Typy Kabli Ethernet
Specyfikacje, kable światłowodowe i wymagania warstwy fizycznej.
Fundament: Medium Transmisyjne
Sieć komputerowa to fundamentalnie przemieszczanie informacji z jednego punktu do drugiego. Chociaż często myślimy o skomplikowanym oprogramowaniu i protokołach, nic z tego nie byłoby możliwe bez fizycznego fundamentu: medium transmisyjnego. Jest to fizyczny kanał, przez który podróżują sygnały: czy to impulsy elektryczne, błyski światła czy fale radiowe.
Wybór odpowiedniego medium jest jedną z najważniejszych decyzji w projektowaniu sieci. Zależy on od kilku kluczowych 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 przypadku przewodowego Ethernetu, historia sieci to głównie opowieść o dwóch rodzajach mediów fizycznych: kablach miedzianych i, od niedawna, kablach światłowodowych.
Okablowanie Miedziane: Wszechobecny Koń Roboczy
Przez dziesięciolecia okablowanie miedziane było podstawą lokalnych sieci komputerowych. Przesyła ono dane za pomocą impulsów elektrycznych, gdzie różne poziomy napięcia reprezentują jedynki i zera danych binarnych. Istnieją dwa główne typy kabli miedzianych, które były centralnym elementem historii i obecnego wykorzystania Ethernetu.
1. Kabel Koncentryczny
Kabel koncentryczny (potocznie „koncentryk”) składa się z centralnego przewodnika miedzianego otoczonego warstwą izolacji (dielektrykiem), który z kolei jest pokryty metalowym ekranem (oplotem lub folią), a na zewnątrz znajduje się ochronny płaszcz zewnętrzny. Taka budowa tworzy zamknięte pole elektromagnetyczne, zapewniając dobre ekranowanie przed zakłóceniami z zewnątrz.
- Rola Historyczna: Koncentryk był oryginalnym medium dla Ethernetu w standardach 10Base-5 („gruby Ethernet”) i 10Base-2 („cienki Ethernet”).
- Nowoczesne Zastosowania: Chociaż przestarzały dla nowoczesnych sieci LAN, pozostaje standardem dla telewizji kablowej (CATV), instalacji satelitarnych i modemów kablowych, dzięki swojej dużej przepustowości i doskonałemu ekranowaniu.
- Impedancja: Kable koncentryczne są definiowane przez swoją . Dwa popularne standardy to 75 Ω (używane w aplikacjach wideo) i 50 Ω (używane w komunikacji danych i RF).
2. Skrętka Komputerowa
Skrętka to najpopularniejszy typ okablowania używany w nowoczesnych sieciach Ethernet LAN. Pojedynczy kabel zawiera cztery pary izolowanych przewodów miedzianych, które są skręcone wokół siebie.
Magia Skręcania: Zasada Kompensacji
Skręcenie jest najważniejszą cechą tego typu kabla. W genialny sposób chroni ono sygnał przed dwoma głównymi problemami:
- Szum z Źródeł Zewnętrznych (EMI): Gdy zewnętrzne pole elektromagnetyczne (np. od świetlówek, silników) przenika przez kabel, indukuje w przewodach mały, niepożądany prąd (szum). Ponieważ przewody są skręcone, każdy z nich jest w równym stopniu wystawiony na zakłócenia, ale w przeciwnych orientacjach w każdym skręcie. To powoduje, że indukowane sygnały szumu w obu przewodach są prawie identyczne, ale mają przeciwną fazę, co skutecznie je wzajemnie znosi, gdy sygnał jest przetwarzany przez odbiornik różnicowy.
- Przesłuch z Sąsiednich Par (Crosstalk): Sygnał elektryczny płynący w jednej parze tworzy własne małe pole magnetyczne, które może indukować sygnał w sąsiedniej parze. Nazywa się to przesłuchem. Skręcając pary (każdą z inną gęstością), pola magnetyczne, które generują, również stale zmieniają orientację, co niweluje większość potencjalnych zakłóceń między parami w tym samym kablu.
