Главная Главная по ССПД

2. Принципы функционирования физической среды передачи данных


В этой главе мы рассмотрим самый нижний уровень в иерархии сетевых протоколов. Мы начнем со знакомства с теоретическими принципами передачи данных, чтобы уяснить те физические законы, которые ограничивают наши возможности передавать данных по какому-либо физическому каналу.

2.1 Теоретические основы передачи данных

2.1.1 Ограничения на пропускную способность передачи сигналов

Передача любого символа, в закодированной форме, суть воспроизведение некоторой функции , где - время, а значение этой функции определяет изменение тока или напряжения. Первая проблема как представлять такие функции ? Решение - разложение в ряд Фурье.

g(t)= (1)

Ни в какой среде сигнал не может передаваться без потери энергии. Разные среды искажают разные гармоники по разному. С ростом частоты искажения растут. Отсюда всякая среда передачи ограничивает частоту гармоник, которые можно использовать для аппроксимации . Тем самым ухудшается аппроксимация (точность воспроизведения формы) и понижается скорость передачи.

Пример передачи с разным числом гармоник.

(рис.2-1)

Пусть мы хотим передать символ b в ASCII коде - 01100010. На рис.2-1 а показаны форма сигнала и основные гармоники. Коэффициенты этих гармоник могут быть получены из (1) в следующей форме, а их амплитуды - среднеквадратичное их величин.

На рис.2-1 b-e показана форма передаваемого сигнала, в зависимости от количества используемых гармоник. Скорость передачи зависит от способа кодирования и сигнальной скорости - скорости изменения значения сигнала. Эта скорость изменений в секунду измеряется в бот. Если скорость передачи b бот, то это не означает, что передается b bps. Многое зависит кодирования: одно изменение значения может кодировать сразу несколько бит. Если используется 7 значений сигнала, то каждое изменение его значения кодирует сразу 3 бита. Если используется только два значения сигнала, то скорость в битах равна скорости в ботах.

Если есть линия со скоростью b bps, то для передачи 8 бит потребуется b/8 секунд. Следовательно частота первой гармоники будет 8/b Гц. Телефонная линия позволяет передавать с максимальной частотой 3 000 Гц. Максимальное число гармоник может быть 3000 8/b = 24000/b. Например, если мы хотим передавать данные со скоростью 9600 bps, то сможем использовать не более 2 гармоник, т.е. сигнал, как на 2-1 a будет передаваться как на 2-1 c, переводит проблему качественной передачи в область фокусов.

Рис.2-2

2.1.2 Максимальная скорость передачи

Теорема Найквиста

max data rate = 2H log2V bps ,

где H - пропускная способность канала, V - количество уровней в сигнале.

Теорема Найквиста не учитывает шум в канале. Этот шум измеряется как соотношение мощности полезного сигнала к мощности шума: S/N. Эта величина измеряется в децибелах: .

На случай канал с шумом есть Теорема Шеннона

max bps = H log2 (1+S/N), где S/N - соотношение сигнал-

шум в канале

Здесь уже не важно количество уровней в сигнале. Это теоретический предел, которой редко достигается на практике.

2.2 Среды передачи

Назначение физического уровня - передать поток бит от одной машины к другой. Для передачи можно использовать разные физические среды. Каждая из сред имеет свои уникальные характеристики:

2.2.1 Магнитные носители

Магнитная лента или магнитный диск в сочетании с обычным транспортным средством (автомашина, ж.д. и т.п.) - могут быть прекрасной физической средой передачи данных. Это так особенно там, где высокая пропускная способность и низкая стоимость передачи в расчете на один бит - ключевые факторы.

Например, обычная видеолента может хранить до 7 ГБ. В коробке 50х50х50 поместиться до 1000 лент, т.е. 7 000 ГБ. В любой город на территории России эта коробка может быть доставлена за 24 часа. Следовательно пропускная способность этого канала 7000/86400 или 648 Mbps. Это превосходит пропускную способность самой быстрой технологии АТМ (622 Mbps). Стоимость: цена касеты примерно $5, покупая оптом можно купить доллара за 3, включая доставку: 3000/7000 примерно 50 центов за ГБ. В ряд ли мы найдем более дешевый способ.

