Аверянов Современная информатика 2011

Витая пара – наиболее распространенный и дешевый вариант канала, традиционно используемый в телефонии. Этот вид каналов в наименьшей степени защищен от помех и возможностей несанкционированного доступа. Существует пять категорий кабеля на основе витой пары, различающихся по электротехническим и высокочастотным характеристикам. Так, витая пара пятой категории используется в высокоскоростных ЛВС. Данные кабели могут быть экранированными и неэкранированными. Стоимость высококачественного кабеля на основе витой пары достаточно высока.

Коаксиальный кабель используется, как правило, в сетях Ethernet, имеет лучшие высокочастотные характеристики и помехозащищенность по сравнению с витой парой, однако переход на быстрые протоколы Ethernet связан с переходом его на витую пару или оптический кабель.

Оптический кабель сравнительно новая и наиболее перспективная передающая среда, значительно превосходящая по своим коммуникационным свойствам, рассмотренным выше, другие передающие среды. В то же самое время она имеет достаточно сложную структуру и требует более детального описания.

Волоконно-оптические коммуникации были практически созданы в середине 60-х годов прошлого столетия на базе двух ключевых компонентов: создания твердотельных источников излучения света и получения чистого стекла. Эти работы были основаны на более ранних экспериментах, открывших принцип световода. В основе его – свойство неограниченного распространения света в воде и других средах.

Развитие этой технологии идет по пути создания более мощных источников излучения и уменьшения примесей в стекле (современное оптическое волокно в десять тысяч раз прозрачнее оконного стекла).

Другим фактором, повлиявшим на эволюцию волоконнооптической линии связи (ВОЛС), стала разработка производительных приемников, принимающих световой сигнал в большом динамическом диапазоне.

ВОЛС осуществляется посредством трех главных компонентов: оптического кабеля, оптического трансивера (передатчика) и приемника оптического излучения. Сначала электрические сигналы поступают на вход трансивера, который преобразует их в световые

192

импульсы и направляет в волокно. Импульсы света принимаются на другом конце приемником и вновь преобразуются в электрический сигнал. Чем чаще передаются импульсы, тем больше пропускная способность канала.

Оптическое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2. Сердцевина имеет больший показатель преломления. Таким образом, световой сигнал благодаря внутреннему преломлению или отражению не покидает оптически более плотной среды (рис. 4.21). По диаметру сердцевины волокно подразделяется на одно- и многомодовое.

Рис. 4.21. Распространение света в волокне

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8 – 10 мкм, т.е. сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода). В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50 – 60 мкм, что делает возможным распространение большого количества лучей (много мод). Многомодовое волокно, в свою очередь, подразделяется на градиентное, имеющее градиентный профиль показателя преломления световой области с максимумом на оси, и ступенчатое, имеющее постоянный показатель преломления сердцевины (табл. 4.4).

193

Имеются две основные характеристики оптоволокна, определяющие максимальное расстояние между станциями:

затухание определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне (затухание связано с длиной волны излучения, вводимого в волокно, потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние определяются неоднородностями показателя преломления материала);

дисперсия характеризует зависимость скорости распространения сигнала от длины волны вводимого излучения (поскольку источники света (светодиоды или лазеры) излучают некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и, тем самым, порождает искажение сигналов).

Одномодовое волокно обладает самыми лучшими характеристиками по полосе пропускания и затуханию. Однако чтобы реализовать преимущества одномодового волокна, необходимо использовать дорогостоящие источники излучения и другое вспомога-

194

тельное оборудование. Само одномодовое волокно также существенно дороже многомодового*.

Многомодовое волокно более удобно при монтаже, на него рассчитаны доступные и дешевые излучатели, но оно обладает гораздо большим затуханием и меньшей полосой пропускания. В связи с этим многомодовое волокно вполне приемлемо для локальных сетей связи, но недостаточно для магистральных линий.

Оптические передатчики подразделяются на светоизлучающие диоды и лазеры. Первые – сравнительно дешевые, имеют большой срок службы и применяются в многомодовых линиях связи ввиду невысокой мощности излучения света и слабой фокусировки. Вторые лишены последних недостатков и используются в одномодовых линиях связи, однако их стоимость существенно выше.

В состав приемного устройства ВОЛС входят фотоприемник и электрическая цепь.

Среди основных преимуществ ВОЛС необходимо отметить следующие:

широкая полоса пропускания, которая для многомодового волокна более чем на порядок превышает полосу пропускания витой пары, а для одномодового это превышение более чем на два порядка;

* Если сравнивать по стоимости информационные сети на витой паре (медный провод) при длине сети не более 100 м и скорости передачи 1 Гбит и многомодовое волокно протяженностью 550 – 2000 м (в зависимости от типа волокна) при такой же скорости передачи, что стоимость одного рабочего места памяти приблизительно равна 100 дол, а на оптоволокне 160 – 180 дол. Стоимость активного оборудования (передатчики, приемники) для медного провода составляет приблизительно 60 дол, для оптоволокна 250 дол (данные на 2008 г.). Магистральные сети и сети с повышенными требованиями к качеству передающего изображения на одномодовом волокне стоят приблизительно в 50 – 100 раз выше (речь идет только о стоимости сетевого оборудования).

В оптоволоконных системах используются источники света двух типов: светоизлучающие диоды (Light-Emitting Diode, LED) и инжекционные лазерные диоды (Injection Laser Diode, ILD). Эти полупроводниковые устройства излучают свет при приложении к ним электрического поля. Светодиоды дешевле, работают в большем диапазоне температур, у них больший срок службы, но значительно дороже и применяются в многомодовых линиях ввиду невысокой мощности излучения света и слабой фокусировки. Инжекционные лазерные диоды работают по принципу лазера, они более эффективны и позволяют достичь больших скоростей передачи данных.

195

большие расстояния между станциями, так для одномодового волокна расстояние между станциями составляет 50 – 60 км;

высокая помехозащищенность – его нечувствительность к электрическим помехам, возможность прокладки линий вблизи мощных и высоковольтных электрофизических устройств;

гальваническая развязка элементов сети, т.е. волокно обладает изолирующим свойством, отсутствует потребность в заземлении;

взрыво- и пожаробезопасность – отсутствие искрообразования, позволяет использовать его на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Истинные возможности оптического волокна проявляются в том случае, если по одному волокну передается множество лучей с разными частотами. Это является одной из разновидностей частотного мультиплексирования (Frequency-Division Multiplexing, FDM),

обычно, однако, используется термин спектральное уплотнение, или

мультиплексирование по длинам волн (Wavelength-Division Multiplexing – WDM). В таком случае свет, распространяющийся по оптоволокну, состоит из лучей различных цветов, или длин волн, каждый луч передает данные отдельного канала. В 1997 г. специалисты Bell Laboratories продемонстрировали систему со спектральным уплотнением, работающую с сотней лучей, каждый из которых поддерживал скорость передачи данных 10 Гбит/с. Общая пропускная способность этой линии составляет 1 триллион битов в секунду (1 Тбит/с). В настоящее время доступны коммерческие системы с 80 каналами с пропускной способностью 10 Гбит/с.

2.Компьютеры, включенные в сеть, различаются по своему функциональному назначению:

рабочие станции – индивидуальные компьютеры пользователей;

серверы – компьютеры коллективного использования различного функционального назначения.

Ресурсы серверов доступны рабочим станциям и разделяются между ними. Наиболее распространенными ресурсами являются дисковые файлы, базы данных, прикладные программы, устройства печати и т.п.

3.Сетевые контроллеры (адаптеры) выполняют функции аппаратуры канала данных (АКД): обеспечение интерфейсных функ-

196

ций, буферизацию, формирование пакетов, параллельно-последова- тельные преобразования, кодирование/декодирование, доступ к кабелю и т.п.

4. В средства объединения сетей входят:

повторители (Repeater) – используются для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети;

концентраторы (Hub) – применяются для объединения отдельных сегментов сетей в единую разделяемую среду;

коммутаторы (Switch) – могут применяться вместо концентратора для повышения производительности сетей (например, в Ethernet), переключая сообщение на нужный сегмент;

мосты (Bridge) – предназначаются для объединения или разъединения (c целью уменьшения трафика) сетей, имеющих одинаковые протоколы верхнего уровня (аппаратно-независимые), а также для объединения сетей с различной передающей средой;

маршрутизаторы (Router) – служат для определения оптимального маршрута сообщений между различными узлами сети и сетевыми сегментами;

шлюзы (Gateways) – обеспечивают работу сетей с различными протоколами верхнего уровня.

Возможны устройства, совмещающие несколько функций, на-

пример гибридные маршрутизаторы (brouter) – гибрид моста и обычного маршрутизатора.

Тип ЛВС определяется, главным образом, методами доступа (или протоколами нижнего уровня). На среднем уровне выбор протокола зависит в основном от применяемой операционной системы. Так, в сетях, работающих с ОС UNIX, используется рассмотренный ранее TCP/IP. В популярной, сравнительно недавно, сетевой ОС

Novell Net Ware применяются протоколы IPX/SPX, a в NETBIOS,

как правило, – сетевые операционные системы фирмы Microsoft.

IPX (Internetwork Packet Exchange) – протокол межсетевой пе-

редачи пакетов, соответствует транспортному уровню OSI.

SPX (Sequenced Packet Exchange) – протокол последовательного обменапакетами, соответствуетсетевомуи сеансовомууровню OSI.

NETBIOS (Network Basic Input/Output System) – протокол сетевой базовой системыввода-вывода, разработанныйфирмой IBM.

197

В заключение следует отметить, что «жизнь» вычислительных сетей очень динамична, а их классификация неоднозначна. Изначальные представления, что глобальные сети – медленные и используют традиционные телекоммуникации (средства связи), а локальные – значительно быстрее, используя выделенные линии и единую среду передачи данных, изменились. Об этом свидетельствует появление высокоскоростных глобальных сетей с включением выделенных каналов, а с другой стороны, значительное усложнение локальных сетей с использованием характерных протоколов глобальных сетей и разработка новых технологий, изначально предназначенных для обоих видов сетей. К таким технологиям относится, прежде всего, АТМ, которая может служить основой не только локальных и глобальных компьютерных сетей, но и телефонных сетей, а также широковещательных видеосетей, объединяя все виды трафика в одной транспортной сети.

Рис. 4.22. Сравнение мультиплексорных систем, а также локальных, региональных и глобальных сетей

198

Кроме того, появились так называемые региональные сети, занимающие нишу между глобальными и локальными. В основном, рынок региональных сетей состоит из клиентов, которым необходима высокоскоростная передача данных на средние расстояния. Региональная сеть должна предоставлять требуемую пропускную способность с меньшими издержками и большей эффективностью, чем местная телефонная компания, используя метод коллективного использования высокоскоростного физического носителя, применяемого в локальных сетях.

И, наконец, очень специфическую, но типичную локальную сеть представляют суперкомпьютеры, о которых говорилось ранее и использующих быстрые коммуникационные каналы, традиционные для ЛВС.

Ориентировочные характеристики рассмотренных выше (традиционных) вычислительных сетей представлены на рис. 4.22.

Особое место среди вычислительных сетей занимают так называемые беспроводные сети, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назовите четыре типа информации, передаваемой по сетям. Почему за последнее время выросла популярность оптического волокна?

2.Укажите основные принципы, достоинства и недостатки централизованной и распределенной обработки данных.

3.Определите функциональное назначение основных типов коммуникационного оборудования – повторителей, концентраторов, мостов, коммутаторов, маршрутизаторов, шлюзов.

4.Укажите основные методы повышения пропускной способности каналов передачи данных. В чем разница между мультиплексированием и сжатием (компрессией) информации?

5.Что такое протокол в мире коммуникаций? Какова разница между протоколом и интерфейсом? Каковы причины многоуровневого подхода к сетевым протоколам? Укажите различия между протоколами ТСР/IP и эталонной моделью.

199

6.Укажите разницу между аналоговыми и цифровыми данными, сигналами и каналами. Какие типы данных можно передавать по аналоговым и цифровым каналам?

7.Укажите среды, используемые для передачи данных. В чем преимущества и недостатки разновидности сред, используемых глобальными и локальными сетями передачи данных?

8.Назовите методы доступа в локальных и глобальных сетях передачи данных, их достоинства и недостатки. Какова структура канала связи?

200