Hálózati átviteli közegek

[table id=8 /]

[table id=10 /]

A hálózati átviteli közegek három alapvető típusa létezik. A fizikai réteg a következő típusú átviteli közegekre állítja elő a bitek megfelelőjét:

• Rézkábel: A jelek elektromos impulzusoknak felelnek meg.

• Optikai kábel: A jelek fényimpulzusoknak felelnek meg.

• Vezeték nélküli: A jelek a mikrohullámú átvitel mintáinak felelnek meg.

Az ábrán réz alapú, optikai és vezeték nélküli átvitel jeleire láthatunk példákat.

A fizikai réteg együttműködési képességének biztosításához olyan szabványügyi szervezetekre van szükség, amelyek az egyes funkciókat minden szempontból felügyelik.

Rézkábel

Hálózati átviteli közegként használva az árnyékolatlan csavart érpár (UTP) négy pár, színkóddal jelölt, egymással összecsavart vezetékből áll, amelyek rugalmas műanyag köpenybe vannak befoglalva. A hálózati UTP kábel négy pár 22-es vagy 24-es értékű mérőszámmal (a vezeték átmérőjéből számítják) rendelkező vezetékből áll. A kábel külső átmérője körülbelül 0,43 cm (0,17 inch), a kis méret a telepítés során jelenthet előnyöket.

Az UTP kábel nem használ árnyékolást az EMI és az RFI hatásainak kivédésére. A kábeltervezők ehelyett felismerték, hogy mivel tudják ellensúlyozni az áthallás negatív hatásait:

• Kioltás: A tervezők a vezetékpárokat egy áramkörként hozzák létre. Ha az áramkörben ezt a két vezetéket közel helyezzük el egymáshoz, a két vezeték által keltett mágneses mező pontosan ellentétes irányú lesz. Emiatt a két mágneses mező kioltja egymást, valamint a külső forrásból származó EMI és RFI jeleket is.

• A vezetékpárok csavarásszámainak változtatása: A kioltási effektus hatásának fokozása érdekében eltérő számú csavarást alkalmaznak az egyes vezetékpárokban. UTP kábel használatakor szigorú előírásokat kell követni a méterenkénti csavarások számát illetően. Figyeljük meg az ábrán, hogy a narancs/narancs-fehér vezetékpár kevésbé csavart mint a kék/kék-fehér pár! Mindegyik színezett vezetékpár eltérő számú csavarást tartalmaz.

Az UTP kábel kizárólag a vezetékek csavarásából eredő kioltási hatásra támaszkodik a jelromlás csökkentésének érdekében, valamint hatékonyan biztosítja a vezetékpárok önárnyékolását a közegen belül.

UTP kábelezési szabványok

Az UTP kábel a TIA/EIA által közösen összeállított szabványokban foglaltaknak felel meg. Pontosabban a TIA/EIA-568A szabvány az, amely meghatározza a LAN hálózatok kábelezési előírásait, és a leggyakrabban előforduló LAN kábelezési szabványnak számít. Néhány, a szabványban definiált elem a következő:

• Kábeltípus

• Kábelhossz

• Csatlakozó

• Kábelvégződés

• Kábeltesztelési módszerek

A rézkábel elektromos jellemzőit a mérnököket egyesítő nemzetközi szervezet, az IEEE határozza meg. Az IEEE az UTP kábeleket a teljesítményük alapján minősíti. Kategóriákba sorolja őket aszerint, hogy mekkora adatátviteli sebességre képesek. Az 5-ös kategóriájú (Cat5) kábelt például a 100BASE-TX FastEthernet típusú megvalósításoknál használják. A további kategóriák közé tartozik a továbbfejlesztett 5-ös kategóriájú (Cat5e), 6-os kategóriájú (Cat6) és a 6a kategóriájú (Cat6a) kábel is.

A magasabb kategóriájú kábel nagyobb adatátviteli sebességeket támogat. Az új, gigabites sebességű Ethernet technológiák bevezetésével a Cat5e kevésbé elfogadott kábeltípussá vált, helyette a Cat6 típus használata javasolt új kábelezések kiépítésekor.

Az ábra a különböző kategóriájú UTP kábeleket emeli ki.

Megjegyzés: Néhány gyártó a Cat6a kategória követelményeit túlteljesítő kábeleit Cat7 jelzővel látja el.

