Не следует путать линию связи и канал связи. Они очень похожи, но эти термины нельзя использовать как синонимы. Линию связи образует физическая среда, в которой происходит информационный обмен. Например, для речевого общения линией связи является окружающий воздух, потому что передачу звука обеспечивают упругие колебания воздушной массы. Соответственно, для телефонного общения линией связи является пара медных проводов, по которым передаются электрические сигналы.
Канал связи – понятие не только физическое, но и логическое. Он подразумевает не только наличие физической линии связи, но и наличие логической договорённости о её использовании (такие договорённости называются протоколами).
- Например, при голосовом общении действуют следующие соглашения:
- Говорить можно только по очереди
- Говорить можно только на языке, понятном всем собеседникам
- Говорить надо с достаточной громкостью, чтобы тебя слышали все собеседники
Говоря по очереди, мы разделяем такой общий ресурс линии связи, как время. Этот принцип многоканальной связи называется принципом разделения времени. Когда один собеседник высказался (исчерпал свой ресурс времени), наступает время говорить другому.
У линии связи могут быть и другие ресурсы, которые тоже можно разделять. Например, проводники обладают способностью передавать электромагнитные колебания разных (хотя и не любых) частот. Диапазон допустимых частот (от минимальных до максимальных) – это ресурс, который можно разделить. Такой принцип называется частотным разделением каналов. Он действует в теле- и радиовещании. Одна и та же антенна телевизионного приёмника принимает сигналы от нескольких передатчиков. Если те вещают на разных частотах (не слишком близких), мы можем переключаться между каналами и смотреть разные телепрограммы. Если бы два передатчика передавали сигнал на одной частоте (на близких частотах), мы получили бы только помехи.
Телефонная связь – одноканальная по конструкции. На отрезке линии от телефонного аппарата до телефонной станции ничего не сделано для разделения ресурсов линии связи, хотя далее (между телефонными станциями) работает более современное оборудование. Например, в одной волоконнооптической линии, связывающей телефонные станции разных городов, могут одновременно действовать десятки тысяч телефонных каналов.
При желании мы тоже можем организовать несколько информационных каналов на участке линии от своего телефонного аппарата до телефонной станции. Для этого достаточно подключить компьютер к Интернету. Данные в Интернете циркулируют порциями (пакетами) в режиме разделения времени. Разные пакеты имеют разных адресатов, так что мы можем держать связь одновременно с несколькими серверами. Чем больше каналов связи мы откроем, тем медленнее будет работать каждый из них, потому что пакетам придётся простаивать, пропуская друг друга по очереди через одну линию связи.
Для того чтобы компьютеры могли связаться между собой в сеть, они должны быть соединены между собой с помощью некоторой физической передающей среды. Основными типами передающих сред, используемых в компьютерных сетях, являются:
· аналоговые телефонные каналы общего пользования;
· цифровые каналы;
· узкополосные и широкополосные кабельные каналы;
· радиоканалы и спутниковые каналы связи;
· оптоволоконные каналы связи.
Аналоговые каналы связи первыми начали применяться для передачи данных в компьютерных сетях и позволили использовать уже существовавшие тогда развитые телефонные сети общего пользования. Передача данных по аналоговым каналам может выполняться двумя способами. При первом способе телефонные каналы (одна или две пары проводов) через телефонные станции физически соединяют два устройства, реализующие коммуникационные функции с подключенными к ним компьютерами. Такие соединения называют выделенными линиями или непосредственными соединениями. Второй способ - это установление соединения с помощью набора телефонного номера (с использованием коммутируемых линий).
Качество передачи данных по выделенным каналам, как правило, выше и соединение устанавливается быстрее. Кроме того, на каждый выделенный канал необходимо свое коммуникационное устройство (хотя есть и многоканальные коммуникационные устройства), а при коммутируемой связи можно использовать для связи с другими узлами одно коммуникационное устройство.
Параллельно с использованием аналоговых телефонных сетей для межкомпьютерного взаимодействия начали развиваться и методы передачи данных в дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телефонным каналам (т.е. телефонным каналам, к которым не подведено электрическое напряжение, используемое в телефонной сети) - цифровым каналам.
Следует отметить, что наряду с дискретными данными по цифровому каналу можно передавать и аналоговые информацию (голосовую, видео, факсимильную и т.д.), преобразованную в цифровую форму.
Наиболее высокие скорости на небольших расстояниях могут быть получены при использовании особым образом скрученной пары проводов (для того, чтобы избежать взаимодействия между соседними проводами), так называемой витой паре (ТР - Twisted Pair).
