Страница 37 из 64
2.2. Проводниковые среды передачи информации
Назначением физического уровня сети является передача битов от одной машины к другой. Для передачи могут использоваться различные физические носители информации, называемые также средой распространения сигнала. Каждый из них имеет характерный набор полос пропускания, задержек, цен и простоты установки и использования. Среды передачи информации можно разделить на две группы: проводниковые среды, такие как медный провод и оптоволоконный кабель, и беспроводные, например предназначенные для наземной беспроводной и спутниковой связи, а также передача по лазерному лучу без кабеля. Мы рассмотрим проводниковые среды в этом разделе, а беспроводные — в последующих.
2.2.1. Магнитные носители
Один из самых простых способов перенести данные с одного компьютера на другой — записать их на магнитную ленту или другой съемный носитель (например, перезаписываемый DVD), физически перенести эти ленты и диски к пункту назначения и там прочитать их. Поскольку такой метод значительно проще применения, скажем, геостационарного спутника связи, он часто оказывается гораздо более эффективным в экономическом отношении, особенно для приложений, в которых высокая пропускная способность или цена за бит являются ключевыми факторами.
Разобраться в данном вопросе нам помогут несложные вычисления. Стандартная кассета с лентой Ultrium вмещает 800 Гбайт. В коробку размером 60 х 60 х 60 см помещается около 1000 таких кассет, что дает общую емкость 800 терабайт или 6400 терабит (6,4 петабит). Коробка с кассетами может быть доставлена в пределах США в течение 24 часов службой Federal Express или другой компанией. Эффективная полоса пропускания при такой передаче составляет 6400 терабит/86 400 с или немногим больше 70 Гбит/с. Если же пункт назначения находится всего в часе езды, то пропускная способность составит свыше 1700 Гбит/с. Ни одна компьютерная сеть пока не в состоянии даже приблизиться к таким показателям.
Если мы теперь взглянем на этот вопрос с экономической точки зрения, то получим сходную картину. Оптовая цена кассеты составляет около $40. Коробка с лентами обойдется в $4000, при этом одну и ту же ленту можно использовать десятки раз. Прибавим $1000 на перевозку (а на самом деле, гораздо меньше), и мы получим около $5000 за передачу 800 Тбайт или чуть более половины цента за гигабайт. Ни одна сеть на земле не может соперничать с этим. Мораль этой истории такова.
Не думай свысока о скорости передачи данных автомобилем, полным кассет, с грохотом передвигающимся по дороге.
2.2.2. Витая пара
Хотя скорость передачи данных с помощью магнитных лент отличная, однако величина задержки при такой передаче очень велика. Время передачи измеряется минутами или часами, а не миллисекундами. Для многих приложений требуется мгновенная реакция удаленной системы (в подключенном режиме). Одним из первых и до сих пор часто применяемых средств передачи является витая пара. Этот носитель состоит из двух изолированных медных проводов, обычный диаметр которых составляет 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали, чем-то напоминая молекулу ДНК. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар. (Два параллельных провода образуют простейшую антенну, витая пара — нет.) Сигнал обычно передается в виде разницы потенциалов в двух проводах, составляющих пару. Это обеспечивает лучшую устойчивость к внешнему шуму, так как шум одинаково влияет на оба провода, и, таким образом, разница потенциалов остается неизменной.
Самым распространенным применением витой пары является телефонная линия. Почти все телефоны соединяются с телефонными компаниями при помощи этого носителя. По витой паре передаются не только телефонные звонки; доступ в Интернет по технологии ADSL также осуществляется через витую пару. Витая пара может передавать сигнал без ослабления мощности на расстояние, составляющее несколько километров. На более дальних расстояниях из-за ослабевания сигнала требуются повторители. Большое количество витых пар, тянущихся на большое расстояние в одном направлении, объединяются в кабель, на который надевается защитное покрытие. Если бы пары проводов, находящиеся внутри таких кабелей, не были свиты, то сигналы, проходящие по ним, накладывались бы друг на друга. Телефонные кабели диаметром несколько сантиметров можно видеть протянутыми на столбах.
