DEC May Jun 3 2006 2008 2009 7 captures 28 Apr 05 - 3 May 08

Close Help

В этой главе мы рассмотрим самый нижний уровень в иерархии сетевых протоколов. Мы начнем со знакомства с теоретическими принципами передачи данных, чтобы уяснить те физические законы, которые ограничивают наши возможности передавать данных по какому-либо физическому каналу.

2.1 Теоретические основы передачи данных

2.1.1 Ограничения на пропускную способность передачи сигналов

Передача любого символа, в закодированной форме, суть воспроизведение некоторой функции g(t), где t - время, а значение этой функции определяет изменение тока или напряжения. Первая проблема как представлять такие функции g(t)? Решение - разложение в ряд Фурье.

(1)

где f=1/T - частота; a_n,b_n - амплитуды n-ой гармоники.

Ни в какой среде сигнал не может передаваться без потери энергии. Разные среды искажают разные гармоники по разному. С ростом частоты искажения растут. Отсюда всякая среда передачи ограничивает частоту гармоник, которые можно использовать для аппроксимации f(t). Тем самым ухудшается аппроксимация (точность воспроизведения формы) и понижается скорость передачи.

Пример передачи с разным числом гармоник.

(рис.2-1)

Пусть мы хотим передать символ b в ASCII коде - 01100010. На рис.2-1 а показаны форма сигнала и основные гармоники. Коэффициенты этих гармоник могут быть получены из (1) в следующей форме, а их амплитуды - среднеквадратичное их величин.

На рис.2-1 b-e показана форма передаваемого сигнала, в зависимости от количества используемых гармоник. Скорость передачи зависит от способа кодирования и сигнальной скорости - скорости изменения значения сигнала. Эта скорость изменений в секунду измеряется в бот. Если скорость передачи b бот, то это не означает, что передается b bps. Многое зависит кодирования: одно изменение значения может кодировать сразу несколько бит. Если используется 7 значений сигнала, то каждое изменение его значения кодирует сразу 3 бита. Если используется только два значения сигнала, то скорость в битах равна скорости в ботах.

Если есть линия со скоростью b bps, то для передачи 8 бит потребуется 8/b секунд. Следовательно частота первой гармоники будет 8/b Гц. Телефонная линия позволяет передавать с максимальной частотой 3 000 Гц. Максимальная гармоника может быть 3000/(b/8)=3000^.8/b = 24000/b. Например, если мы хотим передавать данные со скоростью 9600 bps, то сможем использовать не более 2 гармоник, т.е. сигнал, как на 2-1 a будет передаваться как на 2-1 c, переводит проблему качественной передачи в область фокусов.

Рис.2-2

2.1.2 Максимальная скорость передачи

Теорема Найквиста

max data rate = 2H log₂V bps ,

где H - пропускная способность канала, V - количество уровней в сигнале.

Теорема Найквиста не учитывает шум в канале. Этот шум измеряется как соотношение мощности полезного сигнала к мощности шума: S/N. Эта величина измеряется в децибелах: .

На случай канал с шумом есть Теорема Шеннона

max bps = H log₂ (1+S/N), где S/N - соотношение сигнал-шум в канале

Здесь уже не важно количество уровней в сигнале. Это теоретический предел, которой редко достигается на практике.

2.2 Среды передачи

Назначение физического уровня - передать поток бит от одной машины к другой. Для передачи можно использовать разные физические среды. Каждая из сред имеет свои уникальные характеристики:

• пропускная способность
• задержка
• стоимость
• простота прокладки
• сложность в обслуживании.

2.2.1 Магнитные носители

Магнитная лента или магнитный диск в сочетании с обычным транспортным средством (автомашина, ж.д. и т.п.) - могут быть прекрасной физической средой передачи данных. Это так особенно там, где высокая пропускная способность и низкая стоимость передачи в расчете на один бит - ключевые факторы.

Например, обычная видеолента может хранить до 7 ГБ. В коробке 50х50х50 поместиться до 1000 лент, т.е. 7 000 ГБ. В любой город на территории России эта коробка может быть доставлена за 24 часа. Следовательно пропускная способность этого канала 7000/86400 или 648 Mbps. Это превосходит пропускную способность самой быстрой технологии АТМ (622 Mbps). Стоимость: цена касеты примерно $3, покупая оптом можно купить доллара за 2, включая доставку: 2000/7000 примерно 30 центов за ГБ. В ряд ли мы найдем более дешевый способ.

2.2.2 Витая пара

Хотя вагон с магнитной лентой это очень дешевый способ передачи, но задержка при передаче очень большая: в лучшем случае часы, обычно сутки. Для многих приложений нужен оперативный обмен информацией. Самой старой и все еще используемой средой передачи является витая пара. Витая пара состоит из двух медных изолированных проводов, один из которых обвит вокруг другого. Этот второй вьющийся провод предназначен для устранения взаимного влияния между соседними витыми парами.

Витая пара широко используется в телефонии. Линии из витой пары могут иметь протяженность до нескольких километров без промежуточного усиления. Витые пары объединяются в кабели.

Витая пара может быть использована для передачи как цифрового так и аналогового сигналов. Пропускная способность зависит от толщины линий и расстояния. Скорость в несколько мегабит в секунду вполне достижима. Учитывая это и низкую стоимость витой пары она широко используется и скорее всего будет продолжать использоваться.

Наиболее часто используемыми являются кабели категории 3 и категории 5. Кабели категории 3 содержат по четыре витые пары с невысокой плотностью навивки. Кабель категории 5 имеет тоже четыре пары, но с более плотной навивкой, что позволяет достичь более высоких скоростей.

2.2.3 Среднечастотный и высокочастотный коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель другой пример широко используемой физической среды передачи. Есть два основных вида коаксиальных кабелей - 50 омный - среднечастотный, для цифровой передачи и 75омный - широкополосный, для аналоговой. Эти различия носят больше исторический характер, нежели технический.

Устройство коаксиала показано на рис.2-3.

С таким кабелем вполне достижима скорость в несколько Gbps при длине в 1-2 км. При большем расстоянии нужны промежуточные усилители. Эти кабели широко использовались для соединения АТС. В настоящее время заменяются оптоволоконными линиями.

Второй вид коаксиальных кабелей используется в телевидении и называется высокочастотным кабелем. Здесь есть один ньюанс. По английски этот тип кабеля называется broadband coaxial cable. Broadband в телефонии означает любой кабель с частотой не менее 4КГц. В области сетей ЭВМ broadband означает аналоговый, т.е. физическую среду, передающую сигнал в аналоговой форме.

В компьютерных сетях, где используется аналоговая передача данных, данные передаются с частотой 300МГц (и даже 450МГц) на расстояние до 100 км. При цифровой передаче сигналов это расстояние много короче. При использовании аналоговой передачи цифровых данных каждое устройство в сети должно иметь преобразователь из аналоговой формы в цифровую и наоборот. В зависимости от особенностей устройства этих преобразователей скорость 1bps отнимает примерно 1Гц пропускной способности. Есть способы передачи нескольких bps за 1Гц, но они требуют высокой частоты и сложных методов модуляции.

Обычно широкополосная система разбивается на несколько каналов по 6МГц, которые используются для передачи телевизионных сигналов, высококачественной музыки и данных.

Существенное различие между среднечастотным кабелем и широкополосным в том, что широкополосный кабель имеет большую протяженность и требует промежуточных усилителей. Промежуточные усилители пропускают сигналы только в одном направлении. Поэтому машина, получившая поток битов, не может использовать для ответ тот же путь, по которому поток битов к ней пришел. Для решения этой проблемы есть два вида систем: двух кабельные и одно кабельные системы.

Рис.2-4

В двух кабельных системах один кабель используется для входящего потока, а второй для исходящего (рис.2-4 а). В одно кабельных системах полоса частот разделяется между входящим и исходящим трафиками. Низкая полоса частот используется для передачи данных от компьютера к ретранслятору, который сдвигает их в сторону высоких частот и передает другим.

Кабельное телевидение, которое охватывает во многих странах до 90% всех домов (США, Голландия) ставиться претендентом на роль MAN в городах как для телефонных разговоров, так и трансляции данных. Конкурентная борьба между этими компаниями сейчас идет в полную силу.

