Реферат. Учебное пособие санктПетербург 2012 министерство образования и науки российской федерации
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
ТЕМА 5. ФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ На физическом уровне обычно применяется один из следующих четырех типов среды передачи: - кабель “витая пара” (симметричный кабель); - коаксиальный кабель (тонкий или толстый); - оптоволоконный кабель; - окружающее пространство. Каждая из этих сред отличается друг от друга необходимым оборудованием, пропускной способностью, помехоустойчивостью, максимальной протяженностью, сложностью установки, собственником инфраструктуры и многими другими параметрами. Характеристики сред будем рассматривать со следующих основных четырех точек зрения: пропускной способности, помехоустойчивости, сложности установки, популярности среди пользователей. Общее впечатление с этих позиций дает табл.5.1. Таблица 5.1 Сравнительные характеристики сред передачи данных
Пропускная способность – это область (спектр) частот гармонических колебаний, пропускаемых средой передачи, т. е. полоса пропускания. Полоса пропускания измеряется в герцах, а скорость передачи – в битах в секунду. Ширина полосы пропускания среды должна быть достаточной для прохождения существенных амплитуд частотного спектра сигналов. При повышении спектра полосы пропускания, например, за счет возросшей частоты сигналов, среда может не успевать изменять свое энергетическое состояние, что и приведет к искажению сигналов. Мы уже отмечали границы полосы пропускания кабельных сред (см. рис.3.2). Расширим эту схему использованием окружающего пространства различными владельцами, как показано на рис.5.1. Скорость пропускания зависит не только от ширины полосы, но и от способов модуляции и кодирования. Например, передача последовательности одинаковых цифр манчестерским кодом идет на частоте вдвое большей, чем потенциальным кодом без возвращения к нулю.  Рис. 5.1. Полосы пропускания, закрепленные за различными службами С пропускной способностью связана такая характеристика, как способность к широковещанию. Эта способность определяется, в основном, конструкцией и материалом среды передачи. “Витая пара” – для двухточечной связи, коаксиал – для широковещания. Помехозащищенность среды также зависит от конструкции. Она измеряется отношением мощности сигнала к мощности шума. Чем больше это отношение (измеряется в децибелах), тем выше помехоустойчивость. Качественные оценки этого параметра уже даны в табл. 5.1. При распространении в среде сигнал любой частоты теряет свою мощность из-за рассеивания или излучения. Затухание сигнала определяет максимальную допустимую протяженность среды при фиксированных мощности передатчика и чувствительности приемника. Для увеличения протяженности обычно применяются усилители мощности, повторители, ретрансляторы. Измеряется затухание в децибелах как отношение мощности сигнала в начале и в конце единицы длины среды передачи (обычно 1 км) на фиксированной частоте передачи. Чем толще кабель, тем труднее его прокладывать (требуется больший радиус закругления). Но более толстые проводники обладают меньшим затуханием и допускают большую длину передачи без применения дополнительного оборудования. Стоимость среды передачи - стоимость проектно-монтажных работ по строительству этой линии и затрат на ее эксплуатацию. Стоимость является определяющим фактором популярности применения той или иной среды. Рассмотрим характеристики конкретных сред. Кабель “витая пара” состоит из двух изолированных проводников, перевитых между собою. По определенной частоте витков, типу изоляции (бумага, шелк, поливинил) и некоторым другим параметрам кабель “витая пара” разделяется на несколько категорий. В целом, чем выше категория кабеля, тем больший объем информации по нему можно передать, тем меньше перекрестные наводки между проводниками (больше витков на 1 м погонный кабеля), тем он дороже. По сравнению с другими средами “витая пара” обладает меньшей пропускной способностью и сравнительно низкой помехозащищенностью. Вместе с тем, кабель “витая пара” прост в установке и является безусловным лидером в реализации Физического уровня по популярности. В соответствии со стандартом США EIA/TIA – 568А по проектированию и созданию Структурированных Кабельных Систем (СКС) допускается применение четырех типов кабелей. Наиболее популярным из них является кабель неэкранированный с витыми парами из медных проводников UTP (Unsielded Twisted Pair). Категории 3, 4, 5 этого кабеля поддерживают рабочие частоты 16, 20 и 100 МГц. Соответствие выпускаемых промышленностью кабелей предъявляемым требованиям устанавливается сертификатом. В США такого рода сертификацию проводит независимая организация UL по двум направлениям: по электробезопасности и по техническим характеристикам. Классификация кабелей различных фирм – производителей по уровням, соответствующая стандарту качества ISO 9002, приведена в табл. 5.2. Таблица 5.2 Классификация кабелей различных производителей
