Warstwa fizyczna sieci LAN

Informacje w sieciach komputerowych są zorganizowane w ciąg bitów I, którego elementy należą do zbioru B={0,1}. Ciąg ten jest przesyłany ze źródła do pewnego miejsca przeznaczenia. W tym celu źródło jest wyposażone w nadajnik, a miejsce docelowe w odbiornik. Nadajnik transformuje ciąg bitów I w przebieg czasowy pewnego sygnału (np. elektrycznego, świetlnego, radiowego) i wprowadza go w ośrodek zdolny do przenoszenia sygnałów tego typu. Sygnał źródłowy podczas transmisji ulega opóźnieniu, zniekształceniom oraz modyfikacji. Różnica między sygnałem źródłowym, a sygnałem odebranym powinna być na tyle mała, aby móc na podstawie analizy sygnału odebranego wygenerować nadany ciąg bitów I.

Kodowanie informacji

Przebieg czasowy sygnału reprezentujący nadawany ciąg bitów I jest nazywany kodem, a proces tworzenia tego sygnału nazywamy kodowaniem informacji źródłowej. Kod jest tworzony za pomocą kilku wybranych przebiegów elementarnych o czasie trwania T, zwanym okresem sygnalizacji.

W praktyce kody są tworzone według następujących zasad:

• Okres sygnalizacji dzieli się na odcinki (najczęściej równe), w których poziom sygnału zachowuje stałą wartość.

• Nadajnik może wytwarzać jeden z wielu poziomów sygnału w każdym ze zdefiniowanych wyżej odcinków czasu.

Zniekształcenia sygnału

Na skutek wzajemnego oddziaływania reprezentacji kolejnych bitów odebrany sygnał słabo przypomina sygnał nadany (wraz ze zmniejszeniem okresu sygnalizacji zwiększa się zniekształcenie sygnału). Sygnał odebrany jest jedynie próbkowany we właściwym momencie w środkowej 1/3 lub 1/4 okresu sygnalizacji. Stąd istotna jest synchronizacja bitowa (precyzyjne określenie przez odbiornik momentu rozpoczęcia i środka każdego okresu sygnalizacji).

Transmisja synchroniczna

Dla transmisji synchronicznej przed właściwą informacją wysyła się preambułę zawierającą ciąg bitów (często jest nim ciąg 0, 1, 0, 1, ...).

Transmisja asynchroniczna

W stanie bezczynnym łącze ma niski poziomem sygnału. Pierwszy bit poprzedzony jest bitem startu o długości trwania równej okresowi T. Następnie odbiornik próbkuje sygnał w chwilach 3/2 T, 5/2 T itd.

Ograniczenia transmisji danych

• Długość toru transmisyjnego, przy której zniekształcenie sygnału uniemożliwia poprawne zdekodowanie informacji.

• Bilans mocy - moc sygnału wysłanego przez nadajnik pomniejszona o utratę mocy sygnału na skutek przejścia przez tor transmisyjny musi być większa niż czułość odbiornika.

Podstawowe kody używane w sieciach LAN

• NRZ (ang. Non Return to Zero).

• NRZI (ang. Non Return to Zero).

• Manchester.

• Manchester różnicowy.

Definicje kodów

Kod	Bit	Poziom sygnału zakodowanego w czasie
		od 0,5T do 0	od 0 do 0,5T	od 0,5T do T
NRZ	1	nieistotny	H	H
	0	nieistotny	L	L
	1	H	H	H
NRZI	1	L	L	L
	0	H	L	L
	0	L	H	H
Manchester	1	nieistotny	L	H
	0	nieistotny	H	L
	1	H	H	L
Manchester	1	L	L	H
różnicowy	0	H	L	H
	1	L	H	L

Ciąg bitów	1		0		1		1		0		0		0		1
NRZ
NRZI
Manchester
Manchester
różnicowy

Media transmisyjne używane w sieciach LAN

Kabel koncentryczny

Kabel koncentryczny (BNC) składa się z dwóch przewodów koncentrycznie umieszczonych jeden wewnątrz drugiego, co zapewnia większą odporność na zakłócenia i lepszą jakość transmisji.

Zalety kabla koncentrycznego:

 mało wrażliwy na zakłócenia i szumy (posiada ekran),

 jest tańszy niż ekranowana skrętka,

 bardziej odporny na uszkodzenia fizyczne.

Wady kabla koncentrycznego:

 ograniczenie szybkości do 10Mb/s,

 niewygodny sposób instalacji (terminatory, łączki T),

 słaba skalowalność (problemy z dołączeniem nowej stacji),

 niska odporność na awarie i trudność lokalizowania usterki.

Kabel typu skrętka

Skrętka to obecnie najbardziej popularne medium w sieciach lokalnych. Wyróżniamy kilka rodzajów skrętek:

• Kabel nieekranowany UTP (Unshielded Twisted Pair) wykonana jest ze skręconych nieekranowanych przewodów. Skręcenie ze splotem 1 zwój na 10 cm chroni przed oddziaływaniem (interferencją) otoczenia.

• Kabel foliowany FTP (Foiled Twisted Pair) jest skrętką ekranowaną za pomocą folii, z przewodem uziemiającym.

• Kabel ekranowany STP (Shielded Twisted Pair) ma ekran wykonany w postaci oplotu i zewnętrznej koszulki ochronnej.

• Kabel foliowany z ekranem S-FTP.

• Kabel podwójnie ekranowany S-STP ma ekran dla każdej pary i dla całego kabla.

Zalety skrętki:

 cena i łatwość instalacji, dostępność rozwiązań i urządzeń,

 akceptowana przez wiele rodzajów sieci.

