Проектирование локальной вычислительной сети в 11 микрорайоне г. Ашгабата

Размещено на http://www.allbest.ru

Оглавление

Введение

1.Обзор существующих принципов построения сетей

1.1Понятие локальной вычислительной сети (ЛВС)

1.2Классификация ЛВС

1.2.1 По расстоянию между узлами

1.2.2 По топологии

1.2.3 По способу управления

1.2.4 По методу доступа

1.3 Структурированные кабельные системы (СКС)

1.3.1 Хронология развития стандартов СКС

1.3.2 Витая пара

1.3.3 Волоконно-оптический кабель (ВОК)

1.3.4 Горизонтальная кабельная система

1.3.5 Рабочее место, телекоммуникационный шкаф

1.3.6Патч-корды

1.3.7Коннекторы

1.3.8 Оптический кросс (ОК)

1.3.9 Оптические муфты (ОМ)

1.4 Типы устройств Gigabit Ethernet

2.Проект построения ЛВС на основе Gigabit Ethernet

2.1 Постановка задачи и целей проектирования

2.2 Выбор конфигурации вычислительной сети

2.3 Проектирование схемы вычислительной сети

2.4 Выбор оборудования и программного обеспечения для проекта

2.5 Методика прокладки и монтажа кабеля, используемого в проектируемой ЛВС

2.6Планирование информационной безопасности

3. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТОИМОСТИ ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

3.1Расчет затрат на создание проекта ЛВС

3.2Использование сетевого оборудования

3.3Расчет технологической себестоимости ЛВС

3.4Затраты при эксплуатации ЛВС

3.5Расчет экономического эффекта от создания и эксплуатации ЛВС

4.МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА И ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

4.1Характеристика объекта проектирования и условий его эксплуатации

4.2Мероприятия по технике безопасности

4.3Мероприятия по пожарной профилактике

Заключение

Список Литературы



ВВЕДЕНИЕ

локальная вычислительная сеть кабель

В дипломном проекте рассматривается тема «Проектирование ЛВС в 11 микрорайоне г. Ашгабата».

Ашгабат -- столица Туркменистана, крупнейший административно-политический, промышленный, научный и культурный центр государства. Ашгабат является отдельной административной единицей -- город с правами велаята (области).

Согласно официальным оценкам на 1 января 2012 года в Ашгабате проживало 12,7 % населения Туркмении. Город делится на 5 районов: Азатлыкский, Копетдагский, имени Президента С. А. Ниязова, Чандыбильский и Арчабильский.

Ашгабат расположен на юге Туркмении, в 25 км к северу от границы с Ираном на Туранской низменности. Город находится в Ахалском оазисе на Прикопетдагской предгорной равнине. С юга -- горы Копетдаг, с севера -- пустыня Каракумы. Высота над уровнем моря -- 214--240 м. В 1962 году к городу подведён Каракумский канал.

Климат Ашгабата субтропический внутриконтинентальный, с мягкой, но для такой широты относительно холодной зимой и исключительно жарким летом. Ашгабат -- один из самых жарких городов мира, летом возможна температура выше +45 °C. Осадков выпадает 199 мм в год, летом осадков практически не бывает. Зима непродолжительная, но при сильных вторжениях арктического воздуха с севера иногда бывают морозы ниже ?10 °C. Постоянный снежный покров образуется только в суровые зимы.

Объектом исследования являются многоквартирные дома 11-го микрорайона Копетдагского района города Ашгабата.

Целью дипломного проекта является проектирования локальной сети для предоставления телекоммуникационных услуг пользователям. Для реализации данной цели требуется решить следующие задачи:

произвести обзор аппаратных и программных средств используемых для проектирования локальной сети;

произвести выбор сетевого оборудования;

осуществить проектирование схемы прокладки кабеля.

Противодействовать растущим объемам передаваемой информации на уровне сетевых магистралей можно только привлекая оптическое волокно. И поставщики средств связи при построении современных информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы наиболее часто. Это касается как построения протяженных телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Волоконная оптика, став главной рабочей лошадкой процесса информатизации общества, обеспечила себе гарантированное развитие в настоящем и будущем. Сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах, связанных с передачей информации. Стало допустимым подключение рабочих станций к информационной сети с использованием волоконно-оптического миникабеля. Однако, если на уровне настольного ПК волоконно-оптический интерфейс только начинает единоборство с проводным, то при построении магистральных сетей давно стало фактом безусловное господство оптического волокна. Коммерческие аспекты оптического волокна также говорят в его пользу - оптическое волокно изготавливается из кварца, то есть на основе песка, запасы которого очень велики. Стремительно входят в нашу жизнь волоконно-оптические интерфейсы в локальных и региональных сетях Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, Gigabit Ethernet, ATM. Настоящий дипломный проект ставит своей целью показать возможности современного оборудования для построения сетей в области волоконно-оптических технологий, раскрыть технологические особенности планирования, построения и эксплуатации волоконно-оптических сетей.

При построении локальных сетей очень важно умение разбираться в оборудовании необходимом для организации сети, архитектуре и существующих технологиях сети.

Актуальность проекта состоит в том, что данная локальная сеть является единственно возможным средством для организации эффективного функционирования локальной сети для частных пользователей. Данная локальная сеть проектируется с целью совместного использования общих ресурсов, таких как Интернет.