Кабель “витая пара” категории 3 применяется в локальных низкоскоростных сетях со скоростью до 20 Мбит/с на расстоянии до 100 м. Кабель категории 5 также применяется на расстояниях 100-200 м, но со значительно более высокой скоростью передачи. Коаксиальный кабель представляет собою центральный медный провод, окруженный слоем изолирующего материала (полиэтилена), который заключен внутри второго проводника в виде оплетки. Вся конструкция защищена от механических повреждений пластиковой оболочкой. По сравнению с “витой парой” коаксиал обладает значительно большей пропускной способностью и помехозащищенностью. Выпускаются тонкий узкополосный и толстый широкополосный коаксиальные кабели. С помощью тонкого кабеля можно передавать информацию на расстояния до 10 км со скоростью до 50 Мбит/с. Толстый кабель имеет параметры 50 км и 300-500 Мбит/с, соответственно. Лучшие характеристики и стоят дороже. К недостаткам следует отнести большие по сравнению с “витой парой” размеры и вес. Следствием этого является сложность монтажа и обслуживания, что и привело к снижению популярности использования в качестве среды Физического уровня. Оптоволоконный кабель конструктивно весьма прост, но требует профессионального монтажа. Он состоит из волокон диаметром от единиц до сотен микрон, окруженных твердым покрытием и помещенных в защитную оболочку. Ночной светильник, имитирующий салют, и есть пучок таких волокон без внешней общей оболочки. Вначале оптоволоконные кабели изготавливались из чистого кварцевого стекла, но сейчас уже разработаны технологии на основе пластмассы. Оболочка световода выполняет функцию зеркала для обеспечения эффекта полного внутреннего отражения. Источником распространяемого по кабелю света является светодиод, а на другом конце детектор преобразует световые колебания в электрические. Внешние электромагнитные поля никак не искажают световые сигналы, поэтому оптоволоконный кабель хорошо защищен от помех. Диапазон пропускной способности у различных видов оптического волокна довольно широк. Однако даже нижней границы современные технологии передачи достигнуть не могут, так что есть неиспользуемый пока ресурс. В установке оптоволоконный кабель не сложен, но требует профессиональных приспособлений для сопряжения соседних отрезков кабеля и высокой квалификации исполнителей. Сочетание высоких свойств оптоволоконного кабеля даже при пока относительно высокой цене обусловило растущую популярность его использования. Окружающее пространство – атмосфера, стратосфера, ближний космос - являет собой особый случай: здесь сама среда передачи обычно является общественным достоянием. Именно поэтому ее использование тщательно регулируется в пределах каждого географического региона государственными органами и международными соглашениями. В отличие от других сред передачи, которые при необходимости можно наращивать, окружающее пространство, по сути, ограниченно. Если в эфире тесно, то можно только мешать друг другу. Степень помехоустойчивости окружающего пространства зависит от частоты. На низких частотах велики помехи от разрядов молний и электротранспорта, на высоких – от дождя, тумана, состояния ионосферы. Самая большая сложность при установке – получение лицензии на использование выделенной полосы частот. И все-таки популярность этого способа передачи растет. К началу ХХI в. практически вся планета опутана сотами беспроводной связи. И тем не менее, сегодня в локальных сетях различных топологий чаще применяются кабельные среды передачи данных. Сравнительные их характеристики представлены в табл. 5.3. Таблица 5.3 Сравнительные характеристики кабельных сред передачи данных
