7

Cap. II : Nivelul Fizic al unei reele

Nivelul fizic reprezint fundaia pe care este construit modelul de referin OSI, acest nivel incluznd tot ceea ce este necesar pentru transmisia i recepia de semnale. Nivelul fizic are patru zone funcionale : mecanic, electric, funcional i procedural. n aceste zone sunt incluse tehnicile de tratare a semnalului, tensiunea electric utilizat pentru transportul semnalului, tipurile de medii i impedanele lor, componentele electronice de pe placa de interfa cu reeaua (NIC) i chiar forma fizic a conectorului de reea.

Nivelul fizic nu include nimic din cea ce nu aparine sistemului conectat n reea. Exemple de componente aflate n afara domeniului fizic ar putea fi : mediul fizic (cablurile de transmisie, conectoarele etc.), concentratoarele, router-ele, comutatoarele (switch-urile) etc., acestea fcnd parte din nivelul 0.

2.1. Funciile nivelului Fizic Funciile acestui nivel se mpart n dou categorii :

- pentru transmisie : - conversia cadrelor de date n iruri binare ; - implementarea metodei de acces la mediu dictat de nivelul 2 ; - transmiterea serial (bit cu bit) a cadrelor de date.

- pentru recepie : - ateptarea semnalelor adresate sistemului su ; - acceptarea irurilor adresate corespunztor ; - transmiterea irurilor binare recepionate ctre nivelul 2 pentru

reasamblarea cadrelor.

Observaie : verificarea integritii datelor recepionate nu face parte din funciile acestui nivel ci din funciile nivelului 2.

Lrgimea benzii de frecven reprezint lrgimea unui canal de comunicaie msurat n Hz. Totui frecvena transmisiei nu este un parametru edificator pentru viteza de comunicaie, aceasta fiind msurat mai exact prin numrul de bii pe secund (bps) care pot fi transmii, de aceea pentru o comunicaie n reea este mai elocvent lrgimea de band care reprezint cantitatea maxim de date care poate fi transportat printr-un anumit mediu de transmisie.

Lrgimea de band posibil unui tip de mediu este limitat att de frecvena de transmisie ct i de distana pe care mediul poate s o suporte, la frecvena respectiv, fr ca semnalul s fie afectat.

Astfel, datorit distanei la care trebuie s se fac o transmisie, pot aprea dou tipuri de perturbaii :

- atenuarea reprezint scderea puterii (amplitudinii) semnalului sub un prag minim, sub care acesta devine neinteligibil pentru destinatar. Aceasta poate fi evitat prin limitarea lungimii cablurilor i prin utilizarea pe linia de transmisie a repetoarelor care primesc un semnal de intrare, l amplific i l retransmit pe cablu.

- distorsionarea reprezint modificarea semnalului n timpul transportului. Aceasta poate fi evitat prin respectarea standardelor pentru fiecare mediu de transmisie i prin utilizarea router-elor, care sunt dispozitive inteligente care apeleaz la logic pentru procesarea fiecrui pachet.

Un router primete pachete de date i le stocheaz temporar, n timp ce decide ce va face cu fiecare. Dac structura antetului pachetului s-a deteriorat n timpul transportului, router-ul l elimin, lsnd protocolului pentru controlul transmisiunii al destinatarului s detecteze pierderea acestuia i s formuleze o cerere de retransmitere a acestuia. Dac validitatea pachetului este intact, atunci router-ul caut n tabela de rutare, adresa destinatarului i

8

transmite pachetul de date n direcia acestuia. Astfel router-ele nu numai c amplific i transmit n direcia adecvat pachetele de date, aa cum fac repetoarele, ci i regenereaz pachetele.

Observaie : router-ele opereaz la nivelul 3 - Reea al modelului de referin OSI. 2.2. Mediul fizic de transmisie Mediul de transmisie include orice mijloace de transport a semnalelor generate de nivelul

1 al modelului OSI. Aceste mijloace pot fi tangibile i intangibile. Mediile de transmisie tangibile includ : cablurile coaxiale, cablurile torsadate i fibrele optice ; n timp ce mediile intangibile se bazeaz pe radiaii electromagnetice.