Теоретическая значимость состоит в анализе существующих технологий и применений одной из них для реализации на практике.

Этапы проектирования:

- анализ вариантов построения локальной сети;

- подбор оборудования по принципу «минимальная цена - качество»;

- рассмотреть вопросы защиты и возможных угроз локальной сети;

- рассмотреть вопросы администрирования локальной сети;

- произвести экономический расчет стоимости проектируемой сети;

- рассмотреть вопросы охраны труда на рабочих местах работников, обслуживающих локальную сеть.

Практическая значимость состоит в реализации на практике мер по проектированию, монтажу и настройке доступа к общим ресурсам локальной сети, таким как, совместное использование Интернета, обновление программного обеспечения для удобства пользования и защиты локальной сети.



1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ

1.2 Понятие локальной вычислительной сети (ЛВС)

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) представляет собой коммуникационную систему, позволяющую совместно использовать ресурсы компьютеров, подключенных к сети, таких как принтеры, диски, модемы, приводы CD-ROM и другие периферийные устройства. Локальная сеть обычно ограничена территориально одним или несколькими близко расположенными зданиями.

1.2 Классификация ЛВС

1.2.1 Вычислительные сети классифицируются по ряду признаков

По расстоянию между узлами

В зависимости от расстояний между связываемыми узлами различают вычислительные сети:

территориальные - охватывающие значительное географическое пространство;

среди территориальных сетей можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы;

региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей - WAN (Wide Area Network);

локальные (ЛВС) - охватывающие ограниченную территорию (обычно в пределах удаленности станций не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже на 1...2 км);

локальные сети обозначают LAN (Local Area Network);

корпоративные (масштаба предприятия) - совокупность связанных между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или нескольких близко расположенных зданиях. Локальные и корпоративные вычислительные сети - основной вид вычислительных сетей, используемых в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Особо выделяют единственную в своем роде глобальную сеть Internet (реализованная в ней информационная служба World Wide Web (WWW) переводится на русский язык как всемирная паутина);

это сеть сетей со своей технологией. В Internet существует понятие интрасетей (Intranet) - корпоративных сетей в рамках Internet.

1.2.2 По топологии

Сетевая топология - это геометрическая форма сети. В зависимости от топологии соединений узлов различают сети шинной (магистральной), кольцевой, звездной, иерархической, произвольной структуры.

шинная (bus) - локальная сеть, в которой связь между любыми двумя станциями устанавливается через один общий путь и данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станций, подключенных к этой же среде передачи данных (последнее свойство называют широковещательностью);

кольцевая (ring) - узлы связаны кольцевой линией передачи данных (к каждому узлу подходят только две линии); данные, проходя по кольцу, поочередно становятся доступными всем узлам сети;

звездная (star) - имеется центральный узел (коммутатор или концентратор), от которого расходятся линии передачи данных к каждому из остальных узлов;

звезда-кольцо (star-ring) - компьютеры подключаются к центральному компоненту, как в звездообразной сети. При этом сами компоненты объединены сетью с кольцевой топологией.

Все эти топологии в одном образуют иерархическую структуру. Сетевые топологии приставлены на рис. 1.1.

а) шинная

б) кольцеваяв) звездная

г) звезда-кольцо

Рис. 1.1. Сетевые топологии.

Таблица 1.1.

Сравнительный анализ топологий локально-вычислительных сетей

Характеристики	Топологии вычислительных сетей
	Звезда	Кольцо	Шина
Стоимость расширения	Незначительная	Высокая	Средняя
Присоединение абонентов	Пассивное	Активное	Пассивное
Защита от отказов	Незначительная	Незначительная	Высокая
Размеры системы	Любые	Любые	Ограниченны
Защищенность от прослушивания	Хорошая	Хорошая	Незначительная
Стоимость подключения	Незначительная	Незначительная	Высокая
Поведение системы при высоких нагрузках	Хорошее	Удовлетворительное	Плохое
Возможность работы в реальном режиме времени	Очень хорошая	Хорошая	Плохая
Разводка кабеля	Хорошая	Удовлетворительная	Хорошая
Обслуживание	Очень хорошее	Среднее	Среднее

1.2.3 По способу управления

В зависимости от способа управления различают сети:

"клиент/сервер" - в них выделяется один или несколько узлов (их название - серверы), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети клиент/сервер различаются по характеру распределения функций между серверами, другими словами по типам серверов (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям имеем сеть распределенных вычислений. Такие сети отличают также от централизованных систем, построенных на мэйнфреймах;

одноранговые - в них все узлы равноправны; поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером - объект, предоставляющий эти услуги, то каждый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.

Наконец появилась сетецентрическая концепция, в соответствии с которой пользователь имеет лишь дешевое оборудование для обращения к удаленным компьютерам, а сеть обслуживает заказы на выполнение вычислений и получения информации. То есть пользователю не нужно приобретать программное обеспечение для решения прикладных задач, ему нужно лишь платить за выполненные заказы. Подобные компьютеры называют тонкими клиентами или сетевыми компьютерами.



1.2.4 По методу доступа

Типичная среда передачи данных в ЛВС - отрезок (сегмент) коаксиального кабеля. К нему через аппаратуру окончания канала данных подключаются узлы - компьютеры и возможно общее периферийное оборудование. Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены у узлов появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами, другими словами, проблема обеспечения доступа к сети.

Доступом к сети называют взаимодействие станции (узла сети) со средой передачи данных для обмена информацией с другими станциями. Управление доступом к среде - это установление последовательности, в которой станции получают доступ к среде передачи данных.

Различают случайные и детерминированные методы доступа. Среди случайных методов наиболее известен метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Англоязычное название метода - Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection (CSMA/CD).

Протокол CSMA/CD

Протокол CSMA/CD воплотил в себе идеи вышеперечисленных алгоритмов и добавил важный элемент - разрешение коллизий. Поскольку коллизия разрушает все передаваемые в момент ее возникновения кадры, то и нет смысла станциям продолжать дальнейшую передачу своих кадров, коль скоро они (станции) обнаружили коллизии. В противном случае, значительной была бы потеря времени при передаче длинных кадров. Поэтому для своевременного обнаружения коллизии станция прослушивает среду на всем протяжении собственной передачи.

Основные правила алгоритма CSMA/CD для передающей станции.

Передача кадра:

Станция, собирающаяся передавать, прослушивает среду, и передает, если среда свободна. В противном случае (т.е. если среда занята), переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд станция выдерживает определённую паузу между посылками кадров - межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);

Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу;

Каждая станция, ведущая передачу, прослушивает среду, и, в случае обнаружения коллизии не прекращает сразу же передачу, а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии - jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу;

После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки, а затем возвращается к шагу 1.

Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет 9,6 мкс, (12 байт). С одной стороны, он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и, тем самым, лишила другие станции возможности передачи.

Jam-сигнал (jamming - дословно глушение). Передача jam-сигнала гарантирует, что ни один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в ожидании новой попытки передать кадры. Jam-сигнал должен быть достаточной длины, чтобы он дошел до самых удаленных станций коллизионного домена с учетом дополнительной задержки SF (safety margin) на возможных повторителях.

Коллизионный домен (collision domain) - множество всех станций в сети, одновременная передача любой пары из которых приводит к коллизии.

При передаче больших кадров, например 1500 байт, коллизия, если она вообще возникнет, обнаруживается практически в самом начале передачи, не позднее первых 64 переданных байт (если коллизия не возникла в это время, то позже она уже не возникнет, поскольку все станции прослушивают линию и, «слыша» передачу будут молчать). Так как jam-сигнал значительно короче полного размера кадра, то при использовании алгоритма CSMA/CD количество вхолостую израсходованной емкости канала сокращается до времени, требуемого на обнаружение коллизии. Раннее обнаружение коллизий приводит к более эффективному использованию канала. Позднее обнаружение коллизий, свойственное более протяженным сетям, когда диаметр коллизионного домена составляет несколько километров, снижает эффективность работы сети.

Среди детерминированных методов преобладают маркерные методы доступа.

Маркерный метод - метод доступа к среде передачи данных в ЛВС, основанный на передаче полномочий передающей станции с помощью специального информационного объекта, называемого маркером. Под полномочием понимается право инициировать определенные действия, динамически предоставляемые объекту, например станции данных в информационной сети.

Применяется ряд разновидностей маркерных методов доступа. Например, в эстафетном методе передача маркера выполняется в порядке очередности;

в способе селекторного опроса (квантированной передачи) сервер опрашивает станции и передает полномочие одной из тех станций, которые готовы к передаче. В кольцевых одноранговых сетях широко применяется тактируемый маркерный доступ, при котором маркер циркулирует по кольцу и используется станциями для передачи своих данных.

1.3 Структурированные кабельные системы (СКС)

1.3.1 Хронология развития стандартов СКС

До 1984 года здания проектировались практически без учета тех телекоммуникационных сервисов, которые должны были впоследствии функционировать в них. Появлявшиеся приложения передачи данных требовали применения специфических типов кабельных продуктов. Система IBM S/3X работала на твинаксиальных кабелях 100 0м, a Ethernet - на коаксиальных 50 0м. В то время как местные телефонные компании имели возможность монтировать свои кабельные системы для приложений передачи речи на стадии строительства здания, специалисты по установке систем передачи данных получали доступ на объект уже после того, как он был заселен. Инфраструктура подвергалась переделкам, зачастую за счет больших дополнительных затрат, и к неудовольствию конечного пользователя. В этот период речевые кабельные системы имели минимальную структуру. Типичная система в коммерческом здании строилась на основе неэкранированной витой пары, НВП (Unshielded Twisted Pair, UTP) с рабочими характеристиками, пригодными только для передачи речи, и имела конфигурацию "звезда". Количество пар, приходящих в ключевые точки варьировалось от 1 до 25.

Максимальные расстояния передачи сигналов и количество кроссовых коммутационных узлов определялись поставщиком сервиса или изготовителем активного оборудования.

Ранние типы кабельных систем, применявшихся для передачи данных в 60-е годы, основывались, как правило, на передаче несбалансированного сигнала по кабелю "витая пара" между хост - компьютерами и терминалами. Такой тип кабельной системы годился только для низкоскоростных коммуникаций, и, по мере того, как скорости передачи росли, ограничения, связанные с технологией передачи несбалансированного сигнала по кабелям "витая пара", стали слишком очевидными.

