В этой главе мы рассмотрим нижний
уровень иерархии компьютерных сетей.
Ряды
Фурье В начале XIX столетия французский математик Жан-Батист Фурье (Jean-
Baptiste Fourier) доказал, что любая периодическая функция g (t) с периодом Т
может быть разложена в ряд (возможно, бесконечный), состоящий из сумм синусов
и косинусов:
Сигналы с ограниченным спектром Чтобы понять, какое отношение
все вышеизложенное имеет к передаче данных, рассмотрим конкретный пример — передачу
двоичного кода ASCII символа «b». Ни один
канал связи не может передавать сигналы
без потери мощности. Максимальная скорость
передачи данных через канал
Магнитные
носители Один из самых простых способов перенести данные с одного компьютера
на другой — записать их на магнитную ленту или другой съемный носитель (например,
перезаписываемый DVD), физически перенести эти ленты и диски к пункту назначения
и там прочитать их. Начиная с 1988 года в офисах стали использоваться более новые
витые пары категории 5. В настоящее время
процессоры начинают приближаться к своим физическим пределам. Прохождение
света по волокну Структура оптоволоконного
кабеля схожа с описанной ранее структурой коаксиального провода Для передачи сигнала
по оптоволоконному кабелю могут использоваться два типа источника света: светоизлучающие
диоды (LED, Light Emitting Diode) и полупроводниковые лазеры. Волоконная
оптика может использоваться как для междугородной связи, так и для локальных
сетей, хотя ее установка значительно сложнее, чем подключение к Ethernet. Кольцевая
топология не является единственно возможной
схемой построения локальной сети с использованием оптических кабелей. Это может
показаться странным, но телефонные компании любят оптическое волокно еще по одной
причине: оно тонкое и легкое. В вакууме
все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо
от их частоты. Благодаря способности радиоволн распространяться на большие расстояния
взаимные помехи, вызываемые одновременно
работающими пользователями, представляют собой серьезную проблему. В отличие от
радиоволн с более низкими частотами, микроволны
плохо проходят сквозь здания. Результатом стало внедрение третьего алгоритма
— аукциона. Ненаправленные
оптические сигналы использовались в течение нескольких веков Дальнейший
прогресс в создании коммуникаций с помощью небесных тел на этом приостановился
до запуска первого спутника связи. Положение вещей изменило изобретение
транзистора, и вот в июле 1962 года производится запуск первого в мире спутника
связи Telstar. Следующий высокочастотный диапазон коммерческой связи называется
Ки (К under, то есть «под К»). Системы
VSAT имеют большие перспективы использования в сельской местности. Как уже
было сказано ранее, в течение первых 30 лет существования спутников связи низкоорбитальные
спутники использовались очень мало, поскольку они появлялись и исчезали из
зоны видимости передатчика слишком быстро. Альтернативой проекту Iridium является
система Globalstar. Второй областью применения
спутниковой связи является мобильная телефония
Структура телефонной системы Одно время
80 % капитала компании AT&T было вложено в медные
провода местных линий связи. В прошлом телефонная система была аналоговой,
в виде электрического напряжения передавался сам голосовой
сигнал. Любой владелец линий дальней связи может создать свой коммутатор,
называемый POP (Point of Presence — точка присутствия), в
области LATA для обработки звонков, исходящих из этой области. Местные линии
связи: модемы, ADSL, беспроводная связь
Аналоговый сигнал представляет собой меняющееся
во времени напряжение, с помощью которого и передается поток данных. Число отсчетов
(сэмплов) в секунду измеряется в бодах.
Все хорошие модемы используют комбинированные методы
модуляции сигналов для передачи максимального количества бит в одном боде.
Новый стандарт был назван V.32 bis. Именно
эту идею использует Провайдер График зависимости
потенциально достижимой пропускной способности
от длины линии приведен на рис. 2.23. Итак, альтернативный метод под названием
дискретная мультитональная - модуляция,
DMT (Discrete MultiTone). Здесь голосовая составляющая сигнала отделяется от информационной
и пересылается на обычный телефонный коммутатор.
Беспроводные местные линии Начиная
с 1996 года, в США (и чуть позднее в других странах) компании получили законную
возможность конкурировать с бывшими монополистами — местными телефонными компаниями
(LEC). Работа LMDS изображена на рис.
2.26.
Магистрали и уплотнение Экономия
ресурсов играет важную роль в телефонной системе. Используемые во всем мире
схемы FDM в определенной степени стандартизированы.