2.2.1. Cablul coaxial : este compus din dou conductoare concentrice : unul n mijloc din conductor plin, de regul din Cu (numit i firul cald), iar cellalt spre extrior, separat de primul printr-un material dielectric, fiind de regul ntreesut (numit i firul rece). Structura unui cablu coaxial este prezentat n figura 2.1

Fig. 2.1. Structura cablului coaxial

Exist mai multe tipuri de cabluri coaxiale, diferenele dintre acestea fiind date de impedane, viteze de transmisie i lungimi maxime admise.

De exemplu, standardul 10Base2 a Ethernet-ului utilizeaz cablul coaxial RG-58 care ofer o impedan de 50 /m ntr-un cablu gros de aproximativ 1cm diametru, limitele acestuia fiind de : 10 Mbps pentru viteza semnalului i de 185 m pentru lungimea maxim a unui tronson. Exist i cabluri coaxiale groase la care lungimea unui tronson poate s ajung i pn la 500 m sau cabluri coaxiale speciale (numite i fused-disk) care se pot ntinde pe lungimi de kilometrii.

Avantaje : ofer suport pentru comunicaii n band nalt de frecven pe distane relativ mari, fr repetoare.

Dezavantaje : robustee sczut, att a cablului ct i a conectorilor, costul i dimensiunea mare au implicat utilizarea din ce n ce mai rar, doar pentru aplicaii tipice (cablu TV).

2.2.2. Cablul torsadat : este compus din perechi de fire torsadate relativ subiri (cu diametrul 0.4 0.9 mm) de regul din Cu, izolate i rsucite unul n jurul celuilalt. Torsadarea este foarte eficient deoarece ajut la anularea interfeelor electromagnetice care ar fi induse n Cu, prin asigurarea unei radiaii de energie echilibrate ntre cele dou fire.

Exist o mare diversitate de cabluri torsadate : de la o singur pereche de cabluri de frecven joas i pn la cabluri magistrale de 600 de perechi.

Pentru mbuntirea transferului de date se pot folosi urmtoarele tehnici : - creterea grosimii conductorului ; - creterea numrului de rsuciri pe unitate de lungime ; - utilizarea unui numr mai mare de rsuciri n grupuri de mai multe perechi de fire ; - ecranarea perechilor de fire printr-o barier metalic.

Pentru reelele LAN se folosesc, de obicei, cabluri torsadate cu patru perechi de fire grupate ntr-un nveli comun de PVC sau teflon. Acestea pot fi de 2 tipuri :

2.2.2.1. Cabluri torsadate ecranate - STP (Shielded Twisted Pair) - prezint un strat suplimentar de folie sau plas metalic n jurul firelor torsadate,

imediat sub nveliul extern. Avantajul STP-urilor este c elimin cu succes radiaiile (interfeele) externe, ns, datorit ecranrii, apar interferene interne care duc la auto-obstrucionarea semnalelor. De aceea STP-urile se folosesc doar n mediile n care interfereele externe sunt majore i depesc interfereele interne care apar.

nveli Material dielectric

Conductor exterior (fir rece) ntreesut

Conductor central (fir cald) - Cu

9

2.2.2.2. Cabluri torsadate neecranate - UTP (Unshielded Twisted Pair) - dei ntr-un cablu UTP exist 4 perechi torsadate, de regul sunt folosite doar dou

perechi : o pereche de conductoare oferind suport doar pentru transmisii, iar cealalt pereche doar pentru recepie. Doar n reelele care operez la viteze de transmisie mai mari de 100 Mbps sunt utilizate toate cele 4 perechi de fire.

Performanele cablurilor torsadate au fost ierarhizate n mai multe clase sau categorii de performan. Dintre cele utilizate n prezent sunt :

- UTP categoria 3 ofer lrgime de band de 16 MHz, care se traduce prin transferuri de date de pn la 10 Mbps i lungime maxim de 100 m ;

- UTP categoria 5 ofer lrgime de band de 100 MHz, vitez de transfer de date de pn la 100 Mbps i lungime maxim de 100 m ;

- UTP categoria 6,7 ofer lrgimi de band de ordinul 100-lor de MHz, dar scade distana maxim a unui tronson de cablu.

Consideraii speciale: - cablurile torsadate, indiferent de categorie sau tip, utilizeaz fire separate pentru

purttoarele pozitive i cele negative ale funciilor de transmisie i recepie. Pentru ca dou dispozitive s comunice este nevoie ca polaritile s fie neaprat pstrate.

n condiii normale, dispozitivele care trebuie cablate direct (un PC i un hub, de exemplu), au interfee complementare care realizeaz automat funcia de ncruciare dintre perechile de transmisie i cele de recepie. Echipamentele precum NIC-urile din PC i server-ele sunt considerate echipamente terminale de date (DTE = Data Terminal Equipment), iar modemurile, porturile unui concentrator i alte dispozitive intrermediare sunt considerate echipamente pentru comunicaii de date (DCE = Data Communications Equipment).

Relaia dintre modul de atribuire (legare) a conductoarelor n cazul legrii a dou echipamente, unul de tip DCE i cellalt de tip DTE, utiliznd ca exemplu interfaa RJ-45 a specificaiei 10Mbps Ethernet este ilustrat n figura 2.2.

Fig. 2.2. Conectarea DCE la DTE Aceste interfee complementare permit terminalului i echipamentului de comunicaii s

fie cablate direct, fr a fi generate conflicte ntre funciile de recepie i de transmisie. n condiii normale de operare, un dispozitiv DCE se conecteaz ntotdeauna la un dispozitiv DTE i invers, utiliznd un cablu cu patru perechi ale crui fire rmn nemodificate de la un capt la cellalt. Un astfel de cablu se numete cablu direct (Srtraight Through Cable).

Termenii dispozitiv DTE i DCE se refer la natura unui port i nu la un ntreg echipament. De exemplu, un concentrator poate avea att porturi DTE, ct i porturi DCE. Porturile care servesc ca port de ieire pentru alte concentratoare sunt configurate ca DCE, iar cele utilizate pentru conectarea echipamentului de calcul sunt DTE. Astfel, concentratoarele mai vechi aveau un anumit port rezervat pentru conexiunile de ieire sau unele porturi erau selectabile (de intrare sau de ieire). Generaia actual de concentratoare de comutare aproape c au nlturat portul de ieire. Pentru crearea reelelor LAN extinse pot fi utilizate funduri de sertar (backplane) comutate cu lrgime de band mare.

Recepie pozitiv (R+) Recepie negativ (R-)

Transmisie pozitiv (T+) Neutilizat Neutilizat

Transmisie negativ (T-) Neutilizat Neutilizat

Transmisie pozitiv (T+) Transmisie negativ (T-) Recepie pozitiv (R+) Neutilizat Neutilizat Recepie negativ (R-) Neutilizat Neutilizat

DCE DTE

10

Pentru legarea a dou dispozitive DTE se utilizeaz un cablu cu conductoare ncruciate (crossover cable) sau cablu de link, inversiunile de conectare fiind date n figura 2.3.

Fig. 2.3. Conectarea a dou DTE Dup cum se observ, trebuie s se pstreze polaritatea firului fizic, tensiunile negative i

pozitive trebuie s fie meninute separat, ncrucirile fcndu-se ntre Transmisia pozitiv (T+) cu Recepia pozitiv (R+) i respectiv Transmisia negativ (T-) cu Recepia negativ (R-).

2.2.3. Cablul cu fibre optice : este compus dintr-un conductor central din sticl sau

material plastic cu proprieti optice pe suprafaa cruia este depus un strat protector cu proprieti reflectorizante, totul fiind introdus ntr-un nveli exterior. Schematic, un cablu optic are structura descris n figura 2.4.