2.2.4 Оптоволокно

• Быстродействие компьютеров возрастало в 10 раз за десять лет
• Пропускная способность каналов связи в 100 раз за десять лет

в настоящее время скорость 40GB уже достигнута (5MB - Война и Мир)

50 000Gbps (50Tbps) достижима в ближайшее время

• Быстродействие отдельного процессора приближается к пределу, у линий связи огромные неиспользованные возможности.

Для использования оптической связи нужен источник света, светопроводящая среда, детектор, преобразующий световой поток в электрический. На одном передающем конце находится источник света, световой импульс проходит по тонкому светопроводящему волокну и попадает на детектор, который выдает электрический импульс.

Одной из основных проблем было не дать световому пучку рассеяться через боковую поверхность силиконового шнура. Все зависело от угла падения светового потока на его стенки. На рис.2-5 показана эта зависимость.

Поскольку можно испускать несколько лучей так, чтобы они попадали на границы шнура под углом большим угла полного внутреннего отражения, то по одному шнуру можно пускать несколько лучей. Так мы получаем много канальный шнуры.

Если сделать шнур толщиной близкой к длине волны источника света, то этот шнур будет работать как провод для тока без потерь на внутреннее отражение. По такому одноканальному шнуру можно передавать со скоростью в несколько Gbps на 30 км.

Прохождение света через оптоволокно.
Оптоволокно делают из стекла, которое в свою очередь делают из песка и других широко распространенных материалов. Стекло известно со времен египтян. Однако оконное стекло научились делать только в эпоху Ренессанса. Если современным стеклом, используемым для оптоволокна заполнить океан, то в любой его точке мы смогли бы видеть дно, как мы видим землю с борта самолета.

Затухание оптического сигнала в стекле зависит от длины волны источника света. На рис.2-6 показана зависимость затухания от длины волны. Затухание измеряется в dB по формуле

Как видно из этой формулы при падении мощности сигнала в два раза затухание будет равно 3dB. Как видно из рис.2-6 затухание меньше всего в инфракрасной части спектра. Для передачи используются три частоты 0.85, 1,30 и 1.55 микрон. Две последние имеют потери менее 5% на километр. Частота 0.85 микрон хороша тем, что лазерный источник света и электроника для нее делают из одного и того же материала - арсенида галлия. Все три полосы имеют пропускную способность от 25 000 до 30 000 ГГц.

Другую проблему при использовании оптоволокна дает дисперсия: по мере распространения исходный световой импульс теряет начальную форму и размеры. Величина этих искажений также зависит от длины волны. Одно из возможных решений - увеличить расстояние между соседними сигналами. Но это сократит скорость передачи. К счастью исследования показали, что если генерировать форму сигнала в некоторой специальной форме, то дисперсионные эффекты почти исчезают и сигнал можно передавать на тысячи километров. Сигналы в этой специальной форме называются силитонами.

Оптоволоконный кабель.
Устройство оптоволоконного кабеля показано на рис. 2-7а. Кабель состоит из сердечника, состоящего из сверх прозрачного оптоволокна. В одноканальном кабеле сердечник имеет толщину 8-100 микрон, в многоканальном около 50 микрон. Сердечник окружен стекловолокном с низким коэффициентом рефракции, сокращающим потери света через границу сердечника. Сверху все покрыто защитным пластиком.

Такой кабель прокладывают и под землей, и под водой. Соединяют его электрически с помощью специальных коннекторов, механически, прижимая один край к другому, сваривая оба конца.

В качестве источников света используют два источника света: светодиод (LED) и полупроводниковый лазер. У них разный свойства, которые показаны на рис.2-8. С помощью специальных интерферометров эта источники света можно настроить на нужную длину волны. На принимающем конце стоит фотодиод, работающий со скоростью 1 nsec, т.е. около1Gbps.

Оптоволоконные сети.
С помощью оптоволокна можно строить как LAN, так и сети большего масштаба. Подключение к оптоволоконной сети более сложное чем к Ethernet сети. Чтобы понять как решается эта проблема построения сети надо представить , что сеть типа кольцо представляет из себя цепочку соединений типа точка-точка как на рис.2-9.

Есть два типа подключений пассивное и активное. Пассивное состоит из LED или лазера и фотодиода. Принимая сигнал через светодиод, он передается компьютеру или транслируется дальше. Это абсолютно надежное соединение. Выход из строя любого из его компонентов не нарушает связь по кольцу, а лишь блокирует работу отдельного компьютера.

Активное подключение рис.2-9 содержит промежуточный усилитель электрического сигнала. Фотодиод преобразует оптический сигнал в электрический, электросигнал усиливается, передается компьютеру и транслируется дальше через LED.

Кроме кольца возможны соединения типа пассивной звезды (рис.2-10). Все линии, по которым оптический сигнал передается от компьютера, заходят в специальной устройство пассивной звезды, сигналы от них воспринимаются по всем линиям, исходящим из этого устройства.

Сравнение медного кабеля и оптоволокна

• оптоволокно позволяет передавать сигнал на большее расстояние без промежуточного усиления (от 30 км и более для оптоволокна и 5 км для меди)
• оптоволокно тоньше.
• оптоволокно легче: 1 км 1000 парника весит 8 000кг оптоволоконная пара аналогичной пропускной способности и длины - 100 кг.
• оптоволокно трудно обнаружить, оно не излучает, а следовательно найти и повредить.
• оптоволокно инертно к электромагнитным воздействиям, радиации; ему не страшны нарушения питания, агрессивная химическая среда.
• оптоволокно сложнее монтировать
• работа с ним требует специальной подготовки инженеров, которая пока не столь распространена.
• подключение к оптоволокну дороже пока, чем подключение к витой паре.

  2.3 Беспроводная связь

  В наше время есть категории пользователей, которым надо (или они убедили себя , что им надо) постоянно находится на связи, получать электронную почту и т.п. Для них витая пара, коаксиал, оптоволокно - не решение проблемы.

  Многие полагают, что будущее за беспроводным соединением и оптоволокном. Все мобильные средства коммуникации и обработки информации будут беспроводными.

  Беспроводная связь полезна не только при мобильных вычислительных средствах, но и там где прокладка любого кабеля затруднительна, либо не возможна (горы, старые здания, оперативные коммуникации).
  

  2.3.1 Электромагнитный спектр

  Как известно электрона при движении образуют электромагнитные колебания. Это явление Максвел предсказал в 1865, а Генрих Герц экспериментально обнаружил в 1887. Число колебаний электромагнитной волны в секунду называется частотой волны (f). Расстояние между ее гребнями - длиной волны (p).

  Если к источнику электромагнитных волн подключить антенну соответствующего размера, то волны будут распространяться и регистрироваться приемниками.

  В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света c=3х10⁸m/sec. В медном проводнике эта скорость составляет 2/3 от скорости в вакууме. Фундаментальное соотношение соединяет f, c и p:

  pf=c(2-1)

  Поскольку c - константа, то зная p, знаем f, и наоборот.

  На рис.2-11 представлен электромагнитный спектр.

  Количество данных, передаваемых электромагнитной волной, определяется ее пропускной способностью. При определенных условиях можно закодировать несколько бит на Гц, часто до 40 бит, поэтому при частоте 500МГц можно передавать со скоростью несколько Гбит в секунду. Отсюда ясно почему оптоволокно столько привлекательно.

  Рассмотрим уравнение 2-1. Разрешим его относительно f и продифференцируем по p, получим

  df/dp=-c/p² (2-2)

  Переписав уравнение 2-2 в разностной форме, получим
  

  D

  f=c

  D

  p/p2

  (2-3)

  Задав некоторую полосу длин волн, мы получим полосу частот. Если взять p=1.3х10^-6 и

  D

  p=0.17х10-6, то

  D

  f будет около 30 ТГц.

  • К сожалению распределение частот в США и Европе подчиняется разным ведомствам, поэтому здесь царит разнобой.
  • В большинстве случаев используется узкополосная передача

    D	(f/f<<1). Используется, так называемая, плавающая частота.

  Мы будем рассматривать узкополосную передачу.
  
  

  2.3.2 Радио передача

  • просто генерировать
  • легко принимать
  • хорошо распространяется во всех направлениях (Кадилак)
  • хорошо принимается как в доме, так и вне его
  • низкочастотные волны хорошо преодолевают преграды, но требуют много энергии, они затухают пропорционально 1/r³ от источника.
  • Высокочастотные волны хуже огибают препятствия, даже дождь - помеха для них, они интерферируют с излучениями от других электрических приборов.
  • Рис.2-12 показывает распространение волн разной частоты.