В середине 70-х годов компания IBM начала производство мэйнфреймов, которые использовали коаксиальный кабель с сопротивлением 93 0м. Создание несколькими годами позже устройства, часто называемого "балун" (BALUN - BALanced/UNbalanced), позволило использовать активное оборудование с коаксиальными интерфейсами в кабельных системах на основе витой пары.

Адаптер типа "балун" осуществляет конвертацию несбалансированного сигнала, передаваемого по коаксиальной среде, в сбалансированный сигнал, который может распространяться по кабелям "витая пара".

После возникновения технологии Ethernet вначале 80-х годов, коаксиальный кабель с сопротивлением 50 0м начал заполнять коммерческие здания. По мере расширения популярности Ethernet, ведущие производители, такие как Cabletron и Bay Networks (бывшая Synoptics), начали предлагать сетевые интерфейсные карты с модульными разъемами вместо коаксиальных коннекторов.

Эта высокоскоростная технология (10BASE-T) требовала применения первоклассного кабеля "витая пара", оптимизированного для передачи данных, который позднее был классифицирован как UTP категории 3.

В середине 80-х годов компания IBM разработала технологию Token Ring, определив в качестве передающей среды двухпарный экранированный кабель "витая пара" (ЭВП) 150 0м (Shielded Twisted Pair, STP). Однако, по мере расширения применения витой пары в сетевых приложениях передачи данных, как альтернатива STP была введена в употребление UTP в качестве передающей среды для приложений Token Ring 4 и 16 Мбит/с.

В течение этого периода пользователи были поставлены перед выбором нескольких типов передающих сред, которые включали в себя UTP, STP, коаксиал, твинаксиал, двойной коаксиал и оптическое волокно. Коннекторы, использовавшиеся с вышеперечисленными кабелями - модульные разъемы, универсальные коннекторы передачи данных (UDC), BNC, твинакс, DB9, DB15, DB25 и разнообразные оптические коннекторы. При приобретении конечным пользователем оборудования у нового производителя или при установке новой системы старая система обычно полностью была обречена на замену. Вместо извлечения ненужных теперь кабелей из телекоммуникационных трасс, они часто оставлялись на своем месте и новая кабельная система прокладывалась поверх старой. Зачастую старые кабельные трассы становились настолько захламленными, что приходилось создавать новые.

Для удовлетворения растущего спроса на телекоммуникационные кабельные системы, которые могли поддерживать различные приложения, производители создавали кабельные системы, которые поддерживали речевые приложения и специфические приложения передачи данных. Несмотря на появление таких тенденций, конечные пользователи все еще были вынуждены делать выбор среди множества кабельных систем от различных производителей. В некоторых случаях была возможна совместимость, в других ее не было. Отсутствие однородности и универсальности вынудило промышленность к разработке стандартов, которые бы гарантировали совместимость между продукцией различных производителей. Для удовлетворения этого требования в 1985 году

Ассоциация электронной промышленности (ЕIА) и Ассоциация телекоммуникационной промышленности (ТIА) организовали работу технических комитетов для разработки однородного семейства стандартов телекоммуникационных кабельных систем. Эти комитеты работали более 6-ти лет в направлении разработки первых упорядоченных стандартов телекоммуникационного каблирования, телекоммуникационных трасс и помещений. Разработанные стандарты получили распространение во многих странах и были выработаны дополнительные спецификации к разделам по администрированию, системам заземления, а также универсальные категории кабельных продуктов и соответствующих коннекторов для среды UTP/STP 100 0м. Работа над стандартами кабельных систем была продолжена новым изданием стандарта ANSI/TIA/EIA-568-A и находящимся в настоящее время на стадии публикации стандартом ANSI/TIA/EIA-568-B, а также выпуском международного стандарта универсальной кабельной системы ISO/IEC 11801 и европейского стандарта универсальной кабельной системы CENELEC EN 50173.

До 1991 года законодателями в телекоммуникационных кабельных системах были компании-производители компьютерной техники. Конечные пользователи зачастую оказывались в неприятном положении из-за противоречивших друг другу требований отдельных производителей по рабочим характеристикам систем и были вынуждены платить большие суммы за монтаж, настройку и эксплуатацию частных систем.

Промышленность средств телекоммуникаций признавала необходимость создания экономичной, эффективной кабельной системы, которая могла бы поддерживать наиболее возможно широкий спектр приложений и оборудования. ЕIА, ТIА и представительный консорциум ведущих телекоммуникационных компаний начали совместную работу по созданию стандарта на телекоммуникационные кабельные системы коммерческих зданий ANSI/EIA/TIA-568-1991 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard).

Дополнительные нормативные документы, описывающие требования и правила по проектированию и монтажу телекоммуникационных кабельных трасс и помещений, администрированию систем, спецификации кабельных компонентов и коммутационного оборудования, были выпущены вслед за ним. Стандарт ANSI/EIA/TIA-568-1991 был пересмотрен в 1995 году и в настоящее время носит название ANSI/TIA/EIA-568-A.