Fig. 2.4. Structura unui cablu cu fibr optic Exist o mare diversitate de cabluri cu fibre optice, diametrul conductorului optic central

variind ntre 5 microni i zecimi de mm. La fel variaz i spectrul luminos al semnalului, lungimea maxim admis pentru un tronson de cablu, precum i numrul de perechi de fibre optice introduse ntr-un cablu (fibrele optice sunt utilizate n perechi : una pentru transmisie i una pentru recepie). n reelele LAN, cel mai utilizat cablu este cel cunoscut sub numele de fibr de sticl 62.5 / 125 m (adic diametrul conductorului central are 62.5 m i diametrul stratului protector reflectorizant are 125 m). Lungimea medie pentru un astfel de cablu este de 2 km, dar exist i cabluri optice speciale care se pot ntinde pe zeci de km.

Utilizarea fibrelor optice n reelele LAN se limiteaz de obicei la conexiuni ntre servere sau la interconectarea concentratoarelor.

Avantaje : transmisii de mare vitez, sigurana transmisiei (este aproape imposibil s fie introduse perturbaii n fibrele optice). Dezavantaje : cost relativ mare (nu att al cablului, ct a mediaconverter-elor care fac trecerea de la semnalele optice la cele electrice i invers), fragilitate i flexibilitate relativ sczute (dac un cablu este secionat, devine aproape imposibil refacerea lui).

Exist dou tipuri specifice de transmisiuni prin fibrele optice :

1. Multimod : transmisia este comandat de un LED (Light Emitting Diode). Dezavantajele acestui tip de transmisie constau n faptul c LED-ul are o frecven destul de mic de transmisie (rezult o lrgime de band destul de limitat), dar mai ales dispersia mare a fasciculului luminos transmis (apar raze dispersate, ilustrate i n figura 2.4). Aceast dispersie a luminii implic dou mari probleme : 1) datorit refleciilor repetate, drumul parcurs de o raz

Transmisie pozitiv (T+) Transmisie negativ (T-)

Recepie pozitiv (R+) Neutilizat Neutilizat

Recepie negativ (R-) Neutilizat Neutilizat

Transmisie pozitiv (T+) Transmisie negativ (T-) Recepie pozitiv (R+) Neutilizat Neutilizat Recepie negativ (R-) Neutilizat Neutilizat

DTE DTE

nveli

Conductor optic central

Raz dispersat Strat protector reflectorizant

Raz axial

Raz dispersat

11

reflectat poate s fie cu mult mai mare dect cel parcurs de o raz axial (c = 300.000 km / sec), de aici rezultnd distorsiunea semnalului deoarece nu toate razele ajung n acelai timp la receptor ; 2) razele care ajung n unghiuri ct mai perpendiculare pe peretele exterior reflectorizant al fibrei optice nu mai sunt reflectate, fiind absorbite de acesta, iar datorit dispersiei, fotonii din razele dispersate pot lovi pe cei ai razelor axiale formnd coliziuni i ducnd la atenuarea semnalului.

Totui, chiar dac prezint dezavantajele descrise mai sus transmisia multimod este mult mai folosit n reelele LAN, deoarece cablurile i echipamentele necesare sunt mai ieftine comparativ cu sistemele monomod, iar cablurile sunt mai uor de conectat, deoarece sunt de cteva ori mai mari dect fibrele monomod.

2. Monomod : transmisia este comandat de o diod laser cu injecie ILD (Injection Laser Diode). Datorit faptului c laserul este un fascicul extrem de focalizat, se elimin dezavantajele create de dispersie. Fibrele optice monomod au n general un diametru de 5 10 m, fiind nvelite ntr-un strat protector reflectorizant de 125 m. Totui, dei se elimin anumite dezavantaje, costurile ridicate ale fibrei i a echipamentului laser, precum i lrgimea de band disponibil, fac ca aceast tehnologie s fie mai puin folosit n reelele LAN i mai mult n reelele telefonice actuale.