UTP Csatlakozók

Az UTP kábel végződéseit általában az ISO 8877 szabványú RJ-45 csatlakozóval zárjuk le. Ezt a csatlakozót használják számos fizikai réteg specifikációjában, amelyek egyike az Ethernet. A TIA/EIA 568 szabvány az Ethernet kábelben található vezetékek színkódjait és az aljzatok bekötését (lábkiosztást) írja le.

A videón egy UTP kábel RJ-45 csatlakozóval történő lezárását lehet megtekinteni.

https://www.youtube.com/watch?v=p5W5EQhPGAk

Az ábrán látható, hogy az RJ-45 csatlakozó a kábel végére szorított (krimpelt) dugaszt jelenti. A csatlakozóaljzat a konnektor típusú összetevőt jelenti, amelyet hálózati eszközbe, falba, kabinszerű munkahelyi fülkékbe vagy patch panelbe szerelnek bele.

A rézkábelek csatlakozóinak szerelésekor fennáll a jelveszteség és az áramkörben fellépő zaj kialakulásának esélye. Minden egyes helytelenül szerelt csatlakozó potenciális forrása lehet a fizikai jelek teljesítménycsökkenésének. Fontos, hogy a rézkábeleket lezáró csatlakozók jó minőségűek legyenek, annak érdekében, hogy a a jelenlegi és jövőbeni hálózati technológiák esetében is optimális teljesítményt tudjanak nyújtani.

Az ábrán egy helyesen és egy helytelenül lezárt UTP kábelre láthatunk példát.

Az UTP kábelek típusai

Az eltérő helyzetek különböző szabványú UTP kábelbekötések használatát követelik meg. Ez azt jelenti, hogy az egyes vezetékeket a kábelben különböző sorrendben kell csatlakoztatni az RJ-45 csatlakozó különböző érintkezőihez.

A kábelezési szabványoknak megfelelően a fő kábeltípusok az alábbiak:

• Egyeneskötésű Ethernet kábel: A leggyakrabban használt hálózati kábeltípus. Általában állomás és kapcsoló, valamint kapcsoló és forgalomirányító közötti összeköttetéseknél használjuk.

• Keresztkötésű Ethernet kábel: Egy nem túl gyakran használt kábeltípus, hasonló eszközök összekötésére. Összeköthetünk vele például kapcsolót kapcsolóval, állomást állomással vagy forgalomirányítót forgalomirányítóval.

• Rollover kábel: A Cisco saját tervezésű kábele, amelyet a forgalomirányítók vagy kapcsolók konzolportjához történő csatlakozásra használhatunk.

A kereszt- vagy egyeneskötésű kábelek helytelen használata nem károsítja az eszközt, ilyen esetben viszont nem jön létre az eszközök közötti kapcsolat és adatkommunikációra sem kerül sor. Laborhasználat során ez gyakori hibának számít, ezért ha a kapcsolat nem elérhető, a hibaelhárítás első lépéseként az eszközök összeköttetéseinek helyességét kell ellenőrizni.

Az ábra az UTP kábeltípusokat, a kapcsolódó szabványokat és a kábelek jellemző alkalmazási területeit mutatja. Ezen felül azonosítja a TIA 568A és TIA 568B szabványok szerinti vezetékpárokat.

Optikai kábelek

A hálózatok gerincét alkotó eszközök összekapcsolására leginkább optikai kábelt használnak. Bármely más hálózati közeghez képest hosszabb távolságú és nagyobb sávszélességű adatátvitelt tesz lehetővé.

Az optikai szál egy rugalmas, de rendkívül vékony, átlátszó anyagú nagyon tiszta üveg (szilícium-dioxid), amely nem sokkal vastagabb az emberi hajszálnál. A bitek fényimpulzusként jelennek meg a szálon. A száloptikai kábel hullámvezetőként vagy ‘fénycsőként’ viselkedik amikor minimális veszteséggel továbbítja a fényt két végpont között.

A működés szemléltetésére képzeljünk el egy ezer méter hosszúságú üres papírhengert, amelynek a belseje tükörrel van bevonva, benne egy kis lézerpointert használnak Morze-kódok fénysebességgel történő továbbítására. A száloptikai kábel lényegében így működik, kivéve, hogy kisebb az átmérője és kifinomultabb fénykibocsátó és -fogadó technológiákat használ.