Кабельные каналы, или коаксиальные пары представляют собой два цилиндрических проводника на одной оси, разделенные диэлектрическим покрытием. Один тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 Ом), используется главным образом, для передачи узкополосных цифровых сигналов, другой тип кабеля (с сопротивлением 75 Ом) - для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узкополосные и широкополосные кабели, непосредственно связывающие между собой коммуникационные оборудования, позволяют обмениваться данными на высоких скоростях (до нескольких мегабит/c) в аналоговой или цифровой форме. Следует отметить, что на небольших расстояниях (особенно в локальных сетях) кабельные каналы все больше вытесняются каналами на витых парах, а на больших расстояниях - оптоволоконными каналами связи.
Использование в компьютерных сетях в качестве передающей среды радиоволн различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и сверхбольших расстояниях (с использованием спутников), либо для связи с труднодоступными, подвижными или временно используемыми объектами.
Частоты, на которых функционируют радиосети за рубежом, обычно используют диапазон 2-40 ГГц (в особенности диапазон 4-6 ГГц). Узлы в радиосети могут быть расположены (в зависимости от используемой аппаратуры) на расстоянии до 100 км друг от друга.
Спутники обычно содержат несколько усилителей (или транспондеров), каждый из которых принимает сигналы в заданном диапазоне частот (обычно 6 или 14 ГГЦ) и регенерирует их в другом частотном диапазоне (например, 4 или 12 ГГц). Для передачи данных обычно используются геостационарные спутники, размещенные на экваториальной орбите на высоте 36000 км. Такое расстояние дает существенную задержку сигнала (в среднем 270 мс) для компенсации которой используют специальные методы.
Обмен данными по радиоканалам может вестись как с помощью аналоговых, так и цифровых методов передачи. Цифровые методы получают в последнее время преимущественное развитие, т.к. позволяют объединить наземные участки цифровых сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единой сети. Новым импульсом в развитии радиосетей стало появление сотовой телефонной связи, позволяющей осуществлять голосовую связь и обмен данными с помощью радиотелефонов или специальных устройств обмена данными.
Помимо обмена данными в радиодиапазоне последнее время для связи на небольшие расстояния (обычно в пределах комнаты) используется и инфракрасное излучение.
В оптоволоконных каналах связи используется известное из физики явления полного внутреннего отражения света, что позволяет передавать потоки света внутри оптоволоконного кабеля на большие расстояния практически без потерь. В качестве источников света в оптоволоконном кабеле используются светоиспускающие диоды (LED - light-emitting diode) или лазерные диоды, а в качестве приемников - фотоэлементы.
Оптоволоконные каналы связи, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с другими видами связи, получают все большее распространение, причем не только для связи на небольшие расстояния, но и на внутригородских и междугородных участках.
В компьютерных сетях для передачи данных между узлами сети можно использовать три технологии: коммутацию каналов, коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.
Коммутация каналов, обеспечиваемая телефонной сетью общего пользования, позволяет, с помощью коммутаторов, установить прямое соединение между узлами сети.
При коммутации сообщений устройства, называемые коммутаторами и выполненные на базе универсальных или специализированных компьютеров, позволяют накапливать (буферизировать) сообщения и посылать их в соответствии с заданной системой приоритетности и принципами маршрутизации другим узлам сети. Использование коммутации сообщений может увеличить время доставки сообщений по сравнению с коммутацией каналов, однако при этом сглаживаются пиковые нагрузки в сети и повышается живучесть сети.
При пакетной коммутации данные пользователя разбиваются на более мелкие порции - пакеты, причем каждый пакет содержит служебные поля и поле данных. Существуют два основных способа передачи данных при пакетной коммутации: виртуальный канал, когда между узлами устанавливается и поддерживается соединение как бы по выделенному каналу (хотя на самом деле физический канал передачи данных разделен между несколькими пользователями) и дейтаграммный режим, когда каждый пакет из набора пакетов, содержащего данные пользователя, передается между узлами независимо друг от друга. Первый способ соединения называют также контактным режимом (connection mode), второй - бесконтактным (connectionless mode).
Топология сети
Под топологией понимается описание свойств сети, присущих всем ее гомоморфным преобразованиям, т.е. таким изменениям внешнего вида сети, расстояний между ее элементами, их взаимного расположения, при которых не изменяется соотношение этих элементов между собой.
