4. diel - Siete - Médiá fyzickej vrstvy

V predchádzajúcej lekcii, { PREVIOUS}, sme si predstavili a vysvetlili pojmy internet, extranet a intranet.

V nasledujúcom tutoriále základov počítačových sietí sa zameriame na médiá používané na prenos informácií po fyzickej vrstve. Vysvetlíme si, čím sa líšia jednotlivé druhy káblov. Dozvieme sa, prečo a ako sa tie ktoré používajú v praxi.

Fyzická vrstva

Fyzická vrstva siete je jednou z kľúčových zložiek komunikačných sietí. Jej hlavnou úlohou je zabezpečiť prenos dát medzi zariadeniami na fyzickej úrovni. Fyzická vrstva zahŕňa fyzické médiá, ktoré slúžia na prenos signálov a dátových paketov. Lapidárne povedané ide o nejakú formu drôtu (alebo bezdrôtu), ktoré vďačíme za prítomnosť internetu:-)

Fyzická vrstva zohráva dôležitú úlohu pri zaistení spoľahlivej a efektívnej komunikácie v sieťach. Jej správna implementácia a výber vhodného prenosového média sú kľúčové pre dosiahnutie vysokej kvality a rýchlosti prenosu dát.

Vo fyzickej vrstve sa používajú rôzne technológie a štandardy, ako sú káble, koaxiálne káble, optické vlákna a bezdrôtové prenosové systémy. Každá technológia má svoje výhody a nevýhody, ktoré je dôležité zvážiť pri návrhu a implementácii siete. Pozrime sa podrobnejšie na najpoužívanejšie typy káblov.

Prenos informácií po kábli

Drôtený kábel je najspoľahlivejším prenosovým médiom. Kov, po ktorom informácie ako elektrický signál prúdia, je prirodzene odolný. Vydrží veľké fyzické namáhanie a veľmi pomaly starne. Starnutie sa týka hlavne jeho plastového obalu – izolácie, ktorá je logicky najslabším miestom. Napriek tomu platí, že pri dodržaní elementárnych pravidiel zaobchádzania s dátovým káblom (nevesíme naň bielizeň, nepoužívame ju na priväzovanie iných predmetov, nepúšťame k nemu voľne pobehujúce pieskomily a pod.) je takýto kábel úplne bezúdržbový. Káblov máme viac druhov.

Koaxiálne káble

Koaxiálny kábel, často nazývaný "koax", je typ kábla, ktorý má vnútorný vodič obklopený tubulárnou izolačnou vrstvou, obklopenou tenkou kovovou vrstvou na tienenie a potom ďalšou izolačnou vrstvou na vonkajšej strane. Jednou z hlavných výhod koaxiálnych káblov je ich odolnosť voči rušeniu z vonkajších zdrojov, ktoré dosahujú vďaka svojmu tieneniu. To je dôležité na zabezpečenie stabilného a spoľahlivého prenosu dát a je to aj dôvod, prečo sa často používajú v náročných prostrediach, ako sú priemyselné aplikácie. Často sa používajú aj pre televízne káblové siete a internetové pripojenie od poskytovateľov internetových služieb. Typický koaxiál pre TV techniku vyzerá takto:

Rýchlosť prenosu dát

V minulosti boli koaxiálne káble bežne používané na pripojenie počítačov v ethernetových sieťach pomocou technológie 10BASE2 (tiež známe ako Thinnet alebo CheaperNet). Tieto káble mali priemer 0,25 palca (asi 6,4 mm) a boli odolné voči rušeniu. Pomocou technológie 10BASE2 bola maximálna dĺžka segmentu obmedzená na 185 metrov. Ak bola potrebná dlhšia vzdialenosť, bolo nutné použiť opakovače, ktoré obnovovali signál. Technológia používala rýchlosť prenosu 10 Mb/s. V súčasnosti sa rýchlosti moderných koaxiálov pohybujú od niekoľkých megabitov až po niekoľko gigabitov za sekundu. V určitých telekomunikačných a vysielacích systémoch podporujú rýchlosti prenosu dát až do niekoľkých stoviek Gb/s. Rýchlosť prenosu dát v káblových systémoch je ovplyvnená niekoľkými faktormi:

1. Technológia výroby: Moderné koaxiálne káble sú vyrábané s použitím pokročilých materiálov a výrobných techník, ktoré zlepšujú ich vlastnosti šírenia signálu a odolnosť proti rušeniu. To znamená, že môžu podporovať vyššie rýchlosti prenosu dát bez značného zhoršenia signálu.
2. Pokročilé modulačné techniky: Modulácia je technika, ktorá sa používa na kódovanie informácií do signálu pre prenos. Moderné modulačné techniky, ako je Quadrature Amplitude Modulation (QAM), umožňujú prenášať viac bitov dát v každom cykle signálu, čo zvyšuje celkovú rýchlosť prenosu dát.
3. Kódovacie schémy: Kódovacia schéma, ako je napr. Forward Error Correction (FEC), zlepšuje spoľahlivosť prenosu dát tým, že umožní detekciu a opravu chýb počas prenosu. To znamená, že je možné používať vyššie rýchlosti prenosu dát bez toho, aby to viedlo k značnému zvýšeniu chybovosti.
4. Prepínanie a smerovanie: Moderné sieťové technológie využívajú pokročilé techniky prepínania a smerovania, ktoré umožňujú efektívny a spoľahlivý prenos dát na veľké vzdialenosti.

