Технологии физического уровня Тема 9 Линии связи. Классификация линий связи. Характеристики линии связи. Методы передачи дискретных данных, общие для локальных. - презентация

1 Технологии физического уровня Тема 9 Линии связи. Классификация линий связи. Характеристики линии связи. Методы передачи дискретных данных, общие для локальных и глобальных сетей по длинным линиям связи ( >10 м)

2 Звено (link) это сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети. То есть звено не содержит промежуточных устройств коммутации и мультиплексирования. Каналом (channel) чаше всего обозначают часть пропускной способности звена, используемую независимо при коммутации. Например, звено первичной сети может состоять из 30 каналов, каждый из которых обладает пропускной способностью 64 Кбит/с. Составной канал (circuit) это путь между двумя конечными узлами сети. Составной канал образуется отдельными каналами промежуточных звеньев и внутренними соединениями в коммутаторах. Часто эпитет «составной» опускается и термин «канал» используется для обозначения как составного канала, так и канала между соседними узлами, то есть в пределах звена. Линия связи может использоваться как синоним для любого из трех остальных терминов. Линии и каналы связи, первичные сети

3 Линии и каналы связи, первичные сети Рис Состав линии связи

4 Типы линий связи Проводные (воздушные) Кабельные Коаксиал Витая пара Оптическое волокно Рис Типы сред передачи данных

5 Радиоканалы наземной и спутниковой связи Радиорелейные (СВЧ) каналы Рис Рис

6 Физическая среда передачи данных Физическая среда передачи данных может представлять набор проводников, по которым передаются сигналы. На основе таких проводников строятся проводные (воздушные) или кабельные линии связи (рис ). Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. Кабельные линии состоят из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair. STP), коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно- оптические кабели.

7 Физическая среда передачи данных Беспроводная среда передачи данных Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ). По типу метода модуляции сигнала - это диапазоны амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция (Frequency Modulation, FM), а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves). Для передачи данных также используются диапазоны ультра высоких частот (Ulira High Frequency. UHF). называемые еще диапазонами микроволн (свыше 300 МГц). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется.

8 Физическая среда передачи данных Беспроводная среда передачи данных Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Диапазоны радиоволн Ультракороткие волны FM Короткие волны AM Средние волны AM Длинны е волны AM Сверхдлинные волны Санти метро вые UHF Децим етров ые UHF Метро вые УКВ- СВЧ Декамет ровые КВ Гектоме тровые СВ Киломе тровые ДВ мира метровые гекто километровые мега метровые дека мега метровые ГГц 300 МГц - 3 ГГц МГц МГц 300 к Гц - 3 МГц к Гц 3 к Гц - 30 к Гц 300 Гц - 3 к Гц Гц Гц мм 100 мм - 1 м м м 100 м - 1 км км км 100 км - 1 Мм Мм Мм

9 Рис Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны

10 Физическая среда передачи данных В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных. Хорошие возможности предоставляют волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), обладающие широкой полосой пропускания и низкой чувствительностью к помехам. На ВОЛС сегодня строятся как магистрали крупных территориальных и городских сетей, так и высокоскоростные локальные сети. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным отношением качества к стоимости, а также простотой монтажа. Беспроводные каналы используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные линии связи применить нельзя например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильными пользователями сети.

11 Аппаратура передачи данных 1. Аппаратура передачи данных (АПД или DCE - Data Circuit terminating Equipment) в компьютерных сетях непосредственно присоединяет компьютеры или коммутаторы к линиям связи и является, таким образом, пограничным оборудованием. (Рис ) 2. К аппаратуре передачи данных, подключается аппаратура пользователя линии связи- ПК или терминал, вырабатывающая данные для передачи по линии связи. Эта аппаратура, носит название Оконечное Оборудование данных (OOД или DTE - Data Terminal Equipment). Примером DTE могут служить компьютеры или маршрутизаторы локальных сетей. 3. Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой протяженности. У неё две основные задачи: 1) улучшение качества сигнала; 2) создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети. (Это мультиплексоры: PDH, SDH и пр.)

12 Аппаратура передачи данных Мультиплексор – демультиплексор (MUX) позволяет в одном магистральном кабеле передать N-е количество (тысячи) телефонных низкоскоростных каналов. В аналоговых линиях сигналы имеют непрерывный диапазон значений. MUX при аналоговом подходе использует технику частотного мультиплексирования, частотного разделения- (Frequency Division Multiplexing, FDM) и выполняет также функцию усиления и восстановления сигнала. В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. Как правило, элементарный сигнал, то есть сигнал, передаваемый за один такт работы передающей аппаратуры, имеет 2, 3 или 4 состояния, которые в линиях связи воспроизводятся импульсами иди потенциалами прямоугольной формы. С помощью таких сигналов передаются как компьютерные данные, так и оцифрованные речь и изображение (именно благодаря одинаковому способу представления информации современными компьютерными, телефонными и телевизионными сетями стало возможным появление общих для всех первичных сетей). В цифровых линиях связи используется специальная промежуточная аппаратура регенераторы, которые улучшают форму импульсов и восстанавливают период их следования. Промежуточная аппаратура мультиплексирования и коммутации первичных сетей работает по принципу временного мультиплексирования каналов (Time Division Multiplexing - TDM)

13 Состав линии связи Рис Аппаратура передачи данных.

