Дополнение по сетям

Передающая среда

Передающая среда— это то понятие, на котором основывается весь процесс передачи данных, и обойти этот пункт вниманием просто невозможно:-). Ведь процесс передачи данных заключается в пространственном перемещении энергии, несущей полезный сигнал. К примеру, когда вы говорите с кем-то, то передаете энергию от голосовых связок частицам воздуха, и эта энергия распространяется от одного слоя воздуха к другому в виде волны, пока не достигает барабанной перепонки уха собеседника. Там она превращается в колебания, которые распознаются человеческим мозгом как звуки и слова. В рассмотренном примере передающей средой выступал газ, а энергией— кинетическая энергия движения его частиц. Подобным же образом действуют и интересующие нас системы передачи данных, только используют они электромагнитные волны, а распознаются полученные сигналы электронными устройствами.

Итак, медный кабель. Медь была избрана для передачи данных как металл с оптимальным соотношением сопротивления и стоимости применения. Тут стоит пояснить, почему так важен показатель сопротивления. Из школы нам известно, что при прохождении тока через проводник часть электрической энергии превращается в тепловую. Чем большее сопротивление имеет металл, тем больше тепла выделяется и тем быстрее затухает сигнал, который мы передаем. То есть наш полезный сигнал может весь превратиться в тепло, согревающее окружающее пространство, но никак не способствовать получению информации. На пассивном уровне противостоять переходу электрических сигналов в тепло можно лишь избирая в качестве передающей среды металл с как можно меньшим сопротивлением. По этому показателю нам лучше всего подойдет серебро или золото. Но лишь представьте себе сотни тысяч километров золотых кабелей, и вы поймете, почему так важен фактор цены:-). Именно исходя из этих соображений, в качестве среды передачи и была выбрана медь.

Сейчас распространено две разновидности медных кабелей:

коаксиальный и витая пара. Их целевое использование предопределило необходимость минимизации возникающих в них помех. Чтобы понять механизм возникновения помех, давайте представим два параллельных провода, близко расположенных друг к другу. Если в одном из них начнет проходить высокочастотный электрический сигнал, то он будет излучать электромагнитные волны, которые индуцируют во втором проводнике электрический ток. Если второй проводник используется для передачи информации, то она может быть при этом существенно искажена. Поэтому так много усилий было приложено конструкторами для преодоления этого негативного эффекта.

Коаксиальный кабель

(от латинского co— «совместно» и axis— «ось») представляет собой центральный провод, находящийся в толстой и равномерной изоляционной оболочке. Вокруг изоляции кабеля располагается сплошной цилиндрический экран, который представляет собой плетеную оболочку или фольгу, либо их комбинацию. Этот экран используется как второй контакт. Сверху кабель покрывается еще одним слоем изоляции. Такая конструкция позволяет минимизировать распространение электромагнитного излучения от кабеля извне, а также уменьшить наводки на сам провод.

Существует несколько разновидностей коаксиала. Во-первых, это, так называемый, «толстый» кабель

RG-8

или

RG-11

(RG— сокращение Radio Grade, т.е волновод), на базе которого на заре развития локальных сетей создавались сети Ethernet. Но на сегодняшний день его почти вытеснила другая разновидность — «тонкий» коаксиальный кабель

RG-58

, который дешевле, а сети на его основе ничуть не уступают по производительности вышеупомянутым «толстым» собратьям.

Витая пара

(

twisted pair

) представляет собой два медных провода в изоляции, скрученных между собой. Этим достигается уменьшение электромагнитного излучения, так как электромагнитные поля, возникающие вокруг каждого из проводников, индуцируют одинаковые по амплитуде сигналы, находящиеся в противофазе. Таким образом, в идеальном варианте излучение пары равно нулю.

Обычно в кабеле, используемом для передачи данных в сети, объединяется несколько витых пар. Так, в кабеле UTP (Unshielded Twisted Pair— незащищенная витая пара) пятой категории, который является одним из наиболее широко используемых при прокладке сетей, их четыре. Для исключения взаимных наводок соседних пар их скручивают с различным шагом.

Кабель «витая пара» может быть как

экранированным

(

ScTP

— Screened Twisted Pair), так и

неэкранированным

(

UTP

—

Unscreened Twisted Pair). Именно последние чаще всего и используются в сетях. Но если кабелю предстоит проходить неподалеку от сильных источников электромагнитного излучения (электродвигатель, кондиционер, мощное передающее оборудование) или параллельно с кабелем питания, то имеет смысл воспользоваться экранированным кабелем, например фольгированным

FTP

(Foiled Twisted Pair). Еще более радикальным и дорогим решением является использование кабелей с индивидуальным экранированием каждой витой пары —

STP

(Shielded Twisted Pair).

