Параметры устройств и функционирование оптических кабельных систем

¦ Коннектор OptiSPEED LC - улучшенный малогабаритный дуплексный вариант SC. Малый диаметр керамического наконечника (1,25 мм) сокращает время полировки. Фиксация аналогична RJ-45. Потери 0,1-0,2 дБ, обратные отражения -20 дБ для ММ и -40 дБ для SM.

¦ Коннектор OPTI-JACK - дуплексный, диаметр наконечника 2,5 мм, фиксация аналогична RJ-45. Потери 0,19 дБ SM и 0,16 дБ ММ, обратные отражения -20 дБ для ММ и -(40-45) дБ для SM.

¦ Коннектор SCDC и SCQC - дуплексный и 4-канальный, наконечники 2,5 мм, фиксация аналогично SC.

¦ Коннектор VF-45 - дуплексный, для выравнивания волокон используется V-образный профиль. Дешевый и простой в установке, потери 0,3 дБ, обратные отражения -20 дБ.

10. Оптоволоконные сети

Волоконная оптика может использоваться как для междугородной связи, так и для локальных сетей, хотя ее установка значительно сложнее, чей подключение к Ethernet. Одним из вариантов соединений оптических кабелей в локальную сеть является кольцо, которое можно рассматривать как набор соединений «точка - точка», как показано на рис. 10.1. Интерфейс каждого компьютера пропускает свет далее по кольцу, а также служит T-образным соединением, позволяющим данному компьютеру принимать и передавать сообщения. Применяются два типа интерфейсов. Пассивный интерфейс состоит из двух ответвлений, вплавленных в основной кабель. На конце одного ответвления устанавливается светодиод или лазерный диод (для передачи), а на другом конце размещается принимающий фотодиод. Само разветвление является абсолютно пассивным элементом и поэтому в высшей степени надежным, поскольку поломка светодиода или фотодиода не приводит к разрыву кольца. Отрезанным от сети в этом случае окажется только один компьютер. Другим типом интерфейса, показанным на рис 10.1, является активный повторитель. Входящий световой импульс преобразуется в нем в электрический сигнал, усиливается при необходимости до требуемого уровня и снова пересылается в виде светового пучка. Интерфейс с компьютером представляет собой обыкновенный медный провод, соединяющий его с регенератором сигнала. Чисто оптические повторители сейчас тоже используются. Такие устройства не требуют преобразования света в электрический сигнал и обратно, поэтому они могут работать на очень больших скоростях. При поломке активного повторителя кольцо разрывается и вся сеть перестает работать. С другой стороны, поскольку сигнал регенерируется каждым интерфейсом, соединения между компьютерами могут быть многокилометровой длины, что позволяет строить кольцо сколь угодно большой величины. Пассивный интерфейс ослабляет сигнал внутри каждого соединения, что сильно ограничивает количество компьютеров и размер кольца.

Кольцевая топология не является единственно возможной схемой построения локальной сети с использованием оптических кабелей. Построив сеть с топологией пассивной звезды, можно реализовать широковещание на основе оптоволоконных кабелей, как показано на рис. 10.2. В подобной конструкции каждый интерфейс состоит из оптического толокна, соединяющего передатчики с одним торцом стеклянного цилиндра, тогда как к другому торцу цилиндра присоединяются приемные оптические кабели. Таким образом, свет, испускаемый одним передатчикам, видят сразу все приемники. Именно так организуется широковещание. Поскольку энергия светового пучка разделяется в цилиндре между выходными линиями, количество узлов в подобной сети ограничивается чувствительностью фотодиодов.

11. Сетевые технологии с оптоволоконной передачей

Варианты для оптоволоконных соединений имеют все классические и современные сетевые технологии. Каждая из них имеет характерные особенности: длину волны, режим передачи (MM/SM), ограничения на затухание и время распространения сигнала, требования к полосе пропускания, тип используемых коннекторов. Основные оптические параметры для распространенных технологий приведены в табл. 11.1.

11.1 Ethernet 10/100/1000 Мбит/с

Для технологии Ethernet (10 Мбит/с) стандартный оптический коннектор - типа ST. Для технологии Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с) в основном применяют коннекторы SC, в более современной аппаратуре используют компактный MT-RJ.

Стандарт 802.3 для оптической среды при скорости 10 Мбит/с предусматривает длину волны 850 нм (ММ). Существуют и фирменные устройства на 1310 нм, используемые как с SM, так и с ММ, в их обозначении обычно присутствует обозначение «SM». Одномодовые порты позволяют использовать и многомодовый кабель, но при этом ограничение на длину (2 км) определяется затуханием. По умолчанию считается, что используется связь в многомодовом режиме (волокно 62,5/125 или 50/125 мкм). Одномодовый режим используется только в специальных «дальнобойных» портах.