14 Характеристики линий связи Пропускная способность Достоверность передачи данных Амплитудно-частотная характеристика Полоса пропускания Затухание Помехоустойчивость Перекрестные наводки на ближнем конце линии (NEXT) Удельная стоимость

15 Характеристики линий связи В первую очередь нас с вами интересует пропускная способность и достоверность передачи данных -эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность компьютерной сети. Пропускная способность и достоверность - это характеристики как линии связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных - 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п. Помимо протокола важно знать такие физические параметры линии как полоса пропускания, перекрестные помехи, помеха устоичивость и другие характеристики. Для определения характеристик линии связи часто используют анализ ее реакций на некоторые эталонные воздействия в основном синусоидальные сигналы.

16 T = Рис Представление периодического сигнала суммой синусоид Спектральный анализ сигналов на линиях связи Рис Представление периодического сигнала суммой синусоид

17 Техника нахождения спектра любого исходного сигнала хорошо известна. Для некоторых сигналов, которые хорошо описываются аналитически (например, для последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и амплитуды), спектр легко вычисляется на основании формул Фурье. Для сигналов произвольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов - спектральных анализаторов, которые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляющих гармоник на экране или распечатывают их на принтере. Спектральный анализ сигналов на линиях связи t Рис Спектральное разложение идеального импульса ( -функция)

18 При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рис ). Вследствие этого на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться. Медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки. В результате для синусоид различных частот линия будет обладать различным полным сопротивлением, а значит, и передаваться они будут по-разному. Искажение сигналов на линиях связи Импульсы на выходе линии связи Импульсы на входе линии связи R R RR C C C C Рис Представление линии

19 Амплитудно-частотная характеристика Рис Зависимость затухания от частоты

20 Амплитудно-частотная характеристика Амплитудно-частотная характеристика-(АЧХ) (рис ) показывает, как затухает амплитуда/мощность синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой/мощностью на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. С помощью АЧХ можно определить форму выходного сигнала. Для этого, зная форму входного сигнала, определяют его спектр и далее, используя АЧХ вычисляют гармоники выходного сигнала. Складывая полученные гармоники, согласно ряда Фурье, получим форму выходного сигнала. Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как амплитудно - частотная характеристика, полоса пропускания и затухание на определенной частоте.

21 Рис Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

22 Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко 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. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Полоса пропускания (bandwidth) Основные параметры физической линии Пропускная способность - C(бит/с)- максимально возможное число бит информации, которые могут быть переданы в секунду С(бит/с) = F log 2 (1 + P c /P m ) F - полоса пропускания (Гц) Типичные значения пропускной способности (bandwidth) линий связи вычислительных сетей: 2400, 4800, 9600, 14400, 28800, б/с 56, 64 Кб/c; 1.544, 2.048, 10, 16, 34, 45, 155, 622 Мб/c

23 Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д. Единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (то есть килобит - это 1000 бит, а мегабит - это бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням 2 Абсолютный уровень мощности, например уровень мощности передатчика, также измеряется в децибелах. При этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается значение в 1 м Вт. Таким образом, уровень мощности P вычисляется по следующей формуле: P = 10 log10 P /1 м Вт [д Бм], где Р - мощность сигнала в милливаттах, а д Бм (dBm) - это единица измерения уровня мощности (децибел на 1 м Вт). Основные параметры физической линии

24 Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии. Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей формуле: А = 10 log10 Рout /Рin, где Рout ~ мощность сигнала на выходе линии, Рin - мощность сигнала на входе линии. Затухание кабеля всегда является отрицательной величиной. Основные параметры физической линии

25 Волновое сопротивление - важный параметр медной линии связи, представляющее собой полное (комплексное) сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определенной частоты при распространении вдоль однородной цепи. Волновое сопротивление измеряется в Омах и зависит от таких параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная емкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивление передатчика должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии. Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехаустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконно- оптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению. Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk - NEXT) определяют помехаустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. NEXT = 10 log(Р ind /Р out ), где Р out - мощность выходного сигнала на одной паре, Р ind - мощность наведенного сигнала на другой пар Основные параметры физической линии

26 Рис Переходное затухание

27 Перекрестные наводки на дальнем конце (Far End Cross Talk, FEXT) позволяют оценить устойчивость кабеля к наводкам для случая, когда передатчик и приемник подключены к разным концам кабеля. FEXT = 10 log(Р ind-far /Р out ), где Р out - мощность выходного сигнала на одной паре, Р ind-far - мощность наведенного сигнала на другой паре на противоположном конце кабеля (Рис ) В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стал применяться показатель PowerSUM, являющийся модификацией показателя NEXT. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле. Основные параметры физической линии