Оптоволоконный кабель

представляет собой тонкое стеклянное волокно, покрытое слоем с меньшим коэффициентом преломления и заключенное в пластмассовую оболочку. Свет, попадая в один из концов оптоволоконного кабеля, практически беспрепятственно проходит через весь кабель, отражаясь от границы раздела сред с разными коэффициентами преломления. При этом происходит так называемое полное внутреннее отражение луча. Лучше всего меня поймет тот, кто хоть раз, плавая в водоеме, наблюдал, каким получается отражение от поверхности, если смотреть на нее из-под воды под маленьким углом.

Обычно оптоволоконный кабель состоит из нескольких волокон, расположенных по кругу или в одной плоскости. В одной из возможных схем отдельные оптические волокна расположены симметрично по кругу, в центре кабеля проходит стальной или кевларовый трос. Снаружи кабель защищен стальной оплеткой и эластическим покрытием, а внутренняя полость заполняется гидрофобным гелем.

Различают два вида оптоволокна:

одномодовое

многомодовое

. Одномодовое волокно от многомодового конструктивно отличается лишь намного меньшим диаметром. Это позволяет уменьшить так называемую модовую дисперсию и соответственно увеличить пропускную способность и расстояние передачи. Однако одномодовое оптоволокно гораздо дороже и менее удобно при прокладке (только представьте себе, насколько трудно совместить ось одномодового волокна толщиной 8–9микрометров с осью приемника или передатчика).

Кроме модовой дисперсии, ограничения на оптоволокно накладываются

материальной дисперсией

, вызванной разным углом отражения света различных длин волн. Так, длинноволновые красные лучи отклоняются меньше, чем коротковолновые синие. Применяемые же для передачи данных по оптоволокну источники света не способны излучать свет конкретной длины, а лишь выдают определенный диапазон волн. Даже полупроводниковый лазер излучает свет в интервале длин волн в несколько нанометров, более же дешевые светодиоды и вовсе имеют полосу шириной в 30–40 нм.

Еще одним негативным фактором оптоволокна является неидеальная поверхность волокна и загрязнение его различными примесями, что соответственно приводит к искажению световых импульсов и поглощению света.

Оптоволокно имеет ряд преимуществ перед обычным медным кабелем: оно не восприимчиво к электромагнитным помехам и само не является их источником. Теоретически подсчитано, что пропускная способность оптоволокна может достигать 100 Тбит/сек, а это делает данную технологию весьма перспективной.

Но, к сожалению, такой тип кабеля не лишен и ряда недостатков. Первым из них является его дороговизна, которая отобьет желание у любого пользователя «тянуть оптоволокно» для домашней сети. Далее следует отметить, что немало хлопот вас ждет в процессе прокладки и эксплуатации. Концы оптоволокна во время установки необходимо отполировать при помощи специального оборудования. Если же достаточно хрупкие оптоволоконные кабели будут сломаны в результате изгиба, то место поломки будет определить чрезвычайно трудно, а устранять ее придется опять-таки с помощью специального оборудования. Небольшой комплект последнего стоит порядка одного-двух новых компьютеров.

Учитывая все преимущества и недостатки оптоволокна, можно сказать, что такой тип кабеля является идеальным вариантом для соединения двух локальных сетей, находящихся в разных зданиях. Рекомендуется он для решений, требующих повышенной информационной безопасности и конфиденциальности, так как сделать «отвод» от оптоволокна практически невозможно. Применяется оно и в некоторых сетевых технологиях, требующих высокой скорости передачи данных. К примеру, в 10 Gigabit Ethernet без оптоволокна уже просто не обойтись.

По радио

В наше время все большее значение приобретают системы

беспроводной радиосвязи

. Согласно концепции «беспроводного будущего», в скором времени они захватят значительную долю рынка коммуникаций, отобрав ее у решений на базе проводников. По оценкам аналитиков, на 2003год оборот рынка беспроводных сетей составит около $2 млрд.

Так давайте разберемся, чем же так привлекает человечество радиоволна в качестве носителя цифровой информации. Первая и, наверно, главная причина — это мобильность. Та самая настоящая мобильность, которая наконец дала человеку возможность оторваться от кабеля и жить самостоятельной информационной жизнью. И уже на втором месте находятся другие преимущества. Такие как гибкость и быстрое развертывание систем, построенных на основе радиосвязи. А также организация связи в ранее недоступных для этого местах, таких как малозаселенная местность, океан, космос. В некоторых случаях добавляется еще и такой фактор, как дешевизна, тоже связанный с мобильностью. Ведь зачастую куда дешевле наладить радиосвязь между двумя домами, чем прокладывать весьма дорогостоящий кабель. А в условиях города радиосвязь часто просто незаменима.

Но у радиометода существует и ряд существенных недостатков. Первым из них является очень маленькая скорость, особенно в сравнении с высокоскоростными кабельными соединениями. Конечно же, эта проблема легко решается увеличением используемой полосы частот, но тут проявляется еще один недостаток — чрезвычайно высокая конкуренция за радиочастоты со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Существует множество вариантов, которые позволяют в полной мере насладиться всеми преимуществами беспроводного обмена данными. Пожалуй, самым экзотическим из них является использование маломощных радиопередатчиков для обмена данными между устройствами, находящимися в одном системном блоке. На таких небольших расстояниях и при широкополосной передаче достигается большая скорость, достаточная для большинства компонентов современного компьютера. А вот зачем это необходимо нам, видимо, объяснят попозже :-). Также радиосвязь можно использовать на немного большие расстояния, такие, например, как от вашего системного блока до принтера, клавиатуры, мыши или мобильного телефона, что куда более актуально.