2.2.2 Витая пара

Хотя вагон с магнитной лентой это очень дешевый способ передачи, но задержка при передаче очень большая: в лучшем случае десятки минут, обычно часы или сутки. Для многих приложений нужен оперативный обмен информацией. Самой старой и все еще используемой средой передачи является витая пара. Витая пара состоит из двух медных изолированных проводов, один из которых обвит вокруг другого. Этот второй вьющийся провод предназначен для устранения взаимного влияния между соседними витыми парами.

Витая пара широко используется в телефонии. Линии из витой пары могут иметь протяженность до нескольких километров без промежуточного усиления. Витые пары объединяются в кабели.

Витая пара может быть использована для передачи как цифрового так и аналогового сигналов. Пропускная способность зависит от толщина линий и расстояния. Скорость в несколько мегабит в секунду вполне достижима. Учитывая это и низкую стоимость витой пары она широко используется и скорее всего будет продолжать использоваться.

Наиболее часто используемыми являются кабели категории 3 и категории 5. Кабели категории 3 содержат по четыре витые пары с невысокой плотностью навивки. Кабель категории 5 имеет тоже четыре пары, но с более плотной навивкой, что позволяет достичь более высоких скоростей.

2.2.3 Среднечастотный коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель другой пример широко используемой физической среды передачи. Есть два основных вида коаксиальных кабелей - 50 омный - среднечастотный, для цифровой передачи и 75омный - широкополосный, для аналоговой. Эти различия носят больше исторический характер, нежели технический.

Устройство коаксиала показано на рис.2-3.

С таким кабелем вполне достижима скорость в несколько Gbps при длине в 1-2 км. При большем расстоянии нужны промежуточные усилители. Эти кабели широко использовались для соединения АТС. В настоящее время заменяются оптоволоконными линиями.

Второй вид коаксиальных кабелей используется в телевидении и называется высокочастотным кабелем. Здесь есть один ньюанс. По английски этот тип кабеля называется broadband coaxial cable. Broadband в телефонии означает любой кабель с частотой не менее 4КГц. В области сетей ЭВМ broadband означает аналоговый, т.е. физическую среду, передающую сигнал в аналоговой форме.

В компьютерных сетях, где используется аналоговая передача данных, данные передаются с частотой 300МГц (и даже 450МГц) на расстояние до 100 км. При цифровой передаче сигналов это расстояние много короче. При использовании аналоговой передачи цифровых данных каждое устройство в сети должно иметь преобразователь из аналоговой формы в цифровую и наоборот. В зависимости от особенностей устройства этих преобразователей скорость 1bps отнимает примерно 1Гц пропускной способности. Есть способы передачи нескольких bps за 1Гц, но они требуют высокой частоты и сложных методов модуляции.

Обычно широкополосная система разбивается на несколько каналов по 6МГц, которые используются для передачи телевизионных сигналов, высококачественной музыки и данных.

Существенное различие между среднечастотным кабелем и широкополосным в том, что широкополосный кабель имеет большую протяженность и требует промежуточных усилителей. Промежуточные усилители пропускают сигналы только в одном направлении. Поэтому машина, получившая поток битов, не может использовать для ответ тот же путь, по которому поток битов к ней пришел. Для решения этой проблемы есть два вида систем: двух кабельные и одно кабельные системы.

Рис.2-4

В двух кабельных системах один кабель используется для входящего потока, а второй для исходящего (рис.2-4 а). В одно кабельных системах полоса частот разделяется между входящим и исходящим трафиками. Низкая полоса частот используется для передачи данных от компьютера к ретранслятору, который сдвигает их в сторону высоких частот и передает другим.

Кабельное телевидение, которое охватывает во многих странах до 90% всех домов (США, Голландия) ставиться претендентом на роль MAN в городах как для телефонных разговоров, так и трансляции данных. Конкурентная борьба между этими компаниями сейчас идет в полную силу.

2.2.4 Оптоволокно

в настоящее время скорость 40GB уже достигнута (5MB - Война и Мир)

50 000Gbps (50Tbps) достижима в ближайшее время

Для использования оптической связи нужен источник света, светопроводящая среда, детектор, преобразующий световой поток в электрический. На одном передающем конце находится источник света, световой импульс проходит по тонкому светопроводящему волокну и попадает на детектор, который выдает электрический импульс.

Одной из основных проблем было не дать световому пучку рассеяться через боковую поверхность силиконового шнура. Все зависело от угла падения светового потока на его стенки. На рис.2-5 показана эта зависимость.

Поскольку можно испускать несколько лучей так, чтобы они попадали на границы шнура под углом большим угла полного внутреннего отражения, то по одному шнуру можно пускать несколько лучей. Так мы получаем много канальный шнуры.

Если сделать шнур толщиной близкой к длине волны источника света, то этот шнур будет работать как провод для тока без потерь на внутреннее отражение. По такому одноканальному шнуру можно передавать со скоростью в несколько Gbps на 30 км.

Прохождение света через оптоволокно.
Оптоволокно делают из стекла, которое в свою очередь делают из песка и других широко распространенных материалов. Стекло известно со времен египтян. Однако оконное стекло научились делать только в эпоху Ренессанса. Если современным стеклом, используемым для оптоволокна заполнить океан, то в любой его точке мы смогли бы видеть дно, как мы видим землю с борта самолета.

Затухание оптического сигнала в стекле зависит от длины волны источника света. На рис.2-6 показана зависимость затухания от длины волны. Затухание измеряется в dB по формуле

Как видно из этой формулы при падении мощности сигнала в два раза затухание будет равно 3dB. Как видно из рис.2-6 затухание меньше всего в инфракрасной части спектра. Для передачи используются три частоты 0.85, 1,30 и 1.55 микрон. Две последние имеют потери менее 5% на километр. Частота 0.85 микрон хороша тем, что лазерный источник света и электроника для нее делают из одного и того же материала - арсенида галлия. Все три полосы имеют пропускную способность от 25 000 до 30 000 ГГц.

Другую проблему при использовании оптоволокна дает дисперсия: по мере распространения исходный световой импульс теряет начальную форму и размеры. Величина этих искажений также зависит от длины волны. Одно из возможных решений - увеличить расстояние между соседними сигналами. Но это сократит скорость передачи. К счастью исследования показали, что если генерировать форму сигнала в некоторой специальной форме, то дисперсионные эффекты почти исчезают и сигнал можно передавать на тысячи километров. Сигналы в этой специальной форме называются силитонами.

Оптоволоконный кабель.
Устройство оптоволоконного кабеля показано на рис. 2-7а. Кабель состоит из сердечника, состоящего из сверх прозрачного оптоволокна. В одноканальном кабеле сердечник имеет толщину 8-100 микрон, в многоканальном около 50 микрон. Сердечник окружен стекловолокном с низким коэффициентом рефракции, сокращающим потери света через границу сердечника. Сверху все покрыто защитным пластиком.

Такой кабель прокладывают и под землей, и под водой. Соединяют его электрически с помощью специальных коннекторов, механически, прижимая один край к другому, сваривая оба конца.

В качестве источников света используют два источника света: светодиод (LED) и полупроводниковый лазер. У них разный свойства, которые показаны на рис.2-8. С помощью специальных интерферометров эта источники света можно настроить на нужную длину волны. На принимающем конце стоит фотодиод, работающий со скоростью 1 nsec, т.е. около1Gbps.

Оптоволоконные сети.
С помощью оптоволокна можно строить как LAN, так и сети большего масштаба. Подключение к оптоволоконной сети более сложное чем к Ethernet сети. Чтобы понять как решается эта проблема построения сети надо представить , что сеть типа кольцо представляет из себя цепочку соединений типа точка-точка как на рис.2-9.

Есть два типа подключений пассивное и активное. Пассивное состоит из LED или лазера и фотодиода. Принимая сигнал через светодиод, он передается компьютеру или транслируется дальше. Это абсолютно надежное соединение. Выход из строя любого из его компонентов не нарушает связь по кольцу, а лишь блокирует работу отдельного компьютера.

Активное подключение рис.2-9 содержит промежуточный усилитель электрического сигнала. Фотодиод преобразует оптический сигнал в электрический, электросигнал усиливается, передается компьютеру и транслируется дальше через LED.

Кроме кольца возможны соединения типа пассивной звезды (рис.2-10). Все линии, по которым оптический сигнал передается от компьютера, заходят в специальной устройство пассивной звезды, сигналы от них воспринимаются по всем линиям, исходящим из этого устройства.

Сравнение медного кабеля и оптоволокна