МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ Технологический университет

В.А. Косарев

Глобальные компьютерные инфокоммуникации

Учебное пособие по курсу

«Мировые информационные ресурсы» Часть 1

Москва 2007 г.
1

Рецензент доктор техн. наук, проф. Карцов С.К.

Косарев В.А. Глобальные компьютерные инфокоммуникации: Учебное пособие по курсу « Мировые информационные ресурсы». Часть 1. – М. МИСиС, 2007.159 с.

В данном учебном пособии в компактном изложении рассмотрены технические решения в области построения и использования глобальных компьютерных сетей, которые являются коммуникационной средой взаимодействия, хранения и накопления мировых информационных ресурсов. В нем обобщен и конкретизирован обширный материал как известных монографий, например, Олифер В.Г. и Н.А.,Столингса В. и др., а также последних публикаций в научно-технической периодике по принципам построения, характеристикам сред передачи данных, топологиям и схемотехнике глобальных компьютерных сетей. Материал книги рассчитан на студентов, знакомых с технологиями локальных вычислительных сетей. Данное пособие рекомендуется использовать для теоретического обучения, подготовки к практическим занятиям и выполнения курсовых проектов. Книга предназначена для студентов заочной формы обучения технических специальностей «Прикладная информатика» 080800 и «А втоматизированные системы обработки информации и управления» 2202200

Московский государственный институт стали и сплавов ( Технологический университет) (МИСиС), 2005

2

ОГЛАВЛЕНИЕ Раздел 1. Введение в мировые инфокоммуникационные системы…………4
1.1. Информационная инфраструктура ХХI века. Значение информационных коммуникаций и мировых информационных технологий для научно-

технического,социального и культурного прогресса человечества……………4 1.2. Обобщенная структура компьютерной телекоммуникационной сети………..7 1.3. Конвергенция сетей, компьютерных и телекоммуникационных технологий..9

Раздел 2. Среда передачи данных. Каналы связи……………………………11
2.1 Информация, данные, сигналы. Основные понятия…………………………….11 2.2. Аналоговая и цифровая передача данных………………………………………..13 2.3. Временное и частотное представление информационных сигналов………….17 2.4. Основные характеристики физических каналов связи…………………………22 2.5. Виды каналов связи………………………………………………………………….33

Раздел 3.

Коммутация и мультиплексирование каналов и данных в

глобальных сетях……………………………………………………………….47
3.1. Коммутация каналов…………………………………………………………………48 3.2. Коммутация пакетов………………………………………………………………….51 3.3. Уплотнение информационных каналов. Мультиплексирование………………57

Раздел 4. Первичные сети………………………………………………………64
4.1. Сети PDH………………………………………………………………………………..64 4.2. Сети SONET…………………………………………………………………………….67 4.3. Cети SDH………………………………………………………………………………..75 4.4 Перспективные синхронные технологии первичных сетей……………………..81

Раздел 5. Наложенные сети. Сетевые технологии пакетной коммутации…..88
5.1. Сети Х 25………………………………………………………………………………..88 5.2. Сети Frame Relay…………………………………………………………………….102 5.3. Сети ISDN……………………………………………………………………………..114 5.4. Сети ATM……………………………………………………………………………...124

Раздел 6. Спутниковые сети…………………………………………………...133
6.1. Структура ССС……………………………………………………………………….133 6.2. Разновидности ССС………………………………………………………………....139 6.3. Международные консорциумы спутниковой связи……………………………150

Рекомендуемая и использованная литература………………………………..161
3

Раздел 1. Введение в мировые инфокоммуникационные системы.

1.1 Информационная инфраструктура ХХI века. Значение информационных коммуникаций и мировых информационных технологий для научно-

технического,социального и культурного прогресса человечества. В своем развитии цивилизованное человечество прошло три больших этапа или производственно-экономических формацийпостиндустриальнуюинформационную. «эпох»: аграрную, индустриальную и Каждая эпоха характеризуется своим

движителем, за счет которого создается совокупный материальный продукт цивилизации и основным ресурсом, обеспечивающим работу этого движителя. Основным движителем производства в аграрную эпоху, которая для передовых стран мира закончилась во второй половине XIX века была мускульная сила человека и животных, а основным ресурсом прогресса- растительная и животная пища. В конце девятнадцатого века человечество вступило в индустриальную эпоху своего развития, основным движителем экономики стал изобретенный человеком двигатель: паровой, электрический, внутреннего сгорания, атомный реактор и др., а основным ресурсом – природные ископаемые (нефть, газ и т.д.) а также энергия воды, воздуха и солнца. Конец XX и начало XXI века характеризуется вступлением человечества в новую информационную эпоху, в которой основным движителем прогресса является компьютер, а основным ресурсом прогресса – информация. Прогресс человечества и переход из одной производственно-экономической формации в другую связан с процессами накопления, преобразования и коммуникации знаний. В настоящее время это немыслимо без использования компьютеров и компьютерных Общая технологий передачи и обработки информации в любой сфере сумма человеческих знаний в процессе развития цивилизации человеческой деятельности. продуцировалась человечеством очень неравномерно, постоянно увеличивающимися темпами, пока в конце ХХ века не приобрела характер «информационного взрыва». В конце XVII века она удваивалась каждые 50 лет, к 1950 г. – каждые 10 лет, к 1970 г. – каждые 5 лет, а в настоящее время – каждые 1,5-2 года. Этими же темпами растут и информационные коммуникации, характеризующие обмен знаниями в процессе развития цивилизации. Согласно прогнозам, мощность персональных компьютеров и high-endвычислительных машин в ближайшие 15 лет увеличится более чем в тысячу раз, соответственно и потребности в объеме трафика по опорным сетям связи вырастут в десятки и сотни раз. 4

Советский астрофизик И. Шкловский показал, что за последние три десятилетия в результате человеческой деятельности мощность радиоизлучения, которое исходит от нашей планеты выросла в огромной степени. По мощности своего радиоизлучения в метровом диапазоне длин волн она вышла на первое место среди планет солнечной системы, обогнав такие планеты гиганты как Юпитер и Сатурн, уступая пока только Солнцу. Причем эти излучения характеризуют только информационный обмен через атмосферу в узком диапазоне спектра электромагнитных колебаний. На самом деле, эра глобальных телекоммуникаций началась задолго до «информационного взрыва» с первой прокладки трансатлантического кабеля между Америкой и Европой в 1858 году. Правда, он проработал всего несколько дней. После первой неудачной попытки возвести информационный мост между двумя материками в 1866 г. на основе новых технических решений были проложены кабели через Атлантический океан, которые проработали почти 100 лет. А к 2000 году общая длина телефонных кабелей, проложенных по дну моря составляла 200 000 км. В последующее столетие появились новые виды телекоммуникаций: радиосвязь( изобретатель – русский ученый Попов…. ) и телевидение ( изобретатель – русский инженер Зварыкин…). Детонатором для информационного взрыва явился запуск Советским Союзом первого в человеческой истории искусственного спутника Земли – 4 октября 1957 года. После которого 7 февраля 1958 года Министерство обороны США в ответ на запуск советского спутника учредило Специальное государственное агентство, задачей которого было форсированное развитие научно- исследовательских проектов будущего. ARPA (Advanced Research Project Agency) первого Организация получившая название

обьединила ведущих специалистов по перспективным направлениям науки и техники. Первым результатом их деятельности был запуск через 18 месяцев американского спутника, после чего главным направлением деятельности агентства было выбрано – повышение эффективности образования и науки за счет развития компьютерных технологий телекоммуникаций. Результатом этой работы явилось создание прообраза современной сети сетей «Интернет» общенациональной американской компьютерной сети « ARPANET». Первая попытка передачи сообщений между удаленными компьютерами состоялась в начале сентября 1969 года, а публичная демонстрация ARPANET на Международной конференции по компьютерным коммуникациям в отеле Hilton в Вашингтоне в 1972 году. Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, находящиеся в ряде американских университетов и научных

5

центрах

работавшие под управлением различных ОС с дополнительными модулями,

реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети. Это событие открывает эру глобальных сетей – новой технологии территориальных компьютерных коммуникаций, которая вобрала в себя лучшие технические решения из вычислительной и телекоммуникационной технологий. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи, лежащие в основе современных локальных сетей. Такие, например, как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, концепции коммутации и маршрутизации пакетов. Главное технологическое новшество, которое привнесли с собой первые глобальные компьютерные сети, состояло в отказе от принципа коммутации каналов, па протяжении многих десятков лет успешно использовавшегося в телефонных сетях. Выделяемый на все время сеанса связи составной телефонный капал, передающий информацию с постоянной скоростью, не мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с продолжительными паузами. Анализ трафика глобальных сетей показал, что пульсирующий и в значительной степени не чувствительный к задержкам компьютерный трафик гораздо эффективней передается сетями, работающими по принципу коммутации пакетов, когда данные разделяются на небольшие порции — пакеты, — которые самостоятельно переметаются по сети благодаря наличию адреса конечного узла в заголовке пакета. Первые глобальные сети часто строились на уже существующих каналах связи, изначально предназначенных совсем для других целей. Например, в течение многих лет глобальные сети строились на основе телефонных каналов тональной частоты, способных в каждый момент времени вести передачу только одного разговора в аналоговой форме. Поскольку скорость передачи дискретных компьютерных данных по таким каналам была очень низкой (десятки килобит в секунду), набор предоставляемых услуг в глобальных сетях такого типа обычно ограничивался передачей файлов, преимущественно в фоновом режиме, и электронной почтой. Помимо низкой скорости такие каналы имеют и другой недостаток — они вносят значительные искажения в передаваемые сигналы. Поэтому протоколы глобальных сетей, построенных с использованием каналов связи низкого качества, отличаются сложными процедурами контроля и восстановления данных. Типичным примером таких сетей являются сети Х.25, разработанные еще в начале 70-х, когда низкоскоростные аналоговые каналы, арендуемые у телефонных компаний, были преобладающим типом каналов, соединяющих компьютеры и коммутаторы.

6

Развитие цифровых технологий телекоммуникаций

привело к появлению

высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих автоматические телефонные станции (АТС) и позволяющих одновременно передавать десятки и сотни разговоров.

1.2 Обобщенная структура компьютерной телекоммуникационной сети В настоящее время глобальные компьютерные инфокоммуникации представляют собой сложные, территориально распределенные многоуровневые информационные системы, которые используют в качестве передающей среды телефонную проводку , электрические и оптические кабели , а также радио сигналы . Для обеспечения высокой скорости передачи больших информационных потоков между географически удаленными коммутаторами разработана технология первичных или опорных сетей. Такие сети не предоставляют услуг конечным пользователям, они являются фундаментом, на котором строятся скоростные цифровые каналы "точка-точка", соединяющие оборудование других, так называемых пользователя. С появлением цифровых технологий информационные коммуникации, которые традиционно осуществлялись отдельными сетями с использованием радиосвязи, телефонии, телевидения объединяются на базе сетей передачи данных. Мир приходит к созданию мультисервисной сети, предоставляющей информационные услуги любому человеку на нашей планете. Такой сетью становится глобальная сеть Интернет, информационные ресурсы которой состоят из миллионов локальных сетей и независимо включаемых в нее отдельных компьютеров (Hosts). По весьма приблизительным оценкам к 2005 году общее число пользователей Интернета оценивалось в 700 млн. человек По масштабности и территориальному покрытию компьютерная телекоммуникационная сеть состоит из глобальных сетей( World Area Networks, WAN), локальных сетей (Local Area Networks,LAN), территориальных или Городских сетей (Metropolitan Area Networks, MAN) – они представляют промежуточное звено между глобальными и локальными сетями. Городские сети используют цифровые линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями на магистрали от 155 Мбит/с и выше. Они обеспечивают экономичное соединение локальных сетей между собой, а также выход в глобальные сети. По способам организации доступа к информационным ресурсам обобщенную структуру компьютерной телекоммуникационной сети можно представить в виде( рис.1) Она состоит из: сетей доступа(access network), обеспечивающих подключение пользователей к глобальной информационной среде (решение задачи 7 наложенных сетей, которые уже работают на конечного

«последней мили»), высокоскоростных магистральных каналов (backbone или core network), которые объединяют отдельные сети доступа, обеспечивая территориальный транзит трафика между ними, доступ к центрам хранения информационных ресурсов выход в глобальные сети; и

: Рис.1 Обобщенная структура компьютерной телекоммуникационной сети. И сеть доступа , и магистральная сеть строятся на базе коммутаторов. Каждый коммутатор оснащен некоторым количеством портов, которые соединяются с портами других коммутаторов каналами связи. Сеть доступа представляет собой нижний уровень иерархии телекоммуникационной сети. К этой сети подключаются конечные (терминальные) узлы - оборудование, установленное у пользователей (абонентов, клиентов) сети. Сеть доступа , как и телекоммуникационная сеть в целом, может состоять из нескольких уровней (на рисунке показано два). Коммутаторы, установленные в узлах нижнего уровня, мультиплексируют информацию, поступающую 8

по

многочисленным

абонентским

каналам

(называемым

часто

абонентскими

окончаниями, local loop) и передают ее коммутаторам верхнего уровня, чтобы те в свою очередь передали ее коммутаторам магистрали. Количество уровней сети доступа зависит от ее размера; небольшая сеть доступа может состоять из одного уровня, а крупная - из двух-трех. Коммутаторы магистрали могут оперировать не только информационными агрегированными соединениями информационными между отдельными пользователями, данные но и потоками, переносящими большого

количества пользовательских соединений. В результате информация с помощью магистрали попадает в сеть доступа получателей, разделяется там и коммутируется таким образом, что на входной порт оборудования пользователя поступает только та информация, которая ему адресована.

