Тема 4. Лінії зв'язку і канали передачі даних Тема 4. Лінії зв'язку і канали передачі даних Лінія зв'язку (line) в загальному випадку позначає фізичне середовище, по якому передаються електричні інформаційні сигнали, пристрої передачі даних та проміжне мережне обладнання (рис. 4.1). Рис. 4.1. Лінія зв’язку між двома абонентами мережі. Лінії зв'язку використовують різне фізичне середовище. Це може бути:Коаксіальний кабель або кабель «скручена пара». Носієм є метал, в основному мідь.Оптоволоконний кабель. Носієм є над прозоре скло, кварц чи пластик.Навколишній простір. Носієм є радіохвилі.В одній лінії зв'язку можна створити кілька каналів зв'язку (віртуальних або логічних каналів), наприклад шляхом частотного або часового розділення каналів. Якщо канал зв'язку монопольно використовує лінію зв'язку, тоді лінію зв'язку називають каналом зв'язку (channel). Канал зв'язку - це засіб односторонньої передачі даних.^ Канал передачі даних – об’єднує між собою джерело та приймач інформації і містить лінії зв'язку і апаратуру передачі/прийому даних. Канал передачі даних - це засоби двостороннього обміну даними.В залежності від напрямку передачі інформації канали можуть бути: ^ Симплексний канал (Simplex channel). Передача інформації відбувається лише в одному напрямку. Дуплексний канал (Duplex channel). Забезпечує одночасну передачу інформації в обох напрямках. Дуплексний канал може складатися з двох середовищ, кожне з яких передає лише в одному напрямку (двох симплексних каналів).^ Напівдуплексний канал (Half Duplex channel). Забезпечує передачу інформації в обох напрямках, але не одночасно, а по черзі. Тобто, в певний проміжок часу передача даних відбувається в одному напрямку, в інший момент – в зворотному напрямку.Характеристики фізичних каналів ^ Запропоноване навантаження – це потік даних, що надходить від користувача до мережі. Характеризується швидкістю надходження даних і вимірюється у Біт/секунду, Кілобіт/секунду, Мегабіт/секунду.Швидкість передачі даних – фактична швидкість потоку даних, що проходить через мережу. Вона є меншою за запропоноване навантаження, оскільки в мережі дані можуть губитися або спотворюватися.Пропускна здатність (Ємність каналу зв’язку) – це максимально можлива швидкість передачі інформації по каналу. Залежить від фізичного середовища передачі, та від способу передачі інформації.Трафік - це об'єм інформації, що передається по комп’ютерній мережі за певний період часу, зазвичай, за добу чи місяць. Трафік часто поділяють на вхідний та вихідний. Вхідний трафік, це інформація, що надходить до комп'ютера користувача. Вихідний трафік це, відповідно, інформація, що відправляється з комп’ютера користувача до мережі.Залежно від фізичного середовища передачі даних канали зв'язку поділяють на: Повітряні лінії зв'язку без ізолюючих і екрануючих оплеток.Кабельні лінії зв'язку. Використовуються кабелі «скручена пара», коаксіальні кабелі або оптоволоконні кабелі. Безпровідні (радіоканали наземного і супутникового зв'язку). Використовують для передачі сигналів електромагнітні хвилі, які розповсюджуються по ефіру. Повітряні лінії зв'язку Рис. 4.2. Повітряні лінії зв’язку. Повітряні (провідні) лінії зв'язку використовуються як магістральні лінії зв'язку для передачі телефонних і телеграфних сигналів, а також комп'ютерних даних (рис. 4.2). За повітряними лініями зв'язку можуть бути організовані аналогові і цифрові канали передачі даних. Швидкість передачі по повітряних лініях «простої старої телефонної лінії» (^ POST - Primitive Old Telephone System) є дуже низькою. Крім того, до недоліків цих ліній відносяться низька завадостійкість і можливість простого несанкціонованого під’єднання до мережі.Кабельні лінії зв'язку Кабельні лінії зв'язку мають досить складну структуру. Кабель складається з провідників, що містяться в кількох прошарках ізоляції. Найчастіше, в комп'ютерних мережах використовуються три типи кабелів: «скручена пара», коаксіальний, оптоволоконний.Скручена пара (Тwisted Рair) Це кабель, що містить кілька мідних проводів, зазвичай вісім, що поміщені в ізолюючу оболонку. Для зменшення електричних наведень проводи скручуються між собою парами. В залежності від наявності мідної оплетки або алюмінієвої фольги навколо скручених пар, визначають різновиди кабелю «скручена пара»: Рис. 4.3. Незахищена «скручена пара». Незахищена «скручена пара»: Неекранована скручена пара (UTP, Unscreened Тwisted Рair) — екранування відсутнє.Фольгована скручена пара (FTP, Foiled Тwisted Рair) - присутній один загальний зовнішній екран. Фольгована екранована скручена пара (SFTP, Shielded Foiled Тwisted Рair) — відрізняється від FTP наявністю додаткового зовнішнього екрану з мідної оплетки. Рис.4.4.Захищена «скручена пара». Захищена «скручена пара»: Захищена скручена пара (STP, Shielded Twisted Pair) — присутній екран для кожної пари.Захищена екранована скручена пара (SSTP, Screened Shielded Twisted Pair) — відрізняється від STP наявністю додаткового загального зовнішнього екрану. Рис. 4.5. Кабельний роз'єм RJ45. Кабель під’єднується до мережних пристроїв за допомогою роз'єму RJ45 (рис. 4.5).Кабель використовується для передачі даних зі швидкістю 10 Мбіт/с і 100 Мбіт/с. Скручена пара зазвичай використовується для зв'язку на відстані не більше кількох сотень метрів. Характерним для кабелю є простота монтажу, він є дешевим і популярним видом зв'язку, який широко застосовується в локальних мережах з топологією «зірка». Скручена пара є достатньо завадостійкою. До недоліків кабелю «скручена пара» можна віднести можливість простого несанкціонованого під’єднання до мережі. Коаксіальний кабель (coaxial cable) Рис. 4.6. Коаксіальний кабель Це кабель з центральним мідним дротом, який оточено шаром ізолюючого матеріалу для відокремлення центрального провідника від зовнішнього провідного екрану (мідної оплетки або прошарку алюмінієвої фольги). Зовнішній провідний екран кабелю покривається ізоляцією (рис. 4.6). Рис. 4.7. Тонкий та товстий коаксіальний кабель. Існує два типи коаксіального кабелю: тонкий коаксіальний кабель діаметром 5 мм і товстий коаксіальний кабель діаметром 10 мм. Товстий коаксіальний кабель має менше загасання сигналу, ніж в тонкого (рис. 4.7). Коаксіальний кабель є більш завадостійким за кабель «скручена пара» і має менше власне випромінювання. Пропускна здатність складає 50-100 Мбіт/с. Допустима довжина лінії зв'язку – кілька кілометрів. Несанкціоноване під’єднання до коаксіального кабелю є складнішим, ніж до кабелю «скручена пара». Раніше, коаксіальний кабель був досить популярним для прокладання локальних мережах з топологією «загальна шина». Натепер, він використовується у разі передавання даних через мережу кабельного телебачення. Вартість коаксіального кабелю є вищою за вартість кабелю «скручена пара», виконання монтажу мережі є складнішим, ніж при монтажі «скрученою парою».Оптоволоконний кабель (Fiber Optic) Рис. 4.8. Будова оптоволоконного кабелю. Оптоволоконний кабель – це оптичне волокно на кремнієвій чи пластмасовій основі, що поміщено в матеріал з низьким коефіцієнтом заломлення світла і покрито зовнішньою оболонкою (рис. 4.8). Рис. 4.9. Оптоволоконний кабель. Оптичне волокно передає оптичні сигнали і лише в одному напрямку, тому кабель містить кілька волокон (рис. 4.9). На передавальному кінці оптоволоконного кабелю застосовується перетворення електричного сигналу в світловій, а на приймальному кінці зворотне перетворення. Основною перевагою цього типу кабелю є надзвичайно високий рівень завадозахищеності та відсутність власного випромінювання. Несанкціоноване під’єднання є дуже складним. Швидкість передачі даних до 3 Гбіт/c. Основним недоліком оптоволоконного кабелю є складність його монтажу, невелика механічна міцність і чутливість до іонізуючих випромінювань.Безпровідні лінії зв'язку Технології безпровідної передачі даних дозволяє розбудовувати мережі, що повністю відповідають стандартам звичайних провідних мереж, без використання кабельної проводки. Безпровідні мережі використовуються там, де прокласти кабель вкрай складно або неможливо.Носієм інформації в таких мережах виступають радіохвилі СВЧ-діапазону. Радіоканали наземного і супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль (рис. 4.10). Рис. 4.10. Безпровідні лінії зв’язку. Кожен вузол має антену, яка одночасно є передавачем та приймачем електромагнітних хвиль. Хвилі розповсюджуються в атмосфері або вакуумі зі швидкістю 3*108 м/с з певним типом напрямку, що залежить від типу антени.Типи антен ^ Параболічна антена (скерована). Поширення електромагнітних хвиль відбувається в певному напрямку.Ізотропна антена (нескерована). Електромагнітні хвилі заповнюють весь простір в межах певного радіусу, що визначається затуханням сигналу. Такі антени використовують в автомобілях та портативних пристроях.Для комп’ютерних мереж навколишній простір може використовуватися як роздільне середовище, хоча тут є певні особливості:Простір не належить до певної організації як у кабельних мережах.Провідне середовище визначає напрямок розповсюдження сигналів, а у безпровідному поширення хвиль є нескерованим.Для передачі за допомогою безпровідної лінії зв’язку потрібно модулювати електромагнітні коливання передавача у відповідності до потоку бітів, що передається.Функції перетворення дискретної інформації в електромагнітні коливання виконує DCE-пристрій (модем), що розташований між антеною та DTE пристроєм (комп’ютером, комутатором чи маршрутизатором).Діапазони електромагнітного спектру Основні характеристики безпровідної лінії зв’язку, такі як відстань між вузлами, територія охоплення, швидкість передачі – залежать від частоти електромагнітного спектру, що використовується (рис. 4.11). Рис. 4.11. Діапазони електромагнітного спектру. Діапазон до 300 ГГерц Радіодіапазон є розділений на частини від екстра низьких частот до екстра високих. На них працюють радіостанції (від 20 КГерц до 300 МГерц). Тут використовують радіо модеми, що з’єднують 2 сегменти локальної мережі на швидкостях 2 400, 9 600 або 19 000 біт/с.Діапазон від 300 МГерц до 3 000 ГГерц Використовуються мікрохвильовими системами:Супутникові канали.Безпровідні локальні мережі.Системи фіксованого безпровідного доступу.Інфрачервоний діапазон Широко використовується у безпровідному зв’язку. Оскільки інфрачервоне випромінювання не може проходити скрізь стіни, то інфрачервоні системи використовують для утворення невеликих сегментів локальних мереж в межах одного приміщення.Видиме світло (лазер) Системи видимого світла використовуються для організації доступу на невеликих відстанях.Поширення електромагнітних хвиль Чим вищою є поточна частота, тим вищою є швидкість передачі інформації.Чим вищою є частота, тим гірше сигнал проходить через завади (стіни). (АМ-радіо – на кімнатну антену, TV – потрібна зовнішня антена, видиме світло взагалі не проходить)Чим вищою є частота, тим швидше зменшується енергія сигналу у відповідності до відстані від джерела.Низькі частоти (до 2 МГерц) розповсюджуються вздовж поверхні Землі (тому АМ-радіо передається на сотні кілометрів).Сигнали частот від 2 до 30 МГерц відбиваються іоносферою Землі, тому, за наявності потужного передавача вони розповсюджуються на відстані до 1 000 кілометрів.Сигнали в діапазоні більше за 20 МГерц є сигналами прямої видимості і розповсюджуються лише по прямій.Сигнали більше за 4 ГГерц поглинаються водою і дощ може бути завадою при передачі.Всі сучасні системи безпровідного зв’язку працюють на високочастотних діапазонах (від 800 МГерц).Проблеми безпровідного зв’язку Для успішного застосування мікрохвильового діапазону потрібно врахувати на проблеми, що пов’язані з поведінкою сигналів, які поширюються в режимі прямої видимості і зустрічають на своєму шляху завади (рис. 4.12). Рис. 4.12. Основні завади при безпровідному зв’язку. Відбивання. Якщо сигнал зустрічається з завадою, яка частково є прозорою для даної довжини хвиль, але її розміри є набагато більшими за довжину хвилі, тоді частина енергії сигналу відбивається від завади. Хвилі мікрохвильового діапазону є довжиною в кілька сантиметрів, тому вони частково відбиваються від стін будинків при передачі сигналів в місті. Дифракція. Якщо сигнал зустрічає непроникну для нього заваду (наприклад, металеву пластину), то сигнал оминає заваду і його можна отримати, навіть не знаходячись в зоні прямої видимості. Розсіювання. Коли сигнал зустрічає заваду, розміри якої є співмірними з довжиною хвилі (дерево, паркан), він розсіюється і поширюється під різними кутами.В результаті подібних явищ, які повсюдно зустрічаються для безпровідного зв’язка в місті, приймач може отримати кілька копій одного сигналу. Такий ефект називається багатопроменевим поширенням сигналу і часто виявляється негативним, оскільки один з сигналів може прийти із зворотною фазою і подавити основний сигнал.Оскільки час поширення сигналу вздовж різних шляхів в загальному випадку буде різним, то може спостерігатися ситуація, коли сигнали, що кодують сусідні біти даних, внаслідок затримки, доходять до приймача одночасно.Всі ці спотворення сигналу складаються із зовнішніми електромагнітними завадами, яких в місті є багато. Наприклад, мікрохвильові печі, що працюють в діапазоні 2,4 Ггц.Для безпровідного зв’язку існує багато завад, які долають в різні способи: Спеціальні методи кодування, що розподіляють енергію сигналу у широкому діапазоні частот. Передавачі сигналу (і приймачі, якщо це можливо) прагнуть розміщати на високих спорудах, щоб уникнути багаторазових віддзеркалень. Застосування протоколів зі встановленням з’єднань та повторними передачами кадрів. Ці протоколи дозволяють швидше корегувати помилки.Ліцензування електромагнітного спектру Електромагнітні хвилі поширюються у всіх напрямках на значні відстані і долають численні завади, такі як, наприклад, стіни будинків. Тому, використання електромагнітного спектру потребує централізованого регулювання. В кожній країні є спеціальний державний орган, який видає ліцензії операторам зв'язку на використання певної частини спектру, що є достатньою для передачі інформації за певною технологією. Ліцензія видається на певну територію, в межах якої оператор використовує монопольно закріплений за ним діапазон частот. Частотними діапазонами для міжнародного використання без ліцензування є 900 Мгц, 2,4 Ггц та 5 Ггц.Ці діапазони відведено для промислових товарів безпровідного зв'язку загального призначення, наприклад для пристроїв блокування дверей автомобілів, наукових і медичних пристроїв. Відповідно до призначення ці діапазони отримали назву ISM-діапазонів (Industrial, Scientifiс, Medical — промисловість, наука, медицина). Найбільш зайнятим є діапазон 900 Мгц. Це і зрозуміло, бо низькочастотна техніка завжди була дешевшою. Сьогодні активно освоюється діапазон 2,4 Ггц, наприклад, в технологіях Bluetooth та діапазон 5 Ггц.Обов'язковою умовою тут є обмеження максимальної потужності переданих сигналів , що передаються на рівні 1 Вт. Це обмежує радіус дії пристроїв, щоб їх сигнали не стали завадами для інших користувачів, які, можливо, працюють в тому ж діапазоні частот в інших районах міста. Для зменшення взаємного впливу пристроїв, які працюють в ISM-діапазонах розробляються і втілюються спеціальні методи кодування.