A réz vezetékekkel ellentétben az optikai kábel kisebb csillapítással képes a jeltovábbításra, valamint teljesen érzéketlen az EMI és az RFI okozta zavarokra.

Az optikai kábelnek jelenleg az alábbi négy ipari felhasználási területe létezik:

• Nagyvállalati hálózatok: Gerinchálózat kábelezése és a hálózat infrastruktúráját alkotó eszközök összekötése.

• FTTH és felhasználói hálózatok: Az üvegszál az otthonig (Fiber-to-the-home, FTTH) típusú hálózat folyamatos szélessávú kapcsolatot biztosít az otthoni és kisvállalati felhasználók számára. Nagy sebességű internet-hozzáférést nyújt elérhető áron, valamint támogatja a számítógépes távmunkát, a távfelügyeleti orvosi ellátást, azaz a telemedicinát, valamint a digitális videótárat (Video on Demand).

• Nagytávolságú hálózatok: Országok és városok összekötésére a szolgáltatók nagytávolságú, szárazföldi optikai hálózatokat használnak. A hálózatok mérete jellemzően a néhány tucattól a néhány ezer kilométerig terjed, és akár 10 Gb/s sebességen is működhetnek.

• Tenger alatti hálózatok: A nagy sebességet és kapacitást biztosító, óceáni távolságokat is áthidaló megvalósításokhoz olyan speciális optikai káblelt használnak, amely képes ellenállni a tengerek alatt lévő mostoha körülményeknek is.

Az optikai kábelek szerkezete

Annak ellenére, hogy az optikai kábel nagyon vékony, kétféle üvegből és egy külső védőrétegből áll. Ezek az alábbiak:

• Mag: Tiszta üvegből áll, és az optikai szál ezen része továbbítja a fényimpulzusokat.

• Héj: Ez az üvegrész veszi körül a magot, és úgy működik mint egy tükör. A fényimpulzusok addig terjednek a magban, amíg a héj vissza nem tükrözi őket. Így a fényimpulzusok a mag belsejében maradnak. Ezt a jelenséget teljes visszaverődés néven ismerjük.

• Köpeny: Általában egy műanyag burkolatot jelent, amely a mag és a héj védelmére szolgál. Emellett megerősítést biztosító anyagokat és védőbevonatot is tartalmazhat, amelyek célja az üveg karcolásoktól és nedvességtől való védelme.

Habár a mag és a héj az erős hajlításokra érzékeny, a tulajdonságaikat molekuláris szinten úgy alkották meg, hogy azok nagyon erősek legyenek. Az optikai kábel szigorú ellenőrzéseken esik át a gyártási folyamat során, hogy elviselje a legalább 100.000 font per négyzethüvelyk (~690MPa) nagyságú nyomást is. A kábelnek olyan tartósnak kell lennie, hogy a ellenálljon a telepítéskor fellépő hatásoknak, valamint világ bármely táján előforduló szélsőséges környezeti hatásoknak is.

Az optikai kábel típusai

A közegen továbbított adatoknak megfelelő fényimpulzusokat a következő módokon állíthatjuk elő:

• Lézerfénnyel

• Fénykibocsátó diódával (LED-del)

A beérkező fényimpulzusokat elektronikus félvezető eszközök, úgynevezett fotodiódák érzékelik, és alakítják át őket feszültségszintekké, amelyekből előállíthatóak az elküldött adatkeretek.

Megjegyzés: Az optikai kábelekben alkalmazott lézerfény az emberi szem számára veszélyes lehet. Ügyelni kell arra, hogy ne nézzünk bele a működő optikai kábel végébe!

Az optikai kábelek nagyjából két csoportba sorolhatók:

• Egymódusú kábel (Single-mode fiber, SMF): Nagyon vékony magból áll, valamint drága lézeres technológiát használ a fénysugár elküldésére. Főleg az egymástól nagy távolságra, akár több száz kilométerre lévő helyek összekötésére használják, például hosszútávú telefonos és kábeltelevíziós felhasználás során.

• Többmódusú kábel (Multimode Fiber, MMF): Nagyobb a mag átmérője, és LED forrást használ a fényimpulzusok kibocsátására. A LED-ből származó fény különböző szögekben léphet be a szál belsejébe. Helyi hálózatokban népszerű, mivel alacsony költségű LED-ekkel üzemel. Akár 10 Gb/s adatátviteli sebességet is elérhetünk vele, a maximális 550 méteres kábelhosszon.