Топология компьютерной сети во многом определяется способом соединения компьютеров друг с другом. Топология во многом определяет многие важные свойства сети, например такие, как надежность (живучесть), производительность и др. Существуют разные подходы к классификации топологий сетей. Согласно одному из них конфигурации локальных сетей делятся на два основных класса: широковещательные и последовательные.
В широковещательных конфигурациях каждый ПК (приемо-передатчик физических сигналов) передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными ПК. К таким конфигурациям относятся топологии “общая шина”, “дерево”, “звезда с пассивным центром”. Сеть типа “звезда с пассивным центром” можно рассматривать как разновидность “дерева”, имеющего корень с ответвлением к каждому подключенному устройству.
В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одному ПК. Примерами последовательных конфигураций являются: произвольная (произвольное соединение компьютеров), иерархическая, “кольцо”, “цепочка”, “звезда с интеллектуальным центром”, “снежинка” и другие.
Наиболее оптимальной с точки зрения надежности (возможности функционирования сети при выходе строя отдельных узлов или каналов связи) является полносвязная сеть, т.е. сеть, в который каждый узел сети связан со всеми другими узлами, однако при большом числе узлов такая сеть требует большого количества каналов связи и труднореализуема из-за технических сложностей и высокой стоимости. Поэтому практически все сети являются неполносвязными .
Хотя при заданном числе узлов в неполносвязной сети может существовать большое количество вариантов соединения узлов сети, на практике обычно используется три наиболее широко распространенные (базовые) топологии ЛВС: “звезда”, “общая шина” и “кольцо”.
· шинная , когда все узлы сети подключаются к одному незамкнутому каналу, обычно называемому шиной.
Рис. Топология «Шина»
В данном случае, одна из машин служит в качестве системного обслуживающего устройства, обеспечивающего централизованный доступ к общим файлам и базам данных, печатающим устройствам и другим.вычислительным ресурсам. Сети данного типа приобрели большую популярность благодаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, легкости расширения сети (подключение новых абонентов к сети не сказывается на ее основных характеристиках). К недостаткам шинной топологии следует отнести необходимость использования довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.
· кольцевая , когда все узлы сети подключаются к одному замкнутому кольцевому каналу.
Рис. Топология «Кольцо»
Эта структура сети характеризуется тем, что информация по кольцу может передаваться только в одном направлении и все подключенные ПЭВМ могут участвовать в ее приеме и передаче. При этом абонент-получатель должен пометить полученную информацию специальным маркером, иначе могут появиться «заблудившиеся» данные, мешающие нормальной работе сети.
Как последовательная конфигурация кольцо особенно уязвимо в отношении отказов: выход из строя какого-либо сегмента кабеля приводит к прекращению обслуживания всех пользователей. Разработчики ЛВС приложили немало усилий, чтобы справиться с этой проблемой. Защита от повреждений или отказов обеспечивается либо замыканием кольца на обратный (дублирующий) путь, либо переключением на запасное кольцо. И в том, и в другом случае сохраняется общая кольцевая топология.
· звездообразная , когда все узлы сети подключаются к одному центральному узлу, называемому хостом (host) или хабом (hub).
Рис. Топология «Звезда»
конфигурацию можно рассматривать как дальнейшее развитие структуры «дерево с корнем» с ответвлением к каждому подключенному устройству. В центре сети обычно размещается коммутирующее устройство, обеспечивающее жизнеспособность системы. ЛВС подобной конфигурации находят наиболее частое применение в автоматизированных учрежденческих системах управления, использующих центральную базу данных. Звездообразные ЛВС, как правило, менее надежны, чем сети с общей шиной или иерархические, но эта проблема решается дублированием аппаратуры центрального узла. К недостаткам можно также отнести значительное потребление кабеля (иногда в несколько раз превышающее расход в аналогичных по возможностям ЛВС с общей шиной или иерархических).
Сети могут быть также смешанной топологии (гибридные) , когда отдельные части сети имеют разную топологию. Примером может служить локальная сеть FDDI, в которой основные (магистральные) узлы подключаются к кольцевому каналу, а к ним по иерархической топологии подключаются остальные узлы.
Дисциплина обслуживания компьютерных сетей
По дисциплине обслуживания сети подавляющее большинство современных компьютерных сетей используют технологию "клиент-сервер" (client-server) или одноранговую (peer-to-peer) технологию.
При работе по технологии "клиент-сервер" пользователи делят сетевые ресурсы (такие, как базы данных, файлы или принтеры) с другими пользователями.
Под сервером понимается комбинация аппаратных и программных средств, которая служит для управления сетевыми ресурсами общего доступа. Он обслуживает другие станции, предоставляя общие ресурсы и услуги для совместного использования.
