Кабели на основе витых пар

1.7.1 Кабели на основе витых пар Витые пары проводов используются в самых дешевых и на сегодняшний день, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Обычно в кабель входят две (рис. 1.5) или четыре витые пары. Рис. 1.5. Кабель с витыми парами 21 Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также слабой защищенностью от подслушивания с целью, например, промышленного шпионажа. Перехват передаваемой информации возможен как с помощью контактного метода (посредством двух иголочек, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Для устранения этих недостатков применяется экранирование. Кабели на основе витых пар делятся на экранированные (STP – Shielded Twisted Pair) и неэкранированные (UTP – Unshielded Twisted Pair). В случае экранированной витой пары каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга. Такое взаимное влияние называется перекрестными наводками. Экранированная витая пара гораздо дороже, чем неэкранированная, а при ее использовании необходимо применять и специальные экранированные разъемы, поэтому встречается она реже, чем неэкранированная витая пара. Основные достоинства неэкранированных витых пар – гибкость кабеля и простота монтажа разъемов на концах кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Помехозащищенность витых пар также невысока, поэтому, линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). Кабели на основе неэкранированной витой пары (UTP) делятся на несколько категорий: • Кабель категории 1 – это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь, но не 22 данные. Данный тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания, перекрестных наводок). • Кабель категории 2 – это кабель из витых пар для передачи дан- ных в полосе частот до 1 МГц. Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок. Этот тип кабеля практически не используется. • Кабель категории 3 – это кабель для передачи данных в полосе частот до 16 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины. Это самый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. • Кабель категории 4 – это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как не слишком заметно отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. Кабель был разработан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5. • Кабель категории 5 рассчитан на передачу данных в полосе час- тот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины. Кабель 5 категории рекомендован к применению в сетях типа Fast Ethernet. Для присоединения витых пар используются разъемы (коннекторы) типа RJ-45, похожие на используемые в телефонах разъемы RJ-11, но несколько большие по размеру и имеющие восемь контактов вместо четырех в случае RJ-11. Присоединяются разъемы к кабелю с помощью специальных обжимных инструментов. При этом золоченые игольчатые контакты разъема прокалывают изоляцию каждого провода, входят между его жилами и обеспечивают надежное и качественное соединение. Чаще всего витые пары используются для передачи данных в одном направлении, то есть в топологиях типа «звезда» или «кольцо». Топология «шина» обычно ориентируется на коаксиальный кабель. Поэтому 23 внешние терминаторы, согласующие неподключенные концы кабеля, для витых пар практически никогда не применяются. Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек: • кабель в поливинилхлоридной (ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы кабеля в сравнительно комфортных условиях эксплуатации; • кабель в тефлоновой оболочке дороже и предназначен для более жестких условий эксплуатации. Кабель в ПВХ-оболочке называют также non-plenum, а кабель в тефлоновой оболочке – plenum. Термин plenum обозначает пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где удобно размещать кабели сети. Для прокладки в этих скрытых от глаз пространствах лучше подходит кабель в тефлоновой оболочке. Еще один важный параметр любого кабеля, который жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, – скорость распространения сигнала в кабеле, то есть задержка распространения сигнала в кабеле в расчете на единицу длины. Производители кабелей иногда указывают величину задержки на метр длины, а иногда — скорость распространения сигнала относительно скорости света (или NVP – Nominal Velocity of Propagation). Каждый из проводов, входящих в кабель на основе витых пар, как правило, имеет свой цвет изоляции, что существенно облегчает монтаж разъемов, особенно в том случае, когда концы кабеля находятся в разных комнатах и контроль с помощью приборов затруднен. 1.7.2 Коаксиальные кабели Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального провода и металлической оплетки, разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (рис. 1.6). 24 Внешняя оболочка Медный провод Металлическая оплетка Внутренняя изоляция Рис. 1.6. Коаксиальный кабель В ранних сетевых технологиях коаксиальный кабель был широко распространен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке) и более высокими, чем в случае витой пары, допустимыми скоростями передачи данных и большими допустимыми расстояниями передачи (до километра и выше). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он также дает заметно меньше электромагнитных излучений. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше. Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Поэтому его сейчас применяют значительно реже, чем витую пару. Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией типа «шина». При этом на концах кабеля обязательно должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, причем один из терминаторов должен быть заземлен. Без заземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитных помех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнюю среду. 25 Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, то есть их сопротивление должно быть равно волновому сопротивлению кабеля. Например, если используется 50-омный кабель, для него подходят только 50-омные терминаторы. Реже коаксиальные кабели применяются в сетях с топологией «звезда» и «пассивная звезда». В этом случае проблема согласования существенно упрощается, так как внешних терминаторов на свободных концах не требуется. Существуют два основных типа коаксиального кабеля: • тонкий кабель, имеющий диаметр ¼ дюйма, более гибкий; • толстый кабель, имеющий диаметр около ½ дюйма, значительно более жесткий. Он представляет собой классический вариант коаксиального кабеля. Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, так как в нем сигнал затухает сильнее. В то же время тонкий кабель можно оперативно проложить к каждому компьютеру, а толстый требует жесткой фиксации помещения. Подключение к тонкому кабелю проще и не требует дополнительного оборудования, а для подключения к толстому кабелю надо использовать специальные довольно дорогие устройства, прокалывающие его оболочки и устанавливающие контакт как с центральной жилой, так и с экраном. Толстый кабель примерно вдвое дороже, чем тонкий. Поэтому тонкий кабель применяется гораздо чаще. Как и в случае витых пар важным параметром коаксиального кабеля является тип его внешней оболочки. Как и в случае витой пары применяются кабели в поливинилхлоридной и тефлоновой оболочках. Естественно, тефлоновый кабель дороже поливинилхлоридного. В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая пара или оптоволоконный кабель. 26 1.7.3 Оптоволоконные кабели Оптоволоконный (или волоконно-оптический) кабель — это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического медного кабеля. Информация по нему передается световым, а не электрическим сигналом. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет может проходить значительные (до десятков километров) расстояния с незначительным ослаблением. Структура оптоволоконного кабеля похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 1.7), но вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1–10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется, однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды. Стеклянная оболочка Внешняя ПВХ оболочка Центральное волокно Рис. 1.7. Структура оптоволоконного кабеля 27 Оптоволоконный кабель обладает исключительно высокими характеристиками по скорости и помехозащищенности передаваемой информации. Внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам этот сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как это требует нарушения целостности кабеля. Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет около 5 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы. К недостаткам оптоволоконного кабеля относится высокая сложность монтажа. При установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме. Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Оптоволоконный кабель менее прочен, чем электрический, и менее гибок (типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10—20 см). Чувствителен он и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала, а также к резким перепадам температуры, в результате которых стекловолокно может треснуть. 28 Применяют оптоволоконный кабель в сетях с топологией «звезда» и «кольцо». Существуют два типа оптоволоконных кабелей: • многомодовый кабель, более дешевый; • одномодовый кабель, более дорогой, но имеющий лучшие ха- рактеристики. Основные различия между этими типами связаны с разными режимами прохождения световых лучей в кабеле. В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего все они достигают приемника одновременно и форма сигнала практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не очень долговечны. В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки – 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле обычно равна 0,85 мкм. Допустимая длина кабеля достигает 2–5 км. В настоящее время многомодовый кабель – основной тип оптоволоконного кабеля, так как он дешевле и доступнее. 29