4 Media transmisyjne i technologie sieciowe, Ćwiczenia z Topologia

Pobierz 4 Media transmisyjne i technologie sieciowe i więcej Ćwiczenia w PDF z Topologia tylko na Docsity!

Rozdział III – Media transmisyjne i technologie sieciowe

wybrany typ modulacji, jak zakodowano dane, z jaką częstotliwością generowane są sygnały itp.

Dlatego dla pewnego uproszczenia będziemy używać drugiego pojęcia przepustowości efektywnej, która będzie określać ilość użytecznych danych przesłanych w danej jednostce czasu. W zależności od warunków zewnętrznych, jakości łącza i urządzeń sieciowych, przepustowość ta będzie się zmieniać w czasie. Miara ta jest zawsze mniejsza lub równa (w rzadkich okolicznościach) przepustowości łącza.

Złącze – będzie określeniem zarówno wtyku kabla, jak i gniazda znajdującego się w urządzeniu lub w gniazdu abonenckim.

Standard – Wszystkie te parametry nie wzięły się znikąd. Określają je właśnie standardy, między innymi skomplikowane nazwy okablowania, rodzaje złączy, różne parametry takie jak maksymalne dopuszczalne zakłócenia, maksymalna długość jednego odcinka kabla, ilość urządzeń pracujących w jednym segmencie sieciowym itp. Organizacje, które opracowują nowe standardy nazywamy organizacjami standaryzującymi. Samych tych organizacji nie będziemy na razie omawiać ani wymieniać wszystkich standardów. W ramach tego rozdziału będą przedstawione tylko niektóre z nich.

Zakłócenia – są to wszystkie negatywne czynniki zarówno zewnętrzne jak i wewnętrzne, która wpływają na spadek wydajności, zniekształcenie danych lub nawet na całkowitą niemożność ich przesyłania.

Podział mediów transmisyjnych na przewodowe i bezprzewodowe już znasz. Podzielmy sobie konkretnie media przewodowe. W sieciach komputerowych na przestrzeni lat stosowano różnego rodzaju złącza oraz kable. W pierwszej sieci ARPANET urządzenia pośredniczące (IMP) miały specjalnie zaprojektowane interfejsy szeregowe do połączenia stacji końcowej do urządzenia. Później stworzono standard X.25, który definiował między innymi sposób połączenia ze sobą urządzeń. Urządzenia komputerowe używały kabli i złączy zdefiniowanych w standardzie RS-232 (później EIA-232) aby móc połączyć się ze stacjami przyłączonymi do linii analogowych^34.

(^34) X.25 został później zastąpiony przez nowszy standard FrameRelay.

Rysunek 4.1 Modem sieciowy z portem szeregowym.

W 1980 opublikowano pierwszą wersję standardu Ethernet. Zarówno w sieci Ethernet, jak i opartej na innych technologiach (Token Ring, Token Bus, FDDI), używa się następujących połączeń:

 kabel koncentryczny ze złączem BNC;  skrętka miedziana ze złączem RJ-45;  światłowód ze złączami rozłączalnymi różnego typu;

Skupimy się na nich, ponieważ są one najczęściej spotykanymi rodzajami okablowania sieciowego 35. Jeśli chodzi o media bezprzewodowe, to tutaj będziemy się skupiać na dwóch rodzajach mediów:

 fale radiowe o częstotliwości z zakresu 2,4 GHz oraz 5 GHz;  fale z zakresu podczerwieni;

W mniejszym stopniu powiemy też sobie o technologiach szerokopasmowych, choć na ten moment bardziej będą nas dotyczyć te lokalne metody bezprzewodowe. Media radiowe zostaną także podzielone na dwie sekcje, ze względu na istnienie dwóch standardów sieciowych, są to:

 IEEE 802.11 (bardziej znany jako Wi-Fi);  IEEE 802.15 (Bluetooth);

(^35) Kabel koncentryczny prawie wyszedł z użycia, jednak warto znać jego budowę i parametry.

połączenia maszyn używał grubego kabla koncentrycznego z oznaczeniem RG-8/U, natomiast drugi standard 10BASE2 – kabla o oznaczeniu RG-58/U.