Целью указанных стандартов является описание структурированного каблирования - телекоммуникационной кабельной системы, которая может виртуально поддерживать любые приложения передачи речи, изображения и данных по желанию конечного пользователя.

В настоящее время по мере того, как все большее количество пользователей переходят к применению открытых систем, выпускаемое активное оборудование проектируется на основе положения, что кабельная часть информационной инфраструктуры соответствует требованиям стандартов, то есть является гарантированно надежной и способной обеспечивать определенные рабочие характеристики. К различным рискам, являющимися следствием нестандартных кабельных систем, можно отнести следующие - сетевые рабочие характеристики ниже определенных стандартами, повышенная стоимость внесения изменений в систему и неспособность системы поддерживать новые технологии. По мере распространения принципов структурированного каблирования стоимость устанавливаемого сетевого оборудования падала, а эффективность передачи данных росла с экспоненциальной зависимостью. Телекоммуникационная инфраструктура переросла в доступный инструмент бизнеса с широкими возможностями.

Структурированная кабельная система (СКС) является основополагающей базой на протяжении всего времени существования информационной сети. Это основа, от которой зависит функционирование всех деловых приложений. Правильно спроектированная, смонтированная кабельная система снижает расходы любой организации на всех фазах своей жизни.

По данным статистики несовершенные кабельные системы являются причиной до 70% всех простоев информационной сети. Монтируя СКС, созданную в соответствии с положениями стандартов, можно эффективно устранять значительную долю времени простоев.

Несмотря на то, что кабельная система, как правило, существует дольше большинства других сетевых компонентов, ее стоимость составляет небольшую часть общих инвестиций в информационную сеть. Таким образом, использование структурированной кабельной систем является весьма убедительным способом инвестирования в производительность любой организации или компании.

Кабельная система является компонентом сети с самым продолжительным временем жизни, дольше которого существует только каркас здания. Кабельная система, созданная на основе стандартов, гарантирует долговременное функционирование сети и поддержку многочисленных приложений, обеспечивая отдачу от инвестиций на всем протяжении ее существования.

1.3.2 Витая пара

Витая пара (twisted pair) -- вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой.

Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодического сближения проводников различных пар) в кабелях UTP категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом. Витая пара -- один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet и Token ring. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в монтаже, является самым распространённым решением для построения проводных (кабельных) локальных сетей.

Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи разъёма 8P8C, который часто неверно называют RJ45.

Виды кабеля, который применяется в сетях

В зависимости от наличия защиты -- электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности данной технологии:

''неэкранированная витая пара'' (UTP -- Unshielded twisted pair) -- без защитного экрана;

''фольгированная витая пара'' (FTP -- Foiled twisted pair) -- присутствует один общий внешний экран в виде фольги;

''экранированная витая пара'' (STP -- Shielded twisted pair) -- присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;

''фольгированная экранированная витая пара'' (S/FTP -- Screened Foiled twisted pair) -- внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;

''незащищенная экранированная витая пара'' (SF/UTP -- Screened Foiled Unshielded twisted pair').Отличие от других типов витых пар заключается в наличии двойного внешнего экрана, сделанного из медной оплётки, а также фольги.

Экранирование обеспечивает лучшую защиту от электромагнитных наводок как внешних, так и внутренних и т. д. Экран по всей длине соединен с неизолированным дренажным проводом, который объединяет экран в случае разделения на секции при излишнем изгибе или растяжении кабеля.

В зависимости от структуры проводников -- кабель применяется одно- и многожильный. В первом случае каждый провод состоит из одной медной жилы и называется жила-монолит, а во втором -- из нескольких и называется жила-пучок.

Одножильный кабель не предполагает прямых контактов с подключаемой периферией. То есть, как правило, его применяют для прокладки в коробах, стенах и т. д. с последующим терминированием розетками. Связано это с тем, что медные жилы довольно толсты и при частых изгибах быстро ломаются. Однако для «врезания» в разъемы панелей розеток такие жилы подходят как нельзя лучше.

В свою очередь многожильный кабель плохо переносит «врезание» в разъёмы панелей розеток (тонкие жилы разрезаются), но замечательно ведет себя при изгибах и скручивании. Кроме того, многожильный провод обладает большим затуханием сигнала. Поэтому многожильный кабель используют в основном для изготовления патч-кордов (patchcord), соединяющих периферию с розетками.

1.3.3Категории кабеля UTP

Существует несколько категорий кабеля витая пара, которые нумеруются от CAT1 до CAT7 и определяют эффективный пропускаемый частотный диапазон. Кабель более высокой категории обычно содержит больше пар проводов, и каждая пара имеет больше витков на единицу длины. Категории неэкранированной витой пары описываются в стандарте EIA/TIA 568 (Американский стандарт проводки в коммерческих зданиях) и в международном стандарте ISO 11801, а также приняты ГОСТ Р 53246-2008 и ГОСТ Р 53245-2008.

CAT1 (полоса частот 0,1 МГц) -- телефонный кабель, всего одна пара (в России применяется кабель и вообще без скруток -- «лапша» -- у нее характеристики не хуже, но больше влияние помех). В США использовался ранее, только в «скрученном» виде. Используется только для передачи голоса или данных при помощи модема.

