Основы локальных сетей

         

Типы линий передачи, в которых


Однопроводная линия – самая простая из возможных линий последовательной передачи данных (см. рис. 17.3). Из-за большого территориального удаления передатчика от приемника в сети (до нескольких сотен метров или даже свыше километра) возникает заметная разница потенциалов между точками заземления аппаратуры и возрастает влияние ничем не скомпенсированных помех. Поэтому на практике такие линии передачи в сетях не используются.


Рис. 17.3.  Однопроводная линия передачи (при симплексном режиме обмена данными)

Обычную линию силового электропитания на 220 В (электропроводку) в последнее время успешно используют для организации двунаправленной системы домашней автоматики, связывающей различные бытовые приборы (осветительные приборы, стиральную машину, телевизор и др.) и датчики (температуры, потребляемой мощности и др.). Цель состоит как в управлении этими приборами, так и в сигнализации об опасных ситуациях (пожар, утечка газа и т.д.). "Побочное" использование электропроводки для организации домашней локальной сети напрашивается само собой, однако при этом надо иметь в виду далеко неидеальные характеристики такой линии. Измерения на реальных линиях электропроводки в диапазоне частот 100...150 кГц, наиболее перспективном для передачи данных, показали существенный разброс модуля импеданса линии (1,5...80 Ом), затухания (2...40 дБ) и уровня шума (до –15 дБ). Эти характеристики существенно зависят от количества одновременно включенных бытовых приборов.


Для организации домашней локальной сети, использующей линию электропроводки, необходимы специальные модемы (power line modems). Первоначально скорость передачи информации по линии электропроводки была невысокой – до 10 Кбит/c или несколько больше. В такой сети устройства обмениваются данными примерно с такими же скоростями, как если бы это происходило в сети Интернет, хотя и находятся в соседних помещениях. Это не столь важно при обмене цифровыми данными, однако может создавать проблемы при передаче оцифрованной речи и изображений (особенно динамических). Недавно появился промышленный стандарт передачи данных по бытовой сети со скоростями передачи, характерными для сетей Ethernet (до 14 Мбит/c). Ранее область действия обычной сети домашней автоматики ограничивалась расстоянием до распределительного трансформатора. Новым стандартом предусмотрена возможность подключения локальной сети на основе электропроводки непосредственно к Интернет (минуя телефонную сеть). В некоторых странах Европы (Германия, Австрия) такая возможность, пусть и в ограниченном масштабе, уже реализована на практике.

Двухпроводная телефонная линия в пределах отдельных зданий представляет собой простой двухжильный провод (симметричный кабель), но и это уже прогресс по сравнению с рассмотренной ранее однопроводной линией, так как отсчет принятого сигнала ведется не от потенциала "земли", а от второго провода в линии. В таких линиях просто организуется симплексный и полудуплексный режим обмена данными, в то время как дуплексный обмен возможен только ценою снижения скорости передачи (при частотном или временном разделении "прямого" и "обратного" каналов).




Если учесть ограниченную полосу пропускания аналоговой телефонной линии, то выделение в ней "прямого" и "обратного" каналов с равными скоростями обмена в обоих направлениях оказывается неэффективным решением. Правда иногда требуется передавать в одном из направлений служебную информацию (сообщение о состоянии удаленного модема, его режимах работы и др.), для которой скорость передачи некритична. Тогда параллельный канал может быть организован практически без потери скорости по основному каналу.

Четырехпроводная телефонная линия преодолевает недостаток обычной двухпроводной линии, так как позволяет организовать дуплексный обмен без потери скорости в обоих направлениях. Однако линии такого типа не столь широко распространены, как двухпроводные (тем более в России).

Многопарный телефонный кабель используется в магистральной части телефонной линии (для внешних соединений) и отличается от "внутренних" телефонных линий большей полосой пропускания, которая необходима для уплотнения множества телефонных каналов.

Линии на основе коаксиального кабеля, применяемые в системах кабельного телевидения (CATV), подобны соединениям во многих локальных сетях. В этих линиях используется еще один тип специализированных модемов, "заслуживших" собственное название: cable modems. Обычный телевизионный сигнал и цифровые данные при передаче по кабелю должны быть разнесены по разным частотным диапазонам. Поэтому увеличение скорости не такое заметное, как в локальных сетях, монопольно использующих высокочастотные кабели (100 Мбит/с в сетях типа Fast Ethernet и др.).