В сетях с выделенным сервером в основном именно ресурсы сервера, чаще всего дисковая память, доступны всем пользователям. Серверы, разделяемым ресурсом которых является дисковая память, называются файл-серверами .
Одной из важных функций сервера является управление очередью заданий работы сетевого принтера. Сетевым принтером пользоваться можно с любой рабочей станции, независимо от места подключения его в сети. То есть каждый пользователь при наличии на это прав может отправить на сетевой принтер материалы, предназначенные для печати. Регулировать очередность доступа к сетевому принтеру будут средства сетевой операционной системы. Компьютер, к которому подключен принтер, в этом случае называется принт-сервером .
Файловый и принт-серверы обычно используются администратором сети и не предназначены для решения прикладных задач. На этих серверах устанавливается сетевая операционная система.
Компьютеры, использующие сетевые ресурсы сервера, называются клиентами. Взаимодействие с серверами прозрачно для пользователя, поскольку компьютер сам определяет место нахождения требуемого ресурса, и сам получает к нему доступ.
Каждый компьютер сети имеет уникальное сетевое имя, позволяющее однозначно его идентифицировать. Для каждого пользователя серверной сети необходимо иметь свое сетевое имя и сетевой пароль. Имена компьютеров, сетевые имена и пароли пользователей прописываются на сервере.
Для удобства управления компьютерной сетью, несколько компьютеров, имеющих равные права доступа, объединяют в рабочие группы .
Общие определения
Для построения компьютерных сетей применяются линии связи, использующие различную физическую среду. В качестве физической среды в коммуникациях используются: металлы (в основном медь), сверхпрозрачное стекло (кварц) или пластик и эфир. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель ««витая пара», коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель и окружающее пространство.
Линии связи , или линии передачи данных – это промежуточная аппаратура и физическая среда, по которой передаются информационные сигналы (данные).
В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи (виртуальных или логических каналов), например путем частотного или временного разделения каналов. Канал связи – это средство односторонней передачи данных. Если линия связи монопольно используется каналом связи, то в этом случае линию связи называют каналом связи .
Канал передачи данных – это средства двухстороннего обмена данными, которые включают в себя линии связи и аппаратуру передачи (приема) данных. Каналы передачи данных связывают между собой источники информации и приемники информации.
В зависимости от физической среды передачи данных линии связи можно разделить следующим образом:
· проводные линии связи без изолирующих и экранирующих оплеток;
· кабельные, где для передачи сигналов используются такие линии связи, как кабели «витая пара», коаксиальные кабели или оптоволоконные кабели;
· беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи), использующие для передачи сигналов электромагнитные волны, которые распространяются по эфиру.
Проводные линии связи
Проводные (воздушные) линии связи используются для передачи телефонных и телеграфных сигналов, а также для передачи компьютерных данных. Эти линии связи применяются в качестве магистральных линий связи.
По проводным линиям связи могут быть организованы аналоговые и цифровые каналы передачи данных. Скорость передачи по проводным линиям «простой старой телефонной линии» (POST – Primitive Old Telephone System) является очень низкой. Кроме того, к недостаткам этих линий относятся плохая помехозащищенность и возможность простого несанкционированного подключения к сети.
Кабельные линии связи
Кабельные линии связи имеют довольно сложную структуру. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции. В компьютерных сетях используются три типа кабелей:
1) витая пара;
2) коаксиальный кабель;
3) оптоволоконный кабель.
Витая пара (twisted pair ) – кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку (рис. 8.2, а). Пары проводов скручиваются между собой с целью уменьшения наводок. Витая пара является достаточно помехоустойчивой. Существует два типа этого кабеля: неэкранированная витая пара (UTP) и экранированная витая пара (STP).
Характерным для этого кабеля является простота монтажа. Данный кабель является самым дешевым и распространенным видом связи, который нашел широкое применение в самых распространенных локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа «звезда». Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя RJ45.
Рис. 8.2. Кабельные линии связи: а – витая пара; б – коаксиальный кабель;
в – оптоволоконный кабель
Кабель используется для передачи данных на скорости 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.
Витая пара обычно используется для связи на расстояние не более нескольких сот метров. К недостаткам кабеля «витая пара» можно отнести возможность простого несанкционированного подключения к сети.
Коаксиальный кабель (coaxial cable ) – это кабель с центральным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (он состоит из медной оплетки или слоя алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией (рис. 8.2, б).
