Sisteme de Comunicatii Prin Cablu

Sisteme de comunicatii prin cablu

UTP/STP/FTP

Cablul torsadat (twisted-pair cable) este utilizat atat pentru comunicatiile telefonice cat si pentru cele mai modern retele Ethernet. Cablurile cu perechi torsadate sunt formate din una sau mai multe perechi de fire de cupru izolate care sunt rasucite impreuna. De exemplu, un cablu torsadat neecranat este cel care face legatura intre cablul telephonic si modem-ul unui calculator conectat la Internet. Conectorul acestui cablu se numeste RJ-11 si este folosit pentru cabluri torsadate cu patru fire.

Cablu STP cu doua perechi

Un alt exemplu este cel din cadrul retelelor de calculatoare unde se foloseste conectorul RJ-45 care contine conexiuni pentru opt fire si este folosit pentru cabluri cu patru perechi de fire de cupru rasucite sau torsadate.

Cablul torsadat este un tip de cablu de cupru folosit in retelele telefonice si in majoritatea retelelor Ethernet. O pereche de fire formeaza un circuit care poate transmite date. Aceasta pereche este torsadata pentru a oferi protective impotriva interferentelor cauzate de celelalte perechi de fire din cablu ( se evita comunicarea incrucisata – crosstalk). Perechile de fire de cupru sunt acoperite intr-o izolatie de plastic codificata pe culori si sunt torsadate impreuna. O izolatie exterioara protejeaza fasciculul de perechi torsadate. La trecerea curentului printr-un fir de cupru, un camp magnetic este creat in jurul firului. Un circuit are doua fire, iar intr-un circuit cele doua fire au campuri magnetice de semn opus. Cand cele doua fire se afla unul langa celalalt, campurile magnetice se anuleaza reciproc. Acest effect se numeste efectul de anulare (cancellation effect). Fara aceasta proprietatea, reteaua ar fi foarte lenta din cauza interferentelor cauzate de campurile magnetice.

Transmisia de date depinde de calitatea firelor care constituie suportul de transmisie. Cu cat calitatea firelor de cupru este mai scazuta cu atat zgomotul electric de la firele vecine sau de la sursele exterioare va interfera mai puternic cu datele transmise rezultand erori de transmisie care implica ulterior retransmiterea datelor. Corectarea acestor erori se face prin folosirea unor fire de cupru de o calitate ridicata.

Exista trei tipuri de cablu torsadat:

Cablu torsadat neecranat ( Unshielded Twisted Pair – UTP); are doua sa u patru perechi de fire. Fiecare dintre cele opt fire de cupru dintr-un cablu UTP este acoperit cu un material izolant. Cand este utilizat ca mediu de retea, cablul UTP contine patru perechi de fire de cupru de 22 sau 24 mm. Cand acesta este utilizat ca mediu de retea impedanta lui este de 100 ohmi ceea ce il diferentiaza de alte tipuri de cabluri torsadate, cum ar fi cablurile pentru telefonie, care au o impedanta de 600 ohmi. Acest tip de cablu se bazeaza numai pe efectul de anulare obtinut prin torsadarea perechilor de fire care limiteaza degradarea semnalului cauzata de interferente electromagnetice (EMI) si interferente in frecventa radio (RFI). Cablul UTP este cel mai folosit tip de cablu in retelele de comunicati. Se poate folosi pe maxim 100m. Cablurile UTP ofera o multitudine de avantaje: este usor de instalat deoarece are un diametru extern de aproximatic 0,43 cm (datorita acestui diametru redus, cablul UTP ocupa putin spatiu in canalele de cablu fata de alte tipuri de cabluri ceea ce il face sa fie preferat mai ales in cazul cablarii cladirilor vechi); costul cablului UTP este redus in comparatie cu celelalte cabluri utilizate in retelele de date; poate sa fie folosit in majoritatea arhitecturilor de retea ceea ce il face sa creasca constant in popularitate. Exista insa si dezavantaje : cablul UTP este mai predispus propagarii zgomotului electric si interferentelor decat alte medii de retea; distanta dintre amplificarile semnalelor este mai mica pentru cablul UTP decat in cazul cablurilor coaxiale sau de fibra optica. Iata cateva caracteristici ale cablului UTP: viteza – de la 10 la 100 Mbps; costul mediu pe nod – cel mai ieftin; marirea mediului si a conectorului – dimensiuni reduse; lungimea maxima a cablului -100m.

