Lekce 4 - Sítě - Média fyzické vrstvy

V předchozí lekci, Sítě - Pojmy internet, extranet, intranet, jsme si představili a vysvětlili pojmy internet, extranet a intranet.

V následujícím tutoriálu základů počítačových sítí se zaměříme na média používaná pro přenos informací po fyzické vrstvě. Vysvětlíme si, čím se liší jednotlivé druhy kabelů. Dozvíme se, proč a jak se ty které používají v praxi.

Fyzická vrstva

Fyzická vrstva sítě je jednou z klíčových složek komunikačních sítí. Její hlavním úkolem je zajistit přenos dat mezi zařízeními na fyzické úrovni. Fyzická vrstva zahrnuje fyzická média, která slouží k přenosu signálů a datových paketů. Lapidárně řečeno jde o nějakou formu drátu (nebo bezdrátu), které vděčíme za přítomnost internetu

Fyzická vrstva hraje důležitou roli při zajištění spolehlivé a efektivní komunikace v sítích. Její správná implementace a výběr vhodného přenosového média jsou klíčové pro dosažení vysoké kvality a rychlosti přenosu dat.

Ve fyzické vrstvě se používají různé technologie a standardy, jako jsou kabely, koaxiální kabely, optická vlákna a bezdrátové přenosové systémy. Každá technologie má své výhody a nevýhody, které je důležité zvážit při návrhu a implementaci sítě. Podívejme se podrobněji na nejpoužívanější typy kabelů.

Přenos informací po kabelu

Drátěný kabel je nejspolehlivějším přenosovým médiem. Kov, po kterém informace jako elektrický signál proudí, je přirozeně odolný. Vydrží velké fyzické namáhání a velmi pomalu stárne. Stárnutí se týká hlavně jeho plastového obalu - izolace, která je logicky nejslabším místem. Přesto platí, že při dodržení elementárních pravidel zacházení s datovým kabelem (nevěšíme na něj prádlo, nepoužíváme ho k přivazování jiných předmětů, nepouštíme k němu volně pobíhající pískomily apod.) je takový kabel naprosto bezúdržbový. Kabelů máme více druhů.

Koaxiální kabely

Koaxiální kabel, často nazývaný "koax", je typ kabelu, který má vnitřní vodič obklopený tubulární izolační vrstvou, obklopenou tenkou kovovou vrstvou pro stínění a pak další izolační vrstvou na vnější straně. Jednou z hlavních výhod koaxiálních kabelů je jejich odolnost vůči rušení z vnějších zdrojů, které dosahují díky svému stínění. To je důležité pro zajištění stabilního a spolehlivého přenosu dat a je to i důvod, proč se často používají v náročných prostředích, jako jsou průmyslové aplikace. Často se používají také pro televizní kabelové sítě a internetové připojení od poskytovatelů internetových služeb. Typický koaxiál pro TV techniku vypadá takto:

Rychlost přenosu dat

V minulosti byly koaxiální kabely běžně používány pro připojení počítačů v ethernetových sítích pomocí technologie 10BASE2 (také známé jako Thinnet nebo CheaperNet). Tyto kabely měly průměr 0,25 palce (asi 6,4 mm) a byly odolné vůči rušení. Pomocí technologie 10BASE2 byla maximální délka segmentu omezena na 185 metrů. Pokud byla potřeba delší vzdálenost, bylo nutné použít opakovače, které obnovovaly signál. Technologie používala rychlost přenosu 10 Mb/s. V současnosti se rychlosti moderních koaxiálů pohybují od několika megabitů až po několik gigabitů za sekundu. V určitých telekomunikačních a vysílacích systémech podporují rychlosti přenosu dat až do několika set Gb/s. Rychlost přenosu dat v kabelových systémech je ovlivněna několika faktory:

1. Technologie výroby: Moderní koaxiální kabely jsou vyráběny s použitím pokročilých materiálů a výrobních technik, které zlepšují jejich vlastnosti šíření signálu a odolnost proti rušení. To znamená, že mohou podporovat vyšší rychlosti přenosu dat bez značného zhoršení signálu.
2. Pokročilé modulační techniky: Modulace je technika, která se používá ke kódování informací do signálu pro přenos. Moderní modulační techniky, jako je Quadrature Amplitude Modulation (QAM), umožňují přenášet více bitů dat v každém cyklu signálu, což zvyšuje celkovou rychlost přenosu dat.
3. Kódovací schémata: Kódovací schéma, jako je např. Forward Error Correction (FEC), zlepšuje spolehlivost přenosu dat tím, že umožní detekci a opravu chyb během přenosu. To znamená, že je možné používat vyšší rychlosti přenosu dat, aniž by to vedlo k značnému zvýšení chybovosti.
4. Přepínání a směrování: Moderní síťové technologie využívají pokročilé techniky přepínání a směrování, které umožňují efektivní a spolehlivý přenos dat na velké vzdálenosti.

UTP a STP kabely

Unshielded Twisted Pair (UTP) a Shielded Twisted Pair (STP) jsou dva běžné typy kabelů používané v telekomunikačních a datových sítích. Oba tyto typy kabelů mají dva nebo více vodičů vinutých dohromady pro zlepšení odolnosti proti elektromagnetickému rušení.

• UTP kabel je nejběžnější typ síťového kabelu a je široce používán pro Ethernetové sítě. Tento typ kabelu je oblíbený díky své nízké ceně a snadné instalaci, ale nenabízí tolik ochrany proti rušení jako STP kabel.
• STP kabel má navíc kovové stínění kolem každého páru vodičů nebo kolem celé skupiny párů. Toto stínění poskytuje větší odolnost v prostředích s vysokou úrovní elektromagnetického rušení. Nicméně, STP kabely jsou obecně dražší a těžší na instalaci než UTP kabely.

Typická aplikace UTP/STP kabeláže v kanceláři vypadá takto:

Rychlost přenosu dat

Dnes se rychlosti přenosu dat UTP a STP kabelů pohybují od několika Mb/s až po desítky Gb/s. Kabely kategorie 6 (Cat6) a kategorie 6a (Cat6a) podporují rychlosti přenosu dat až 10 Gb/s při maximální délce segmentu 55 metrů (pro Cat6) nebo 100 metrů (pro Cat6a). Novější kabely kategorie 8 (Cat8) podporují rychlosti až 40 Gb/s při maximální délce segmentu 30 metrů.

Stejně jako u koaxiálních kabelů, rychlost přenosu dat UTP a STP kabelů je ovlivněna několika faktory:

1. Typ a kvalita kabelu: Vyšší kategorie kabelů mají lepší odolnost proti rušení a mohou podporovat vyšší rychlosti přenosu dat.
2. Modulační techniky: Moderní ethernetové technologie, jako je 1000BASE-T a 10GBASE-T, používají pokročilé modulační techniky, jako je PAM-16, pro zvýšení rychlosti přenosu dat.
3. Kódovací schémata: Kódovací schéma, jako je 4D-PAM5, používané v 10GBASE-T, zlepšuje spolehlivost přenosu dat tím, že umožňuje detekci a opravu chyb, které se vyskytnou během přenosu.
4. Přepínání a směrování: Ethernetové sítě využívají pokročilé techniky přepínání a směrování, které umožňují efektivní a spolehlivý přenos dat na velké vzdálenosti.

Optická vlákna

Optické vlákno je typ kabelu, který se používá pro přenos signálů ve formě světla. Každé optické vlákno sestává z extrémně tenkého vlákna skla nebo plastu, které je obklopeno plastovou vrstvou nazývanou cladding. Toto vlákno funguje jako vodítko pro světlo, které je do něj vysíláno z jednoho konce. Světlo se pak odráží od stěn vlákna a pokračuje podél jeho délky.

Optická vlákna mají několik významných výhod oproti koaxiálním a párovým kabelům:

• nejvýznamnější je jejich schopnost přenášet data na velmi dlouhé vzdálenosti bez ztráty kvality signálu,
• mnohem vyšší rychlosti přenosu dat v řádu terabitů za sekundu (Tb/s) na vzdálenosti až několik tisíc kilometrů bez potřeby opakovačů,
• jsou imunní vůči elektromagnetickému rušení, což je činí ideálními pro použití v prostředích s vysokou úrovní rušení.

Přestože jsou optické kabely technologicky pokročilé a nabízejí vynikající výkon, jejich instalace a údržba jsou náročnější a dražší než u koaxiálních nebo párových kabelů. Jsou také náchylné k fyzickému poškození. Pohled na strukturu optického kabelu vypadá takto:

Rychlost přenosu dat optickými kabely je ovlivněna těmito faktory:

1. Typ a kvalita vlákna: Jednomódové vlákno (Single Mode Fiber - SMF) podporuje vyšší rychlosti přenosu dat a delší vzdálenosti než multimódové vlákno (Multimode Fiber - MMF).
2. Modulační techniky: Rychlost přenosu dat navyšují pokročilé modulační techniky, jako je Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) nebo Quadrature Amplitude Modulation (QAM).
3. Kódovací schémata: Kódovací schéma, jako je Forward Error Correction (FEC), zlepšuje spolehlivost přenosu dat tím, že umožňuje detekci a opravu chyb, které se vyskytnou během přenosu.
4. Multiplexovací techniky: Techniky jako Wavelength Division Multiplexing (WDM) nebo varianty Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) a Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) umožňují přenos více signálů současně po jednom vláknu, což zvyšuje celkovou rychlost přenosu dat.

Volba média podle využití

V LAN sítích se často používají UTP a STP kabely. Jsou levné, snadno se instalují a jsou ideální pro krátké vzdálenosti, například v kanceláři nebo doma.

Pro WAN sítě, které potřebují přenášet data na velké vzdálenosti, jsou obecně preferovány optické kabely. Mohou přenášet obrovské množství dat na velké vzdálenosti bez ztráty kvality, což je činí ideálními pro telekomunikační sítě a poskytovatele internetových služeb.

V příští lekci, Sítě - Přenos informací (paketů), se budeme zabývat přenosem informací. Vysvětlíme si teorii o paketech, zapouzdření a síťových vrstvách.