Kdo přichází do styku s problematikou počítačových sítí, nezřídka se setkává s pojmem přenosové médium. V této seminární práci se pokusím
vysvětlit tento pojem a termíny s ním spojené poněkud podrobněji, přičemž se zaměřím především na kabelová média.
Podle referenčního modelu OSI má každý distribuovaný systém hierarchickou strukturu, na jejímž dně se nachází fyzická vrstva. Funkcí fyzické
vrstvy je přenos proudu bitů (bez ohledu na jejich význam) mezi jednotlivými uzly sítě. Pro vytvoření fyzického komunikačního kanálu se použí
vají tzv. přenosová média.
Přenosové médium je tedy fyzické médium, zajišťující přenos signálu. Přenosová média jsou buď kabelového typu nebo jsou určena k přímému p
řenosu signálu.
Přenosová média kabelového typu
Do této kategorie spadají technologie, které používají k přenosu signálu vodič - kabel. Patří sem tedy kroucený dvoudrát, koaxiální kabel a
optické vlákno.
Přenosová média založená na přímém rozvodu signálu
U této technologie se k přenosu signálu používají elektromagnetické vlny, které nevyžadují fyzické přenosové prostředí reprezentovat nějakým v
odičem. Patří sem např. rádiová komunikace, mikrovlnná komunikace nebo infračervené záření.
Každý z uvedených přenosů má své výhody i nevýhody, tzn. že každá technologie je pro něco lépe a pro něco hůře použitelná (např. infrared komun
ikace je velmi dobře využitelná pro LAN v rámci areálu školy mezi budovami, optické vlákno se hodí pro komunikaci v rámci WAN).
2.2. FYZIKÁLNÍ CHARAKTERISTIKY PŘENOSOVÉHO MÉDIA
Útlum - jev, při kterém se vlivem impedance kabelu nebo vlivem odrazů amplituda signálu podstatně zmenšuje.
Zkreslení - nastává, pokud signál není schopen procházet médiem ve všech frekvencích stejnou rychlostí.
Šum - jev, který je výsledkem působení jiného signálu než vysílaného.
Šířka pásma - část celého frekvenčního spektra, které je v daném přenosovém médiu dostupné.
Rychlost přenosu - myslím, že není třeba vysvětlovat. Udává se typicky v bitech za sekundu (bps).
3. KATEGORIZACE PŘENOSOVÝCH MÉDIÍ
3.1. KABELOVÁ PŘENOSOVÁ MÉDIA
3.1.1. KROUCENÝ DVOUDRÁT (TWISTED PAIR)
Kroucený dvoudrát je stále nejrozšířenějším přenosovým médiem, velký podíl na jeho popularitě má jeho nízká cena. Tvoří jej dva měděné vodi
če (průměr 0,3 - 0,8 mm), které jsou od sebe navzájem izolovány. Vodiče jsou kolem sebe zkrouceny (odtud název), zejména z důvodu snížení ele
ktrické interference mezi dvojicemi vodičů umístěnými blízko sebe. Nejčastěji se tento typ vodičů používá v telefoním systému.
Při použití krouceného dvoudrátu se kabel může pokládat na vzdálenost několika kilometrů bez zesilování signálu. Pokud je TP vodič použit k p
řenosu analogovému, je potřeba signál zesilovat každých 5 až 6 km, pro digitální přenos je potřeba signál zesilovat každé 2 až 3 km.
Dnes se TP používá často v LAN. Běžná rychlost přenosu je 100 Mbps (frekvence 20 - 100 MHz), používá se na vzdálenosti do 100 m.
Kroucený dvoudrát se vyrábí ve dvou variantách - UTP a STP.
UTP - Unshielded Twisted Pair - nestíněný, tvořen pouze dvěma izolovanými vodiči.
STP - Shielded Twisted Pair - stíněný, umístěn do ochranného obalu, který redukuje vliv signálových interferencí.
Nevýhody krouceného dvoudrátu:
- STP je silný a obtížně se s ním manipuluje, proto se nepoužívá v LAN
- UTP je citlivější na šum než koaxiální kabel
- při použití UTP na větší vzdálenosti musí být signál regenerován
Limitujícím faktorem je také tzv. skin efekt (se zvětšující se rychlostí přenosu dat se zvyšuje i frekvence přenášeného signálu a proud
tekoucí vodiči má tendenci téci pouze po povrchu vodiče, takže využívá stále menší průřez - tím se zvyšuje odpor vodiče, tzn. zeslabuje se
signál).