Typy Skrętki: Ekranowanie i Nazewnictwo
Skrętki komputerowe są kategoryzowane na podstawie tego, czy zawierają dodatkowe metalowe ekranowanie w celu dalszej ochrony przed zakłóceniami. Standardowe nazewnictwo to XX/YTP, gdzie XX opisuje zewnętrzny ekran dla całego kabla, a Y opisuje ekranowanie poszczególnych par.
- U/UTP (Unshielded Twisted Pair):Powszechnie nazywana po prostu UTP. To najprostszy i najczęstszy typ kabla Ethernet. Nie ma ogólnego ekranu (pierwsze „U”) ani indywidualnych ekranów na parach (drugie „U”). Opiera się wyłącznie na skręceniu par w celu eliminacji szumów. Jest w pełni wystarczający dla większości środowisk biurowych i domowych.
- F/UTP (Foiled with Unshielded Twisted Pair):Często nazywany FTP. Ten kabel ma ogólny ekran z folii aluminiowej ('F') owinięty wokół wszystkich czterech nieekranowanych par ('UTP'). Zapewnia to dobry stopień ochrony przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi i jest popularnym wyborem w instalacjach o umiarkowanym poziomie szumu elektrycznego.
- S/FTP (Shielded with Foiled Twisted Pair):Ten kabel oferuje bardzo wysoki poziom ochrony. Każda pojedyncza para jest owinięta własnym ekranem z folii ('FTP'), co minimalizuje przesłuchy między nimi. Dodatkowo, cały kabel jest otoczony ogólnym ekranem w oplocie ('S'), co zapewnia doskonałą ochronę przed hałasem z zewnątrz. Ten typ jest używany w aplikacjach o wysokiej prędkości, jak 10 Gigabit Ethernet, lub w bardzo hałaśliwych środowiskach przemysłowych.
- SF/UTP (Shielded and Foiled with Unshielded Twisted Pair):Ten kabel posiada podwójny ekran zewnętrzny składający się zarówno z oplotu ('S'), jak i folii ('F') dla maksymalnej ochrony przed EMI, podczas gdy wewnętrzne pary pozostają nieekranowane ('UTP').
Prawidłowe uziemienie ekranu jest kluczowe dla skuteczności kabli ekranowanych. Nieuziemiony ekran może działać jak antena, potencjalnie pogarszając problem z zakłóceniami.
Wydajność Skrętki: Kategorie
Oprócz ekranowania, skrętki są klasyfikowane na kategorie (zdefiniowane przez TIA) lub klasy (zdefiniowane przez ISO/IEC) na podstawie ich parametrów elektrycznych, głównie ich . Wyższy numer kategorii oznacza kabel, który może niezawodnie przesyłać dane na wyższych częstotliwościach, co z kolei umożliwia osiąganie wyższych prędkości.
| 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 | Długoletni standard. Minimalny wymóg dla sieci 100Base-TX (100 Mb/s) i 1000Base-T (1 Gb/s). |
| Kategoria 6 | 250 MHz | Zapewnia lepszą wydajność i mniejsze przesłuchy niż Kat. 5e. Niezawodnie obsługuje 1 Gb/s i 10GBase-T do 55 metrów. |
| Kategoria 6A | 500 MHz | „A” oznacza „Augmented” (rozszerzona). Specjalnie zaprojektowana do obsługi 10GBase-T (10 Gb/s) na pełnej odległości 100 metrów. |
| Kategoria 7/7A | 600 / 1000 MHz | W pełni ekranowane okablowanie (S/FTP) o jeszcze bardziej rygorystycznych specyfikacjach. Obsługuje 10 Gb/s i przyszłe, wyższe prędkości, ale wymaga specjalnych złączy (nie RJ-45) dla pełnej wydajności. |
Przyszłość: Okablowanie Światłowodowe
Kabel światłowodowy stanowi monumentalny skok w technologii transmisji. Zamiast impulsów elektrycznych, używa impulsów światła podróżujących przez cienkie jak włos włókno z wysoko czystego szkła (rdzeń), aby przesyłać informacje. Światło jest uwięzione w rdzeniu dzięki zjawisku zwanemu , odbijając się od granicy z inną warstwą szkła zwaną płaszczem.