Компромиссное решение для локальных сетей, основанных на системах кабельного телевидения, состоит в выборе неравных скоростей при передаче запросов от пользователя в сеть (до 10 Мбит/с) и при получении информации в обратном направлении (до 40 Мбит/с). Безусловно вторая скорость важнее.

Основные области применения модемов данного типа – доступ к Интернет, передача видео- и аудио-трафика, IP-телефония (голос и факсы) по виртуальным частным сетям (VPN).

Цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Loop – xDSL) постепенно замещают аналоговые телефонные линии. Общие преимущества от перехода к цифровым методам обработки сигналов в данном случае дополняются заметным увеличением максимально доступной скорости передачи и реализацией постоянных (некоммутируемых) соединений. Некоторые из вариантов xDSL требуют использования четырехпроводной линии, другие могут функционировать на обычных двухпроводных линиях. Это позволяет организовать высокоскоростную передачу данных, не прибегая к замене старых абонентских линий и прокладке новых выделенных каналов. Повышение скорости достигается за счет более полного использования полосы пропускания линии и усложнения алгоритма обработки передаваемой информации, в том числе ее уплотнения. При этом необходима замена оборудования в магистральной части линии и применение xDSL – модемов со стороны пользователя и провайдера.

Различные варианты xDSL – технологий перечислены ниже:

  • HDSL – высокоскоростные цифровые абонентские линии;
  • ADSL – асимметричные цифровые абонентские линии;
  • ISDL – ISDN цифровые абонентские линии;
  • SDSL – симметричные высокоскоростные цифровые абонентские линии;
  • VDSL – Very HDSL;
  • RADSL – цифровые абонентские линии с подстройкой скорости передачи данных;
  • UADSL – универсальные асимметричные цифровые абонентские линии.




Наиболее "старые" ISDN цифровые абонентские линии появились за рубежом около 20-ти лет назад. При работе на 2-проводной линии они обеспечивают для пользователя скорость передачи до 128 Кбит/с (поток данных в линии до 160 Кбит/с). В нашей стране наибольшее распространение получили 2 варианта xDSL – технологий:

  • ADSL, для которой скорость потока данных в сторону пользователя (абонента) составляет от 8 до 1,5 Мбит/с, а в обратную сторону – от 1,5 Мбит/с до 640 Кбит/с. На практике из-за снижения качества линий на участке "последней мили" и влияния перекрестных помех реальная скорость в сторону пользователя может оказаться ниже 1 Мбит/с.
  • SDSL, для которой скорость в обоих направлениях достигает 2 Мбит/с (реально по Москве средняя скорость составляет 1,5 Мбит/с).




Однопроводная линия – самая простая из возможных линий последовательной передачи данных (см. рис. 17.3). Из-за большого территориального удаления передатчика от приемника в сети (до нескольких сотен метров или даже свыше километра) возникает заметная разница потенциалов между точками заземления аппаратуры и возрастает влияние ничем не скомпенсированных помех. Поэтому на практике такие линии передачи в сетях не используются.


Рис. 17.3.  Однопроводная линия передачи (при симплексном режиме обмена данными)

Обычную линию силового электропитания на 220 В (электропроводку) в последнее время успешно используют для организации двунаправленной системы домашней автоматики, связывающей различные бытовые приборы (осветительные приборы, стиральную машину, телевизор и др.) и датчики (температуры, потребляемой мощности и др.). Цель состоит как в управлении этими приборами, так и в сигнализации об опасных ситуациях (пожар, утечка газа и т.д.). "Побочное" использование электропроводки для организации домашней локальной сети напрашивается само собой, однако при этом надо иметь в виду далеко неидеальные характеристики такой линии. Измерения на реальных линиях электропроводки в диапазоне частот 100...150 кГц, наиболее перспективном для передачи данных, показали существенный разброс модуля импеданса линии (1,5...80 Ом), затухания (2...40 дБ) и уровня шума (до –15 дБ). Эти характеристики существенно зависят от количества одновременно включенных бытовых приборов.




Для организации домашней локальной сети, использующей линию электропроводки, необходимы специальные модемы (power line modems). Первоначально скорость передачи информации по линии электропроводки была невысокой – до 10 Кбит/c или несколько больше. В такой сети устройства обмениваются данными примерно с такими же скоростями, как если бы это происходило в сети Интернет, хотя и находятся в соседних помещениях. Это не столь важно при обмене цифровыми данными, однако может создавать проблемы при передаче оцифрованной речи и изображений (особенно динамических). Недавно появился промышленный стандарт передачи данных по бытовой сети со скоростями передачи, характерными для сетей Ethernet (до 14 Мбит/c). Ранее область действия обычной сети домашней автоматики ограничивалась расстоянием до распределительного трансформатора. Новым стандартом предусмотрена возможность подключения локальной сети на основе электропроводки непосредственно к Интернет (минуя телефонную сеть). В некоторых странах Европы (Германия, Австрия) такая возможность, пусть и в ограниченном масштабе, уже реализована на практике.