Optikai csatlakozók

Az optikai csatlakozók az optikai szálak végződéseit zárják le. Ezeknek számos típusa elérhető. A fő különbség közöttük a méretből és a mechanikai kapcsolódás módjából adódik. A szervezetek általában azt az egyféle csatlakozótípust szabványosítják, amelyet gyakran használnak a berendezéseikben, illetve kábeltípusokként egy-egy szabványt hoznak létre (egyet az egymódusú, egyet a többmódusú kábelnek). Az összes generációt figyelembe véve, napjainkban körülbelül 70 csatlakozótípus van használatban.

Az ábrán a három leggyakrabban használt optikai csatlakozótípus látható, ezek az alábbiak:

• ST csatlakozó (Straight-Tip): Régi bajonettzáras csatlakozó, amelynek használata a többmódusú szálak esetében elterjedt.

• SC csatlakozó (Subscriber Connector): Négyzetes vagy szabványos csatlakozónak is nevezik. Széles körben elterjedt LAN és WAN hálózati csatlakozótípus, amely megnyom-kihúz (push-pull) típusú mechanizmust használ a biztos csatlakozás érdekében. Egy- és többmódusú kábelek esetében egyaránt használják ezt a típust.

• LC csatlakozó (Lucent Connector): A kicsi vagy helyi csatlakozó néven is említett típus gyors népszerűségre tett szert a kis mérete miatt. Leginkább egymódusú kábeleknél használják, de támogatja a többmódusú szálakat is.

Megjegyzés: Más típusú optikai csatlakozók is léteznek, például az FC (Ferrule Connector) és az SMA (Sub Miniature A) csatlakozók, azonban ezeket nem igazán használják a LAN és WAN hálózatokban. A Biconic és a D4 csatlakozók pedig már elavult típusnak számítanak. Ezen csatlakozók ismertetése nem tartozik a fejezet feladatai közé.

Mivel a fény csak egy irányban továbbítódik a szál belsejében, ezért a full duplex átvitel megvalósításához két optikai szál szükséges. Az optikai lengőkábelek (patch kábelek) emiatt két optikai szálat foglalnak magukban, a végződésüket pedig szabványos optikai csatlakozópárral valósítják meg. Az 1. ábrán látható duplex csatlakozó néven ismert típusok mindegyike alkalmas az adó és vevő szálak bekötésére egyaránt.

Az optikai patch kábelt a hálózatok gerincét alkotó eszközök összekötésére használják. Az. ábrán ilyen kábelre láthatunk példákat:

• SC-SC többmódusú patch kábel

• LC-LC egymódusú patch kábel

• ST-LC többmódusú patch kábel

• SC-ST egymódusú patch kábel

A kábeleket műanyag lezáró kupakkal kell védeni, amikor nem használjuk őket.

A réz- és optikai kábelek összehasonlítása

Az optikai kábel használatának számos előnye van a rézkábelekhez képest.

Tekintve, hogy az optikai kábelben használt szálak nem elektromos vezetők, ezáltal a közeg nem érzékeny a elektromágneses interferenciára, továbbá a földelés kérdésével sem kell foglalkozni, mivel az elektromos áramot sem vezeti. Mivel az optikai kábel vékony és a jelvesztesége is viszonylag alacsony, ezért a rézkábelhez képest lényegesen nagyobb távolságokon is használható jelerősítés nélkül. Az optikai kábel fizikai leírására vonatkozó szabványok némelyike akár több kilométeres távolság áthidalását is engedélyezi.

Az optikai kábelek kivitelezésével kapcsolatos kérdések az alábbiak:

• Ugyanakkora távolság áthidalásakor (általában) drágább, mint a rézkábeles megvalósítás (viszont nagyobb teljesítményű).

• Speciális készségek és eszközök szükségesek a kábelek lezárásához és összeillesztéséhez.

• Alaposabb kezelést igényel, mint a rézkábel.

Napjainkban az optikai kábelt vállalati környezetben elsősorban gerinchálózati kábelezésnél használják különböző létesítmények nagyforgalmú pont-pont összeköttetéseinek megvalósításakor, illetve egyetemeken az egyes épületek összekötésére. Az optikai kábel remekül alkalmazható ezen célokra, mivel nem vezeti az elektromosságot és kicsi a jelvesztesége.