Kabeltyper och andra överföringsmedia

Skriven av Jonas Ahlberg och Annicka Botters

1. Inledning

De olika komponenterna i ett nätverk måste kommunicera genom någon slags media, precis som vi människor. Men medan vi sätter luften i svängning, använder nätverket olika slags kablar, ljusvågor eller radiovågor.

På den här sidan kommer vi framförallt att ta upp olika kabeltyper, alltså det man kallar "kabelmedia" eller "bounded media", dels eftersom vi behärskar trådbundna nätverk bäst och dels för att det finns en särskild avdelning på Jonas Webresurs, som handlar om just trådlös (boundless) kommunikation.

Signalen som skickas genom kabeln, består av en elektromagnetisk våg, vars information är en ström av ettor och nollor. Varje våg har en viss frekvens, som passar för just den mediatypen, eller kabeln. Du kan läsa mer om detta på min tekniska sida som heter Enkel ellära.

2. Bandbredd

Uttrycket bandbredd har minst två olika innebörder. Lite slarvigt brukar man säga att bandbredden är detsamma som kabelns överföringskapacitet. Denna innebörd är dock tämligen vag och oprecis, för vad avser man egentligen? En kabel kan ju ha olika överföringskapacitet beroende på just yttre påverkan, på temperatur, på längd, på vilka signaler som skickas genom kabeln och hur de skickas, osv. Därför finns det också en mer precis innebörd, som säger att bandbredden är det spann av frekvenser en kabel klarar av att hantera.

Ett sådant span kan t.ex vara mellan 400-4.000 Hertz, som är vad en vanlig telefonledning klarar av. Som lägst klarar den signaler på 400Hz och som högst på 4.000Hz. Man kan jämföra detta med att en högtalare bara klarar av att förmedla frekvenser inom ett visst frekvensområde.

Dataöverföringen i en kabel anges alltid i bitar per sekund, som förkortas bps. En kabel som klarar av en datatrafik på 10 miljoner bps, som förkortas 10Mbps, har alltså en bandbredd på minst 10Mbps. Bandbredden bestäms av hur många trådar som finns inne i kabeln, alltså hur tjock kabeln är. Ju längre kabeln är desto sämre blir överföringskapaciteten och därmed också i praktiken bandbredden. Alla kablar är dock gjorda för att garanterat klara överföringen över en viss, given längd.

Varför använder man olika kablar? Jo, därför att olika kablar har olika överföringskapacitet och för att man använder olika kablar vid olika tillfällen. Kablarna skiljer sig åt på en rad punkter, som också är de kriterier man studerar när man skall välja kabel:

• vad de kostar
• hur lätta de är att hantera och installera
• vilken bandbredd de har
• hur känsliga de är för yttre störningar
• hur väl de passar med de nätverk man redan har

Självklart försöker man alltid hitta en så billig kabel som möjligt, som samtidigt klarar de krav man ställer på den. Kostnaden och hur väl kabeltypen passar med de redan befintliga nätverken, kan sägas vara de viktigaste kriterierna. Sedan kan man ha speciella önskemål om att kabeln skall vara lätt att hantera, ha en viss bandbredd eller klara yttre störningar extra bra.

3. Bandbruk

Bandbruk (band usage) är en term som antyder att man kan "bruka", dvs använda, kabeln på olika sätt. I det här fallet avser vi att man kan skicka datan analogt och parallellt eller digitalt och seriellt. Oftast använder man olika kablar för de båda typerna, eftersom det oftast är både omständligt och helt onödigt att använda flera än en teknik i samma kabel.

De tekniker som finns för de båda typerna idag är:

• Basband (baseband) är vanligast, vilket bl.a framgår av alla Base-kablar, som vi berättar om längre ner på den här sidan. Basband innebär att man använder hela kabelns kapacitet till en enda signal, som oftast är digital, men även kan vara analog.
• Bredband (broadband), som innebär att signalerna skickas analogt och parallellt (samtidigt) genom kabeln. Du har kanske redan stött på bredband i andra sammanhang, t.ex kabel-TV, som använder denna teknik. Man kan ju växla kanal utan att behöva byta sladd och man kan också se på en kanal, samtidigt som man spelar in en annan på videon. För att utnyttja kabeln på detta sätt använder man en teknik som kallas multiplexing eller muxning, som vi alldeles strax skall säga några ord om.

