Livello fisico: i mezzi trasmissivi

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1 Livello fisico: i mezzi trasmissivi Mod4_1_2_3 Uno degli aspetti più importanti di una rete, indipendentemente dal fatto che sia essa locale o geografica, è costituito dal tipo e dalle caratteristiche della linea fisica utilizzata come supporto per il segnale. La scelta del mezzo trasmissivo dipende dalle prestazioni che si vogliono ottenere, da poche centinaia di bps (bit per secondo), a miliardi di bps. E' quindi utile essere a conoscenza delle caratteristiche fisiche ed elettriche di ogni mezzo trasmissivo. Il mezzo trasmissivo dipende anche dalla distanza alla quale sono posti i dispositivi che devono comunicare e in base ad essa si identificano tre classi di mezzi trasmissivi: Fanno parte della prima i doppini telefonici e il cavo coassiale, la seconda categoria comprende ponti radio, satelliti e, genericamente, tutte le trasmissioni via etere (trasmissioni wireless), mentre la terza comprende LED, laser e la fibra ottica. Anche se negli anni più recenti sono andati affermandosi nuovi e più vantaggiosi supporti trasmissivi, il mezzo a tutt oggi più diffuso è il filo di rame, utilizzato nella stragrande maggioranza dei collegamenti telefonici, sotto forma di coassiale grosso e sottile, o doppino. Le onde elettromagnetiche sono utilizzate in situazioni particolari, ad esempio per permettere ad un utente di potersi spostare liberamente con il suo elaboratore all'interno della struttura che ospita la LAN, senza però perdere o sospendere la sua connessione. I mezzi ottici, ossia fibre ottiche e laser, hanno la proprietà di permettere collegamenti alle velocità di trasferimento più elevate, e di essere relativamente insensibili ai disturbi elettromagnetici. Per questo motivo sono utilizzate per cablare delle parti di LAN che sono sottoposte a inquinamento elettromagnetico notevole. Tipologie di cavi I cavi, in particolare quelli in rame, creano dei campi elettromagnetici tali da influenzare alcuni particolari parametri elettrici (pag. 243): Impedenza. Per impedenza intendiamo la resistenza che offre un conduttore al passaggio della corrente. L impedenza si misura in Ohm. Il cavo che assicura le prestazioni migliori deve avere bassi valori di impedenza e deve essere il più possibile indeformabile quando sottoposto a trazione durante la posa per evitare il deterioramento delle sue qualità trasmissive. 1

2 Sia il trasmettitore che il ricevitore devono adattarsi al valore di impedenza del mezzo trasmissivo per ottimizzare la trasmissione dati, cioè per aumentare il più possibile la potenza ricevuta/potenza trasmessa. Inoltre l'impedenza deve essere invariante rispetto alla frequenza di utilizzo, o avere un range di oscillazione molto limitato. Quando avviene una trasmissione a frequenze elevate, l impedenza di uscita del trasmettitore, quella di ingresso del ricevitore, e quella del mezzo trasmissivo, devono essere uguali e in questo caso si dicono adattati in impedenza. Attenuazione. Con attenuazione si definisce il rapporto tra la tensione del segnale in ingresso al cavo e la tensione misurabile all altra estremità. Si misura in decibel (Db). Rumore. Si tratta di un segnale non desiderato che si sovrappone al segnale trasmesso. Diafonia (Crosstalck). Quando più coppie di conduttori sono presenti nello stesso cavo, il campo elettromagnetico che si genera attorno al cavo in cui passa corrente non costante (segnale) genera uno scambio di energia da una linea all'altra, all'interno dello stesso conduttore, creando un disturbo indesiderato (la diafonia appunto). Vi sono due tipi di diafonia: la paradiafonia (o diafonia vicina) e la telediafonia (o diafonia lontana). Nella paradiafonia il disturbo interessa i morsetti del cavo disturbato dalla stessa parte della sorgente disturbante; Nella telediafonia il disturbo si fa sentire ai morsetti del doppino disturbato dalla parte opposta della sorgente disturbante. Ad esempio, in telefonia, se consideriamo i circuiti (1) e (2): A B (1) C D (2) Si ha paradiafonia quando il telefono A del circuito (1) genera un disturbo ricevuto dal telefono C del circuito (2). Si ha telediafonia quando il telefono A del circuito (1) genera un disturbo ricevuto dal telefono D del circuito (2). Se i cavi non sono quindi opportunamente schermati, si generano dei disturbi sui livelli di tensione che possono provocare errori nell'apparato ricevente, con conseguente perdita di dati, o peggioramento della qualità della comunicazione sia in termini di rapporto segnale/rumore sia in termini di velocità di trasmissione. Queste problematiche sono invece assenti con l'utilizzo della fibra ottica. 2