CAT2 (полоса частот 1 МГц) -- старый тип кабеля, 2 пары проводников, поддерживал передачу данных на скоростях до 4 Мбит/с, использовался в сетях Token ring и Arcnet. Сейчас иногда встречается в телефонных сетях.

CAT3 (полоса частот 16 МГц) -- 4-парный кабель, используется при построении телефонных и локальных сетей 10BASE-T и token ring, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 100 метров. В отличие от предыдущих двух, отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3.

CAT4 (полоса частот 20 МГц) -- кабель состоит из 4 скрученных пар, использовался в сетях token ring, 10BASE-T, 100BASE-T4, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с по одной паре, сейчас не используется.

CAT5 (полоса частот 100 МГц) -- 4-парный кабель, использовался при построении локальных сетей 100BASE-TX и для прокладки телефонных линий, поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар.

CAT5e (полоса частот 125 МГц) -- 4-парный кабель, усовершенствованная категория 5. Скорость передач данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар. Кабель категории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Иногда встречается двухпарный кабель категории 5e. Кабель обеспечивает скорость передач данных до 100 Мбит/с. Преимущества данного кабеля в более низкой себестоимости и меньшей толщине.

CAT6 (полоса частот 250 МГц) -- применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 1000 Мбит/с и до 10 гигабит на расстояние до 50 м. Добавлен в стандарт в июне 2002 года.

CAT6a (полоса частот 500 МГц) -- применяется в сетях Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с и планируется использовать его для приложений, работающих на скорости до 40 Гбит/с. Добавлен в стандарт в феврале 2008 года.

CAT7 (полоса частот 600--700 МГц) -- спецификация на данный тип кабеля утверждена только международным стандартом ISO 11801, скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары. Седьмая категория, строго говоря, не UTP, а S/FTP (Screened Fully Shielded Twisted Pair).

CAT7a (полоса частот 1000 МГц) - разработана для передачи данных на скоростях до 40 Гбит/с.

Каждая отдельно взятая витая пара, входящая в состав кабеля, предназначенного для передачи данных, должна иметь волновое сопротивление100±15 Ом, в противном случае форма электрического сигнала будет искажена и передача данных станет невозможной. Причиной проблем с передачей данных может быть не только некачественный кабель, но также наличие «скруток» в кабеле и использование розеток более низкой категории, чем кабель.

1.3.4 Волоконно-оптический кабель (ВОК)

Волоконно-оптические коммуникации имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе. В волоконно-оптических системах передаваемые сигналы не искажаются ни одной из форм внешних электронных, магнитных или радиочастотных помех. Таким образом, оптические кабели полностью невосприимчивы к помехам, вызываемым молниями или источниками высокого напряжения. Более того, оптическое волокно не испускает излучения, что делает его идеальным для соответствия требованиям современных стандартов к компьютерным приложениям. Вследствие того, что оптические сигналы не требуют наличия системы заземления, передатчик и приемник электрически изолированы друг от друга и свободны от проблем, связанных с возникновением паразитных токовых петель. При отсутствии сдвига потенциалов в системе заземления между двумя терминалами, исключающим искрения или электрические разряды, волоконная оптика становится все более предпочтительным выбором для реализации многих приложений, когда требованием является безопасная работа в детонирующих или воспламеняющихся средах.

По сравнению с обычными коаксиальными кабелями с равной пропускной способностью, меньший диаметр и вес волоконно-оптических кабелей означает сравнительно более легкий монтаж, особенно в заполненных трассах. 300 метров одноволоконного кабеля весят около 2,5 кг. 300 метров аналогичного коаксиального кабеля весят 32 кг - приблизительно в 13 раз больше.

Конструкция

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей -- сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины -- 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней. Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двухмерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Классификация

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения -- каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе -- показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрон и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Таблица 1.2.

Стандарты оптических волокон и области их применения

Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
MMF 50/125 градиентное волокно	MMF 62,5/125 градиентное волокно	SF 8/125 ступенчатое волокно
ЛВС(Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	ЛВС(Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	Протяженные сети (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM, магистрали SDH)

1.3.5 Собственные потери оптического волокна

Свет является электромагнитной волной. Скорость света уменьшается при распространении по прозрачным материалам по сравнению со скоростью распространения света в вакууме. Волны инфракрасного диапазона также распространяются различно по оптическому волокну. Поэтому затухание, или потери оптической мощности, должны измеряться на специфических длинах волн для каждого типа волокна. Длины волн измеряются в нанометрах (нм).

Потери оптической мощности на различных длинах волн происходят в оптическом волокне вследствие поглощения, отражения и рассеяния. Эти потери зависят от пройденного расстояния и конкретного вида волокна, его размера, рабочей частоты и показателя преломления. Величина потерь оптической мощности вследствие поглощения и рассеяния света на определенной длине волны выражается в децибелах оптической мощности на километр (дБ/км).

Волокна оптимизированы для работы на определенных длинах волн. Например, можно достичь потерь в 1 дБ/км для многомодового волокна 50/125 мкм на длине волны 1300 нм, и менее 3 дБ/км (50%-е потери мощности) для того же волокна на 850 нм. Эти два волновых региона, - 850 и 1300 нм, являются областями наиболее часто определяемыми для рабочих характеристик оптических волокон и используются современными коммерческими приемниками и передатчиками. Кроме того, одномодовые волокна оптимизированы для работы в регионе 1550 нм.