Для скорости 100 Мбит/с (100BaseFX) определена длина волны 1300 нм (для ММ и SM). Предполагается введение альтернативного коротковолнового (850 нм) стандарта l00BaseSX для связи ММ-волокном на короткие расстояния.

Таблица 11.1 - Основные оптические параметры сетевых технологий

¹ Если связь между портами коммутаторов или маршрутизаторов.

² Если связь в режиме полного дуплекса.

Gigabit Ethernet имеет оптические версии с разной длиной волны: l000BaseSX - 850 нм (MM), 1000BaseLX - 1300 нм (MM/SM), 1000BascLH (предполагаемая) - 1310 или 1550 нм (SM).

Лазерные передатчики портов Gigabit Ethernet при работе с ММ-волокном вызывают эффект дифференциальной модовой задержки. Для его нейтрализации передатчики подключают через специальные шнуры МСР (mode conditioninh patch cord), описанные выше. Эти шнуры смещают центровку луча относительно оси многомодового волокна. Приемники подключаются обычными многомодовыми шнурами. Для работы с SM-волокном применяются обычные SM-шнуры.

11.2 Token Ring

Фирма IBM первоначально использовала ММ-волокно 100/140 нм. Стандарт 802.5 определяет ММ-волокно, длину волны 850 нм. В «фирменных» решениях используется и SM-волокно, 1310 нм. Оптические порты имеются в ряде хабов. Для соединения обычных портов существуют устройства TRC (Token Ring converter) и TRX (Token Ring extender).

11.3 FDDI

В качестве передатчиков используют светодиоды или лазеры на 1300 1 гм. Коннекторы - специфические дуплексные FDDI MIC или более дешевые ST или SC. Для обеспечения непрерывности кольца при отключении станции применяют обходные коммутаторы ОВР (optical bypass switch), для двойного кольца - сдвоенные. Иногда используют и сумматоры-разветвители (coupler) - с их помощью сигналы передатчика и приемника объединяют в одном волокне.

11.4 ATM, SONET, SDH

В качестве физического интерфейса в ATM используется SONET (OC-1, 3, 12, 24, 48, 192) или SDH (STM-1, 4, 8, 16, 64). В локальных сетях чаще встречается Ост3/STM-l (155 Мбит/с) и OC-12/STM-4 (622 Мбит/с), где могут применяться как многомодовые, так и одномодовые порты. В старших каналах, применяемых в коммутаторах глобальных сетей, используются только лазерные источники и SM-волокно.

11.5 ARCnet (TCNS)

Оптическая среда для сетей ARCnet существует только в ее реализации фирмой Thomas-Conrad - TCNS. Скорость передачи 100 Мбит/с, топология - звезда с активным хабом, коннекторы ST, многомодовое волокно с длиной до 900 м.

11.6 Аппаратура 10BASE-FL

Широко использовать оптоволоконный кабель в Ethernet начали сравнительно недавно. Его применение позволило сразу же значительно увеличить допустимую длину сегмента и существенно повысить помехоустойчивость передачи. Немаловажна также и полная гальваническая развязка компьютеров сети, которая достигается здесь без всякой дополнительной аппаратуры, просто в силу специфики среды передачи. Еще одно преимущество оптоволоконных кабелей состоит в возможности плавного перехода на Fast Ethernet, так как пропускная способность оптоволокна позволяет достигнуть не только 100 Мбит/с, но и более высоких скоростей передачи.

Передача информации в данном случае идет по двум оптоволоконным кабелям, передающим сигналы в разные стороны (как и в 10BASE-T). Иногда используются двухпроводные оптоволоконные кабели, содержащие два кабеля в общей внешней оболочке, но чаще - два одиночных кабеля. Вопреки распространенному мнению, стоимость оптоволоконного кабеля не слишком высока (она близка к стоимости тонкого коаксиального кабеля). Правда, в целом аппаратура в данном случае оказывается заметно дороже, так как требует использования дорогих оптоволоконных трансиверов.

Схема соединения сетевого адаптера и концентратора показана на рис. 11.1.

Оптоволоконный трансивер называется FOMAU (Fiber Optic MAU). Он выполняет все функции обычного трансивера (MAU), но, кроме того, преобразует электрический сигнал в оптический при передаче и обратно при приеме. FOMAU также формирует и контролирует сигнал целостности линии связи, передаваемый в паузах между передаваемыми пакетами. Целостность линии связи, индицируется светодиодами «Link». Для присоединения трансивера к адаптеру применяется стандартный АUI-кабель, но длина его не должна превышать 25 м.