Двухпроводная телефонная линия в пределах отдельных зданий представляет собой простой двухжильный провод (симметричный кабель), но и это уже прогресс по сравнению с рассмотренной ранее однопроводной линией, так как отсчет принятого сигнала ведется не от потенциала "земли", а от второго провода в линии. В таких линиях просто организуется симплексный и полудуплексный режим обмена данными, в то время как дуплексный обмен возможен только ценою снижения скорости передачи (при частотном или временном разделении "прямого" и "обратного" каналов).




Если учесть ограниченную полосу пропускания аналоговой телефонной линии, то выделение в ней "прямого" и "обратного" каналов с равными скоростями обмена в обоих направлениях оказывается неэффективным решением. Правда иногда требуется передавать в одном из направлений служебную информацию (сообщение о состоянии удаленного модема, его режимах работы и др.), для которой скорость передачи некритична. Тогда параллельный канал может быть организован практически без потери скорости по основному каналу.

Четырехпроводная телефонная линия преодолевает недостаток обычной двухпроводной линии, так как позволяет организовать дуплексный обмен без потери скорости в обоих направлениях. Однако линии такого типа не столь широко распространены, как двухпроводные (тем более в России).

Многопарный телефонный кабель используется в магистральной части телефонной линии (для внешних соединений) и отличается от "внутренних" телефонных линий большей полосой пропускания, которая необходима для уплотнения множества телефонных каналов.

Линии на основе коаксиального кабеля, применяемые в системах кабельного телевидения (CATV), подобны соединениям во многих локальных сетях. В этих линиях используется еще один тип специализированных модемов, "заслуживших" собственное название: cable modems. Обычный телевизионный сигнал и цифровые данные при передаче по кабелю должны быть разнесены по разным частотным диапазонам. Поэтому увеличение скорости не такое заметное, как в локальных сетях, монопольно использующих высокочастотные кабели (100 Мбит/с в сетях типа Fast Ethernet и др.).




Компромиссное решение для локальных сетей, основанных на системах кабельного телевидения, состоит в выборе неравных скоростей при передаче запросов от пользователя в сеть (до 10 Мбит/с) и при получении информации в обратном направлении (до 40 Мбит/с). Безусловно вторая скорость важнее.

Основные области применения модемов данного типа – доступ к Интернет, передача видео- и аудио-трафика, IP-телефония (голос и факсы) по виртуальным частным сетям (VPN).

Цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Loop – xDSL) постепенно замещают аналоговые телефонные линии. Общие преимущества от перехода к цифровым методам обработки сигналов в данном случае дополняются заметным увеличением максимально доступной скорости передачи и реализацией постоянных (некоммутируемых) соединений. Некоторые из вариантов xDSL требуют использования четырехпроводной линии, другие могут функционировать на обычных двухпроводных линиях. Это позволяет организовать высокоскоростную передачу данных, не прибегая к замене старых абонентских линий и прокладке новых выделенных каналов. Повышение скорости достигается за счет более полного использования полосы пропускания линии и усложнения алгоритма обработки передаваемой информации, в том числе ее уплотнения. При этом необходима замена оборудования в магистральной части линии и применение xDSL – модемов со стороны пользователя и провайдера.

Различные варианты xDSL – технологий перечислены ниже:

  • HDSL – высокоскоростные цифровые абонентские линии;
  • ADSL – асимметричные цифровые абонентские линии;
  • ISDL – ISDN цифровые абонентские линии;
  • SDSL – симметричные высокоскоростные цифровые абонентские линии;
  • VDSL – Very HDSL;
  • RADSL – цифровые абонентские линии с подстройкой скорости передачи данных;
  • UADSL – универсальные асимметричные цифровые абонентские линии.




Наиболее "старые" ISDN цифровые абонентские линии появились за рубежом около 20-ти лет назад. При работе на 2-проводной линии они обеспечивают для пользователя скорость передачи до 128 Кбит/с (поток данных в линии до 160 Кбит/с). В нашей стране наибольшее распространение получили 2 варианта xDSL – технологий:

  • ADSL, для которой скорость потока данных в сторону пользователя (абонента) составляет от 8 до 1,5 Мбит/с, а в обратную сторону – от 1,5 Мбит/с до 640 Кбит/с. На практике из-за снижения качества линий на участке "последней мили" и влияния перекрестных помех реальная скорость в сторону пользователя может оказаться ниже 1 Мбит/с.
  • SDSL, для которой скорость в обоих направлениях достигает 2 Мбит/с (реально по Москве средняя скорость составляет 1,5 Мбит/с).

Линии на основе оптоволоконного кабеля практически снимают скоростные ограничения для всех видов информации (включая динамические изображения высокого разрешения). Это – технология будущего, которая не нашла широкого применения в районах с уже сложившейся инфраструктурой. Причина в том, что необходимо вкладывать дополнительные средства в организацию "последней мили". Зачастую прокладку оптических сетей делает невозможной архитектура построенных несколько лет назад зданий. В таких случаях гораздо дешевле применять старый и проверенный xDSL. При строительстве же новых зданий оптические технологии "последней мили" прочно заняли свою нишу и реально используются в странах Юго-Восточной Азии и континентальной Америки.




Беспроводные (радио-) линии привлекательны для тех пользователей, которые не имеют фиксированного рабочего места (учащиеся институтов и университетов, инженеры на производстве и т.д.). Обычно в локальной сети стационарные проводные участки (сегменты) сочетаются с удаленными пользователями или сегментами, обслуживаемыми с помощью радио-модемов (radio modems). Высокая частота несущей (2000...2500 МГц) выбирается из условия малого влияния на передаваемую информацию погодных условий. Возможны также варианты с использованием других диапазонов, расположенных как ниже, так и выше по оси частот. Полоса используемых частот, которая определяет достижимую скорость передачи, ограничена как из-за влияния помех, так и вследствие общей занятости радио-диапазонов. В результате максимальная скорость передачи по беспроводным линиям составляет примерно 2 Мбит/с. Следует заметить, что беспроводная связь на высоких частотах (свыше ~ 900 МГц) устойчиво работает только в условиях прямой видимости абонентов (отсутствия препятствий для радиоволн) на расстоянии до 50 км.

Линии передачи с использованием искусственных спутников Земли в качестве ретрансляторов сигналов в глобальных или региональных компьютерных сетях в целом напоминают наземные варианты беспроводных линий. Для передачи в разных направлениях теперь используются две частоты несущей: 6/4 ГГЦ (другой вариант – 14/12 ГГц). Однако скорость передачи обычно не превышает 50 Мбит/с. Основная проблема в таких линиях связана с заметной временной задержкой сигналов, передаваемых по длинному маршруту.




Например, при числе работающих абонентов, равном 100, применяемый алгоритм временного разделения каналов (TDMA) приводит к величине временной задержки 100*2*(37100 км/300000 км/с) 24 с. Для компенсации этой задержки, создающей дискомфорт при "живом" общении, используются специальные наземные станции-накопители информации SDU (Satellite Delay compensation Unit).

Перечисление линий передачи, в которых применяются модемы, можно продолжить. Стоит упомянуть технологии HPNA (Ethernet на телефонной линии) и Bluetooth (высокоскоростная беспроводная технология). Однако разрешение вопроса о том, какая из упомянутых или еще "не заявившая" о себе технологий найдет широкое применение на практике – это проблема прогнозирования, которое не может дать ответ со 100-процентной гарантией по определению. Кроме ограниченной развитости линий (например, отечественные телевизионные кабельные сети), сдерживающими факторами могут быть технические особенности отдельных линий (в частности, ограничение области действия сети на основе силовой проводки пределами тех помещений, которые "питаются" от одного силового трансформатора). Как уже отмечалось, стоимость специфических модемов (типа power line modems, cable modems или radio modems) в настоящее время достаточно высока в сравнении со стоимостью обычных телефонных модемов. Наконец, такие глобальные линии передачи, которые используют искусственные спутники Земли, не всегда доступны рядовому пользователю, хотя неявно их эксплуатируют многие пользователи Интернет.




С достаточной уверенностью можно утверждать, что в ближайшие несколько лет в отечественных условиях будут преобладать решения на основе обычной телефонной линии, то есть модемы, удовлетворяющие стандартам V.34, V.90 и V.92. Более производительные подключения по цифровым линиям xDSL сначала станут широко использоваться в корпоративных сетях, а затем, по мере снижения цен – также и рядовыми пользователями. Этот прогноз может скорректировать появление в ближайшем будущем доступных (в том числе по цене) оптоволоконных линий и аппаратуры для передачи по ним данных (как у провайдеров, так и у конечных пользователей), что в настоящее время представляется маловероятным.