Существует два типа коаксиального кабеля: тонкий коаксиальный кабель диаметром 5–6 мм и толстый коаксиальный кабель диаметром 10–12 мм. У толстого коаксиального кабеля затухание меньше, чем у тонкого. Стоимость коаксиального кабеля выше стоимости витой пары и выполнение монтажа сети сложнее, чем витой парой.
Коаксиальный кабель применяется, например, в локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа «общая шина». Коаксиальный кабель более помехозащищенный, чем витая пара и снижает собственное излучение. Пропускная способность – 50–100 Мбит/с. Допустимая длина линии связи – несколько километров. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее, чем к витой паре.
Оптоволоконный кабель (fiber optic ) – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой.
Оптическое волокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон (рис. 8.2, в). На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование.
Основное преимущество кабеля этого типа – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно. Скорость передачи данных 3 Гбит/c. Основные недостатки оптоволоконного кабеля – это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.
Беспроводные каналы передачи данных (радиоканалы наземной и спутниковой связи)
Радиоканалы наземной (радиорелейной и сотовой) и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн и относятся к технологии беспроводной передачи данных.
Радиорелейные каналы связи состоят из последовательности станций, являющихся ретрансляторами. Связь осуществляется в пределах прямой видимости, дальности между соседними станциями – до 50 км. Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРС) применяются в качестве региональных и местных систем связи и передачи данных, а также для связи между базовыми станциями сотовой связи.
В спутниковых системах используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от наземных станций и ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. В спутниковых сетях используются три основных типа спутников, которые находятся на геостационарных орбитах, средних или низких орбитах. Спутники запускаются, как правило, группами. Разнесенные друг от друга они могут обеспечить охват почти всей поверхности Земли. Целесообразнее использовать спутниковую связь для организации канала связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможности обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках. Пропускная способность высокая – несколько десятков мегабит в секунду.
Линия связи и канал связи – это не одно и то же.
Линия связи (ЛС) – это физическая среда, по которой передаются информационные сигналы. В одной линии связи могут быть организованы несколько каналов связи путем временного, частотного кодового и других видов разделения –тогда говорят о логических (виртуальных) каналах. Если канал полностью монополизирует линию связи, то он может называться физическим каналом, и в этом случае совпадает с линией связи. Хотя допустимо, например, говорить об аналоговом или цифровом канале связи, но абсурдно заявлять об аналоговой или цифровой линии связи, раз линия – лишь физическая среда, в которой могут быть образованы каналы связи разного типа. Тем не менее, даже говоря о физической многоканальной линии, ее часто называют каналом связи. ЛС являются обязательным звеном любой системы передачи информации.
Классификация каналов связи (КС) показана на рис. 1.
Каналы связи
Физическая природа
Механические
Акустические
Оптические
Электрические
Форма передаваемой
Аналоговые информации Цифровые
Направление передаваемой информации
Симплексные
Полудуплексные
Дуплексные
Пропускная способность
Низкоскоростные
Среднескоростные
Высокоскоростные
Наличие коммутации
Коммутируемые
Выделенные
Рис. 1. Классификация каналов связи
По физической природе ЛС и КС на их основе делятся на:
механические – используются для передачи материальных носителей информации;
акустические – переносят звуковой сигнал;
оптические – передают световой сигнал;
электрические – передают электрический сигнал.
Электрические и оптические КС могут быть:
проводными, где для передачи сигналов служат проводниковые линии связи (электрические провода, кабели, световоды и т. д.);
беспроводными (радиоканалы, инфракрасные каналы и т. д.), использующими для передачи сигналов электромагнитные волны, распространяющиеся по эфиру.
По форме представления передаваемой информации КС делятся на:
аналоговые – по аналоговым каналам передается информация, представленная в непрерывной форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины;
цифровые – по цифровым каналам пересылается информация, представленная в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов той или иной физической природы.
В зависимости от возможных направлений передачи информации различают:
симплексные КС, позволяющие передавать информацию только в одном направлении;
полудуплексные КС, обеспечивающие попеременную передачу информации в прямом и в обратном направлениях;
дуплексные КС, позволяющие вести передачу информации одновременно и в прямом, и в обратном направлениях.
Каналы связи могут быть, также:
коммутируемыми;
некоммутируемыми.
Коммутируемые каналы создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации; по окончании сеанса связи такой канал ликвидируется (разрывается).
Некоммутируемые (выделенные) каналы организуются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.
