 |
Лекция 3. Физический уровень модели OSI
|
|
|
|
Краткая аннотация лекции: приведено описание основных устройств и средств физического уровня модели OSI. Даны характеристики медных и оптоволоконных кабелей, беспроводных радиоканалов. Рассмотрены понятия физической и логической топологии.
Цель лекции: познакомиться с физической средой передачи сигналов.
Три нижних уровня модели OSI являются сетезависимыми, т.е. программные и аппаратные средства физического, канального и сетевого уровней зависят от сетевых технологий. Аппаратные средства физического уровня представлены медными и оптоволоконными кабелями, беспроводной средой передачи данных, разъемами, повторителями сигналов (repeater), многопортовыми повторителями или концентраторами (hub), преобразователями среды (transceiver), например, преобразователями электрических сигналов в оптические и наоборот. Отдельно следует отметить сетевые карты или адаптеры (Network Interface Card – NIC), функционирование которых охватывает как канальный, так и физический уровни. В модели TCP/IP канальный и физический уровни представлены объединенным уровнем Network Access.
В качестве среды передачи в компьютерных сетях используют коаксиальный кабель (coaxial cable), неэкранированную (UTP – unshielded twisted pair) или экранированную витую пару (STP –shielded twisted pair), оптоволоконный кабель (fiber optic), беспроводные радиоканалы. Для каждой среды и технологии передачи данных определен свой стандарт.
3.1. Медные кабели
Локальные сети, как правило, строятся на основе неэкранированной витой пары UTP. Экранированная витая пара (STP), по сравнению с неэкранированной, обеспечивает лучшую защиту передаваемого сигнала от помех. Однако UTP дешевле, поэтому применяется в наиболее популярных технологиях Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Такие кабели называют также симметричными в отличие от коаксиальных медных кабелей.
|
|
|
В кабеле UTP четыре пары свитых медных проводов. Для подключения кабеля к компьютерам или другим сетевым устройствам используется разъем (коннектор) RJ-45, имеющий 8 контактов.
Таблица 3.1
Ранее использовавшийся в локальных сетях Ethernet кабель UTP категории 3 в сетях Fast Ethernet заменен кабелем категории 5. В настоящее время кабель UTP категории 5 заменяется кабелем категории 5е, по которому передаются данные со скоростью выше 125 Мбит/с. Симметричные кабели UTP обеспечивают передачу сигналов на расстояние до 100 м.
Для подключения конечного узла (host), например компьютера, к повторителю или коммутатору (Рисунок3.1 а) используется прямой кабель (Straight-through Cable), схема подключения проводов которого к контактам разъемов RJ-45 приведена на Рисунок3.1 б. Первая пара проводов (контакты 1, 2) используется для передачи, вторая пара (контакты 3, 6) – для приема. Оставшиеся 2 пары не используются.
Прямой кабель используется для соединений:
1. Коммутатора с маршрутизатором
2. Коммутатора с компьютерами или серверами
3. Концентратора с компьютерами или серверами.
Рисунок 3.1. Прямой кабель
Для соединения коммутаторов (switch) или концентраторов (hub) между собой используется кроссовый кабель(Crossover Cable), схема которого приведена на Рисунок3.2.
Рисунок3.2. Кроссовый кабель
Кроссовый кабель использует 4 провода, причем, контакты 1 и 2 одного разъема RJ-45 соединяются с контактами 3 и 6 другого.
Кроссовый кабель используется для соединений:
1. Коммутатора с коммутатором
2. Коммутатора с концентратором
3. Концентратора с концентратором
4. Маршрутизатора с маршрутизатором
5. Маршрутизатора с компьютером
6. Компьютера с компьютером.
Для конфигурирования коммутатора или маршрутизатора их соединяют с последовательным СОМ-портом (RS-232) персонального компьютера. При этом используется консольный кабель, называемый также Rollover Cable (Рисунок3.3). Из Рисунок3.3 следует, что второй разъем кабеля имеет нумерацию контактов обратную первому. В отличие от прямого или кроссового кабелей, имеющих круглое сечение, консольный кабель – плоский, голубого или черногоцвета.
|
|
|
Рисунок3.3. Консольный кабель
Интерфейс коммутатора или маршрутизатора для связи с терминалом называется консольным портом. При необходимости могут использоваться переходные адаптеры от разъема RJ-45 консольного кабеля к разъему DB-9 или DB-25 СОМ-порта терминала.
3. 2. Волоконно-оптические кабели
В качестве среды передачи в сетях наряду с электрическими кабелями широко используется кабель на оптическом волокне (fiber optic). Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости скручивания волокон или их экранирования, т.к. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и электромагнитных помех от внешних источников. Это позволяет передавать сигналы на большее расстояние по сравнению с симметричным медным кабелем.
Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки. Причем, сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления n. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины n 1 выше показателя преломления n 2 оболочки (n 1 > n 2).
Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n1>n2, при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой.
Когда луч света 1 (Рисунок3.4) падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления n 1 и n 2, причем n 1 > n 2, свет делится на две части.
Рисунок3.4. Отражение и преломление лучей света
Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения J3 равным углу падения J1. Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и вступает во второе вещество (оболочку) под углом J2. Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине. При увеличении угла падения J1 возрастает угол преломления J2. При некотором значении угла J1, называемом критическим Jкр, луч 2 (Рисунок3.4) не преломляется; часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т.е. угол преломления равен о. При условии, что угол падения будет больше критического J1 > Jкр и n 1 > n 2, наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины, т.е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние.
|
|
|
Диапазон углов падения лучей света, входящих в волокно, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения, называется числовой апертурой волокна. Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна. Поскольку лучи входят под разными углами, то они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами и проходят разное расстояние до устройства назначения (Рисунок3.5, а).
Рисунок3.5. Многомодовое (а) и одномодовое (б) волокно
Эти составляющие лучей света называются модами. Возникновение мод в оптическом волокне возможно, если диаметр сердцевины сравнительно большой. Такое волокно называется многомодовым (multimode).
В стандартном многомодовом оптическом кабеле используется сердцевина диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочка диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125. Наличие многих мод приводит к появлению межмодовой дисперсии (размыву) передаваемого импульсного сигнала. Из-за дисперсии снижается скорость передачи данных, т.к. размытые импульсы накладываются друг на друга, и уменьшается расстояние, на которое можно передать данные. Для снижения влияния многих мод на величину дисперсии при большом диаметре сердцевины разработано специальное многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.
|
|
|
Одномодовое волокно (singlemode) имеет меньший диаметр сердцевины, что позволяет только одной моде луча света распространяться по сердцевине вдоль оси волокна. Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до значения восемь – десять микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом – 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки – 125 микрон. Одномодовое волокно более дорого по сравнению с многомодовым. Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные. Поэтому одномодовые кабели используется в локальных сетях для соединений между зданиями, а в технологиях линий SDH – для междугородней связи.
В одномодовом волокне межмодовая дисперсия отсутствует. Однако, оказывает влияние хроматическая дисперсия, которая характерна как для многомодового, так и для одномодового волокна. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что волны света разной длины проходят через оптическое волокно с несколько различными скоростями. В идеале источник света (светодиод или лазер) должны генерировать свет только одной частоты, тогда хроматической дисперсии не было бы. Однако лазеры и особенно светодиоды генерируют целый спектр частот (длин волн). Поэтому расстояние и скорость передачи данных ограничиваются дисперсией и затуханием сигнала в волокне.
В качестве источников света для оптических кабелей используются:
- Светодиоды, генерирующие инфракрасный свет с длиной волны 850 нм или 1310 нм. Светодиоды используются для передачи сигналов по многомодовому волокну на расстояние до 2000 м.
- Лазерные диоды, генерирующие инфракрасный луч света с длиной волны 1310 нм или 1550 нм. Лазеры используются с одномодовым волокном для передачи сигналов на большие расстояния в различных технологиях локальных и глобальных сетей.
Расстояние передачи сигналов в локальных сетях, определенное стандартом Gigabit Ethernet, составляет до 5 км, а стандартом 10Gigabit Ethernet – до 40 км. Для приема оптических сигналов используют фотодиоды, которые преобразуют принятые оптические импульсы в электрические. Фотодиоды производятся для работы на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм.
3.3. Беспроводная среда
Беспроводная среда образуется совокупностью радиоканалов, сгруппированных в несколько частотных диапазонах. Три частотных диапазона: 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, рекомендованы международным союзом телекоммуникаций (International Telecommunications Union – ITU) для использования в промышленности, науке и медицине (Industrial, Scientific, Medical – ISM) и не требуют лицензирования. В указанных частотных диапазонах и строится большинство беспроводных локальных и глобальных сетей связи. Более низкий частотный диапазон увеличивает расстояние передачи и улучшает распространение радиоволн внутри зданий. Однако число каналов и, следовательно, пользователей при этом снижается.
|
|
|
Техника модуляции широкополосных сигналов позволяют повысить помехозащищенность при сосредоточенных помехах высокого уровня и низком уровне сигнала. На практике широко используются технологии прямого последовательного расширения спектра (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS) и ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM). Устройства, использующие OFDM, имеют более высокую скорость передачи данных. Однако устройства с модуляцией DSSS – проще и дешевле. Мультиплексирование каналов производится на основе техники, называемой Множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiple Access – CDMA).