Wady skrętki:

 stosunkowo niska prędkość transferu danych,

 instalacja sieci wymaga urządzeń aktywnych,

 ograniczona długość kabla (mała odporność na zakłócenia).

Kategorie i klasy okablowania

Pasmo	TIA/EIA 568A	ISO 11801 EN 50173	Opis
do 100 KHz	kategoria 1	klasa A	Usługi telefoniczne.
do 1 MHz	kategoria 2	klasa B	Aplikacje głosowe dotyczące danych o małej częstotliwości.
do 16 MHz	kategoria 3	klasa C	„Zwykłe” sieci lokalne (Ethernet, Token Ring).
do 20 MHz	kategoria 4
do 100 MHz	kategoria 5	klasa D	Szybkie sieci LAN (Fast Ethernet, ATM).
do 100MHz	kategoria 5e	rozszerzona klasa D	Zaostrzone w stosunku do kat. 5 wymagania na niektóre parametry i zdefiniowano szereg nowych.
Do 200 MHz	kategoria 6	klasa E	Szybkie sieci LAN (Giga Ethernet, ATM 622 Mb/s).
Do 600 MHz	kategoria 7	klasa F	Szybkie sieci LAN (powyżej 1Gb/s), stosuje kable S-STP.
od 10MHz		klasa optyczna	Szybkie sieci LAN

Uzyskanie konkretnej klasy okablowania wymaga stosowania wszystkich komponentów odpowiednich kategorii dla całego połączenia od stacji do urządzenia.

Światłowód

Transmisja światłowodowa polega na przesyłaniu przez włókno szklane promieni optycznych generowane przez laserowe źródło światła. Ze względu na niską tłumienność oraz odporność na zewnętrzne pole elektromagnetyczne światłowód jest obecnie najlepszym medium stosowanym w sieciach komputerowych. Znane są dwa rodzaje światłowodów:

• Wielomodowe. Długość fali świetlnej 850 nm, 1300 nm. Odległości między regeneratorami od 0,1 km do 10 km. Zastosowanie: sieci lokalne, wojsko, przemysł.

• Jednomodowe. Długość fali świetlnej 1300 nm, 1550 nm. Odległości między regeneratorami od 10 km do 100 km. Zastosowanie: telekomunikacja, telewizja.

Zalety światłowodu:

 duże prędkości transmisji,

 odporność na podsłuch.

Wady światłowodu:

 duży koszt, trudna instalacja.

Porównanie kabli medzianych i światłowodów

Cecha poró-wnawcza	Kabel miedziany	Światłowód	Przewaga na korzyść
Pasmo	Zależne od kategorii, 100 MHz - 5e, 250 MHz - 6, 600 MHz - 7	Praktycznie nieograniczone, rzędu GHz (WDM, DWDM)	światłowodu
Zasięg	Tłumienie ogranicza zasięg do 100 metrów dla danych oraz kilku kilometrów dla głosu	Małe tłumienie daje zasięg 2-3 km dla sieci LAN i kilkuset km dla telekomunikacji	światłowodu
Przepustowość	Ograniczona	Większe możliwości	światłowodu
EMC	Wrażliwy na zakłócenia, więc w pobliżu nie może być urządzeń generujących zakłócenia	Całkowita kompatybilność EMC, idealny do prowadzenia na zewnątrz, przy silnych zakłóceniach	światłowodu
Cena	Stosunkowo tani, dla kat. 6 i 7 cena zbliżona do światłowodu	Stosunkowo drogi, szczególnie urządzenia	kabla miedzianego
Współczynnik cena/pasmo	Na rozsądnym poziomie	Dużo korzystniejszy niż dla kabli miedzianych	światłowodu
Łatwość montażu	Stosunkowo łatwy, problemy dla kabli ekranowanych	Dość skomplikowany montaż, łączenie.	kabla miedzianego
Kompatybil-ność wsteczna	Kategorie wyższe niż 5 wymagają kompatybilności wstecznej dla toru transmisji	Nie gwarantują kompatybilności wstecznej.	kabla miedzianego
Interopera-bility (Interopera-cyjność)	Dla kat. 5 i 5e tor transmisji zbudowany z elementów różnych producentów spełnia wymagania	Dowolne elementy pochodzące od różnych producentów współpracują poprawnie	światłowodu
Testowanie	Istnieje szereg mierników do testowania, dla wyższych kat. testowanie dość trudne	Brak problemów związanych z testowaniem, standardowe mierniki	światłowodu
Waga	Stosunkowo ciężkie	Lekkie	światłowodu

Media bezprzewodowe:

Łącze podczerwone

Ten rodzaj transmisji stosuje fale elektromagnetyczne z zakresu 700-1500 nm. Charakteryzuje się małym zasięgiem (kilkanaście metrów), niewielkie zaniki sygnału, wysoka tłumienność, duża wrażliwość na zakłócenia pochodzące ze źródła promieniowania widzialnego. Zasadnicza zaleta łączy w podczerwieni to brak potrzeby zezwolenia (licencji) odpowiednich agencji rządowych na ich stosowanie.

Łącze radiowe

Ten rodzaj transmisji stosuje częstotliwości radiowe z zakresu 1-30 GHz, przy czym wyższe częstotliwości są stosowane do transmisji prywatnych na krótszych dystansach. Zastosowania to: połączenie między budynkami, komunikacja w terenie otwartym gdzie tradycyjna transmisja za pomocą kabla jest zbyt droga, zapewnienie nadmiarowych połączeń dublujących połączenia kablowe.

Wady i zalety łącz bezprzewodowych

Zalety:

 możliwość stosowania w miejscach gdzie nie ma możliwości wybudowania infrastruktury kablowej,

 możliwość obsługi użytkowników ruchomych.

Wady:

 większy koszt, niższa przepustowość,

 mniej standardów oraz urządzeń.

---