По пропускной способности их можно разделить на:
низкоскоростные КС, скорость передачи информации в которых составляет от 50 до 200 бит/с; это телеграфные КС, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
среднескоростные КС, например аналоговые (телефонные) КС; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах v.90-v.92 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и до 56 000 бит/с;
высокоскоростные (широкополосные) КС, обеспечивающие скорость передачи информации выше 56 000 бит/с.
Следует особо отметить, что телефонный КС является более узкополосным, чем телеграфный, но скорость передачи данных по нему выше благодаря обязательному наличию модема, существенно снижающего Fc передаваемого сигнала. При простом кодировании максимально достижимая скорость передачи данных по аналоговым каналам не превосходит 9600 бод = 9600 бит/с. Применяемые в настоящее время сложные протоколы кодирования передаваемых данных используют не два, а несколько значений параметра сигнала для отображения элемента данных, и позволяют достичь скорости передачи данных по аналоговым телефонным линиям связи 56 Кбит/с = 9600 бод.
По цифровым КС, организованным на базе телефонных линий, скорость передачи данных благодаря уменьшению Fc и увеличению Не оцифрованного сигнала также может быть выше (до 64 Кбит/с), а при мультиплексировании нескольких цифровых каналов в один в таком составном КС скорость передачи способна удваиваться, утраиваться и т. д.; существуют подобные каналы со скоростями в десятки и сотни мегабитов в секунду.
Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескорост-ных КС обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных ("витая пара") проводов.
Для организации широкополосных КС используются различные кабели, в частности:
неэкранированные с витыми парами из медных проводов (Unshielded Twisted Pair – UTP);
экранированные с витыми парами из медных проводов (Shielded Twisted Pair – STP);
коаксиальные (Coaxial Cable – CC);
волоконно-оптические (Fiber Optic Cable – FOC);
беспроводные радиоканалы.
Витая пара – это изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такой кабель, состоящий обычно из небольшого количества витых пар (двух или четырех), характеризуется меньшим затуханием сигнала при передаче на высоких частотах и меньшей чувствительностью к электромагнитным наводкам, чем параллельная пара проводов.
UTP -кабели чаще других используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях. Выделяют пять категорий витых пар UTP: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая – при скоростях передачи соответственно до 16, 25 и 155 Мбит/с (а при использовании стандарта технологии Gigabit Ethernet на витой паре, введенного в 1999 году, и до 1000 Мбит/с). При хороших технических характеристиках эти кабели сравнительно недороги, они удобны в работе, не нуждаются в заземлении.
STP -кабели обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют высокую стоимость, жестки и неудобны в работе и требуют заземления экрана. Они делятся на типы: Type 1A, Type 2A, Туре 3А, Type 5A, Type 9A. Из них Туре 3А определяет характеристики неэкранированного телефонного кабеля, a Type 5A т-волоконно-оптического кабеля. Наиболее популярен кабель Type 1A стандарта IBM, состоящий из двух пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которую положено заземлять. Его характеристики примерно соответствуют характеристикам UTP-кабеля категории 5.
Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оплеткой. Коаксиальные кабели для телекоммуникаций делятся на две группы:
"толстые" коаксиалы;
"тонкие" коаксиалы.
Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 12,5 мм и достаточно толстый проводник (2,17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и механические характеристики. Скорость передачи данных по толстому коаксиальному кабелю достаточно высокая (до 50 Мбит/с), но, учитывая определенное неудобство работы с ним и его значительную стоимость, рекомендовать его для использования в сетях передачи данных можно далеко не всегда. Тонкий коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 5-6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0,9 мм) обусловливает худшие электрические (передает сигнал с допустимым затуханием на меньшее расстояние) и механические характеристики. Рекомендуемые скорости передачи данных по "тонкому" коаксиалу не превышают 10 Мбит/с.
Основу волоконно-оптического кабеля составляют "внутренние подкабели" – стеклянные или пластиковые волокна диаметром 8-10 (одномодовые – однолучевые) и 50-60 (многомодовые – многолучевые) микрон, окруженные твердым заполнителем и помещенные в защитную оболочку диаметром 125 мкм. В одном кабеле может содержаться от одного до нескольких сотен таких "внутренних подкабелей". Кабель, в свою очередь, окружен заполнителем и покрыт более толстой защитной оболочкой, между которыми проложены кевларовые волокна, принимающие на себя обеспечение механической прочности кабеля.