Рассмотрим некоторые технические параметры передачи по кабельным линиям связи. Локальные сети строятся, в основном, с использованием кабельных линий связи. Любая кабельная линия описывается следующими параметрами передачи: коэффициентом распространения сигнала  (iw) и волновым сопротивлением Zв(iw). По этим параметрам можно определить ток и напряжение в любой точке кабельной линии. Параметры передачи связаны с первичными параметрами линии – активным сопротивлением R, индуктивностью L, емкостью С и проводимостью изоляции G следующими соотношениями:  .Сигналы, передаваемые по линиям, имеют широкий частотный спектр, поэтому учет частотной зависимости весьма актуален. Частотные зависимости сопротивления R и индуктивности L кабеля определяются в основном процессами перераспределения тока в токопроводящих жилах из-за поверхностного эффекта и эффекта близости (рис. 5.2). Поверхностный эффект заключается в перераспределении тока в проводнике при взаимодействии основного тока с вихревыми токами, наведенными основным через внутреннее магнитное поле. В результате поверхностного эффекта возрастает плотность тока в поверхностных слоях проводника. Так, в медном проводнике на частоте 100 кГц толщина поверхностного слоя, в котором концентрируется ток, составляет 208 мкм, а на 1 МГц – 66 мкм. Таким образом, уже на частотах в несколько десятков килогерц толщина токопроводящего слоя много меньше диаметра проводника. Поверхностный эффект приводит к росту активного сопротивления и уменьшению индуктивности с ростом частоты. Эффектом близости называется перераспределение тока из-за взаимодействия тока, протекающего по проводнику, с вихревыми токами, наводимыми внешним магнитным полем. При передаче сигнала по кабелю в двух проводниках, образующих замкнутую цепь, проходят токи противоположных направлений. Влияние полей обоих проводников приводит к увеличению плотностей токов на поверхностях проводников, обращенных друг к другу. В коаксиальной паре, вследствие эффекта близости в центральной жиле, ток концентрируется на внешней поверхности аналогично действию поверхностного эффекта, а во внешнем проводнике ток концентрируется на внутренней поверхности, как показано на эпюрах рис. 5.2.  Рис.5.2. Перераспределение тока из-за поверхностного эффекта и эффекта близости Обратите внимание! Внешние поля вызывают появление токов, протекающих в основном по наружной поверхности внешнего проводника. Вследствие эффекта близости с ростом частоты ω пути сигнальных и мешающих токов во внешнем проводнике разделяются – происходит самоэкранирование кабеля (этот момент изображен на эпюрах). Это и приводит к возрастанию защищенности коаксиальной пары от внешних помех с увеличением частоты передаваемого сигнала. Отсюда и бытовое название внешнего проводника коаксиальной пары – экран. Правда, низкочастотные поля линий электропередач и электрического транспорта экранируются плохо. Влияние эффекта близости на активное сопротивление и индуктивность проводников кабельной пары аналогично действию поверхностного эффекта: с ростом w R увеличивается, L – уменьшается. При увеличении частоты сигнала возрастает и комплексное сопротивление Zn поверхностного слоя, где концентрируется протекающий по проводнику ток. С учетом этого обстоятельства параметры передачи линии будут определяться как  ; ; ,где ρ1,2 и μ1,2 – значения удельного сопротивления и магнитной проницаемости проводников пары, соответственно. Из последних формул следует, что волновое сопротивление кабеля на низких частотах увеличивается по модулю. С увеличением частоты волновое сопротивление становится чисто активным и постоянным  ). Затухание кабеля пропорционально корню квадратному из частоты. Все рассмотренное относится ко всем электрическим кабелям. Перейдем к рассмотрению свойств каждой среды передачи. Кабель “витая пара”. Цифровые линии передачи данных организуются по кабелям “витая пара” на местных, межцеховых и межгородских сетях. На коротких расстояниях в единицы километров применяются многопарные телефонные кабели типа Т с диаметром жил 0,4-0,7 мм, изоляцией в виде пористой бумажной массы или спиралью намотанной бумажной ленты, парной скруткой жил. В одном кабеле типа Т число пар может достигать 1200 (для городской прокладки между жилыми домами и АТС). Могут также применяться многопарные кабели марки ТП с полиэтиленовой изоляцией. Для малонагруженных линий применяются кабели марки КСПП с диаметром жил 0,9 мм упрощенной конструкции, с малым числом жил (до четырех четверок) в полиэтиленовой изоляции. На средних дистанциях до 10 км могут использоваться одночетверочные кабели марки ЗКП с полиэтиленовой изоляцией. Скрутка четырех жил (а не двух) повышает помехозащищенность. В кабелях основным видом помех являются переходные влияния между сигналами, передаваемыми по различным парам проводников одного кабеля. Предельная длина участка