2.3. Reele LAN fr fir (WLAN Wireless LAN) Reelele locale care utilizeaz transmisiuni nedirijate n spectrul electromagnetic pentru a

transporta date i protocoale se numesc reele LAN fr fir (WLAN Wireless LAN). Aceste reele se mpart n mai multe categorii, n funcie de lungimea de und (frecvena) a purttoarei. n figura 2.5 este ilustrat spectrul electromagnetic.

Fig. 2.5. Spectrul electromagnetic 2.3.1. Caracteristici spectrale : caracteristicile propagrii unei unde se schimb, de-a

lungul spectrului, odat cu mrirea numrului de hertzi. n ceea ce privete WLAN, cele mai importante caracteristici ale undei sunt :

1) Fragilitatea = capacitatea undelor de a penetra medii solide sau opace. n acest sens, undele cu frecvene mai joase sunt mai durabile, fiind capabile s penetreze solide opace. Cu ct frecvenele undelor sunt mai nalte, cu att mai greu ele pot penetra aceste medii.

2) Direcionalitatea = capacitatea de focalizare a undelor. Undele radio, de exemplu, au o capacitate mic de focalizare, ele radiind n toate direciile (de aceea se numesc i radio). Cu ct frecvena undelor crete, cu att direcionalitatea lor devine mai bun, ajungndu-se n spectrul vizibil la radiaia laser, care este o raz aproape perfect focalizat.

3) Lrgimea de band = lrgimea unui canal de comunicaii msurat n Hz, sau altfel spus este diferena dintre limitele de frecven superioar i inferioar ale unui canal de comunicaii. Evident c pentru undele cu frecven joas, lrgimea de band este limitat, ea devenind din ce n ce mai mare pe msur ce frecvena purttoarei este mai mare.

106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 Mai mare Mai mic

Lungime de und

(m)

103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 Mai joas Mai nalt

Frecven (Hz)

Sonor Radio Microunde Lumin Raze X Raze Gama IR Vizibil UV

12

Corespondenele dintre caracteristicile fizice ale undelor i cele spectrale sunt descrise n tabelul 2.1.

Tab. 2.1. Caracteristicile semnalelor determinate spectral

Caracteristic spectral Frecven joas Frecven nalt Fragilitate Semnal persistent Semnal deosebit de fragil

Direcionalitate Radiaie larg, distribuit Posibilitate de focalizare Lrgime de band Lrgime de band ngust Lrgime de band mare

2.3.2. Topologii WLAN : n funcie de locul unde este plasat conectarea fr fir a

echipamentelor din reea, putem distinge patru mari clase :

1) Conectivitatea fr fir a staiilor : permite unui utilizator mobil s stabileasc o conexiune LAN, fr a avea o conexiune cablat dedicat, cu un concentrator. Acest lucru este ilustrat n figura 2.6.

Fig. 2.6. Conectarea fr fir a staiilor 2) Conectivitatea peer-to-peer fr fir : permite conexiuni de tip peer-to-peer (de la egal

la egal) n reele LAN simple, n care fiecare utilizator poate beneficia de partajarea resurselor cu celelalte dispozitive peer (egale), cu condiia s aib permisiunile corespunztoare.

3) Interconectarea fr fir a concentratoarelor : permite conectarea ntre dou zone ale unui LAN care sunt separate prin concentratoare. Staiile de lucru sunt cablate la un concentrator convenional, portul de uplink al acestuia fiind cablat la un echipament de emisie / recepie care comunic cu un alt echipament asemntor conectat la cellalt concentrator. O astfel de topologie este ilustrat n figura 2.7.

Fig. 2.7. Interconectarea fr fir a concentratoarelor Aceast topologie WLAN este foarte util n situaia n care dou zone ale unui LAN sunt

foarte dificil de interconectat prin fire fizice.

4) Puni fr fir : permit conectarea fr fir a dou LAN-uri. Aceast metod, la ora actual, este des utilizat de distribuitorii de servicii Internet, care se conecteaz prin intermediul antenelor parabolice la satelii. Frecvenele utilizate sunt n domeniul benzilor nalte (2,4 2,4835 GHz de exemplu), transferurile de date fiind deci mari (1 2 Mbps). O astfel de structur a fost prezentat n figura 1.7 a capitolului anterior, cu meniunea c legtura dintre cele dou router-e se face prin dispozitive de emisie / recepie (DE/R).