4.1.1 Budowa kabli koncentrycznych

Kabel koncentryczny wykorzystywany w sieciach w standardzie 10BASE5 oraz w standardzie 10BASE2 składa się z 4 głównych elementów:

 przewodu wewnętrznego;  izolacji wewnętrznej;  ekran wykonany z oplotu lub folii;  izolacja zewnętrzna;

Rysunek 4.3 Budowa Kabla koncetrycznego.

Sygnał jest przesyłany w przewodzie wewnętrznym, zwanym też rdzeniem. Najczęściej jest wykonany z miedzi, która zapewnia najlepsze przewodnictwo sygnałów elektrycznych. Rdzeń w kablu RG-8 ma średnicę 10 AWG^37 (około 2, mm) a dla kabla RG-58 – 20-24 AWG (0,75±0,25 mm).

(^37) AWG (American Wire Gauge) - znormalizowany system średnic przewodów elektrycznych stosowany w Stanach Zjednoczonych

Izolator wewnętrzny oddziela przewód wewnętrzny od ekranu kabla, dodatkowo chroni przed uszkodzeniem w wyniku zgięć. Wykonany najczęściej z tworzyw sztucznych np.: polietylenu.

Ekran jest wykonany z oplotów kabli miedzianych lub aluminiowych lub folii aluminiowej. Jego zadaniem jest chronić przewód wewnętrzny przed zakłóceniami zewnętrznymi (np. pola magnetyczne i elektromagnetyczne), ochrona przed utratą sygnału a także uziemienie kabla. Ekran może także zawierać sztywna tubę, która dodatkowo będzie chronić całość. Izolacja zewnętrzna stanowi osłonę przed wszelkimi czynnikami zewnętrznymi, takimi jak bród, promieniowanie itp. Dodatkowo na niej znaleźć możemy dane techniczne kabla.

4.1.2 Charakterystyka transmisji oraz dane techniczne

Przed zapoznaniem się z tabelką wyjaśnię pojęcia, które mają znaczenie w kontekście mówienia o sieciach, w których głównym medium transmisyjnym jest kabel koncentryczny:

 Segment sieci – zbiór urządzeń podłączonych do jednego wspólnego kabla. Segment będzie się też odnosił do połączenia między dwoma koncentratorami sieciowymi.  Impedancja falowa – jest to stosunek napięcia do prądu w dowolnym miejscu kabla. Być może słyszałeś o pojęciu rezystancji lub oporności. W dużym uproszczeniu, tak jak rezystancja stanowi opór dla prądu stałego, tak impedancja stanowi opór dla prądu przemiennego.

Dlaczego taka informacja jest zawarta przy kablu koncentrycznym oraz czemu występują główne 2 warianty impedancji – 50Ω lub 75Ω? Informacja o impedancji falowej zawarta w nocie katalogowej będzie potrzebna przy doborze

Rysunek 4.4 Przykładowy kabel koncentryczny (w tym przypadku RG-58/U).

4.1.3 Zasada 5-4-

Rysunek 4.5 Komputery w jednej sieci, zgodnie z zasadą 5-4-3.

Zasada ta określa ilość segmentów sieciowych oraz urządzeń znajdujących się w jednej domenie kolizyjnej. Zasada ta była wykorzystywana tylko w tych sieciach, do czasów powszechnego użycia przełączników, zastosowania kabla typu skrętka oraz wprowadzenia standardu 100BASET. O czym mówi ta zasada?

 5, oznacza że w sieci może się znaleźć maksymalnie 5 segmentów (na schemacie zaznaczone na czerwono). Jak widać do segmentu zalicza się też połączenie między hubami;  4, oznacza maksymalną ilość użytych koncentratorów w jednej sieci.  3, oznacza ilość segmentów, do których mogą być podłączone urządzenia końcowe (zaznaczone na zielono). Oznacza to że 2 z 5 segmentów służą tylko jako połączenie między koncentratorami.

Maksymalna długość sieci przy wykorzystaniu maksymalnej długości pojedynczego segmentu oraz użyciu dozwolonej ich ilości dla standardu 10BASE5 wynosi 2500m, a dla 10BASE2 – 985m.