28 Рис Суммарное переходное затухание

29 Еще одним практически важным показателем является защищенность кабеля (Attenuation/Crosstalk Ratio, ACR). Защищенность определяется как разность между уровнями полезного сигнала и помех. Чем больше значение защищенности кабеля, тем в соответствии с формулой Шеннона с потенциально более высокой скоростью можно передавать данные, поэтому кабелю. Основные параметры физической линии Рис Защищенность витой пары

30 Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, , в оптоволоконных линиях связи Значение достоверности передачи данных, например, в говорит о том, что в среднем из бит искажается значение одного бита. Достоверность передачи данных: вероятность искажения бита данных ( без дополнительных средств, оптоволокно) Удельная стоимость линии: затраты на создание 1 км линии - от $0.4 до $8 Помехоустойчивость линии: определяется мощностью шумов, создаваемых в линии внешней средой и возникающих в самой линии Основные параметры физической линии

31 Рис Повышение скорости передачи за счет дополнительных состояний сигнала б) сигнал имеет 4 состояния C = 2*Log 2 M, где М - количество состояний одного элемента данных а) сигнал имеет 2 состояния;

32 Типы кабелей Рис Витая пара Кабель на основе неэкранированной витой пары, используемый для проводки внутри здания, разделяется в международных стандартах на категории (от 1 до 7): Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был основной тин кабеля для телефонной разводки. Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц. Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехаустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

33 Типы кабелей Рис Витая пара Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий (Fast Ethernet, ATM и Gigabit Ethernet) ориентируются на использование витой пары кате­гории 5. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3 и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим). Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 250 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5.

34 Экранированная витая пара хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитные колебания вовне, что, так же является положительным. Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары для применения внутри зданий, является фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы от 1 до 9 включительно. Кабель типа 1 стандарта IBM. Он состоит из двух пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которая заземляется. Электрические параметры кабеля типа 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5. Однако волновое сопротивление кабеля типа 1, равное 150 Ом. значительно выше волнового сопротивления UTP категории 5 (100 Ом), поэтому невозможно «улучшение» кабельной проводки сети путем простой замены неэкранированной пары экранированной парой типа 1.

35 Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников. Каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль - но ней передаются информационные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Основные типы и характеристики коаксиальных кабелей. «Толстый» коаксиальный кабель разработан для сетей Ethernet 10Вазс-5 с волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм- 0,5 дюьма. Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм. который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10МГц не хуже 18 дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать он плохо гнется. Типы кабелей Рис Коаксиальный кабель

36 Основные типы и характеристики коаксиальных кабелей. «Тонкий» коаксиальный кабель предназначен для сетей Echernei 10Base- 2. Обладая внешним диаметром около 50 мм. тонким внутренним проводником 0,89 мм., этот кабель не так прочен, как «толстый» коаксиал, зато обладает гораздо большей гибкостью, что удобно при монтаже. «Тонкий» коаксиальный кабель также имеет волновое сопротивление 50 Ом, но его механические и электрические характеристики хуже, чем у «толстого» коаксиального кабеля. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в «толстом» коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте. Основные типы и характеристики коаксиальных кабелей. Телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом широко применяется в кабельном телевидении. Существуют стандарты локальных сетей, позволяющие использовать такой кабель для передачи данных. Типы кабелей Рис Коаксиальный кабель

37 Типы кабелей Рис Оптический кабель

38 Типы кабелей Рис Оптический кабель Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5-60 микрон) гибких стеклянных волокон (волоконных световодов), по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех (в силу особенностей распространения света такие сигналы легко экранировать). Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) стеклянного волокна, и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и величины диаметра сердечника различают:

39 Типы кабелей Рис Оптический кабель Волоконно-оптический кабель В зависимости от распределения показателя преломления и величины диаметра сердечника различают: многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис, в); многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис б); одномодовое волокно (рис , в). Волоконно-оптический кабель В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMP) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника Изготовление сверхтонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет собой сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим.

40 Типы кабелей Рис Многомодовый Оптический кабель В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами.

41 Типы кабелей Многомодовые кабели (Multi Mode Fiber, MMF). Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим отражения лучей имеет сложный характер. Возникающая при этом интерференция ухудшает качество передаваемого сигнала, что приводит к искажениям передаваемых импульсов в многоголовом оптическом волокне. По этой причине технические характеристики многомодовых кабелей хуже, чем одномодовых. В результате многомодовые кабели используются в основном для передачи данных на скоростях не более 1 Гбит/с на небольшие расстояния (до м). Одномодовые кабели для передачи данных со сверхвысокими скоростями в несколько десятков гигабит в секунду (а при использовании технологии DWDM до нескольких теребит и секунду) на расстояния до нескольких десятков и даже сотен километров (дальняя связь). В качестве источников света в волоконно-оптических кабелях применяются: светодиоды или светоизлучающие диоды (Light Emitted Diode- LED); полупроводниковые лазеры, или лазерные диоды. Для одномодовых кабелей применяются только лазерные диоды, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Более дешевые светодиодные излучатели используются только для многомодовых кабелей.

42 Типы кабелей Практически все оптические волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три так называемых окна прозрачности (850 нм, 1300 нм и 1550 нм (соответственно 35 ТГц, 23 ТГц и 19,4 ТГц).)