UTP

Conductor

Izolatie

Pereche

Camasa

Cablu torsadat ecranat (Shielded Twisted Pair – STP); combina tehnicile de ecranare, anulare si rasucire ale firelor. In acest caz fiecare pereche de fire este infasurata de o folie metalica pentru a ecrana si mai bine zgomotul (STP). Cele patru perechi de fire sunt ulterior invelite intr-o alta folie metalica, (S/STP). In mod normal, acest lucru se intampla in cazul cablului STP de 150 ohmi. La cablurile STP se reduc zgomotele electrice din interiorul cablului. De asemenea se reduc influentele EMI si RFI din exterior. Desi cablul STP reduce interfetele mai bine decat UTP, este mai scump din cauza ecranarii suplimentare si este mai greu de instalat din cauza grosimii. In plus, folia metalica trebuie impamantata la ambele capete. Daca impamantarea nu se face corect, ecranarea va actiona ca o antena, receptionand semnale nedorite. Caracteristici: viteza – intre 10 si 100 Mbps; cost moderat; marime mare si medie a cablului si a conectorilor; lungimea maxima – 100m.

S

Conductor

Izolatie

Pereche

Folie

Tresa

Camasa

Conductor

Izolatie

Pereche

Folie

Camasa

Cablul torsadat ecranat de tipul FTP; este un cablu UTP in care conductorii sunt inveliti intr-o folie exterioara de ecranare in scopul protejarii impotriva interferentelor exterioare. Folia exterioara are, de asemenea, rolul de conductor de impamantare.

FTP

Conductor

Izolatie

Pereche

Camasa

Cablul UTP este cel mai ieftin cablu, dar spre deosebire de cablul STP, cablurile coaxiale si cablul de fibra optica, acesta este sensibil la interferente. Cablul STP are un invelis protector care protejeaza datele transmise de eventualele interferente. Deoarece majoritatea cladirilor sunt deja cablate cu cablu UTP, standardele de transmisie sunt adaptate pentru utilizarea acestora, evitandu-se asfel cresterea costurilor necesare recablarii cu un alt tip de cablu.

Cablul UTP poate fi separat in mai multe categorii in functie de urmatorii factori:

numarul de fire din cablu

numarul de rasuciri ale firelor (pentru a reduce interferentele care apar de pe celelalte fire);

viteza de transmisie a datelor

Tipurile de cablu folosite in mod curent sunt :

Categoria 1- utilizat pentru comunicatiile telefonice dar neutilizabil pentru transmisia datelor.

Categoria 2 – se pot transmite date la viteze de pana la 4 Mbps.

Categoria 3 – este folosita pentru sistemele telefonice si pentru Ethernet in retele locale (10BASE-T)care functioneaza la viteze de 10 Mgps. Categoria 3 are 4 perechi de fire.

Categoria 4 – utilizat in retelele cu jeton de acces (token ring). Poate transmite date la viteze de pana la 16 Mbps.

Categoria 5 – poate transmite date la viteze de pana la 100 Mbps.

Categoria 5e – este utilizat in retele de calculatoare cu viteze de transmitere a datelor de pana la 1000 Mbps.

Categoria 6 – cablul din aceasta categorie este format din patru perechi de fire de cupru de tip 24 American Wire Gauge (AWG) si este in prezent cel mai rapid standard pentru UTP.

Fibra optica

Comunicatiile au atins un punct in care, oricat de mare ar fi nevoia omului de a dialoga cu alte finite umane, ea poate fi acoperita. Lucrul acesta se face cu ajutorul tehnologiilor broadband (tehnologii de banda larga – permit accesul la Internet de mare viteza; semnalul transmis este un semnal analogic; in sistemele de transmisie de banda larga semnale multiple (voce, date, semnal video) sunt transmise simultan pe acelasi support fizic folosindu-se tehnica de multiplexare in frecventa). Cel mai puternic suport de transmisie este fibra optica.