По одномодовому волокну (диаметр их 8-10 мкм) оптический сигнал распространяется, почти не отражаясь от стенок волокна (входит в волокно параллельно его стенкам), чем обеспечивается очень широкая полоса пропускания (до сотен гигагерц на километр). По многомодовому волокну (его диаметр 40-100 мкм) распространяются сразу много волн различной длины, каждая из которых входит в волокно под своим углом и, соответственно, отражается от стенок волокна в разных местах (полоса пропускания многомодового волокна 500-800 МГц на километр).
Источником распространяемого по оптоволоконному кабелю светового луча является преобразователь электрических сигналов в оптические, например светодиод или полупроводниковый лазер. Кодирование информации осуществляется изменением интенсивности светового луча. Физической основой передачи светового луча по волокну является принцип полного внутреннего отражения луча от стенок волокна, обеспечивающий минимальное затухание сигнала, наивысшую защиту от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи. По оптоволоконному кабелю, имеющему большое число волокон, можно передавать огромное количество сообщений. На другом конце кабеля принимающий прибор преобразует световые сигналы в электрические. Скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю очень высока и достигает величины 1000 Мбит/с, но он очень дорог и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи. Такой кабель связывает столицы и крупные города большинства стран мира, а по дну Атлантического океана проложен кабель между Европой и Америкой. Оптоволоконный кабель соединяет Санкт-Петербург с Москвой, прибалтийскими и скандинавскими странами, кроме того, он проложен в тоннелях метро и проникает во все районы Санкт-Петербурга. В вычислительных сетях, и в частности, в сети Интернет оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных их участках. Возможности оптоволоконных каналов поистине безграничны: по одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сот тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных каналов и около тысячи телевизионных каналов.
Радиоканал – это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Система передачи данных (СПД) по радиоканалу включает в себя радиопередатчик и радиоприемник, настроенные на один и тот же радиоволновой диапазон, который определяется частотной полосой электромагнитного спектра, используемой для передачи данных. Часто такую СПД называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемо-передающей аппаратуры). Высокоскоростной радиодоступ предоставляет пользователям каналы со скоростью передачи 2 Мбит/с и выше. В ближайшем будущем ожидаются радиоканалы со скоростями 20-50 Мбит/с.
Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и оперативность связи. В вычислительных сетях беспроводные каналы связи для передачи данных используются чаще всего там, где применение традиционных кабельных технологий затруднено или просто невозможно. Но в ближайшем будущем ситуация может измениться – активно распространяется новая технологии беспроводной связи Bluetooth.
Bluetooth – это технология передачи данных по радиоканалам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости.
Общеупотребительными и уже достаточно известными являются соединения электронной аппаратуры между собой при помощи инфракрасного канала связи. Но эти соединения требуют прямой видимости. Например, пультом дистанционного управления телевизором невозможно воспользоваться, если между вами и телевизором оказался хотя бы лист газетной бумаги.
Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива инфракрасным соединениям между различными портативными устройствами. Но сейчас специалисты предсказывают уже два направления широкого использования Bluetooth. Первое – это домашние сети, включающие в себя различную электронную технику, в частности компьютеры, телевизоры и т. п. Второе, гораздо более важное, направление – локальные сети офисов небольших фирм, где стандарт Bluetooth позиционируется как замена традиционных проводных технологий.
Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных – она не превышает 720 Кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу видеосигнала.
Телефонные линии связи являются наиболее разветвленными и широко используемыми. По ним осуществляется передача звуковых (тональных) и факсимильных сообщений, они являются основой построения информационно-справочных систем, систем электронной почты и вычислительных сетей.
По телефонным линиям могут быть организованы и аналоговые, и цифровые каналы передачи информации. Рассмотрим этот вопрос, ввиду его высокой актуальности, несколько подробнее.
"Простая старая телефонная система", в англоязычной аббревиатуре POTS (Primitive Old Telephone System), состоит из двух частей: магистральной системы связи и сети доступа абонентов к ней. Самый обычный вариант доступа абонентов к магистральной системе – через абонентский аналоговый канал связи. Большинство телефонных аппаратов подключаются к автоматической телефонной станции (АТС), являющейся уже элементом магистральной системы.
Телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц, в диапазоне от 300 Гц до 3,3 кГц. При снятии телефонной трубки формируется сигнал off-hook, сообщающий АТС о вызове, и, если телефонная станция не занята, набирается нужный телефонный номер, который передается в АТС в виде последовательности импульсов (при импульсном наборе) или в виде комбинации сигналов звуковой частоты (при тональном наборе). Завершается разговор сигналом on-hook, формируемым при опускании трубки. Такой тип процедуры вызова называется in band, поскольку передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.