Среди наиболее распространенных при модемной связи телефонных линий есть такие их разновидности и такие режимы работы, которые, опять же, не всегда доступны на практике. Ниже в двух колонках представлены желательные типы и режимы работы телефонных линий, а справа – доступные широкому кругу пользователей (применительно к отечественным условиям).

Четырехпроводные телефонные линииДвухпроводные телефонные линии
Выделенные (leased) линииПереключаемые (switched) линии
Многоточечные (many-points) линииДвухточечные (point-to-point) линии
Линии с тональным набором номера (tone dial)Линии с импульсным набором номера (pulse dial)

В современных стандартах для модемов (например, в стандарте V.34) предусматривается возможность работы на двухпроводных переключаемых двухточечных линиях, широко распространенных во всем мире. При работе на выделенных линиях, аренда которых из-за высоких цен считается оправданной только при достаточно высокой и постоянной во времени загрузке (трафике), а также при использовании довольно популярных (но не в России) линий с тональным набором номера существенно снижается уровень помех, и более полно реализуются скоростные возможности модемов. Многоточечные линии обеспечивают дополнительный сервис – возможность одновременного подключения к линии нескольких пользователей для проведения так называемых "селекторных совещаний", в отличии от случающегося иногда многоточечного соединения в обычной линии с прослушиванием посторонних абонентов.

В отношении качества отечественных телефонных линий высказываются обоснованные претензии, связанные с искажениями сигналов из-за множества факторов.

Значительную долю искажений вносят абонентские линии:

  • затухание (уменьшение мощности) полезного сигнала;
  • изменение амплитудно-частотной характеристики по сравнению со стандартными требованиями (изменение мощности сигнала в зависимости от частоты), причем высокочастотные сигналы затухают более сильно;
  • импеданс линии при нормативе 600 Ом ±20% в реальных линиях может лежать в диапазоне от 400 до 1800 Ом. Это означает, что в российских условиях преимущество имеют модемы с перестраиваемым выходным сопротивлением;
  • постоянное напряжение смещения (то самое, благодаря которому работают микрофоны) может иметь значительные отклонения от номинала.

При междугородней связи наибольшее влияние оказывают участки переприема, в которых происходит преобразование сигналов из высокочастотных, передаваемых по магистральным линиям с использованием частотного уплотнения каналов, в сигналы звукового диапазона 300..3400 Гц и наоборот. Общее число таких участков может доходить до 8....12. Вносимые искажения во многом зависят от качества настройки полосовых фильтров на телефонных станциях. Основные искажения:

  • фазочастотные искажения (отклонение группового времени прохождения относительно его значения на частоте 1900 Гц);
  • дополнительные амплитудно-частотные искажения (затухание на краях полосы пропускания);
  • смещение несущей частоты (спектр сигнала равномерно смещается на несколько герц);
  • джиттер фазы (дрожание фазы по периодическому или случайному закону);
  • скачки фазы (случайный поток скачкообразных изменений начальной фазы сигнала).

Существует еще целый ряд искажений, которые могут возникнуть на всем пути сигнала: шумы, импульсные помехи, замирание сигнала – временное уменьшение его мощности до уровня ниже распознавания модемом, колебания амплитуды и др.

"Ответ" модема на все эти искажения, независимо от их природы и места возникновения, один и тот же – снижение реальной скорости передачи, вплоть до временного прекращения связи в процессе автоматической адаптации модема к характеристикам линии (см. последующие пункты данного раздела). Так, если рассматривать влияние на скорость передачи только отношения сигнал-шум по мощности S/N, то, как следует из графика на рис. 17.2, даже для достижения сравнительно "скромной" скорости на уровне 10 Кбит/с в соответствии со стандартом V.34 требуемое отношение сигнал-шум должно быть больше 15 дБ. Измерения на реальных отечественных телефонных линиях, особенно при междугородней связи, показывают возможность снижения отношения сигнал-шум и до меньших величин.

<



Содержание раздела







Forekc.ru
Рефераты, дипломы, курсовые, выпускные и квалификационные работы, диссертации, учебники, учебные пособия, лекции, методические пособия и рекомендации, программы и курсы обучения, публикации из профильных изданий