3 Doppino Il doppino è costituito da una coppia di conduttori in rame intrecciati tra loro (twisted pair) e ricoperti da una guaina di materiale plastico allo scopo di ridurre i disturbi elettromagnetici. Mentre nei decenni passati il doppino telefonico costituiva il mezzo trasmissivo dell intero percorso tra i due interlocutori di una comunicazione telefonica, anche a lunga distanza, ora il mezzo trasmissivo utilizzato tra le centrali telefoniche è la fibra ottica e il doppino è il mezzo trasmissivo per quello che viene chiamato ultimo miglio, cioè per il collegamento tra l utente e la centrale telefonica più vicina. Il doppino è nato per il trasporto della voce umana che ha una banda di frequenza molto ridotta (compresa tra 300 per i toni gravi e 3400 Hz per i toni acuti). Con la diffusione delle reti di computer si è avuta l esigenza di una banda passante sempre maggiore e con le moderne tecnologie trasmissive i doppini adesso sono in grado di supportare frequenze molto elevate, tali da permettere velocità trasmissive superiori a 1 Gbps. Le possibili varianti per il doppino sono: UTP (Unshielded Twisted Pair), ossia non schermato. Esso comprende quattro coppie di fili di rame intrecciati, avvolte in una guaina isolante Vantaggi dell UTP: 1) Diametro ridotto; 2) Maggior facilità di installazione; 3) Basso costo; 4) Si può utilizzare il connettore RJ-45, facile da realizzare; Svantaggio dell UTP: è più suscettibile ai rumori elettrici e alle interferenze. STP (Shielded Twisted Pair) schermato coppia per coppia. In genere contiene 4 coppie (4 doppini) di sottili fili di rame, ciascuna delle quali è avvolta da una schermatura (calza) metallica; le 4 coppie insieme sono poi avvolte in un ulteriore strato di calza metallica, a sua volta inguainato con un isolamento plastico. Vantaggio della schermatura: riduzione dei disturbi elettromagnetici. Svantaggi della schermatura: 1. Aumento di dimensione, peso, e costo del cavo; 2. Difficoltà di installazione (la calza metallica deve essere messa a terra). FTP (Foiled Twisted Pair), è un cavo UTP schermato esternamente. 3

4 In sezione: I cavi schermati si utilizzano allo scopo di avere: - Una maggiore immunità ai disturbi elettromagnetici - Una riduzione dell emissione di radiodisturbi - Una riduzione della diafonia (se applicato a singole coppie) Classificazione dei doppini I cavi sono classificati in sette categorie, ognuna delle quali comprende le caratteristiche delle categorie inferiori: Categoria1. Telecommunication: cavi per la telefonia analogica; Categoria2. Low Speed Data: Cavi per trasmissione dati a bassa velocità; Categoria 3. High Speed Data: é la prima categoria di cavi atti a supportare una velocità di 10 Mb/sec, per soddisfare lo standard 10baseT; Categoria 4. Low Loss/High Performance Data: cavi per trasmissione dati fino a 16 Mb/sec; Categoria 5. Low Loss/Extended Frequency/High Performance Data: cavi per trasmissione dati fino a 100 Mb/sec. Categoria 5e. cavi per trasmissione dati fino a 200 Mb/sec. Categoria 6. cavi per trasmissione dati fino a 1Gb/sec. Categoria 6e. cavi per trasmissione dati in reti Ethernet fino a 10 Gb/sec. Categoria 7. cavi per trasmissione dati fino a 10 Gb/sec. 4

5 Cavo coassiale (pag.237) Il cavo coassiale prima dell'avvento dei doppini di nuova generazione era molto usato. Oggi si preferisce usare i doppini per medie prestazioni e le fibre ottiche per alte prestazioni. Vengono comunque usati nelle LAN a bus o ad anello e, a volte, nel cablaggio orizzontale (il cablaggio delle apparecchiature e dei locali disposti su uno stesso piano). Il cavo coassiale è costituito da un conduttore di rame circondato da uno strato isolante (plastica), all esterno del quale è posta una calza metallica che realizza le funzioni di conduttore di ritorno e di schermo per il conduttore interno. Il tutto è poi avvolto da un isolante esterno (guaina protettiva in gomma). Si ottiene così una forte riduzione dell attenuazione del segnale e del disturbo provocato dalle interferenze elettromagnetiche. Il connettore utilizzato sui cavi coassiali prende il nome di connettore BNC. A fronte di un costo nettamente superiore rispetto a quello del doppino, per una trasmissione attraverso cavo coassiale sono richiesti un minor numero di ripetitori di segnale in quanto può arrivare a distanze maggiori. La banda passante più larga: fino a circa 60 MHz, oppure frequenze di cifra fino a 140 Mbit/s. Gli svantaggi di installare e mantenere un sistema in cavo coassiale includono il fatto che il cavo è difficile e costoso da fabbricare, è difficile da utilizzare in spazi confinati, in quanto non può essere piegato troppo intorno ad angoli stretti, ed è soggetto a frequenti rotture meccaniche ai connettori. Ha un vasto campo d impiego: trasmissioni TV (per portare il segnale video dall antenna al televisore), sonde per strumentazione elettronica, collegamento di LAN. In passato è stato utilizzato per la realizzazione delle tratte a lunga distanza del sistema telefonico, ma oggi per tale funzione è stato quasi del tutto sostituito dalla fibra ottica. Esistono due tipi di cavo coassiale: cavo coassiale spesso RG213 (thick ethernet) 50 Ohm (da 1 cm di diametro); è stato il primo mezzo trasmissivo utilizzato. Le caratteristiche principali sono il costo elevato, la difficoltà di posare il cavo con raggi di curvatura maggiori di 50 centimetri, un buon isolamento dal mondo esterno e dal rumore elettromagnetico, e una bassa attenuazione. La lunghezza massima del cavo coassiale è di 500 metri, spesso è poco usato a causa delle difficoltà di cablaggio. cavo coassiale sottile RG58 (thin ethernet) 50 Ohm (da 0,35 cm di diametro); Le sue principali caratteristiche sono flessibilità, quindi facilità di posa, ma un isolamento inferiore al coassiale grosso. L'attenuazione è maggiore del thick ethernet e comporta una lunghezza massima del cavo pari a circa 200 metri. 5

6 Piedinatura del cavo incrociato (Crossover) Quando un dispositivo terminale è connesso ad uno switch o hub di rete viene usato un cavo tipo diretto (vedi pag. 290) Un dispositivo terminale può essere connesso direttamente ad un altro senza l'uso di uno switch o hub, ma in tal caso deve essere fatto un incrocio dei fili. Questo è un cavo incrociato o crossover. Un cavo crossover può essere visto come un cavo con un connettore che segue lo standard T568A o T568B. Un simile cavo funzionerà per 10BASE-T o 100BASE-TX con le coppie 2 e 3 scambiate, e per 1000BASE-T4 (Gigabit crossover) con anche le altre due coppie (1 e 4) scambiate. Sia con lo standard T568A che con T568B. Piedino Connessione 1 coppia Cavo incrociato 10baseT/100baseTX crossover (indicato da T568A) Connessione 2 coppia Connessione 1 Connessione 2 Piedini sulla faccia dello spinotto (la presa è invertita) bianco/riga verde verde pieno bianco/riga arancio arancio pieno bianco/riga arancio bianco/riga verde blu pieno bianco/riga blu arancio pieno blu pieno bianco/riga blu verde pieno bianco/riga marrone bianco/riga marrone marrone pieno marrone pieno 6

7 La Fibra ottica (pag. 260) La trasmissione mediante fibra ottica è una delle soluzioni più utilizzate per la creazione di linee dorsali ad alto traffico, che necessitano di una grossa ampiezza di banda. Il funzionamento del cavo in fibra ottica è concettualmente semplice. Invece che trasmettere lungo un filo di rame dei segnali elettrici, si è pensato di fare viaggiare, attraverso una minuscola galleria, singoli impulsi di luce. Per capire meglio sarebbe come prendere uno specchio e poi curvarlo su se stesso fino a farlo diventare un tubo: così facendo otterremmo un oggetto in grado di riflettere la luce che transita al suo interno tenendola "intrappolata" evitando che della luce dall'esterno possa penetrarvi. Questo fa si che ogni impulso luminoso che viene immesso nella sezione interna si propaghi su lunghe distanze, rimbalzando continuamente tra le pareti a specchio, senza interferenze esterne e senza disperdersi all'esterno. Al contrario delle prime fibre ottiche, realizzate già negli anni 70, quelle odierne garantiscono un livello di attenuazione incredibilmente basso (0,05%, ovvero 2 db/km). I continui miglioramenti del mezzo trasmissivo, hanno ad oggi consentito di effettuare una trasmissione fino a 100 km di distanza senza necessità di amplificare il segnale. La fibra ottica presenta notevoli vantaggi: la totale immunità dai disturbi elettromagnetici. Non è infatti costituita da materiale conduttore; larga banda di utilizzo. Si usa per trasmissioni dati ad alta velocità (dai 100 Mbit/s al Tbit); bassa attenuazione e diafonia assente (disturbi fra cavi che viaggiano in parallelo); A fronte di tutti questi vantaggi, c è comunque qualche svantaggio. Innanzitutto il costo, ancora proibitivo per gli utenti privati, così come per le piccole-medie aziende, e poi la fragilità della fibra, unita alla difficoltà della sua riparazione. Questo ne limita fortemente l impiego in campo domestico. Il cavo in fibra ottica consiste di una parte centrale in vetro circondata da parecchi strati di materiali protettivi. Questo cavo trasmette luce anziché segnali elettrici, eliminando così il problema dell interferenza elettrica (questo lo rende il mezzo trasmissivo ideale in ambienti che hanno un elevata interferenza elettrica). Costituzione Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso affinché la luce rimanga confinata all'interno del core. La fisica delle fibre ottiche è l'ottica geometrica. Molto importante è l'angolo rispetto l'asse del cavo con cui i raggi luminosi vengono indirizzati all'interno del core. Esiste infatti un angolo massimo di incidenza, detto angolo critico, al di sotto del quale i raggi vengono totalmente riflessi dal cladding e rimangono, quindi, all'interno del core. 7

8 Fibra ottica: angolo massimo di incidenza Le fibre ottiche che consentono a più raggi di entrare sono dette multimodali: Fibra ottica multimodale Si chiamano fibre ottiche monomodali le fibre il cui core è sottile per permettere l'entrata di un solo raggio luminoso proveniente, però, non da un LED come le FO precedenti, ma da un LASER. La differenza principale tra la fibra ottica multimodale e quella monomodale è che il nucleo della prima possiede un diametro più largo, tipicamente compreso tra i 50 ed i 100 µm, mentre quello delle fibre monomodali ha un diametro compreso fra gli 8,3 ed i 10 µm. Le fibre multimodali permettono l'uso di dispositivi più economici, ma subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a cui il segnale può essere ricevuto correttamente. Le fibre monomodali di contro hanno un prezzo molto più elevato rispetto alle multimodali, ma riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente superiori. Logicamente diminuendo il core della fibra, aumentano i problemi relativi alla connettorizzazione terminale ed all'esecuzione di giunti nella posa di cavi. Per i motivi di resa e per i costi maggiori sia di materiale, che di posa e di connettorizzazione, la fibra monomodale viene utilizzata per realizzare dorsali in fibra su distanze elevate, mentre per le dorsali di edificio o di campus (lunghezze fino a 2km) viene utilizzata la fibra multimodale. Un vantaggio delle fibre ottiche è l'impossibilità di intercettazione del segnale. 8

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