Cablul de fibra optica este utilizat pentru retelele de comunicatii si consta in doua fibre inchise in lacasuri separate. In sectiunea transversal se observa ca fiecare fibra optica este inconjurata din straturi formate din material protectoare tampon de obicei din plastic si dintr-o manta exterioara tot din plastic. Mantaua exterioara protejeaza intregul cablu, in timp ce plasticul din interior se conformeaza standardelor de constructii si de foc. Kevlarul oferao protectie suplimentara pentru fibrele de sticla de grosimea firelor de par. Uneori fibra mai prezinta si un fir de otel pentru o crestere a rezistentei cablului.

Tehnic vorbin, transmisia datelor prin fibra optica se bazeaza pe conversia impulsurilor electrice in lumina. Aceasta este apoi transmisa prin manunchiuri de fibre optice pana la destinatie, unde este reconvertita in impulsuri electrice.

Aceasta inseamna:

Rata de transfer foarte mare in raport cu celelalte tipuri de conexiune ( practice nelimitata, si inca imposibil de folosit la maximum de catre aplicatiile existente);

Mai multa siguranta – fibra optica este insensibila de perturbatii electromagnetice si este inaccesibila scanarilor ilegale (interceptari ale transmisiunilor);

Posibilitatea de instalare rapida si simpla, in orice conditii, datorita greutatii reduse a cablului optic si existentei mai multor tipuri de cabluri;

Fibra optica reprezinta Solutia pentru accesul de mare viteza la serviciile Internet, utilizand fibra optica pentru conexiuni dedicate permanente. Este recomandata firmelor cu un numar mare de posture de lucru cuplate la reteaua de Internet si cu un transfer informational sustinut pe tot timpul unei zile de lucru.

De ce se prefera transmisiunile pe fibra optica? Iata cateva raspunsuri posibile:

Nevoia crescanda pentru comunicatii diversificate, sigure, de mare viteza;

Diversificarea serviciilor oferite;

Cererea de trafic pe Internet se tripleaza in fiecare an;

Permit transmiterea unei largimi de banda deosebit de mari;

Creste considerabil lungimea transmisiei fara repetor;

Performantele transmisiei sunt foarte mari;

Nu sunt afectate perturbatii electromagnetice;

Lungimi de cablu de instalare de ordinul kilometrilor.

Fibra optica este un conducator din sticla sau plastic care transmite informatii folosind lumina. Un cablu cu fibra optica contine una sau mai multe fibre optice acoperite de o teaca sau camasa. Datorita faptului ca este confectionat din sticla, cablul cu fibra optica nu este afectat de interferentele electromagnetice sau interferentele cu frecventele radio. Toate semnalele sunt convertite in impulsuri de lumina pentru a intra in cablu, si convertite inapoi in semnale electrice cand parasesc cablul. Aceasta inseamna ca un cablu cu fibra optica poate transmite semnale care sunt mai clare, ajung mai departe si au o latime de banda mai mare decat cablurile de cupru sau alte metale.

Proprietatile de baza ale fibrei optice sunt urmatoarele:

Fibra optica are o structura cilindrica;

Este construita din SiO2;

Este un ghid de unda;

Are un coeficient de atenuare pe km foarte mic;

Fabricata din sticla printr-un process de turnare la cald;

Indicile de refractie al miezului este intotdeauna mai mare decat indicile de refractie al invelisului primar (cladding);

Fenomenul de propagare a luminii este bazat pe reflexia interna totala in miezul fibrei.

Cablurile cu fibra optica pot atinge distante de mai multe mile sau kilometric inainte de a fi nevoie ca semnalul sa fie regenerat. Totusi cablul cu fibra optica are un pret mai mare decat cablul de cupru si conectorii sunt de asemenea mai costisitori si mai greu de instalat. Conectorii pentru fibra optica sunt SC, ST si LC. Aceste trei tipuri de conectori pentru fibra optica sunt half-duplex, ceea ce permite datelor sa circule intr-o singura directive. Astfel, pentru comunicatia prin fibra optica este nevoie de doua cabluri.

Exista doua tipuri de cabluri cu fibra optica:

Single-mode (unimodal) – cablul cu fibra optica unimodal permite doar unui singur mod ( lungime de unda) de lumina sa treaca prin fibra. Acest tip de cablu permite latime de banda mari precum si parcurgerea unor distante mult mai mari. Cablul are un miez foarte subtire. Este mai greu de fabricat, foloseste raza laser ca metoda de generare a luminii si poate transmite semnale la distante de zeci de kilometric cu usurinta. Lungimea maxima a cablului este de 10 Km sau chiar mai mult. Miezul fibrei este de 9 microni in diametru si transmite lumina de la laser in infrarosu (lungimea de unda este de la 1300nm pana la 1550 nm). Cablul unimodal este folosit de obicei pentru magistralele de comunicatii dintre campusuri si orase.

