Проводные и беспроводные компьютерные сети. Стандарты кабелей. Сетевые адаптеры

Лекция 18. Проводные и беспроводные компьютерные сети. Стандарты кабелей. Сетевые адаптеры

Физически сеть может быть проводной и беспроводной. У каждого из видов есть свои плюсы, минусы и особенности – как явные, так и скрытые. Несмотря на то, что «все все знают», зачастую какие-то особенности сети не учитывают. В результате сеть приходится либо дорабатывать, либо полностью переделывать.

Например, довольно простая ловушка (надеюсь, наши читатели на ней не споткнутся) – считать, что при выборе беспроводной сети проводные сегменты вообще не нужны.

Проводные сети: особенности, плюсы и минусы

Современные офисные проводные сети используют, как правило, витую пару и порты стандарта RJ-45. Работа проводных сетей описываются стандартами IEEE 802.3. На сегодняшний день используется два основных стандарта:

• IEEE 802.3u с максимальной пропускной способностью 100 Мбит/с. Сегодня встречается только в бюджетных ноутбуках, старых компьютерах, включая сетевое оборудование, либо в устройствах, где высокая скорость не нужна;
• IEEE 802.3ab с максимальной пропускной способностью 1000 Мбит/с на сегодняшний день является наиболее распространенным - гигабитные сетевые карты интегрируются в большинство материнских плат, на рынке есть широкий выбор сетевого оборудования, в том числе недорогого.

Существует так же стандарт IEEE 802.3an, позволяющий при определенных условиях достичь скорости в 10 Гбит/с при использовании обычной медной витой пары. Поддержку данного стандарта можно встретить в рабочих станциях и серверах, однако 10-Гигабитные коммутаторы стоят слишком дорого для SOHO, что тормозит замещение гигабитной сети 10-гигибатной. Есть промежуточные решения - гигабитные коммутаторы с 2-4 10-гигабитными SFP+ разъемами, что позволяет подключить сервер или другой сегмент сети по 10-гигабитному интерфейсу.

Плюсы проводной сети

Основное достоинство проводной сети – стабильность и надежность работы.

Высокая скорость и стабильность работы. Итак, возьмем распространенную конфигурацию сети со скоростью работы 1 Гбит/с. Эта скорость доступна для каждого клиента в сети и не делится между ними, плюс, это скорость в каждую сторону, т.е. суммарная пропускная способность может достигать 2000 Мбит/с (IEEE 802.3ab). Кроме того, есть поддержка больших пакетов (Jumbo Frame, это пакеты по 9кб и 16кб), что позволяет увеличить скорость при передаче больших объемов данных за счет сокращения передачи служебной информации, а также снизить нагрузку на процессор. Еще одним способом, повышающим пропускную способность сети, является агрегация каналов (IEEE 802.3ad), которая позволяет получить пропускную способность выше 1 Гбит/с. Наконец, витая пара эффективно работает при длине провода до 100 м без ухудшения стабильности и скорости соединения.

Оборудование. Гигабитный контроллер проводной сети сегодня интегрирован в любую продающуюся материнскую плату, т.е. по факту является бесплатным для пользователя. Кабели тоже относительно дешевы, плюс, их можно нарезать самостоятельно до нужной длины. Сетевое оборудование на рынке есть, что называется, на любой вкус и кошелек, всегда можно найти недорогие и при этом эффективные решения.

Безопасность. Один из существенных плюсов проводной сети – безопасность. В первую очередь физическая, т.к. чтобы подключиться к сети, злоумышленнику нужен физический доступ в помещение, к розетке.

Минусы проводной сети

Как и с любым кабелем, основной минус – необходимость прокладки кабелей до каждого рабочего места, а в дальнейшем – привязка работника к этому рабочему месту. Разводка, как правило, осуществляется при ремонте помещения, поэтому при любых изменениях в организации офиса сетевую инфраструктуру тоже, скорее всего, придется перекладывать. В результате поменять рассадку сотрудников, добавить рабочие места или сетевое оборудование (принтер, МФУ и пр.) – нетривиальная задача, для которой может потребоваться перепрокладка кабелей. Ну или разного рода «костыли».

Наконец, к одному проводу возможно подключение только одного устройства, а некоторые устройства (смартфоны, планшеты и т.д.) к проводной сети вообще не подключишь.

Беспроводные сети: особенности, плюсы и минусы

Развитие беспроводных сетей

Своим бурным развитием беспроводные сети в значительной степени обязаны компании Intel, которая в начале 2000-х годов сделала наличие беспроводного адаптера обязательным для ноутбуков, претендующих на популярный логотип Intel® Centrino™. С тех прошло много времени, а в развитие беспроводных сетей Wi-Fi было вложено огромное количество сил и средств.

