Физический уровень модели OSI

Три нижних уровня модели OSI являются сетезависимыми, т. е. программные и аппаратные средства физического, канального и сетевого уровней зависят от сетевых технологий. Аппаратные средства физического уровня представлены медными и оптоволоконными кабелями, беспроводной средой передачи данных, разъемами, повторителями сигналов (repeater), многопортовыми повторителями или концентраторами ( hub ), преобразователями среды ( transceiver ), например, преобразователями электрических сигналов в оптические и наоборот. Отдельно следует отметить сетевые карты (Network Interface Card – NIC ), функционирование которых охватывает как канальный, так и физический уровни. В модели TCP/IP канальный и физический уровни представлены объединенным уровнем Network Access.

В качестве среды передачи в компьютерных сетях используют коаксиальный кабель ( coaxial cable ), неэкранированную ( UTP – Unshielded Twisted Pair) и экранированную витую пару ( STP – Shielded Twisted Pair), оптоволоконный кабель ( fiber optic ), беспроводные радиоканалы. Для каждой среды и технологии передачи данных определен свой стандарт.

3.1. Медные кабели

Локальные сети, как правило, строятся на основе неэкранированной витой пары UTP. Экранированная витая пара (STP) по сравнению с неэкранированной обеспечивает лучшую защиту передаваемого сигнала от помех. Однако UTP дешевле, поэтому применяется в наиболее популярных технологиях Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Такие кабели называют также симметричными в отличие от коаксиальных медных кабелей.

В кабеле UTP четыре пары скрученных медных проводов. Поэтому для подключения кабеля к компьютерам или другим сетевым устройствам используется разъем (коннектор) RJ-45, имеющий 8 контактов.

Основными характеристиками кабелей являются: максимальная частота передаваемого по кабелю сигнала, затухание, величина перекрестных наводок, сопротивление, емкость и др. Основные характеристики специфицированы международным стандартом ISO/IEC 11801. Стандарт ISO/IEC 11801 специфицирует кабели по категориям (таблица 3.1). Кабели категории 7 – экранированные.

Ранее использовавшийся в локальных сетях Ethernet кабель UTP категории 3 в сетях Fast Ethernet заменен кабелем категории 5. В настоящее время кабель UTP категории 5 заменяется кабелем категории 5е, по которому передаются данные со скоростью выше 125 Мбит/с. Симметричные кабели UTP обеспечивают передачу сигналов на расстояние до 100 м.

Для подключения конечного узла (host), например компьютера, к повторителю или коммутатору (3.1а) применяется прямой кабель (Straight-through Cable), схема подключения проводов которого к контактам разъемов приведена на 3.1б. Первая пара проводов (контакты 1, 2) используется для передачи, вторая пара (контакты 3, 6) – для приема. Оставшиеся 2 пары не задействованы.

Прямой кабель используется для соединений:

1. коммутатора с маршрутизатором;
2. коммутатора с компьютерами или серверами;
3. концентратора с компьютерами или серверами.

Рис. 3.1. Прямой кабель

Для соединения коммутаторов (switch) или концентраторов (hub) между собой используется кроссовый кабель (Crossover Cable), схема которого приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Кроссовый кабель

Кроссовый кабель задействует 4 провода, причем контакты 1 и 2 одного разъема RJ-45 соединяются с контактами 3 и 6 другого.

Кроссовый кабель используется для соединений:

1. коммутатора с коммутатором;
2. коммутатора с концентратором;
3. концентратора с концентратором;
4. маршрутизатора с маршрутизатором;
5. маршрутизатора с компьютером;
6. компьютера с компьютером.

Для конфигурирования коммутатора или маршрутизатора их соединяют с последовательным СОМ-портом (RS-232) персонального компьютера. При этом применяется консольный кабель, называемый также Rollover Cable ( рис. 3.3). Из рис. 3.3 следует, что второй разъем кабеля имеет нумерацию контактов, обратную первому.

Рис. 3.3. Консольный кабель

Интерфейс коммутатора или маршрутизатора для связи с терминалом называется консольным портом. При необходимости могут использоваться переходные адаптеры от разъема RJ-45 консольного кабеля к разъему DB-9 или DB-25 СОМ-порта терминала.