Multimode (multimodal) – cablul de fibra optica multimodal permite propagarea a multiple moduri de lumina prin fibra. Cablul are un miez mai gros decat cablul single-mode. Este mai usor de fabricat, poate folosi surse de lumina mai simple (LED-uri) si functioneaza bine pe distante de cativa kilometric sau mai putin. De obicei lungimea maxima a cablului este de 2 Km. Miezul fibrei optice este de 62.5 microni in diametru si transmite lumina in infrarosu de la LED-uri (lungimea de unda de la 850 nm la 1300 nm). Este utilizat adeseori pentru aplicatiile grup de lucru si pentru aplicatiile intra-cladire.

Partile de ghidare luminoase din interiorul fibrei optice sunt denumite miez (core) si protectie (cladding). Miezul este format de obicei din sticla pura cu un indice mare de refractie. Deoarece stratul de protectie din sticla care inconjoara fibra optica are indice mid de refractie lumina va fi retinuta sau astfel spus captata in miez si acest process care are loc in fibra se numeste reflexie interna totala. Aceasta permite fibrei optice sa reactioneze ca o teava usoara, ghidand astfel lumina pe distante uriase, chiar si in cazul curbarii fibrei.

Un cablu cu fibra optica este format din una sau mai multe fibre optice invelite intr-o teaca sau camasa. Este cel mai scump dintre cele patru medii de transmisie dar suporta viteze de linie de peste 1 Gbps.

Fibrele optice sunt niste fire lungi de sticla foarte pura de diametru unui fir de par. Ele sunt adunate in pachete numite cabluri optice si sunt folosite pentru transmiterea de semnale luminoase pe distante mari. Fibrele optice sunt utilizate pe scara larga in telecomunicatii, ele permitand transmisia pe distante si la rate de date mai mari decat alte medii de comunicatie. Fibrele sunt utilizate in locul conductorilor clasici din metal, datorita pierderilor foarte mici si a imunitatii la perturbatiile cauzate de campurile electromagnetice. Fibrele optice sunt de asemenea utilizate pe post de senzori, si intr-o varietate de alte aplicatii. Lumina este tinuta in ,,miezul” de fibra optica de reflexia totala interna. Acest lucru face ca fibra sa actioneze ca un ghidaj pentru lumina.

0

0

Fibrele care suporta mai multe cai de propagare transversal (module) sunt numite fibre multimode (MMF). Partile componente ale unei fibre optice sunt:

Miez (core) – centrul fibrei prin care circula lumina;

Invelis optic (cladding) – material optic care inveleste miezul si care reflecta total lumina;

Invelis protector (coating) – invelis de plastic care protejeaza fibra de zgarieturi si umezeala

Exista si fibre optice facute din plastic cu miezul de pana la 1 milimetru diametru si lungimea de unda de 650 nm. Lumina rosie transmisa in acest caz este vizibila.

Desi lumina este o unda electromagnetica, lumina din fibre nu este considerate wireless deoarece undele electromagnetice sunt dirijate prin fibra optica. Termenul wireless este rezervat pentru undele electromagnetice radiate sau nedirijate.

Principalele caracteristici ale fibrelor optice sunt:

Viteza de transmisie mare, d epeste Gbps;

Sunt scumpe;

Dimensiunile mediului de comunicatie si al conectorilor sunt reduse;

Lungimi mari ale cablului cu fibra optica: peste 10 Km la tipul de fribra unimodal; pana la 2 Km pentru tipul multimodal.

TCP/IP

Istoricul TCP/I

Suita de protocoale TCP/IP reprezinta cel mai flexibil protocol de transport disponibil si permite computerelor din intreaga lume, ruland sisteme de operare diferite, sa comunice intre ele. TCP/IP este prescurtarea de la Transmission Control Protocol/ Internet Protocol. Dezvoltarea lui a inceput in anii 1960 sub forma unui proiect finantat de guvernul SUA.