  2.3.3 Микроволновая передача

  При частоте выше 100 МГц волна распространяется в строго определенном направлении и может быть сфокусирована с помощью параболической антенны. До появления оптоволокна радиорелейная связь составляла основу телефонных систем на больших расстояниях. На определенном расстоянии друг от друга ставили башни с ретрансляторами. Высота башни зависела от расстояния и мощности передатчика. Обычно 100 метровая башня покрывает расстояние в 80 км.

  Микроволны не проходят сквозь здания также хорошо как низко частотные волны. Кроме этого из-за рефракции в нижних слоях атмосфера они могут отклоняться от прямого направления, увеличивается задержка, нарушается передача. Передача на этих частотах зависит также и от погоды. Обычно операторы держат определенный частотный резерв на случай подобных нарушений и переключаются на резервные частоты при необходимости.

  Стремление увеличить пропускную способность канала заставляет использовать все более и более высокие частоты. Сегодня обычное дело частота 10 ГГц. Однако, здесь возникает очень серьезная проблема: начиная с частоты 8 ГГц волны поглощаются водой и, в частности, дождем. Единственный выход из положения в случае дождя изменить маршрут передачи и обойти область дождя.

  На сегодня микроволновый диапазон широко используется в телефонии, сотовой телефонии, телевидении и других приложениях. Одним из главных достоинств микроволнового диапазона- не надо ничего прокладывать. Достаточно получить права на небольшую площадку земли (сотню квадратных метров) установить башню-ретранслятор и так через каждые 50 км. Это особенно дешево в условиях гор, труднопроходимой местности, где прокладка кабеля затруднена. Это справедливо и в городе где земля дорогая, а коммуникации прокладывать очень сложно.

  Есть несколько частотных полос, которые можно использовать свободно без специального разрешения. В этих диапазонах работают микроволновые печи, радио телефоны, радио управляемые двери и т.п. Эти частоты также используются для сетевых целей на небольших расстояниях.
  

  2.3.4 Инфракрасные и миллиметровые волны

  Инфракрасное излучение и излучение в миллиметровом диапазоне используется на небольших расстояниях в блоках дистанционного управления. Основной недостаток излучения в этом диапазоне - оно не проходит через преграду.

  Этот недостаток одновременно является преимуществом когда излучение в одной комнате не интерферирует с излучением в другой. На эту частоту не надо получать разрешения. Это прекрасный канал для передачи данных внутри помещений.
  

  2.3.5 Видимое излучение

  Видимый диапазон также используется для передачи. Обычно источником света является лазер. Монохромное когерентное излучение легко фокусируется. Однако, дождь или туман портят дело. Передачу способно испортить даже конвекционные потоки на крыше, возникающие в жаркий день. (Рис.2-13)
  

  2.4 Телефонные сети

  Когда надо соединить несколько рядом стоящих компьютеров, то обычно прокладывают кабель. Когда кабель должен пройти через дорогу или пересечь общественные, городские коммуникации дело становиться сложнее, а стоимость огромной. В этих случаях единственным выходом является обратиться к телефонной компании.

  Телефонная сеть создавалась давно и целями далеко от тех, которые преследуются при передаче данных между ЭВМ. Поэтому качество передачи данных далеко от совершенства. Однако, ситуация меняется по мере замены меди на оптоволокно и переходе на цифровую систему передачи. Телефонные сети тесно переплетаются с компьютерными сетями, особенно с WAN.,

  Проиллюстрируем проблему. Если соединить две машины проводом, то скорость передачи будет около 10⁷-10⁸ bps. Ошибка возникает где-то раз в день. При такой скорости количество бит переданных между последовательными ошибками будет порядка 10¹²-10¹³ бит. Телефонная линия даст не более 10⁴bps и одну ошибку на 10⁵ переданных бит. Разница в 11 порядков! Поэтому много усилий было положено, чтобы научиться использовать столь низкого качества линии для передачи данных между компьютерами.
  

  2.4.1 Структура телефонной сети

  Когда в 1876 Александр Белл запатентовал телефон, структура сети представлялась ему очень простой. Абоненты соединялись неизолированным проводом каждый с каждым. Если абонент хотел поддерживать связь с несколькими абонентами в городе, то к нему приходило несколько проводов. Вскоре некоторые дома напоминали джунгли. К 1978 году стало ясно что так развивать сеть нельзя. (Рис.2-14 а)

  В 1878 году Белл строит первую станцию коммутации, с которой соединяются абоненты. Чтобы соединиться абонент крутил ручку, вызывая оператора, сообщал ему с кем он хочет соединиться (классическое :Барышня, дайте Смольный, пожалуйста.), и оператор механически, с помощью штыря соединял проводом гнезда коммутатора. В результате получилось что-то как на рис.2-14 b.

  Спустя некоторое врем абоненты выразили желание сообщаться с абонентами в других городах. Потребовалось соединять между собой станции коммутации. Рис.2-14 c.

  К 1890 году появились три основные компонента телефонной сети: соединение клиент-станция коммутации, станции коммутации, соединения между станциями коммутации.. Естественно эти три компонента постоянно совершенствовались, но в основных своих чертах они остались все эти 100 лет такими, как их создал Белл.

  Структура современного соединения при звонке показана на рис.2-15.

  В настоящее время все шире используется цифровая передача. Она имеет ряд преимуществ перед аналоговой:

  • затухание и нарушение формы в цифровом случае не столь сильно как в аналоговом
  • при ретрансляции цифрового сигнала проще восстановить его изначальную форму, которая известна точно, чем в случае аналогового сигнала. При ретрансляции аналогового сигнала ошибка накапливается
  • цифровая передача более надежна в силу выше сказанного
  • по цифровой сети можно передавать и данные и голос и музыку одновременно и с большей скоростью.
  • Цифровая передача дешевле, так как не надо тратить большие усилия на восстановление формы сигнала.
  • Цифровую сеть проще эксплуатировать

  Итак, современная сеть состоит из

  • локальных петель
  • магистралей (оптоволоконных или микроволновых)
  • станций коммутации

  2.4.2. Локальная петля

  
  На рис.2-17 показана организация петли. Как видно из рисунка при передаче данных приходится четыре раза их преобразовывать из цифровой формы в аналоговую и обратно. Несмотря на то, что между станциями коммутации передача осуществляется в цифровой форме в петле она аналоговая. Похоже что она останется таковой в ближайшие 20 лет в силу очень больших затрат на переоборудование.
  

  Искажения при передаче
  При передаче аналогового сигнала есть три источника искажений:

  • затухание
  • искажение формы
  • шум

  Затухание возникает из-за потери энергии сигнала при его распространении в любой среде. При передаче по медному проводу затухание исчисляется в несколько dB на километр. Затухание также зависит от частоты передаваемого сигнала. Как мы уже отмечали промежуточное усиление может помочь лишь частично. Усилитель не может полностью восстановить исходную форму сигнала.

  Искажения формы происходят также из-за разницы в скорости распространения сигналов разной частоты. Поскольку каждый сигнал есть комбинация гармоник разной частоты, а гармоники разной частоты распространяются с разной скоростью, то гармоники одного сигнала могут налезать на гармоники предыдущего и вызывать искажения.

  Шум возникает в следствии посторонних источников энергии, кроме передатчика. Одним из таких источников является тепловой шум. Он неизбежен. Другими источниками могут быть атмосферные явления, соседние линии и т.п.
  

  Модем
  Из-за выше рассмотренных искажений сигнала желательно использовать как можно меньше гармоник при передаче. Однако, скачкообразная форма цифрового сигнала как раз требует большого числа гармоник при передаче.

  Решение проблемы лежит в использовании несущей частоты в сочетании с разными способами модуляции сигнала. Три основные способа показаны на рис.2-18.

  (Рис.2-18)

  При фазовой модуляции несущая частота сдвигается периодически на 45, 135, 225 и 315 градусов. Устройство, которое преобразует поток битов в модулированный сигнал и обратно называется модем. Чтобы увеличить скорость передачи недостаточно увеличивать частоту несущей волны. Надо увеличивать число бит на осциляцию. На рис.2-19 показаны две схемы как это можно делать комбинируя фазовую модуляцию с амплитудной.