регенерации для цифровых линий определяется из условия обеспечения минимально допустимой величины защищенности от переходных помех. Взаимное влияние оценивается величиной переходного затухания на ближнем А0 и дальнем  концах участка:  ; ,где индекс 1 относится к влияющей цепи, а индекс 2 – к цепи, подверженной влиянию. Схема взаимного влияния между линиями в кабеле “витая пара” выглядит так (рис. 5.3):  Рис. 5.3. Взаимное влияние линий в кабеле Величина переходного влияния в кабелях “витая пара” зависит не только от длины участка, но и от частоты передаваемого сигнала. Эта зависимость также носит характер возрастания влияния с ростом частоты. Предельные нижние значения переходного затухания (в децибелах) для кабелей разных категорий приведены в табл.5.4. Таблица 5.4 Границы переходного затухания в кабелях различных категорий, дБ
Коаксиальные кабели. Линии передачи данных более высокого качества и технических характеристик организуются по коаксиальным кабелям. Наибольшее распространение получили кабели марок КМ – 4, МКТ – 4 и КМ– 8/6. Магистральный коаксиальный кабель КМ – 4 содержит 4 коаксиальные пары диаметром 2,6/9,4 мм (первое число – диаметр центральной жилы, второе – внутренний диаметр внешнего проводника) и 5 “витых” четверок жил диаметром 0,9 мм. Изоляция коаксиальных пар выполнена в виде полиэтиленовых шайб. Малогабаритный коаксиальный кабель МКТ – 4 имеет 4 коаксиальные пары диаметром 1,2/4,6 мм и пять “витых пар” с диаметром жил 0,7 мм. Изоляция в коаксиальных парах – воздушно-полиэтиленовая. Комбинированный коаксиальный кабель КМ – 8/6 содержит 8 коаксиальных пар 2,6 / 9,4 мм, 6 коаксиальных пар 1,2/4,6 мм, а также одну четверку, 8 “витых пар” и 6 отдельных жил диаметром 0,9 мм. Поскольку защищенность коаксиальной пары от внешних помех увеличивается пропорционально корню квадратному из частоты, переходное затухание в таких кабелях нормируется на нижней частоте используемого диапазона. Так, для пары 2,6/9,4 мм переходное затухание составляет 128 дБ на частоте 300 кГц для строительной длины 600 м. Это позволяет применять однокабельную систему организации линии передачи данных. Волоконно-оптические кабели. Эти кабели являются наиболее перспективными для линий передачи сигналов. Основные достоинства оптического волокна – низкое затухание, слабые (практически нулевые) взаимные влияния между сигналами, передаваемыми по различным волокнам одного кабеля, малая чувствительность к внешним электромагнитным полям, небольшие размеры, малый радиус допустимого изгиба, большая ширина оптического диапазона волн, дешевое сырье для изготовления волокон. Волоконный кабель содержит одно или много оптических волокон круглого сечения, изготовленных из кварцевого стекла (или пластмассы) с переменным по сечению волокна коэффициентом преломления. Потери на затухание в кварцевом стекле минимальны в диапазоне длин волн λ = 1,0 ÷ 1,8 мкм. Вне этого интервала возрастают потери на ультрафиолетовое слева и инфракрасное справа поглощение. В спектре пропускания кварцевого стекла максимумы поглощения приходятся на значения λ = 0,95; 1,24 и 1,39 мкм. Поэтому затухание в волокне менее 1 дБ/км принципиально может быть достигнуто лишь в нескольких дискретных областях (λ = 0,8; 1,2; 1,3 и 1,55 мкм). В реальных волокнах источником потерь, кроме чистоты стекла. являются вариации толщины волокна и плотности материала, изгибы, нарушение профиля показателя преломления, качество сращивания участков или их разъемных соединений. Все это приводит к возрастанию минимального затухания кабеля до 2 ÷ 5 дБ/км. Оптическое волокно имеет сердцевину и оболочку. Для удержания света в волокне показатель преломления сердцевины nc должен быть выше, чем у оболочки n. В зависимости от числа типов электромагнитных волн (мод), которые могут распространяться в волокне, различают одномодовые и многомодовые световоды (рис.5.4). В настоящее время существует три основных типа световодов, отличающихся законом распределения показателя преломления по сечению и числом распространяющихся мод: многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 5.4а), многомодовое градиентное волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 5.4б) и одномодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 5.4в). В многомодовых волокнах со ступенчатым профилем диаметр сердцевины d = 50 ÷ 300 мкм, скорости распространения различных мод не выравниваются, что приводит к дисперсии до 20 нс/км. В градиентных волокнах показатель преломления изменяется по параболе, что