1.3 Конвергенция сетей, компьютерных и телекоммуникационных технологий

Первоначальные различия между локальными и глобальными сетями в качестве линий связи, скоростных характеристик каналов, сложности методов передачи и разнообразии видов трафика в последнее время сглаживаются. Тесная интеграция локальных и глобальных сетей привела к значительному взаимопроникновению соответствующих технологий. Сближение в методах передачи данных происходит на платформе цифровой (немодулированной) передачи данных по волоконно-оптическим линиям связи. Эту среду передачи данных используют практически все технологии локальных сетей для скоростного обмена информацией на расстояниях свыше 100 метров, на ней же построены современные магистрали первичных сетей SDH и DWDM, предоставляющих свои цифровые каналы для объединения оборудования глобальных компьютерных сетей. Высокое качество цифровых каналов изменило требования к протоколам глобальных компьютерных сетей. На первый план вместо процедур обеспечения надежности вышли процедуры обеспечения гарантированной средней скорости доставки информации пользователям, а также механизмы приоритетной обработки пакетов особенно чувствительного к задержкам трафика, например, голосового. Эти изменения нашли отражение в новых технологиях глобальных сетей, таких как Frame Relay и АТМ. В этих сетях предполагается, что искажение битов происходит настолько редко, что ошибочный пакет выгоднее просто уничтожить, а все проблемы, связанные с его потерей,

9

перепоручить

программному

обеспечению

более

высокого

уровня,

которое

непосредственно не входит в состав сетей FrameRelay и АТМ. Большой вклад в сближение локальных и глобальных сетей внесло доминирование протокола IР. Этот протокол сегодня работает поверх любых технологий локальных и глобальных сетей (Ethernet., Token Ring, АТМ, Frame Relay), объединяя различные подсети в единую составную сеть. Начиная с 90-х годов, компьютерные глобальные сети, работающие на основе скоростных цифровых каналов, существенно расширили спектр предоставляемых услуг и догнали в этом отношении локальные сети. Стало возможным создание служб, работа которых связана с доставкой пользователю больших объемов информации в реальном времени — изображений, видеофильмов, голоса, в общем, всего того, что получило название мультимедийной информации. Наиболее яр кий пример — гипертекстовая информационная служба World Wide Web, ставшая основным поставщиком информации в Интернете. Ее интерактивные возможности превзошли возможности многих аналогичных служб локальных сетей, так что разработчикам локальных сетей пришлось просто позаимствовать эту службу у глобальных сетей. Процесс переноса технологий из глобальной сети Интернет в локальные приобрел такой массовый характер, что появился даже специальный термин — intranet-технологии (intra — внутренний). В локальных сетях в последнее время уделяется такое же большое внимание методам обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа, как и в глобальных. Это обусловлено тем, что локальные сети перестали быть изолированными, чаще всего они имеют выход в «большой мир» через глобальные связи. И, наконец, появляются новые технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Ярким представителем нового поколения технологий является технология АТМ, которая может служить основой как глобальных, так и локальных сетей, эффективно объединяя все существующие типы трафика в одной транспортной сети. Другим примером является семейство технологий Еthernet, имеющее явные «локальные» корни. Новый стандарт Ethernet 10G, позволяющий передавать данные со скоростью 10 Гбит/с, предназначен для магистралей как глобальных, так и крупных локальных сетей. С каждым годом усиливается тенденция сближения компьютерных и телекоммуникационных сетей разных видов. Предпринимаются попытки создания универсальной, так называемой мультисервисной сети, способной предоставлять услуги как компьютерных, так и телекоммуникационных сетей. К телекоммуникационным сетям относятся телефонные сети, радиосети и телевизионные сети, передающие аналоговую, по своей природе, информацию. Изначально компьютерные сети разрабатывались для 10

передачи алфавитно-цифровой информации, которую часто называют просто данными, в результате у компьютерных сетей имеется и другое название — сети передачи данных.Технологическое сближение сетей происходит сегодня на основе цифровой передачи информации различного типа, метода коммутации пакетов и программирования услуг. Телефония уже давно сделала ряд шагов навстречу компьютерным сетям, прежде всего, за счет представления голоса в цифровой форме, что делает принципиально возможным передачу телефонного и компьютерного трафика по одним и тем же цифровым каналам (телевидение также может сегодня передавать изображение в цифровой форме). Телефонные сети широко используют комбинацию методов коммутации каналов и пакетов. Так, для передачи служебных сообщений (называемых сообщениями сигнализации) применяются протоколы. Сегодня использование коммутации пакетов для одновременной передачи через пакетные сети разнородного трафика — голоса, видео и текста — сделало актуальным разработку новых методов обеспечения требуемого качества обслуживания (Quality of Service, QoS). Методы QoS призваны минимизировать уровень задержек для чувствительного к ним трафика, например голосового, и одновременно гарантировать среднюю скорость и динамичную передачу пульсаций для трафика данных.пакетные методы коммутации постепенно теснят традиционные для телефонных сетей методы коммутации каналов даже при передаче голоса. У этой тенденции есть достаточно очевидная причина — на основе метода коммутации пакетов можно более эффективно использовать пропускную способность каналов связи и коммутационного оборудования. Компьютерные сети тоже многое позаимствовали у телефонных и телевизионных сетей. В частности они берут на вооружение методы обеспечения отказоустойчивости телефонных сетей, за счет которых последние демонстрируют высокую степень надежности, так недостающую порой Интернету и корпоративным сетям.

Раздел 2. Среда передачи данных. Каналы связи.
2.1 Информация, данные, сигналы. Основные понятия. Проясним некоторые термины, зачастую достаточно вольно трактуемые в компьютерных технологиях и коммуникациях. Информация – это совокупность данных, имеющая смысловое значение. Определим данные как объекты, передающие информацию.

11

Сигналы — это электрическое или электромагнитное представление данных в системах обработки и коммуникации информации. Передача — процесс перемещения и обработки данных путем распространения сигналов по передающей среде. В отличие от компьютеров, как отдельных устройств передачи, хранения и обработки данных, компьютерные сети отличаются многообразием физических сред передачи информации. Часто в литературе физическая среда передачи данных используется как синоним линии связи, или канала связи, но это не корректно. Поясним эти различия. Физическая среда передачи представляет собой материальную субстанцию переносящую информационный сигнал, это либо металлический проводник (обычно медный), переносящий электрические сигналы, либо оптическое волокно, переносящее световое излучение, либо эфир, переносящий радиоволны. Передающие среды можно разделить на направленные и ненаправленные. В направленных средах сигналы передаются по твердым проводникам. Атмосфера, открытый космос, водоемы представляют собой примеры ненаправленных сред. Используемая в этом случае форма передачи называется беспроводной. Линия связи - это конструктивно оформленная физическая среда передачи данных, соединяющая соседние узлы компьютерной сети. Канал связи это линия связи соединяющая между собой непосредственно абонентов сети, обменивающихся между собой логически обусловленным потоком данных, т.е. информацией. Канал связи включает в себя каналообразующую аппаратуру (усилители, коммутаторы, мультиплексоры и др.) и функционирует по определенной каналообразующей технологии. В линии связи могут быть образованы каналы связи разного типа. В отличие от локальных сетей системы глобальных компьютерных коммуникаций отличаются большей сложностью и многообразием каналов связи. Они, как правило не используют общую среду передачи данных и характеризуются значительно большей протяженностью. Каналы связи глобальных сетей можно классифицировать по основным отличительным признакам: • • По природе физической среды – проводные ( медных провода, кабели,

световоды и др.) и беспроводные (радиоканалы, инфракрасные каналы ) По виду сигнала передаваемому по каналу связи – аналоговые, когда информация передается в виде непрерывного сигнала (обычно 12

синусоидальной формы) и цифровые, когда информация передается в виде последовательности импульсов. • По организации линий связи во время передачи информации – коммутируемые каналы, когда соседние узлы линий связи коммутируются между собой только на время передачи информационной посылки и выделенные, когда каналы связи имеют одну и туже замкнутую линию связи на длительное время использования. • По возможной направлености передачи информации в текущий момент времени – симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении, полудуплексные, позволяющие передавать информацию в обе стороны, но в разные моменты времени и дуплексные или (полнодуплексные), которые позволяют передавать информацию в обоих направлениях в одно и то же время. Пакет данных или пакет - это логически оформленная последовательность сигналов на линии связи, характеризующая фрагмент информационной посылки. В дальнейшем изложении при рассмотрении конкретных технологий глобальных сетей мы будем подробно останавливаться на характеристиках каналов связи.

2.2 Аналоговая и цифровая передача данных. По каналам связи в компьютерных сетях передаются как аналоговые так и

цифровые данные. Аналоговые данные характеризуют непрерывную по своей природе информацию и принимают непрерывные значения из некоторого диапазона. Например, звуковые и видеосигналы представляют собой непрерывно изменяющиеся величины. Многие данные, собираемые с помощью датчиков, такие, как температура и давление, также принимают непрерывные значения. Цифровые данные, напротив, принимают только дискретные значения; примеры — текст, целые числовые массивы. Самым привычным примером аналоговых данных является звук, который, в форме акустических волн, люди могут воспринимать непосредственно. На рис. 2.1 показан акустический спектр человеческой речи и музыки. Частотные составляющие обычной речи лежат в диапазоне приблизительно между 100 Гц и 7 кГц. Хотя значительная часть энергии речевого сигнала сосредоточена в области низких частот, исследования показали, 13

что частоты ниже 600-700 Гц слабо влияют на улучшение разборчивости сигнала для человеческого уха. Динамический диапазон обычной речи составляет примерно 25 дБ (о децибелах рассказано в приложении 2А); т.е. мощность самого громкого крика в 300 раз больше, чем самого тихого шепота. Помимо речи, на рис. 2.1 также показаны акустический спектр и динамический диапазон музыки.

Рис. 2.1. Акустический спектр речи и музыки.

Аналоговые и цифровые сигналы В системах компьютерных коммуникаций информация распространяется от одного узла сети к другому посредством электрических или электромагнитных сигналов. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывно изменяющуюся электромагнитную волну, которая может распространяться через множество передающих сред, в зависимости от частоты; такими средами могут быть проводные линии, такие, как витая пара и коаксиальный кабель, оптоволокно; этот сигнал может также распространяться через атмосферу или космическое пространство.

14

Цифровой сигнал представляет собой последовательность импульсов напряжения, которые могут передаваться по проводной линии; при этом постоянный положительный уровень напряжения может использоваться для представления двоичного нуля, а постоянный отрицательный уровень — для представления двоичной единицы. Основное преимущество цифровых сигналов состоит в том, что их передача в общем случае дешевле и менее восприимчива к помехам, чем передача аналоговых сигналов. Основной недостаток — цифровым сигналам затухание вредит больше, чем аналоговым. На рис. 2.2 показаны исходная последовательность импульсов напряжения, генерируемых источником, и эти же импульсы, прошедшие некоторое расстояние по передающей среде. Из-за затухания, или ослабления, мощности сигнала на высоких частотах импульсы становятся более сглаженными и низкими. Ясно, что это затухание довольно быстро может привести к потере информации, содержащейся в передаваемом сигнале.

