Витая пара

Витая пара (Twisted Pair) является наиболее популярной сетевой передающей средой на сегодняшний день. Представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой. Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитные помехи одинаково влияют на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников. Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодического сближения проводников различных пар) в кабелях категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом.

Для защиты от электрических помех при использовании высокочастотных сигналов, в некоторых категориях кабелей используется экранирование. Экранирование применяется как к отдельным витым парам, которые оборачиваются в алюминиевую фольгу (металлизированную алюминием полиэтиленовую ленту), так и к кабелю в целом в виде общего экрана из фольги и/или оплётки из медной проволоки. Экран также может быть соединён с неизолированным дренажным проводом, который служит для заземления и механически поддерживает экран в случае разделения на секции при излишнем изгибе или растяжении кабеля.

Распространены следующие типы конструкции экрана:

• Неэкранированный кабель (U/UTP) – экранирование отсутствует.

• Индивидуальный экран (U/FTP) – экранирование фольгой каждых отдельных пар. Защищает от внешних помех и от перекрёстных помех между витыми парами.

• Общий экран (F/UTP, S/UTP, SF/UTP) – общий экран из фольги, оплётки, или фольги с оплёткой. Защищает от внешних электромагнитных помех.

• Индивидуальный и общий экран (F/FTP, S/FTP, SF/FTP) – индивидуальные экраны из фольги для каждой витой пары, плюс общий экран из фольги, оплётки, или фольги с оплёткой. Защищает от внешних помех и от перекрёстных помех между витыми парами.

Буквенный код перед обратной чертой обозначает тип общего экрана для всего кабеля, код после черты обозначает тип индивидуального экранирования для каждой витой пары:

• U – unshielded, без экрана;

• F – foil, фольга;

• S – braided screening, оплётка из проволоки (только внешний экран);

• TQ – индивидуальный экран для двух витых пар (на 4 провода).

Существует несколько категорий кабеля «витая пара» (табл. 6.1), в которых определён эффективный пропускаемый частотный диапазон, количество витков на единицу длины и наличие/отсутствие и тип экранирования. Эти параметры определяют пропускную способность кабеля и максимальную длину сегмента.

Таблица 6.1.

Категории кабеля типа «витая пара»

Категория	Полоса частот, МГц	Применение	Описание
1	0,1	Телефонные линии	1 пара проводников, используется только для передачи голоса или данных при помощи модема
2	1	Старые терминалы	2 пары, старый тип кабеля, поддерживал передачу данных на скоростях до 4 Мбит/с, использовался в сетях Token Ring и Arcnet
3	16	10BASE-T, 100BASE-T4 (Ethernet)	4 пары, используется при построении телефонных и локальных сетей, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с на расстоянии не дальше 100 метров
4	20	Token ring	4 пары, использовался в сетях Token Ring, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с по одной паре
5	100	100BASE-TX (Fast Ethernet), 1000BASE-T (Gigabit Ethernet)	4 пары, используется при построении локальных сетей и для прокладки телефонных линий, поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар
5e			4 пары, усовершенствованная категория 5 (улучшенная спецификация)
6	250	10GBASE-T (Ten Gigabit Ethernet)	4 пары, неэкранированный кабель, способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с на расстояние до 55 метров
6a	500		4 пары, способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с на расстояние до 100 метров. Кабель этой категории имеет либо общий экран (F/UTP), либо экраны вокруг каждой пары (U/FTP)
7	600		скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Общий экран и экраны вокруг каждой пары (F/FTP или S/FTP)
7a	1000
8/8.1	1600-2000	40GBASE-T (100 Gigabit Ethernet)	В разработке, полностью совместим с кабелем категории 6A. Скорость передачи данных до 40 Гбит/с при использовании стандартных коннекторов 8P8C. Кабель этой категории имеет либо общий экран, либо экраны вокруг каждой пары (F/UTP или U/FTP)
8.2	1600-2000		В разработке, полностью совместим с кабелем категории 7A. Скорость передачи данных до 40 Гбит/с при использовании стандартных коннекторов 8P8C либо GG45/ARJ45 и TERA. Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары (F/FTP или S/FTP)

Контакты 1 и 2 используются для передачи (Tx) сигналов, 3 и 6 – для приема (Rx).

Кабель «витая пара» используется с разъёмом 8P8C (RJ45) (рис. 6.1). Существует три варианта обжима разъёма на кабеле: прямой, перекрёстный и инверсный.

Прямой кабель (straight through) используется для соединения сетевой карты с коммутатором или концентратором.

Перекрёстный кабель (crossover) используется для соединения однотипного оборудования, например, компьютер-компьютер, компьютер-маршрутизатор или коммутатор-концентратор. Если необходим перекрёстный кабель для соединения со скоростью до 100 Мбит/с, то с одной стороны применяется схема TIA/EIA-568A, с другой – TIA/EIA-568B. Для соединения на скоростях до 1 Гбит/с, одна сторона обжимается по стандарту TIA/EIA-568B, а во второй меняются местами пары (рис. 6.3): зелёная с оранжевой, синяя с коричневой (причём в последних парах жилы меняются местами между собой).