обеспечивает выравнивание оптических длин путей различных распространяющихся мод и, как следствие, резкое уменьшение межмодовой дисперсии до 0,2 ÷ 1,0 нс/км. Полное отсутствие дисперсии может обеспечить гиперболический профиль изменения показателя преломления, но его трудно выдержать при изготовлении волокна. Одномодовый режим распространения обеспечивается при поперечных размерах сердечника волокна, соизмеримых с длиной волны, и при малых значениях разности показателей преломления сердцевины и оболочки. Так при nc = 1,5; Δ = nc - n = 0,002 и λ = 0,85 мкм диаметр одномодового волокна составляет d = 6,8 мкм. Из-за столь малых размеров сердечника и малой величины Δ изготовление таких волокон технически достаточно сложно. Поэтому первыми были освоены в изготовле- нии многомодовые волокна.  Рис.5.4. Типы световодов На различных участках сетей могут использоваться волоконно-оптические кабели с различными параметрами. На участках протяженностью порядка 10 км и скоростью передачи 2-140 Мбит/с можно применить волокно с затуханием до 10 дБ/км и дисперсией в несколько нс/км. При значительно большей протяженности линии связи потери в волокне не должны превышать 3-5 дБ/км, что определяет отстояние соседних пунктов регенерации на 8-10 км. Дисперсия импульсов в таких линиях должна быть ниже 1 нс/км, что потребует применения одномодового или градиентного волокна с очень жестко заданным профилем показателя преломления. Вопросы для самопроверки: Обоснуйте свой выбор между “витой парой” категории 3 (или 4) и тонким коаксиальным кабелем для передачи данных от автоматизированной технологической линии бумагоделательной машины до ВЦ комбината. Сравните взаимовлияние каналов в кабеле с несколькими витыми парами и в кабеле с несколькими оптическими волокнами. Из чего складывается стоимость среды передачи кабельных сред и окружающего пространства? Какова физическая природа экранирующего эффекта внешнего проводника коаксиальной пары? Чем объясняется перспективность применения оптоволоконного кабеля в линиях передачи данных информационных сетей? В чем отличия многомодового волокна от одномодового? Как зависит затухание сигнала в кабеле “витая пара” от частоты? Чем следует руководствоваться при проектировании узлов усилителей мощности (регенерации сигнала) для различных физических сред передачи? ТЕМА 6. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ Ethernet - самая распространенная на сегодня технология локальных сетей. Она описана стандартами Ethernet DIX (совместная разработка компаний Digital, Intel, Xerox 1980 г.) и стандартами IEEE 802.3. В частности, стандарты IEEE посвящены Ethernet 10 Мбит/с, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Ethernet. Последний принят в 2002 г. В зависимости от типа физической среды передачи сигналов стандарт 802.3 выделяет различные спецификации: 10Base - 5, 10Base - 2, 10Base - Т, и 10Base - F. Число 10 в этих названиях означает номинальную скорость передачи данных - 10 Мбит/с, слово "Base" - единую базовую частоту передачи 10 МГц, последний символ указывает на тип кабеля. Так, цифра 5 означает коаксиал диаметром 0,5 дюйма; цифра 2 - тоже коаксиал, но диаметром 0,25 дюйма; Т - неэкранированная витая пара различных категорий; F - оптоволоконный кабель. Для каждой спецификации стандартом определены не только типы кабелей, но и максимальные длины непрерывных сегментов кабелей, правила соединения сегментов в общую сеть для достижения максимальной протяженности, методы кодирования сигналов, способы согласования физического и канального уровней и т.д. Для всех технологий являются общими метод доступа, форматы передаваемых пакетов (кадров), временные интервалы между ними и некоторые другие параметры. Между собою технологии 10Base отличаются способами подключений к сетевому кабелю и правилами соединения сегментов в сеть. Так, в 10Base - 5 и 10Base - 2 подсоединить узел к сети можно с помощью игольчатого трансивера, а при объединении сегментов с использованием повторителей (при этом сохраняется единая среда доступа для всех узлов сети, она образует один домен коллизий) следует соблюдать правило 5 - 4 - 3. Это правило получило такое название по ограничениям стандарта: в сети используется не более 5 сегментов 10Base и, значит, не более 4 повторителей; при этом узлы сети могут быть подключены лишь к 3 сегментам. Получается, что ненагруженные сегменты между парами нагруженных узлами сети сегментов служат лишь для увеличения протяженности сети как удлинители. В технологиях 