  

  4. Multiplexing

  Multiplexing används bl.a inom bredbandstekniken för att kunna utnyttja flera olika datakanaler samtidigt. I normala fall kan man nämligen bara skicka en signal genom kabeln åt gången och sedan måste man vänta med att den tas emot innan en ny kan skickas. Använder man multiplexing kan man i stället skicka flera signaler samtidigt, vilket alltså innebär att kabeln utnyttjas mycket mer effektivt.

  På så vis kan man således överföra mer data genom kabeln. Tekniken innebär antingen att man skickar en enda signal snabbare, genom att den delas upp och skickas i flera, parallella skurar, eller att man skickar flera olika signaler samtidigt. Med en "signal" menar vi sådant som video-, röst- och datasignaler.

  

  Multiplexning har blivit en vanlig teknik för att bättre utnyttja kablarnas kapacitet. I stället för att man måste byta ut de gamla kablarna mot nya med bättre kapacitet, något som normalt är mycket kostsamt, kan man med den här tekniken behålla de gamla kablarna och ändå erhålla den förbättrade bandbredden.

  För att åstadkomma detta investerar man i en multiplexer eller mux, som apparaten också kallas. Det är den som delar upp signalerna och skickar dem. En sådan manick kan naturligtvis även demultiplexa, alltså sätta ihop de olika paketen igen, till en sammanhållen dataström.

  Det finns två grundläggande typer av multiplexing-tekniker, FDM och TDM:

  • FDM står för "Frequency Division Multiplexing" och innebär att en digital signal omvandlas till analoga signaler med olika frekvenser, som sedan skickas genom kabeln samtidigt och parallellt. Denna variant används i bredbands LAN och Ethernet. Det går även att multiplexa en TDM-signal så att den utgör en kanal i ett FDM-system.
  • TDM, "Time Division Multiplexing", används för digitala signaler, som delas upp i olika paket och sedan skickas efter ett visst tidsschema, som bilderna nedan visar. Det finns dessutom flera olika slags TDM-varianter, bl.a synkrona och statiska, men dem behöver vi inte gå in närmare på här.

    TDM innebär att signalerna skickas i en enda lång rad, alltså seriellt i stället för parallellt. Man skickar därmed datapaketen enligt basbandsmodellen. Som bilden nedan visar behöver man inte skicka alla signaler i ordning. Det kan ju nämligen vara så att den signal vi markerat med B innehåller mer information eller har högre prioritet i nätverket.

  

  5. Signalförsvagning

  Signalförsvagning kallas ibland även attenuation. Den inträffar för alla kablar och innebär att en signal som skickas genom kabeln alltid kommer att försvagas och i värsta fall förändras, ju längre från ursprunget den kommer.

  Du har säkert upplevt effekten själv, när du försökt få in en station på radion. Är signalen för svag tappar radion kontakten med den efter ett tag eller hörs det bara brus. I vissa fall tränger också andra stationers signaler igenom och stör ut den station man ville lyssna på.

  Signalförsvagning innebär alltså att såväl inre som yttre störningar försvagar och förändrar signalen. Med "inre störningar" räknar vi framförallt kabelns längd, men också påverkan från de olika komponenterna i nätverket, som inte alltid skickar en signal vidare med samma kvalitet. Som "yttre störningar" räknar vi framförallt den elektromagnetiska påverkan, som olika komponenter har gentemot kabeln. Elektromagnetisk interferens (EMI) kallar man fenomenet, då elektromagnetiskt brus påverkar signalen i en kabel eller signaler i etern.

  Även olika kablar kan påverka varandra och i stort sett alla kablar "läcker", så att en del av den elektriska spänningen tränger utanför kablens hölje. Detta kallar man crosstalk. Då måste man använda kablar med extra tjock isolering. Man använder förresten sådana kablar också när man vill undvika att någon lyssnar av läckaget från en kabel. Att lyssna av en kabel är inte så ovanligt som man kan tro och är annars svårt att skydda sig mot. Wiretapping brukar detta kallas.

  Alla kablar som används i nätverk måste ha försetts med uppgifter om hur stor signalförsvagningen är och hur länge kabeln kan garantera att signalen bibehåller sin kvalitet. För att försöka undvika problemet med signalförsvagning brukar man använda repeterare. Du kan läsa om vad en repeterare är på sidan Hubbar, switchar, routrar och gateways.

  6. Kabeltyper

  Det finns tre grundtyper av kablar:

  • koaxial
  • twisted-pair (TP)
  • fiberoptisk

  Koaxialkabel

  Koaxkabeln var den första kabeln som användes i nätverk, om man undantar de vanliga telefonledningarna. Den har fått sitt namn genom att den har två ledare med en gemensam axel. Antennsladden till din TV är en typ av koaxialkabel. Kabeltypen finns i två varianter:

  • tunn (thinnet)
  • tjock (thicknet)

  Tunn koaxialkabel kallas alltså även thinnet och ibland även 10Base2. Den är c:a 6 millimeter tjock och klarar 10Mbps i 185 meter. Kabeln är billig och lätt att installera, men är lite dyrare och krångligare att hantera än UTP (se nedan), eftersom den kräver termineringar i bägge ändar, varav minst en måste vara jordad. Terminering innebär att man sätter in ett 50 Ohms motstånd i änden av kabeln. Termineringen suger upp signaler som kommer till nätverkskabelns slut och förhindrar att dessa reflekteras eller återsänds tillbaka till nätverket, där de annars skulle kunnat störa den riktiga trafiken.

  Tjock koaxkabel kallas även thicknet eller 10Base5 och är c:a 13mm tjock och därmed något mindre böjlig. Den har en tjockare kärna och klarar därför av en längre räckvidd på ungefär 500 meter. Denna kabeltyp kallas ibland även "Standard Ethernet", trots att man kan använda andra kablar till Ethernet, som UTP, STP och thinnet. Troligtvis kallas dock kabeln så eftersom man använde den när man drog upp standarden för Ethernet.

  Thicknet används mest utomhus, t.ex mellan två byggnader, men har idag i stort sett ersatts av UTP. Den kan även användas som backbone i ett thinnet.

  Det finns flera olika slags thinnet:

  • RG-58/U har en kärna av solid koppar och 50 Ohms impedans
  • RG-58A/U har en kärna av kopparwire och 50 Ohms impedans
  • RG-58C/U är en variant som amerikanska armén använder; samma impedans
  • RG-59 är detsamma som en bredbandskabel eller kabeln som används till kabel-TV; har 75 Ohms impedans
  • RG59/U är samma som ovan med med 50 Ohms impedans
  • RG-62 kallas även ARCnet-kabel och är en gammal variant på 93 Ohms impedans, som ej tillverkas längre

  Det kanske kan vara intressant att veta att thinnet och thicknet har olika kopplingar från datorns nätverkskort och ut till nätverkskabeln. Thinnet (RG-58) har en T-koppling av BNC-typ, där BNC står för "British Naval Connector". Fördelarna med denna typ av thinnet är att den inte kräver särskilt mycket specialutrustning och kan användas utan hubbar. Därför blir den också billig och enkel att installera. Man använder framförallt denna lösning i mindre nätverk, då man har få noder (anslutna komponenter).

  Thicknets kopplingsgränssnitt (RG-8 och RG-11) kallas AUI, "Attachment Unit Interface". Även detta kan ha en T-koppling som ansluter till koaxkabeln, men det går ofta lika bra - eller bättre - att använda en vampyr. Denna typ av transceiver (transmitter+receiver), biter igenom kabelns ytterhölje för att med sina vassa tänder nå innerkabeln. Att använda en transceiverklämma är alltså enklare än att använda fasta kopplingsdon. I det senare fallet måste man nämligen dela kabeln och sätta fast kontakter, vilket är både dyrare och mer omständligt.

  Twisted-pair-kabel

  TP-kabel består av ett eller flera trådpar, som ligger tvinnade (twisted) runt varandra. Tvinningen ger bättre skydd mot störningar, både den yttre (interferens) och den inre (crosstalk), jämfört med om kablarna hade löpt parallellt. (Intressant nog består antenner av just parallella kablar och tvinnar man en antennkabel förlorar den sin förmåga att sända ut en signal.) Därigenom kan man göra kabeln tunnare, vilket gör den mer lätthanterlig och billig.

  TP-kabel är idag den vanligaste kabeltypen bland de kablar som består av koppar. Det är också den billigaste kabeln. Den används i många olika slags nätverk, bl.a Ethernet, token-ring och Apple-talk.

  Det finns två olika slags tvinnade kablar, dels STP (shielded twisted-pair) och dels UTP (unshielded twisted-pair). Det som skiljer dem åt är att STP har ett extra tjockt isoleringshölje, av vävt kopparnät eller aluminiumfolie. STP är därför svårare att hantera (den behöver bl.a jordas), installera och underhålla, vilket gör den mycket dyrare.

  STP-kabeln stöder dataöverföringar på 10-155Mbps, även om den i teorin skulle kunna klara så mycket som 500Mbps. Man kan sända upp till 100 meter utan att använda någon repeater, en sträcka som även gäller för UTP.

  UTP används företrädelsevis i stjärnnät och är populär eftersom den stöds av nästan alla plattformar, använder billig media och är enkel att felsöka i. Man kan även dra UTP-kabeln i de redan existerande kabelkanalerna för telefonledningarna.

  Till nackdelarna med UTP hör att den är ganska känslig för störningar. Är detta ett reellt problem brukar man välja STP framför de mycket dyrare alternativen: tjock koaxialkabel eller fiberoptisk kabel. STP är dock dyrare än tunn koaxkabel.

  Det finns fem olika slags UTP-kablar, som är graderade efter sin kvalitet. Kablarna kallas CAT1, upp till CAT5, där CAT står för kategori (category) och siffrorna för överföringsmöjligheterna. Ju högre siffra kabeln har, desto fler trådpar har den och desto fler gånger ligger också trådarna tvinnade runt varandra. Trådparen har olika färger för att man skall kunna skilja dem från varandra.

  CAT1	Vanlig telefonkabel, som endast används för röstkommunikation.
  CAT2	En äldre typ som numera sällan används. Klarar dataöverföringar på upp till 4Mbps.
  CAT3	Används mycket i dagens nätverk. Klarar 10Mbps och uppfyller därmed kraven för ett 10BaseT Ethernet-nätverk, som finns angiven i IEEE802-standarden.
  CAT4	Är en slags "mellankabel", som klarar 16Mbps, men som oftast väljs bort till förmån för CAT5.
  CAT5	Detta är den vanligaste kabeln som säljs idag. Den är förhållandevis ny på marknaden och är när detta skrivs den senaste standarden för UTP. Klarar 100Mbps och används i 10BaseT-nät, samt i vissa fall även i 100BaseT-nät.

  UTP-kabeln kopplas vanligen in i nätverket med en RJ-45-kontakt. En sådan kan hantera 8 trådar (4 par) och är lite större än den vanliga telekontakten, som heter RJ-11 - alltså inte den som sitter i väggen utan den som går in i modemet och i telefonen.

  Fiberoptisk kabel

  Optiska kablar kallas även "optiska" och ibland "optokablar". De är idealiska i miljöer med elektromagnetiska störningsfält, eftersom de är okänsliga för sådant brus. Dessutom kan de överföra mycket information samtidigt, upp till 2Gbps i flera mil utan signalförsvagning. De används därför ofta som backbone i större nätverk och självklart även som WAN-länkar.

  I december 1999 gjorde Bell Laboratories i USA rubriker, när de satte nya rekord för fiberoptiska kablar. Dels lyckades man överföra 160Gbps på en enda ljusvåglängd i en 300 km lång optisk kabel. I ett annat försök lyckades man sända ljus med 1.022 olika våglängder samtidigt!

  Idag är det alltså inte de optiska kablarnas överföringskapacitet som gör nätverken långsamma. I stället är det olika omkopplare som skapar stopp och förseningar. Man måste nämligen ha olika kopplingsstationer, eftersom fiberkablar rent praktiskt inte kan vara hur långa som helst. De måste t.ex skarvas och anslutas till olika komponenter i nätverket.