PC

Dispozitiv de emisie / recepie

Concentratorfr fir

DE/R

PC

DE/R

PC PC

Concentrator

PCDE/R

PC PC

Concentrator

PC

DE/R

13

2.3.3. Tehnologii de transmisie : exist patru clase distincte de transmisie :

1) Unde radio de spectru distribuit : pentru reelele LAN sunt alocate urtoarele benzi : 902 928 MHz , 2.4 2.484 GHz i 5.725 5.850 GHz , utilizarea acestora fcndu-se fr licen. Aceste benzi mai sunt numite i benzi ISM (benzi alocate utilizrii industriale, tiinifice i medicale). Spectrul distribuit furnizeaz un domeniu neregulat de frecvene radio, adic domeniul canalului de baz este divizat n mai multe subcanale (aa cum, de exemplu, pe acelai cablu de televiziune sunt transmise mai multe canale de televiziune). Acest lucru este ilustrat n figura 2.8.

Fig. 2.8. Transmisie radio n spectru distribuit La transmiterea n spectru distribuit exist dou tehnici de transmitere : a) transmitere n secven direct : secvena direct utilizeaz secvenial subcanalele

disponibile (adic la nceput se transmite pe subcanalul 1, apoi pe al II-lea, .a.m.d., dup care se reia ciclul).

b) transmitere cu srirea frecvenelor : aceast metod utilizeaz subcanalele disponibile conform unui model pseudo-aleatoriu, acest model trebuind s fie tiut doar de cel care emite i cel care recepioneaz.

Avantaje : viteze mari de transmisie, libertatea folosirii anumitor benzi de transmisie (fr licen), reducerea la minim a interferenelor (prin schimbarea succesiv a subcanalelor), n aceeai zon pot exista dou sau mai multe dispozitive care emit n acelai timp fr s intre n conflict (emit pe subcanale separate), de aceea rezult transmisii full-duplex i securitate maxim a transmisiei.

Dezavantaje : dispersia semnalului care reduce transferul de date la mai puin de 20 Mbps , iar datorit lipselor licenelor este de multe ori posibil interferena cu alte dispozitive de emisie / recepie ce lucreaz n aceeai band (pagere, mobile etc).

2) Unde radio monoband : utilizeaz un singur canal radio, de obicei n banda microundelor (de exemplu Motorola utilizeaz banda de 18 19 GHz). Utilizarea acestor benzi nu este liber, ea fiind controlat de organizaii de licen.

Anavtaje : lrgime de band destul de mare, de pn la 15 Mbps, mic probabilitate de interferen cu alte aparate de emisie / recepie.

Dezavantaje : datorit faptului c microundele, la puteri mari, pot fi duntoare organismelor vii, este necesar limitarea puterii de transmisie la sub 1 W, de aici rezultnd distane relativ mici ntre dispozitive (100 200 m).

3) Infrarou : utilizeaz radiaia IR ca mediu de transmisie. Aceast radiaie, chiar dac nu poate penetra solide opace, poate fi reflectat de acestea.

Avantaje : echipamente foarte ieftine i fr licene. Dezanavtaje : fragilitate foarte mare, distane scurte de transmisie, transferuri de date

modeste.

4) Laser : utilizeaz razele laser n comunicaii, raze care sunt foarte bine focalizate (deci au o dispersie foarte mic).

Avantaje : focalizare foarte bun i distane mai mari dect la IR, la un pre relativ sczut. Dezavantaje : fragilitate mare, transferuri de date modeste, pericolul unor rniri

accidentale a ochilor, dac razele sunt plasate n zone accesibile.

0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0

0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0

1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1

Subcanalul 1 Subcanalul 2 Subcanalul 3

Subcanalul n

Canal de baz