На смену первому стандарту 802.11b (в США еще использовался стандарт 802.11a, но он работал на 5 ГГц, у нас в стране не работал т.к. тогда эта частота требовала лицензирования, и т.д.), обеспечивающему относительно небольшую скорость до 11 Мбит/сек,  пришел более скоростной стандарт «g» (54 Мбит/с), а потом – «n» (150/300/600 Мбит/с). Здесь, кстати, можно отметить интересную вещь: производители настолько ждали новый стандарт, который предлагал более высокие скорости обмена данными, что стали выпускать устройства с его поддержкой еще до официального анонса, на черновой спецификации N-draft. Далее эта ситуация повторилась с новым стандартом «802.11ас». Иногда некоторые устройства на «черновых» спецификациях отказывались работать друг с другом (например, конкретный роутер и конкретный ноутбук), что могло стать неприятным сюрпризом.

Беспроводные сети сегодня: скорости, стандарты и пр.

Итак, на сегодня существует два основных стандарта беспроводного подключения Wi-Fi.

• IEEE 802.11n с максимальной пропускной способностью от 150 до 600 Мбит/с при использовании четырех антенн. Стандарт предполагает беспроводные сети 2,4 ГГц и 5 ГГц;
• IEEE 802.11ac с максимальной пропускной способностью до 6,77 Гбит/с при использовании восьми антенн. Данный стандарт предназначен только для 5 ГГц сетей.

Стандарт IEEE 802.11g с пропускной способностью 54Мбит/с сейчас можно встретить только в старых устройствах, но поддержка его в устройствах есть.

Сегодня на рынке присутствует широкий выбор разного оборудования, поддерживающего самые современные стандарты. Однако стоит отметить, что в беспроводных сетях куда больше разных вариантов (а значит и бардака). Обеспечиваемая скорость передачи данных зависит от очень многих параметров: поддерживаемых стандартов связи, количества антенн и работы MIMO, количества антенн и даже физического расположения в пространстве.

В общем, по формальным показателям скорости соединения беспроводные сети догоняют и даже обгоняют проводные.  Но для них при этом существует очень много оговорок, из-за которых в реальности все не так радужно.

Плюсы беспроводных сетей

Основной плюс беспроводной сети – свобода. Сотрудник может подключить и полноценно работать с ресурсами компании из любого места, где ловится сигнал точки доступа, а это расстояние может достигать 30-50 м при хороших условиях связи. Соответственно, он не привязан к рабочему месту, может работать с разных устройств (как ПК, так и мобильных). Беспроводное подключение сильно поднимает удобство работы при большом количестве совещаний в отдельных комнатах, если сотрудники работают в рабочих группах, которые часто перетасовываются, и т.д.

Кстати, немного в сторону, но не стоит забывать, что беспроводная связь может работать не только как средство доступа к сети, но и для доступа к оборудованию – например, технологии Intel® Wireless Docking™ и Intel® WiDi™ (подробнее здесь) позволяют подключаться к настольной периферии (клавиатура, мышь и пр.) без проводов, а также проводить презентации на внешнем мониторе без подключения проводом.

В случае, если в офисе уже развернута беспроводная инфраструктура, то подключение дополнительного рабочего места не требует практически никаких дополнительных затрат – правда, пропускная способность точки доступа делится на всех клиентов, т.е. при большом обмене данных пропускная способность на клиента сильно упадет.

То же можно сказать и об устройствах – например, поставить новый принтер или МФУ с поддержкой Wi-Fi – дело пары минут. В результате, в некоторых случаях работа через Wi-Fi оказывается дешевле – особенно если количество сотрудников и устройств динамически меняется. Но нельзя забывать, что развертывание беспроводной инфраструктуры тоже стоит денег (и зачастую затраты больше, чем на проводную инфраструктуру), и провода тянуть (и делать коммутацию) все равно придется – хотя бы до точки доступа.

Минусы

Однако в случае с Wi-Fi большинство плюсов сопровождается минусами – либо, на худой конец, увесистыми оговорками.

Скорость и стабильность. Формально скорость соединения – то, что пишут на коробках – даже превосходит скорость проводного соединения. Однако реальная скорость работы в этом случае всегда будет гораздо ниже. Основные ограничения беспроводных сетей Wi-Fi включают в себя:

• заявленная производителем точки доступа скорость подключения делится между всеми клиентами, то есть при большом количестве клиентов реальная скорость будет значительно ниже заявленной;
• Высокая скорость достигается только при применении нескольких антенн. Но даже если у роутера их 8, то у мобильного устройства вряд ли будет больше двух антенн, соответственно, скорость будет ниже.
• Скорость беспроводного соединения зависит от многих факторов: помех, расстояния до точки доступа, количества стен и других преград между точкой доступа и клиентом и т.д. Для диапазона 5 ГГц влияние этих факторов выше (т.е. дальность устойчивой работы будет меньше, а скорость при увеличении расстояния или через препятствие падает быстрее).
• Беспроводные сети при работе мешают друг другу. В местах, где одновременно работает несколько сетей на одинаковом или близком канале передачи, скорость обмена данными в каждой из них будет падать.
• В соответствии со стандартом IEEE 802.11, работа идет в полудуплексном режиме – это значит, что передача данных может идти только в одном направлении в конкретный момент времени, а при активном обмене данными на вход и выход скорость можно делить пополам.

Таким образом, заявленная и реальная скорость для беспроводных сетей – две большие разницы, причем на них еще и может влиять множество динамических факторов – которые сегодня есть, а завтра нет.

Есть у беспроводных сетей и другие особенности со знаком «минус».

Безопасность. Беспроводная сеть транслирует свои данные «наружу», т.е. ее всегда можно увидеть и «подслушать». Весь обмен трафиком также можно прослушать, иногда даже находясь вне офисного здания. Шифрование несколько снижает остроту проблемы, но старые алгоритмы (типа WEP) легко взламываются, да и новые устойчивы не  на 100%. Плюс, всегда остается теоретическая возможность взлома самой точки доступа или клиентского устройства, а в последнее время сообщений о таких возможностях (пусть они и преподносятся как теоретические) становится пугающе много.

Оборудование. Если у мобильных ПК благодаря стараниям Intel (и у мобильных устройств примерно по тому же поводу) с поддержкой Wi-Fi все хорошо, то в ПК адаптеров Wi-Fi практически никогда нет, их нужно докупать отдельно (в неттопах и моноблоках, при этом, они почти всегда есть). Но даже если докупать адаптер отдельно, то дешевые карты как правило идут с дешевыми же антеннами, которые работают очень плохо – чтобы получить хотя бы такой же уровень сигнала (и скорость передачи), как у стоящего рядом ноутбука, приходится докупать внешнюю антенну. Оборудование для Wi-Fi как правило стоит заметно дороже, чем аналогичное оборудование для проводной сети.

Необходимая оговорка

По приведенному списку плюсов и минусов получается так, что проводная сеть выглядит гораздо предпочтительнее беспроводной. Ну, абстрактно это действительно так: если нужна именно «скорость, стабильность и надежность», то приходится выбирать проводное подключение. Но у Wi-Fi есть огромное преимущество, которое перевешивает многие недостатки. Это преимущество – удобство.

Многие работодатели склонны его преуменьшать, мол «и на своем месте посидит, не развалится». Удобство – с одной стороны, штука эфемерная, ее в цифрах не выразишь. С другой стороны, при комфортных условиях работы работник, как правило, больше делает и меньше устает. Но решение нужно принимать исходя из того, чем занят сотрудник. Для инженера, который работает на ПК с двумя большими мониторами, и при этом постоянно работает с проектами по сети – проводное подключение является наилучшим выбором. А для менеджера по продажам, который проводит в офисе мало времени и не нуждается в отдельном рабочем месте, лучше организовать беспроводной доступ. Это лишь один из примеров, на самом деле их гораздо больше.

Стандарты кабелей

Кабель – это достаточно сложное изделие, состоящее из проводников, слоев экрана и изоляции. В компьютерных сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из кабелей и соединительных устройств разных производителей. При стандартизации кабелей принят протокольно независимый подход. Это означает, что в стандарте оговариваются электрические, оптические и механические характеристики, которым должен удовлетворять тот или иной тип кабеля или соединительного изделия – разъема, кроссовой коробки и т. п. Однако для какого протокола предназначен данный кабель, стандарт не указывает.