3.2. Волоконно-оптические кабели

В качестве среды передачи в сетях наряду с электрическими кабелями широко используется волоконно-оптический кабель (fiber optic). Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости скручивания волокон или их экранирования, т. к. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и электромагнитных помех от внешних источников. Это позволяет передавать сигналы на большее расстояние по сравнению с симметричным медным кабелем.

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки. Причем сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления n. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины n₁ выше показателя преломления n₂ оболочки (n₁ > n₂).

Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n₁ > n₂, при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой.

Когда луч света 1 ( рис. 3.4) падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления n₁ и n₂, причем n₁ > n₂, свет делится на две части.

Рис. 3.4. Отражение и преломление лучей света

Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения ₃, равным углу падения ₁. Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и вступает во второе вещество (оболочку) под углом ₂. Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине. При увеличении угла падения ₁ возрастает угол преломления ₂. При некотором значении угла ₁, называемом критическим _кр, луч 2 ( рис. 3.4) не преломляется; часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т. е. угол преломления равен 90 . При условии, что угол падения будет больше критического ₁ > _кр и n₁ > n₂, наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины, т. е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние.

Диапазон углов падения лучей света, входящих в волокно, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения, называется числовой апертурой волокна. Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна. Поскольку лучи входят под разными углами, они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами и проходят разное расстояние до устройства назначения ( рис. 3.5,3.5а, 3.5б).

Эти составляющие лучей света называются модами. Возникновение мод в оптическом волокне возможно, если диаметр сердцевины сравнительно большой. Такое волокно называется многомодовым (multimode).

Рис. 3.5. Многомодовое (а) и одномодовое (б) волокно

В стандартном многомодовом оптическом кабеле используется сердцевина диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочка диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125. Наличие многих мод приводит к появлению межмодовой дисперсии (размыву) передаваемого импульсного сигнала. Из-за дисперсии снижается скорость передачи данных, т. к. размытые импульсы накладываются друг на друга и уменьшается расстояние, на которое можно передать данные. Для снижения влияния многих мод на величину дисперсии при большом диаметре сердцевины разработано специальное многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.

Одномодовое волокно (singlemode) имеет меньший диаметр сердцевины, что позволяет только одной моде луча света распространяться по сердцевине вдоль оси волокна. Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до значения восемь-десять микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом – 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки – 125 микрон. Одномодовое волокно более дорогое по сравнению с многомодовым. Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные. Поэтому одномодовые кабели используется в локальных сетях для соединений между зданиями, а в технологиях линий SDH – для междугородней связи.

В одномодовом волокне межмодовая дисперсия отсутствует. Однако хроматическая дисперсия характерна как для многомодового, так и для одномодового волокна. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что волны света разной длины проходят через оптическое волокно с несколько различными скоростями. В идеале источник света (светодиод или лазер) должен генерировать свет только одной частоты, тогда хроматической дисперсии не было бы. Однако лазеры и особенно светодиоды генерируют целый спектр частот (длин волн). Поэтому расстояние и скорость передачи данных ограничиваются дисперсией и затуханием сигнала в волокне.

В качестве источников света для оптических кабелей применяются:

• светодиоды, генерирующие инфракрасный свет с длиной волны 850 или 1310 нм. Светодиоды используются для передачи сигналов по многомодовому волокну на расстояние до 2000 м;
• лазерные диоды, генерирующие инфракрасный луч света с длиной волны 1310 или 1550 нм. Лазеры используются с одномодовым волокном для передачи сигналов на большие расстояния в различных технологиях локальных и глобальных сетей.

Расстояние передачи сигналов в локальных сетях, определенное стандартом Gigabit Ethernet, составляет до 5 км, а определенное стандартом 10Gigabit Ethernet – до 40 км.

Для приема оптических сигналов применяют фотодиоды, которые преобразуют принятые оптические импульсы в электрические. Фотодиоды производятся для работы на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм.