Среда передачи данных - линии (или каналы) связи, по которым компьютеры могут обмениваться информацией.
В случае если топология сети не является полносвязной, различные узлы вынуждены использовать для передачи своих данных одни и те же линии связи. На рис. узлы A и Б используют общий канал для передачи сообщений узлу В, т. е. среда передачи данных используется несколькими устройствами или узлами сети. В этом случае среда называется разделяемой.
Подключение компьютера к разделяемой среде осуществляется с помощью сетевого адаптера.
В зависимости от используемой среды передачи данных линии связи делятся на:
Проводные;
Кабельные;
Беспроводные.
Проводные линии связи строятся с использованием телефонных или телеграфных проводов. Такая среда обладает низкими показателями скорости передачи данных и помехозащищенности, поэтому при построении сети при наличии возможности предпочитают использовать кабель или радиодиапазон.
Тем не менее на сегодняшний момент существуют быстро развивающиеся технологии, позволяющие в качестве линий связи использовать электрические провода. Привлекательными такие технологии делает возможность использования уже проложенных проводов. По этим проводам осуществляется энергоснабжение домов, квартир, офисов, предприятий и т. д., а может параллельно осуществляться и информационный обмен.
Кабельные линии строятся на основе специальных кабелей, представляющих собой проводники, заключенные в несколько слоев изоляции.
Промышленностью выпускается большое число видов кабеля, но для построения компьютерных сетей применяется три основных типа:
Высокочастотные коаксиальные кабели с медной жилой;
Кабели на основе витых пар медных проводников;
Оптоволоконные (или волоконно-оптические) кабели. Для кабелей характерны следующие параметры:
Полоса пропускания - частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем;
Задержка распространения сигнала;
Помехозащищенность кабеля - степень защищенности кабеля от воздействия помех и наводок, возникающих как во внешней среде, так и на внутренних проводниках самого кабеля;
Затухание - степень потери мощности сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности на входе этой линии.
Волновое сопротивление (для электрических кабелей) - полное сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определенной частоты при распространении вдоль однородной цепи.
Коаксиальный кабель – этоцентральный медный проводник, заключенный в металлическую оплетку (экран) и отделенный от нее диэлектриком. Металлическая оплетка обычно покрывается внешней изолирующей оболочкой (рис. 1.). Она служит для передачи информации, а также защищает внутреннюю жилу кабеля от помех, вызываемых посторонними электромагнитными полями, т. е. экранирует ее.
Наиболее часто коаксиальный кабель применяется в сетях с топологией типа «общая шина»
Рис. 1. «Толстый» (а) и «тонкий» (б) коаксиальный кабель:
/ -центральный проводник; 2 - экранирующая оплетка; 3 - изолирующая
оболочка; 4 - диэлектрик
«Толстый» коаксиальный кабель (RG-8, RG-11) имеет
· волновое сопротивление 50 Ом,
· диаметр центрального медного провода 2,17 мм
· внешний диаметр порядка 10 мм.
«Тонкий» коаксиальный кабель (RG-58) имеет
· волновое сопротивление 50 Ом
· диаметр внутреннего проводника составляет 0,89 мм
· внешний диаметр порядка 5 мм.
Кабель на основе витых пар - это несколько пар, скрученных попарно медных изолированных проводников, заключенных в общую диэлектрическую оболочку.
Такой кабель может быть экранированным (STP) и неэкранированным (UTP). В экранированном кабеле каждая витая пара помещается в металлическую оплетку. Это способствует увеличению помехозащищенности линии связи, а также улучшению защиты от «прослушивания».
Кабель на неэкранированной витой паре в настоящее время являются основной средой передачи данных для неоптических технологий.
В зависимости от характеристик кабели на витых парах разделяются на пять категорий:
Кабели категории 3 (UTP 3) имеют полосу пропускания 16 МГц. Использовались как для передачи данных, так и для передачи голоса, поэтому в настоящее время кабельные системы многих зданий построены на кабеле третьей категории.
Кабели категории 4 (UTP 4) - улучшенный вариант кабеля категории 3, полоса пропускания 20 МГц, повышенная помехоустойчивость и низкие потери. На практике применялся редко, в основном там, где было необходимо увеличить длину сегмента сети.
Кабели категории 5 (UTP 5) специально разработаны для поддержки высокоскоростных технологий. Полоса пропускания кабеля категории 5-100 МГц. Кабель категории 5 в настоящее время заменил кабель категории 3, и все новые технологии локальных сетей ориентируются именно на него.
Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые выпускаются сравнительно недавно и имеют полосу пропускания 200 и 600 МГц соответственно. Кабели категории 7 обязательно экранируются; категории 6 могут быть как экранированными, так и нет. Они используются в высокоскоростных сетях на отрезках большей длины, чем кабели пятой категории. Эти кабели значительно дороже и по стоимости приближаются к волоконно-оптическим кабелям.