В настоящее время широко применяются беспроводные сети, которые реализуют соединения абонентов через точки беспроводного доступа (Wireless Access Point – WAP). При этом абоненты (хосты) должны комплектоваться беспроводными сетевыми картами. В свою очередь, точки беспроводного доступа могут соединяться с другими сетевыми устройствами, например с коммутаторами, маршрутизаторами, посредством кабелей, образуя достаточно разветвленную сеть. Беспроводная (wireless) среда регламентируется набором стандартов, которые различаются частотным диапазоном, скоростью передачи данных и расстоянием.
Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) является основным стандартом беспроводных локальных сетей (Wireless LAN – WLAN). Параметры беспроводных сетей в значительной мере определяются используемой техникой модуляции. Основные параметры технологий стандарта 802.11 (Wi-Fi) приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Стандарт IEEE 802.11a регламентирует работу устройств WLAN в частотном диапазоне 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с, а в некоторых случаях – до 108 Мбит/с. В производственных технологических сетях, скорость передачи обычно оценивается в 20-26 Мбит/с. Использование высокочастотного диапазона 5 ГГц стандарта 802.11a ограничивает расстояние передачи и распространение радиоволн внутри зданий. Используемый вид модуляции – OFDM. Устройства стандарта 802.11a не могут взаимодействовать с устройствами стандарта 802.11b и 802.11g, поскольку последние работают в диапазоне 2,4 ГГц.
В настоящее время устройства стандарта 802.11b и 802.11g получили широкое распространение. Устройства стандарта 802.11b функционируют в частотном диапазоне 2,4 ГГц и характеризуется скоростью передачи до 11 Мбит/с, вид модуляции – DSSS.
Устройства стандарта 802.11g являются совместимыми с устройствами 802.11b, поскольку работают в том же частотном диапазоне 2,4 ГГц. В устройствах этого стандарта может использоваться как техника модуляции OFDM, так и DSSS. При технике модуляции OFDM скорость передачи данных такая же, как в устройствах стандарта 802.11a (до 54 Мбит/с). При технике модуляции DSSS скорость передачи данных – до 11 Мбит/с. В настоящее время разработаны точки доступа, которые позволяют устройствам стандартов 802.11b и 802.11a сосуществовать в одной беспроводной сети WLAN. Точка доступа предоставляет услуги шлюза (gateway) для связи устройств двух разных стандартов. Более низкий частотный диапазон увеличивает расстояние передачи и улучшает распространение радиоволн внутри зданий по сравнению с 802.11a.
Достоинства частотного диапазона 2,4 ГГц обусловили большое количество пользователей, что приводит к его перегрузке и взаимному влиянию устройств.
Новые устройства стандарта 802.11n способны работать как в частотном диапазоне 5 ГГц, так и 2,4 ГГц. Значение скорости передачи от 100 до 210 Мбит/с.
Помимо сетей вышеприведенных стандартов создаются и эксплуатируются сети стандарта IEEE 802.15 (Wireless Personal Area Network – WPAN) или "Bluetooth", которые являются примером персональных сетей (Personal Area Network – PAN). Кроме того, сети стандарт IEEE 802.16 (Worldwide Interoperability for Microwave Access – WiMAX), которые обеспечивают широкополосную связь на значительно большее расстояние по сравнению с вышеприведенными технологиями.
Краткие итоги лекции 3
1. В качестве среды передачи в сетях передачи данных используют коаксиальный кабель, неэкранированную UTP и экранированную STP витую пару (симметричный кабель), оптоволоконный кабель, беспроводные радиоканалы.
2. Кабель UTP содержит четыре пары свитых медных проводов, поэтому используется разъем (коннектор) RJ-45, имеющий 8 контактов.
3. Кабель UTP широко используется в локальных сетях Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, обеспечивая передачу сигналов на расстояние до 100 м.
4. Для соединения устройств между собой используются прямой, кроссовый и консольный кабели.
5. Волоконно-оптические кабели характеризуются отсутствием перекрестных помех и электромагнитных помех от внешних источников. Это позволяет передавать сигналы на большее расстояние по сравнению с симметричным медным кабелем.
6. Одномодовое волокно оптических кабелей по сравнению с многомодовым позволяет передавать данные на большее расстояние с более высокой скоростью.
7. Передача данных по оптическому волокну производится на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм.
8. Беспроводная среда образуется совокупностью радиоканалов, сгруппированных в частотных диапазонах 900 МГц; 2,4 ГГц и 5 ГГц.
9. Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) является основным стандартом беспроводных локальных сетей.
10. Объединение сетевых узлов и станций в сеть связи реализуется на основе различных топологий. Следует различать физическую и логическую топологии сети.
|
|
|