4.1.4 Wtyczki i konektory

Rysunek 4.6 Złącze BNC.

Dla obu standardów wykorzystywano złącza typu BNC, ponieważ pozwalały na łatwy montaż względem innych typów złączy. Występują w wersji 50Ω oraz 75Ω, oczywiście w sieciach używamy pierwszy wariant. Inne akcesoria przedstawione na zdjęciach poniżej.

Rysunek 4.7 (Po lewej) Złącze BNC typu T (rozgałęźnik BNC) oraz terminator BNC (po prawej).

Złącze typu T (tzw. rozgałęźnik sygnału) pozwala na podłączenie stacji do jednej wspólnej magistrali. Z tego powodu podłączenie nowej stacji było problematyczne.

4.1.5 Zalety i wady

Przede wszystkim trzeba na początku powiedzieć, że kabel koncentryczny był wykorzystywany głównie w topologiach magistrali lub zawierających połączenia magistralowe (topologia hierarchiczna), rzadziej w topologii gwiazdy. Ze względu na to, że do jednego medium było podłączone wiele urządzeń, mogły one się komunikować w trybie half-duplex.

niezależnych drutów oraz połączeń typu punkt-punkt^38 komunikacja odbywa się w trybie full-duplex.

4.2.1 Budowa kabla

Skrętka w każdym wariancie oraz w każdej kategorii zawiera 4 pary żył, gdzie żyły w każdej parze są poskręcane ze sobą, a dodatkowo wszystkie pary są również skręcone. Zastanówmy się nad powodem takiego stanu rzeczy: dlaczego te wszystkie żyły są tak poskręcane?

Jest to zrobione w trosce o zniwelowanie zakłóceń występujących wzajemnie między żyłami. Odrobina fizyki na początek – Prąd płynący w przewodniku wytwarza pole magnetyczne wokół niego. Z kolei zmiany pola magnetycznego, zgodnie z prawem Faradaya, gdyby się znalazły w pobliżu innego przewodnika, będą generować chwilowy przepływ prądu 39. Gdy przesyłamy cyfrowe dane w medium, wysyłamy długi ciąg bitów, które w kablu są reprezentowane jako zmiany stanów niskich i wysokich. Im częstsze są te zmiany, tym częstsze będą zmiany pola magnetycznego, a tym samym na sąsiednich przewodach będzie się generować większy prąd. Spowoduje to duże przesłuchy oraz przekłamania w transmisji. Jak zatem temu zaradzić?

Rysunek 4.8 Indukowanie się prądu między sąsiednimi przewodami, powodującego zakłócenia tranmisji.

(^38) Dwa urządzenia się ze sobą bezpośrednio połączone za pomocą jednego wspólnego medium (nie ma żadnych dodatkowych urządzeń pomiędzy nimi, tak jak to jest w topologii magistrali). (^39) Na podobnej zasadzie działają chociażby bezprzewodowe ładowarki w telefonach.

Żeby zniwelować pole magnetyczne generowane przez przewód, trzeba użyć drugiego, który będzie generować pole przeciwne do pierwszego. Przeciwne pole magnetyczne będzie generować przewód, w którym płynie prąd o tym samym natężeniu, ale w przeciwnym kierunku. Dodatkowym warunkiem koniecznym jest to, że oba przewody muszą być identyczne, to znaczy:

 muszą mieć dokładnie taką samą długość;  muszą być wykonane z tego samego materiału;  muszą mieć taką samą średnicę przekroju poprzecznego. Innymi słowy muszą mieć tą samą grubość;

Rysunek 4.9 Znoszenie się pól w dwóch przewodach o przeciwnych prądach^40.

Dzięki temu, oba pola wzajemnie się zniosą, co będzie skutkować dużym obniżeniem przesłuchu. Oczywiście im bliżej będą te dwa przewody, tym bardziej zniwelujemy pola magnetyczne.