Длина оптоволоконных кабелей, соединяющих трансивер и концентратор, может достигать 2 км без применения каких бы то ни было ретрансляторов. Таким образом возможно объединение в локальную сеть компьютеров, находящихся в разных зданиях, сильно разнесенных территориально.

Первоначально оптоволоконная связь применялась преимущественно для связи между репитерами. Поэтому первый стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link), разработанный в начале восьмидесятых, предполагал как раз связь между двумя репитерами на расстояние до 1000 метров. Затем были разработаны оптоволоконные трансиверы для подключения к репитеру отдельных компьютеров и стандарт 10BASE-F, включающий в себя три типа сегментов.

· 10BASE-FL заменил старый стандарт FOIRL. Он наиболее распространен в настоящее время. Он обеспечивает связь между двумя компьютерами, между двумя репитерами или между компьютером и репитером. Максимальное расстояние - до 2000 м.

· 10BASE-FB предназначен для синхронного обмена между несколькими репитерами с целью образования базовой распределенной репитерной системы. Максимальное расстояние - до 2000 м. Широкого распространения не получил.

· 10BASE-FP предназначен для объединения в топологию «пассивная звезда» без использования репитеров до 33 компьютеров (для этого применяются специальные оптические разветвители). Максимальное расстояние от компьютера до разветвителя - до 500 м. Такое сокращение допустимого расстояния объясняется сильным затуханием в разветвителе. Широкого распространения этот тип сегмента также не получил.

Стандартный оптоволоконный кабель 10BASE-FL должен иметь на обоих концах оптоволоконные байонетные ST-разъемы, показанные на рис. 11.2 (стандарт BFOC/2.5). Используются также разъемы типа SC, присоединяемые подобно RJ-45 путем простого вставления в гнездо. Разъемы SC обычно жестко соединены по два для двух кабелей (рис. 11.3). Существуют также разъемы типа MIC FDDI, подобно разъемам SC вставляемые в гнездо. При установке оборудования надо следить за соответствием разъемов, установленных на кабеле, и ответных разъемов трансиверов или концентраторов.

В соответствии со стандартом, в 10BASE-FL используется мультимодовый кабель и свет с длиной волны 850 нм, хотя в перспективе не исключен переход на одномодовый кабель. Суммарные оптические потери в сегменте (как в кабеле, так и в разъемах) не должны превышать 12,5 дБ. При этом потери в кабеле составляют около 4-5 дБ на километр длины кабеля, а потери в разъеме - от 0,5 до 2,0 дБ (эта величина сильно зависит от качества установки разъема). Только при таких величинах потерь можно гарантировать устойчивую связь на предельной длине кабеля. На практике лучше брать длину кабеля процентов на десять меньше предельной.

Пример соединения компьютеров с помощью оптоволоконного кабеля в топологию «пассивная звезда» показан на рис. 11.4.

Минимальный набор оборудования для соединения оптоволоконным кабелем двух компьютеров включает в себя следующие элементы:

- два сетевых адаптера с трансиверными

разъемами;

- два оптоволоконных трансивера (FOMAU);

- два трансиверных кабеля;

- два оптоволоконных кабеля с ST - разъёмами (или с SC или с MIC разъёмами) на концах

Если требуется соединить больше двух компьютеров, то надо использовать концентратор, имеющий оптоволоконные порты. Каждый компьютер снабжается трансивером и трансиверным кабелем, а также двумя оптоволоконными кабелями с соответствующими разъемами.

11.7 Аппаратура 100BASE-FX

Применение оптоволоконного кабеля в сегменте 100BASE-FX позволяет существенно увеличить протяженность сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации.

Аппаратура 100BASE-FX очень близка к аппаратуре 10BASE-FL. Точно так же здесь используется топология «пассивная звезда» с подключением компьютеров к концентратору с помощью двух разнонаправленных оптоволоконных кабелей (рис. 11.5). Между сетевыми адаптерами и кабелями возможно включение выносных трансиверов. Как и в случае сегмента 10BASE-FL, оптоволоконные кабели подключаются к адаптеру (трансиверу) и к концентратору с помощью разъемов типа SC, ST или FDDI. Для присоединения разъемов SC и FDDI достаточно просто вставить их в гнездо, а разъемы ST имеют байонетный механизм.