  Även i en fiberoptisk miljö uppstår därför signalförsvagning. Man pratar här om dispersion och dämpning. Dispersion innebär att den ljusstråle som skickas genom kabeln småningom delar upp sig och blir bredare, vilket i sin tur medför att allt ljus inte når fram samtidigt. Dämpningen uppkommer genom att materialet som reflekterar ljuset i kabeln inte alltid är felfritt, utan skapar olika, felaktiga reflexer.

  Den första optokabeln kom redan 1970. Sedan dess har diametern på kablarna minskat kraftigt och är för vissa kablar inte tjockare än hårstrån. Gemensamt för alla fiberoptiska kablar är att de har en kärna kring vilken det finns en mantel. Brytningsidex i kärnan är något högre än i manteln, vilket innebär att ljusstrålen stannar kvar i kärnan genom att reflekteras i den omgivande manteln.

  Man använder glas eller plast, beroende på vilken kabeltyp man vill ha. Glas ger mycket bättre signalöverföring och kablarna blir också mycket tunnare, vilket kan vara betydelsefullt om man skall dra många kablar på samma utrymme. En glaskabel är c.a en mikrometer i diameter, dvs en miljondels meter eller 0,000.001 meter tjock. Plast är lite tjockare, runt en millimeter, men är i gengäld mycket billigare och lättare att hantera.

  Varje kabel består egentligen av två separata strån, ett som skickar och ett som tar emot. Det som skickas är ljussignaler, oftast ett hundratal åt gången, med olika frekvenser och olika hastigheter. Ljuset överförs med hjälp av lysdioder, en sändande och en mottagande. Varje ljuspuls översätts vid ankomsten till elektriska signaler.

  Optiska kablar förekommer i två grundtyper: monomod (singelmod) och multimod. I monomod skickas en enda lång ljusstråle i en och samma riktning (=mod) och i multimod skickas flera ljusstrålar samtidigt, i flera olika riktningar:

  

  Monomod innebär att alla strålar reflekteras med samma vinkel mot mantelytan. Då färdas alla strålar lika långt och tar alltså lika lång tid på sig att komma fram. Därmed uppstår i princip ingen dispersion.

  Multimodfibrerna tillåter att man använder flera olika reflexionsvinklar och därför uppstår högre grad av dispersion i dessa kablar. De kan även delas upp i två typer, som bilderna visar. I båda är kärnan så grov att flera moder kan överföras samtidigt. Därmed ökar också dispersionen, men å andra sidan blir skarvningen enklare, tack vare den lite tjockare kärnan. I gradientindexfibern minskar brytningsindex successivt från kärnans mitt och ut, vilket innebär att en ljusstråle kontinuerligt böjs av in mot kärnans mitt. Ju större dess avvikelse är, desto kraftigare blir böjningen.

  7. Trådlösa nätverk

  Trådlösa nätverk var en utopi för bara ett par år sedan, men ökar idag kraftigt. Inom fem år kommer de flesta nätverk förmodligen att vara helt eller delvis trådlösa. Ännu så länge använder man dock trådlös överföring där man inte kan dra kablar, t.ex tvärs över en väg, dal eller vik, mellan två byggnader eller i byggnader som inte får byggas om, t.ex minnesmärken och K-märkta hus, samt mellan rörliga eller tillfälliga (icke-stationära) komponenter.

  Man använder idag trådlösa lösningar för olika LAN, WAN-länkar och mobila nätverk. Ett LAN kan innehålla en trådlös komponent, t.ex en PDA eller skrivare. Två LAN kan befinna sig i var sin byggnad, där det blir enklare att skicka signaler via etern än att dra kablar. Dessutom använder man satelliter för olika slags datakommunikation.

  Man kan klassificera trådlösa nätverk efter vilken teknik de använder vid överföringen. Idag finns fyra olika typer:

  • Infrarött ljus
  • Laser
  • Radiovågor
  • Mikrovågor

  Du hittar mer information om dessa på sidan om trådlös kommunikation.

   

  Jonas Ahlberg och Annicka Botters, mars 2000