Еще одной новой разработкой является оптический
усилитель. Кадр состоит из 24 х 8 = 192 битов плюс еще один бит-ограничитель
кадра, итого 193 бита каждые 125 мкс. Один из вариантов метода сжатия требует,
чтобы значение сигнала в каждом отсчете отличалось от предыдущего на
+1 или -1. На следующем уровне семь каналов Т2 объединяются
побитно в канал ТЗ. Проще всего описать кадр
SONET из 810 байт в виде прямоугольника из 9 рядов по 90 колонок. Возможность
начинать SPE в любом месте кадра SONET и даже занимать соседние
два кадра, как показано на рис. 2.32, придает системе дополнительную гибкость.
Коммутация каналов Когда вы (или
ваш компьютер) снимаете телефонную трубку и набираете номер, коммутирующее оборудование
телефонной системы отыскивает физический путь, состоящий из кабелей (медных или
оптоволоконных; впрочем, это может быть и радиоканал) и ведущий от вашего телефона
к телефону того, с кем вы связываетесь. Важным свойством коммутации каналов является
необходимость установления сквозного пути
от одного абонента до другого до того, как будут посланы данные. При коммутации
сообщений размер блоков никак не ограничивается.
Системы с коммутацией каналов традиционно взимают плату за расстояние передачи
и время на линии.
На данный момент
можно выделить уже три разных поколения мобильных телефонов, осуществляющих: аналоговую
голосовую связь; цифровую голосовую связь;
IMTS поддерживала 23 канала в диапазоне от
150 до 450 МГц. В центре каждой ячейки располагается базовая
станция (БС), с которой связываются все телефоны, находящиеся в ее зоне действия.
Управление вызовом Каждый мобильный
телефон в системе AMPS снабжается 32-разрядным порядковым номером и 10-значным
телефонным номером, которые записываются в ППЗУ телефона. Системы AMPS
и D-AMPS различаются методом передачи сигнала телефона с одной базовой станции
на другую. Интервалы TDM, изображенные
на рис. 2.37, являются частью сложной иерархической системы кадров. Первый из
них — пейджинговый канал, с помощью которого
базовая станция сообщает о входящих звонках. Из педагогических соображений удобнее
использовать биполярную запись и двоичный
0 обозначать -1, а двоичную 1 обозначать +1. Когда две или более станции пытаются
осуществить одновременную передачу, их
биполярные сигналы линейно складываются. Система
CDMA обычно используется в беспроводной связи, где всегда присутствует базовая
стационарная станция и множество мобильных станций, расположенных на разных расстояниях
от нее. Вот основные сервисы, для предоставления которых задумывалась сеть
IMT-2000 Одна такая система называется EDGE (Enhaced Data rates for GSM Evolution
— повышенные скорости передачи для развития GSM) и представляет собой обычный
GSM с увеличенным числом бит на бод.
Абонентское телевидение Кабельное
телевидение впервые появилось в конце 1940-х годов и было способом улучшить
прием сигнала в отдаленных поселках и горной местности. Доступная
полоса пропускания на участке от распределителя до каждого оптоузла очень
велика, и, поскольку в одном сегменте кабеля обычно не бывает большого числа абонентов,
трафик вполне управляем.
Распределение
спектра Если выкинуть все телевизионные каналы и использовать кабельную инфраструктуру
исключительно для доступа в Интернет, это приведет к появлению большого числа
недовольных пользователей, поэтому никто так не делает.
Кабельные модемы
Для доступа в Интернет нужен кабельный модем
— устройство, имеющее два интерфейса: один к компьютеру, второй — к кабельной
сети. Во-первых, отправитель в этом случае только один — распределитель, поэтому
не возникает никакой борьбы за линию и нет необходимости в мини-интервалах, которые,
на самом деле, являются разновидностью статистического
временного уплотнения. По мере привлечения в ADSL все большего числа пользователей
качество обслуживания практически не снижается, поскольку каждый абонент имеет
выделенное соединение. Мобильные телефоны
сейчас очень широко распространены в качестве средства передачи речи, однако вскоре
не меньшее распространение эти устройства получат в качестве полноценного средства
передачи данных. Сколько кодов оконечных телефонных станций существовало до
1984 года, когда доступ к каждой из станций осуществлялся через трехзначный
код региона и первые три цифры местного номера? Почему период
дискретизации кодово-импульсной модуляции был выбран равным 125 мкс? Сколько
микроячеек системы PCS диаметром 100 м
потребуется, чтобы покрыть ими Сан-Франциско (120 км2)?