Общие основные характеристики линий связи локальных вычислительных сетей

Основные сведения

При построении сетей применяются линии связи, в которых используются различные физические среды: подвешенные в воздухе телефонные и телеграфные провода, проложенные под землей и по дну океана медные коаксиальные и волоконно-оптические кабели, опутывающие все современные офисы медные витые пары, всё проникающие радиоволны.

В данной лабораторной работе рассматриваются как общие характеристики линий связи, не зависящие от их физической природы, такие как полоса пропускания, пропускная способность, помехоустойчивость и достоверность передачи, так особенности присущие конкретной физической среде.

Ширина полосы пропускания является фундаментальной характеристикой канала связи, так как определяет максимально возможную информационную скорость канала, которая называется пропускной способностью канала. Формула Найквиста выражает эту зависимость для идеального канала, а формула Шеннона учитывает наличие в реальном канале шума.

В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.

Общие основные характеристики линий связи локальных вычислительных сетей.

Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами.

Информация в локальных сетях чаще всего передается в последовательном коде, то есть бит за битом. Такая передача медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода. Однако надо учитывать то, что при более быстрой параллельной передаче (по нескольким линиям/кабелям одновременно) увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде). При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость кабеля вполне сравнима со стоимостью компьютеров и даже может превосходить ее.

Передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры, так как при этом необходимо формировать мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал на приемном конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной же количество требуемых передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода.

К тому же при параллельной передаче чрезвычайно важно, чтобы длины отдельных кабелей были точно равны друг другу. Иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. Например, при скорости передачи 100 Мбит/с и длительности бита 10нс (10*10^-9сек) этот временной сдвиг не должен превышать 5—10 нс. Такую величину сдвига дает разница в длинах кабелей в 1—2 метра. При длине кабеля 1000 метров это составляет 0,1—0,2%.

Надо отметить, что в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2—4 линиям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания. Но допустимая длина кабелей при этом не превышает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 (кабель витая пара UTP 4cat.) или 1000Base-T (кабель витая пара UTP 5cat.) стандарт Ethernet.

В связи с этим, даже если разрабатывается сеть незначительной длины (порядка десятка метров) чаще всего выбирают последовательную передачу.

Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.

Электромагнитные характеристики линий и каналов связи определены международными европейскими стандартами.

В настоящее время действует следующие стандарты на кабели:

· EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) – американский;

· ISO/IEC IS 11801 (Generic cabling for customer premises) – международный;

· CENELEC EN 50173 (Generic cabling systems) – европейский.

Эти стандарты описывают практически одинаковые кабельные системы, но отличаются терминологией и нормами на параметры. В данной работе предлагается придерживаться терминологии стандарта EIA/TIA 568 и ISO/IEC IS 11801.

Характеристики линий и каналов связи зависят от конструктивных особенностей, качества применяемых материалов, технологии изготовления, воздействия внешних факторов, частоты, скорости и минимальной длительности передаваемых сигналов. По ширине полосы пропускаемых частот каналы и линии подразделяются на классы:

• класс А — 0,1 МГц;

• класс В — 1,0 МГц;

• класс С - 16,0 МГц;

• класс D- 100,0 МГц;

• класс Е - 250,0 МГц;

• класс F - 600,0 МГц.

Весь тракт физической среды от источника сигналов до приемника, состоит из активного оборудования и пассивного. К активному оборудованию относятся: концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, медиаконверторы, сервера, рабочие станции. Пассивное оборудование состоит из следующих компонентов: кабели, коннекторы, вилки, гнезда, коммутационные Patch’s панели, телекоммуникационные шкафы, кабель каналы, короба и пр. Полностью смонтированная система, состоящая из пассивного оборудования, и выполненная по определенным правилам и стандартам называется «Структурированная Кабельная Система» - СКС.

Непосредственно компоненты, из которых создается СКС (кабели, коннекторы, вилки, гнезда и т. п.) классифицируются в выше указанных международных стандартах ISO/IEC и TIA/EIA-568 по категориям. Критерием отнесения компонента к категории является также ширина полосы пропускаемых им частот:

· категория 1 0,1МГц;

· категория 2 1,0 МГц;

· категория 3 16 МГц;

· категория 4 20 МГц;

· категория 5 100 МГц;

· категория 6 250 МГц;

· категория 7 600 МГц

Категории 1, 2 стандартом ISO/IEC 11801 не рассматриваются.

Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:

1. Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах или в полосе частот, охватывающих несколько основных гармоник передаваемого сигнала. Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 log10 Р_out /Р_in, (3.1.)

где Р_out - мощность сигнала на выходе линии, Р_in - мощность сигнала на входе линии.

Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной. Например, кабель витой пары категории 5 характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м

2. Амплитудно-частотная характеристика (рис. 3.1.) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике используют такой параметр сигнала, как затухание (см. формулу 3.1.). Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники. С ростом частоты сигнала растет затухание сигнала. Надо выбирать кабель, который на заданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание. Или же надо выбирать частоту сигнала, на которой затухание еще приемлемо.

3. Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю.

4. Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной характеристики. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.

Рис 3.1. Амплитудно-частотная характеристика и полоса пропускания линии (канала) связи

.

.

5. Пропускная способность линии (throughput) характеризует максимально возможную скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии. Особенностью пропускной способности является то, что, с одной стороны, эта характеристика зависит от параметров физической среды, а с другой - определяется способом передачи данных. Следовательно, говорить о пропускной способности линии связи следует после того, когда определен протокол физического уровня.

Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно - байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера.

Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (то есть килобит - это 1000 бит, а мегабит - это 1 000000 бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням 2, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 2¹⁰ =1024, а «мега» - 2²⁰ = 1048576.

Пропускная способность линий тесно связана с полосой пропускания. Эту связь ещё в 1924г. установил американский ученый X. Найквист (Н. Nyquist) из компании AT&T на основании теоремы Котельникова о дискретизации сигналов.

Найквист доказал, что если сигнал имеет M - количество различимых состояний информационного параметра, F- полоса пропускания в герцах, то (пропускная способность линий)

C= 2*F*log₂M (3.2)

Формула X. Найквиста, применима для идеального канала (линии) связи.

В реальных каналах и линиях связи на пропускную способность влияют соотношение уровня полезного сигнала и уровня помех.

Связь между полосой пропускания линии, и ее пропускной способностью вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон:

C= F*log₂(l + P_c/P_ш) (3.3)

Здесь C — пропускная способность линии в битах в секунду. F - ширина полосы пропускания линии в герцах, P _c — мощность сигнала, P_ш — мощность шума.

6. Скорость распространения сигнала по кабелю или обратный параметр – задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр не связан с пропускной способностью линии (полосой пропускания), а отражает свойства среды передачи (медь, оптоволокно, радиоволны). В данном случае этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала – от 0,6 до 0,8 от скорости распространения света в вакууме. Соответственно типичные величины задержек – от 4 до 5 нс/м.

7. Для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля. Волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля. Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичные значения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом.