STAVEBNÍ PRVKY POČÍTAČOVÉ SÍTĚ Souhrn hardwarových a softwarových prostředků, které umožňují vzájemnou komunikaci koncových síťových zařízení nebo celých síťových uzlů. 1. Síťové koncové zařízení (počítač, IP telefon, tiskárna, TV přijímač, atd.) 2. Síťové technické prostředky Pasivní prvky: data pouze přenášejí kabely, konektory, ukončovací prvky (terminátory), antény, atd. Aktivní prvky: přenášená data zesilují, filtrují, převádějí, směrují síťový adaptér, switch, router, brána, atd. 3. Síťové programové prostředky síťový operační systém, síťové aplikace a utility. Pasivní prvky počítačové sítě Pasivní síťové prvky (přenosová média) jsou části počítačové sítě, které fyzicky zajišťují přenos dat v síti, ale data žádným způsobem záměrně nemění ani neovlivňují. Řadíme k nim především: 1. kabely s el. vodiči, resp. optickými vlákny (kroucená dvojlinka, koaxiální kabel, optický kabel), 2. konektory, zásuvky, spojky, ukončovací prvky (terminátory), redukce, útlumové články, 3. rozvaděče, 4. antény. Na rozdíl od aktivních síťových prvků nespotřebovávají pro svůj provoz žádnou elektrickou energii.
Základní charakteristiky (vlastnosti, parametry) přenosového média: 1. Šířka pásma Vztahuje se k množství dat, které lze přenést komunikačním kanálem. Pro digitální signály se používá jednotka (b/s), pro analogové signály nejčastěji (Hz). 2. Útlum Vyjadřuje, kolikrát se zmenší výkon signálu po průchodu přenosovým médiem jednotkové délky. Udává se v decibelech na jednotku délky (db/m, db/100m, nebo db/km) 3. Charakteristická (vlnová) impedance Celkový odpor, který klade vysokofrekvenčního vedení střídavému proudu. Značí se Z 0 a jednotkou je ohm (Ω). Elektrické vedení (koaxiální kabel, vlnovod) přenáší elektrický signál nezkresleně, bez odrazu a s největší účinností jen tehdy, jsou-li impedance zdroje signálu a zakončovací impedance vedení (terminátor) rovny charakteristické impedanci elektrického vedení. Náhradní schéma vysokofrekvenčního elektrického vedení: Pro ideální (bezeztrátové) vedení platí: Z 0 = L 0 C 0 R 0 odpor vedení, G 0 svod vedení, L 0 indukčnost vedení, C 0 kapacita vedení uvedeno na jednotku délky vodiče 4. Cena za jednotku délky 1 Prvky pro přenos elektrického signálu 1.1 Koaxiální kabel Tvoří jej vnitřní vodič (měděný nebo postříbřený), který může být plný nebo spletený z více tenčích vodičů. Kolem vnitřního vodiče je nanesena izolující vrstva dielektrika. Na této vrstvě je pak naneseno vodivé opletení (stínění), které je překryto další izolující vrstvou (vnějším pláštěm).
Vodivé opletení představuje rozprostřený vodič, jehož podélná osa je shodná s osou vnitřního vodiče proto označení koaxiální (tj. souosý) kabel. Hlavní efekt vodivého opletení spočívá především v odstínění vnitřního vodiče od vlivu vnějšího rušení. Signál se přenáší jako rozdíl potenciálů mezi středním vodičem a stíněním, které je na nulovém elektrickém potenciálu. Existují dva druhy koaxiálních kabelů: Tlustý koaxiální kabel byl využíván jako první přenosové medium v datové síti standardu Ethernet a dokázal přenášet signál do vzdálenosti maximálně 500 m. Jejich průměr byl 1,3 cm. Tenký koaxiální kabel se dnes používá často i v jiných oborech (rozvody antén, měřicí přístroje atd), má průměr 0,6 cm; maximální dosah 200 m. Koaxiální kabel se používal především pro sběrnicovou topologii LAN, rychlost přenášených dat byla maximálně 10 Mb/s. Vlnová Impedance kabelu je 50. Koaxiální kabel je zakončen BNC konektorem, který se zasunuje do T konektoru a do síťové karty. Připojení nového počítače do sítě vyžaduje přerušení kabelu a vložení T konektoru. Vedení muselo být na obou koncích ukončeno terminátorem se stejnou impedancí, jako vedení, tedy 50 T konektor terminátor BNC konektory Síťové karty v PC