Оптоволоконный кабель состоит из одного или нескольких оптических волокон (световодов), сделанных из кварцевого стекла и заключенных в общую защитную оболочку.
- 
Рис. 2. Типы оптоволоконного кабеля:
а - многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления; б - многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления; в - одномодовое волокно; 1 - мода 1; 2 - мода 2; 3 - стеклянная оболочка; 4 - сердцевина
Каждый световод состоит из стеклянной сердцевины (центрального проводника) с высоким показателем преломления, и стеклянной оболочки, обладающей низким показателем преломления света. За счет этого лучи света распространяются по сердцевине, последовательно отражаясь от внутренней границы стеклянной оболочки.
В зависимости от характера распространения света оптоволоконный кабель делится на (рис. 2):
Одномодовоеволокно;
Многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления;
Многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления.
Мода луча - это угол отражения луча в сердцевине.
В одномодовых кабелях применяются сердцевины с очень малым диаметром - 8-9 мкм, что соизмеримо с длиной волны света, поэтому в таком кабеле возможно существование только одной моды.
На рынке распространен одномодовый кабель 9/125 мкм. В этом обозначении 9 мкм соответствует диаметру сердцевины оптоволокна, а 125 мкм - диаметру стеклянной оболочки.
Производство стеклянного волокна столь малого диаметра является сложным технологическим процессом, что делает одномодовый кабель весьма дорогим. Однако его характеристики, по сравнению с более дешевыми многомодовыми кабелями, существенно выше, что позволяет использовать его при передаче данных на большие расстояния.
В многомодовом оптоволокне используются более широкие сердечники, что делает их дешевле, нежели одномодовый кабель. Наиболее распространены многомодовые кабели 50/125 мкм и 62,5/125 мкм. В сердцевине такого диаметра свет может распространяться по различным путям, отражаясь под разными углами - существует более одной моды луча.
Множество мод приводит к дисперсии импульса передачи, интерференции лучей, что в итоге приводит к ухудшению характеристик кабеля. Поэтому многомодовые кабели используются в основном при передаче данных на небольшие расстояния (до 2000 м) на скоростях не более 1 Гбит/с.
При передаче по оптоволоконным кабелям в качестве источника света используются полупроводниковые лазеры или светодиоды. Длина волны излучаемого ими света обычно равна 850, 1300 или 1550 нм, что соответствует определенным «окнам прозрачности» самого волокна.
Каналы связи (КС) служат для передачи сигнала и являются общим звеном любой системы передачи информации.
По физической природе каналы связи подразделяются на механические, используемые для передачи материальных носителей информации, акустические , оптические и электрические , передающие соответственно звуковые, световые и электрические сигналы.
Электрические и оптические каналы связи в зависимости от способа передачи сигналов можно подразделить на проводные, использующие для передачи сигналов физические проводники (электрические провода, кабели, световоды), и беспроводные, использующие для передачи сигналов электромагнитные волны (радиоканалы, инфракрасные каналы).
По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые , по которым информация передается в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, и цифровые, передающие информацию, представленную в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов различной физической природы.
В зависимости от возможных направлений передачи информации каналы связи подразделяются на симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении; полудуплексные , обеспечивающие попеременную передачу информации как в прямом, так и в обратном направлениях; дуплексные , позволяющие вести передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях.
Каналы связи бывают коммутируемые , которые создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации, а по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется), и некоммутируемые (выделенные), создаваемые на длительное время и имеющие постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.
Широко используемые в автоматизированных системах обработки информации и управления электрические проводные каналы связи различаются по пропускной способности:
низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) каналы связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V.32 - V.34 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и от 14400 до 56 000 бит/с;
высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации свыше 56 000 бит/с.
Для передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС физической средой обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных проводов, называемых витая пара. Она представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения как перекрестных электромагнитных наводок, так и затухания сигнала при передаче на высоких частотах.
Для организации высокоскоростных (широкополосных) КС используются различные кабели:
Экранированные с витыми парами из медных проводов;
Неэкранированные с витыми парами из медных проводов;
Коаксиальные;
Оптоволоконные.
STP-кабели (экранированные с витыми парами из медных проводов) имеют хорошие технические характеристики, но неудобны в работе и дороги.
UTP-кабели (неэкранированные с витыми парами из медных проводов) довольно широко используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях.
Выделяют пять категорий витых пар: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с. Эти кабели обладают хорошими техническими характеристиками, сравнительно недороги, удобны в работе, не требуют заземления.
Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю довольно высокая (до 300 Мбит/с), но он недостаточно удобен в работе и имеет высокую стоимость.
Оптоволоконный кабель (рис. 8.2) состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрометров (свето-ведущая жила) с высоким показателем преломления п с, окруженных изоляцией с низким показателем преломления n 0 и помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку. На рис. 8.2, а показано распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля, а на рис. 8.2, б - схема распространения лучей. Источником излучения, распространяемого по оптоволоконному кабелю, является светодиод или полупроводниковый лазер, приемником излучения - фотодиод, который преобразует световые сигналы в электрические. Передача светового луча по волокну основана на принципе полного внутреннего отражения луча от стенок световедущей жилы, за счет чего обеспечивается минимальное затухание сигнала.
Рис. 8.2. Распространение лучей по оптоволоконному кабелю:
а - распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля;
б - схема распространения лучей
Кроме того, оптоволоконные кабели обеспечивают защиту передаваемой информации от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи до 1000 Мбит/с. Кодирование информации осуществляется с помощью аналоговой, цифровой или импульсной модуляции светового луча. Оптоволоконный кабель достаточно дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи, например, проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных участках, в частности, в Internet. По одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сотен тысяч телефонных, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов связи.
Высокоскоростные КС организуются на базе беспроводных радиоканалов.
Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Для формирования радиоканала используются радиопередатчик и радиоприемник. Скорости передачи данных по радиоканалу практически ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры. Радиоволновый диапазон определяется используемой для передачи данных частотной полосой электромагнитного спектра. В табл. 8.1 представлены диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы.
Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902 - 928 МГц и 2,40 - 2,48 ГГц.
Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и быстроту реакции.
Телефонные линии связи наиболее разветвлены и распространены. Они осуществляют передачу звуковых (тональных) и факсимильных сообщений. На базе телефонной линии связи построены информационно-справочные системы, системы электронной почты и вычислительных сетей. На базе телефонных линий могут быть созданы аналоговые и цифровые каналы передачи информации.
В аналоговых телефонных линиях телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц (диапазон 300 Гц -3,3 кГц). Передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.
В цифровых каналах связи аналоговый сигнал перед вводом дискретизируется - преобразуется в цифровую форму: каждые 125 мкс (частота дискретизации равна 8 кГц) текущее значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом.
Таблица 8.1
Диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы
Не следует путать линию связи и канал связи. Они очень похожи, но эти термины нельзя использовать как синонимы. Линию связи образует физическая среда, в которой происходит информационный обмен. Например, для речевого общения линией связи является окружающий воздух, потому что передачу звука обеспечивают упругие колебания воздушной массы. Соответственно, для телефонного общения линией связи является пара медных проводов, по которым передаются электрические сигналы.
Канал связи – понятие не только физическое, но и логическое. Он подразумевает не только наличие физической линии связи, но и наличие логической договорённости о её использовании (такие договорённости называются протоколами).
- Например, при голосовом общении действуют следующие соглашения:
- Говорить можно только по очереди
- Говорить можно только на языке, понятном всем собеседникам
- Говорить надо с достаточной громкостью, чтобы тебя слышали все собеседники
Говоря по очереди, мы разделяем такой общий ресурс линии связи, как время. Этот принцип многоканальной связи называется принципом разделения времени. Когда один собеседник высказался (исчерпал свой ресурс времени), наступает время говорить другому.
У линии связи могут быть и другие ресурсы, которые тоже можно разделять. Например, проводники обладают способностью передавать электромагнитные колебания разных (хотя и не любых) частот. Диапазон допустимых частот (от минимальных до максимальных) – это ресурс, который можно разделить. Такой принцип называется частотным разделением каналов. Он действует в теле- и радиовещании. Одна и та же антенна телевизионного приёмника принимает сигналы от нескольких передатчиков. Если те вещают на разных частотах (не слишком близких), мы можем переключаться между каналами и смотреть разные телепрограммы. Если бы два передатчика передавали сигнал на одной частоте (на близких частотах), мы получили бы только помехи.
Телефонная связь – одноканальная по конструкции. На отрезке линии от телефонного аппарата до телефонной станции ничего не сделано для разделения ресурсов линии связи, хотя далее (между телефонными станциями) работает более современное оборудование. Например, в одной волоконнооптической линии, связывающей телефонные станции разных городов, могут одновременно действовать десятки тысяч телефонных каналов.
При желании мы тоже можем организовать несколько информационных каналов на участке линии от своего телефонного аппарата до телефонной станции. Для этого достаточно подключить компьютер к Интернету. Данные в Интернете циркулируют порциями (пакетами) в режиме разделения времени. Разные пакеты имеют разных адресатов, так что мы можем держать связь одновременно с несколькими серверами. Чем больше каналов связи мы откроем, тем медленнее будет работать каждый из них, потому что пакетам придётся простаивать, пропуская друг друга по очереди через одну линию связи.