  Для соединения оба модема должны поддерживать одну и ту же схему модуляции. Схема на рис.2-19 b соответствует стандарту UTI V-32 на 9600bps. Для 14,400 применяется стандартV32 bis. Для 24,800bps - V34.

  В моде также встраиваются средства для контроля и коррекции ошибок, используя специальные коды. Самый простой способ - добавление бита четности. В сочетании с кодами, исправляющим ошибку используются алгоритмы сжатия. Например, широко распространенный алгоритм MNP 5 убирает из потока повторяющиеся байты. Есть и другие.

  Другой важной проблемой при использовании телефонной линии является эхо. Причина этого явления проста - когда сигнал достигает приемника, часть его энергии отражается и возвращается к передатчику. Когда расстояние между приемником и передатчиком не большее это практически незаметно. Когда расстояние велико задержка между сигналом и эхом становится значительной. При телефонном разговоре наверняка сталкивались с эффектом эхо.

  На рис.2-20 показана схема для подавления эха. Недостаток этой схемы, что она не позволяет использовать полный дуплекс. Только полу дуплекс. Есть другое решение: устройство периодически измеряет величину эха и удаляет его из обратно получаемого согнала. Здесь не требуется релейных устройств, а связь становиться дуплексной.
  

  RS-232
  Стандарт RS-232 соответствует международному стандарту ITU V.24. В этом стандарте компьютер или терминал называется DTE ( Data Terminal Equipment) а модем - DCE (Data Circuit-Terminating Equipment).

  Механически этот стандарт определяет 25 штырьковый разъем. Функционально используется 9. Их назначение показано на рис.2-21. Когда компьютер включают то на линии Data Terminal Ready появляется 1. Когда включают модем на 6 штырьку Data Set Ready появляется 1. Когда модем обнаруживает несущую частоту на телефонной линии, то на штырьке 8 Carrier Detect появляется 1. Появление 1 на 4 штырьке - Request to Send - означает что компьютер готов передавать данные. 1 на 5 штырьке - Clear to Send - означает, что модем готов принимать. Данные передаются по Transmit circuit (штырь 2) и принимаются по Receive (штырь 3).

  Для соединения между собой двух машин через RS-232 используют нуль модем специальным образом за коммутированные два разъема RS-232.

  В настоящее время вышел новый стандарт RS-423, который с функциональной точки зрения является полным аналогом RS-232.
  

  Петля из оптоволокна.
  Для развития услуг, доступных через сеть, например, видео по запросу, пропускной способности на 3КГц линий не хватит. Что делать?

  Прокладывать оптоволокно в каждый дом, в каждую квартиру очень дорого. Вряд ли это будет сделано даже в ближайшем будущем. Есть два других решения. Одно предполагает использовать телефонную сеть и сократить длину петли с 3 км до 100 метров. Для этого установить в микрорайонах или скопления домов соединительные коробки, которые соединены с местной АТС оптоволокном. По короткой петле на 100м можно достичь около 1Мbps. Это решение показано рис.2-23 а.

  Другое решение - использовать сеть кабельного телевидения. Это решение показано на рис.2-23 b. И в том и в другом случае стоимость подводки оптоволокна распределиться между 100-1000 пользователей, что вполне приемлемо.
  

  2.4.3. Магистраль и мультиплексирование

  
  

  Одним из существенных достижений телефонных компаний - магистрали с мультиплексированием данных. Эти компании научились как запускать по одному и тому же кабелю несколько разговоров одновременно. Созданные ими схемы мультиплексирования можно разделить на два большие класса: мультиплексирование с разделением частот и мультиплексирование с разделением по времени.

  Идея мультиплексирования с разделением частот очень проста: весь диапазон частот разбивается на каналы и по каждому каналу идет независимая передача. Пример: трансляция на УКВ. При мультиплексировании с разделением по времени все время работы канала разделяется на кванты. Каждый разговор, передача данных занимает поочередно один квант времени.
  

  Мультиплексирование с разделением частот.
  

  Рис.2-24
  

  На рис.2-24 показано как три телефонных канала могут быть мультиплексированы. С помощью фильтров ограничивают пропускную способность каждого канала 3 000Гц. При мультиплексировании большого числа каналов полосу увеличивают до 4 000 Гц для того чтобы предотвратить налезание одной полосы на другую.

  12 голосовых каналов с пропускной способностью по 4 000Гц мультиплексируют в полосе от 12 до 60 КГц. Пять групп по 12 каналов мультиплексируют в супергруппу, затем пять супергрупп - в мастер группу.
  

  Мультиплексирование с разделением длины волны.
  

  Этот способ мультиплексирования используется для оптоволоконных каналов. Самый простой способ показан на рис.2-25.
  

  Рис.2-25.
  

  Свет пройдя через призму (или дифракционную решетку) смешивается в единый пучок, который на другом конце разделяется с помощью другой призмы. Поскольку каждый канал занимает не более нескольких ГГц, а пропускная способность одного оптоволоконного канала около 25 000ГГц ( быстрее преобразовывать световой сигнал в электрический пока не могут), то ясно каковы возможности для мультиплексирования.
  

  Мультиплексирование с разделением по времени.
  

  Частотное мультиплексирование требует применения аналоговых схем и мало пригодно для управления компьютером. Мультиплексирование с разделением времени наоборот хорошо соответствует возможностям компьютера. Следует отметить, что он подходит только для работы с данными в цифровой форме. Поэтому сначала аналоговый сигнал надо отцифровать.

  Отцифровка сигнала происходит на АТС куда приходит петля с аналоговым сигналом с помощью устройства, называемого кодек (codec - coder-decoder). Codec снимает показания с линии 8000 раз в секунду ( каждый 125 сек). Теорема Найквиста говорит, что бессмыслено опрашивать канал с пропускной способностью 4000Гц чаще чем 8000 раз в секунду. Такой способ отцифровки данных называется импульсно кодовая модуляция (РСМ) она составляет основу современных телефонных систем.

  Когда РСМ стало развиваться МКТТ не смогла добиться международного стандарта. В результате в разных странах действуют разные соглашения и приходиться ставить «черные ящики» на стыках систем, чтобы согласовать передачу.

  На рис.2-26 показан стандарт распространенный в США и Японии Т1. Канал Т1 мультиплексирует 24 голосовых канала в течении каждых 125 сек. Каждый канал отцифровывается последовательно один за другим, а не все одновременно. Каждый канал несет 8 бит: 7 бит - данные, 1 бит - сигнальный. Кроме этого Т1 кадр начинается со специального сигнального бита. Итого Т1 кадр несет 193 бита. Общая скорость передачи такого канала 125 сек по 193 бита дает 1544 Мbps. Собственно для данных используется 23 байта, а 24 байт используется для синхронизации.

  В Европе и Великобритании используется другой стандарт Е1. Основный его отличия состоят в том, что

  • сокращено число бит на синхронизацию; используются все 8 разрядов в байте, а не 7 как в Т1.
  • используется 32 8 разрядных канала в 125 mсек, т.е. скорость достигается 2048 Мbps.

  При использовании техники отцифровки аналогового сигнала возникает искушение сжать передаваемые данные. Метод разностной импульсно кодовой модуляции. Идея его в том, что если разность между соседними значениями не превосходит например 16, в то время как собственно значения колеблются в диапазоне 64, то вместо 6 разрядов нам потребуется всего 4. Есть другой метод, так называемая, дельта модуляция. В этом методе предполагается, что соседние значения отличаются не более чем на 1. Для голоса этот метод работает не плохо. Он показан на рис.2-27.

  Другой метод - основан на экстраполяции очередного значения, на основе предыдущих. При этом передается разница между предсказанием и фактическим значением. Очевидно, что на обоих концах канала должен быть использован один и тот же алгоритм предсказания.

  Мультиплексирование с разделением времени позволяет мультиплексировать смультиплексированные каналы. Так согласно стандарту Т1 4 канала Т1 могут быть объединены в один, затем 6 в один и 7 в один. Рис.2-28. Согласно Е1 каналы могут группироваться только 4, но имеется 4 уровня вложенности, а не три как в Т1. Поэтому скорость передачи в случае E1 : 2048, 8848, 34304, 139264, 565148 Мbps.
  
  

  2.4.4. Коммутация

  Здесь мы рассмотрим третью важную компоненту телефонной сети - коммутаторы. Коммутаторы составляют основу организации АТС разного уровня.

  В телефонных сетях используются два разных способа коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов. Сначала познакомимся с коммутацией каналов, а позднее при рассмотрении высокоскоростных систем ISDN, рассмотрим коммутацию пакетов.
  

  2.4.4.1. Коммутация каналов

  На рис.2-34 a и b показаны схемы работы при коммутации каналов и при коммутации пакетов.

  Коммутацию каналов изобрел в ХIХ в. Алмонд Строугер (Almond Strowger). История этого изобретения достаточно интересна. Строугер был владельцем похоронного бюро в небольшом городке. В этом же городе было еще одно похоронное бюро, жена владельца которого работала на телефонной станции. Поэтому когда родственники умершего звонили и просили соединить с похоронным бюро ловкая жена тут же соединяла их со своим мужем. Поэтому Строугер оказался перед выбором: либо изобрести автоматический коммутатор, либо закрыть дело. Он предпочел первый вариант. Так был изобретен телефонный коммутатор. За истекшие 100 лет мало что изменилось.

  Основной особенностью коммутации каналов является то, что канал точка-точка создается до того как данные начнут передаваться. Время соединения исчисляется секундами, а при удаленных звонках - до минуты. Прежде чем соединение возникнет сигнал запроса должен проложить маршрут. Это требует времени. Для многих компьютерных приложений такая большая задержка неприемлема или не желательна.

  Если соединение установлено, то задержка при передачи составит 5 msec. на 1000 км. Если соединение установлено, то нет опасности что во время разговора Вы услышите сигнал занято.

  Альтернативой коммутации каналов является коммутация сообщений рис.2-35 b. Этот метод использовался при передаче телеграмм. Сообщение получали целиком, затем целиком передавали по каналу, ведущему к абоненту. И так от оператора к оператору, пока сообщение не приходило к адресату. Здесь не надо было создавать соединение заранее. Однако, для такого способа передачи необходимо обеспечить нужное количество памяти для буферизации любого сообщения, сколь угодно длинного. Для преодоления этого недостатка был предложен метод коммутации пакетов.

  • пакеты имеют строг определенный небольшой размер и могут буферизаваться в основной памяти компьютера, а не в дисковой памяти.
  • абонент не может монополизировать линию, а поэтому возможен интерактивный режим.
  • другое достоинство коммутации пакетов хорошо видно из рис.2-35: конвейерность.

  Основные различия этих методов:

  • при коммутации каналов создается линия, пропускная способность которой полностью резервируется за двумя абонентами, вне зависимости от того, какая пропускная способность реально потребуется. При коммутации пакетов физическая линия может быть использована разными пакетами.
  • при коммутации каналов гарантировано что все данные поступят абоненту и в том порядке, в каком их послали. При коммутации пакетов из-за ошибок маршрутизации пакеты могут быть направлены не по назначению, порядок их поступления абоненту не гарантируется.
  • коммутация каналов абсолютно прозрачна для абонентов. Они могут пересылать данные в любой кодировке и формате. При коммутации пакетов формат и способ кодировки пакетов задан заранее.
  • При коммутации пакетов плата взымается за время соединения и число переданных пакетов. При коммутации каналов плата берется исключительно за время и длину соединения.

  Эти различия сведены в таблицу 2-36.
  
  

  2.4.4.2. Иерархия коммутаторов

  На рис.2-37 представлена схема иерархии коммутаторов компании АТ&Т. Это типичная иерархия. Прежде всего обратим внимание на то, что любое соединение стараются сделать на самом нижнем уровне. Именно этим хороша структура подсети типа дерево (вспомним топологии подсетей, рассмотренные нами в главе 1). Однако, если в ходе эксплуатации подсети выясняются узкие места, например, между Москвой и Ст.Питербургом звонки чаще, чем между остальными городами, прокладывается прямая линия между этими городами.
  

  2.4.4.3. Коммутаторы каскадные

  
  Теперь давайте рассмотрим как коммутатор устроен внутри. Самый простой вид коммутаторов - это прямой коммутатор n x n . Он показан на рис.2-38. В каждой точке пересечения стоит полупроводниковый переключатель, который замыкает соответствующие линии.

  Основной недостаток этого типа коммутаторов - квадратичный рост сложности (число пересечений) при увеличении n. Даже если учесть, что нам требуется только половина пересечений (выше или ниже диагонали), то все равно нам надо порядка n²/2 переключателей. При n=1000 на кристале можно поместить такое количество переключателей, но приделать к нему 2000 ножек невозможно. Поэтому такие прямолинейный решения возможны лишь для небольших организаций.

  На рис.2-39 показан каскадный коммутатор. Идея построения этого типа коммутаторов такова: разделить простой коммутатор на части, которые соединить между собой промежуточными дополнительными коммутаторами. Рассмотрим пример трехслойного каскадного коммутатора. В первом слое N входных линий разбиваются на k группы по n линий в каждой. На втором слое N/n простых коммутаторов соединяются с k коммутаторами (N/n)x(N/n) каждый. Третий каскад повторяет первый в обратном порядке: не n x k, а k x n.

  Посчитаем сложность. Первый каскад содержит

  (N/n)x nk = Nk точек пересечения.

  Второй каскад имеет kN/n точек пересечения. Третий каскад по сложности такой же как и первый. Таким образом получаем:

  2kN+k(N/n)² точек пересечения.

  При N=1000, n=50 и k=10 нам потребуется всего 24000 точек пересечения, вместо 499500, как было бы при простом коммутаторе.

  Однако, каскадные коммутаторы имеют недостаток - блокировка коммутаторов второго слоя. На рис.2-39 а второй слой может коммутировать одновременно только 8 звонков. Девятый звонок буден заблокирован. Коммутатор на 2-39 b лучше. Там 12 входов на втором каскаде, но он и дороже. Клос (Clos) в 1953 году показал, что при k=2n-1 блокировок не будет.
  

  2.4.4.4.Коммутаторы с разделением времени

  Другой способ коммутации с разделением времени показан на рис.2-40. Пусть у нас есть n линий, которые нам надо коммутировать. Эти линии сканируются в течении определенного временного слота последовательно. Образуется кадр из n ячеек по k битов в каждой. Например в стандарте Т1 каждая ячейка содержит по 8 бит, а всего 8000 кадров секунду.

  Затем кадр попадает в коммутатор ячеек. Коммутатор ячеек переставляет ячейка в соответствии с таблицей коммутации. Обработка кадра происходит следующим образом. Входной кадр записывается в память в том порядка как ячейки считывались с линий. Затем ячейка считываются из памяти в порядка, задаваемом таблицей коммутации.

  Ясно что таблица коммутации - это вектор перестановок, а скорость коммутации ограничена скоростью считывания из памяти. Например, если временной слот 125сек и нам надо обработать кадр из n ячеек, а время считывания из памяти Т, то 2nT = 125 или n= 125/2T. Если скорость памяти 100n сек, то мы сможем обработать не более 625 линий.
  

  2.5 Цифровые сети с интегрированным сервисом (ISDN)

  Более ста лет основной инфраструктурой, используемой в обществе для передачи данных, была телефонная сеть. Эта сеть создавалась исключительно для передачи голоса в аналоговой форме и не удовлетворяла современным требованиям. Под давлением требований пользователей в цифровой передачи данных, МКТТ в 1984 году собрал конгресс, где было принято решение о создании новой полностью цифровой телефонной сети с коммутацией каналов в начале 21 века. Эта новая сеть называется Цифровая Сеть с Интегрированным Сервисом (ISDN - Integrated Service Digital Network).

  Основной целью ISDN объединение в рамках одной сети голоса, звука, изображения и цифры. Однако по прежнему в центре внимания телефон. ISDN телефон должен обеспечивать самый разнообразный сервис: программируемые функции, показ номера телефона, от которого поступил звонок, имя звонящего, умение работать с компьютером - выдать запрос к базе данных и высветить на экране ответ, переадресовать звонки, удаленный доступ к своему телефону, автоматические звонки в скорую помощь, полицию, пожарную службу в случае опасности и т.д.

  Здесь мы рассмотрим что дает ISDN и как он работает.
  

  2.5.1 Архитектура N-ISDN сетей

  Основой ISDN архитектуры является концепция потока битов в цифровой форме или просто цифрового потока между пользователем и системой передачи, через которую этот поток будет передаваться. При этом не важно как был сформирован этот поток битов - телефоном, факс- машиной, компьютером и т.п.