To jeszcze nie wyjaśnia skręcania par przewodów – równie dobrze moglibyśmy poprowadzić je równolegle. Na razie pozbyliśmy się wzajemnego oddziaływania pól magnetycznych wewnątrz całej skrętki. Pozostają teraz zakłócenia zewnętrzne. Jak już ustaliliśmy, im przewód znajduje się bliżej jakiegoś źródła pola magnetycznego, tym silniej ono oddziałuje na ten przewód, co będzie powodować większe zakłócenia. Załóżmy sytuacje, że mamy naszą „skrętkę” nieskręconą – przewody idą równolegle wzdłuż siebie.

(^40) Schemat należy traktować jako mocno uproszczony, przedstawia jedynie ogólną zasadę wzajemnego znoszenia się pól.

przewody tak samo, więc różnica między przesłuchami będzie mniejsza. Dodatkowo zyskujemy coś jeszcze – dzięki skręcaniu przewodów uzyskujemy na elastyczności kabla. Możemy go zginać w dowolna stronę.

Pozostaje jeszcze jedna drobna kwestia. Mimo że zniwelowaliśmy wewnętrzne pola magnetyczne generowane przez przewody, nie pozbyliśmy się ich całkowicie. To szczątkowe pole może interferować z polami innych par przewodów.

Rysunek 4.12 Wzajemne interferencje skręconych par przewodów w przypadku przewodów o tym samym skoku skrętu.

Moglibyśmy kombinować próbując układać kable tak, żeby przewód przesyłający dane znajdował się między dwoma przewodami, które niosą sygnały przeciwne. Nie zawsze będzie to możliwe do zagwarantowania, a przecież problemu trzeba się pozbyć. Sposobem, który częściowo rozwiązuje problem, jest użycie par z różnym skokiem skrętu. Skok skrętu to miara charakteryzująca odległość, na jakiej dwa przewody dokonają wzajemnego skrętu o 360°.

Rysunek 4.13 Wzajemne interferencje skręconych par przewodów w przypadku przewodów o różnym skoku skrętu.

Zastosowanie par przewodów o różnych skokach skrętu da nam pewność, że jakkolwiek pary przewodów wewnątrz kabla nie przemieściłyby się względem siebie, na całej długości odcinka pozostałe pola magnetyczne między parami przewodów również będą się znosić.

Poniżej zostawię kilka ciekawych źródeł, z których można poczytać o tych zjawiskach. Część z nich jest w języku angielskim.

Skoro mamy wyjaśnioną samą potrzebę skręcania kabli, można nareszcie przedstawić jego budowę na przykładzie kabla zawierającego folię zewnętrzną oraz folię na każdą parę przewodów.

QR 18 https://pl.khanacademy.or g/science/physics/magnetic -forces-and-magnetic- fields/magnetic-flux- faradays-law/a/what-is- faradays-law

QR 19 https://www.flukenetwor ks.com/blog/cabling- chronicles/physics- twisted-pair-cabling

QR 20 https://www.youtube.co m/watch?v=nfSJ62mzK yY

Cat. e

100MHz Dzięki poprawionej specyfikacji oraz większym restrykcjom, może być zastosowany w sieciach o wysokiej przepustowości.

100BASE-T, 100BASE- TX, 1000BASE-T (GigabitEthernet), 1000BASE-TX, 2.5GBASE-T. Cat.6 250MHz Stworzony to obsługi transmisji na poziomie 10Gbit/s. Szybko zastąpiony przez Cat.6e.

1000BASE-T, 1000BASE- TX, 2.5GBASE-T, 10GBASE-T 41 , Cat. a

500MHz Poprawiono parametry do obsługi wysokich przepustowości na dłuższych odległościach.

1000BASE-T, 1000BASE- TX, 10GBASE-T,

Cat. 42

600MHz Zawiera nowe złącze oraz jeszcze większe restrykcje dotyczące zakłóceń.

1000BASE-TX, 10GBASE- T, Cat. 43

1.6 - 2GHz

Standard przyszłościowy. Pozwala na transmisję do 40Gbit/s. Stworzony z myślą o dużych centrach danych.

1000BASE-T, 10GBASE- T, 40GBASE-T^44

Tabela 4.3 Parametry kategorii kabli.

