Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов - неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели (основные характеристики перечисленных кабелей указаны в Приложении А). Первые два типа кабелей называют так же медными кабелями. Василенко, В. Тестер кабельных линий ЛВС/ В. Василенко //Радиомир. Ваш компьютер. - 2005. - С. 20.

Кабели на основе витой пары

Витой парой называется скрученная пара проводов. Этот вид среды передачи данных очень популярен и составляет основу большого количества как внутренних, так и внешних кабелей. Кабель может состоять из нескольких скрученных пар (внешние кабели иногда содержат до нескольких десятков таких пар) (рис.1.1).

локальная вычислительная сеть оборудование

Рис.1.1 Внешний вид некоторых вариантов кабеля "витая пара"

Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Кабели на основе витой пары являются симметричными, то есть они состоят из двух одинаковых в конструктивном отношении проводником. Симметричный кабель на основе витой пары может быть как экранированным, так и неэкранированным.

Нужно отличать электрическую изоляцию проводящих жил, которая имеется в любом кабеле, от электромагнитной изоляции. Первая состоит из непроводящего диэлектрического слоя - бумаги или полимера, например поливинилхлорида или полистирола. Во втором случае помимо электрической изоляции проводящие жилы помещаются также внутрь электромагнитного экрана, в качестве которого чаще всего применяется проводящая медная оплетка.

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 тип 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 3 были стандартизированы в 1991 году. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей для частот в диапазоне до 16 МГц. Кабели категории 3, предназначенные как для передачи данных, так и для передачи голоса, составляют сейчас основу многих кабельных систем зданий.

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 помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий (FDDI, Fast Ethernet, ATM и Gigabit Ethernet) ориентировано на использование витой пары категории 5. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабели системы крупных здании 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 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.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, две - для передачи голоса.

Кабель "витая пара" является самым популярным способом подключения компьютеров в "домашних" сетях. Стоимость кабеля достаточно низкая, однако при этом скорость передачи данных находится на очень высоком уровне. Длины сегмента кабеля в 100 м хватает, чтобы подключить компьютер в квартире, просто свесив кабель с крыши и подведя его к окну. Именно такой способ подключения является самым простым и распространенным в "домашних" сетях. Ватаманюк А.И. Создание, обслуживание и администрирование сетей на 100%: Питер; Санкт-Петербург; 2010. - С. 35.

Коаксиальные кабели

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 - по не передаются информационные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существуют несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения: для локальных компьютерных сетей, для глобальных телекоммуникационных сетей, для кабельного телевидения и т.п. (рис.1.2).

Рис.1.2 Разные варианты коаксиального кабеля

Согласно современным стандартам коаксиальный кабель не считается хорошим выбором при построении структурированной кабельной системы зданий. Далее приводятся основные типы и характеристики этих кабелей.

<<Толстый>> коаксиальный кабель разработан для сетей Ethernet 10Base-5 с волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм. Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10 МГц - не хуже 18 дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать - он плохо гнется (рис.1.3).

Рис.1.3 Строение толстого коаксиального кабеля

<<Тонкий>> коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10Base-2. Обладая внешним диаметром около 50 мм и 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 (рис.1.4).

Рис.1.4 Строение тонкого коаксиального кабеля

Рассмотрим элементы коаксиального кабеля, отмеченные на рисунках цифрами.

1. Центральный проводник (Center Conductor). Представляет собой металлический стержень, цельный или состоящий из нескольких проводников. В качестве металла, как правило, выступает медь или сплав с медью, например сплав меди с карбоном, омедненная сталь или омедненный алюминий. Толщина проводника обычно находится в пределах 1-2 мм.

2. Диэлектрик (Dielectric). Служит для надежного разделения и изолирования центрального проводника и оплетки, которые используются для передачи сигнала. Диэлектрик может изготавливаться из различных материалов, например из полиэтилена, фторопласта, пенополиуретана, поливинилхлорида, тефлона и т.д.