Типи безпровідних каналів зв’язку Радіорелейні канали зв'язку Радіорелейні канали зв'язку складаються з послідовності станцій, що є ретрансляторами. Зв'язок здійснюється в межах прямої видимості, відстань між сусідніми станціями - до 50 км. Цифрові радіорелейні лінії зв'язку застосовують як регіональні чи місцеві системи зв'язку та передачі даних, а також для зв'язку між базовими станціями мобільного зв'язку. Супутникові канали зв'язку. В супутникових системах використовуються антени СВЧ-діапазону частот для прийому радіосигналів від наземних станцій і ретрансляції цих сигналів назад до наземних станцій. В супутникових мережах використовуються три основні типи супутників, які знаходяться на геостаціонарних орбітах, середніх або низьких орбітах. Супутники запускаються, як правило, групами. Рознесені один від одного вони можуть забезпечити обхват майже всієї поверхні Землі. Рис. 4.13. Супутниковий канал передачі даних. Супутниковий зв'язок доцільно використовувати для організації каналу зв'язку між станціями, що розташовані на дуже великих відстанях, і можливості обслуговування абонентів у важкодоступних місцях. Пропускна здатність є високою – кілька десятків Мбіт/c.Мобільні канали зв'язку Радіоканали мобільного зв'язку створюють за принципами мобільних телефонних мереж. Мобільний зв'язок - це безпровідна телекомунікаційна система, що складається з мережі наземних базових станцій, які працюють на прийом/передачу і мобільного комутатора (або центру комутації мобільного зв'язку).Базові станції під’єднані до центру комутації, який забезпечує зв'язок, як між базовими станціями, так і між іншими телефонними мережами та глобальною мережею Інтернет. За своїми функціями центр комутації є аналогічним до звичайної АТС провідного зв'язку. LMDS (^ Local Multipoint Distribution System) - це стандарт мобільних мереж безпровідної передачі інформації для фіксованих абонентів. Система розбудовується за мобільним принципом, одна базова станція дозволяє охопити район радіусом в кілька кілометрів (до 10 км.) і під’єднати кілька тисяч абонентів. Самі станції об'єднуються між собою високошвидкісними наземними каналами зв'язку або радіоканалами. Швидкість передачі даних до 45 Мбіт/c. Радіоканали WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) аналогічні Wi-Fi WIMAX, на відміну від традиційних технологій радіодоступу, працює на відбитому сигналі, поза зони прямої видимості базової станції. Експерти вважають, що мобільні мережі WIMAX відкривають набагато цікавіші перспективи для користувачів, ніж фіксований WIMAX, призначений для корпоративних замовників. Інформацію можна передавати на відстані до 50 км. зі швидкістю до 70 Мбіт/с.Радіоканали MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System) Ці системи здатні обслуговувати територію в радіусі 50—60 км., при цьому пряма видимість передавача оператора не є обов'язковою. Середня гарантована швидкість передачі даних складає 500 Кбіт/с — 1 Мбіт/с, але можна забезпечити до 56 Мбіт/с на один канал.Радіоканали для локальних мереж Стандартом безпровідного зв'язку для локальних мереж є технологія Wi-Fi. Wi-Fi забезпечує під’єднання в двох режимах: «точка-точка» (для об’єднання двох комп’ютерів) і багатоточкове з'єднання (для під’єднання кількох комп’ютерів до одної точки доступу). Швидкість обміну даними до 11 Мбіт/с при з'єднанні «точка-точка» і до 54 Мбіт/с при інфраструктурному з'єднанні.Радіоканали Bluetooht Це технологія передачі даних на короткі відстані (не більше 10 м) і може бути використана для створення домашніх мереж. Швидкість передачі даних не перевищує 1 Мбіт/с. Контрольні запитання В якому випадку лінію зв'язку називають каналом зв'язку?Що називають каналом передачі даних?Яким чином інформація передається в симплексному, дуплексному та напівдуплексному каналах?Що називають запропонованим навантаженням мережі? Які чинники впливають на пропускна здатність каналу? Яким чином поділяється мережний трафік? З яких компонентів складається кабель «скручена пара»? Для яких мереж на сьогодні є поширеним коаксіальний кабель? Який тип сигналів передається по оптоволоконному кабелю? Його особливості? Які завади є поширеними для безпровідного зв’язка у місті?