В коаксильном кабеле чем больше частота, тем больше уменьшается амплитуда сигнала с увеличением расстояния, и это явление называется затуханием. Частота для оптического волокна постоянна до тех пор, пока она не достигнет предела диапазона рабочих частот. Таким образом, оптические потери пропорциональны только расстоянию. Такое затухание в волокне вызвано поглощением и рассеиванием световых волн на неоднородностях, вызванных химическими загрязнениями, и на молекулярной структуре материала волокна. Эти микрообъекты в волокне поглощают или рассеивают оптическое излучение, оно не попадает в ядро и теряется. Затухание в волокне специфицируется производителем для определенных длин волн: например, З дБ/км для длины волны 850 нм. Это делается потому, что потери волокна изменяются с изменением длины волны.

Потери на микроизгибах. Без специальной защиты оптическое волокно подвержено потерям оптической мощности вследствие микроизгибов. Микроизгибы - это микроскопические искажения волокна, вызываемые внешними силами, которые приводят к потере оптической мощности из ядра. Для предотвращения возникновения микроизгибов применяются различные типы защиты волокна. Волокна со ступенчатым показателем относительно более устойчивы к потерям на микроизгибах, чем волокна с градиентным показателем.

Полоса пропускания (ширина спектра) - это мера способности волокна передавать определенные объемы информации в единицу времени. Чем шире полоса, тем выше информационная емкость волокна. Полоса выражается в МГц-км.

Например, по волокну с полосой 200 МГц-км можно передавать данные с частотой 200 МГц на расстояния до 1 км или с частотой 100 МГц на расстояния до 2 км. Благодаря сравнительно большой полосе пропускания, волокна могут передавать значительные объемы информации. Одно волокно с градиентным показателем преломления может с легкостью передавать 500 миллионов бит информации в секунду. Тем не менее, для всех типов волокон существуют ограничения ширины полосы, зависящие от свойств волокна и типа используемого источника оптической мощности.

Для точного воспроизведения передаваемых по волокну данных световые импульсы должны распространяться раздельно друг от друга, имея четко различимую форму и межимпульсные промежутки. Однако лучи, несущие каждый из импульсов, проходят разными путями внутри многомодового волокна. Для волокон со ступенчатым показателем преломления лучи, проходя зигзагообразно по волокну под разными углами, достигают приемника в разное время.

Это различие во времени прибытия импульсов в точку приема приводит к тому, что импульсы на выходе линии искажаются и накладываются друг на друга. Это так называемое модальное рассеивание, или модальная дисперсия, или уширение светового импульса ограничивает возможную для передачи частоту, так как детектор не может определить, где заканчивается один импульс и начинается следующий. Разница во временах прохождения самой быстрой и самой медленной мод света, входящих в волокно в одно и то же время и проходящих 1 км, может быть всего лишь 1 -3 нс, однако такая модальная дисперсия влечет за собой ограничения по скорости в системах, работающих на больших расстояниях. Удваивание расстояния удваивает эффект дисперсии.

Модальная дисперсия часто выражается в наносекундах на километр, например, 30 нс/км. Также она может быть выражена и в частотной форме, например 200 МГц-км. Это означает, что волокно или система будут эффективно работать в пределах частот до 200 МГц, прежде чем рассеивание начнет сказываться на пропускной способности на расстояниях более одного километра. Эта же система сможет передавать сигнал с частотой 100 МГц на расстояние в два километра.

Дисперсия делает многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления наименее эффективным по ширине полосы среди всех трех типов волокна. Поэтому оно используется на более коротких участках и низких частотах передачи. Типичным значением ширины полосы ступенчатого волокна является 20 МГц-км.

Размеры ядра одномодового волокна малы - от 8 до 10 мкм, что позволяет проходить по волокну только одному лучу света. Так как модальная дисперсия в данном случае полностью отсутствует, полоса пропускания у такого волокна гораздо больше, чем у многомодового, что позволяет достигать рабочих частот свыше нескольких сотен гигагерц на километр (ГГц-км).

Оптические волокна обладают еще одной разновидностью дисперсии, возникающей вследствие того, что разные длины волн распространяются в среде с разной скоростью. Такую "спектральную дисперсию" можно наблюдать, когда белый свет распадается на семь цветов радуги, проходя через стеклянную призму. Волны, представляющие разные цвета, движутся в среде с разной скоростью, что приводит к различию в траекториях распространения лучей. Если бы оптический источник волоконной системы излучал свет одной частоты, спектральная дисперсия или материальная дисперсия (или хроматическая дисперсия, как ее еще часто называют) была бы устранена. В действительности, абсолютно монохроматических источников света не существует. Лазеры обладают определенным, хотя и очень небольшим, уширением спектра излучаемого света. У источников света на основе LED (полупроводниковые светодиоды) спектральный диапазон в 20 раз шире чем у лазера, и спектральная дисперсия, в свою, очередь намного выше. Дисперсия в стеклянном волокне минимальна в регионе около 1300 нм, позволяя одномодовым волокнам иметь значительную полосу на данной длине волны.