10Base - Т и 10Base - F узлы подсоединяются кабелями к концентраторам (хабам), которые и образуют единую среду передачи сигналов - логическую общую шину, так как повторяют сигналы, пришедшие в один из портов, на всех остальных своих портах. Число подключенных узлов не превышает числа портов концентратора, а удалены узлы от концентратора не более, чем на 100 м в 10Base - Т (это определяется полосой пропускания витой пары) и до 2000 м в 10Base - F. Сами концентраторы могут соединяться как с помощью витой пары, так и оптоволоконным кабелем с учетом допустимых расстояний и правила стандарта 802.3 - между любой парой узлов не может размещаться более 4 хабов. На рис. 6.1. показан вариант сети, позволяющий достичь максимального числа узлов при соблюдении ограничений стандарта.  Концентратор 10Base - F Концентратор Концентратор Концентратор    10Base - F Концентратор  10Base - T 10Base - F Концентратор Концентратор Концентратор    Узлы сети 10Base - T Рис. 6.1. Иерархическая структура логической шины Технология Fast Ethernet была стандартизована в 1995 г. как узаконенная унификация использования различных физических сред при 10-кратном увеличении скорости передачи. Это спецификации 100Base - TХ, 100Base - FX и 100Base - T4. В том числе: ТХ - для кабеля из двух витых пар категории 5, FX - для кабеля из двух многомодовых оптоволокон, Т4 - для кабеля из 4 витых пар категорий 3, 4, 5. Цена столь серьезного повышения скорости - ряд аппаратных и протокольных усложнений на физическом уровне (к счастью, они оказались довольно простыми). Это - введение специального независимого от физической среды интерфейса, применение специальных повторителей, изменение методов кодирования сигналов для передачи по сети. Так, в 100Base - TХ / FX принят метод кодирования 4В/5В, а в 100Вase - T4 - 8В/6Т. Если в TX/FX параллельные линии предназначены для осуществления дуплекса, то в Т4 - 8 двоичных цифр заменяются 6-ю троичными, и каждая такая группа направляется циклически в одну из трех передающих пар независимо (четвертая пара предназначена для прослушивания занятости линии с целью обнаружения конфликта). При этом скорость передачи по каждой витой паре составляет лишь 33,3 Мбит/с. Это и позволяет использовать витую пару низкой категории 3. Стандарт для нескольких физических сред позволяет комбинировать типы сегментов в одной сети. Специальные повторители класса II поддерживают один метод кодирования: либо 4В/5В, либо 8В/6Т, а специальные повторители класса I - оба. Поэтому в одной сети допустима, например, композиция нескольких сегментов на витой паре с максимальной длиной сегмента до 100 м и одного сегмента на оптоволокне с максимальной длиной до 160 м при общей протяженности сети не более 260 м. Для композиции нескольких сегментов витой пары и нескольких сегментов на оптоволокне соответствующие длины - 100, 136 и 272 м. Вскоре после освоения Fast Ethernet стали проявляться существенные ограничения: серверы, подключенные по каналу 100Base, перегружали магистрали сетей, работающие на скорости 100 Мбит/с. Появилась необходимость в следующем уровне иерархии скоростей. И в 1998 г. был принят стандарт 802.3z для экранированной витой пары и оптического волокна, а также 802.3ab для витой пары неэкранированной категории 5 под названием Gigabit Ethernet. Этот стандарт обеспечил очередное 10-кратное увеличение скорости передачи, поэтому его спецификации обозначаются как 1000Base. Естественно, возникшие новые проблемы потребовали новых инженерных решений. Так, для передачи по многомодовому оптоволокну предложено использовать излучатели двух длин волн: 850 нм (коротковолновый, тогда в наименовании технологии 1000Base - F пишется в конце буква S: 1000Base - FS) и 1300 нм (длинноволновый и, соответственно, 1000Base - FL). Для экранированной медной витой пары предназначена технология 1000Base - С. Сложнее всего было решить задачу передачи на такой большой скорости по неэкранированной витой паре, пусть даже самой высокой категории 5. Выход был найден за счет применения для кодирования данных кода РАМ 5, пятеричные цифры которого принимают значения -2; -1; 0; +1; +2. Это усложняет аппаратуру, но позволяет за один такт по одной паре передать log25 = 2,32 бита информации. А поскольку код РАМ 5 имеет спектр уже, чем 100 Мгц при тактовой частоте 125 МГц, то по одной паре категории 5 можно без искажений передать 250 Мбит/с (125×2,32 = 290 >250). Дальше уже легче: для передачи данных со скоростью 1000 Мбит/с следует осуществлять параллельную передачу по 4 витым парам одновременно, что и было реализовано, а стандарт определяет кабель с 4 неэкранированными парами категории 5. В каждом такте передается не 2,32×4 = 9,28 бит информации, а только 8 бит. Избыточные комбинации принятого метода кодирования (а их 54 - 28 = 369) используются для контроля принимаемой информации в случае появления запрещенных избыточных комбинаций и для служебных целей. Последние считаются разрешенными. Все это подробно изложено в стандарте 802.3ab. Для наглядного представления и сравнительного анализа характеристик и спецификаций стандарта 802.3 они сведены в табл. 6.1.   Считаем необходимым еще раз обратить внимание на то, что каждое 10-кратное повышение скорости передачи по сети с сохранением метода доступа и основных характеристик кадра требовало усовершенствования аппаратуры (например, переход на повторители I и II классов) и некоторых изменений в протоколах транспортного уровня, связанных как с согласованием сигналов, так и с изменением метода кодирования сообщений перед преобразованием в сигналы для кабеля. Технологии Fast и Gigabit поддерживают полудуплексный и полнодуплексный режимы. Поэтому число линий связи (пар, оптоволокон) в кабелях возросло. По табл. 6.1 легко проследить, как боролись разработчики Ethernet за повышение эффективности сети шинной топологии со случайным доступом. Но от основного недостатка - снижения эффективности с ростом нагрузки окончательно избавиться так и не удалось. Альтернативой применению метода случайного доступа с самого начала была разработка компании IBM 1970 г. Token Ring, а на ее основе - стандарт комитета IEEE 802.5 1985 г. В самой IBM сеть маркерного кольца до сих пор является самой популярной для локальных сетей. Как уже отмечалось ранее, кольцевая топология с маркером относится к сетям с детерминированным доступом. Предельное время ожидания маркера для осуществления передачи не превышает произведения времени удержания маркера узлом на число узлов в кольце. Само же время удержания маркера передающим узлом настраивается при инициализации сети и обычно по умолчанию равно 10 мс. Сети стандарта 802.5 работают на скорости 4 Мбит/с, но предусмотрена возможность переключения скорости на 16 Мбит/с. Такой рост обеспечивается введением специального алгоритма раннего освобождения маркера. Одна физическая сеть может работать только на одной скорости. Если в сети Token Ring 4 Мбит/с передающий узел пересылает маркер дальше по кольцу только после получения своего же сообщения с квитанцией получателя, то в сети Token Ring 16 Мбит/с передающий узел отправляет маркер вслед за своим сообщением. Это позволяет повысить эффективность использования сети до 80 %. Стандарт Token Ring предусматривает организацию связей в сети как с помощью непосредственного соединения узлов друг с другом через повторители, так и образованием кольца с помощью концентраторов. Последние могут быть активными и пассивными, но для соединения концентраторов в общее кольцо используются специальные порты Ring-In и Ring-Out так, как показано на рис. 6.2. Пассивные концентраторы обеспечивают только подсоединение своих портов к кольцу, активные - еще выполняют функцию повторителя, чем поддерживаются синхронизация сигналов и регенерация их параметров. Естественно, что активные концентраторы обслуживают узлы на больших удалениях, чем пассивные.  Узел сети  А In Out In Out ктивный Пассивный к    онцен- концен-т    ратор тратор  Повторитель   Узел сетиРис. 6.2. Схема сети Token Ring Узлы подсоединяются к концентраторам с помощью ответвительного кабеля, обычно экранированной витой пары. Длина ответвительного кабеля зависит как от скорости передачи, так и от типа концентратора подсоединения. Максимальные длины (в метрах) приведены в табл. 6.2. Существуют повторители и концентраторы Token Ring, поддерживающие неэкранированную витую пару и оптоволокно. Таблица 6.2 Максимальные длины ответвительных кабелей, м
Для магистральных кабелей, образующих собственно кольцо, применяются неэкранированные витые пары высоких категорий или оптоволокно. Общая длина кольца может достигать 4000 м, а число узлов - 250. Существует еще ряд технологий локальных сетей, комбинирующих организацию и доступ Ethernet и Token Ring. Так, в технологии ARCNet сочетаются шинная топология и маркерный метод доступа; в FDDI применено резервирование кольцевой топологии: в случае обрыва сети концы участка с местом обрыва переключаются на резервное внешнее кольцо, образуя единое кольцо большей длины; в 100VG - AnyLAN (эта альтернатива Fast Ethernet разработки фирм АТ&Т и НР) определен новый метод приоритетного доступа и введен избыточный код 5В/6В для кодирования ради поддержки кадров и формата Ethernet, и формата Token Ring (поэтому и "любая сеть" в названии). Вопросы для самопроверки: В чем сходства и различия технологий Ethernet 10Base и 100Base? Каково назначение двух витых пар в 100Base - ТХ, двух оптоволокон в 100Base - FХ и четырех витых пар в 100Base - Т4? Для чего применяется избыточное кодирование и в каком случае избыточность больше: при кодировании 4В/5В или 8В/10В? Сравните методы кодирования 4В/5В и 8В/6Т для использования потенциального кода передачи сигналов. Какой из них предпочтительней? Как обеспечивается скорость Gigabit по кабелю из неэкранированных витых пар? В чем состоит алгоритм ускорения передач в маркерном кольце Token Ring? Сравните достижимые границы эффективности сетей Ethernet и Token Ring. Когда и какая из них выше? К чему приведет соединение концентраторов In - Out - Out - In? ЧАСТЬ II. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕМА 7. ОСНОВЫ ТЕЛЕФОНИИ Основное назначение телефонии - передача звукового сигнала в виде человеческой речи, музыки, шумов на расстояние. При этом должен быть охвачен весь диапазон аналоговых сигналов, воспринимаемых человеческим ухом. При общении людей в пределах слышимости звуковые колебания, сгенерированные голосовыми связками, передаются через воздух и достигают уха слушателей. Передача осуществляется механически и представляет собой области повышенного и пониженного давления, которые распространяются в трехмерном пространстве как круги на воде от брошенного камня. По мере удаления от источника звук теряет силу, становится тише. Это происходит из-за того, что его энергия, первоначально сконцентрированная в одной точке, распределяется на все большую площадь сферы возрастающего радиуса при удалении от источника. Другая причина затухания звука – неупругий характер соударений молекул воздуха друг с другом. Все вместе заметно ограничивает расстояние, на которое разборчивая речь может быть передана по воздуху. Для увеличения этого расстояния достаточно, казалось бы, усилить звук, но и в этом случае далее 1000 м никто ничего не услышит, даже если применить рупор (Объяснение физической основы работы рупора – несложное упражнение для читателя). Значит, передача звука на большие расстояния требует иного механизма, нежели распространение по воздуху. Такой механизм появился после патентования телефонного аппарата в 1876 г. Наличие в нем микрофона, преобразующего механические колебания воздуха в колебания электрического тока, позволяет передать такой сигнал по медным проводам. А для компенсации потерь, которые есть всегда и везде, сигнал можно периодически усиливать. Теперь расстояние можно измерять не сотнями метров, а сотнями и тысячами километров. На другом конце такой линии находится обратный преобразователь электрических колебаний в механические – телефон. Результат его работы – механические колебания воздуха - воспринимаются ухом и интерпретируются мозгом как звук. Таким образом, телефонный аппарат играет роль конвертора, необходимого для преобразования механической энергии в электрическую и обратно. Пока сигнал пребывает в электрической форме, его можно передать на большое расстояние. Соединив линиями два или более телефонных аппарата между собой, мы построим простую телефонную сеть. Но кто сможет оценить количество линий, потребное для такой сети, соединяющей каждого с каждым? Пока количество телефонных аппаратов невелико (например, для деревни в 4 двора), число проводов может оказаться приемлемым. Но когда телефон перестал быть дорогой редкостью, такой подход стал неэкономичным. Сегодня телефонная индустрия использует коммутируемую сеть, в которой каждый телефонный аппарат (абонент – владелец этого аппарата) своею линией связи соединен с централизованным коммутатором (центральной телефонной станцией, АТС). Этот коммутатор обеспечивает связь на время соединения двух абонентов. Как только разговор завершается, передача сигнала прекращается, связь разрывается. Работа коммутируемой сети предполагает, что все абоненты одновременно разговаривать не будут. Это позволяет пользоваться одним оборудованием (коммутатором, линиями связи между АТС) совместно, что приводит к снижению затрат на реализацию, эксплуатацию и пользование сетью. Структура коммутируемой сети выглядит так (рис.7.1): | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||