Najczęściej używaną kategorią w sieciach domowych, a także w mniejszych biurach jest wykorzystywany kabel kategorii 5 lub 5e, rzadziej 6. Kategoria 5e posiada najlepszy stosunek jakości do ceny – pozwala nam na transmisję danych na poziomie 1Gbit/s na odległość do 100m. Wszystkie kategorie wyżej są stosowane w dużych sieciach firmowych lub zakładach produkcyjnych, gdzie panuje duży ruch, a wymagania co do zakłóceń są bardziej restrykcyjne.

To, co będzie wpływać na zakłócenia będzie zastosowana izolacja kabli. Jak wcześniej mogłeś zobaczyć na schemacie budowy, oprócz osłony zewnętrznej mamy jeszcze 2 rodzaje izolacji w postaci folii lub ekranu. Norma ISO/IEC 11801:2002 opisuje sposób oznaczania tej dodatkowej ochrony w formacie xx/yyTP. Pierwsze litery xx oznaczają osłonę całego przewodu, czyli

(^41) Kategoria 6 obsługuje szybkość transmisji na poziomie 10Gbit/s tylko przy maksymalnej długości kabla 55m. Kategoria 6e pozwala na taką szybkość transmisji przy długości odcinka 100m. (^42) Kable od kategorii 7 wzwyż nie są już definiowane przez organizacje EIA i TIA, lecz przez międzynarodową organizację standaryzacyjną ISO. Opisane są w standardzie ISO/IEC 11801. (^43) Istnieją 2 generacje kabla. 1 jest w pełni kompatybilna z poprzednimi kategoriami, co oznacza że może być używany zamiennie w sieciach, o niższej przepustowości. 2 generacja nie jest kompatybilny wstecznie. (^44) Długość kabla jest ograniczona do 35m.

wszystkich 4 par przewodów, natomiast yy odnosi się do osłony każdej pary z osobna. Wyróżniamy następujące oznaczenia:

 U/UTP – skrętka nieekranowana;  F/UTP – skrętka foliowana;  S/UTP – skrętka ekranowana;  SF/UTP – skrętka ekranowana folią i ekranem;  U/FTP – skrętka nieekranowana z każdą parą foliowaną;  F/FTP – skrętka foliowana z każdą parą foliowaną;  S/FTP – skrętka ekranowana z każdą parą foliowaną;  SF/FTP – skrętka ekranowana folią i ekranem z każdą parą foliowaną;

Różne kategorie kabli mogą występować w wersjach ekranowanych lub bez żadnej osłony. Tabelka przedstawia jakie wersje kabli możemy znaleźć w zależności od jego kategorii.

Cat.3 Cat.5/Cat. 5e

Cat.6 Cat.6a Cat7 Cat.8^45

U/UTP U/UTP, F/UTP,

U/UTP, SF/UTP, U/FTP, S/FTP, F/FTP

U/UTP, SF/UTP, U/FTP, S/FTP, F/FTP

F/FTP, S/FTP

S/FTP

Tabela 4.4 Typy kabli w zależności od kategorii.

Można zauważyć, że skrętki powyżej 6 kategorii nie występują w wariancie nieekranowanym, warto o tym pamiętać. W sieciach domowych oraz w warunkach, gdzie zakłócenia z zewnątrz są znikome, można z powodzeniem korzystać z kabli nieekranowanych.

Jeśli planujemy budowanie sieci w środowisku przemysłowym lub gdzie znajduje się dużo urządzeń, które mogą wytwarzać pole magnetyczne, trzeba będzie rozważyć wybór skrętki minimum F/UTP. Trzeba też pamiętać o odpowiednim doborze sprzętu, paneli krosowniczych oraz wszelkich portów abonenckich. Muszą mieć zarówno taką samą kategorię, jak i mieć oznaczenie do używania kabli ekranowanych.

Norma TIA/EIA568B opisuje także dwa rodzaje połączeń kabli we wtyczce RJ-45. Połączenia te różnią się kolejnością żył, zamienione są 2 i 3 para przewodów (patrz. Przewody oraz wtyczki ).

Z tego powodu możemy wyróżnić dodatkowe 3 rodzaje kabla:

(^45) Kabel kategorii 8 jest jeszcze świeży i nie jest powszechnie dostępny.