3. Оплетка (Braid). Является одним из носителей, который участвует в передаче сигнала. Кроме того, она играет роль заземления и защитного экрана от электромагнитных шумов и наводок. Как правило, оплетка сделана из медной или алюминиевой проволоки. Когда требуется увеличить помехозащищенность системы, может использоваться кабель с двойной и даже четверной оплеткой.

4. Изолирующая пленка (Foil). Выступает обычно в роли дополнительного экрана. В качестве материала используется алюминиевая фольга.

5. Внешняя оболочка (Outer Jacket). Используется для защиты кабеля от воздействия внешней среды. Оболочка, как правило, имеет ультрафиолетовую защиту и защиту от возгорания, для чего используется материал с определенными свойствами, например поливинилхлорид, пластик, резина и т.д.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля, используемого для передачи данных в локальных сетях, составляет 50 Ом. При этом толщина тонкого коаксиального кабеля - примерно 0,5-0,6 см, а толстого - 1-1,3 см.

Существует определенная маркировка (категория) кабелей, которая позволяет различать их характеристики. Например, кабель с волновым сопротивлением 50 Ом имеет маркировку RG1-8, RG-11 и RG-58. Различают также подкатегории кабелей, например RG-58/U (одножильный проводник) или RG-58A/U (многожильный проводник).

Наибольшее распространение получил тонкий коаксиальный кабель, поскольку он более гибкий и его легче прокладывать. Если требуется увеличить диаметр сети, то используется толстый коаксиальный кабель. Иногда тонкий и толстый кабели применяются одновременно: тонким кабелем соединяют близкорасположенные компьютеры, а толстым - компьютеры на большом удалении или два сегмента сети.

Волоконно-оптический кабель

Беспроводные LAN (Wireless LAN - WLAN) отличаются от проводных тем, что взаимосвязь между узлами сети осуществляется посредством использования радиосигналов. В состав узлов входят передающие и приемные устройства. Среда, в которой размещены узлы, является средой распространения радиосигналов. В результате, необходимость применения проводных линий отпадает. Роль концентратора проводной LAN выполняет точка доступа (Access Point - AP) WLAN.

Беспроводное подключение к магистральной сети может использоваться не только по отношению к индивидуальным абонентам, но так же по отношению к групповым абонентам, каковыми являются проводные LAN. Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В. Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. - К.: EKMO, 2009. - С. 206.

Необходимость и целесообразность применения беспроводных LAN наряду с проводными обусловлена преимуществами, которые достигаются отсутствием проводных соединений. Эти преимущества проявляются в следующих обстоятельствах:

необходимость создания LAN между узлами, разделенными естественными и искусственными препятствиями (например, водные препятствия, стены домов, межэтажные перекрытия);

необходимость обеспечения мобильности узлов, объединенных в локальную сеть;

необходимость получения доступа к магистральной сети с выходом в Internet-сеть в общественных местах кратковременного пребывания (гостиницы, вокзалы, читальные залы библиотек и др.).

Востребованность беспроводной локальной связи (с потребительской точки зрения) определяет место WLAN в современных беспроводных телекоммуникациях. Важнейшее потребительское свойство WLAN, наряду с удобством их развертывания для обеспечения взаимной связи абонентов, состоит в обеспечении доступа абонентов к магистральным сетям. Последним, в частности, объясняется использование англоязычного термина <<горячая точка>> (hotspot) для общественных мест развертывания WLAN с выходом в Internet.

Один из наиболее существенных отличительных признаков локальных цифровых сетей по сравнению с глобальными состоит в наличии автономных телекоммуникационных линий между их узлами. Отличие архитектуры беспроводных и проводных LAN обусловлены свойствами среды распространения используемых сигналов:

проводящей направляющей среды в проводных LAN

естественной окружающей среды в беспроводных LAN (Wireless LAN - WLAN).

