3. Характеристики каналов связи

Для оценки качества каналов передачи данных можно использовать следующие характеристики:

• скорость передачи данных по каналу связи;

• пропускную способность канала связи;

• достоверность передачи информации;

• надежность канала связи.

Скорость передачи данных. Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости (bit rate). Информационная скорость - определяется количеством битов, передаваемых по каналу связи за одну секунду бит/с, что в англоязычном варианте обозначается как bps.

Бодовая скорость измеряется в бодах (baud). Эта единица скорости получила свое название по фамилии французского изобретателя телеграфного аппарата Emilie Baudot – Э. Бодо. Бод – это число изменений состояния среды передачи в секунду (или числом изменений сигнала в единицу времени). Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии. Скорость передачи информации 2400 бод означает, что состояние передаваемого сигнала изменялось 2400 раз в секунду, что эквивалентно частоте 2400 Гц.

Для иллюстрации этих понятий обратимся к передаче цифровых данных по обычным телефонным каналам связи. В самых ранних моделях модемов, эти две скорости совпадали. Современные модемы кодируют несколько битов данных в одном изменении состояния аналогового сигнала и очевидно, что скорость передачи данных и скорость работы канала в этом случае не совпадают. Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число значений модулируемого параметра несущей (переносчика) равно 2^N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с, т.е. скорость в битах в секунду превышает скорость в бодах. В частности, модемы на 2 400 и 1 200 бит/с передают 600 бод, а модемы на 9 600 и 14 400 бит/с— 2 400 бод.

В аналоговых телефонных сетях скорость передачи данных определяется типом протокола который поддерживают оба модема, участвующие в соединении. Так, современные модемы работают по протоколам V.34+ со скоростью до 33600 бит/с или по протоколу асимметричного обмена данными V.90 со скоростью передачи до 56 Kbps.

Стандарт V.34+ позволяет работать по телефонным линиям практически любого качества. Первоначальное соединение модемов происходит по асинхронному интерфейсу на минимальной скорости 300 бит/с, что позволяет работать на самых плохих линиях. После тестирования линии выбираются основные параметры передачи (частота несущей 1,6-2,0 КГц, способ модуляции, переход в синхронный режим) которые в последствии могут динамически изменяться без разрыва связи, адаптируясь к изменению качества линии.

Протокол V.90 был принят Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) в феврале 1998 г. В соответствии с этим стандартом модемы, установленные у пользователя, могут принимать данные от провайдера сети (входящий поток – Downstream) на скорости 56 Kbps, а посылать (исходящий поток – Upstream) – на скорости до 33,6 Kbps. Достигается это за счет того, что данные на узле сети, подключенному к цифровому каналу, подвергаются только цифровому кодированию, а не аналого-цифровому преобразованию, которое всегда вносит шум дискретизации и квантования. На стороне пользователя из-за "последней аналоговой мили" происходит и цифро-аналоговое (в модеме) и аналого-цифровое преобразование (на АТС), поэтому увеличение скорости невозможно. Очевидно, что применить такую схему удается только там, где один из модемов имеет доступ к цифровому каналу. Практически только провайдер сети Интернет может быть связан с АТС пользователя цифровым каналом.

Для соединений типа абонент-абонент по коммутируемой телефонной сети общего пользования новая технология непригодна и работа возможна только на скорости не выше 33,6 Kbps.

Скорости передачи цифровой информации для ЛВС различных типов приведены в таблице 2.1, а для глобальных сетей в таблице 2.2.

Таблица 2.1

Тип сети (протокол канального уровня)	Вид линии передачи данных	Скорость передачи данных, Мбит/с
Ethernet	Толстый коаксиальный кабель (10Base-5) Тонкий коаксиальный кабель (10base-2) Неэкранированная витая пара UTP категории 3 (10Base-T) Оптоволокно (10Base-F)	10
Fast Ethernet	UTP 5 категории (100Base-TX) UTP 3,4 категории (100Base-T4) Оптоволокно (100Base-FX)	100
Gigabit Ethernet	UTP 5 категории (1000Base-TX) Многомодовое оптоволокно (1000Base-SX) Одномодовое оптоволокно (1000Base-LX) Твинаксиальный кабель(1000Base-СX)	1000
Token Ring (High Speed Token Ring)	STP, UTP категории 3,4,5 Оптоволокно	4 и 16 (100 и 155)
FDDI (Fiber Distributed Data Interface)	Оптоволокно	100