Protocolul TCP preia informatia ce se doreste a fi transmisa si o imparte in ,,bucati”, carora le atribuie un numar care le identifica. Pentru a transmite in reata anumite secvente, ele se inglobeaza intr-o anvelopa TCP, care va fi ,,introdusa” intr-o anvelova IP si transmisa retelei. La receptor, un pachet de programe TCP colecteaza anvelopele, extrage datele si le pune in ordine (eventualele omisiuni vor fi retransmise). Dupa primirea si aranjarea tuturor datelor, ele vor fi transmise programului de aplicatie carora le sunt destinate. Astfel, protocolul TCP creeaza ,,iluzia” unei conexiuni fizice directe intre orice sursa si destinatie.

IP este o metoda sau un protocol prin care datele sunt transmise de la un calculator la altul prin intermediul Internetului. Fiecare calculator, pe internet are cel putin o adresa IP unica, care il identifica intre toate computerele de pe internet. Cand trimiti sau primesti date (ex: email, pagini web) mesajul se divide in parti mai mici numite pachete. Fiecare pachet cuprinde adreasa celui care trimite datele, dar si a celui caruia ii sunt destinate. Fiecare pachet este trimis, prima oara la un ,,Gateway Computer” care intelege o mica parte din internet. Computerul ,,Gateway” citeste destinatia pachetelor si trimite pachetele la un alt ,,Gateway” si tot asa pana ce pachetul ajunge la ,,Gateway”-ul vecin cu computerul destinatar.

In prezent, TCP/IP este folosit in multe scopuri, nu doar pentru Internet. De exemplu, intraneturile sunt construite de cele mai multe ori folosind protocoalele TCP/IP. In astfel de medii de lucru, TCP/IP poate oferi avantaje semnificative fata de alte protocoale. Un astfel de avantaj este ca TCP/IP functioneaza pe o mare varietate de masini si sisteme de operare. Astfel, folosind TCP/IP, se poate construi rapid si usor o retea eterogena. O astfel de retea poate contine calculatoarele Macintosh, compatibile IBM, statii SPARC, masini MIPS si asa mai departe. Fiecare dintre aceste masini poate comunica cu celelate folosind o suita de protocoale comune.

Structura pachetelor TCP/IP

Orice interfata hardware trebuie sa aibe o adreasa de internet unica numita adresa IP. Aceste adrese sunte numere pe 32 de biti de forma xxx.xxx.xxx.xxx. Expansiunea exploziva a internetului a dus la limitarea serioasa a numerelor unice. Adresele clasice pe 32 de biti s-au dovedit a fi total inadecvate pentru dezvoltarea rapida a internetului.

Figura de mai jos prezinta structura unui pachet TCP/IP

Suita de protocoale TCP/IP reprezinta cel mai flexibil protocol de transport disponibil si permite computerelor din intreaga lume, ruland sisteme de operare complet diferite, sa comunice intre ele.

Initial ARPA (Agentia pentru Proiecte de Cercetare Avansata) a creat protocolul TCP/IP pentru a interconecta retele militare, dar a furnizat pe gratis standardele de protocol agentiilor guvernamentale si universitatilor. TCP/IP nu este usor de utilizat si nu este cel mai rapid protocol dar ofera cel mai mare grad de corectie al erorilor.

Arhitectura unei retele

Figura de mai jos este o reprezentare superficiala a conceptului de stratificare a retelelor, foarte util in intelegerea retelelor si a protocolului TCP/IP.

Sageata albastra reprezinta scopul oricarei retele, aplicatii soft comunicand intre ele. Ar fi un dezastru total daca fiecare aplicatie software ar incorpora in ea un protocol de comunicatii si un driver pentru placa de retea. Fiecare strat reprezentat in figura de mai sus este responsabil pentru un anume ,,job”.

LEGATURA FIZICA

Interfata hardware este responsabila cu trimiterea de biti ,,1” sau ,,0” de la un computer la altul. Acest strat fizic nu stie nimic despre informatia trimisa sau receptionata. Rolul sau este sa trateze cat mai bine problemele legate de transmisia si receptia semnalelor electrice.

Stratul IP foloseste stratul fizic pentru a trimite pachetele IP. Stratul IP nu ofera nici o garantie ca un pachet trimis ajunge cu success la destinatie. IP are un algoritm extreme de simplu de tratare a erorilor deci daca ceva merge prost pachetul este ,,aruncat la gunoi” si se incearca trimiterea unui mesaj ICMP inapoi la expeditor.