Стандарты кабелей

В стандартах кабелей оговаривается достаточно много характеристик, из которых наиболее важны следующие:

• затухание (Attenuation) измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала:

• перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEСT) измеряются в децибелах для определенной частоты сигнала;

• импеданс (волновое сопротивление) – это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи. Импеданс измеряется в омах и является относительно постоянной величиной для кабельных систем;

• активное сопротивление – это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля;

• емкость – это свойство металлических проводников накапливать энергию. Два электрических проводника в кабеле, разделенные диэлектриком, представляют собой конденсатор, способный накапливать заряд. Емкость приводит к искажению сигнала и ограничивает полосу пропускания линии;

Стандарты кабелей

• уровень внешнего электромагнитного излучения, или электрический шум, – это нежелательное переменное напряжение в проводнике. Электрический шум бывает двух типов: фоновый и импульсный. Электрический шум можно также разделить на низко-, средне- и высокочастотный. Источниками фонового электрического шума в диапазоне до 150 к. Гц являются линии электропередач, телефоны и лампы дневного света; в диапазоне от 150 к. Гц до 20 МГц – компьютеры, принтеры, ксероксы; в диапазоне от 20 МГц до 1 ГГц – телевизионные и радиопередатчики, микроволновые печи. Основными источниками импульсного электрического шума являются моторы, переключатели и сварочные агрегаты. Электрический шум измеряется в милливольтах;

• диаметр, или площадь сечения, проводника. Для медных проводников достаточно употребительной является американская система. В европейских и международных стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах.

Кабели на основе неэкранированной витой пары. Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик подразделяется на 5 категорий (Category 1 – Category 5). Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был основной тип кабеля для телефонной разводки. Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории – способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели на основе неэкранированной витой пары. Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году, когда был разработан Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих сетей. Стандарт определил электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые приложения. Кабель этой категории предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30, 5 см).

Кабели на основе неэкранированной витой пары. Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары категории 5. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3.

Кабели на основе неэкранированной витой пары. Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5 имеют следующие значения: • полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом (допускается 120 Ом); • величина перекрестных наводок NEСT в зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74 д. Б на частоте 150 к. Гц и не менее 32 д. Б на частоте 100 МГц; • затухание имеет предельные значения от 0, 8 д. Б (на частоте 64 к. Гц) до 22 д. Б (на частоте 100 МГц); • активное сопротивление не должно превышать 9, 4 Ом на 100 м; • емкость кабеля не должна превышать 5, 6 н. Ф на 100 м.

Кабели на основе экранированной витой пары. Экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает, в свою очередь, пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного заземления. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, а голос по нему не передают. Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары, является фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы: Туре 1, Туре 2, . . . , Туре 9.

Кабели на основе экранированной витой пары. Основным типом экранированного кабеля является кабель Туре 1 стандарта IBM. Он состоит из двух пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которая заземляется. Электрические параметры кабеля Туре 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5. Однако волновое сопротивление кабеля Туре 1 равно 150 Ом. Экранированные витые пары используются также в кабеле IBM Туре 2, который представляет кабель Туре 1 с добавленными 2 парами неэкранированного провода для передачи голоса. Не все типы кабелей стандарта IBM относятся к экранированным кабелям – некоторые определяют характеристики неэкранированного телефонного кабеля (Туре 3) и оптоволоконного кабеля (Туре 5).

Коаксиальные кабели.

Существует большое количество типов коаксиальных кабелей, используемых в сетях различного типа – телефонных, телевизионных и компьютерных. Ниже приведены основные типы и характеристики этих кабелей: • RG-8 и RG-11 – «толстый» коаксиальный кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0, 5 дюйма (около 12 мм). Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2, 17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10 МГц – не хуже 18 д. Б/км). Зато этот кабель сложно монтировать – он плохо гнется;

Коаксиальные кабели.

 • RG-58/U, RG-58 А/U и RG-58 С/U – разновидности «тонкого» коаксиального кабеля. Кабель RG-58/U имеет сплошной внутренний проводник, а кабель RG-58 А/U – многожильный. Кабель RG-58 С/U проходит «военную приемку» . Все эти разновидности кабеля имеют волновое сопротивление 50 Ом, но обладают худшими механическими и электрическими характеристиками по сравнению с «толстым» коаксиальным кабелем. Тонкий внутренний проводник 0, 89 мм не так прочен, зато обладает гораздо большей гибкостью, удобной при монтаже. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в «толстом» коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте;

• RG-59 – телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом широко применяется в кабельном телевидении;

• RG-62 – кабель с волновым сопротивлением 93 Ома использовался в сетях Arc. Net, оборудование которых сегодня практически не выпускается.

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердечника) – стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердечник. Распространяясь по сердечнику, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

• многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления;

• многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления;

• одномодовое волокно.

Волоконно-оптические кабели. Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света – от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая – до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный, технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62, 5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62, 5 мкм или 50 мкм – это диаметр центрального проводника, а 125 мкм – диаметр внешнего проводника.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток – сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля. Стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования. Так, присоединение оптического волокна к разъему требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции склеивания, а не обжатия, как это делается для витой пары. Выполнение же некачественных соединений сразу резко сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и линий.

Скачано с www.znanio.ru