Витые пары могут использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых данных. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но в большинстве случаев на расстоянии до нескольких километров может быть достигнута скорость несколько мегабит в секунду. Благодаря довольно высокой пропускной способности и небольшой цене витые пары широко распространены и, скорее всего, будут популярны и в будущем.
Витые пары применяются в нескольких вариантах. В офисных зданиях наиболее распространена витая пара категории 5 или «Cat 5». Витая пара категории 5 состоит из двух изолированных проводов, свитых друг с другом. Четыре такие пары обычно помещаются вместе в пластиковую оболочку. Подобная схема показана на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Кабель UTP категории 5 с четырьмя витыми парами
В сетях разных стандартов витая пара используется по-разному. Например, в 100-мегабитной сети Ethernet данные передаются по двум (из четырех) парам, по одной паре в каждом направлении.
Для того чтобы достичь более высокой скорости, в 1-гигабитных сетях Ethernet данные передаются по всем четырем парам одновременно в обоих направлениях. Во избежание ошибок принимающее устройство должно уметь отделять сигнал, передаваемый локально.
Немного сухой терминологии. Линии, по которым данные могут одновременно передаваться в обе стороны, как на улице с двухсторонним движением, называются дуплексными. А те линии, по которым данные в каждый момент времени могут пересылаться лишь в одном направлении, как на дороге с реверсивным движением, называются полудуплексными. Третья категория — это дороги с односторонним движением — линии, по которым передача сигнала возможна только в одну сторону. Они называются симплексными.
Возвращаясь к витой паре, на смену витой паре третьей категории пришла витая пара категории 5. У витой пары пятой категории такой же разъем, но число витков на метр длины проводов больше, чем у кабеля третьей категории. Большее число витков обеспечивает лучшее качество передачи сигнала на большие расстояние и уменьшает наводки. Таким образом, витая пара категории 5 лучше подходит для высокоскоростной компьютерной связи, особенно для 100-мегабитных и 1-гигабитных сетей Ethernet.
Новым стандартом станут, вероятно, кабели категорий 6 или даже 7. Жесткие спецификации этих категорий обеспечивают обработку сигналов с большой полосой пропускания. Некоторые кабели категории 6 и выше предназначены для сигналов с частотой 500 МГц; их можно использовать в 10-гигабитных сетях, развертывание которых планируется в ближайшем будущем.
Вплоть до категории 6, все эти типы соединений часто называются UTP (unshielded twisted pair — неэкранированная витая пара), так как они состоят всего лишь из проводов и изоляции. В противоположность им, в кабелях категории 7 экранированы не только отдельные витые пары, но и весь кабель (помещенный в защитную пластиковую оболочку). Экранирование снижает чувствительность к внешним помехам и наводки между соседними кабелями. Благодаря этому витая пара седьмой категории отвечает высоким требованиям к производительности. Кабель категории 7 напоминает высококачественные, но громоздкие экранированные кабели из витых пар корпорации IBM, которые она представила на рынке в 1980 году. Они так и не стали популярными за пределами фирмы IBM. Очевидно, настало время попробовать еще раз.
2.2.3. Коаксиальный кабель
Другим распространенным средством передачи данных является коаксиальный кабель. Он лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Широко применяются два типа кабелей. Один из них, 50-Омный, обычно используется для передачи исключительно цифровых данных. Другой тип кабеля, 75-Омный, часто применяется для передачи аналоговой информации, а также в кабельном телевидении. В основе такого разделения лежат скорее исторические, нежели технические факторы (например, первые дипольные антенны имели импеданс 300 Ом, и проще всего было использовать уже существующие преобразователи с отношением импеданса 4:1). Начиная с середины 1990-х годов операторы кабельного телевидения стали также предоставлять услуги доступа к Интернету, что сделало 75-Омный кабель еще более значимой средой передачи информации.