Рис. 11.5 - Подключение компьютеров к сети 100BASE-FX

Максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором составляет 412 м, причем это ограничение определяется не качеством кабеля, а установленными временными соотношениями. Согласно стандарту, применяется мультимодовый или одномодовый кабель с длиной волны света 1,35 мкм. В последнем случае потери мощности сигнала в сегменте (в кабеле и разъемах) не должны превышать 11 дБ. При этом надо учитывать, что потери в кабеле составляют 1-5 дБ на километр длины, а потери в разъеме - от 0,5 до 2 дБ (при условии, что разъем установлен качественно).

Как и в других сегментах Fast Ethernet, в 100BASE-FX предусмотрен контроль за целостностью сети, для чего в промежутках между сетевыми пакетами по кабелю передается специальный сигнал. Целостность сети индицируется светодиодами «Link».

12. Достоинства и недостатки оптоволоконной передачи

Основные достоинства оптоволоконной передачи:

- Оптоволокно имеет высокую пропускную способность, исчисляемую гигабитами в секунду, и малые потери сигнала. По сравнению с медью допускает большую длину сегментов (участков кабеля без промежуточного активного оборудования), исчисляемую километрами.

- Оптоволокно легче и компактнее медного кабеля.

- Оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку соединяемых узлов с любым необходимым напряжением изоляции. Это относится к чисто диэлектрическим кабелям, не использующим металлических силовых элементов, и не имеющим медных жил.

- Оптоволокно безопасно с точки зрения применения во взрывоопасной среде.

- Оптоволоконный кабель практически нечувствителен к электромагнитным помехам (кроме сверхмощных, возникающих при ядерном взрыве) и сам не является источником помех.

- Оптоволоконная связь обеспечивает высокую защищенность информации от несанкционированного доступа. Для съема информации необходимо физическое подключение к волокну - врезка ответвителя, которую затруднительно осуществить незаметно. Для того чтобы можно было перехватить информацию, в волокне должны возникнуть существенные потери сигнала, которые вряд ли окажутся незамеченными штатным приемником.

По всем техническим характеристикам одномодовое волокно превосходит многомодовое, причем цена одномодового волокна заметно ниже. Однако стоимость оконечного оборудования для него существенно выше, что обусловлено сложностью генерации узконаправленного длинноволнового луча и более высокими требованиями к прецизионности элементов. По этой причине одномодовое волокно в основном применяют для связи на дальние расстояния, а многомодовое шире применяют в локальных сетях.

За высокие параметры оптоволокна приходится платить пока что довольно высокую цену, поскольку дорого все - и активное оборудование, и разъемы, и инструмент, и работы по оконцовке кабеля. Сам кабель по цене вполне сопоставим с медным. В отличие от оконцовки медного кабеля, где установка разъема может занимать меньше минуты, установка и полировка оптического коннектора занимает гораздо больше времени и требует высокой квалификации и умелых рук инсталлятора. Для оконцовки требуется большое количество специальных инструментов и расходных материалов. Соединители новых поколений, не требующие полировки, имеют более высокую цену. Сварка оптоволокна требует применения дорогостоящего оборудования. Работа с оптоволокном требует соблюдения особых правил техники безопасности. Прокладка оптоволоконного кабеля требует осторожности - превышение растягивающего усилия, особенно в сочетании с изгибом, может привести к обрыву волокна. Монтаж и оконцовка медного кабеля гораздо проще и дешевле.

Кроме тонких стеклянных волокон, существуют и пластиковые оптические волокна POF (Plastic Optical Fiber) большего диаметра (например, 485/500, 980/1000), но из-за большого затухания сигнала их используют лишь на коротких расстояниях (до 100 м) и невысоких частотах. Их основное назначение - передача сигналов в условиях высокого уровня помех, при необходимости гальванической развязки и при критичности к толщине и весу соединительных кабелей. В «классических» сетях их не применяют, но последнее время эта среда передачи рассматривается для «домашних» сетей. Пластиковые волокна широко применяются для соединения цифровых аудио- и видеоустройств.

Список литературы

1. Танненбаум Э. Компьютерные сети. - СПб.: Питер, 2003. - 992 с.

2. Семёнов А.Б., Проектирование и расчет структурированных кабельных систем и их компонентов. - М.: ДМК Пресс, 2003. - 416 с.

3. Основы организации сетей CISCO. - СПб.: WILYAMS, 2004.

4. Локальные сети [Электронный ресурс] Режим доступа: http://compebook.ru

5. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. - СПб.: Питер, 2004. - 364 c.

6. Семенов Ю.А. Сети Интернет. Архитектура и протоколы. - М.: Сиринъ, 2001.

7. Основы компьютерных сетей. Учебный курс. [Электронный ресурс] Режим доступа: http//www.microsoft.com/rus

8. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. - СПб: Питер, 2000.

Размещено на Allbest.ru