Таблица 2.2

Иерархия скоростей цифровых каналов глобальных сетей

Тип сети	Тип интерфейса и линии передачи данных	Кол-во голосовых каналов	Скорость передачи данных, Мбит/с
PDH	T1/E1, кабель из 2-ух витых пар T2/E2,коаксиальный кабель T3/E3, коаксиальный и оптический кабель или радиолинии СВЧ	24/30 4×T1/4×E1 7×T2/4×E2	1,544/2,048 6,312/8,488 44,736/34,368
SONET/SDN	STS-1, OC-1/- STS-3, OC-3/STM-1 STS-9, OC-9/STM-3 STS-12, OC-12/STM-4 STS-18, OC-18/STM-6 STS-24, OC-24/STM-8 STS-36, OC-36/STM-12 STS-48, OC-48/STM-16		51,840 155,520 466,566 622,080 933,120 1244 1866 2488
ISDN	BRI (базовый) PRI (специальный)	2×B+D 23×B+D/30×B+D	2×0,064+0,016 1,536/1,984
ADSL	Абонент-сеть (Upstream) Сеть-абонент (Downstream)		0,016 – 1 1,5 – 6,1

На ВОЛС достигнуты рекордные скорости передачи информации. В экспериментальной аппаратуре с использованием метода мультиплексирования с разделением каналов по длинам волн (WDM - Wavelengths Division Multiplexing) достигнута скорость 1100 Гбит/с на расстоянии 150 км. В одной из действующих систем на основе WDM передача идет со скоростью 40 Гбит/с на расстояния до 320 км. В методе WDM выделяется несколько несущих частот (каналов). Так, в последней упомянутой системе имеются 16 таких каналов вблизи частоты 4*10⁵ ГГц, отстоящих друг от друга на 10³ ГГц, в каждом канале достигается скорость 2,5 Гбит/с.

Максимально возможная информационная скорость, пропускная способность C (bandwidth) связана с полосой пропускания F (точнее с верхней частотой полосы пропускания) канала связи формулой Хартли-Шеннона. Пусть N – число возможных дискретных значений сигнала, например число различных значений модулируемого параметра. Тогда на одно изменение величины сигнала, в соответствии с формулой Хартли, приходится не более I=log₂N бит информации.

Максимальную информационную скорость передачи можно определить как

С = log₂N / t,

где t - длительность переходных процессов, приблизительно равная (3-4)Т_В, а Т_В = 1/(2πF). Тогда

бит/с, (2.1)

В случае канала с помехами количество различимых значений модулированного сигнала N должно быть ≤ 1+A, где A - отношение мощностей сигнала и помехи.

Для пользователей вычислительных сетей значение имеют не абстрактные биты в секунду, а информация, единицей измерения которой служат байты или знаки. Поэтому более удобной характеристикой канала является его реальная или эффективная скорость, которая оценивается количеством знаков (символов), передаваемых по каналу за секунду (cps, character per second), не включая служебную (например, биты начала и конца блока, заголовки блоков и контрольные суммы).

Эффективная скорость зависит от ряда факторов, среди которых не только скорость передачи данных, но и способ передачи, и качество канала связи, и условия его эксплуатации, и структура сообщений. Например, так как в среднем, при асинхронном методе передачи данных через модем каждым 10 переданным битам соответствует 1 байт или 1 символ сообщения, то 1 cps=10 bps. Для повышения эффективной скорости передачи используются различные методы сжатия информации, реализуемые как самими модемами, так и коммуникационным ПО.

Существенной характеристикой любой коммуникационной системы является достоверность передаваемой информации. Достоверность передачи информации или уровень ошибок (error ratio) оценивают либо как вероятность безошибочной передачи блока данных, либо как отношение количества ошибочно переданных битов к общему числу переданных битов (единица измерения: количество ошибок на знак - ошибок/знак) Например, вероятность 0,999 соответствует 1 ошибке на 1000 бит (очень плохой канал). Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура канала, так и состояние линии связи. Нецелесообразно использовать дорогостоящую аппаратуру, если линия связи не обеспечивает необходимых требований по помехоустойчивости.

При передаче данных в вычислительных сетях этот показатель должен лежать в пределах 10^-8 -10^-12 ошибок/знак, т.е. допускается не более одной ошибка на 100 миллионов переданных битов. Для сравнения, допустимое количество ошибок при телеграфной связи составляет примерно 3·10^-5 на знак.

Наконец, надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы в часах. Вторая характеристика позволяет более эффективно оценить надежность системы.

Для вычислительных сетей среднее время безотказной работы должно быть достаточно большим и составлять, как минимум, несколько тысяч часов