Kluczowe Zalety Światłowodów
- Ogromna Przepustowość: Pojedyncze włókno może przenosić tysiące razy więcej danych niż kabel miedziany. Nowoczesne systemy przesyłają terabity na sekundę przez jedno włókno.
- Duże Odległości: Sygnały świetlne ulegają znacznie mniejszemu niż sygnały elektryczne, co pozwala im podróżować wiele kilometrów bez potrzeby wzmacniania.
- Odporność na EMI: Ponieważ sygnał jest światłem, jest całkowicie odporny na zakłócenia elektryczne, przesłuchy i wyładowania atmosferyczne, co czyni go idealnym do hałaśliwych środowisk przemysłowych lub do układania wzdłuż linii energetycznych.
- Bezpieczeństwo: Jest niezwykle trudno „podsłuchać” kabel światłowodowy bez wykrycia, co czyni go bezpieczniejszym niż miedź.
Typy Kabli Światłowodowych
Światłowód Wielomodowy (MMF)
MMF ma stosunkowo dużą średnicę rdzenia, co pozwala wielu ścieżkom, czyli „modom” światła podróżować jednocześnie wzdłuż włókna. Ułatwia to pracę ze światłowodem, ale powoduje zjawisko zwane dyspersją modową, gdzie różne mody docierają do odbiornika w nieco innym czasie, rozmywając sygnał. Jest używany na krótszych dystansach (do ~2 km) w szkieletach sieci LAN i centrach danych.
Światłowód Jednomodowy (SMF)
SMF ma niezwykle małą średnicę rdzenia, tak wąską, że zmusza światło do podróży tylko jedną ścieżką, czyli modem. Eliminuje to dyspersję modową, pozwalając sygnałowi podróżować na bardzo duże odległości (setki kilometrów) przy ekstremalnie wysokich prędkościach. Jest to standard dla wszystkich sieci dalekosiężnych, miejskich i operatorskich.
Okna Transmisyjne Światłowodu
Szkło światłowodowe nie jest w równym stopniu przezroczyste dla wszystkich długości fal (kolorów) światła. Istnieją określone zakresy długości fal, w których tłumienie jest najniższe, znane jako „okna transmisyjne”.
Okna pracy światłowodu
Wybierz okno propagacji, aby zobaczyć, dlaczego różne długości fali są używane w optyce Ethernet.
Minimum dyspersji dla standardowego włókna jednomodowego. Dobry kompromis kosztu i wydajności.
Typowe zastosowania
- 1000BASE-LX, 10GBASE-LR bez kompensacji dyspersji
- Sieci metropolitalne i dostępowe do około 10 km
Typowe tłumienie: ~0,35 dB/km
- Pierwsze Okno (850 nm): Używane głównie ze światłowodem wielomodowym w zastosowaniach krótkiego zasięgu, jak LAN.
- Drugie Okno (1310 nm): Oferuje niższe tłumienie niż pierwsze okno i ma unikalną właściwość prawie zerowej dyspersji chromatycznej w standardowym włóknie jednomodowym, co czyni je idealnym do transmisji o wysokiej prędkości.
- Trzecie Okno (1550 nm): To okno może pochwalić się najniższym tłumieniem ze wszystkich, co czyni je głównym wyborem dla systemów dalekosiężnych i podmorskich. W tym oknie działają technologie WDM.
- Czwarte Okno i Pasmo L (1565-1625 nm i dalej): Są to rozszerzenia trzeciego okna, pozwalające operatorom na umieszczenie jeszcze większej liczby kanałów na jednym włóknie, aby sprostać ciągle rosnącemu zapotrzebowaniu na przepustowość.