  Цифровые потоки могут и фактически мультиплексируются. Концепция цифрового потока строго специфицирована. Там строго определены интерфейсы, формат цифрового потока и правила мультиплексирования потоков. Было разработано два стандарта: один для низко скоростной передачи для домашнего использования и высоко скоростной - для бизнес приложений. Бизнес потоки также могут мультиплексироваться.

  На рис.2-41 показаны основные конфигурации использования ISDN дома или в небольшой организации. Поставщик сервиса устанавливает сетевое оконечное устройство пользователя - NT1. NT1 соединено с одной стороны с ISDN оборудованием пользователя, а с другой с ISDN устройством обмена в помещении поставщика сервиса. NT1 может быть удалено от ISDN устройства обмена на несколько километров и соединено с ним витой парой, оставшейся от обычного телефонного соединения. К одному NT1 может быть подключено до 8 ISDN устройств пользователя. С точки зрения пользователя, граница сети - NT1 устройство.

  Для производственных нужд модель 2-41 а не подходит, так как там может потребоваться существенно больше ISDN оконечных устройств, функционирующих одновременно, например, телефонов. Поэтому там используется схема 2-41 b. В этой схеме используется устройство NT2 - PBX (Private Branch eXchange), которое мы будем называть устройством обмена второго уровня. PBX соединен с NT1 и обеспечивает связь с телефонами, терминалами в офисе и их мультиплексирование. Таким образом, PBX - это по существу ISDN коммутатор.

  МКТТ определило четыре вида точек подключения для ISDN сетей: R, S, T, U. U - определяет соединение между ISDN устройством обмена и NT1. На сегодня это медная витая пара, вскоре - оптоволоконная линия. Т - определяет подключение NT1 к оборудованию в офисе пользователя. S - подключение PBX и ISDN терминалов. R - адаптер между ISDN терминалом и не ISDN оборудованием.

  Подключение типа Т позволяет подключить 23 64 Kbps каналов, что хорошо укладывается в стандарт Т1 в США и Японии и 30 64Kbps для Евпропы. Однако, надо подчеркнуть, что для одного N- ISDN терминала доступна скорость не более 64 Kbps.

  64Кbps в 1980-х это было смело, сейчас когда LAN - 10Mbps и переходят на 100Mbps, своего рода шутка. Описанный выше ISDN сервис, изначально столь интенсивно внедрявшийся, к сожалению быстро устарел. Дело в том, что успехи в области электроники (микропроцессоры), быстрый рост пропускной способности каналов передачи данных, развитие сферы развлечений и бизнес приложений быстро обогнали возможности ISDN. С другой стороны процесс стандартизации в области ISDN шел столь медленно, что не поспевал за потребностями. Поэтому этот вид ISDN стали называть низкоскоростным ISDN или N-ISDN. N-ISDN может сохранить свою актуальность для недорогих домашних приложений типа, недорого доступа к Internet.
  

  2.5.2 Высокоскоростные ISDN сети и ATM сети

  МКТТ быстро осознало отставание N-ISDN и предложило новое поколение ISDN сетей B-ISDN (Broadband ISDN) - высокоскоростной ISDN. B-ISDN фактически - это цифровые виртуальные каналы, по которым движутся пакеты фиксированной длины (ячейки) со скоростью 155 Mbps. Такой скорости вполне достаточно, чтобы удовлетворить даже такие приложения как высоко качественное телевидение и, похоже, что эта скорость будет увеличена в ближайшие годы.

  Если N-ISDN был смелый шаг вперед, то B-ISDN - прыжок в неизвестное. Открываются огромные перспективы, но надо проделать огромный объем работы. Основу B-ISDN составляет АТМ, который мы бегло рассмотрели в первой части курса. АТМ - технология с коммутацией пакетов, в то время как PSTN и ISDN - сети с коммутацией каналов. Области коммутации каналов накоплен огромный опыт. Так что переход на коммутацию пакетов - это технологический, принципиальный шаг вперед.

  Ясно, что для B-ISDN витая пара, основа телефонной петли не годится. Она должна быть заменена, по крайней мере на витую пару 5 категории. Существующие телефонные коммутаторы не годятся и должны быть заменены коммутаторами нового поколения, работающих на иных принципах. Единственно, что похоже удастся сохранить - оптоволоконные магистрали.

  Итак, весь более чем вековой опыт, накопленный людьми в области телекоммуникаций, плюс затраты на создание соответствующей инфраструктуры должны быть выброшены. А это сотни миллиардов долларов. Так что это не такой простой шаг. Однако, если он не будет сделан телефонными компаниями, его сделает кабельное телевидение.

  В силу выше сказанного мы подробнее остановимся на B-ISDN и АТМ соответственно.
  

  2.5.3 Виртуальные каналы и коммутация каналов

  B-ISDN построен на своего рода компромиссе между коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Сервис в этих сетях ориентирован на соединения, но эти соединения не есть с коммутированные каналы. Это - коммутированные виртуальные каналы. Есть два вида коммутируемых каналов - постоянно виртуальные каналы и коммутируемые виртуальные каналы.

  В сети с коммутацией каналов установить соединение означает создать физическое соединение между источником и получателем. Это очень четко видно на каскадных коммутаторах, с коммутаторами с разделением времени это не столь очевидно. В сетях с виртуальными каналами, таких как АТМ, то, что соединение установлено означает, что маршрут между источником и получателем выбран. Это означает, что в таблицах коммутаторов заранее известно по какому маршруту направлять тот или иной пакет. На рис.2-43 показан пример коммутации виртуальных каналов между Н₁ и Н₅. Когда пакет поступает в коммутатор, то просматривают его заголовок, чтобы определить к какому виртуальному соединению он принадлежит и направляют по надлежащей физической линии. Подробно как это происходит мы рассмотрим позднее.

  Установление постоянного соединения означает, что в таблицах коммутаторов заранее прописаны соответствующие значения без относительного того есть трафик или нет.
  

  2.5.4 Передача в ATM сетях

  Рис.2-44
  

  К уже было сказано АТМ - это асинхронный способ передачи. В стандарте Т1 данные передаются строго синхронно. Каждые 125сек порождается новый кадр. Эта скорость поддерживается специальными часами - мастер таймером. Каждый слот в кадре содержит один бит из вполне определенного источника. Порядок сканирования источников строго фиксирован.

  В АТМ нет строго порядка поступления ячеек от различных источников. Ячейки могут поступать от разных источников и в разном порядке. Не важно даже, чтобы поток ячеек, от одного компьютера, был непрерывен. Если возникают разрывы, то они заполняются ячейками ожидания.

  АТМ не ограничивает формат самой ячейки. Единственно что требуется, чтобы ячейки могли передаваться носителями (кадрами, фреймами и т.п.) в рамках таких стандартов как Т1, Т3, Е1 и т.п.

  В настоящее время скорость 155,52Mbps является стандартной для АТМ, равно как и учетверенная скорость - 622,08Mbps. Однако, в ближайшем будущем ожидается достижение 44 736 Mbps.

  Стандартной средой передачи является оптоволокно. Однако на расстояниях в сотни метров можно использовать коаксиал или витую пару 5 категории. Оптоволокно может покрывать расстояния на многие километры. Каждая линия соединяет либо компьютер с АТМ переключателем или два АТМ переключателя. По каждой линии передача возможна только в одном направлении. Поэтому для обеспечения полного дуплекса надо две АТМ линии. С помощью АТМ переключателей возможно дублирование одной и той же ячейки для передачи ее по нескольким линиям.

  АТМ подуровень зависимости от физической среды (PMD) обеспечивает съем битов с линии и передачу их на линию. Для физически разных линий (коаксиал, оптоволокно и т.п.) требуется разное оборудование. Подуровень преобразования при передаче (TC) обеспечивает единый интерфейс с АТМ уровнем при передаче в обоих направлениях. АТМ уровень обеспечивает поток ячеек, а PMD подуровень преобразует их в поток битов во вне.

  При входящем потоке, PMD передает поток битов на ТС подуровень. Задача ТС подуровня - как-то определить где кончается одна ячейка, а где начинается другая. Поскольку в поступающем потоке битов нет никаких признаков деления между ячейками, то это весьма сложная задача. Как они решается мы рассмотрим в разделе, посвященном канальному уровню, поскольку именно канальный уровень отвечает за преобразование потока битов в поток кадров или ячеек.
  