Но, пожалуй, наибольший интерес, сообразно теме статьи, представляют локальные сети, построенные на основе радиотехнологий (того же RadioEthernet, к примеру). В таких сетях уже используются более мощные передатчики, работающие в основном на частотах, свободных от лицензирования. При этом они также обеспечивают вполне приличную скорость, исчисляемую десятками мегабит в секунду.

Также радиосвязь служит для обеспечения дальней связи, начиная от нескольких тысяч метров и кончая десятками километров. Но и этот вариант сейчас скорее экзотика и применяется чаще всего для систем типа точка-точка или точка-многоточка. Это технологии, которые работают на максимальном расстоянии без использования ретрансляторов.

Так как наша планета, грубо говоря, круглая, а радиоволны коротковолнового диапазона не обладают способностью огибать поверхность, то существует предел, которым определяется максимальное расстояние для радиосвязи. Для того чтобы обойти это ограничение, можно использовать ретрансляторные вышки или более высокотехнологичное достижение науки —

ретрансляционные спутники

. Наиболее удобными для этих целей являются спутники с геостационарной орбитой, то есть неподвижно висящие над одной точкой земной поверхности. Для этого они должны по законам физики находиться на расстоянии 35785 км от Земли, откуда открывается чудесный вид :-) и большие возможности по увеличению площади приема сигнала. Сигнал, посланный с Земли, принимается ретранслятором спутника, усиливается и отправляется назад под другим углом.

Но существует одна проблема — количество геостационарных спутников ограничено, ведь чтобы не создавать взаимных помех они должны находиться на определенном расстоянии друг от друга (это обычно угловое расстояние в 4–8 градусов). Поэтому в системах радиосвязи также широко используются

низкоорбитальные спутники

. Такой спутник облетает Землю приблизительно за 1.5часа, и естественно, ни о какой постоянной передаче данных с помощью одного такого спутника и речи быть не может.

Для обеспечения постоянной связи используются целые комплексы низкоорбитальных спутников, которые имеют довольно сложную систему пространственной навигации и взаимодействия. В таких системах данные передаются через тот спутник, который в данный момент находится в наиболее подходящем положении, затем очередь переходит к следующему и т.д. Если же необходимо передать информацию, к примеру, на другую сторону Земли, то происходит обмен данными между спутниками. Тогда сеть спутников начинает напоминать Интернет :-), где существует своя система адресации и маршрутизации.

Для охвата всей земной поверхности сетью низкоорбитальных спутников их понадобиться от тридцати до семидесяти штук (в зависимости от высоты), и тогда над каждой точкой земного шара будет постоянно «виден» хотя бы один из них. Удовольствие, конечно, не из дешевых, и именно поэтому спутниковая связь все еще остается такой дорогой. И это несмотря на большое количество ретрансляторов, находящихся на каждом из спутников, и разделяемость ресурсов каждого из ретрансляторов (сейчас любой спутников может одновременно вести несколько тысяч сеансов связи).

Существуют другие, более дешевые способы расширения зоны покрытия. К примеру, использование

микроволнового излучения

, знакомого нам по сотовой связи и по ретрансляционным вышкам, возвышающимся вдоль дорог и в городах. Именно его иногда применяют для передачи данных, хотя системы, созданные на его основе, довольно редкое явление. Более известной любому из нас является передача цифровых данных с использованием

систем сотовой телефонной связи

. В последнее время данная услуга все чаще стоит в отдельной графе телефонных счетов.

Недостатком решений на микроволнах является обязательное условие прямой видимости и необходимость установки множества вышек с весьма дорогим оборудованием.

В процессе борьбы за частотный диапазон появилось еще несколько эффективных решений. Одно из них— использование для передачи информации

инфракрасного излучения

(наподобие того, как устроены пульты дистанционного управления телевизора). Чаще всего такой подход применяется для создания сети между компьютерами в одной комнате, или обмена данными компьютера с беспроводными устройствами (например, клавиатурой или мышью). При этом должно соблюдаться условие строгой взаимной ориентации приемника и передатчика.

Второе решение —

использование лазера

. И если раньше лазер у нас упоминался в связи с необходимостью передачи данных через оптоволокно, то сегодня он применяется для передачи данных через открытое пространство. Стоит ли говорить, что взаимное положение приемника и передатчика должно быть весьма строгим. Но результат кропотливой установки и настройки вполне оправдывается скоростью передачи в сотни мегабит в секунду при максимуме расстояния порядка трех километров. Правда, если данная технология применяется на улице, то достаточно пойти небольшому дождику, и вы сможете оценить все недостатки такого решения, а именно — полную неработоспособность системы в плохих погодных условиях.

Содержание раздела