Рис. 2.2. Ослабление цифровых сигналов И аналоговые, и цифровые данные могут быть представлены, а следовательно, и переданы, в форме как аналоговых, так и цифровых сигналов. В общем случае аналоговые данные являются функцией времени и занимают ограниченный спектр частот. Такие данные можно непосредственно представить электромагнитным сигналом, имеющим аналогичный спектр. Наиболее наглядный пример— передача речи. Речь, представляя собой звуковые волны, содержит частотные составляющие в области 20 Гц 20 кГц. Однако большая часть энергии речи находится в намного более узком диапазоне. Стандартный спектр речевых сигналов — 300-3400 Гц, и этого диапазона вполне хватает для разборчивой и четкой передачи речи. Именно такой диапазон обрабатывает телефонный аппарат. Все поступающие звуковые колебания в диапазоне 300-3400 Гц преобразуются микрофоном в электромагнитный сигнал с подобными амплитудами и частотами. В другом аппарате выполняется обратный процесс: электромагнитная энергия преобразуется динамиком в звук. 15

Цифровые данные также можно представить аналоговыми сигналами, применив с этой целью модем (модулятор/демодулятор). Модем преобразует последовательность двоичных (принимающих два значения) импульсов напряжения в аналоговый сигнал, модулируя их несущей частотой (т.е. основной частотой колебаний электрического сигнала, на которой передается информация в линии связи). Этот процесс называется модуляцией. Получившийся в результате сигнал занимает определенный спектр частот с центром на несущей частоте и может распространяться в среде, подходящей для этой несущей частоты. Наиболее распространенные модемы представляют цифровые данные в спектре частот, совпадающем со спектром речи, позволяя, таким образом, передавать эти данные по обычным телефонным линиям. На другом конце линии другой модем демодулирует сигнал и восстанавливает исходные данные. Этот процесс называется демодуляцией. С использованием очень похожего способа аналоговые данные могут представляться и цифровыми аналоговый сигналами. сигнал, Устройство, выполняющее функцию речевую передачи речевой и информации, называется кодеком (кодером/декодером). По существу кодек принимает непосредственно представляющий информацию, аппроксимирует этот сигнал потоком битов. Приемник, со своей стороны, использует этот поток битов для воспроизведения аналоговых данных. Цифровые данные могут быть представлены непосредственно в двоичной форме, двумя уровнями напряжения. Однако для улучшения характеристик распространения двоичные данные часто перекодируются в цифровой сигнал более сложной формы, как будет показано далее. При передаче информации в виде аналоговых сигналов, причем передаваемые данные не конкретизируются: сигнал может, представлять как аналоговые (например, речь), так и цифровые данные (например, двоичные данные, проходящие через модем). В любом случай аналоговый сигнал испытывает затухание (ослабляется), что ограничивает длину, линии передачи. Чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, в аналоговые передающие системы вводятся усилители, повышающие энергию сигнала. К сожалению, усилители также усиливают и шумовые составляющие у сигнала. С каждым усилителем, последовательно расположенным на пути следования сигнала, этот сигнал становится все более искаженным. Для аналоговых данных, таких, как речь, небольшое искажение не существенно, и данные остаются понятными, чего нельзя сказать о цифровых данных: в них последовательнее усилители вносят ошибки. Цифровая передача данных, наоборот, связана с содержанием сигнала. Мы уже говорили, что цифровой сигнал можно передать только на ограниченное расстояние, пока затухание не нарушит целостности данных. Для передачи цифровых данных на большие расстояния 16

используются ретрансляторы, которые принимают цифровой сигнал, восстанавливают закодированную комбинацию нулей и единиц и передают новый сигнал. Таким образом происходит компенсация затухания. Тот же метод может использоваться и при передаче аналогового сигнала, если он переносит цифровую информацию. Для этого в расположенных соответствующим образом точках передающей системы помещаются не усилители, а ретрансляторы. Такой ретранслятор восстанавливает цифровую информацию из аналогового сигнала и создает новый, чистый аналоговый сигнал, препятствуя, таким образом, накоплению помех.

2.3. Временное и частотное представление информационных сигналов.

Основные понятия временного представления сигнала. Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть либо непрерывным (аналоговым), либо дискретным (цифровым). На рис. 2.3 приведены примеры сигналов обоих типов. Простейшим типом сигнала является периодический сигнал, в котором некоторая структура периодически повторяется во времени. На рис. 2.4 приведен пример периодического аналогового сигнала (синусоида) и периодического цифрового сигнала (прямоугольный сигнал, или меандр). характеризуются следующим соотношением: Периодические сигналы

s (t + T ) = s(t )

−∞ < t < ∞,

где - постоянная Т является периодом сигнала (Т — наименьшая величина, удовлетворяющая этому уравнению). Если невозможно найти Т, удовлетворяющее уравнению, сигнал называется апериодическим.

17

Рис. 2.3. Аналоговый и цифровой сигналы Фундаментальным аналоговым сигналом является синусоида. В общем случае такой сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой A, частотой f и фазой ф. Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотой называется темп повторения сигналов (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала T, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, Т=1/f. Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала. В общем случае синусоидальный сигнал можно представить в следующем виде: s(t)= A sin (2πft + ф).

Влияние изменения каждого из трех параметров показано на рис. 2.5. На рис. 2.5, а частота составляет 1 Гц; следовательно, период Т равен 1 с. На рис 2.5, б частота и фаза те же, но амплитуда уменьшена в два раза. На рис. 2.5, в частота f=2, что эквивалентно периоду Т= 1/2. Наконец, на рис. 2.5, г показано влияние сдвига фазы на π/4 радиан, что составляет 45° (2π радиан = 360° = 1 период).

18

Рис. 2.4. Периодические сигналы

Рис. 2.5. Варианты изменения параметров синусоидального сигнала s(t)=A sin (2πft + ф)

19

Существует простое соотношение между двумя синусоидальными сигналами, один из которых изменяется во времени, а другой — в пространстве. Определим длину волны сигнала λ как расстояние, занимаемое одним периодом или, иными словами, как расстояние между двумя точками равных фаз двух последовательных циклов. Предположим, что сигнал распространяется со скоростью v. Тогда длина волны связана с периодом следующим соотношением: λ = vT, что равносильно λf= v. Особое значение для нашего изложения имеет случай v = с, где с — скорость света в вакууме, приблизительно равная 3 х 108 м/с.

Основные понятия частотного представления сигнала. Реальный электромагнитный сигнал составлен из многих частот. Рассмотрим, например, сигнал, показанный на рис. 2.5, в. s (t ) = (4 / π ) × [sin(2πft ) + (1 / 3) sin(2π (3 f )t ] ;

Он состоит из простых синусоидальных сигналов с частотами f и 3f, показанных соответственно на рис. 2.5, а и б. Отметим два интересных момента, связанных с этим рисунком.

20

Рис. 2.5. Сложение частотных составляющих (Т=1/f)
• •

Вторая частота кратна первой. Если все частотные составляющие сигнала кратны одной частоте, то последняя называется собственной частотой. Период суммарного сигнала равен периоду сигнала собственной частоты. Период составляющей sin (2πft) равен Т= 1/f, и, как можно увидеть на рис. 2.4, в, период сигнала s(t) также равен Т.

Можно показать, применив

анализ Фурье, что любой сигнал складывается из

синусоидальных составляющих с разными частотами. Сложив вместе достаточное количество синусоидальных сигналов с соответствующими амплитудами, частотами и фазами, можно получить электромагнитный сигнал любой формы. Аналогично, любой электромагнитный сигнал рассматривается как совокупность периодических аналоговых
(синусоидальных) сигналов с разными амплитудами, частотами и фазами.

Спектром сигнала называется область частот, составляющих данный сигнал. Для сигнала, приведенного на рис. 2.5 в, спектр простирается от f до 3f. Абсолютной шириной полосы сигнала называется ширина его спектра. В рассматриваемом случае (рис. 2.4, в) ширина
21

полосы составляет 3f- f = 2f. Многие сигналы имеют бесконечную ширину полосы, но большая часть их энергии сосредоточена в относительно узкой полосе частот, называемой эффективной полосой, или просто полосой.

2.4. Основные характеристики физических каналов связи Характеристики каналов связи, которые определяют эффективность передачи

информации во многом зависят от способа передачи или протокола физического уровня модели взаимодействия открытых систем OSI. [1,2 ] Любая линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Так, например, медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки . В результате для синусоид различных частот линия будет обладать различным полным сопротивлением, а значит, и передаваться они будут по-разному. Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения, мешающие идеальному распространению света. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то она также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы одинаково хорошо передавали весь спектр синусоид, от нуля до бесконечности. Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создают различные электрические двигатели, электронные устройства, атмосферные явления и т. д. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей и усилительно-коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Поэтому сигналы на выходе линии связи обычно имеют сложную форму (как это и показано на рис.
2.6), по которой иногда трудно понять, какая дискретная информация была подана на вход

линии и, соответственно, получаются ошибочные данные при приеме.

22

Рис. 2.6 Ошибки при передачи двоичных данных по каналу связи глобальной сети. К основным характеристикам линий связи компьютерных сетей относятся:
• • • • • • •

амплитудно-частотная характеристика; полоса пропускания; затухание; помехоустойчивость; перекрестные наводки на ближнем конце линии; пропускная способность; достоверность передачи данных; Для определения характеристик линии связи часто используют анализ ее реакций

на некоторые эталонные воздействия. Такой подход позволяет достаточно просто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям. Чаще всего в качестве эталонных сигналов для исследования реакций линий связи используются синусоидальные сигналы различных
23

частот. Это связано с тем, что сигналы этого типа часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию времени - как непрерывный процесс колебаний звука, так и прямоугольные импульсы, генерируемые компьютером. Амплитудно-частотная характеристика (рис. 2.7) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике часто используют также такой параметр сигнала, как его мощность.

Рис. 2.7. Амплитудно-частотная характеристика Знание этого амплитудно-частотной найти спектр характеристики входного реальной линии позволяет амплитуду

определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для необходимо сигнала, преобразовать составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники. Несмотря на полноту информации, предоставляемой амплитудно-частотной характеристикой о линии связи, ее использование осложняется тем обстоятельством, что получить ее весьма трудно. Ведь для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит, количество экспериментов должно быть очень большим. Поэтому на практике вместо амплитудночастотной характеристики применяются другие, упрощенные характеристики - полоса пропускания и затухание.

24

Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной характеристики. Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Именно этот факт нашел отражение в английском эквиваленте рассматриваемого термина
(width - ширина).

Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей формуле: А = 10 log10 Рвых /Рвх, где Рвых ~ мощность сигнала на выходе линии, Рвх - мощность сигнала на входе линии. Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной. Например, кабель на витой паре категории 5 характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, сигналы которых имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц. Кабель категории 3 предназначен для низкоскоростной передачи данных, поэтому для него определяется затухание на частоте 10 МГц (не ниже -11,5 дБ). Часто оперируют с абсолютными значениями затухания, без указания знака.

25

Абсолютный уровень мощности, например уровень мощности передатчика, также измеряется в децибелах. При этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается значение в 1 мВт. Таким образом, уровень мощности р вычисляется по следующей формуле: р = 10 log10 Р/1мВт [дБм], где Р - мощность сигнала в милливаттах, а дБм (dBm) - это единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт). Таким образом, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, и их знание позволяет сделать вывод о том, как через линию связи будут передаваться сигналы любой формы. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рис. 2.8 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.

Рис. 2.8. Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны.
26

Пропускная

способность

(throughput)

линии

характеризует

максимально

возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням ) 0 (то есть килобит - это 1000 бит, а мегабит - это 1 000
000 бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам

степеням 2, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 210 =1024 и т. д. Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 2.10, а). Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации, а значит, информация не сможет передаваться с заданной пропускной способностью (рис. 2.9, б).