3.1.2. KOAXIÁLNÍ KABEL
Někdy se označuje jako coax (Common Axis). V praxi se používají dva typy koaxiálních kabelů.
50ohmový kabel používaný pro digitální přenos a 75ohmový kabel používaný pro analogový přenos dat.
Kabel je v obou případech tvořen jádrem z měděného vodiče. Jádro je obaleno izolačním materiálem (často teflon). Izolátor je uzavřen do válcové
ho vodiče a ten je ukryt v ochranném plastikovém obalu. Vnější vodič (typicky hliníková fólie) má podobnou funkci jako Faradayova klec. Zabezpeč
uje stínění, signál v jádru není prakticky ničím ovlivňován.
V Ethernetu/IEEE 802.3 se používají dva typy koaxiálního kabelu.
Thick - vodič v jádru přenáší data, je obklopen čtyřmi vrstvami izolačního a stínícího materiálu. Používá se výhradně v instalacích pro Etherne
t, nejčastěji v páteřní síti.
Thin - vodič v jádru je obklopen pouze jednou vrstvou stínění. Tzn. Není tu zajištěno tak kvalitní stínění jako u Thick Ethernetu, ale tento fakt
or je vyvážen jednodušší manipulací s kabelem a nižší cenou.
Z funkčního hlediska lze koaxiální kabely rozdělit na varianty pracující v základním pásmu (baseband) nebo přeloženém pásmu (broadband).
Baseband - jednokanálový přenos - digitální signál
Broadband - může přenášet signály na několika frekvencích současně - analogový signál
Konstrukce koaxiálního kabelu pro baseband poskytuje velkou šířku pásma a zároveň vyjímečnou odolnost digitálních signálů proti nízkofrekve
nčnímu elektromagnetickému šumu. Kabel délky 1 km může přenášet data rychlostí 1 - 2 Gbps. Lze používat i delší kabely, ale při nižších rychlo
stech přenosu dat.
Koaxiální kabely se široce používají v lokálních sítích a pro přenos na velké vzdálenosti v rámci telefonního systému (tady se však již delší d
obu nahrazují optickými vlákny).
Analogový přenos používá koaxiální kabely konstruované pro broadband (neboli pro přenos v přeloženém pásmu). Tyto kabely jsou použitelné vzhlede
m k analogovému přenosu až na vzdálenost 100 km, protože analogový přenos není tak kritický jako digitální. Typicky se "koaxiály" konstruované
pro broadband používají k přenosu televizního signálu (kabelová televize).
Výhody koaxiálního kabelu
- velká odolnost proti rušení
- snadná instalace
- může služit i k přenosu hlasu a videa (v broadbandu)
Nevýhody koaxiálního kabelu
- náchylnost k poškození
- nelze použít v sítích Token-Ring
3.1.3. OPTICKÁ VLÁKNA (FIBER OPTIC)
Optický přenosový systém má tři složky: přenosové médium, světelný zdroj a detektor.
Přenosové médium - jedná se o velmi tenké vlákno, které je vyrobeno ze skla nebo z taveného křemíku.
Světelný zdroj - v tomto případě se jedná o LED nebo laserovou diodu (přenosová rychlost 1 Mbps).
Detektor - fotodioda, která po dopadu světla generuje elektrický impuls.
Připojením LED na jeden a fotodiody na druhý konec optického vlákna vznikne jednosměrný přenosový systém, který přijímá elektrický signál, měn
í jej na světelné impulsy, ty pak vysílá a potom je na přijímacím konci zpětně změní na elektrický signál.
Tento systém by však neměl praktické využití - propouštěl by světlo do okolí - nebýt zajímavého fyzikálního principu. Při přechodu světelného p
aprsku z jednoho prostředí do jiného, např. z taveného křemíku do vzduchu, se světelný paprsek na tomto přechodu lomí. Úhel lomu závisí na vlast
nostech obou prostředí (především na indexech lomu světla). Při úhlu dopadu nad jistou kritickou hodnotou se světlo úplně odrazí zpět. Na zákla
dě tohoto principu je světelný paprsek udržován uvnitř vlákna a může jím prostupovat bez ztrát na velké vzdálenosti. Tímto způsobem může být odr
áženo i více světelných paprsků pod různými úhly. Z tohoto hlediska se rozlišují následující typy optických vláken:
MULTI-MODE
Nejstarší typ optického vlákna, průměr vlákna je obvykle 62,5 mikronu. Světelný paprsek probíhá vláknem více cestami. To může vést k rušení signálu
na straně přijímače. Multi-mode se používá ve dvou modifikacích:
- Step Index
Jedná se o kabel se skokovou změnou v indexu lomu. Je to nejjednodušší a nejlevnější typ optického kabelu. Jádro má průměr 50 - 125 mikronu, pl
ášť světlovodu 140 mikronů. Přenosová rychlost se zde pohybuje v rozmezí 200 Mbps - 3 Gbps. Používá se především u lokálních sítí.