Stratul TCP este responsabil cu realizarea unei conexiuni de incredere care sa nu dea rateuri. El foloseste straturile aflate sub el in ierarhie iar cu ajutorul unor algoritmi performanti de tratare a erorilor el se asigura ca pachetele trimise ajung la destinatie si o data ajunse la destinatie ele nu sunt degradate.

Stratul Aplicatiilor este reprezentat in mod usual de diverse programe cele mai cunoscute si mai simple exemple ar fi: Netscape Navigator, Microsoft Outlook, Internet Explorer, Telnet.

Date si confirmari

TCP este un protocol simetric (full-duplex), in care ambele capete pot transmite date. E mai simplu insa sa studiem problema ca si cum unul dintre participant doar trimite date, iar celalalt doar le recepteaza.

Pentru a descrie comunicatia vom folosi o diagrama care indica schimbul de mesaje intre emitator si receptor. Timpul este simbolizat de sagetile orizontale sic urge sprea dreapta. Sagetile oblice indica ,,traiectoria” pachetelor intre emisie si receptive. Acest desen indica o conversatie tipica, in care un pachet de date este trimis de emitator si o confirmare soseste apoi de la receptor. Vom prescurta pachetele de confirmare cu abrevierea standard, ACK (acknowledgement).

Emisie Timp

Date confirmare (ack)

Receptie

TCP functioneaza cam ca scrisorile cu confirmare de primire de la posta: posta este un mechanism ne-fiabil de transmisiune, care pierde scrisori. De aceea trimitatorul poate sa ceara in mod explicit ca cealalta parte sa confirme primirea plicului. Cand postasul livreaza un plic, receptorul trebuie sa semneze de primire. Apoi confirmarea de primire este trimisa inapoi tot prin posta.

Pentru a obtine fiabilitate, emitatorul asteapta ce asteapta, iar daca nu primeste nici o confirmare, mai trimite inca o data scrisoarea. In clipa cand a primit o confirmare, stie ca scrisoarea a ajuns la celalalt capat.

Ca in urmatoarea figura, datele se pot pierde : daca datele sunt pierdute de protocolul IP, protocolul TCP re-transmite dupa un anumit timp pachetul care nu a fost confirmat. In clipa in care primeste confirmarea, stie ca pachetul a ajuns la destinatie.

Emisie Timp

date retrimite

x pierdut date date ack

Receptie

Confirmarea se poate pierde. Daca confirmarea este pierduta de protocolul IP, protocolul TCP re-transmite dupa un anumit timp pachetul care nu a fost confirmat. Retransmitand datele nu facem decat o oarecare risipa; dar pentru ca emitatorul nu poate distinge nicicum intre pierderea datelor si a confirmarii, nu are nici o alta alternativa.

Emisie Timp

date ack retrimite

pierdut date ack

Receptie

TCP incearca sa trimita mai multe pachete la rand, inainte de a primi confirmarea pentru fiecare din ele. Astfel, emitatorul mentine o fereastra, care este lista pachetelor trimise dar inca ne-confirmate. De indata ce primeste confirmarile, TCP avanseaza fereastra si trimite pachete noi. Modul in care se incruciseaza pachetele de date si confirmarile este ilustrat.

Emisie date2 ack3 Timp

date1 date3

ack1

Receptie ack2 date4

Tehnologia TCP/IP formeaza o baza pentru internet la scara globala ce conecteaza universitati, intreprinderi industrial si comerciale, institutii guvernamentale, locuinte personale, etc. Printre cei care au participat la fondarea si utilizarea unei inter-retele globale bazate pe protocoalele TCP/IP inter-retea desemnata prin termenul de Internet se numara:

National Science Foundation(NSF),

Department of Energy (DOE),

Health and Human Services Agency (HHS)

National Aeronautics and Space Administration (NASA)

Aceasta inter-retea globala mai este cunoscuta si sub denumirile de ARPA/NSF Internet, TCP/IP Internet sau Internet globala. Ea a demonstrate viabilitatea tehnologiei TCP/IP si faptul ca aceasta permite interconectarea de retele de calculatoare bazate pe tehnologii eterogene.