en annan utan fördröjning.
Ett paketkopplat nätverk saktar ner interaktionen mellan ett specifikt par av abonnenter. Icke desto mindre kommer den totala mängden datordata som sänds av nätverket per tidsenhet med paketkopplingstekniken att vara högre än med kretskopplingstekniken.
Vanligtvis, om den tillhandahållna åtkomsthastigheten är lika, visar sig ett paketkopplat nätverk vara 2-3 gånger billigare än ett kretskopplat nätverk, det vill säga ett allmänt telefonnät.
Vart och ett av dessa scheman ( kretskoppling (kretskoppling) eller paketväxling (paketförmedling)) har sina fördelar och nackdelar, men enligt långtidsprognoser från många experter tillhör framtiden paketförmedlingstekniken, som mer flexibel och universell.
Kretskopplade nät är väl lämpade för dataväxling med konstant hastighet, när växlingsenheten inte är en enda byte eller datapaket, utan ett långsiktigt synkront dataflöde mellan två abonnenter.
Både paketkopplade nätverk och kretskopplade nätverk kan delas in i två klasser enligt ett annat kriterium - på nätverk med dynamisk omkoppling och nätverk med permanent pendling.
I det första fallet tillåter nätverket att anslutningen upprättas på initiativ av nätverksanvändaren. Växling utförs under kommunikationssessionen och sedan (återigen på initiativ av en av de interagerande användarna) bryts kommunikationen. I allmänhet kan alla användare i nätverket ansluta till vilken annan användare som helst i nätverket. Vanligtvis är kopplingsperioden mellan ett par användare med dynamisk växling från några sekunder till flera timmar och slutar när en del arbete är gjort - överföra en fil, titta på en sida med text eller bild, etc.
I det andra fallet ger nätverket inte användaren möjligheten att utföra dynamisk växling med en annan godtycklig nätverksanvändare. Istället tillåter nätverket ett par användare att beställa en anslutning under en längre tidsperiod. Anslutningen upprättas inte av användare utan av personalen som underhåller nätverket. Den tid för vilken permanent pendling fastställs mäts vanligtvis i flera månader. Alltid-på-läge i kretskopplade nätverk kallas ofta för en tjänst. tillägnad eller hyrda kanaler.
Exempel på nätverk som stöder dynamisk växling är allmänna telefonnät, lokala nätverk och Internet.
Vissa typer av nätverk stöder båda driftsätten.
Ett annat problem som måste åtgärdas när man sänder signaler är problemet ömsesidig synkronisering av en dators sändare med en annan dators mottagare ... När man organiserar interaktionen mellan moduler inuti en dator löses detta problem mycket enkelt, eftersom i detta fall alla moduler synkroniseras från en gemensam klockgenerator. Problemet med synkronisering i kommunikationen av datorer kan lösas på olika sätt, både genom att byta ut speciella klockpulser på en separat linje, och genom att använda periodisk synkronisering av förutbestämda koder eller pulser med en karakteristisk form som skiljer sig från formen på datapulser.
Asynkron och synkron överföring. Vid utbyte av data på det fysiska lagret är informationsenheten en bit, därför upprätthåller det fysiska lagrets medel alltid bitsynkronisering mellan mottagaren och sändaren.
Men när kvaliteten på kommunikationslinjen är dålig (detta hänvisar vanligtvis till telefonkopplade kanaler), för att minska kostnaderna för utrustning och öka tillförlitligheten för dataöverföring, introducerar de ytterligare medel synkronisering på bytenivå.
Detta driftsätt kallas asynkron eller start-stopp. En annan anledning till att använda detta driftsätt är närvaron av enheter som genererar databytes vid slumpmässiga tidpunkter. Så här fungerar tangentbordet på en bildskärm eller annan terminalenhet, från vilken en person matar in data för bearbetning av en dator.
V asynkront läge varje byte med data åtföljs av speciella signaler "start" och "stopp". Syftet med dessa signaler är, för det första, att meddela mottagaren om ankomsten av data och för det andra att ge mottagaren tillräckligt med tid för att utföra vissa synkroniseringsrelaterade funktioner innan nästa byte anländer.
Det beskrivna läget kallas asynkront eftersom varje byte kan förskjutas något i tiden i förhållande till bithastigheterna för den föregående byten.
Uppgifterna med tillförlitligt utbyte av binära signaler, representerade av motsvarande elektromagnetiska signaler, i datornätverk löses av en viss klass av utrustning. På lokala nätverk, detta nätverkskort, och i stora nätverk - dataöverföringsutrustning, till vilken till exempel de betraktade modemen hör. Denna utrustning kodar och avkodar varje informationsbit, synkroniserar överföringen av elektromagnetiska signaler över kommunikationslinjer, verifierar överföringens korrekthet med kontrollsumman och kan utföra vissa andra operationer.
Kontrollfrågor:
3. Vilka kommunikationslinjer används i datornätverk?
4. Vilka kommunikationslinjer är mest lovande?
5. Hur överförs binära signaler i nätverket? Vad är modulering?
6. Vad används modemet till?
7. Vad är seriell och parallell dataöverföring?
8. Vad är simplex-, halv-duplex- och full-duplex-anslutningar?
9. Vad är anslutningsbyte?
10. Vilka är de två huvudsakliga sätten att byta en anslutning?
11. Vad är paketförmedling och vad är dess fördel?
12. När är det lämpligt att använda kretskoppling?
13. Förklara begreppen asynkron och synkron dataöverföring?