Рис. 2.9. Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала
27

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии. Таким образом, для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого - другой. Например, витая пара категории 3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе кодирования стандарта физического уровня l0Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100Base-T4. В примере, приведенном на рис. 2.9, принят следующий способ кодирования - логическая 1 представлена на линии положительным потенциалом, а логический 0 - отрицательным. Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. В соответствии с этим прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но является хорошо предсказуемым. Аналогично, не несут в себе информации импульсы на тактовой шине компьютера, так как их изменения также постоянны во времени. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, поэтому они переносят информацию между отдельными блоками или устройствами. Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала - частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида. Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации - биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести несколько бит информации. Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика. Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод. Например, если информационными
28

параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0,90,180 и 270 градусов и два значения амплитуды сигнала, то информационный сигнал может иметь 8 различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц) передает информацию со скоростью
7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается 3 бита информации.

При использовании сигналов с двумя распознавания приемником пользовательской

различимыми состояниями может информации каждый бит в

наблюдаться обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежного последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нулевого значения бита - импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бита. При таком кодировании пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии. На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирования кодирование. и Логическое кодирование бит выполняется исходной для до физического новой стороны подразумевает свойствами, замену информации приемной

последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными например возможностью обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности - это пример очень часто применяемого способа логического кодирования при передаче данных с помощью модемов. Другим примером логического кодирования может служить шифрация данных, обеспечивающая их конфиденциальность при передаче через общественные каналы связи. При логическом кодировании чаще всего исходная последовательность бит заменяется более длинной последовательностью, поэтому пропускная способность канала по отношению к полезной информации при этом уменьшается.

Связь между пропускной способностью линии и ее полосой пропускания Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Однако, с другой стороны, с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала, то есть разность между максимальной и минимальной частотами того
29

набора синусоид, которые в сумме дадут выбранную для физического кодирования последовательность сигналов. Линия передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые определяются ее полосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше, чем можно было предположить. Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон: С = F log2 (1 + Рс/Рш), где С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускания линии в герцах, Рс - мощность сигнала, Рш - мощность шума. Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует, на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растет далеко не так быстро, как прямопропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии. Близким по сути к формуле Шеннона является следующее соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии: С = 2F log2 М,

30

где М - количество различимых состояний информационного параметра. Если сигнал имеет 2 различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи (рис. 2.10, а). Если же передатчик использует более чем 2 устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например 2 бита при наличии четырех различимых состояний сигнала (рис. 2.10, б).

Рис. 2.10. Повышение скорости передачи за счет дополнительных состояний сигнала Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Например, для примера, приведенного на рис. 2.10, можно увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником. Приведенные соотношения дают предельное значение пропускной способности линии, а степень приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования, рассматриваемых ниже.

31

Помехоустойчивость и достоверность Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконнооптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают. Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk - NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник, то он может принять наведенную внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен:
NEXT = 10 log Рвых/Рнав,

где Рвых - мощность выходного сигнала, Рнав - мощность наведенного сигнала. Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары категории 5 показатель NEXT должен быть меньше -27 дБ на частоте 100 МГц.Показатель NEXT обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают сколь-нибудь заметных помех друг для друга. В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стал применяться показатель PowerSUM, являющийся модификацией показателя NEXT. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле. Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью
32

битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило,10-4 10-6, в оптоволоконных линиях связи - 10-9. Значение достоверности передачи данных,

например, в 10-4 говорит о том, что в среднем из 10000 бит искажается значение одного бита. Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи.

2.5 Виды каналов связи Кабельные каналы связи Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически использовались первыми. Да и сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели. Эти кабели содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляет 3-3,5 кГц при длине 2-10 км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. C учетом возрастающих требованиям к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали в начале транспортной средой локальных сетей ЭВМ (10base-5 и 10base-2; см. рис. 2.11).

Рис. 2.11 изолятор

1 - центральный проводник; 2 - изолятор; 3 - проводник-экран; внешний

Коаксиальная система проводников из-за своей симметричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение. Сигнал распространяется по центральной медной
33

жиле, контур тока замыкается через внешний экранный провод. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи (ведь разные
“земли” обычно имеют неравные потенциалы). На рис. 2.11 проиллюстрирована схема

наводок по экрану коаксиального кабеля. Входной сигнал Авх подается через центральную жилу с одно стороны кабеля. На противоположной стороне кабель нагружен на сопротивление R, равное волновому импедансу кабеля. Если экран кабеля соединен с землей на обоих концах, то при наличии источника наводок по экрану будет протекать переменный ток наводки.

Рис. 2.11. Схема наводок по экрану коаксиального кабеля Импульсное значение наводки UН будет пропорционально L(dIH/dt), где L индуктивность оплетки кабеля, а IH - ток наводки. В результате наводка сложится с входным сигналом. При определенных обстоятельствах это может даже привести к выходу из строя сетевого оборудования. Именно это является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 ом. Это связано с тем, что эти кабели изза относительно толстой центральной жилы характеризуются минимальным ослаблением сигнала (волновое сопротивление пропорционально логарифму отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников). Коаксиальный кабель с полосой пропускания 500 МГц при ограниченной длине может обеспечить скорость передачи несколько Гбит/сек. Предельные расстояния, для которых может быть применен коаксиальный кабель составляет 10-15 км. Но по мере развития технологии скрученные пары смогли вытеснить из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200-350 МГц при длине 100м (неэкранированные и экранированные скрученные пары категории 5 и 6), а цены на единицу длины сравнялись. Скрученные пары проводников позволяют использовать биполярные приемники, что делает систему менее уязвимой (по сравнению с коаксиальными кабелями) к внешним наводкам. Но основополагающей причиной вытеснения коаксиальных кабелей явилась относительная
34

дешевизна скрученных пар. Скрученные пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Применение проводов сети переменного тока для локальных сетей и передачи данных допустимо для весьма ограниченных расстояний. В таблице 2.1. приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабелях. Таблица 2.1. Характеристики иформационных каналов для коаксиального кабеля.

Стандартный кабель Максимальная длина канала Скорость передачи данных Режим передачи Ослабление электромагнитных радиочастотных наводок влияния и 50 дБ
2 км 1 - 50 Мбит/с

Широкополосный
10 - 15 км 100 - 140 Мбит/с

полудуплекс

дуплекс

85 дБ

1500 каналов с одним

Число подключений

< 50 устройств

или более устройств на канал

На рис. 2.12 показана зависимость ослабления кабеля (внешний диаметр 0,95 см) от частоты передаваемого сигнала.

35

Рис. 2.12. Зависимость ослабления сигнала в кабеле от его частоты Можно сказать, что при расстояниях до 100 метров с успехом могут использоваться скрученные пары и коаксиальные кабели, обеспечивая полосу пропускания до 150 Мбит/с, при больших расстояниях или более высоких частотах передачи предпочтительнее оптоволоконный кабель, который будет рассмотрен ниже . Волоконно-оптические каналы связи. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) в настоящее время получили широкое распространеие при создании как глобальных, так и локальных сетей. Для передачи и приема светового излучения используются разнообразные приемопередатчики. ВОЛС имеют много преимуществ перед другими линиями связи. Первые оптоволоконные кабели изготовлялись из стекла, в настоящее время разработаны кабели на основе пластиковых волокон. Источником распространяемого по оптическим кабелям света является светодиод, или лазер а кодирование информации осуществляется изменением интенсивности света. На другом конце кабеля принимающий детектор преобразует световые сигналы в электрические. Оптоволоконный кабель не восприимчив к электромагнитным помехам, имеет очень широкую полосу пропускания, способен передавать информацию на огромные расстояния как в виде аналоговых и цифровых сигналов. Строение оптоволоконного кабеля. Оптическое волокно состоит из двух основных компонентов ( сердцевины (core) и оболочки (cladding). Снаружи волокно покрывается защитным покрытием (рис.2.13.) В ВОЛС используют оптоволоконные кабели, которые состоят из десятков и сотен волокон
(рис.2.14)

Рис.2.13 Поперечное сечение оптического волокна

36

Рис. 2.14. Оптоволоконный кабель Рассмотрим, как световой сигнал распространяется в световоде. Из-за

многократного отражения луча от стенок световода, световой импульс, пройдя по оптоволокну, трансформируется в серию мод. То есть, в конечную точку могут прийти лучи, которые вошли в световод в один и тот же момент времени, но под разным углом. Как следствие эти лучи (моды) проходят разные расстояния и «прибывают в пункт назначения» не одновременно. Это явление получило название межмодовой дисперсии. Чем больше длина оптоволокна, тем больше будет разброс по времени прибытия, тем меньше будет полоса пропускания. В зависимости от способа борьбы с межмодовой дисперсией все оптические волокна можно разделить на три вида: Многомодовое ступенчатое волокно, наиболее дешевые и простые в изготовлении
( рис.2.15).

Рис. 2.15. Многомодовое ступенчатое волокно В этом случае проблема никак не решается и следствием является небольшая полоса пропускания (20–30 МГц-км) (если ступенчатое оптоволокно применяется в локальных сетях, где длина одного отрезка кабеля не превышает 100 метров, то мы получаем полосу пропускания 200–300 МГц, что для локальных сетей не так уж и плохо). В настоящее время ступенчатое волокно практически не используется. Многомодовое градиентное волокно За счет сложного легирования оптоволокна можно добиться плавного уменьшения показателя преломления от центра к оболочке волокна. Тогда моды, хотя и будут попрежнему проходить разные пути, но делать это за одинаковое время. Полоса пропускания по сравнению со ступенчатым волокном заметно увеличивается, до 100–
1000 МГц-км.

Показатель

преломления

градиентных

волокон

обычно

имеет
37

параболический профиль, который получают, вводя в однородную стеклянную нить специальные добавки. В результате, число распространяющихся мод уменьшается примерно в два раза в сравнении со ступенчатым волноводом. Оптоволоконные линии связи на многомодовом волокне обладают следующим свойством: полоса пропускания линейно зависит от длины кабеля, поэтому ее измеряют не в абсолютных, а в удельных показателях, обычно в МГц-км (мегагерц-километр). Так, оптоволоконный кабель с характеристикой 100 МГц-км при длине 100 метров будет иметь полосу пропускания 1 ГГц. Это связано с возрастанием задержки сигнала в целом из за размывания светового импульса для лучей источника, имеющих наибольшее отклонение от центра волокна. Расстояние до приемника излучения быстрее всех пройдет луч, идущий вдоль оси волокна. Последним придет луч, вошедший под наибольшим углом. Следующий импульс не может быть принят приемником, пока не «утихнут» моды предыдущего, а чем больше длина кабеля тем больше размываются моды и сокращается удельная пропускная способность линии. Из-за сложного процесса изготовления, градиентное оптическое волокно относительно дорого (даже дороже, чем одномодовое волокно), но зато пассивные элементы для него — не такие дорогие, как для одномодового волокна. Поэтому кабели с градиентным волокном находят применение в небольших оптоволоконных системах, например в локальных сетях. Одномодовое волокно

Рис.2.15. Одномодовое волокно Количество мод в существенной степени зависит от диаметра волокна. Так что если диаметр волокна окажется сравнимым с используемой длиной волны, то по волокну будет распространяться только одна мода (при этом действуют законы уже не геометрической, а волновой оптики) и следовательно рассеивание существенно меньше. Из условия одномодовости вытекает важное следствие: оптоволокно некоторого малого диаметра при одной длине волны источника света будет одномодовым, а при другой — многомодовым.
38

Для оптоволоконных линий с одномодовым волокном, где межмодовая дисперсия отсутствует, строгой линейной зависимости полосы пропускания от длины линии нет. Поэтому полоса пропускания этих линий измеряется в абсолютных, а не в удельных величинах. Полоса пропускания одномодового волокна составляет около 30 ТГц, что на несколько порядков больше, чем у первых двух видов, и мало зависит от длины. В магистральных линиях, вследствие ограничений по частоте, вносимых оптическими усилителями, она ограничена 3 ТГц. Кроме перечисленных, есть еще несколько параметров, которые определяют качество оптоволоконных линий связи, а значит и области их применения. Этот параметр измеряется в обычных для линий связи единицах — дБ/км (децибел на километр) и называется затухание. Затухание, то есть потеря мощности светового сигнала происходит, в основном, по двум причинам:
• •

поглощение; рассеивание. меньше зависит от свойств

Рассеивание (часть лучей покидает оптоволокно)

материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина оптоволокна, но и от качества оболочки, так как часть сигнала, распространяется также и вней в ней. Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света. Затухание (поглощение) во многом зависит от длины волны светового сигнала. Причем экспериментально установлено три
«окна»,

в

которых

поглощение

заметно

уменьшается — это 8,5 мкм, 1,3 мкм и 1,55 мкм (чем больше длина волны, тем меньше потери от затухания). На источниках с длиной волны 0,85 мкм, работают только небольшие оптоволоконные сети. В магистральных ВОЛС лазеры. Сегодня одномодовые волокна, используемые в российских линиях, имеют затухание всего 0,22 дБ/км (оптическое волокно Sumitomo имеет затухание 0,154 дБ/км, а в лабораториях США получено так называемое фтороцирконатное волокно с еще меньшим затуханием — всего 0,02 дБ/км). Для многомодовых волокон характерно несколько большее затухание.
39

используются 1,55 мкм

Наиболее распространенные оптоволоконные кабели имеют следующие значения диаметров сердцевины и оболочки:

Диаметр сердцевины, мкм 8 Диаметр оболочки, мкм

50 62,5 100

125 125 125 140

В

современных

оптоволоконных

системах

используются

лучи

света

инфракрасного диапазона, которые имеют длину волны 0,85–1,55 мкм. В качестве источников используют лазеры или светодиоды. В качестве же приемников излучения используют фотодиоды инфракрасного диапазона. Светодиодные источники дешевы, но имеют непрерывный и более широкий спектр, а также широкую диаграмму направленности. Лазеры в силу своих «природных качеств», наоборот, имеют узкий спектр и узкую (практически прямолинейную) направленность, но они более дороги и сложны в эксплуатации. Поэтому в небольших оптоволоконных системах используют обычно светодиодные источники, а в крупных информационных магистралях — лазеры. Типовая структурная схема волоконно-оптической системы связи представлена на рис.2.16. Оптический передатчик преобразует электрические сигналы, поступающие на вход системы, в оптические импульсы и передает их в линейный тракт, а оптический приемник осуществляет обратное преобразование оптических сигналов в электрические, тождественные входным сигналам.

40

Рис.2.16. Типовая структурная схема волоконно-оптической системы связи.

Входной электрический сигнал поступает на преобразователь кода (кодер), где осуществляется его информационное согласование с кодом, применяемым в данной оптической линии связи. После преобразования электрический сигнал при помощи модулятора непосредственно модулирует оптическую несущую источника излучения. Затем сигнал, преобразованнй в световой поток, через согласующее оптическое устройство передается по линейному тракту и через приемное оптическое устройство поступает на фотодетектор. После преобразования электрический сикнал поступает на усилитель а затем на демодулятор и преобразователь кода (декодер). Линейный тракт содержит оптический кабель с устройствами сращивания строительных длин и оконечными разъемными соединениями, а также линейные регенераторы. Расмотренная система предназначена для передачи сигналов в одном направлении по одному волоконному световоду. Для встречной передачи необходим еще один комплект оконечных устройсв и второй световод. В обоих направлениях сигналы передаются на одной и той же оптической несущей, а световоды объединяется в одном оптическом кабеле. В настоящее время ВОЛС по протяженности подразделяется на внутриобъектовые, линии средней протяженности и магистральные.

41

Внутриобъектовые линии используются для телефонной, видеотелефонной связи и передачи данных внутри предприятий. При строительстве внутриобъектовых линий обычно используются полупроводниковые светодиоды (СД), pin-фотодиоды (ФД) и оптический кабель на основе дешевых многомодовых ступенчатых стеклянных или полимерных волокон. Линии средней протяженности предназначены для сетей ГТС, систем кабельного телевидения, скрытой связи тактического военного назначения, сопряжения ЭВМ с далеко вынесенными терминалами, а также компьютерных сетей и городских компьютерных магистралей. При строительстве внутригородских ВОЛС в зависимости от назначения, могут быть использованы СД, полупроводниковые инжекционные лазеры (ПЛ), неразъемные соединительные устройства, фотодиоды (ФД). Оптический кабель может содержать многомодовые ступенчатые или градиентные светодиоды из кварцевых или многокомпонентных стекол. Магистральные линии используются для многоканальной связи и обычно содержат линейные регенераторы. При строительстве этих линий применяются ПЛ, лавинные фотодиоды (ЛФД) и оптический кабель с минимальным затуханием и дисперсией на основе градиентных или одномодовых кварцевых светодиодов. Недостатки эксплуатации ВОЛС:
• • •

оптоволоконные кабели более сложны в установке, чем коаксильные Наиболее сложным моментом при установке оптоволоконного кабеля является его сращивание. Достаточно большую сложность представляет собой задача поиска места повреждения оптического кабеля. Для определения повреждений и дефектов оптоволоконного кабеля используется дорогостоящее оборудование что затрудняет и повышает стоимость их технического обслуживания. В то время как для поиска неисправностей и получения данных об общем состоянии медного кабеля используются такие приборы, как омметры, вольтметры и осциллографы.

•

Пока оптоволоконные кабели более дорогие, чем медные.

Беспроводные каналы связи Беспроводные каналы связи
(радиоканалы)

используются

в

наземных

территориальных компьютерных коммуникациях и спутниковых сетях.

42

Беспроводные каналы наземной связи При расстоянии между объектами связи более 500 метров применение беспроводной технологии оказывается значительно выгоднее, чем прокладка оптоволокна
(ВОЛС). Cредняя стоимость организации ВОЛС равняется 4000 у.е. за 1 километр.

Средняя

стоимость

организации

радиоканала

связи

на

базе

радиооборудования с пропускной способностью 11 Мбит/сек, не зависит от расстояния (в пределах 20-ти километров) и равняется примерно 1900 у.е. Протяженность линии радиоканала определяется многими факторами и напрямую связана с уровнем принимаемого сигнала, при котором обеспечивается вероятность ошибки не хуже 10 -6 на бит. Потери мощности передаваемого сигнала происходят из-за потерь в кабеле, соединяющем радиоустройство и ЛВС, коннекторах, при прохождении сигнала в открытом пространстве, а также из-за влияния земли, тропосферы и различных препятствий ретрансляции передачи
(неровностей

местности, от сотен

зданий метров по

и до

сооружений). км. радио:

В зависимости от частоты и мощности передатчика протяженность радиолинии без может быть
50

В настоящее время в области передачи данных существуют два основных вида информации
1) фиксированные частоты приема и передачи в диапазонах от сотен мегагерц до

десятков гигагерц с относительно узкими полосами пропускания, ширина которых опрделяется скоростью передачи;
2) технология "шумоподобного сигнала" (ШПС), где приемопередатчики работают в трех

диапазонах частот (902-928) МГц, (2.4-2.4835) ГГц и (5.725-5.850) ГГц с широкими полосами обеспечить вооруженных К пропускания. надежную Использование защиту ШПС позволяет значительно от повысить устойчивость радиолинии к помехам и интерференционным воздействиям, а также передаваемой с информации
"радиохакеров",

разнообразными системам

сканирующими фиксированными

устройствами. частотами относятся

высокоскоростным

радиорелейные линии связи (РРЛ), предназначенные для организации связи типа "точкаточка". Приемопередатчики РРЛ работают в стандартных диапазонах частот: 2; 7; 13; 15;
18; 23; 38 ГГц. В зависимости от цифрового потока, начиная с 2048 Кбит/с до 32768

Кбит/с, ширина полосы пропускания изменяется от 3,5 МГц до 28 МГц. РРЛ использует высоконаправленные антенны с большим усилением (более 40 Дб) диаметром от 0,6 м до
1,8 м и поэтому при мошности передатчика 50 мВт дальность связи в зависимости от

диапазона частот может достигать 50 км. На рис.2.17 показана антенна РРЛ.
43

Приемопередающая параболическая антенна используется для создания радиоканалов на больших расстояниях. Две таких антенны, подключенных непосредственно к сетевым радиокартам или радиобриджам, и направленных друг на друга, обеспечивают дальность связи до
20

км.

С

усилителями (с каждой стороны) дальность связи возрастает до 50 км. При работе со всенаправленной антенной 11 dBi дальность связи - до 8 км, с усилением - до 15 км.
• • • •

рабочий диапазон частот 2.4-2.483 ГГц коэффициент усиления - 24 dBi геометрические размеры антенны - 0.6Х0.9 м. ширина диаграммы направленности на уровне -3 dB составляет: в горизонтальной плоскости
10

гр,

в вертикальной плоскости - 15 гр. Рис.2.17 Направленная пораболическая антенна для РРЛ.

К низкоскоростным системам с фиксированными частотами относятся некоторые системы многопользовательского доступа (топология "звезда") в один радиоканал с полосами пропускания 12,5/25 КГц. Эти системы передают данные со скоростями 9,6-19,2 Кбит/с и работают Технология в диапазонах частот сигнала"
450 (ШПС)

или

800

МГц. в

"щумоподобного

применяется

радиомодемах, позволяющих организовать связь типа "точка-точка" со скоростью от 19,2 Кбит/с до 2,048 Кбит/с. При этом ширина полосы изменяется от 1.8 МГц до 120 МГц. Так как в радиомодемах мощность передатчика может достигать 800 мВт, а также применяются направленные антенны с большим коэффициентом усиления, дальность связи может достигать
45

км.

Другая область применения технологии ШПС - создание локальных сетей. В этом случае скорость передачи информации составляет до 2 Мбит/с. Но так как при этом мощность передатчика не превышает 100 мBт, то при использовании всенаправленных антенн с низким усилением дальность действия таких систем не превышает нескольких сотен метров и сильно зависит от препятствий, имеющихся внутри здания. При
44

использовании направленных антенн можно объединить локальные сети, удаленные друг от друга на значительно большее расстояние.

Спутниковые каналы связи Глобальные и региональные сети в настоящее время широко используют спутниковые каналы передачи данных. Их называют Системы спутниковой связи (ССС). Они широко используются во многих регионах мира и стали неотъемлемой частью инфраструктуры телекоммуникаций большинства стран. Не только промышленно развитые страны с разнообразными современными сетями телекоммуникаций, но все чаще и развивающиеся страны успешно внедряют ССС. Ниже будут подробно рассмотрены технологии создания сетей, базирующихся на спутниковых каналах связи. Многие годы ССС успешно конкурировали с волоконно-оптическими сетями связи. Внедрение этих сетей ускоряется в связи с быстрым технологическим развитием соответствующих областей волоконной оптики, однако эволюционно/революционным преобразованиям подвержены ССС. Несмотря на существенный прогресс проводной и радиосвязи, на долю спутниковых систем сегодня приходится до двух третей мирового трафика. Основными каналообразующими элементами ССС является спутник и земные станции (ЗС) Спутник — устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает и транслирует в широковещательном режиме одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне видимости спутника. Спутник не инициирует и не терминирует никакой пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковая передача начинается в некоторой ЗС, проходит через спутник, и заканчивается в одной или большем количестве ЗС. Ширина полосы(Bandwidth) спутникового канала характеризует количество информации, которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц на частотах от 4 МГц до 6 МГц. Обычно ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.
45

Спутники связи должны преобразовывать частоту получаемых от ЗС сигналов перед ретрансляцией их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Из двух частот в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС
(нисходящие потоки), верхняя — для передачи от ЗС на спутник (восходящие потоки).

Каждая пара частот называется полосой. Современные спутниковые каналы чаще всего применяют одну из двух полос: C-полосу (от спутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно в области 4 ГГц); Ku-полосу (14 ГГц и 12 ГГц, соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики, ориентированные на разные задачи связи: Спутниковые диапазоны полос Полоса, передачи, L (ГГц)
1.6/1.5 14/12

С Диапазон частот, Доступная ширина, Ku (ГГц)
6/4 30/120

(МГц)
15 500

Ka (Гц)
500 2500

Большинство действующих спутников используют C-полосу. Передача в С-полосе может покрывать значительную область земной поверхности, что делает спутники особенно пригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы Сполосы, являются относительно слабыми и требуют развитых и достаточно дорогих антенн на ЗС. Важная особенность сигналов С-полосы — их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера земли почти прозрачна для сигналов в диапазоне
4/6 ГГц. К сожалению, этим же фактором обусловлено то, что сигналы С-полосы более

всего подходят для наземных двухточечных микроволновых передач, портящих более слабые спутниковые сигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие при передаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотного проживания населения. Передача в Ku-полосе имеет противоположные свойства. Луч при такой передаче сильный, узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединений от точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы никоим образом не влияют на сигналы Ku-полосы, и ЗС Kuполосы могут быть размещены в центрах городов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет обойтись меньшими, более дешевыми антеннами ЗС. К сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайно чувствительны к атмосферным явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотя подобные погодные явления, как известно, воздействуют на небольшую область в течение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такие условия совпадают с ЧНН (час наибольшей нагрузки, например 4 часа пополудни, полдень пятницы).

46

Раздел 3. Коммутация и мультиплексирование каналов и данных в глобальных сетях.
Глобальные и территориальные коммуникации представляют собой

коммутируемые сети, они состоят из линий связи и коммутирующих узлов, объединяющих их в единую информационную систему. Узлы коммутации не меняют информационного содержимого передачи. По аналогии с сетями связи будем называть конечные устройства, которые обмениваются информацией через сеть абонентами сети, ими могут быть компьютеры, терминалы, телефоны или другие устройства. Информационные потоки в линиях связи глобальных сетей, как правило, уплотняются для повышения пропускной способности сети с использованием специальных методов и аппаратуры уплотнения. Каналы между узлами обычно уплотняются с использованием либо частотного (Frequency Division Multiplexing — FDM), либо временного (Time Division Multiplexing — TDM) уплотнения (мультиплексирования). Устройства, выполняющие

уплотнение канала называются мультиплексорами. информационных

Они позволяют нескольким потоков.

пользователям разделять один физический канал связи, обеспечивая передачу нескольких Использование мультиплексоров при построении сетей связи позволяет решить две задачи, определяющие, в значительной степени технический облик и стоимостные характеристики создаваемой системы. Первая задача - повышение эффективности использования пропускной способности, используемых в системе связи каналов. Применение мультиплексоров, позволяющих более эффективно использовать каналы связи, существенно снижает стоимость построения и эксплуатации системы связи, что особенно ощутимо при эксплуатации в системе выделенных проводных, оптоволоконных и спутниковых каналов связи. Вторая задача - предоставить абонентам сети связи интегральные услуги, т.е. передачу данных, голоса, факса. Использование некоторых мультиплексоров позволяет обеспечить интегральные услуги связи на существующих или оперативно создаваемых каналах Более подробно технологии мультиплексирования будут рассмотрены ниже. связи.

47

Рис. 3.1. Упрощенная схема коммутируемой сети На рис. 3.1 показана упрощенная схема сети. В глобальных коммутируемых сетях применяются две совершенно различные технологии коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов. Они отличаются способом передачи информации между узлами сети от источника к адресату.

3.1 Коммутация каналов Коммутация обозримом будущем. Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. Глобальные сети не обладают полносвязными топологиями / Кос. Игнатк. / но в обязательном порядке обеспечивают возможность доставки информации между любыми узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо
48

каналов

является

доминирующей

технологией

передачи

разнородного по своей природе трафика( видео, речи и данных, и останется таковой в

выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. Сети использующие технологию коммутации каналов можно разделить на два класса:
1)

Первичные сети с постоянной коммутацией каналов. В сетях этого типа

абоненты сети не могут инициировать коммутацию соединений между собой - каналы между абонентами коммутируются на постоянной основе оператором сети. Говорят, что такие сети предоставляют сервис выделенных (dedicated или leased) каналов, так как для пользователя коммутаторы сети "не видны" и сеть представляется каналом "точка точка"..
2) Сети с динамической коммутацией каналов. При коммутации данного типа

канал образуется по вызову абонента. Причем, для связи двух одних и тех же абонентов в разных сеансах связи коммутаторами сети могут быть образованы различные каналы. Наиболее типичными сетями такого рода являются телефонные сети, позволяющие абонентам сети динамически инициировать установление соединений друг с другом. Телефонные сети делятся на аналоговые, использующие технику мультиплексирования
FDM , и цифровые, основанные на технике мультиплексирования TDM . Наиболее

распространенным типом цифровых сетей для передачи мультимедиа трафика являются сети ISDN -цифровые сети с интегральными услугами (Intergrated Services Digital
Network).

Связь с коммутацией каналов предполагает, что имеется заранее определенный тракт связи между двумя оконечными узлами сети. Этот тракт — связанная последовательность каналов между узлами сети. В каждом физическом канале для данного соединения выделяется логический канал(информационный канал для данного абонента). Связь с коммутацией каналов включает три фазы:
1. Установление соединения. Прежде чем можно будет передать какие-то

сигналы, должно быть установлено сквозное соединение (от узла источника информации до узла приемника информации). Физическое соединение между абонентами (будущий информационный тракт) формируется на основании запросов, которыми обмениваются смежные коммутаторы, получая информацию о работоспособности линий связи и ближайших коммутаторов и, возможно, стоимости передачи информации через них. Соединившись с выбранным смежным коммутатором, коммутатор источник информации занимает в физическом отрезке линии свободный логический канал (с использованием частотного или временного уплотнения) и посылает сообщение на данный коммутатор с требованием соединения с абонентом – оконечным узлом. Такая процедура повторяется,
49

до тех пор пока не будет сформирован весь маршрут (физический тракт прохождения информации). Терминальный коммутатор сети определяет готовность оконечного узлаабонента к сеансу связи.
2. Передача данных. После установления соединения по сети

передается

информация дуплексным.

от одного абонента к другому. Как правило, соединение является

3. Разрыв соединения. После завершения передачи информации соединение

разрывается, обычно это действие инициирует одна из двух станций. При этом, на коммутаторах освобождаются логические каналы. Метод коммутации каналов был создан для обслуживания телефонных разговоров, но теперь он используется и при обмене данными. Технология коммутации каналов развивалась для удовлетворения потребностей аналоговой телефонии, которые предъявлялись к передаче голосовых сигналов – минимальная задержка сигнала. Исходя из этого, должна была поддерживаться постоянная скорость передачи сигнала, поскольку передача и прием осуществляются при одной и той же скорости. Выполнение этих требований необходимо, чтобы происходил обычный разговор людей. Кроме того, качество принимаемого сигнала должно быть достаточно высоким, чтобы, как минимум, обеспечивать разборчивость речи. В сегодняшнем цифровом мире для передачи пульсирующего, преимущественно клиент-серверного трафика, обнаружилась неэффективность технологии коммутации каналов. данные Ресурсы каналов выделяются на весь срок действия соединения, даже если фактически не передаются. При передаче голосовых данных степень

использования может быть довольно высокой, но все же не достигает 100%. При соединении терминала и компьютера канал большую часть времени может оставаться неиспользуемым. На степень использования влияет задержка начала передачи сигналов, требуемая для установления связи. Но как только соединение будет установлено, наличие сети становится практически незаметным для пользователей. Информация передается с постоянной скоростью без задержек, исключая лишь задержку при распространении по каналам. Задержка на каждом узле незначительна. Другим недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей.

50

Однако, несмотря на свою неэффективность для компьютерного трафика, коммутация каналов остается привлекательной технологией как для локальных, так и для глобальных сетей. Одно из ее главных преимуществ — незаметность для пользователя. Когда соединение установлено, для подключенных станций оно кажется прямым; никакая дополнительная сетевая логика на этих станциях не требуется. Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутаторах сети.

3.2 Коммутация пакетов Как было показано выше, сети с коммутацией каналов первоначально предназначались для передачи голосовых сигналов, и до сих пор большую часть информационного обмена в этих сетях составляют голосовые сообщения. Для передачи компьютерного трафика и повышения эффективности использования линий связи была разработана сетевая технология коммутации пакетов. Эта технология предполагает оформление сообщений передаваемых абонентами через сеть в виде информационных блоков регламентированной длины, которые называются пакетами (в конкретных сетевых технологиях они могут называться фреймами, ячейками) Каждый пакет содержит ограничители (кодовые последовательности, по которым идентифицируется наличие информации в канале связи), управляющей информацией(эта информация включает, заголовок с адресной как минимум, и сведения,

необходимые, чтобы провести пакет через сеть и доставить нужному получателю.), а также часть данных пользователя (или все данные, если сообщение невелико). На каждом узле по пути следования пакета он принимается, обрабатывается на короткое время сохраняется и передается на следующий узел.

51

Рис. 3.2. Представление сообщений в виде пакетов Использование данной технологии представлено на рис. 3.2, подробно описанных в / 2 /. Передающий компьютер или другое устройство посылает сообщение как последовательность пакетов терминальному узлу сети, с которым он соединен. По мере того, как пакеты прибывают на этот узел, они ненадолго сохраняются, после чего определяется следующий маршрутный участок на пути к адресату, и пакеты передаются дальше. Передача начинается в тот момент, когда нужная линия становится доступной. Со временем все пакеты пройдут через сеть и поступят к нужному адресату.

52

Рис. 3.3 Коммутация пакетов, дейтаграммная передача. Технология коммутации пакетов имеет определенные преимущества перед технологией коммутации каналов.
• Линия используется более эффективно, так как каждый канал между двумя

узлами может поочередно использоваться несколькими пакетами. Пакеты стоят в очереди и передаются по каналу с максимально возможной скоростью. При коммутации каналов, напротив, время передачи по каналу установлено заранее по принципу уплотнения с временным разделением. Следовательно, большую часть выделенного времени канал может простаивать, так как соединение, для которого он выделен, неактивно.
53

• В сети с пакетной коммутацией можно изменять скорость передачи данных. Две

станции с разной скоростью передачи могут обмениваться пакетами, поскольку каждая из них соединяется со своим узлом на "своей" скорости передачи данных.
• Когда в сети с коммутацией каналов увеличивается нагрузка, некоторые

соединения блокируются, т.е. сеть не принимает новые запросы на соединение, пока нагрузка не уменьшится. Сеть с пакетной коммутацией, напротив, продолжает принимать пакеты, но задержка при доставке увеличивается.
• Можно применять приоритеты. Иначе говоря, если на узле ожидает очереди на

передачу некоторое количество пакетов, пакеты с более высоким приоритетом будут переданы первыми. Следовательно, эти пакеты будут доставлены с меньшей задержкой, чем низкоприоритетные. Технология коммутации пакетов имеет также определенные недостатки по сравнению с коммутацией каналов.
•

При каждом проходе пакета через узел коммутационной сети возникает

задержка, отсутствующая при коммутации каналов. Эта задержка не меньше длины пакета в битах, деленной на входящую пропускную способность канала в битах в секунду; т.е. времени, уходящего на помещение пакета во внутренний буфер. Кроме того, могут возникать дополнительные задержки, связанные с обработкой и организацией очереди в узле.
•

Поскольку пакеты, передаваемые данным источником данному адресату,

могут иметь различный размер, передаваться по различным маршрутам и задерживаться в узлах на различное время, общее время задержки пакета может значительно варьироваться. Это явление, именуемое дрожью, может быть нежелательным для некоторых приложений (например, приложений реальной связи, в том числе передачи речи по телефону и видео реального времени).
•

Для передачи пакетов через сеть к каждому пакету необходимо добавить

служебную информацию, включающую адрес назначения и, часто, информацию по упорядочению пакетов. Все это снижает процент использования доступной пропускной способности. В сети с коммутацией каналов данные служебные издержки становятся ненужными сразу же после настройки канала.
•

При передаче с коммутацией пакетов требуется большая обработка, чем при

коммутации каналов, когда обработка на промежуточных узлах практически отсутствует. Использование коммутации пакетов В сетях пакетной коммутации используются два метода транспортировки:
1) метод дейтаграмм 54

2) метод виртуального канала.

В случае использования метода дейтаграмм каждый пакет обрабатывается независимо от других, без всякой связи с пакетами, которые были переданы раньше. Рассмотрим результаты такого подхода (рис. 3.3). Каждый узел выбирает очередной узел по пути следования пакета, учитывая информацию, полученную от соседних узлов и касающуюся трафика, сбоев в линии связи и т.п. В следствии этого пакеты, следующие к одному адресату, могут идти по разным маршрутам и прибывать в узел назначения в порядке, отличном от исходного. Упорядочиваются пакеты или в терминальном коммутаторе сети или в устройстве абонента- получателя. Кроме того, в ходе передачи по сети пакет может быть разрушен. Например, при кратковременном сбое узла коммутации все пакеты в его очередях будут утрачены. Как и ранее, обнаружить потерю пакета и выяснить, как его восстановить, должен либо устройство абонента, либо узел на выходе сети. При этом методе каждый независимо обрабатываемый пакет называется дейтаграммой.