Сети WLAN исключительно надежны. Поскольку беспроводная технология уходит корнями в оборонную промышленность, обеспечение безопасности беспроводных устройств предусматривалось с самого начала. Вот почему беспроводные сети обычно более надежны, чем кабельные. В сетях WLAN используется технология Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), которая отличается высокой устойчивостью к искажению данных, помехам, в том числе преднамеренным, и обнаружению. Кроме того, все пользователи беспроводной сети проходят аутентификацию по системному идентификатору, что предотвращает несанкционированный доступ к данным. Для передачи особо уязвимых данных пользователи могут использовать режим Wired Equivalent Privacy (WEP), при котором сигнал шифруется дополнительным алгоритмом, а данные контролируются с помощью электронного ключа. Вообще говоря, в отдельных узлах перед включением в сетевой трафик должны приниматься свои меры безопасности. В сетях WLAN, работающих по спецификации 802.11b, для обеспечения более высокой надежности сети вместе с аутентификацией пользователя могут применять 40битные и 128битные алгоритмы шифрования. Перехват трафика, как умышленный, так и неумышленный, практически невозможен.

IEEE 802.11b - выпущенная институтом Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) техническая спецификация, которая определяет функционирование беспроводных локальных вычислительных сетей, работающих в диапазоне 2,4 ГГц со скоростью 11 Мбит/с по протоколу Direct Sequence Spread Spectrum. Сети WLAN 802.11b работают со скоростью до 11 Мбит в секунду. Для пользователей скорость работы сравнима со скоростью кабельной сети. Точно так же, как и в обычной сети, пропускная способность сети WLAN зависит от ее топологии, загрузки, расстояния до точки доступа и т.д. Как правило, заметной разницы в производительности беспроводной и кабельной сети нет. Гейер, Джим. Беспроводные сети. Первый шаг: Пер. с англ. - М.: Издательский дом “Вильяме”, 2005. - С. 67.

Точки доступа

Модель OSI состоит из семи уровней, каждый из которых может иметь несколько подуровней. Верхние уровни этой модели (приложений, представлений, сеансов и транспортный - соответственно уровни 7, 6, 5 и 4) относятся к функциям связи между приложениями. На них выполняются задачи, связанные с форматами имен файлов, множествами кодов, пользовательским интерфейсом, уплотнением, кодированием и другими функциями обмена между приложениями. Нижние три уровня (сетевой, канальный, физический - уровни 3,2 и 1) отвечают за передачу данных между отправителем и получателем. Рассмотрим поподробнее каждый из уровней.

Уровень приложений (уровень 7). Приложение, которое общается с другими компьютерами, использует правила, описанные на уровне приложений эталонной модели OSI. Уровень приложений относится к службам связи приложений. Например, в тестовом редакторе, не предусматривающем связь с другими компьютерами, нет соответствующего кода, и разработчики этого приложения не должны беспокоится об уровне 7 модели OSI. Однако если добавляется возможность передачи файлов, то в текстовом редакторе необходима реализация уровня 7 модели OSI. Примеры протоколов используемых на уровне 7: Telnet, HTTP, FTP, Web-обозреватели, 5MTP, SNMP.

Уровень представлений (уровень 6). Основное предназначение уровня заключается в определении форматов данных, таких как текст ASCII, двоичный формат и графический формат JPEG. Кодирование так же определяется OSI как служба уровня представлений. Например, протокол передачи файлов FTP позволяет выбрать, в каком формате передавать информацию: двоичном или текстовом. Если выбрать двоичный формат, отправитель и получатель не изменяют содержимое файла. Если выбран текстовый формат, то отправитель переводит текст из своего набора символов в стандартный набор ASCII и отправляет его. Получатель преобразует текст из стандартного ASCII в тот набор символов, который используется на его компьютере. Примеры протоколов используемых на уровне 6: JPEG, ASCII, TIFF, GIF, PICT, MPEG, MIDI.

Уровень сеансов (уровень 5). Работу уровня сеансов можно сравнить с работой посредника или арбитра. Основное его назначение - контроль диалога между устройствами или сетевыми узлами. Он служит для организации связи и разбивает сеанс на три фазы: установление связи, перенос данных и разъединение связи. Примеры протоколов используемых на уровне 5: RPC, SQL,AppleTalk ASP.

Транспортный уровень (уровень 4). На уровне 4 работают протоколы, которые могут выполнять коррекцию ошибок. Также производится разбиение входящих данных на потоки для каждого работающего на данном компьютере приложения. Кроме того, на этом уровне может реорганизовываться поток данных, если был нарушен порядок принятых пакетов. Примеры протоколов используемых на уровне 4: TCP, UDP, SPX.

Сетевой уровень (уровень 3). Отвечает за доставку пакетов от отправителя к получателю. Для этого на сетевом уровне определяется логическая адресация, которая может быть назначена каждому сетевому устройству. На этом уровне также определяется работа маршрутизации и методы определения маршрутов, позволяющих доставить пакеты по назначению. На сетевом уровне определяются методы разбиения пакетов на более мелкие, если этого требует передача данных. Например, протокол IP, работающий на маршрутизаторе, считывает из пакета IP-адрес назначения, ищет его в таблице маршрутизации, разбивает его на более мелкие пакеты, если этого требует исходящий интерфейс, и вставляет его в очередь на отправку. Примеры протоколов используемых на уровне 3: IP, IPX, ICMP.

Канальный уровень (уровень 2). Канальный уровень отвечает за передачу данных по одному конкретному каналу или среде. Протоколы канального уровня определяют передачу по одному каналу. Все эти протоколы связаны с типом среды передачи данных в сети (т.е. с типом кабеля). Например, 802.3 и 802.2 - это спецификации, разработанные организацией IEEE. Они являются протоколами канального уровня, определяющими работу сетей Ethernet. Другие протоколы, например, HDLC, отвечают за передачу данных по каналам глобальных сетей. Примеры протоколов используемых на уровне 2: IEEE 802.3/802.2, HDLS, FrameRelay, PPP, FDDI, ATM.

Физический уровень (уровень 1). Спецификации физического уровня отвечают за физические характеристики среды передачи данных. Контакты, штырьки разъемов, использование контактов, электрические цепи, кодировка и модуляция света являются частями различных физических спецификации этого уровня. Несколько спецификаций иногда используются для описания всех деталей физического уровня. Например, спецификация RJ-45 описывает форму штекера, число проводов и контактов в кабеле. Спецификации Ethernet и 802.3 определяют использование 1, 2, 3 и 6 контактов. Таким образом, чтобы использовать кабель категории 5 со штекером RJ-45 для Ethernet-сети, необходимо использовать спецификации Ethernet и RJ-45 физического уровня. Примеры протоколов используемых на уровне 1: V.35, V.24, RJ-45, Ethernet, 802.3, FDDI.

Такое разбиение функций или задач сети на более мелкие части, называемые уровнями, и определение стандартного взаимодействия между этими уровнями дает массу преимуществ. Уровни разбивают огромный и сложный набор понятий и протоколов на более мелкие частицы, позволяя упростить их рассмотрение, реализацию в аппаратном или программном обеспечении, а так же поиск и устранение неполадок. Эталонные модели обладают множеством полезных свойств. Например, разработчики могут сконцентрироваться на функциях одного уровня, зная, что функции, находящиеся вне сферы их деятельности, выполняются на другом. В результате развивается специализация. Другим полезным свойством является то, что изменения на одном уровне не обязательно влекут за собой изменения на другом. Оно обозначается техническим термином слабая комплексация и означает отсутствие ответственности за деятельность на другом уровне специализации.

Очень важное преимущество эталонной модели - совместимость. Если разработчики программного обеспечения придерживаются спецификации эталонной модели, протоколы, удовлетворяющие этой модели, работают совместно. Совместимость служит мощным потенциалом для создания и применения большого числа протоколов.

Далее будут рассмотрены некоторые протоколы, с которыми чаще всего приходиться сталкиваться при работе сетями.