UTP a STP káble

Unshielded Twisted Pair (UTP) a Shielded Twisted Pair (STP) sú dva bežné typy káblov používané v telekomunikačných a dátových sieťach. Oba tieto typy káblov majú dva alebo viac vodičov vinutých dohromady na zlepšenie odolnosti proti elektromagnetickému rušeniu.

• UTP kábel je najbežnejší typ sieťového kábla a je široko používaný pre Ethernetové siete. Tento typ kábla je obľúbený vďaka svojej nízkej cene a jednoduchej inštalácii, ale neponúka toľko ochrany proti rušeniu ako STP kábel.
• STP kábel má navyše kovové tienenie okolo každého páru vodičov alebo okolo celej skupiny párov. Toto tienenie poskytuje väčšiu odolnosť v prostrediach s vysokou úrovňou elektromagnetického rušenia. Avšak, STP káble sú všeobecne drahšie a ťažšie na inštaláciu ako UTP káble.

Typická aplikácia UTP/STP kabeláže v kancelárii vyzerá takto:

Rýchlosť prenosu dát

Dnes sa rýchlosti prenosu dát UTP a STP káblov pohybujú od niekoľkých Mb/s až po desiatky Gb/s. Káble kategórie 6 (Cat6) a kategórie 6a (Cat6a) podporujú rýchlosti prenosu dát až 10 Gb/s pri maximálnej dĺžke segmentu 55 metrov (pre Cat6) alebo 100 metrov (pre Cat6a). Novšie káble kategórie 8 (Cat8) podporujú rýchlosti až 40 Gb/s pri maximálnej dĺžke segmentu 30 metrov.

Rovnako ako pri koaxiálnych kábloch, rýchlosť prenosu dát UTP a STP káblov je ovplyvnená niekoľkými faktormi:

1. Typ a kvalita kábla: Vyššie kategórie káblov majú lepšiu odolnosť proti rušeniu a môžu podporovať vyššie rýchlosti prenosu dát.
2. Modulačné techniky: Moderné ethernetové technológie, ako je 1000BASE-T a 10GBASE-T, používajú pokročilé modulačné techniky, ako je PAM-16, pre zvýšenie rýchlosti prenosu dát.
3. Kódovacie schémy: Kódovacia schéma, ako je 4D-PAM5, používaná v 10GBASE-T, zlepšuje spoľahlivosť prenosu dát tým, že umožňuje detekciu a opravu chýb, ktoré sa vyskytnú počas prenosu.
4. Prepínanie a smerovanie: Ethernetové siete využívajú pokročilé techniky prepínania a smerovania, ktoré umožňujú efektívny a spoľahlivý prenos dát na veľké vzdialenosti.

Optické vlákna

Optické vlákno je typ kábla, ktorý sa používa na prenos signálov vo forme svetla. Každé optické vlákno pozostáva z extrémne tenkého vlákna skla alebo plastu, ktoré je obklopené plastovou vrstvou nazývanou cladding. Toto vlákno funguje ako vodítko pre svetlo, ktoré je doň vysielané z jedného konca. Svetlo sa potom odráža od stien vlákna a pokračuje pozdĺž jeho dĺžky.

Optické vlákna majú niekoľko významných výhod oproti koaxiálnym a párovým káblom:

• najvýznamnejšia je ich schopnosť prenášať dáta na veľmi dlhé vzdialenosti bez straty kvality signálu,
• oveľa vyššej rýchlosti prenosu dát v ráde terabitov za sekundu (Tb/s) na vzdialenosti až niekoľko tisíc kilometrov bez potreby opakovačov,
• sú imúnne voči elektromagnetickému rušeniu, čo ich robí ideálnymi pre použitie v prostrediach s vysokou úrovňou rušenia.

Napriek tomu, že sú optické káble technologicky pokročilé a ponúkajú vynikajúci výkon, ich inštalácia a údržba sú náročnejšie a drahšie ako pri koaxiálnych alebo párových kábloch. Sú tiež náchylné na fyzické poškodenie. Pohľad na štruktúru optického kábla vyzerá takto:

Rýchlosť prenosu dát optickými káblami je ovplyvnená týmito faktormi:

1. Typ a kvalita vlákna: Jednomódové vlákno (Single Mode Fiber - SMF) podporuje vyššie rýchlosti prenosu dát a dlhšie vzdialenosti ako multimódové vlákno (Multimode Fiber - MMF).
2. Modulačné techniky: Rýchlosť prenosu dát navyšujú pokročilé modulačné techniky, ako je Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) alebo Quadrature Amplitude Modulation (QAM).
3. Kódovacie schémy: Kódovacia schéma, ako je Forward Error Correction (FEC), zlepšuje spoľahlivosť prenosu dát tým, že umožňuje detekciu a opravu chýb, ktoré sa vyskytnú počas prenosu.
4. Multiplexovacie techniky: Techniky ako Wavelength Division Multiplexing (WDM) alebo varianty Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) a Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) umožňujú prenos viacerých signálov súčasne po jednom vlákne, čo zvyšuje celkovú rýchlosť prenosu dát.

Voľba média podľa využitia

V LAN sieťach sa často používajú UTP a STP káble. Sú lacné, ľahko sa inštalujú a sú ideálne na krátke vzdialenosti, napríklad v kancelárii alebo doma.

Pre WAN siete, ktoré potrebujú prenášať dáta na veľké vzdialenosti, sú všeobecne preferované optické káble. Môžu prenášať obrovské množstvo dát na veľké vzdialenosti bez straty kvality, čo ich robí ideálnymi pre telekomunikačné siete a poskytovateľov internetových služieb.

V budúcej lekcii, Siete - IPv4 a IPv6 - Tvorba podsietí , si vysvetlíme proces tvorby podsietí, tzv. subnetting.