Podstawy: medium transmisyjne
Sieć komputerowa przenosi informacje między punktami za pomocą medium transmisyjnego. Jest nim fizyczny kanał, przez który biegną sygnały elektryczne, optyczne lub radiowe.
Wybór medium w projekcie sieci zależy od kilku kryteriów:
- Odległość: Jak daleko sygnał musi dotrzeć bez znaczącej degradacji?
- Otoczenie: W jakich warunkach fizycznych medium będzie instalowane? Czy jest to ciche biuro, hala fabryczna z ciężkimi maszynami, czy instalacja na zewnątrz?
- Przepustowość i Prędkość: Ile danych na sekundę trzeba przesłać?
- Koszt: Jaki jest budżet na materiał i jego instalację?
W przewodowym Ethernecie stosuje się przede wszystkim kable miedziane i światłowodowe. Poszczególne standardy określają wymagania dla konkretnego medium i zasięgu. Dla skrętki często podaje się limit kanału wynoszący 100 m, spotykany między innymi w 100BASE-TX i 1000BASE-T. Dokładny wynik zależy od klasy kanału, parametrów PHY i warunków instalacji.
Okablowanie miedziane w sieciach Ethernet
Okablowanie miedziane od dziesięcioleci jest używane w lokalnych sieciach Ethernet. Przenosi dane za pomocą sygnałów elektrycznych kodowanych przez warstwę fizyczną. W miedzianych odcinkach Ethernetu spotyka się kabel koncentryczny i skrętkę.
1. Kabel Koncentryczny
Kabel koncentryczny (potocznie „koncentryk”) składa się z centralnego przewodnika miedzianego, dielektryka, metalowego ekranu w postaci oplotu lub folii oraz zewnętrznego płaszcza. Ekran ogranicza sprzęganie pola elektromagnetycznego i chroni sygnał przed częścią zakłóceń zewnętrznych.
- Rola historyczna: Koncentryk był medium Ethernetu w standardach 10BASE-5 („gruby Ethernet”) i 10BASE-2 („cienki Ethernet”).
- Współczesne zastosowania: W lokalnych sieciach LAN został wyparty przez skrętkę, lecz nadal jest powszechnie używany w telewizji kablowej (CATV), instalacjach satelitarnych i modemach kablowych. Wymagana impedancja zależy od systemu.
- Impedancja: Kable koncentryczne są definiowane przez swoją . W instalacjach wideo często stosuje się 75 Ω, a w wielu systemach danych i RF 50 Ω.
2. Skrętka Komputerowa
Skrętka jest najczęściej stosowanym przewodem w sieciach Ethernet LAN. Typowy kabel instalacyjny zawiera cztery pary izolowanych przewodów miedzianych, lecz 10BASE-T i 100BASE-TX wykorzystują dwie pary, a 1000BASE-T wykorzystuje wszystkie cztery. W 1000BASE-T każda para przenosi sygnały w obu kierunkach, dlatego układ PHY musi kompensować echo i przesłuch między parami.
Skręcanie przewodów i ograniczanie zakłóceń
Skręcanie par poprawia symetrię linii i ogranicza dwa rodzaje zakłóceń:
- Szum z zewnętrznych źródeł (EMI): Pole elektromagnetyczne, na przykład od silnika, może indukować napięcie w parze. Skręcenie wyrównuje ekspozycję obu przewodów na pole, a odbiornik różnicowy odrzuca znaczną część wspólnej składowej zakłócenia.
- Przesłuch z sąsiednich par (crosstalk): Sygnał w jednej parze może sprzęgać się z inną parą. Różne skoki skrętu, geometria kabla i symetria par ograniczają to sprzężenie. Dokładne limity określają normy okablowania.
Typy skrętki: ekranowanie i nazewnictwo
Skrętki opisuje się między innymi przez obecność ekranów. W oznaczeniu X/YTP pierwsza litera określa ekran całego kabla, a druga ekranowanie poszczególnych par. Symbole U, F i S oznaczają odpowiednio brak ekranu, folię i oplot.
- U/UTP (Unshielded Twisted Pair):Powszechnie nazywana UTP. Nie ma ekranu wspólnego ani ekranów poszczególnych par, więc ograniczanie zakłóceń opiera się na konstrukcji i skręceniu par. Jest często stosowana w środowiskach biurowych i domowych.
- F/UTP (Foiled with Unshielded Twisted Pair):Często nazywany FTP. Ma wspólny ekran z folii ('F') wokół czterech par bez ekranów indywidualnych ('UTP'). Ekran ogranicza zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, jeśli jest prawidłowo połączony z uziemieniem.
- S/FTP (Shielded with Foiled Twisted Pair):Każda para ma własny ekran z folii ('FTP'), który ogranicza przesłuchy, a cały kabel ma dodatkowy ekran w postaci oplotu ('S'). Taka konstrukcja może być dobierana do szybkich łączy, w tym 10 Gigabit Ethernet, oraz do środowisk o dużych zakłóceniach.
- SF/UTP (Shielded and Foiled with Unshielded Twisted Pair):Ten kabel ma dwa ekrany zewnętrzne, oplot ('S') i folię ('F'), a jego pary pozostają bez ekranów indywidualnych ('UTP').
Ekran kabla ekranowanego trzeba poprawnie połączyć z układem wyrównania potencjałów zgodnie z projektem instalacji. Nieprawidłowe połączenie może ograniczyć skuteczność ekranowania i zwiększyć podatność na zakłócenia.
Wydajność skrętki: kategorie
Oprócz ekranowania, skrętki klasyfikuje się na kategorie (TIA) lub klasy (ISO/IEC) na podstawie parametrów elektrycznych, między innymi . Wyższa kategoria zwykle zapewnia większy margines parametrów, lecz obsługiwana prędkość zależy również od standardu Ethernetu, długości kanału i warunków instalacji. Parametry kabla instalacyjnego nie opisują automatycznie całego kanału: znaczenie mają także złącza, patchcordy, sposób ułożenia i ich zgodność z wymaganiami danej klasy.
| Kategoria | Pasmo | Typowe Zastosowanie |
|---|---|---|
| Kategoria 3 | 16 MHz | Starsze systemy telefoniczne, Ethernet 10Base-T (10 Mb/s). Obecnie przestarzała dla sieci danych. |
| Kategoria 5e | 100 MHz | Popularna w instalacjach. 100BASE-TX wymaga co najmniej okablowania kategorii 5, a 1000BASE-T korzysta z czterech par kategorii 5 lub lepszej. Cat5e jest częstym wyborem dla kanałów 1 Gb/s. |
| Kategoria 6 | 250 MHz | Zapewnia większy margines i mniejsze przesłuchy niż Cat5e. Obsługuje 1 Gb/s, a 10GBASE-T zwykle do 55 metrów, zależnie od parametrów kanału. |
| Kategoria 6A | 500 MHz | „A” oznacza „Augmented” (rozszerzona). Jest przeznaczona do obsługi 10GBASE-T (10 Gb/s) na kanale o długości do 100 metrów. |
| Kategoria 7/7A | 600 / 1000 MHz | Okablowanie zgodne z klasami F/FA, zwykle ekranowane (np. S/FTP), o parametrach 600/1000 MHz. Obsługuje 10 Gb/s. Pełna zgodność z klasą może wymagać interfejsu określonego w ISO/IEC 11801, ponieważ 8P8C nie zapewnia parametrów każdej konfiguracji. |
Okablowanie światłowodowe
Kabel światłowodowy przesyła informacje za pomocą impulsów światła biegnących w szklanym rdzeniu. Światło pozostaje w rdzeniu dzięki zjawisku zwanemu , odbijając się od granicy z płaszczem o niższym współczynniku załamania.
Zalety światłowodów
- Duża przepustowość: Jedno włókno może przenosić wiele kanałów, a systemy z WDM osiągają łączne przepływności rzędu terabitów na sekundę.
- Duże Odległości: Sygnały świetlne ulegają mniejszemu niż sygnały elektryczne, dlatego przy odpowiednim budżecie mocy mogą pokonywać wiele kilometrów bez aktywnej regeneracji.
- Odporność na EMI: Szklane włókno nie przewodzi prądu i nie odbiera zakłóceń elektromagnetycznych ani przesłuchów. Sam kabel może jednak zawierać elementy metalowe, dlatego ochronę przed wyładowaniami ocenia się dla całej konstrukcji.
- Bezpieczeństwo: Włókno nie emituje sygnału radiowego, więc pasywne przechwycenie jest trudniejsze niż w miedzi. Nie eliminuje to ryzyka podsłuchu. Wykrycie odczepu wymaga monitorowania parametrów łącza.
Typy kabli światłowodowych
Światłowód Wielomodowy (MMF)
MMF ma większy rdzeń, w którym propaguje wiele modów światła. Różne czasy ich przejścia powodują dyspersję modową i ograniczają zasięg. W sieciach LAN i centrach danych jest stosowany na krótkich odcinkach, zwykle od kilkuset metrów. W wybranych systemach zasięg sięga około 2 km. Wartość zależy od typu włókna, długości fali, transceivera i wymaganej przepływności. Dla niektórych odmian 850 nm i 1 Gb/s spotyka się odcinki do około 550 m.
Światłowód Jednomodowy (SMF)
SMF ma mały rdzeń, w którym propaguje jeden mod. Eliminuje to dyspersję modową, lecz pozostają między innymi dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna. Przy odpowiednim budżecie mocy i urządzeniach regeneracyjnych światłowód jednomodowy obsługuje długie łącza, dlatego często stosuje się go w sieciach dalekosiężnych, miejskich i operatorskich.
Okna transmisyjne światłowodu
Tłumienie w szkle światłowodowym zależy od długości fali. Zakresy o korzystnych parametrach transmisyjnych określa się jako „okna transmisyjne”. Dobór okna musi uwzględniać typ włókna, źródło światła, czułość odbiornika oraz budżet mocy całego łącza.
- Pierwsze okno (850 nm): Stosowane głównie ze światłowodem wielomodowym w zastosowaniach krótkiego zasięgu, na przykład w LAN.
- Drugie okno (1310 nm): Oferuje niższe tłumienie niż okolice 850 nm. Włókno jednomodowe ITU-T G.652 ma w tym zakresie długość fali zerowej dyspersji chromatycznej, dlatego zakres jest używany w szybkich systemach.
- Trzecie okno (1550 nm): W typowym zakresie telekomunikacyjnym zapewnia najniższe tłumienie i jest używane w systemach dalekosiężnych oraz podmorskich. W jego części C (około 1530-1565 nm) pracują systemy WDM.
- Pasmo L i okolice 1625 nm (1565-1625 nm): Pasmo L rozszerza zakres używany przez WDM i pozwala umieścić dodatkowe kanały na jednym włóknie. Określenie „czwarte okno” bywa używane dla okolic 1625 nm, zależnie od przyjętej klasyfikacji.