Перекрёстный кабель потерял свою актуальность, поскольку современные устройства способны автоматически определить метод обжима кабеля и подстроиться под него (технология Auto MDI/MDI-X).

Консольный кабель (rollover) используется для настройки маршрутизатора или коммутатора с помощью компьютера. Один конец кабеля обжат зеркально другому (рис.6.4). Сейчас больше распространён вариант консольного кабеля с разъёмом RS-232 (COM-порт, он же Serial port) или USB на одном конце для компьютера и 8P8C на другом для сетевого оборудования.

VLAN

Технология виртуальных локальных сетей или VLAN (Virtual LAN), описанная в стандарте 802.1q, используется для разделения сетей на меньшие, например, с целью разграничения широковещательных доменов. Для разделения трафика из различных сетей вводится идентификатор (номер) VLAN в виде числа 1-4096, так же называемый тегом (Tag) или меткой. Внутрь кадра после MAC-адреса источника добавляется ещё одно поле на 12 бит, очень грубо говоря, содержащее этот самый тэг VLAN’а.

VLAN работают только на управляемых коммутаторах. Каждый коммутатор принимает решение о перенаправлении кадров на основе этого идентификатора (или его отсутствия). В таблицу МАС-адресов коммутатора добавляется столбец с номером VLAN, и при поиске пары MAC-адрес/интерфейс теперь будет сравниваться ещё тег кадра с номером VLAN’а в таблице.

Существует два типа портов:

1. Access port. К нему подключаются, как правило, конечные узлы. За каждым access-портом закреплён, как правило, один определённый VLAN, иногда этот параметр называют PVID. Весь трафик, приходящий на этот порт от конечного устройства, получает метку этого VLAN, а исходящий уходит без метки.

2. Trunk port (Tagged port). У этого порта два основных применения – линия между двумя коммутаторами или от коммутатора к маршрутизатору. Внутри такой линии передаётся трафик нескольких VLAN’ов. Разумеется, тут трафик уже идёт с тегами, чтобы принимающая сторона могла отличить кадр, который идёт в бухгалтерию, от кадра, предназначенного для ИТ-отдела.

Кроме того, существует Native VLAN. Трафик этого VLAN не тегируется даже в Trunk-портах, по умолчанию это 1-й VLAN и по умолчанию он разрешён. При необходимости можно переопределить эти параметры. Нужен он для совместимости с устройствами, незнакомыми с инкапсуляцией 802.1q. Например, есть необходимость передать через Wi-Fi мост 3 VLAN’а, и один из них является VLAN управления. Если Wi-Fi-модули не понимают стандарт 802.1q, то управлять ими можно, только если настроить этот VLAN как Native VLAN с обеих сторон. 

Рассмотрим то, как будут продвигаться пакеты по сети на рисунке 8.1после добавления VLAN. Пусть VLAN назначены по следующему принципу: нечётные номера узлов – VLAN10, чётные – VLAN20.

От узла PC2 отправляется широковещательный пакет (ARP-запрос) другому компьютеру в этой же виртуальной сети. Этот пакет инкапсулируется в кадр, и пока никто ничего не знает о VLAN, поэтому кадр уходит, как есть, на ближайший коммутатор S0.

На коммутаторе интерфейс, к которому подключен PC2, настроен какAccess-порт для VLAN20. Это означает, что любой кадр, пришедший на этот интерфейс, автоматический тегируется: на него вешается ленточка с номеромVLAN’а. В данном случае с номером 20. Далее, не зная, на каком порту находится получатель, коммутатор пересылает пакет по всем портам, на которых разрешена передача кадров для VLAN20. На этот раз вместо пяти портов кадр будет направлен только в три.

Интерфейсы между S0 и S1 настроены как Trunk для VLAN10 и VLAN20. Кадр перейдёт от S0 к S1 с полученной ранее меткой VLAN20. Далее на S1 с кадром произойдет аналогичная история.

К S2 подключен узел-получатель. При отправке кадра от коммутатора узлу метка VLAN20 будет снята с кадра. Кадр дойдёт в том виде, в котором был отправлен. То есть, ни отправителю, ни получателю нет необходимости знать о существовании VLAN.

При такой настройке при попытке достучаться до устройства, находящегося в другой VLAN, будет невозможно: кадры с тэгом VLAN10 на коммутаторе не смогут выйти из Access-порта с настройкой на VLAN20, и наоборот. Устройства, подключенные к портам VLAN10 и VLAN20, как бы «находятся в разных сетях», а значит, что для их взаимодействия необходимо настроить шлюзы в каждой сети (VLAN).

Такая технология называется InterVLAN. На маршрутизаторе или L3-коммутаторе создаются логические интерфейсы для каждого VLAN. Каждому интерфейсу назначается IP-адрес из своего VLAN’а. Этот же адрес в качестве шлюза указывается на конечных узлах, входящих в данный VLAN. Теперь для отправки кадров в другой VLAN узлы будут указывать MAC-адрес шлюза в качестве адреса получателя (при этом указывается IP-адрес реального получателя). Всё работает так, как если бы кадры отправлялись в другую физическую сеть.