Физический уровень сетевой модели

4.1. Общие сведения о физическом уровне

Программно-аппаратные средства нижних уровней модели сети (OSI или TCP/IP) обеспечивают доступ к сетевой среде передачи информации. Программные и аппаратные средства физического и канального уровней зависят от сетевых технологий. Аппаратные средства физического уровня представлены медными и оптоволоконными кабелями, беспроводной средой передачи данных, разъемами, повторителями сигналов (repeater), многопортовыми повторителями или концентраторами (hub), преобразователями среды (transceiver), например, преобразователями электрических сигналов в оптические и наоборот. Аппаратные средства канального уровня представлены коммутаторами (switch). Отдельно следует отметить сетевые карты или адаптеры (Network Interface Card - NIC), функционирование которых охватывает как канальный, так и физический уровни. В модели TCP/IP канальный и физический уровни представлены объединенным уровнем сетевого доступа Network Access.

В качестве среды передачи данных используют коаксиальный кабель (coaxial cable), неэкранированную (UTP - Unshielded Twisted Pair) или экранированную витую пару (STP - Shielded Twisted Pair), оптоволоконный кабель (fiber optic), беспроводные радиоканалы. Для каждой среды и технологии передачи данных определены свои протоколы и стандарты, разработкой которых занимается целый ряд международных организаций, перечисленных в "Протоколы обмена сообщениями" .

Канальный уровень обеспечивает обмен пакетами с сетевым (межсетевым) уровнем и реализует доступ к физической среде передачи данных. Поэтому протоколы сетевого уровня и выше инвариантны к сетевой физической среде.

Различная физическая среда позволяет передавать данные по сети с разной скоростью. При этом измеряются и учитываются следующие параметры:

• пропускная способность (bandwidth), отображающая объем переданных данных за единицу времени (Кбит/с, Мбит/с);
• производительность (throughput) ниже пропускной способности из-за возникновения очередей и различных задержек при передаче данных;
• полезная пропускная способность (goodput) - это объем переданных за единицу времени данных без учета заголовков сегментов, пакетов, кадров, а также другой служебной информации.

Как правило, наибольшую скорость и дальность передачи данных обеспечивают оптоволоконные кабели, у которых меньше влияние электромагнитных (EMI) и радиочастотных помех (RFI), а также отсутствуют перекрестные помехи (crosstalk) из-за взаимного влияния сигналов в соседних волокнах. Беспроводная среда характеризуется сравнительно малой скоростью и дальностью передачи. Однако мобильность пользователей и легкость развертывания беспроводных сетей предопределили их бурное развитие. Главной проблемой беспроводных сетей стала информационная безопасность. Медные кабели имеют средние показатели при сравнении с беспроводной средой и оптоволоконными кабелями. Медные кабели получили широкое распространение в локальных сетях технологий Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet.

4.2. Медные кабели

Локальные сети, как правило, строятся на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair - UTP). Экранированная витая пара (STP), по сравнению с неэкранированной, обеспечивает лучшую защиту передаваемого сигнала от помех. Однако UTP дешевле, поэтому широко применяется в наиболее популярных технологиях Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet. Такие кабели называют также симметричными в отличие от коаксиальных медных кабелей, используемых, например, в телевидении.

В кабеле UTP четыре пары свитых медных проводов. Для подключения кабеля к сетевым устройствам используется разъем (коннектор) 8Р8С (8 Position, 8 Contact) или, по-другому RJ-45, имеющий 8 контактов.

Основными характеристиками кабелей являются: максимальная частота передаваемого по кабелю сигнала, затухание, величина перекрестных помех. Для снижения влияния электромагнитных (EMI)и радиочастотных помех (RFI), вызванных электромагнитными полями электромоторов, печей СВЧ, ламп дневного света, выполняют свивание пар медных проводов. Эта мера также снижает перекрестные помехи (crosstalk) из-за взаимного влияния сигналов в соседних витых парах. Для лучшего эффекта увеличивают число витков на единицу длины кабеля, а шаг свивания соседних пар делают немного разным.

Основные характеристики кабелей специфицированы международным стандартом ISO/IEC 11801 (или стандартом TIA/EIA-568A, 568В), который специфицирует кабели по категориям (табл. 4.1). Кабели категории 7 - экранированные.

Кабели категорий 3 - 7, предназначены для работы в сетях Ethernet и совместимых с ними, позволяют передавать данные на расстояние до 100 м.

