Еще сравнительно недавно с подключением к Интернету особого выбора не было - покупаешь модем, карточки и подключаешься. Сейчас для подключения к сети Интернет, наряду с подключением по телефонной линии с помощью модемов, поставщики услуг стали использовать альтернативные методы подключения по локальным сетям. Одной из основных характеристик, отличающих эти способы, является то, какой вид кабеля обеспечивает доступ в Интернет.

В этой статье я попробую рассказать о том, что такое локальная сеть, как она строится, и чем отличаются одни кабели от других. Это поможет, выбирая способ подключения, точнее определить преимущества и недостатки разных способов подключения.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) это коммуникационная система, позволяющая совместно использовать ресурсы компьютеров, которые в данный момент подключены к сети. Для того чтобы состоять в сети, каждый входящий в нее компьютер должен иметь:
- сетевую карту (сетевой адаптер);
- сетевой кабель;
- операционную систему, которая поддерживает работу в сети (например, Windows, Linux и т.п.).

Сетевые карты и сетевые кабели - основная часть сетевого оборудования. Большинство неполадок при работе в сети происходит по их вине, как правило, вследствие нарушения элементарных правил эксплуатации их пользователями. Поэтому стоит обращать особое внимание на их качество. На каждом компьютере, состоящем в сети, должен быть установлен сетевой адаптер. И адаптер, и кабель должны соответствовать выбранному типу сети. Задача сетевого адаптера - передача и прием сетевых сигналов из кабеля. Адаптер воспринимает команды и данные от сетевой операционной системы, преобразует эту информацию в один из стандартных форматов и передает ее в сеть через подключенный к адаптеру кабель.

Кабель состоит из проводников, слоев экрана и изоляции. Также в состав кабеля входят разъемы для подключения его к сетевому оборудованию. Для удобства быстрого переподключения кабелей и сетевого оборудования используются разные электромеханические устройства, называемые кроссовыми коробками или шкафами.

В компьютерных сетях применяются кабели, которые удовлетворяют определенным стандартам. Это позволяет строить сеть из кабелей и соединительных устройств разных производителей, а не мучиться подбором всех компонентов одного производителя. Современные стандарты определяют характеристику не отдельно кабеля, а полного набора составляющих, которые нужны для создания кабельного элемента (например, соединительного шнура от рабочей станции до розетки, самой розетки, основного кабеля, жесткого кроссового соединения и шнура до сетевого концентратора).

Наиболее употребительные стандарты на сегодняшний момент - американский стандарт EIA/TIA-568A, международный стандарт ISO/IEC 11801, европейский стандарт EN50173 и фирменный стандарт компании IBM.

Стандарты определены для четырех типов кабелей: на основе неэкранированной витой пары, экранированной витой пары, коаксиального и волоконно-оптического кабелей. Все эти типы кабелей можно найти на сайте телекоммуникационного поставщика LANart (официальный сайт https://lan-art.ru). Там же можно посмотреть характеристики продукции, особенности применения и стоимость витой пары, оптоволокна, коаксиала.

В стандартах непосредственно кабелей оговаривается достаточно много характеристик, из которых ниже перечисляются самые главные:

• Затухание (Attenuation). Затухание измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала.
• Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk NEXT). Измеряется в децибелах на метр для определенной частоты сигнала.
• Импеданс (волновое сопротивление). Это полное (реактивное и активное) сопротивление в электрической цепи. Импеданс измеряется в омах. Это относительно постоянная величина для кабельных систем. Для коаксиального кабеля, используемого в стандарте Ethernet, импеданс должен составлять 50 Ом. Для неэкранированной витой пары наиболее часто используемое значение импеданса 100 и 120 Ом.
• Активное сопротивление. Это сопротивление постоянному току в электрической цепи. Оно не зависит от частоты, в отличие от импеданса, а увеличивается с увеличением длины кабеля.
• Емкость - свойство металлических проводников накапливать энергию. Два металлических проводника в кабеле, разъединенные диэлектриком, представляют из себя конденсатор, который способен накапливать заряд. Эта паразитная ёмкость - величина нежелательная, и поэтому стараются, чтобы она была как можно меньше. Чем больше ее значение в кабеле, тем сильнее искажение сигнала и меньше полоса пропускания данного кабеля. Чем больше частота сигнала и больше емкость кабеля, тем меньше сопротивление для тока при данном напряжении.
• Уровень защиты от внешнего электромагнитного излучения. Его еще называют электрическим шумом. Представляет собой появление наводки нежелательного переменного напряжения в проводнике. Электрический шум бывает фоновый и импульсный, а также низко-, средне- и высокочастотный. Измеряется в милливольтах. Источниками фонового электрического шума в диапазоне до 150 кГц выступают линии электропередачи, лампы дневного света и телефоны. В диапазоне от 150 кГц до 20 МГц электрический шум создает оргтехника: компьютеры, принтеры, ксероксы. В диапазоне от 20 МГц до 1 ГГц - телевизионные и радиопередатчики, СВЧ-печи. Импульсный электрический шум создают электродвигатели, переключатели и сварочные аппараты.
• Диаметр. Площадь поперечного сечения проводника. Для кабелей с медным проводником достаточно общеупотребительна американская система AWG (American Wire Gauge), вводящая условные типы проводников, например 22AWG, 24 AWG, 26 AWG. Чем выше номер типа проводника, тем меньше его диаметр. В вычислительных сетях чаще всего применяются вышеуказанные примеры проводников. В международных и европейских стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах.

Конечно, перечисленные здесь параметры далеко не все, которые применимы к различным видам кабелей. Кроме электромагнитных характеристик, представленных здесь, кабели имеют механические и конструктивные характеристики, которые определяют тип его изоляции, тип разъема и т.п. Также у каждого типа кабеля есть своя индивидуальная характеристика, например такой параметр, как шаг скрутки проводов, используется только для характеристики витой пары, а параметр NEXT применяется к многожильным кабелям на основе витой пары. Волоконно-оптические кабели различаются по размеру несущего волокна и оболочки - слоя стекла, отражающего свет. Кроме того, кабели различают по режиму передачи: одномодовые и многомодовые, а также по используемой длине волны (850-1550 нс) и применяемым источникам света (лазеры или светодиоды - LED).

Основными в современных стандартах кабелями являются кабели на основе витой пары и оптоволокна, также достаточно широко используется коаксиальный кабель.

Кабели на основе витой пары
Медные неэкранированные кабели на основе витой пары делятся по своим электромеханическим свойствам на 5 категорий.

Кабель категории 1 применяется в случаях, где требования к скорости передачи данных минимальны. Обычно он применяется для аналоговой и цифровой передачи голоса и низкоскоростной передачи данных.

Кабель категории 2 впервые был использован фирмой IBM для построения собственной кабельной системы. Основное требование к этому виду кабеля - передача сигналов со спектром 1 МГц.

Кабель категории 3 стандартизирован в 1991 году. Тогда был разработан Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий (EIA-568), впоследствии на его основе создан стандарт EIA-568A. Этот стандарт определил электрические характеристики кабелей категории 3 для частоты 16 МГц, что обеспечивает работу данного кабеля с высокоскоростными сетевыми приложениями. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов равен три витка на 30,5 см. На основе этого кабеля построено большинство кабельных систем офисных зданий, по которым осуществляется передача голоса и данных.

Кабель категории 4 - это улучшенный вариант предыдущей категории. Этот кабель должен выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц, при этом обеспечивать хорошую помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Эта категория хорошо подходит для систем с увеличенным до 135 метров расстоянием, а также в сетях Token Ring с пропускной способностью 16 Мбит/с. Однако на практике почти не используется.

Кабель категории 5 специально разработан для поддержки высокоскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. На кабель категории 5 ориентированно большинство высокоскоростных стандартов. С ним работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с FDDI с физическим стандартом TP-PMD, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN и более скоростные протоколы АТМ со скоростью 155 Мбит/с , а также вариант Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Вариант Gigabit Ethernet на основе витой пары с использованием 4-жильного кабеля UTP стал стандартом в 1999 году. Кабель категории 5 пришел на смену третьей категории, и в настоящее время кабельные системы крупных зданий строятся на этом типе кабеля в сочетании с волоконно-оптическим.

Кабели UTP выпускаются в 2- и 4-парном исполнении. Каждая пара такого кабеля имеет свой шаг скрутки и определенный цвет. В 4-парном исполнении две пары предназначены для передачи данных и еще две для передачи голоса.

Для соединения кабелей используются розетки и вилки RJ-45, которые представляют собой восьмиконтактные разъемы и внешне похожи на телефонные разъемы.

Отдельно в категории кабелей на основе витой пары стоят кабели категории 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для категории 7 - 600 МГц.

Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара в отдельности, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранируемым, так и нет.

Основное назначение этого кабеля - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем UTP-кабель категории 5, максимальная длина сегмента которого не должна превышать 100 метров. Кабель категории 7 вряд ли целесообразен к применению: стоимость сети на его основе близка к стоимости сети на оптоволокне, а характеристики оптоволоконных кабелей выше. Поэтому, вероятно, в ближайшем будущем он постепенно уйдет, оставшись только в истории развития кабелей.

Кабели на основе экранированной витой пары STP хорошо защищают от внешних помех передаваемые сигналы. Заземляемый экран, использующийся в этом типе кабеля, усложняет прокладку, так как требует качественного заземления и удорожает сам кабель. Экранированный кабель применяется только для передачи данных.

Основной стандарт, определяющий параметры экранированной витой пары, это фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы (Type 1-type 9). Из них основной - это кабель Type 1. Он состоит из двух пар проводов и экранирующей проводящей оплетки, которая заземляется. Кабель STP Type 1 включен в международные стандарты.

Экранированные пары используются также в кабеле Type 2 . Этот кабель аналогичен Type1, c добавленными в него двумя парами неэкранированных проводов для передачи голоса. К оборудованию эти кабели подключаются с помощью разъемов конструкции IBM.

Не все кабели стандарта IBM экранированные. Например, Type 3 определяет характеристики неэкранированного телефонного кабеля, а Type 5 - оптоволоконного.

Коаксиальные кабели
Коаксиальные кабели существуют в большом количестве типов, используемых в телевизионных, телефонных и компьютерных сетях. Это так называемый "толстый" коаксиальный кабель и различные варианты "тонкого" коаксиального кабеля, который обладает худшими механическими и электрическими характеристиками, чем "толстый".

Зато "тонкий" коаксиальный кабель более удобен для монтажа, что и объясняет его более широкое использование. Стандарт EIA/TIA -568A не описывает коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом как морально устаревшие.

Волоконно-оптические кабели
Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света - сердечника - прозрачного волокна, и оболочки, которая окружает сердечник. Оболочка также состоит из стекла, но имеет меньший показатель преломления света, чем сердечник.

Лучи света распространяются по сердечнику, не выходя за его пределы, поскольку отражаются от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают 3 типа волокна.

1. Многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления.
2. Многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления.
3. Одномодовое волокно.

"Мода" - это описание режима распространения световых лучей по сердечнику кабеля. В одномодовом кабеле (SMF-Single Mode Fiber) сердечник очень мал по диаметру, всего 5-10 мкм, что соизмеримо с длиной световой волны. Световые лучи распространяются по сердечнику, почти не отражаясь от внешнего проводника, вдоль оптической оси световода. У этого типа кабеля очень широкая полоса пропускания - сотни гигагерц на километр. Для одномодового кабеля требуется изготовление тонких качественных волокон, и поскольку это сложный технологический процесс, соответственно, это делает достаточно дорогим и сам кабель. Еще один недостаток этого вида кабеля - значительные энергозатраты, которые возникают при направлении пучка света в волокно такого маленького диаметра. В связи с этим в одномодовых кабелях в качестве источника света используются полупроводниковые лазеры. Они работают на длине волн 1300 и 1550 нм и модулируют световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Также при использовании лазеров в одномодовых кабелях потери энергии меньше, чем в многомодовых при использовании в них светодиодов как источников света.

В многомодовых кабелях MMF Multi Mode Fiber сердечник более широк, нежели в одномодовом. Его легче изготовить технологически, а это значит, что многомодовый кабель дешевле. Основные общеупотребительные кабели этого типа, утвержденные стандартом, - 62,5/125 мкм и 50/125 мкм. Первое число перед дробью - диаметр сердечника, число же справа от дроби указывает размер внешнего проводника.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно находится несколько световых лучей. Эти лучи отражаются от внешнего проводника под различными углами.

Угол отражения луча и называется модой. У многомодовых кабелей полоса пропускания составляет 500-800 МГц/км. Полоса пропускания сужается из-за потерь световой энергии при отражении лучей и при интерференции лучей разных мод. Источниками света в многомодовых кабелях служат светодиоды. Они излучают свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Светодиоды с длиной волны 850 нм существенно дешевле, чем с 1300 нм, но полоса пропускания для кабеля с длиной волн 850 нм, например 200 МГц/м вместо 500 МГц/м.

Передача электромагнитной энергии по световоду основана на эффекте полного внутреннего отражения. Лучи света, входя в сердцевину двухслойного световода, с торца удерживаются внутри сердечника за счет полного внутреннего отражения на границе двух сред с различными показателями преломления. Для реализации этого эффекта формируются два слоя из кварцевого стекла с различными показателями преломления.

В зависимости от того, как происходит изменение показателя преломления, различают два типа волокон: со ступенчатым и градиентным (плавным) изменением показателя преломления.

Волоконно-оптические кабели подключаются к оборудованию с помощью разъемов MICST и SC. Они имеют отличные электромагнитные и физические характеристики (отлично гнутся и механически прочны при наличии изоляции), однако это омрачается одним серьезным недостатком. Этот недостаток - сложное соединение волокон с разъемами и между собой в том случае, если требуется нарастить кабель. Стоимость самого волоконно-оптического кабеля примерно равна стоимости кабеля на витой паре, но стоимость монтажных работ обходится намного дороже из-за дорогого монтажного оборудования и трудоемкости соединения кабеля с разъемом. При некачественном соединении резко уменьшается полоса пропускания оптоволоконного кабеля и линии на его основе.

Превалирующее большинство компаний, предоставляющих услуги доступа в Интернет, используют в своей работе оптоволокно и витую пару. Основные трассы между зданиями строятся на основе оптоволоконного кабеля, что обеспечивает высокую скорость на этих участках, а непосредственно к квартире пользователя подводится неэкранированная витая пара пятой категории, характеристики которой вполне отвечают требованиям на этом участке сети. Такой вариант позволяет обеспечить сочетание невысокой стоимости подключения, так как монтажные работы, связанные с подключением по витой паре, не требуют больших усилий и приемлемой скорости работы в Интернете. Именно этот способ подключения через локальные сети можно считать наиболее современным, подключение же по коаксиальному кабелю постепенно уходит в прошлое в силу своей высокой стоимости, при том что качество связи не выше, чем при работе через сочетание "оптоволокно - витая пара".