Термин «физический уровень» используется для того, чтобы показать, как сетевые функции привязаны к эталонной модели OSI. Как здание нуждается в фундаменте, так и сеть должна иметь основание, на котором она будет строиться. В эталонной модели OSI таким фундаментом служит физический уровень (рис. 2.1).
Физический уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации для активизации, поддержания и деактивизации физической связи между конечными системами.
Физический уровень
Назначением физического уровня является передача данных. Данные, которыми является любой тип информации (рисунки, тексты и звуки), представлены в виде импульсов: либо электрических, называемых напряжением — при передаче по медному кабелю, либо световых — при передаче по оптоволоконному кабелю. Процесс передачи, называемый кодированием, выполняется с помощью среды передачи данных — кабелей и разъемов.
Среда передачи данных
Средой передачи данных называется физическая среда, пригодная для прохождения сигнала. Чтобы компьютеры могли обмениваться кодированной информацией, среда должна обеспечить их физическое соединение друг с другом. Существует несколько видов сред, применяемых для соединения компьютеров (рис. 2.2):
-
коаксиальный кабель;
-
неэкранированная витая пара;
-
экранированная витая пара;
Физический уровень
оптоволоконный кабель.
Физический уровень - среда передачи
Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель состоит из внешнего цилиндрического пустотелого проводника, окружающего один внутренний провод (рис. 2.3).
Коаксиальный кабель состоит из двух проводящих элементов. Один из них — медный провод, находящийся в центре кабеля и окруженный слоем гибкой изоляции. Поверх изоляционного материала расположен экран из тонких переплетающихся медных проводов или из металлической фольги, который в электрической цепи играет роль второго провода. Как следует из названия, внешняя оплетка служит для экранирования центрального провода от влияния помех. Снаружи экран покрыт оболочкой.
Физический уровень модели OSI
Для локальных сетей применение коаксиального кабеля дает несколько преимуществ. Коаксиальный кабель может использоваться без усиления сигнала на больших расстояниях, чем экранированная или неэкранированная витая пара. Это означает, что сигнал может проходить более длинные расстояния между сетевыми узлами, не нуждаясь в повторителе для усиления сигнала, как в витой паре. Коаксиальный кабель дешевле, чем оптоволоконный. Наконец, в течение долгого времени коаксиальный кабель использовался во всех типах обмена данными, что позволило хорошо изучить эту технологию.
Коаксиальный кабель бывает разной толщины. Как правило, с более толстым кабелем работать менее удобно. Об этом следует помнить, особенно если кабель надо будет протягивать по уже существующим коробам и желобам с ограниченным размером. Такой кабель так и называют — толстым. Он достаточно жесткий из-за экрана и имеет оболочку желтого цвета. В некоторых ситуациях прокладка толстого кабеля весьма затруднительна, поэтому необходимо помнить, что чем сложнее среда передачи данных в установке, тем дороже сама установка.
Неэкранированная витая пара
Кабель на основе неэкранированной витой пары (unshielded twisted-pair, UTP) используется во многих сетях и представляет собой четыре пары скрученных между собой проводов, при этом каждая пара изолирована от других (рис. 2.4).
Физический уровень - среда передачи
Кабель UTP, применяемый в сетях передачи данных, имеет четыре пары медных проводов сортамента 22 или 24 и наружный диаметр около 0,17 дюйма (4,35 мм). Небольшой диаметр кабеля UTP дает определенные преимущества при прокладке. Поскольку неэкранированная витая пара может использоваться в большинстве сетевых архитектур, популярность ее продолжает расти.
Среда передачи данных
Кабель UTP проще в установке и дешевле других типов сред передачи данных. Фактически удельная стоимость UTP на единицу длины меньше, чем у любого другого типа кабелей, использующихся в локальных сетях. Однако реальным преимуществом витой пары остается ее размер. Так как этот кабель имеет небольшой внешний диаметр, то он будет не так быстро заполнять сечение коробов, как другие виды кабелей. Этот фактор становится особенно важным, когда речь идет о прокладке сети в старых зданиях. Кроме того, на концах кабеля UTP, как правило, используется специальный разъем — RJ-коннектор (registered jack connector) (рис. 2.5).
Разьем UTP для физического уровня
Первоначально RJ-коннектор применялся для подключения к телефонной линии, а сейчас используется в сетевых соединениях и гарантирует хорошее и надежное подключение. Следовательно, может быть существенно снижено количество потенциальных источников шума в сети.
Вообще говоря, кабель UTP более подвержен электрическим шумам и помехам, чем другие типы носителей. Одно время можно было сказать, что кабель UTP уступает в скорости передачи данных другим видам кабелей. Но сейчас это уже не так. Фактически, сегодня UTP является самой быстрой средой передачи данных на основе медных проводников. Однако, в случае использования кабеля UTP, расстояние между усилителями сигнала меньше, чем при использовании коаксиального кабеля.