1.2 Kroucená dvojlinka (TP 1 kabel) Kroucená dvoulinka je druh kabelu, který je používán v telekomunikacích a počítačových sítích. Je tvořen několika páry vodičů, které jsou po své délce pravidelným způsobem vůči sobě zkrouceny. Důvodem kroucení vodičů je zlepšení odolnosti vůči elektromagnetickému rušení. Minimalizují se rušení mezi jednotlivými páry vodičů a zároveň je omezeno vyzařování elektromagnetického pole do okolí i jeho příjem z okolí. Dva souběžně vedoucí vodiče se chovají jako anténa: pokud jimi protéká střídavý proud, vyzařují do svého okolí elektromagnetické pole. Jsou-li vodiče vzájemně zkrouceny, vyzařovaní elektromagnetické pole se výrazně zmenší. Rozdělení TP kabelů podle stínění: UTP kabel FTP kabel UTP = Unshielded Twisted Pair Nestíněná kroucená dvojlinka Kabel nemá žádné doplňkové stínění vodičů, omezení elektromagnetického pole se děje pouze vzájemným kroucením párů vodičů. FTP = Foiled Twisted Pair Celý kabel obsahuje společné doplňkové stínění všech párů vodičů pomocí kovové fólie nebo kovového opletení. 1 TP = Twisted Pair (kroucený pár)
STP kabel S/FTP (S/STP) kabel STP = Shielded Twisted Pair Stíněná kroucená dvojlinka Každý kroucený pár vodičů je obalen vlastní stínící kovovou fólií. S/FTP = Shielded / Foiled Twisted Pair Kabel je celkově stíněn kovovou fólií nebo opletením (FTP) a zároveň jsou kovovou fólií stíněny jednotlivé kroucené páry vodičů (STP). TP kabely pro počítačové sítě obsahují nejčastěji 4 páry vodičů. Dva páry se využívají pro přenos dat oběma směry (full duplex), zbylé dva páry bývají zpravidla nevyužity. U tzv. strukturovaných sítí může být další pár vodičů využit např. pro rozvod telefonní linky, dále se může pár vodičů využít pro napájení síťového zařízení v místech, kde není přístupné napájení např. z rozvodné sítě (technologie PoE 2 ). Informace přenášená tímto vedením je dána jako rozdíl elektrických potenciálů mezi oběma vodiči krouceného páru. Maximální délka TP kabelu bez obvodů pro zesílení a úpravu signálu je 100 metrů. TP kabely se dále dělí do několika kategorií podle maximální frekvence přenášeného elektrického signálu (určuje maximální přenosovou rychlost): 2 PoE = Power over Ethernet (napájení síťového zařízení přes TP datový kabel. TP kabel = přenos dat + napájení)
TP kabel je osazen konektory RJ45 (8 pinů, všechny obsazeny): Přímý (Patch) kabel zapojení do switche, hubu, routeru (kabel má obě koncovky shodné A + A). Pro vybudování LAN v budovách se jako přípojná místa koncových síťových zařízení (PC, IP telefon, WIFI router atd.) používají zásuvky pod omítku s konektory RJ45: Koncovka UTP kabelu zásuvka s RJ45 2 Prvky pro přenos optického signálu U optických přenosových soustav se pro přenos informací používají světelné impulsy. Světelné impulsy mohou mít vlnovou délku, která je pro lidské oko viditelná (380 nm fialová až 780 nm červená), nebo neviditelná (vlnová délka nad 780 nm infračervené spektrum). Pro přenos je potřeba celý přenosový systém, tedy vysílač, přenosové medium (optický kabel, přímé šíření prostorem bezdrátově) a přijímač. Vysílač (označován Tx) tvoří LED, infraled nebo laserová dioda, převádí tedy elektrické signály na světelné impulsy. Přijímač (označován Rx) je složen z fotosnímače (detektoru), který převádí světelný signál na elektrický (napětí, proud), dále zesilovače a tvarovacího obvodu, jenž signál zesiluje a převádí do tvaru připraveného ke zpracování dalšími obvody.
2.1 Optický kabel Informace v binární podobě se přenáší v optických vláknech jako světelné impulsy. Optická vlákna bývají, dle použitého materiálu, dvojího druhu: POF (Plastic Optical Fibre) vlákno je vyrobeno z transparentního plastu, vykazuje větší útlum světelného signálu, proto se používá pro přenos informací na kratší vzdálenosti. Jsou levnější, mechanicky odolnější. GOF (Glass Optical Fibre) vlákno je vyrobeno z čirého křemičitého skla, vykazuje menší útlum než plastové vlákno, vhodné pro přenos dat na větší vzdálenosti, horší mechanické vlastnosti, vyšší cena Optická vlákna jsou velmi tenká (řádově jednotky až desítky μm) a jsou uložena v ochranném obalu. Jsou velmi citlivá na mechanické namáhání a ohyby. Jejich ochranu tedy zabezpečuje svým konstrukčním řešením optický kabel, který kromě jednoho či více optických vláken obvykle obsahuje i vhodnou výplň, zajišťující potřebnou mechanickou odolnost. Vedení světelného signálu optickým vláknem: Dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi (např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm), v obecném případě se část tohoto paprsku odráží zpět do původního prostředí, a část prostupuje do druhého prostředí. Záleží na úhlu, pod jakým paprsek dopadá na rozhraní (dáno optickými vlastnostmi obou prostředí). Je-li tento úhel větší než určitý mezní úhel, dochází k úplnému (totálnímu) odrazu paprsku zpět do původního prostředí (optické vlákno).
Podle způsobu vedení světelného paprsku vláknem, dělíme optická vlákna do dvou kategorií: 1. Multimode vlákna (mnohovidová, obrázek A, B) mají větší průměr jádra vlákna (desítky μm), světelný paprsek tak má více prostoru a může tak prostupovat v jádru více cestami, což ovšem může vézt k rušení signálu na straně přijímače. Snáze se spojují, jsou levnější než singlemode vlákna, avšak nejvyšších přenosových rychlostí lze dosáhnout do vzdálenosti 1 km od vysílače. 2. Singlemode vlákna (jednovidová, obrázek C) mají malý průměr jádra vlákna (méně než 10 μm), světlo může vláknem postupovat jen jednou cestou. Vykazují malý útlum signálů, při instalaci vyžadují větší přesnost. Umožňují přenos informací na vzdálenosti do 100 km bez opakovače a přenosové rychlosti jsou až 50 Gb/s. Singlemode vlákna jsou dražší než multimode vlákna. Optické kabely pro lokální spoje (LAN) bývají nejčastěji zakončeny konektory: SC LC ST SC a ST konektory jsou simplexní (přenos v jednom směru), LC konektor nabízí duplexní přenos. V praxi však existují i jiné druhy konektorů pro simplexní i duplexní přenos informací. Dále existují redukce mezi rozdílnými optickými konektory, optické spojky, optické útlumové články (attenuator) atd. Optická duplexní spojka LC Útlumový článek 10dB
Výhody optického komunikačního řetězce: Vysoká přenosová rychlost oproti metalickému vedení na dlouhé vzdálenosti. V praxi se nejčastěji využívají optické signály z infračerveného spektra (vlnová délka 800 nm až 1700 nm), což představuje elektromagnetické vlnění o frekvencích 375 THz až 176 THz. Šířka pásma je mnohonásobně vyšší než u metalického vedení, navíc s přídavným stíněním (řádově stovky MHz až jednotky GHz). WDM technologie WDM = Wavelength Division Multiplexing V jednom optickém vlákně lze najednou přenášet více optických signálů s různou vlnovou délkou. Výrazně zvyšuje přenosovou kapacitu optického komunikačního kanálu. Odolnost proti elektromagnetickému rušení Optický signál se šíří pouze jádrem vlákna. Optická komunikace je vhodná pro výbušné a hořlavé prostory Nehrozí zkrat, jiskření, vznik elektrického oblouku. Vysoká bezpečnost přenášených dat Data na optickém vedení nelze odposlouchávat. Nevýhody optického komunikačního řetězce: Složitější a dražší spojování optických vláken Používají se speciální svářečky pro optická vlákna. Optické vlákno má špatné mechanické vlastnosti Velmi křehké, nízká pevnost při tahu, krutu, ohybu. Optické kabely musí zabezpečit mechanickou ochranu vláken pomocí konstrukční vrstvy. Útlum a zkreslení přenášeného signálu závisí na druhu vlákna, délce a spojích. Druhy optických vláken podle průměru jádra: singlemode (SM), multimode (MM). Druhy optických vláken podle materiálu jádra: GOF, POF (vyšší útlum světla). Každá nepřesnost při spojování vláken (svar, konektor) výrazně zvyšuje útlum signálu.