  АТМ переключатели

  Здесь мы рассмотрим основные принципы организации АТМ переключателей и их функционирования.

  Рис.2-45 показана общая схема организации АТМ переключателя. Есть набор входных линий, по которым ячейки поступают в переключатель. Как правило, такое же число выходных линий, по которым ячейки двигаются после коммутации. Переключатель работает синхронно, в том смысле, что за один цикл считывается одна ячейка с одной из входных линий, передается на переключающий центр и затем на соответствующую выходную линию.

  Переключатель может быть конвейерным, т.е. обработка одной ячейки может занимать более одного цикла. Ячейки поступают асинхронно, т.е. таймер переключателя отмечает момент начала поступления ячейки. Если ячейка не поступили за один цикл, то она должна ожидать начала следующего цикла.

  Обычно ячейки поступают со скоростью 150 Mbps. Учитывая размер ячейки 53 байта, получаем около 360 000 ячеек/сек. Таким образом, на обработку одной ячейки приходится около 2.7 сек. Коммерческие переключатели имеют от 16 до 1024 входных линий, т.е. переключатель должен быть в состоянии обрабатывать за 2.7сек от 16 до 1024 ячеек. При скорости 622Mbps переключающий центр должен обрабатывать одну ячейку примерно за 100nсек. Это возможно благодаря тому, что ячейки фиксированной длины и небольшого размера (53 байта). При переменной длине и большем размере задача создания АТМ переключателя была бы намного сложнее.

  Все АТМ переключатели должны:

  • терять как можно меньше ячеек;
  • никогда не менять порядок поступления ячеек по одному виртуальному соединению.

  Первое требование означает, что АТМ переключатель должен обеспечивать скорость переключения достаточно большой, чтобы не терять ячейки. 1 ячейка на 10¹² ячеек - вполне приемлемая скорость. В больших переключателях теряется 1-2 ячейки за час работы. Второе требование сохранять порядок поступления ячеек неизменным естественно существенно усложняет конструкцию переключателя, но это требование АТМ стандарта.

  Одной из ключевых проблем конструкции АТМ переключателей является - что делать когда сразу по нескольким линиям пришли ячейки, которые должны быть отправлены по одной и той же выходной линии? Напрашивается решение: взять одну ячейку, обработать ее, а другую сбросить. Но в силу требования 2 оно не годиться.

  Возможно другое решение: буферизовать ячейки на входе. Идея этого решения показана на рис.2-46. Пусть в начале цикла 1 (2-46 а) поступило четыре ячейки, две из которых должны быть отправлены по линии 2. Поскольку за линию 2 возник конфликт, то только три ячейки предаются на выходные линии. Поэтому к началу цикла 2 (2-46 b) на выходе переключателя появятся три ячейки, но на вход поступят новые. К началу цикла 3 ( 2-46 с) на входе останется только одна ячейка, и очередь рассосется только на четвертом цикле. Здесь надо быть очень осторожным, чтобы дисциплина обслуживания возникающих очередей была бы справедливой и равномерно обслуживала очереди на всех линиях.

  Недостаток этого решения в том, что очередь на входе может блокировать даже те ячейки, которые должны быть перекоммутированы на те линии, не которых нет конфликтов. Поэтому по соответствующему виртуально соединению скорость упадет. Этот эффект называется блокировкой на входе. Кроме этого буферизация ячейки на входе требует дополнительной логики в схемах, что усложняет конструкцию.

  Альтернативным решение может быть буферизация на выходе. Это решение показано на рис.2-47. Если несколько ячеек должно уйти по одной и той же линии, то они передаются на выход и буферизуются там. Это требует меньше циклов. В нашем примере только 3.
  

  Рассмотрим конструкцию АТМ переключателя с буферизацией на выходе. Этот тип переключателей называется переключатель выталкивающего типа. Он показан на рис.2-48 для конфигурации 8х8 линий. Здесь каждая входная линия соединена с шиной, к которой подключены все выходные линии. Каждая входная шина имеет свой механизм управления, не зависящий от других , что существенно упрощает конструкцию.

  У каждой поступающей ячейки аппаратно анализируется заголовок, чтобы определить какому виртуальному соединению она принадлежит. Затем, с помощью таблицы коммутации, определяется выходная линия, через которую эта ячейка должна покинуть переключатель. Пересечение с соответствующей выходной линией активизируется. Поэтому когда пакет доходит до этого пересечения он поступает в буфер. Быстродействия переключателя достаточно, чтобы буферизовать на одном выходе все ячейки, если это потребуется, или размножить ячейки, если их надо разослать по нескольким виртуальным соединениям.

  Естественно было бы буферизовать все конфликтующие ячейки в выходном буфере. Однако, для переключателей, например, на 1024 линии, нам потребовалось 1024х1024х53 байтов буферов. Too much! Выходом из этой ситуации - выделение лишь n байтов на буфер. Если конфликтующих ячеек больше, то не попавшие в буфер сбрасываются. Здесь опять-таки надо быть осторожным, определяя на каких входных линиях сбрасывать ячейки, из каких выходных буферов выталкивать ячейки на очередном цикле так, чтобы не было дискриминации. Регулируя параметром n, можно варьировать стоимость и число сбрасываемых ячеек, что влияет на цену переключателя.
  

  Переключатели Батчера-Баньяна.
  Основным недостатком переключателей выталкивающего типа является то, что переключающий центр - простой коммутатор, а это означает, что его сложность растет квадратично от числа коммутируемых линий. Из рассмотрения принципов построения коммутаторов для коммутации каналов мы уже знаем, что одно из решений - каскадные коммутаторы. Аналогичное решение возможно и для коммутации пакетов.

  Это решение называется переключатели Батчера-Баньяна. Как и переключатели выталкивающего типа переключатель Батчера-Баньяна синхронный, т.е. за один цикл может обрабатывает несколько входных линий. На рис.2-49 а показан трех ступенчатый переключатель 8х8 Баньяна. Он так называется, поскольку похож на корни баньянового дерева. В баньяновых переключателях для каждого входа существует ровно один путь к любому из выходов. Маршрутизация пакета происходит в каждом узле на основе адреса выходной линии, которой должен достичь пакет. Адрес выходной линии известен из таблицы коммутации на входе. В данном случае трех битовый номер впереди ячейки используется в каждом узле для маршрутизации.

  В каждом из 12 переключающих элементов есть два входа и два выхода. В зависимости от значения старшего разряда ячейка направляется либо в порт 0 либо в порт 1. Если обе ячейки, поступившие на вход одного и того же коммутирующего элемента, должны быть направлены на один и тот же порт, то направляется одна, а вторая сбрасывается.

  Итак, адрес выходной линии анализируется в каждом элементе слева направо. Например, код 001 означает, что соответствующая ячейка бут направлена на верхний, верхний, а затем нижний порты. Коллизии в баньяновской сети возникают, когда в одном и том же элементе в одно и тоже время надо использовать один и тот же порт. На рис.2-50 а показаны коллизии. На рис.2-50 b те же 8 ячеек коммутируются без коллизий. Вывод: в зависимости от распределения ячеек на входе баньяновская сеть либо будет терять ячейки либо нет.

  Идея Батчера состояла в том, чтобы переставить ячейки на входах так, чтобы в баньяновской сети конфликтов не возникало. Рис.2-50 b.

  Для сортировки входов Батчер предложил специальный коммутатор. Подобно баньяновскому переключателю переключатель Батчера строится из элементов 2х2, работает синхронно и дискретно. В каждом элементе выходные адреса ячеек сравниваются. Больший направляется по стрелке, а меньший в противоположном направлении. Если ячейка одна, то против стрелки. Подчеркнем, что сравниваются не отдельные биты, а число.

  На рис.2-51 показан переключатель Батчера 8х8. Сложность операции перестановки для Батчера - nlog₂n. Ячейки, отсортированные Батчеровской сетью, подаются на вход сети баньяна, где они пересылаются без конфликтов. На рис.2-52 показана комбинация Батчеровской и баньяновской сетей.

  Переключатели Батчера-Баньяна имею два основных недостатка:

  • если коллизия на выходе все-таки возникает, то они не умеют сней бороться, только сброс:
  • рассылка одной и той же ячейки сразу на несколько выходов.

