Media transmisyjne w sieciach komputerowych warstwa fizyczna OSI Wykład 3 Dr inż. Robert Banasiak Sieci Komputerowe studia niestacjonarne 1
Plan prezentacji Fizyka zjawisk Media miedziane Media optyczne Media niematerialne 2
Atomy i elektrony Atom (gr. atomos niepodzielny) najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik materii pl.wikipedia.org Budowa atomu elektron cząsteczka obdarzona ładunkiem ujemnym krążąca po orbicie wokół jądra atomu jądro centralna część atomu zbudowana z protonów i neutronów proton cząsteczka obdarzona ładunkiem dodatnim neutron cząsteczka nie posiadająca ładunku (neutralna) 3
Atomy i elektrony Atom Helu liczba atomowa 2 2 protony i 2 elektrony waga atomowa 4 waga atomowa - liczba atomowa ilość neutronów 2 4
Atomy i elektrony 1913 Bohr N.: model budowy atomu o planetarnej strukturze, w którym ujemnie naładowane elektrony obiegają po kołowych orbitach dodatnio naładowane jądro; Wbrew elektrodynamice klasycznej poruszające się po kołowych orbitach elektrony nie emitują promieniowania elektromagnetycznego, a emisja, jak i pochłanianie możliwe jest w porcjach (kwantach energii), czemu towarzyszy zmiana orbity elektronu Elektron (-) Neutron (n) Proton (+) 5
Atomy i elektrony 1785 Coulomb: siła F, z jaką oddziałują dwa punktowe ładunki elektryczne (q i Q) znajdujące się we wzajemnej odległości r jest wprost proporcjonalna do iloczynu ładunków odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy ładunkami wprost proporcjonalna do współczynnika proporcjonalności zależnego od ośrodka F = (4 π ε 0 ) -1 q Q r -2 F - - F + - F F Ładunki jednoimienne odpychają się, różnoimienne przyciągają 6
Atomy i elektrony Elektron (-) Neutron (n) Proton (+) Elektrony poruszają się po orbitach, którym odpowiadają konkretne poziomy energetyczne Jądro oddziałuje na elektrony przyciągając je utrzymanie orbity Protony i neutrony wiązane są za pomocą bardzo dużej siły siła wiązania jądra (nieporównywalnie większa od siły oddziaływania jądro elektron) Elektrony w atomach niektórych materiałów (np. metali) mogą zostać uwolnione od atomu ruch swobodnych elektronów ELEKTRYCZNOŚĆ 7
Atomy i elektrony Uwolnione elektrony (ładunek ujemny) pozostające w miejscu bez ruchu pole elektrostatyczne Przejście elektronów do przewodnika rozładowanie pola elektrostatycznego (ESD electrostatic discharge); rozładowanie pola elektrostatycznego może powodować zniszczenie sprzętu elektronicznego (chipów, danych, etc ) Molekuły - atomy lub grupy atomów materiały 8
Napięcie (voltage) Napięcie odnoszone jest zazwyczaj do siły elektromotorycznej (EMF) Siła elektromotoryczna jest powiązana z siłą wzajemnych oddziaływań elektrycznych i powstaje w momencie oddzielenia elektronów i protonów Powstała siła działa w kierunku potencjału dodatniego, odpychając cząstki o potencjale (ładunku) ujemnym Jednostką napięcia jest Volt (V) Napięcie oznaczane jest zazwyczaj literą V, czasami E ( siła elektromotoryczna) Pomiaru napięcia dokonuje się woltomierzem 9
Rezystancja i impedancja Przepływ prądu przez materiał jest ograniczany przez szereg czynników nominujących opór ( rezystancję) materiału Przepływ prądu jest odwrotnie proporcjonalny do rezystancji (wyrażanej w Ω) Podział materiałów ze względu na stopień przewodzenia prądu przewodniki, półprzewodniki, izolatory Pojemność elektryczna liczbowo równa ładunkowi, jaki należy dostarczyć przewodnikowi, aby wartość jego potencjału zmienić o jeden Oporność pojemnościowa kapacytancja (x C ) Oporność indukcyjna induktancja (x L ) Impedancja opór całkowity uwzględniający rezystancję, kapacytancję oraz induktancję z = (R 2 + (x L x C ) 2 ) -2 10
Klasyfikacja materiałów Materiały Przewodniki Półprzewodniki Izolatory (dielektryki) Bardzo łatwy przepływ prądu; elektrony luźno związane z jądrem łatwość oswobodzenia Miedź (Cu) Srebro (Ag) Złoto (Au) Lutowia Człowiek Przepływ elektronów może być ściśle kontrolowany Węgiel (C) German (Ge) Krzem (Si) Bardzo mocne wiązanie atomowe; znikomy przepływ elektronów Plastik Powietrze Papier Suche drewno Szkło Guma 11
Przepływ prądu Prąd elektryczny przepływ ładunków wytworzony przez ruch elektronów Warunkiem przepływu elektronów jest przyłożenie napięcia (siły elektromotorycznej) oraz stworzenie ścieżki dla przepływu prądu Prąd płynie od elektrody ujemnej (odpychającej elektrony) do elektrody dodatniej (przyciągającej elektrony) Prąd elektryczny oznaczany jest mianem I i wyrażany jest w Amperach (A) 12
Natężenie i napięcie Natężenie prądu ilość przepływających elektronów będących miarą ruchu elektronów Napięcie prędkość wzdłużna ruchu elektronów poruszających się w przewodniku Statyczne pole elektryczne bardzo duże napięcie, bardzo mały prąd może powstać porażenie osoby użytkującej, ale zazwyczaj nie zagraża życiu Silnik samochodowy pobiera prąd z akumulatora zazwyczaj 12 V, ale potrzebuje bardzo dużego natężenia prądu w celu wytworzenia odpowiedniej ilości energii niezbędnej do uruchomienia silnika Kombinacja natężenia prądu i napięcia daje moc wyrażoną w Wattach; moc jest miarą energii, jaką urządzenie pobiera bądź produkuje 13
Obwody elektryczne Prąd przepływa w zamkniętych pętlach zwanych obwodami (zbudowanych z przewodników, zasilanych źródłem napięcia) ruch ładunków odbywa się od elektrody ujemnej do elektrody dodatniej Napięcie (różnica potencjałów) powoduje przepływ prądu, rezystancja (impedancja) ogranicza przepływ prądu 14
Obwody elektryczne Prawo Ohma: natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji obwodu I = U R -1 Klasyfikacja rodzajów prądów AC (Alternating Current) DC (Direct Current) 15
Obwody elektryczne 16
Specyfikacje okablowania Jakie prędkości transmisji są możliwe do uzyskania wykorzystując określone okablowanie? Jaki typ transmisji został zastosowany? Na jaką maksymalną bezpieczną odległość może być transmitowany sygnał przed utratą mocy? 10 Base T Prędkość sieci 10 Mbps Typ kable i maks. Długość; Jeśli jest to numer oznaczenie Długośći numer * 100m BASE = baseband BROAD = broadband 17
Kabel koncentryczny Prędkość i przepustowość: 10 100 Mbps Średni koszt węzła: niedrogi Rozmiar medium i przyłączeń: średni Maksymalna długość kabla: 500 m 18
Kabel koncentryczny Technologia oparta na kablu koncentrycznym przechodzi do historii Obarczona jest ona wieloma wadami, które powodują rezygnowanie z jej stosowania ograniczenie liczby hostów jeden kanał do przesyłania danych ograniczona prędkość sieci 19
Kabel koncentryczny Wyróżnia się dwa rodzaje kabla koncentrycznego Ethernet gruby 10Base-5 (Thick Ethernet) oznaczenie kabla RG-8 i RG-11, o impedancji falowej 50 omów i grubości 1/2", praktycznie wyszedł z użycia, czasem stosowany jako rdzeń sieci (max. odległość między stacjami do 500m) Ethernet cienki 10Base-2 (Thin Ethernet) oznaczenie kabla RG-58, o impedancji falowej 50 omów i grubości 1/4", powszechnie stosowany w małych sieciach lokalnych (przy połączeniu 2 komputerów max. odległość między nimi to 185m). Czasem jeszcze spotyka się tą technologię w praktycznych zastosowaniach 20
Kabel koncentryczny - fakty Kabel koncentryczny był i jest szeroko stosowane przez firmy zajmujące się przemysłowym przesyłaniem obrazu Przede wszystkim ze względu na znaczną długość segmentu i odporność na zakłócenia Jakość sygnału zależy jednak od właściwej grubości i jakości zarobienia przewodów Bardzo istotnym elementem okablowania koncentrycznego jest uziemienie. Kabel koncentryczny musi być uziemiony TYLKO z jednej strony w celu zabezpieczenia pracy sieci oraz wytłumienia transmitowanego sygnału 21
Kabel koncentryczny Aby przygotować kabel należy: Połączyć rdzeń przewodu z rdzeniem wtyku BNC Oplot miedziany połączyć z kołnierzem wtyku BNC Do wykonania połączenia należy użyć specjalnej zaciskarki BNC Użycie zaciskarki pozwoli na dokładniejsze wykonanie połączenia 22
Skrętka Najczęściej używany rodzaj okablowania sieciowego Rozwiązanie bardzo uniwersalne Wyparła okablowanie koncentryczne Skrętka wykorzystuje do nadawania i odbierania sygnałów osobne pary żył Transmisja Full Duplex Zbudowana jest z miedzianych żył Skręcone one zostały przez specjalne zwijarki pod odpowiednim kątem EKRAN W sieciach komputerowych stosuje się skrętkę czteroparową 4 pary skręconych ze sobą przewodów 23
Skrętka Możemy ją podzielić na dwie grupy: STP (Shield Twisted Pair) ekranowana UTP (Unshield Twisted Pair) nieekranowana Te grupy stały się podstawą do rozwoju nowych rodzajów skrętki (np. skrętka foliowana ScTP oraz skrętka z dodatkową żyłą) 24
Skrętka ekranowana (STP) Prędkość i przepustowość: 10 100 Mbps Średnia koszt węzła: drogi ( zależnie od technologii) Rozmiar medium i przyłączeń: średni do dużego Maksymalna długość kabla: 100 m 25
Skrętka STP - Ekran Ekran chroni skrętkę przed wpływem zewnętrznego promieniowania elektromagnetycznego powoduje wzmacnianie wewnętrznego pola elektromagnetycznego 26
Skrętka nieekranowana (UTP) Prędkość i przepustowość: 10 100 1000 Mbps (zależnie od kategorii kabla) Średnia koszt węzła: średni ( zależnie od technologii) Rozmiar medium i przyłączeń: mały Maksymalna długość kabla: 100 m 27
Skrętka Okablowanie typu skrętka zostało podzielone na kategorie: CAT 1 & 2 - głos i dane małej jakości (np.: modem) CAT 3 - transmisja do 10 Mbps (max. dł. 100 m) pasmo 16 MHz CAT 4 - transmisja do 16 Mbps (max. dł. 150 m) pasmo 20 MHz CAT 5 - transmisja do 100 Mbps (max. dł. 160 m) pasmo 100 MHz CAT 6 - dopuszcza pasmo 250 MHz 28
Skrętka Należy bardzo starannie wybrać kategorię instalowanego okablowania typu skrętka Zbyt niska ograniczy możliwości rozwoju sieci Wysoka daje nam większą skalowalność Wyższe kategorie stosują już inny rodzaj okablowanie (np. kategoria 6) 29
Skrętka Typ sieci Pin 1-2 Pin 3-4 Pin 5-6 Pin 7-8 ISDN Zasilanie TX RX Zasilanie 802-3 (10BaseT) TX RX 802-5 (Token Ring) TX RX FDDI TX Opcja Opcja RX ATM TX Opcja Opcja RX 100Base-TX TX RX 30
Połączenie z wykorzystaniem kabla UTP 31
Wtyczki 32
Połączenie proste (straight-through) 33
Połączenie skrośne (crossover) 34
Podłączenie do konsoli (rollover) W celu podłączenia komputera PC do konsoli urządzenia konfigurowalnego wymagane jest zachowanie standardów obydwu stron adaptery RJ-45 DB-9, RJ-45 DB-25 Standardowe ustawienia portu szeregowego 9600 bps, 8 bitów danych, brak kontroli parzystości, 1 bit stopu, brak kontroli przepływu Port AUX może być wykorzystywany do podłączenia konsoli poprzez modem 35