55

Рис.3.4. Коммутация пакетов: использование виртуальных каналов. При использовании метода виртуального канала маршрут прохождения пакетов устанавливается заранее. Как только маршрут установлен, пакеты следуют строго по нему
(рис. 3.4). Поскольку этот маршрут установлен на все время существования логического

соединения, он несколько напоминает тракт в сети с коммутацией каналов и поэтому называется виртуальным каналом. Каждый пакет помимо данных содержит вместо адреса назначения идентификатор виртуального канала. Каждый узел на заранее установленном маршруте знает, куда направить такой пакет; принимать решение о маршрутизации не нужно. Следует заметить, что этот маршрут не является специально выделенным трактом, как при коммутации каналов. Как и при пакетной коммутации, пакеты записываются в буфер на каждом узле и накапливаются в очереди для вывода через канал, по которому также могут передаваться другие пакеты из других виртуальных каналов. Отличие от метода дейтаграмм заключается в том, что узел не должен принимать решения о
56

маршрутизации для каждого пакета. Это делается только один раз для всех пакетов, использующих данный виртуальный канал. Рассмотрим преимущества и недостатки данных методов. Если две станции должны обмениваться данными в течение длительного времени, метод виртуальных каналов обнаруживает некоторые преимущества. Во-первых, сеть дает виртуальному каналу дополнительные возможности, такие, как упорядочение и защита от ошибок. Упорядочение обеспечивается тем, что все пакеты следуют по одному и тому же маршруту и поэтому доставляются получателю в исходном порядке. Защита от ошибок предусматривает не только правильный порядок получения пакетов, но и сохранность информации в них. Еще одно преимущество состоит в том, что по виртуальному каналу пакеты должны быстрее проходить через сеть, так как не нужно принимать решение о маршрутизации для каждого пакета на каждом узле. Метод дейтаграмм имеет одно преимущество — отсутствие этапа установки соединения. Таким образом, если станция должна послать лишь один или несколько пакетов, дейтаграмма окажется более быстрой. Кроме того, метод дейтаграмм, как более простой, имеет большую гибкость. Например, если в одной части сети возникает перегрузка, входящие дейтаграммы могут быть направлены по другим, незагруженным, частям. В случае использования виртуального канала пакеты следуют по заранее установленному маршруту, и поэтому сети труднее приспособиться к перегрузке. Еще одно преимущество — дейтаграммы по самой своей сути более надежны. При использовании виртуальных каналов если один узел выходит из строя, все проходящие через него виртуальные каналы теряются. Если же используются дейтаграммы, последующие пакеты могут найти новый маршрут в обход этого узла.

3.3. Уплотнение информационных каналов. Мультиплексирование. В общих чертах принцип действия мультиплексора представлен выше: поступающие по нескольким входящим низкоскоростным линиям сигналы передаются в отведенном для каждого из них частотном диапазоне(Frequency Division Multiplexing,
FDM ) или интервале времени (Time Division Multiplexing , TDM )по высокоскоростной

исходящей линии. На противоположном конце высокоскоростной линии эти сигналы вычленяются, или демультиплексируются. При частотном мультиплексировании частотный спектр делится на логические каналы, причем каждый пользователь получает этот канал в свое распоряжение на время

57

передачи информации. При временном мультиплексировании пользователям периодически выделяется вся полоса, но только на регламентируемый отрезок времени. Техника частотного мультиплексирования каналов ( FDM ) была разработана для телефонных сетей, но применяется она и для других видов сетей, например сетей кабельного сети/ телевидения. Рассмотрим особенности этого вида мультиплексирования на примере телефонной
2 /.

Речевые сигналы имеют спектр шириной примерно в 10 000 Гц, однако основные гармоники укладываются в диапазон от 300 до 3400 Гц. Поэтому для качественной передачи речи достаточно образовать между двумя собеседниками канал с полосой пропускания в 3100 Гц, который и используется в телефонных сетях для соединения двух абонентов. В то же время полоса пропускания магистральных кабельных систем с промежуточными усилителями, соединяющих телефонные коммутаторы между собой, обычно составляет сотни килогерц, а иногда и сотни мегагерц, они называются широкополосными. Для разделения абонентских каналов характерна техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом
(рис. 3.5). Эта техника подобна технике аналоговой модуляции при передаче дискретных

сигналов модемами, только вместо дискретного исходного сигнала используются непрерывные сигналы, порождаемые звуковыми колебаниями. В результате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину, приблизительно совпадающую с шириной модулирующего сигнала, рис.3.5.

58

Рис.

3.5.

Модуляция

высокочастотного

несущего

синусоидального

сигнала

низкочастотным речевым сигналом. Если сигналы каждого абонентского канала перенести в свой собственный диапазон частот, то в одном широкополосном канале можно одновременно передавать сигналы нескольких абонентских каналов. На входы FDM -коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. Обычно высокочастотный диапазон делится на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов. Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3,1 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц, т.е. каналы отделены друг от друга так называемыми защитными интервалами. Рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема уплотненного телефонного канала. В канале между двумя FDM -коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным. Выходной FDM -коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон. Схемы мультиплексирования FDM в достаточной мере стандартизованы. В сетях на
59

основе FDM-коммутации принято несколько уровней иерархии уплотненных каналов. Первый уровень уплотнения образуют 12 абонентских каналов, которые составляют базовую группу каналов, занимающую полосу частот шириной в 48 кГц с границами от 60 до 108 кГц. Второй уровень уплотнения образуют 5 базовых групп, которые составляют супергруппу, с полосой частот шириной в 240 кГц и границами от 312 до 552 кГц. Супергруппа передает данные 60 абонентских каналов тональной частоты. Десять супергрупп образуют главную группу, которая используется для связи между коммутаторами на больших расстояниях. Главная группа передает данные 600 абонентов одновременно и требует от канала связи полосу пропускания шириной не менее 2520 кГц с границами от 564 до 3084 кГц. Коммутаторы FDM могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос своего уплотненного канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступному пользователям. Разновидностью технологии частотного мультиплексирования, используемой в случае оптических линий связи, является мультиплексирование по длине волны
(Wavelength Division Multiplexing). Физически мультиплексирование осуществляется

следующим образом: несколько волокон подводится к призме (или чаще дифракционной решетке), световые пучки пропускаются через призму и попадают в общее волокно. На противоположном конце пучки разделяются с помощью другой призмы. Если каждый подводимый пучок ограничен своим частотным диапазоном, то они не будут перекрываться. Оптические системы полностью пассивны и, как результат, более надежны. Принцип коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида, меняются только границы полос, выделяемых отдельному абонентскому каналу, а также количество низкоскоростных каналов в уплотненном высокоскоростном. Коммутация на основе техники разделения частот разрабатывалась в расчете на передачу непрерывных сигналов, представляющих голос. При переходе к цифровой форме представления голоса была разработана новая техника мультиплексирования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных. Эта техника носит название мультиплексирования с разделением времени (Time
60

Division Multiplexing, TDM ). Реже используется и другое ее название - техника

синхронного режима передачи (Synchronous Transfer Mode, STM ). Рисунок 4 поясняет принцип коммутации каналов на основе техники
TDM .

Аппаратура TDM -сетей - мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. При мультиплексировании с разделением по времени каждое устройство или входящий канал получают в свое распоряжение всю пропускную способность линии, но только на строго определенный промежуток времени каждые 125 мкс(см. Рис. 5), т.е. цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонентском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Время передачи восьмиразрядного значения мгновенной амплитуды называется квантом времени (timeslot) и равно длительности передачи восьми импульсов (один для каждого бита). Последовательность квантов времени, следующих с вышеуказанным интервалом, образует временной канал. Совокупность каналов за один цикл дискретизации составляет кадр. Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором (Рис.3.7).

Рис.3.7. Мультиплексирование с разделением по времени. Демультиплексор выполняет обратную задачу - он разбирает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.
61

Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотненный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов. "Перемешивая" нужным образом байты в обойме, коммутатор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети. Однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения
"входной канал-выходной слот" в течение всего времени существования этого

соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с. Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом. Однако, в отличие от пакета компьютерной сети, "пакет" сети TDM не имеет индивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в обойме или номер выделенного таймслота в мультиплексоре или коммутаторе. Сети, использующие технику TDM , требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники синхронный режим передач ( STM ). Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом теряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между различными каналами в оборудовании TDM невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывается избыточным, так как на входе этого канала в этот момент нет данных для передачи
(например,

абонент

телефонной

сети

молчит).

Сети TDM могут поддерживать либо режим динамической коммутации, либо режим постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима. Так, например, основным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе технологии TDM , является динамическая коммутация, но они поддерживают также и постоянную коммутацию, предоставляя своим абонентам службу выделенных каналов. Сегодня практически все данные - голос, изображение, компьютерные данные передаются в цифровой форме. Поэтому выделенные каналы TDM технологии, которые обеспечивают универсальными нижний уровень для для передачи сетей цифровых любого данных, типа: являются каналами построения телефонных,

телевизионных и компьютерных.

62

Раздел 4. Первичные сети
Первичные сети предназначены для создания системы высокоскоростных магистральных информационных двухточечных каналов с разделяемой полосой пропускания, на базе которых могут функционировать так называемые наложенные сети. Первичные сети составляют основу территориальных и экстерриториальных коммуникаций в глобальных сетях. В настоящее время активно используются и взаимодействуют между собой уже три поколения технологий первичных сетей:
1) Плезиохронная цифровая иерархия PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). 2) Синхронная цифровая иерархия SONET /SDH (Sinchronous Optical NETwork)/ (Synchronous Digital Hierarchy). 3) Уплотненное волновое мультиплексирование DWDM (Dense Wave Division Multiplexing).

4.1 Сети PDH
Разработка первой системы первичных сетей технологии PDH и первых

территориальных и экстерриториальных информационных магистралей, использующих цифровые каналы связи связаны с изобретением метода импульсно-кодовой модуляции
(ИКМ). Это метод преобразования информации, из аналоговой формы в цифровую для

коммутации и передачи, запатентованный А.Х. Ривесом в 1938г. Метод включает в себя измерение значений аналоговых сигналов в дискретные моменты времени в полосе 0.3 3.4 кГц, квантование (представление в числовом виде в выбранном диапазоне чисел) и

кодирование результатов в цифровой форме (представление числа в виде двоичного кода). Согласно теореме Шеннона-Котельникова, значение аналогового сигнала будет точно воспроизведено, если частота его измерения по крайней мере в 2 раза выше, чем частота самого сигнала. Для речевого сигнала, ограниченного при телефонной передаче частотой
3400 Гц, эта частота с некоторым запасом принята равной 8000 измерений/с, а интервал

времени между соседними измерениями, равняется 125мкс которых соответствует измерениям времени называется

(1 с/8000=125 мкс).