Каналы связи (КС) служат для передачи сигнала и являются общим звеном любой системы передачи информации.
По физической природе каналы связи подразделяются на механические, используемые для передачи материальных носителей информации, акустические , оптические и электрические , передающие соответственно звуковые, световые и электрические сигналы.
Электрические и оптические каналы связи в зависимости от способа передачи сигналов можно подразделить на проводные, использующие для передачи сигналов физические проводники (электрические провода, кабели, световоды), и беспроводные, использующие для передачи сигналов электромагнитные волны (радиоканалы, инфракрасные каналы).
По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые , по которым информация передается в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, и цифровые, передающие информацию, представленную в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов различной физической природы.
В зависимости от возможных направлений передачи информации каналы связи подразделяются на симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении; полудуплексные , обеспечивающие попеременную передачу информации как в прямом, так и в обратном направлениях; дуплексные , позволяющие вести передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях.
Каналы связи бывают коммутируемые , которые создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации, а по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется), и некоммутируемые (выделенные), создаваемые на длительное время и имеющие постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.
Широко используемые в автоматизированных системах обработки информации и управления электрические проводные каналы связи различаются по пропускной способности:
низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) каналы связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V.32 - V.34 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и от 14400 до 56 000 бит/с;
высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации свыше 56 000 бит/с.
Для передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС физической средой обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных проводов, называемых витая пара. Она представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения как перекрестных электромагнитных наводок, так и затухания сигнала при передаче на высоких частотах.
Для организации высокоскоростных (широкополосных) КС используются различные кабели:
Экранированные с витыми парами из медных проводов;
Неэкранированные с витыми парами из медных проводов;
Коаксиальные;
Оптоволоконные.
STP-кабели (экранированные с витыми парами из медных проводов) имеют хорошие технические характеристики, но неудобны в работе и дороги.
UTP-кабели (неэкранированные с витыми парами из медных проводов) довольно широко используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях.
Выделяют пять категорий витых пар: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с. Эти кабели обладают хорошими техническими характеристиками, сравнительно недороги, удобны в работе, не требуют заземления.
Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю довольно высокая (до 300 Мбит/с), но он недостаточно удобен в работе и имеет высокую стоимость.
Оптоволоконный кабель (рис. 8.2) состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрометров (свето-ведущая жила) с высоким показателем преломления п с, окруженных изоляцией с низким показателем преломления n 0 и помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку. На рис. 8.2, а показано распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля, а на рис. 8.2, б - схема распространения лучей. Источником излучения, распространяемого по оптоволоконному кабелю, является светодиод или полупроводниковый лазер, приемником излучения - фотодиод, который преобразует световые сигналы в электрические. Передача светового луча по волокну основана на принципе полного внутреннего отражения луча от стенок световедущей жилы, за счет чего обеспечивается минимальное затухание сигнала.
Рис. 8.2. Распространение лучей по оптоволоконному кабелю:
а - распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля;
б - схема распространения лучей
Кроме того, оптоволоконные кабели обеспечивают защиту передаваемой информации от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи до 1000 Мбит/с. Кодирование информации осуществляется с помощью аналоговой, цифровой или импульсной модуляции светового луча. Оптоволоконный кабель достаточно дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи, например, проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных участках, в частности, в Internet. По одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сотен тысяч телефонных, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов связи.
Высокоскоростные КС организуются на базе беспроводных радиоканалов.
Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Для формирования радиоканала используются радиопередатчик и радиоприемник. Скорости передачи данных по радиоканалу практически ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры. Радиоволновый диапазон определяется используемой для передачи данных частотной полосой электромагнитного спектра. В табл. 8.1 представлены диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы.
Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902 - 928 МГц и 2,40 - 2,48 ГГц.
Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и быстроту реакции.
Телефонные линии связи наиболее разветвлены и распространены. Они осуществляют передачу звуковых (тональных) и факсимильных сообщений. На базе телефонной линии связи построены информационно-справочные системы, системы электронной почты и вычислительных сетей. На базе телефонных линий могут быть созданы аналоговые и цифровые каналы передачи информации.
В аналоговых телефонных линиях телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц (диапазон 300 Гц -3,3 кГц). Передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.
В цифровых каналах связи аналоговый сигнал перед вводом дискретизируется - преобразуется в цифровую форму: каждые 125 мкс (частота дискретизации равна 8 кГц) текущее значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом.
Таблица 8.1
Диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы
