Protocolul poate fi elegant și topologia perfect proiectată, dar în cele din urmă un fir, o fibră sau o bucată de aer duce biții. Cursul acesta pune față în față cele trei familii de medii, explică de la zero de ce se răsucesc firele într-un cablu de rețea, ce se strică pe drum și cum reușim să punem zeci de conversații pe același mediu fizic.
1Recapitulare4 min
- Un bit devine un semnal - tensiune, lumină sau undă radio - prin codare de linie (semnal digital) sau prin modulație (semnal analogic).
- Comunicația e organizată pe niveluri. Cursul acesta rămâne la nivelul 1, fizic.
- Problema grea a nivelului fizic nu e distincția dintre 1 și 0, ci sincronizarea: receptorul trebuie să știe unde se termină un bit.
- Rata de simbol (baud) este limitată fizic de mediu. Cursul acesta arată de ce este limitată.
Rezultate ale învățării
- Să alegeți mediul potrivit pentru o distanță și o viteză date
- Să explicați de ce se răsucesc firele într-un cablu UTP și ce înseamnă categoria lui
- Să realizați corect mufarea straight-through, crossover și rollover
- Să explicați diferența dintre fibra monomod și cea multimod
- Să comparați FDM, WDM și TDM
- Să calculați latența unei legături, cu toate componentele ei
- Să recunoașteți atenuarea, diafonia și zgomotul și să știți ce le oprește
2Trei familii de medii7 min
Mediul este lucrul fizic prin care călătorește semnalul. Un fir de cupru, un miez de sticlă, aerul dintr-o încăpere. Nimic mai mult.
Împărțirea fundamentală este între medii ghidate și neghidate. Într-un mediu ghidat, semnalul e constrâns să urmeze un traseu fizic - merge unde îl duce firul. Într-un mediu neghidat, se propagă liber prin spațiu, iar oricine se află în raza lui îl poate recepționa.
Această singură diferență explică aproape toate deosebirile care urmează, inclusiv cele de securitate: ca să asculți un cablu trebuie să intri în clădire; ca să asculți Wi-Fi îți ajunge să fii în parcare.
3Cablul coaxial7 min
Un conductor central, un strat izolator (dielectric), o tresă metalică de ecranare și o manta exterioară - toate concentrice, de unde și numele.
| Tip | Impedanță | Utilizare istorică |
|---|---|---|
| RG-59 | 75 Ω | televiziune prin cablu, supraveghere video |
| RG-58 | 50 Ω | Thin Ethernet (10BASE2) |
| RG-11 | 50 Ω | Thick Ethernet (10BASE5), magistrale lungi |
Ethernet a început pe coaxial, dar l-a abandonat - și merită înțeles de ce, pentru că motivul explică forma tuturor rețelelor moderne.
Cablul torsadat a adus topologia stea: fiecare stație are cablul ei până la un echipament central. O defecțiune afectează o singură stație și se localizează imediat.
4Cablul torsadat: de ce se răsucesc firele13 min
Cablul de rețea pe care îl vedeți în orice birou are opt fire, grupate în patru perechi, iar fiecare pereche este răsucită cu un pas ușor diferit de celelalte. Nu e ornament și nu e o consecință a procesului de fabricație. Este soluția la o problemă concretă.
Un semnal se poate transmite în două feluri. Nediferențial: un fir duce semnalul, iar receptorul îl compară cu masa. Diferențial: două fire duc același semnal, dar în oglindă unul față de celălalt, iar receptorul citește diferența dintre ele.
Diferența pare o complicație inutilă - până apare o perturbație. Un motor pornit alături, un cablu de forță din apropiere, un telefon mobil: toate induc tensiune în fire. Dacă cele două fire ale unei perechi sunt aproape identic expuse, perturbația induce în ele aproape aceeași tensiune. Iar când receptorul face diferența, tensiunea comună se scade singură și dispare.
Ca să fie identic expuse, firele trebuie să schimbe permanent poziția relativă unul față de altul. Adică să fie răsucite. Asta e tot.
Pașii diferiți de răsucire între perechi rezolvă o a doua problemă: diafonia - semnalul dintr-o pereche care se strecoară în perechea vecină. Dacă toate perechile ar avea același pas, ar sta „în fază" pe toată lungimea cablului și s-ar cupla puternic. Cu pași diferiți, cuplajul se anulează în medie.
Cu ecran sau fără
| Prescurtare | Ce înseamnă | Când se folosește |
|---|---|---|
| UTP | Unshielded Twisted Pair - fără niciun ecran | majoritatea covârșitoare a instalațiilor de birou |
| FTP / ScTP | o folie de ecranare peste toate perechile | medii cu perturbații moderate |
| STP | ecran individual pentru fiecare pereche | hale industriale, spitale, lângă echipamente de forță |
Regula practică: dacă instalația nu are împământare de calitate, UTP-ul bun bate STP-ul prost.
Categoriile
„Categoria" unui cablu nu se referă la viteză, ci la banda de frecvențe pe care o poate transporta cu parametri garantați. Viteza rezultă din bandă plus schema de codare - de aceea Cat 5e duce 1 Gbps deși are aceeași bandă ca Cat 5.
| Categorie | Bandă garantată | Viteză susținută | Standard tipic | Observație |
|---|---|---|---|---|
| Cat 3 | 16 MHz | 10 Mbps | 10BASE-T | cablarea telefonică veche |
| Cat 5 | 100 MHz | 100 Mbps | 100BASE-TX | practic scoasă din uz |
| Cat 5e | 100 MHz | 1 Gbps | 1000BASE-T | diafonie mult mai bună; minimul acceptabil azi |
| Cat 6 | 250 MHz | 1 Gbps (10 Gbps până la 55 m) | 1000BASE-T / 10GBASE-T | alegerea uzuală pentru instalații noi |
| Cat 6a | 500 MHz | 10 Gbps la 100 m | 10GBASE-T | mai gros și mai greu de tras |
| Cat 7 / Cat 8 | 600 MHz / 2 GHz | 10 – 40 Gbps | legături scurte în centre de date | conectori speciali, distanțe mici |
Dacă vă trebuie mai mult, aveți exact trei opțiuni: un switch intermediar, un media convertor spre fibră, sau fibră de la bun început.
Power over Ethernet transportă și curent, nu doar date, pe același cablu torsadat. Un punct de acces Wi-Fi, o cameră IP sau un telefon IP montat în tavan primesc astfel și rețea, și alimentare, dintr-un singur cablu - fără priză de curent lângă el.
Standardele oferă, în ordine, aproximativ 15 W (802.3af), 30 W (802.3at) și până la 90 W (802.3bt). Este unul dintre motivele pentru care cuprul nu a dispărut, deși fibra e superioară în orice altă privință: fibra nu poate duce curent.
5Cele trei mufări clasice10 min
Ordinea firelor în mufa RJ-45 este stabilită de standardele TIA/EIA-568A și 568B. Diferența dintre ele este doar interschimbarea perechii verzi cu cea portocalie - dar combinația celor două capete decide ce fel de cablu obțineți.
| Tip de cablu | Capăt 1 | Capăt 2 | Când se folosește |
|---|---|---|---|
| Straight-through (direct) | 568B | 568B | între echipamente de niveluri diferite: PC ↔ switch, switch ↔ ruter |
| Crossover (inversor) | 568A | 568B | între echipamente de același nivel: PC ↔ PC, switch ↔ switch, ruter ↔ ruter |
| Rollover (de consolă) | 568B | ordine complet inversată (8→1) | de la calculator la portul de consolă al unui echipament |
Un calculator transmite pe pinii 1–2 și receptează pe 3–6. Un switch face exact invers: receptează pe 1–2 și transmite pe 3–6 - pentru că a fost proiectat să se lege la calculatoare. Prin urmare, între ele, firele merg drept și fiecare emisie nimerește o recepție.
Dar între două calculatoare, ambele ar transmite pe 1–2 și ar asculta pe 3–6: două guri față în față și două urechi față în față. Cablul crossover inversează perechile și repară situația. Aceeași problemă apare între două switch-uri, din același motiv.
Regula rămâne totuși de știut, din trei motive: Packet Tracer o respectă strict, la echipamente vechi chiar contează, iar la o legătură care „nu se aprinde" tipul cablului rămâne una dintre primele suspiciuni.
6Fibra optică13 min
Fibra are un miez de sticlă foarte pură, înconjurat de o manta tot din sticlă, dar cu indice de refracție puțin mai mic. Când lumina din miez ajunge la graniță sub un unghi suficient de mic față de perete, nu iese - se reflectă complet înapoi în miez. Fenomenul se numește reflexie totală internă și e același care face ca suprafața unei piscine, privită de dedesubt, să pară o oglindă.
Raza de lumină avansează astfel în zig-zag prin miez, kilometru după kilometru, fără să scape afară.
| Tip | Miez / manta (µm) | Sursă de lumină | Distanță tipică | Cost |
|---|---|---|---|---|
| Multimod, indice gradat | 50/125 sau 62,5/125 | LED sau VCSEL | sute de metri | echipament ieftin |
| Monomod | ~9/125 | laser | zeci - sute de kilometri | echipament scump |
Ferestrele de lungime de undă
Atenuarea sticlei nu este constantă cu lungimea de undă. Există trei „ferestre" în care este minimă și în care, prin urmare, lucrează toate echipamentele optice.
| Lungime de undă | Atenuare tipică | Utilizare |
|---|---|---|
| 850 nm | ~3,5 dB/km | multimod, legături scurte, componente ieftine |
| 1310 nm | ~1,25 dB/km | monomod, distanțe medii |
| 1550 nm | ~0,5 dB/km | monomod, distanțe mari; compatibil cu amplificatoarele optice |
dB nu este o unitate absolută, ci un raport, exprimat logaritmic. −3 dB înseamnă jumătate din putere. −10 dB înseamnă a zecea parte. −20 dB înseamnă a suta parte.
Avantajul scării logaritmice: pierderile se adună în loc să se înmulțească. Un traseu cu 2 dB de fibră, 1 dB de conectori și 0,5 dB de îmbinări are pierderea totală 3,5 dB - o simplă adunare.
- Distanțe imposibile pentru cupru: zeci de kilometri
- Nu conduce curent: nicio problemă de împământare, nicio diferență de potențial între clădiri
- Nu emite și nu culege perturbații electromagnetice
- Nu poate fi ascultată fără a fi atinsă fizic
- Bandă enormă, practic nesaturată
- Nu poate transporta alimentare - deci nici PoE
- Conectorizarea cere scule și pregătire; nu se face „din mers"
- Raza de curbură limitată: îndoită prea strâns, lumina scapă
- Un conector murdar poate costa mai mult decât un kilometru de fibră
7Mediul fără fir9 min
Undele electromagnetice acoperă un spectru enorm, dar rețelele de calculatoare folosesc din el o felie îngustă: microundele, aproximativ între 1 și 10 GHz. Alegerea nu e întâmplătoare și rezultă dintr-un compromis pe care merită să îl aveți în minte ori de câte ori cineva propune „o bandă mai bună".
| Proprietate | Frecvențe mici | Frecvențe mari |
|---|---|---|
| Distanța de propagare | mare | mică |
| Penetrarea obstacolelor | bună | slabă |
| Interferențe | multe - banda e aglomerată | puține |
| Lățime de bandă disponibilă | mică | mare |
| Costul echipamentelor | mic | mare |
| Absorbția în atmosferă | mică | crește cu frecvența |
De aceea Wi-Fi la 2,4 GHz acoperă mai mult decât la 5 GHz, iar 5 GHz mai mult decât 6 GHz - exact în ordinea în care crește debitul disponibil. Nu există bandă „mai bună"; există bandă potrivită scopului.
| Tehnologie | Bandă | Aplicație tipică |
|---|---|---|
| Radio AM | 540 – 1600 kHz | difuzare pe unde medii, sute de kilometri |
| Radio FM | 88 – 108 MHz | difuzare comercială |
| LoRaWAN | 868 MHz (UE) | senzori IoT: kilometri, consum minuscul, debit mic |
| Zigbee, Bluetooth | 2,4 GHz | automatizări, periferice, distanțe scurte |
| Wi-Fi | 2,4 / 5 / 6 GHz | rețele locale fără fir |
Faptul că banda e liberă explică simultan succesul enorm al Wi-Fi și aglomerația din ea: în aceeași bandă de 2,4 GHz stau Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, telecomenzi, stații meteo și cuptorul cu microunde.
8Multiplexarea: mai multe conversații pe un mediu11 min
Un mediu costă bani. Fibra trebuie trasă prin canalizație, spectrul trebuie licențiat, canalul trebuie întreținut. Prin urmare, aproape întotdeauna vrem ca pe el să circule mai multe comunicații simultan.
| Metodă | Resursa împărțită | Tip | Exemplu |
|---|---|---|---|
| FDM - Frequency Division Multiplexing | banda de frecvențe | analogică | canalele de radio și TV, DSL |
| WDM - Wavelength Division Multiplexing | lungimile de undă din fibră | analogică (optică) | magistrale optice; DWDM duce zeci de canale pe o fibră |
| TDM - Time Division Multiplexing | timpul, în intervale fixe | digitală | E1/T1, magistrala unui switch |
9Performanța unei legături13 min
Trei mărimi descriu o legătură și sunt permanent confundate între ele - inclusiv în reclamele furnizorilor de Internet.
Debitul util (throughput) este cantitatea de date efectiv transferată în unitatea de timp - mereu mai mică, din cauza anteturilor, coliziunilor și retransmisiilor.
Latența este timpul necesar unui bit ca să ajungă dintr-un punct în altul.
Bandă mare și latență mare coexistă perfect: exact așa arată o legătură prin satelit.
Cele patru componente ale latenței
- Timpul de transmisie - cât durează să „împingi" cadrul pe fir: dimensiune împărțită la debit. Depinde de cât de mare e cadrul.
- Timpul de propagare - cât îi trebuie semnalului să parcurgă mediul: aproximativ 5 µs pe kilometru, atât în cupru cât și în fibră (≈ 2/3 din viteza luminii în vid). Depinde doar de distanță.
- Latența echipamentelor - timpul de procesare din fiecare switch și ruter de pe traseu. Crește cu nivelul la care lucrează echipamentul.
- Timpul de așteptare în cozi - apare când legătura de ieșire e ocupată. Singura componentă care variază puternic în timp, deci singura care produce jitter - și cea care strică videoconferințele.
Un cadru Ethernet de 1518 octeți este transmis pe o legătură de 100 Mbps, lungă de 100 m de UTP Cat 5e. Cât durează până când ultimul bit ajunge la destinație, ignorând echipamentele?
Vezi rezolvarea
Transmisie: 1518 × 8 biți / 108 bps = 12 144 / 108 ≈ 121,4 µs
Propagare: 100 m × 5,56 ns/m ≈ 0,56 µs
Total ≈ 122 µs.
Observați raportul: pe distanțe scurte, transmisia domină complet propagarea - de 200 de ori. Pe o legătură transatlantică situația se inversează: propagarea de ~30 ms face ca timpul de transmisie al unui cadru să devină neglijabil.
Aceasta este exact rațiunea pentru care protocoalele de transport folosesc ferestre glisante: pe o legătură lungă, a aștepta confirmarea fiecărui cadru înainte de a-l trimite pe următorul ar irosi 99 % din capacitate.
Mbps se măsoară în puteri ale lui 10 (106 biți pe secundă), iar MB
în puteri ale lui 2 (220 octeți). O legătură de 100 Mbps transferă, în cel mai bun caz,
aproximativ 11,9 MB pe secundă - nu 100, nu 12,5.10Ce strică semnalul pe drum9 min
Patru fenomene degradează un semnal, indiferent de mediu. Fiecare are o soluție cunoscută, iar împreună explică practic toate limitele numerice din acest curs.
| Fenomen | Ce se întâmplă | Se manifestă ca | Soluție |
|---|---|---|---|
| Atenuare | amplitudinea scade cu distanța, până sub pragul de detecție | legătura nu se stabilește deloc peste o anumită lungime | repetor sau amplificator; respectarea lungimii maxime |
| Diafonie (crosstalk) | semnalul dintr-o pereche induce tensiune în perechea vecină | erori care cresc cu traficul | torsadare cu pași diferiți, ecranare individuală |
| Zgomot | perturbații externe se suprapun peste semnal | erori aleatoare, adesea corelate cu un utilaj din apropiere | ecranare, transmisie diferențială, trasee departe de cablurile de forță |
| Dispersie | impulsul se lățește și se suprapune peste următorul | limită de distanță pe fibra multimod | fibră monomod, regenerare optică |
Un amplificator mărește totul: și semnalul, și zgomotul acumulat. După câteva amplificatoare în cascadă, zgomotul devine mai mare decât semnalul.
Un repetor face altceva: citește biții, îi decide (1 sau 0) și îi regenerează curat. Zgomotul nu se acumulează, pentru că la fiecare pas semnalul e reconstruit de la zero. De aceea lanțurile lungi folosesc repetoare, nu amplificatoare.
Două echipamente rezolvă situațiile de graniță:
- Repetorul reface semnalul degradat și prelungește segmentul. Există variante electrice, optice și wireless. Atenție: un repetor extinde și domeniul de coliziune, deci nu e gratuit.
- Media convertorul traduce între medii diferite - electric ↔ optic, electric ↔ wireless - și permite unei magistrale de fibră să se termine într-un switch cu porturi de cupru. Este soluția standard când trebuie legate două clădiri.
11Erori frecvente4 min
- „Cat 6 e mai rapid decât Cat 5e" Ambele duc 1 Gbps la 100 m. Cat 6 are bandă mai mare și diafonie mai mică, deci mai multă rezervă și posibilitatea de 10 Gbps pe distanțe scurte - dar pe o legătură gigabit obișnuită nu veți vedea nicio diferență. Categoria dă rezervă și viitor, nu viteză imediată.
- „Am pus cablu ecranat, deci sunt protejat" Un ecran nelegat corect la masă la ambele capete se comportă ca o antenă și înrăutățește situația. Ecranarea are sens doar împreună cu o instalație de împământare corectă.
- „Legătura are 150 m, dar merge, deci e în regulă" Poate merge azi, la trafic mic, și poate cădea peste șase luni când crește traficul sau se schimbă temperatura. Limita de 100 m nu e o sugestie. Peste 100 m: switch intermediar sau fibră.
- „Bandă mare înseamnă latență mică" Sunt independente. O legătură prin satelit are bandă mare și latență de sute de milisecunde. Pentru jocuri și telefonie contează latența; pentru descărcări contează banda.
- „Fibra e întotdeauna mai bună, deci o folosim peste tot" Fibra nu duce alimentare, cere conectorizare pregătită și echipamente scumpe la capete. Pentru 40 m până la un birou, UTP-ul e alegerea corectă. Fibra pentru magistrale și distanțe; cuprul pentru acces.
12Rezumat și glosar4 min
- Mediile se împart în ghidate și neghidate, iar din această singură deosebire decurg diferențele de distanță, cost și securitate.
- Torsadarea și transmisia diferențială sunt aceeași idee privită din două unghiuri: fac ca perturbația comună să se anuleze singură.
- Fibra câștigă la distanță și imunitate; cuprul câștigă la cost, la simplitate și pentru că poate duce alimentare.
- Multiplexarea împarte frecvența (FDM), timpul (TDM) sau culoarea (WDM).
- Latența are patru componente, iar care dintre ele domină depinde complet de scara rețelei.
13Întrebări de verificare7 min
14Direcții de aprofundare și bibliografie2 min
Cu mediul lămurit, cursul următor urcă un nivel: cum se organizează biții în cadre, cum se identifică stațiile între ele, ce se întâmplă când doi vorbesc în același timp și de ce switch-ul a înlocuit hub-ul.
- TIA/EIA-568 - cablarea structurată a clădirilor comerciale
- ITU-T G.652 și G.657 - caracteristicile fibrei monomod
- IEEE 802.3af / at / bt - cele trei generații de PoE
- ANCOM - Tabelul Național de Atribuire a Benzilor de Frecvențe Radio
- Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, capitolul 2 - medii de transmisie și multiplexare