Одномодовое волокно обычно используется с лазерными источниками благодаря своей высокой спектральной чистоте. Для обеспечения эффективного функционирования таких систем требуются прецизионные коннекторы и муфты.

Благодаря своим низким потерям и высоким пропускным характеристикам, одномодовые волокна, как правило, являются наилучшим и, как правило, единственным выбором для монтажа протяженных высокоскоростных линий, таких как междугородние телекоммуникационные системы.

Между одномодовым волокном и волокном со ступенчатым показателем преломления располагаются волокна с градиентным показателем преломления. Для уменьшения эффекта модальной дисперсии лучи в таких волокнах постепенно перенаправляются назад к оси ядра. Волокна с градиентным показателем преломления имеют гораздо большую полосу, чем волокна со ступенчатым показателем преломления. По волокну с градиентным показателем преломления с полосой 600 МГц-км можно передавать сигнал с модуляцией 20 МГц на расстояние до 30 км. Стоимость такого стеклянного волокна является одной из самых низких. Малые потери мощности передаваемого сигнала плюс большая полоса позволяют использовать его для монтажа локальных сетей.

1.3.6 Горизонтальная кабельная система

Горизонтальная кабельная система начинается телекоммуникационной розеткой на рабочем месте и заканчивается горизонтальным кроссом в телекоммуникационном шкафу. Она включает в себя: розетку, горизонтальный кабель, точки терминирования и патч-корды (кроссировочные перемычки), представляющие собой горизонтальный кросс.

Горизонтальная кабельная система должна иметь топологическую конфигурацию "звезда". Каждое рабочее место соединено непосредственно с горизонтальным кроссом (НС) в телекоммуникационном шкафу (ТС). Максимальная протяженность любого горизонтального кабельного сегмента не должна превышать 90 м независимо от типа используемой передающей среды.

Горизонтальные кабели по своему количеству занимают первое место во всем объеме кабельных сегментов телекоммуникационной инфраструктуры здания. Несмотря на то, что стандарт Е1А/Т1А 568 суживает круг возможных вариантов кабельной продукции, одним из основных моментов при планировании СКС является правильный выбор типа передающей среды для обеспечения поддержки вероятных изменений в будущем. Применяемый тип кабеля должен служить более одного планируемого периода развития телекоммуникационной сети. В горизонтальной подсистеме стандартом 586 разрешается использовать следующие типы передающих сред:

Кабель UTP 5е пары, 100 Ом

Многомодовое оптическое волокно 62,5/125 мкм

Кабель STP-A 2 пары,150 Ом

Коаксиальный кабель 50 Ом

Коаксиальный кабель 50 0м признается стандартом '568 в качестве передающей среды, но не рекомендуется для новых систем. Разрешается монтаж дополнительных коаксиальных розеток. Такие розетки являются дополнением и не могут заменять минимально требуемые стандартом.

Компоненты, предназначенные для поддержки специфических приложений (например, всевозможные типы адаптеров и конверторов), не могут быть использованы в качестве элемента горизонтальной кабельной системы. При необходимости они должны располагаться вне по отношению к телекоммуникационной розетке или горизонтальному кроссу. Это требование стандарта имеет своей целью обеспечение максимальной универсальности кабельной системы и ее независимость от конкретных приложений и интерфейсов.

Одной из основных проблем "медных" кабельных систем является их подверженность воздействию электромагнитных помех. По этой причине стандарт '568 предписывает при проектировании кабельных систем учитывать расположение потенциальных источников помех. Конкретные спецификации по разделению кабельных инфраструктур и источников помех определены в стандарте ANSI/EIA/TIA-569.

При каблировании открытых офисных пространств часто применяется плоский 4-парный подковровый кабель. Место сопряжения такого кабеля и круглого распределительного кабеля, приходящего от горизонтального кросса, носит название "переходной точки" (ТР -Transition Point). Стандарт допускает применение одной переходной точки между различными формами одного типа кабеля на одном сегменте горизонтального кабеля.

Стандарт запрещает использование в горизонтали шунтированных отводов, (то есть появление одних и тех же пар кабеля на нескольких телекоммуникационных розетках, или, говоря простым языком, - запараллеливание линий), а также использование муфт для металлических кабелей. Необходимость использования муфт в горизонтальных сегментах, длина которых не может превышать 90 м, необоснованна, в то время как их наличие может значительно ухудшать рабочие передающие характеристики горизонтальной линии.

В случае волоконно-оптических систем установка муфт разрешена, но рекомендуется ограничить их применение телекоммуникационным шкафом. Как правило, муфты в волоконно-оптических системах и применяются в телекоммуникационных шкафах при терминировании распределительных волоконно-оптических кабелей так называемыми шнурами pig-tail. Эта технология позволяет осуществлять переход и подключение распределительных кабелей, содержащих в себе волокна, как правило, небольшого размера (диаметр буфера ~ 250 мкм) с коннекторами, требующими терминирования волокна с буферами большего размера (~ 900 мкм). Шнур pig-tail представляет собой короткий отрезок волоконно-оптического кабеля длиной около 1-3 м, терминированный в заводских условиях коннектором. Соединение распределительного кабеля и шнура pig-tail осуществляется с помощью, как правило, сварной муфты, обеспечивающей высококачественный переход с низкими потерями порядка 0,01 - 0,1 дБ.