  Было предложено несколько промышленных переключателей этого типа, которые по разному преодолевают эти недостатки.
  
  

  2.6. Сотовая связь

  К сожалению у нас нет возможности останавливаться на этих видах связи, которые включают

  1. Paging
  2. Сотовые, радио телефоны
  3. Услуги персональной связи

  и т.д. Мы сразу перейдем к спутниковым системам связи, получившим широкое распространение.
  

  2.7 Спутниковая связь

  Идея создания системы связи на основе отражающего объекта, расположенного высоко над землей, давно витала в головах исследователей. Вначале пытались использовать металлизированный воздушный шар, воздушные плотные массы и т.д. и т.п. Однако, сигнал возвращался на столько слабым, что практическое использование такой системы было исключено. Первый спутник связи был запущен в СССР в 1962 году. Основное его отличие от того что предпринималось ранее - он усиливал сигнал, прежде чем отправить его назад на землю.

  Спутник связи имеет несколько приемопередатчиков - транспондеров. Каждый транспондер слушает свою часть спектра, усиливает полученный сигнал и передает его обратно на землю в нужном направлении, на нужной частоте, отличной от частоты приема, чтобы избежать интерференции с принимаемым сигналом. Возвращаемый луч может быть по желанию либо широким, покрывая большую территорию, либо наоборот узко направленным.
  

  2.7.1 Геостационарные спутники.

  Согласно 3-му закону Кеплера период вращения спутника пропорционален 3/2 степени орбитального радиуса. На высоте примерно 36000 км над экватором период спутника будет равен 24 часа. Такой спутник наблюдателю на экваторе будет казаться неподвижным. Такая неподвижность очень большое достоинство, так как в противном случае пришлось бы делать сложные антенные системы.

  В силу интерференции волн не разумно было бы размещать такие спутники ближе чем 2 градуса экваториальной плоскости. Однако, если спутники работают на разной частоте, то это возможно. Таким образом, в одно и тоже время на экваториальной орбите может находится не более 180 спутников, работающих на одной и той же частоте. Так как часть из этих орбит зарезервирована не только для целей связи, то их на самом деле меньше.

  На рис.2-55 показано распределение частот для спутников.

  Обычно спутник связи имеет 12-20 транспондеров с пропускной способностью 36-50 Мгц каждый. 50 Мbps транспондер может быть использован для передачи 50 Mbps потока данных и 800 64Kbps телефонных разговоров. Можно по-разному поляризовать сигналы так, что два транспондера смогут использовать одну и ту же частоту.

  Первые спутники имели один широкий луч. Современные имеют несколько относительно узких луча, пятно которых охватывает несколько сот километров.

  Относительно новой технологией является технология малых антенн, называемых VSAT - Very Small Aperture Terminals - терминалы с очень маленькой апертурой. Эти маленькие терминалы имеют антенну в 1 метр, способную излучать сигнал мощностью в 1 ватт. Они способны передавать данные со скоростью примерно 19.2 Kbps и принимать - 512 Kbps. Из-за малой мощности эти терминалы не могут взаимодействовать напрямую, но прекрасно это могут через специальный спутниковый хаб, как это показано на рис.2-56. Это компромисс - задержка в передачи за низкую стоимость передачи.

  • Спутниковые системы связи имеют существенные отличия от наземных систем точка-точка. Несмотря на то, что сигнал распространяется со скоростью света, задержка велика - 250-300 mсек, против 3-5сек/км на коаксиале, оптоволокне и т.д.
  • Спутниковые системы принципиально вещательного типа. Для некоторых приложений это очень важно. Стоимость передачи не зависит скольким получателям сообщение предназначено. Однако, проблема безопасности передаваемой информации здесь требует особого внимания - все слышат все .что передается. Выход - только шифрование.
  • Стоимость передачи не зависит от расстояния.
  • Этот способ передачи имеет очень низкий коэффициент ошибок при передаче.

  2.7.2 Низкоорбитальные спутники

  Изначально низко летящие спутники серьезно не рассматривались. Слишком быстро они проносились над определенным местом. В 1990 компания Моторола обратилась с проектом системы низко летящих спутников. Идея была очень проста: когда один спутник исчезал, подлетал другой, так что передача не прерывалась. Компания подсчитала, что потребуется 77 спутников на высоте 750 км. Позднее, уточнив, это число сократилось до 66. Этот проект получил название Иридиум ( 77 элемент - Иридий).

  Основной задачей этого проекта обеспечить связь с наземными средствами, даже портативными, во всем мире. Этот проект вызвал ожесточенную конкуренцию со стороны других компаний. Все захотели строить низколетящие спутниковые системы. Было предложено множество других проектов, но все они похожи на Иридиум. Поэтому мы рассмотрим его. Надо отметить что этот проект непосредственно конкурирует с РСS/PCN сотовыми системами и, в случае успеха, делает их не столь необходимыми.

  Схематично этот проект показан на рис.2-57. Вдоль меридиана на расстоянии 32 градуса располагаются 11 спутников, летящих на высоте 750 км. Таких ожерелий будет 6, которые должны охватить всю землю. Каждый спутник будет иметь 48 пятен, так что 1628 пятен (сот) покроют землю. (Рис.2-57 b). Каждая сота будет иметь 174 дуплексных канала на частоте обычного сотового радио. Так что во всем мире будет поддерживаться 283 272 канала. Некоторые из них будут использоваться для paging и для навигации так, что не потребуют большой пропускной способности.

  Прием и передача будут идти на частоте 1.6 ГГц, что позволит использовать устройства, работающие от батареек. Если сообщение принятое одним спутников адресовано в область, покрываемую другим, то оно будет передано от одного спутника другому.

  По оценкам компании Моторола стоимость проекта не превысит $3 с клиента за минуту. Это не дорого и наверняка найдет сбыт. Однако, это вызовет жесткую конкуренцию со стороны сотовой телефонной связи.
  

  2.7.3 Спутники или оптоволокно?

  Это сопоставление спутниковых систем передачи и наземных систем весьма важно. 20 лет назад казалось, что будущее за спутниковыми системами. Не видно было , что телефонные системы собираются развиваться дальше. Да и трудно это казалось в рамках строгих международных регламентаций.

  В 1984 году в США позднее в Европе все существенно изменилось. Телефонные компании ринулись в конкурентную борьбу, стали вводить оптоволоконные линии, B-ISDN, SMDS и т.д. Они стали менять свою ценовую политику. Все это выглядело так, что будущее за оптоволокном. Однако, спутниковые системы имеют ряд очень серьезных преимуществ. Рассмотрим их.

  • Оптоволоконные линии обладают большой пропускной способностью, но она используется для мультиплексирования многих телефонных разговоров, а не для увеличения пропускной способности для отдельного пользователя. По-прежнему между конечным пользователем и оптоволокном лежит петля на витой паре, не позволяющая использовать пропускную способность оптоволокна. В тоже время достаточно установить антенну на крыше и вам доступна вся пропускная способность спутника.
  • Для пользователей, которым нужна высокая пропускная способность на уровне Т3 (44736 Mbps) выход один - арендовать такой канал или использовать SMDS сервис, если он доступен. Спутник доступен практически всегда.
  • Второй фактор - мобильность. Сейчас люди хотят иметь связь всегда: на прогулке, путешествуя. Сочетание сотовой связи и оптоволокна не всегда решает эту проблему: как быть на корабле или самолете?
  • Там где вещание принципиально необходимо - спутник не заменим. Новости, биржевые сводки и т.п.
  • Спутник не заменим там, где географические условия не позволяют создать развитую кабельную систему. Индонезия построила свою национальную телефонную сеть на спутниковой связи. Запустить один спутник много дешевле, чем прокладывать под водой километры кабеля.
  • Спутник хорош везде где надо быстро развернуть систему передачи данных. Где нет времени или средств создавать кабельную инфраструктуру.

  На первый взгляд кажется, что будущее за наземными оптоволоконных системами в сочетании с сотовой связью, а спутниковые найдут применение лишь в исключительных случаях. Однако, многое будет зависеть от стоимости услуг. Экономические факторы будут играть существенную роль.
  
  

  [Наверх: в начало раздела ≡ Назад: Приложения ≡ Вперед: Канальный уровень ≡ Здесь: Принципы функционирования физической среды передачи данных]