- Graded Index
Kabel s postupnou změnou indexu lomu. Vlákno je tvořeno soustřednými vrstvami z materiálu, jehož index lomu směrem k okolí klesá. Tím lze dosáhn
out vyšší rychlosti přenosu. Graded index umožňuje až 10 krát širší přenosová pásma než multi-mode step index kabel. V současnosti je graded index snad nejpoužívanější typ optického kabelu.
SINGLE-MODE
U single-mode je jádro velmi úzké (např. 5 mikronů). Jestliže se průměr vlákna omezí na jednu vlnovou délku světla, vlákno funguje jako vlnovod a
světlo se šíří přímo, bez odrazů. Tato technologie vyžaduje použití laserových diod. Výkonné lasery mohou napájet vlákna až 100 km dlouhá bez
použití opakovačů. Na kratší vzdálenosti lze dosáhnout přenosové rychlosti až několik Gbps.
Výhody optických kabelů:
- zesilovače jsou potřeba po cca 50 km,
- žádné nebo malé zkreslení,
- nemožnost odposlechu
Nevýhody optických kabelů:
- obtížné napojování,
- obtížné větvení,
- drahé technologie
3.2. PŘENOSOVÁ MÉDIA ZALOŽENÁ NA PŘÍMÉM ROZVODU SIGNÁLU
3.2.1. MIKROVLNNÝ PŘENOS (MICROWAVE)
Komunikační kanál je otevřen pomocí parabolických antén, které jsou namířeny na sebe. Problém může někdy činit požadavek na přímou viditelnost
mezi zdrojem a cílem signálu. Hlavními nevýhodami je možnost rozfázování signálu (když se takto "rozhozené" signály znovu spojí, interferují) a
fakt, že mikrovlnné šíření je ovlivňováno atmosferickými jevy.
Šířka pásma mikrovln je podobná jako šířka pásma koaxiálního kabelu. Instalační náklady jsou relativně nízké, je potřeba méně zesilovačů. Stanic
e mohou být od sebe vzdáleny 40 - 50 km.
Komunikační družice obsahuje jeden nebo několik opakovačů (transponderů). Každý transponder přijímá na jiné části spektra, přicházející signál z
esiluje a zpětně jej vysílá na jiném kmitočtu, aby zamezil interferenci s přicházejícím signálem. Paprsky vysílané družicí mohou být široké (pok
rývají podstatnou část zemského povrchu) nebo úzké (oblast o průměru stovek kilometrů).
V současnosti se téměř nepoužívá. Zásadní rozdíl mezi rádiovým a mikrovlnným přenosem je ve směrovosti vysílání. Zatímco mikrovlnné vysílání je
směrované, rádiové vysílání je všesměrové. Jedná se o oblast VHF a UHF televizních pásem a FM rádiového pásma. Rádiový signál není tak citlivý n
a atmosferické jevy jako mikrovlnný, dosažitelná rychlost přenostu dat se pohybuje spíše v oblast kilobitů než megabitů.
Jako klasický příklad počítačové sítě založené na přenosu rádiových vln se tradičně uvádí havajská Aloha. Základní komunikační vzdálenost byla 3
0 km, pomocí opakovačů se dosah zvyšoval až na 500 km.
Jsem si vědom toho, že jsem do své práce nezahrnul například technologii infrared apod. Ale jak jsem upozornil v úvodu, chtěl jsem se zaměřit
spíše na kabelové přenosy. Také jsem si vědom, že jsem zdaleka danou problematiku nepopsal vyčerpávajícím způsobem. To by však vzhledem k malém
u rozsahu nešlo, vždyť i takto jsem překročil stanovený limit.
Pevně doufám, že tato krátká seminární práce má alespoň malou informační hodnotu jak pro laika, tak pro profesionála.