Экранированная витая пара
Кабель на основе экранированной витой пары (shielded twisted-pair, STP) объединяет в себе методы экранирования и скручивания проводов. Предназначенный для использования в сетях передачи данных и правильно установленный STP-кабель по сравнению с UTP-кабелем имеет большую устойчивость к электромагнитным и радиочастотным помехам без существенного увеличения веса или размера кабеля.
Кабель STP имеет все преимущества и недостатки кабеля UTP, но он лучше защищает от всех типов внешних помех. Но кабель на основе экранированной витой пары дороже, чем на основе неэкранированной.
В отличие от коаксиального кабеля, в кабеле STP экран не является частью цепи передачи данных. Поэтому у кабеля должен быть заземлен только один конец. Обычно установщики заземляют кабель в концентраторе или в коммутационном шкафу, однако это не всегда легко сделать, особенно, если приходится использовать старые модели концентраторов, не приспособленные для кабеля STP. Неправильное заземление кабеля может стать основной причиной проблем в сети, поскольку в этом случае экран начинает работать как антенна, принимающая электрические сигналы от других проводов в кабеле и от внешних источников электрических шумов. И наконец, длина отрезков кабеля на основе экранированной витой пары без установки усилителей сигналов не может быть такой же большой, как при использовании других сред передачи данных.
Оптоволоконный кабель
Оптоволоконный кабель является средой передачи данных, которая способна проводить модулированный световой сигнал (рис. 2.6).
Среда передачи данных
Оптоволоконный кабель невосприимчив к электромагнитным помехам и способен обеспечивать более высокую скорость передачи данных, чем кабели UTP, STP и коаксиальный кабель. Физический уровень за всем этим следит. В отличие от других сред передачи данных, имеющих в основе медные проводящие элементы, оптоволоконный кабель не проводит электрические сигналы. Вместо этого в оптоволоконном кабеле соответствующие битам сигналы заменяются световыми импульсами. Своими корнями оптоволоконная связь уходит в изобретениях, сделанных еще в XIX веке. Но только в 1960-х годах с появлением твердотельных лазерных источников света и высококачественного беспримесного стекла она начала активно применяться на практике. Широкое распространение оптоволоконный кабель получил благодаря телефонным компаниям, которые увидели его преимущества в междугородней связи.
Оптоволоконный кабель, использующийся в сетях передачи данных, состоит из двух стекловолокон, заключенных в отдельные оболочки. Если посмотреть на кабель в поперечном сечении, то можно увидеть, что каждое стекловолокно окружено слоем отражающего покрытия, затем следует слой из пластмассы, имеющей название кевлар (Kevlar) (защитный материал, обычно использующийся в пуленепробиваемых жилетах), и дальше идет внешняя оболочка. Внешняя оболочка обычно делается из пластика и служит для защиты всего кабеля. Она отвечает требованиям соответствующих противопожарных и строительных норм.
Назначение кевлара состоит в том, чтобы придать кабелю дополнительные упругие свойства и предохранить от механического повреждения хрупкие толщиной в человеческий волос стекловолокна. Если требуется прокладка кабеля под землей, то иногда для придания дополнительной жесткости в его конструкцию вводят провод из нержавеющей стали.
Светопроводящими элементами оптоволоконного кабеля являются центральная жила и светоотражающее покрытие. Центральная жила — это обычно очень чистое стекло с высоким коэффициентом преломления. Если центральную жилу окружить покрытием из стекла или пластмассы с низким коэффициентом преломления, то свет может как бы захватываться центральной жилой кабеля. Этот процесс называется полным внутренним отражением и позволяет оптопроводящему волокну играть роль световода и проводить свет на огромные расстояния, даже при наличии изгибов.
Кроме того, что оптоволоконный кабель устойчив к электромагнитным помехам, он также не подвержен влиянию и радиочастотных помех. Благодаря отсутствию внутренних и внешних шумов сигнал может проходить по оптоволоконному кабелю большее расстояние, чем в любых других средах передачи данных. Поскольку электрические сигналы не используются, оптоволоконный кабель является идеальным решением для соединения зданий, имеющих разное электрическое заземление. Принимая во внимание, что длинные пролеты медного кабеля между зданиями могут быть местом попадания ударов молнии, использование оптоволокна в этой ситуации также более удобно.
Кроме того, подобно кабелю UTP, оптоволоконный кабель имеет небольшой диаметр, и он относительно плоский и похож на шнур от лампы. Поэтому в один желоб легко помещается несколько оптоволоконных кабелей. Таким образом, этот носитель является идеальным решением для старых зданий с ограниченным пространством.
Физический уровень сети широко применяется. Оптоволоконный кабель дороже и сложнее в установке, чем другие носители. Так как разъемы для этого кабеля представляют собой оптические интерфейсы, то они должны быть идеально плоско отполированными и не иметь царапин. Таким образом, установка может оказаться достаточно сложной. Обычно даже тренированному монтажнику для создания одного соединения требуется несколько минут. Все это может существенно повысить почасовую стоимость работы, и при создании крупных сетей стоимость работ может стать неприемлемо высокой.