14. Физические среды передачи данных: классификация
Линии связи отличаются также физической средой, используемой для передачи информации. Физическая среда передачи данных может представлять собой набор проводников, по которым передаются сигналы. На основе таких проводников строятся проводные (воздушные) или кабельные линии связи (рис. 8.2). В качестве среды также используется земная атмосфера или космическое пространство, через которое распространяются информационные сигналы. В первом случае говорят о проводной среде, а во втором — о беспроводной
В современных телекоммуникационных системах информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов — все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.
Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе.
Еще в недалеком прошлом такие линии связи были основными для передачи телефонных или телеграфных сигналов. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Но кое-где они все еще сохранились и при отсутствии других возможностей продолжают использоваться, в частности, и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего.
Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов — неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели. Первые два типа кабелей называют также медными кабелями.
Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны широковещательного радио (длинных, средних и коротких волн), называемые также АМ-диапазонами, или диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, использующие диапазоны очень высоких частот (Very High Frequency, VHF), для которых применяется частотная модуляция (Frequency Modulation, FM). Для передачи данных также используются диапазоны ультравысоких частот (Ultra High Frequency, UHF), называемые еще диапазонами микроволн (свыше 300 МГц). При частоте свыше 30 МГц сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому указанные частоты используются в спутниковых или радиорелейных каналах либо в таких локальных или мобильных сетях, в которых это условие выполняется.
В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных. Хорошие возможности предоставляют волоконно-оптические кабели, обладающие широкой полосой пропускания и низкой чувствительностью к помехам. На них сегодня строятся как магистрали крупных территориальных и городских сетей, так и высокоскоростные локальные сети. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным отношением качества к стоимости, а также простотой монтажа. Беспроводные каналы используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные линии связи применить нельзя, например при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильными пользователями сети. Обеспечение мобильности затронуло в первую очередь телефонные сети, компьютерные сети в этом отношении пока отстают. Тем не менее построение компьютерных сетей на основе беспроводных технологий, например Radio Ethernet, считаются сегодня одним из самых перспективных направлений телекоммуникаций.
Физический уровень в Модели открытых систем OSI — среды для передачи информации
Физический уровень — это нижний уровень OSI модели взаимодействия открытых систем. Его задача — передача потока бит по среде передачи данных. Физический уровень не вникает в смысл информации которую передает и никак ее не анализирует. Единица передачи данных на физическом уровне называется бит. Основная задача физического уровня представить биты информации в виде сигналов, которые передаются по среде передачи данных.
У нас есть некий цифровой сигнал, мы передаем его в среду. Но из-за того, что в среде передачи данных происходят искажения, сигнала, то получатель принимает не такой хороший сигнал, как мы отправили, а примерно как тот, что изображен на картинке ниже. И получатель по этому сигналу должен определить, что же ему передал отправитель.
Модель канала связи
Мы воспользуемся преимуществом организации сетей в виде уровней, каждый из которых предоставляет сервис вышестоящему уровню и обеспечивает изоляцию решений. Мы будем считать, что физический уровень, каким-то образом передает биты, как он это делает нам не важно, нам важно, что у нас есть просто канал связи по которому мы можем передавать некоторые сообщения, от отправителя к получателю.
У канала связи есть важные для нас характеристики:
- Пропускная способность, которая измеряется в бит/с, т.е. сколько данных мы можем передать за единицу времени. Как правило пропускная способность современных каналов связи измеряется в Гб/с.
- Следующая важная характеристика канала это задержка. Она говорит о том, сколько времени пройдет, прежде чем сообщение от отправителя дойдет до получателя. В современных КС задержка очень маленькая, но не нулевая. Совместно, пропускная способность и задержка характеризуют скорость работы канала.
- Еще одна важная характеристика это то, насколько часто там возникают ошибки. Если ошибки в канале возникают часто, то протоколы или сетевые технологии должны обеспечивать исправление ошибок. А если ошибки в КС возникают редко, то их можно исправлять на вышестоящих уровня модели взаимодействия открытых систем OSI, например на транспортном. А само сетевое оборудование может не обеспечивать гарантию доставки данных и отсутствие ошибок.
В зависимости от направления по которому можно передавать данные, КС бывают 3 типов:
- Симплексный КС по которому можно передавать данные только в одну сторону;
- Дуплексный, можно передавать данные в обе стороны одновременно;
- Полудуплексный, можно передавать данные в обе стороны, но по очереди.
Среды передачи данных
В сетях раньше использовалось и используется сейчас большое количество разных сред передачи данных. Используются кабели разных типов. Исторически первыми появились телефонные кабели и они же использовались для передачи данных на раннем этапе развития компьютерных сетей.
В технологии классический Ethernet использовался коаксиальный, медный кабель, такие кабели еще недавно широко использовались для подключения антенн к телевизорам.
Сейчас для построения компьютерных сетей, используются скрученные между собой медные кабели, которые называются витая пара.
А также оптические кабели для передачи данных по которым используется свет. Есть технологии, которые позволяют передавать данные прямо по проводам электропитания, которые подходят к розеткам ваших домов. Для этого можно использовать специальные методы модуляции, но они применяются очень редко.
Сейчас все большей и большей популярностью пользуются беспроводные технологии. В сетях сотовой связи и вай фай сетях для передачи данных используют радиоволны, а также используется инфракрасное излучение.
Возможны использование для передачи данных спутниковые каналы связи (КС), однако такие КС дорогие и скорость таких каналов значительно уступают скорости передачи данных по оптическим кабелям.
Также существуют технологии, которые позволяют использовать лазеры, для передачи данных без кабелей. Но сейчас они применяются редко из-за низкой скорости и большого количества помех. Таким образом, сейчас для построения сетей чаще всего используют витую пару, оптические кабели и радиоволны.
Витая пара
Витая пара представляет из себя набор медных кабелей в одной оболочке. Кабели попарно скручены между собой, для того, чтобы меньше создавалось помех. В одном кабеле, как правило, находится 4 витые пары. Раньше разные витые пары использовались для передачи данных в разные стороны, но теперь передача данных по все четырем парам проводов выполняется в двух направлениях одновременно.
Оптический кабель
В оптических кабелях для передачи данных используются тонкие световоды. Каждый световод покрывается защитной оболочкой и несколько световодов объединяются в один кабель.
Радиоволны
Сейчас всё больше и больше для передачи данных используются беспроводные технологии на основе радиоволн. В отличии от кабелей, сигнал в беспроводной среде распространяется по разным направлениям. Один и тот же сигнал могут принимать несколько приемников.
Если несколько источников радиоволн рядом друг с другом, то эти сигналы искажаются, поэтому использование радиоволн, регулируется законодательством. И разные раздел спектра выделены для использования различными технологиями.
Например, для сотовой связи стандарта GSM, который популярен сейчас в России используется диапазон 900 МГц. Однако этот диапазон не может использовать кто угодно, для этого необходимо сначала купить лицензию у государства.
Для работы сетей вайфай используется два диапазона 2.4 ГГц и 5 ГГц. Это специальные диапазоны, частоты в которых можно использовать без получения лицензии, поэтому вы можете спокойно устанавливать у себя wi-fi роутер не спрашивая ни у кого разрешение.
Ошибки в каналах связи
Количество ошибок в трех популярных средах передачи данных отличаются друг от друга значительно. Меньше всего ошибок возникает в оптическом кабеле. Как то повлиять на свет, который идет внутри темной оболочки очень сложно. В медных кабелях ошибки тоже возникают, но достаточно редко. А в беспроводной среде, ошибки напротив возникают очень часто. Частота возникновения ошибок в среде передачи данных, учитывалась при создании сетевых технологий, которые используют эту среду.
Представление информации
Для представления информации в виде сигналов которые будут передаваться по каналам связи, есть два подхода. Первый подход это прямоугольные импульсы или цифровые, а второй синусоидальные волны или аналоговый.
Цифровые сигналы используются при передаче данных по медным проводам. Самый простой способ цифрового представления использовать 0 отсутствием напряжения, а 1 повышенным уровнем напряжения, однако, на практике применяются более сложные схемы. Для представления информации в аналоговом виде используется модуляция. Можно менять частоту сигнала, фазу и амплитуду.
Заключение
Задача физического уровня передавать поток бит по среде передачи данных. Сейчас для построения компьютерных сетей используют медные, оптические кабели и радиоволны.