EIA/TIA 568A Pin# Pair# Function Wire Color Used with 10/100 BASE-T Ethernet? Used with 100 BASE-T4 / 1000 BASE-T Ethernet? 1 3 Transmit White/Green Yes Yes 2 3 Transmit Green/White Yes Yes 3 2 Receive White/Orange Yes Yes 4 1 Not used Blue/White No Yes 5 1 Not used White/Blue No Yes 6 2 Receive Orange/White Yes Yes 7 4 Not used White/Brown No Yes 8 4 Not used Brown/White No Yes 36
EIA/TIA 568B Pin# Pair# Function Wire Color Used with 10/100 BASE-T Ethernet? Used with 100 BASE- T4 and 1000 BASE-T Ethernet? 1 2 Transmit White/Orange Yes Yes 2 2 Transmit Orange/White Yes Yes 3 3 Receive White/Green Yes Yes 4 1 Not used Blue/White No Yes 5 1 Not used White/Blue No Yes 6 3 Receive Green/White Yes Yes 7 4 Not used White/Brown No Yes 8 4 Not used Brown/White No Yes 37
Przygotowanie okablowania 12 porad 1. Utnij odpowiednią długość kabla 2. Zdejmij z kabla izolację 3. Rozdziel cztery pary przewodów 4. Rozkręć (rozwiń) pary przewodów 5. Ułóż kabelki we właściwej kolejności 6. Przytnij kabelki do odpowiedniej długości 7. Wsuń kabelki do wtyczki 8. Dobrze dociśnij kabelki do wtyczki 9. Sprawdź czy kable są ułożone we właściwej kolejności 10. Zaciśnij wtyczkę 11. Sprawdź oba końce kabla 12. Podłącz kabel do testera i upewnij się ze działa właściwie 38
Przygotowanie okablowania 39
Przygotowanie okablowania 40
Przygotowanie okablowania 41
Spektrum elektromagnetyczne Poruszanie się ładunków elektrycznych wytwarza energię zwaną energią elektromagnetyczną Energia elektromagnetyczna porusza się w ośrodku (próżni, powietrzu, etc ) w postaci fal elektromagnetycznych 42
Model promieniowy światła Materiał Powietrze Szkło Diament Woda Współczynnik refrakcji 1.000 1.523 2.419 1.333 43
Prawo odbicia 44
Refrakcja (załamanie) światła 45
Zjawisko całkowitego odbicia wewn. Strumień światła poruszający się wewnątrz światłowodu, niosący określoną informację musi pozostać całkowicie niezmieniony eliminacja przypadków refrakcji Zaprojektowanie kabla światłowodowego musi spełniać powyższe wymagania wewnętrzna powierzchnia kabla idealne lustro zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego 46
Zjawisko całkowitego odbicia wewn. 47
Zjawisko całkowitego odbicia wewn. 48
Światłowód 49
Światłowód 50
Podwójny kabel światłowodowy Każdy kabel światłowodowy wykorzystywany w sieciach komputerowych składa się z dwóch włókien szklanych prowadzonych w oddzielnych osłonach za pomocą jednego z nich transmisja odbywa się od stacji A do stacji B, za pomocą drugiego w przeciwnym kierunku 51
Zjawisko dyspersji Następstwem dyspersji jest rozmycie sygnału problem z analizą sygnału po stronie odbiorczej 52
Rodzaje światłowodów Media światłowodowe Wielomodowe Jednomod. 53
Media optyczne 54
Standardy przyłączek 55
Zjawisko rozproszenia (scattering) Niewłaściwa instalacja okablowania może uszkodzić mechanicznie kabel Zbyt duże wygięcia mikropęknięcia na powierzchni rozpraszanie wiązek światła Zbyt duże wygięcia zmiana kąta padających promieni i odbicie pod niewłaściwym kątem w osłonę (brak zjawiska całkowitego wewn. odbicia) 56
Zakończenia okablowania 57
Techniki polerowania zakończeń 58
Złączenia kabli światłowodowych 59
Narzędzia testowe 60
Koniec Dziękuję za uwagę... 61