Широко распространенный в настоящее время симметричный кабель UTP категории 5 характеризуется: затуханием от 0,8 дБ на частоте 64 кГц до 22 дБ на частоте 100 МГц; волновое сопротивление 100 или 120 Ом; активное сопротивление не более 9,4 Ом на 100 м; емкость не более 5,6 нФ на 100 м.

В настоящее время кабель UTP категории 5 в сетях FastEthernet 100Base-TХ заменяется кабелем категории 5е, по которому можно передавать данные со скоростью выше 125 Мбит/с.

Симметричные кабели UTP обеспечивают передачу сигналов на расстояние до 100 м.

Кабели категории 7 - экранированные, они имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары. Седьмая категория, строго говоря, не UTP, а S/FTP (Screened Fully Shielded Twisted Pair).

Витая пара категории 7aс полосой частот до 1200 МГц разработана для передачи данных на скоростях до 40 Гбит/с на расстояние до 50 м, а при скорости до 100 Гбит/с - на расстояние до 15 м. Это меньше обычного для витой пары расстояния 100 м, но скорость передачи очень высокая.

На рис. 4.1 приведена схема формирования витых пар симметричного кабеля с использованием 8-ми контактного разъема 8Р8С (RJ-45). Такие кабели являются основными в локальных сетях технологий Ethernet и совместимых с ними.

Рис. 4.1. Схема формирования витых пар симметричного кабеля

Для подключения конечного узла локальной сети, например, компьютера к коммутатору, коммутатора к маршрутизатору ( рис. 4.2а) используется прямой кабель (Straight-through Cable), схема подключения проводов которого к контактам разъемов RG-45 соответствует схеме рис. 4.1 и приведена на рис. 4.2б.

а)

б)

Рис. 4.2. Прямой кабель

Первая пара проводов (бело-оранжевого и оранжевого цвета, контакты 1, 2) используется для передачи, вторая пара (бело-зеленого и зеленого цвета, контакты 3, 6) - для приема. Оставшиеся 2 пары (синего и бело-синего цвета, контакты 4, 5; бело-коричневого и коричневого цвета, контакты 7, 8) в технологии Ethernet не используются.

Прямой кабель в локальных сетях используется для соединения следующей аппаратуры:

1. Коммутатора с маршрутизатором
2. Коммутатора с компьютерами или серверами
3. Концентратора с компьютерами или серверами.

Для соединения между собой компьютеров, коммутаторов или концентраторов ( рис. 4.3а) используется кроссовый кабель (Crossover Cable). При соединении однотипных устройств прямым кабелем передатчик одного устройства соединялся бы с передатчиком другого, что приводило бы к перегрузке передатчиков. Кроссовый кабель, схема которого приведена на рис. 4.3б, позволяет избежать такого соединения.

а)

б)

Рис. 4.3. Кроссовый кабель

В кроссовом кабеле обычно используют 2 витых пары, причем, контакты 1 и 2 одного разъема RJ-45 соединяются с контактами 3 и 6 другого ( рис. 4.3б).

Кроссовый кабель используется для соединений однотипных устройств:

1. Коммутатора с коммутатором
2. Коммутатора с концентратором
3. Концентратора с концентратором
4. Маршрутизатора с маршрутизатором
5. Маршрутизатора с компьютером
6. Компьютера с компьютером.

В современных сетевых устройствах имеются определители портов, которые при необходимости автоматически выполняют кроссирование соединения внутри устройства (технология Auto-MDIX), поэтому кроссовые кабели практически не используются.

Для конфигурирования коммутатора или маршрутизатора их соединяют с последовательным СОМ-портом (RS-232) или с USB-портом компьютера (терминала). При этом используется консольный кабель, называемый также Rollover Cable ( рис. 4.4). Из рис. 4.4 следует, что второй разъем кабеля имеет нумерацию контактов обратную первому. В отличие от прямого или кроссового кабелей, имеющих круглое сечение, консольный кабель - плоский, голубого или черного цвета.

Рис. 4.4. Консольный кабель

Интерфейс коммутатора или маршрутизатора для связи с терминалом называется консольным портом. Консольные кабели старого типа используют переходные адаптеры от разъема RJ-45 консольного кабеля к разъему DB-9 или DB-25 СОМ-порта терминала. В консольных кабелях нового типа с одной стороны установлен разъем RJ-45, а с другой стороны разъем DB-9 или USB.