Представление аналогового сигнала в виде последовательности импульсов, высота амплитуды этого сигнала в дискретные моменты модуляцией
(АИМ). 63

амплитудно-импульсной

Полученные значения амплитуд оцифровываются квантованием по уровню сигнала это процесс сопоставления значений амплитуды измеренного импульса (сигнал АИМ) ближайшему выделенному уровню. В системе ИКМ используется 256 уровней. Значение уровня сигнала кодируется, т.е. представляется восьмиразрядным двоичным словом. Имея конечное число уровней, их можно пронумеровать и переслать по линии номер уровня. Номер каждого уровня выражается в двоичной системе счисления. Воспроизводимый в приемнике сигнал не совпадает в точности с передаваемым сигналом, поскольку, ввиду конечного числа уровней квантования (256), вершина дискрета может занимать произвольное положение внутри интервала, который определяется величиной шага квантования, т.е. расстоянием между последовательными уровнями квантования. Поэтому в приемнике значение восстановленного сигнала располагается в середине интервала квантования. Таким образом, на приемной стороне принимаются два сигнала: сигнал, идентичный переданному, и разностный сигнал (разность между переданным и восстановленным сигналам), который называется шумом квантования. Такая последовательность операций обеспечивает возможность представления сериями 8-битовых кодов любых аналоговых сигналов. Эти 8--битовые коды из различных разговорных каналов размещаются в соответствующих временных интервалах и собираются в блоки для передачи, мультиплексируются согласно технологии TDM. Структура временных интервалов зависит от применяемых стандартов: ИКМ-30, ИКМ-24, ИКМ-15, ИКМ-12 и др. В Европе, как и в остальном мире, за исключением США и Японии, стандартной системой является ИКМ-32/30 (или E1 ) с 32 временными каналами по 64 кбит/с, в которой 30 каналов используются в качестве информационных для передачи голоса, данных и т. д., а два - в качестве служебных, причем один из служебных каналов предназначен для сигнализации (служебных сигналов установления связи), другой - для синхронизации. Как нетрудно подсчитать, общая емкость системы составляет 2,048 Мбит/с. Система E1 образует так называемую первичную группу. Вторичную группу
E2 образуют 4 канала E1 общей емкостью 8,448 Мбит/с, третичную систему E3 - четыре

канала E2 (или шестнадцать каналов E1 ) общей емкостью 34,368 Мбит/с, а четверичную группу - четыре канала E3 общей емкостью 139,264 Мбит/с. Эти системы образуют европейскую плезиохронную цифровую иерархию. Принцип последовательного мультиплексирования каналов проиллюстрирован на Четыре канала E1 мультиплексируются в один канал E2 , причем на этом и последующих уровнях мультиплексирование осуществляется побитно, а не побайтно, как это имело
64

место в случае мультиплексирования 30 голосовых каналов в один канал E1 . Суммарная емкость четырех каналов E1 составляет 8,192 Мбит/с, в то время как полная емкость E2 равна в действительности 8,448 Мбит/с. Избыточные биты используются для обрамления и восстановления синхронизации. Затем четыре канала E2 мультиплексируются в один канал E3 и т. д. Рис.4.1.

Рис.4.1. Мультиплексирование каналов в технологии PDH. Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скоростью 64 Кбит/с - 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:
• • •

прием от каждого канала очередного байта данных; составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой; передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной
N*64 Кбит/с.

Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор Т-1, представляющий собой первый промышленный мультиплексор поддерживает 24 входных абонентских канала, создавая на выходе обоймы стандарта T1 , передаваемые с битовой скоростью 1,544 Мбит/с. Принятый в Северной Америке и Японии, стандарт PDH определяет канал T1
(формат кадра DS-1, Digital Signal - 1). Канал T1 состоит из 24 мультиплексированных 65

голосовых каналов, причем изначально предполагалось, что амплитуда аналогового сигнала будет выражаться 7-разрядным двоичным числом, а один бит использоваться для целей управления (сигнализации). Кроме того, помимо 192 бит каждый кадр имеет еще один бит для синхронизации. Таким образом, общая емкость канала T1 составляет 1,544 Мбит/с. Однако в конце концов все 8 бит были отведены под данные, а сигнализация стала осуществляться одним из следующих двух способов. При сигнализации по общему каналу 193-й бит в каждом нечетном кадре служит для целей синхронизации, а в каждом четном - для сигнализации. Таким образом, Американский стандарт построен на базовых каналах Т-1 с пропускной способностью 1, 544 Мб/с., которые включают в себя 24 абонентских канала DS-0 (Digital Signal -0) по 64 Кб./с. Однако на пользовательские данные работают только 23 канала, а 24 канал отводится для служебных целей, в основном для восстановления искаженных кадров. Четыре канала Т-1 обьединяются в один канал Т-2 с общей пропускной способностью 6,312 Мб./с., образуя следующий уровень цифровой иерархии. Семь каналов Т -2 образуют канал Т -3 с общей пропускной способностью 44,736 Мб/с.Иерархия скоростей в системе Т –каналов заканчивается каналом каналов между Т-4 с пропускной способностью
274

Мб./с.

В первичных сетях, основной функцией которых является создание выделенных коммутаторами, поддерживающими динамическую коммутацию используется аппаратура, которая поддерживает только режим постоянной коммутации. К ней относится оборудование типа T1 / E1 , а также высокоскоростное оборудование
SDH . Сегодня практически все данные - голос, изображение, компьютерные данные -

передаются в цифровой форме. Поэтому выделенные каналы, работающие по TDM технологии, которые обеспечивают нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, телевизионных и компьютерных. Технология PDH была стандартизована в начале 70-х годов сначала американским национальным институтом стандартов ANSI, а затем международным комитетом CCITT и представлена группой стандартов G.700 –G.706. Для кодирования информации в каналах Т-1 используется биполярный потенциальный код B8ZS, а в каналах Е -1 биполярный потенциальный код HDB3.

4.2. Сети SONET
SONET - это стандарт на высокоскоростные системы передачи информации на

основе оптоволокна (Sinchronous Optical NETwork). Он явился развитием технологии PDH
66

для оптоволоконных каналов связи. Стандарт описывает скорости передачи, протоколы и контрольные параметры для оптоволоконных линий с пропускной способностью от 51,84 Мбит/с до 10 Гбит/с и выше. SONET был задуман примерно между 1984 и 1985 годом, и вскоре после этого началась разработка стандартов. Хотя, теоретически, SONET может передавать данные по медному кабелю, изначально она разрабатывалась для ускорения перехода к оптическому кабелю за счет обеспечения совместимости с технологией РDH. Прилагательное "синхронная" в названии SONET подчеркивает тот факт, что передача данных тесно привязана к тактовым сигналам. Это делает SONET весьма подходящей технологией для применения по ее первому назначению - для передачи телефонных разговоров, так как человеческая речь весьма чувствительна к задержкам. Одной из первоначальных целей разработчиков SONET было создание бесшовного оптического интерфейса между сетями разных провайдеров с учетом различий между сетями, используемыми в разных странах (т.к соединение между T-1 и E-1 невозможно). Таким образом, до появления SONET необходимость в преобразователях, стыкующих каналы одной иерархии с каналами другой и сети одного производителя с сетями другого производителя, ощущалась очень остро. Иерархия пропускной способности SONET. При переходе к оптоволоконным линиям был избран в качестве отправной точки канал T-3 - пропускная способность наиболее медленного канала на оптическом носителе,
OC-1, была приравнена к пропускной способности T-3. Кадр STS-1 представляет собой

электрический эквивалент OC-1; он служит базовым строительным элементом SONET. Каждый кадр состоит из 810 восьмибитных байтов. Кадры передаются с частотой 8 КГц, отсюда пропускная способность линии STS-1 составляет 51,84 Мбит/с (8000 Гц * 810 байт на кадр * 8 бит = 51,84 Мбит/с). Все более высокие уровни SONET получаются умножением полной пропускной способности STS-1 (51,84 Мбит/с) на целое число(см. таблицу 4.1) .Таким образом, пропускная способность OC-3 составляет 155,52 Мбит/с, а пропускная способность OC-12
- 622,08 Мбит/с и так далее. Несколько STS-1 (или OC-1) можно легко объединить для

получения большей пропускной способности. Например, STS-3 (OC-3) означает, что три
STS-1 были объединены для получения линии со скоростью 155,52 Мбит/с. SONET

позволяет передавать сигналы со скоростью менее STS-1, когда полезную нагрузку требуется разделить на более мелкие сегменты, известные как виртуальные составляющие
(virtual tributary - буквально, виртуальный приток).

67

Иерархию SONET удобно описывать в терминах канала T-1. Канал T-1, в свою очередь, состоит из 24 модулей под названием DS-0 - именно они и используются для передачи основной части трафика. (см. таблицу 4.1) Принципиальные различия между двумя иерархиями проистекали из различия между их базовыми компонентами: T-1 работает на
1,544 Мбит/с, а E-1 - на 2,048 Мбит/с. Нужно было найти общее кратное этих скоростей;

оказалось, что в качестве такового может выступать скорость 155,52 Мбит/с, именуемая
SONET OC-3.

Таблица 4.1 – Скорости передачи данных по обычным цифровым каналам Линия
DS-0 T-1 T-1С T-2 T-3

Скорость
0,064 Мбит/с 1,544 Мбит/с 3,152 Мбит/с 6,312 Мбит/с 44,736 Мбит/с

число голосовых каналов
1 24 48 96 672

Таблица 4.2 – Скорости передачи данных по наиболее распространенным оптическим каналам Линия OC-x
1 3 9 12 24 48 96 192

Скорость, Мбит/с
51,84 51,84 155,52 466,56 1244,16 2488,32 4976,64 9953,28

число голосовых каналов
672 2016 6048 8064 16128 32256 64512 129024

STM-x 1 3 4 8 16 32 64

68

Стек протоколов Sonet
SONET имеет свой собственный стек протоколов с четырьмя уровнями: фотонным,

секции, линии и пути: Уровень Photonic (Фотоника) соответствует нижней части Уровня
1 стека протоколов ISO. Этот уровень определяет формирование импульсов, оптические и

электрооптические взаимодействия и преобразования. При передаче данных оптические технологии используются только на уровне волоконной оптики, а все высокоуровневые функции выполняются оконечным оборудованием при помощи электрических сигналов.
•

Уровень Section (Секция) управляет передачей кадров STS-x через среду передачи, соединяющую соседние терминалы или повторители. Он определяет способы обрамления и выравнивания кадров, отслеживание ошибок. Секции ограничены либо терминалом и повторителем, либо двумя повторителями.

•

Уровень

Line

(Линия)

обеспечивает

функции

синхронизации

и

мультиплексирования; он отвечает за поддержку связи между соседними элементами сети, или оконечным оборудованием, например мультиплексорами, цифровыми системами перекрестного соединения и мультиплексорами линейной цепи. Помимо этого, уровень Line поддерживает большую часть функций SONET, связанных с управлением сетью.
•

Уровень Path дает описания реальных услуг (например T-1 или T-3), предоставляемых конкретному пользователю на всем оконечного оборудования до другого. участке от одного

69

Рис.4.2. Двойное кольцо SONET с обозначениями областей действия различных уровней стека протоколов SONET Уровни секции, линии и пути включаются в качестве служебной информации в базовый кадр STS-1, передаваемый каждые 125 мкс. Последние отнимают 1,73 Мбит/с, поэтому эффективная пропускная способность канала (емкость SPE) составляет лишь
50,112 Мбит/с.

Как правило, SONET реализуется в виде двойного оптического кольца. Мультиплексоры ввода/вывода вставляют и изымают полезную нагрузку из циркулирующих по кольцу кадров. Повторители усиливают и синхронизируют сигнал. Уровень секции стека протоколов SONET обеспечивает взаимодействие между повторителями, а уровень линии - между мультиплексорами. Уровень пути управляет коммуникациями из конца в конец. Архитектура SONET Элементарных конфигураций сетей SONET насчитывается четыре: радиус или точка-точка (linear spur), линейная цепь (add-drop), простое кольцо и сцепленное кольцо
(interlocking ring). 70

Линейные каналы SONET используются в ситуациях, когда либо стоимость системы, сети. Наиболее популярная топология - самовосстанавливающееся кольцо. Простое самовосстанавливающееся кольцо состоит из нескольких узлов, связанных между собой последовательными двусторонними линиями связи, образующими замкнутую петлю и обеспечивающими полнодуплексную передачу сообщений как по, так и против часовой стрелки. Имеется целый ряд различных подходов к конструированию самовосстанавливающегося кольца: кольцо может состоять из двужильных или четырехжильных кабелей, оно может быть однонаправленным или двунаправленным, линейным или коммутируемым. Защитные свойства сетей SONET и их способность к самовосстановлению достигаются за счет разветвленных средств контроля производительности и состояния служебных битов уровней Line и Path. При разрыве в кольце служебные биты путей всех пострадавших линий STS-1 сигнализируют о невозможности прохождения трафика; в ответ ближайшие узлы запускают восстановительный процесс переключения каналов путем выставления соответствующих битов. В итоге две результирующие петли образуют удлиненное кольцо, причем за какие-то доли секунды. Формирование такого кольца сопровождается увеличением встречного трафика, поэтому при проектировании кольца следует предусмотреть резерв пропускной способности - на некоторых участках сети трафик может даже удвоиться. Альтернативой такому решению может быть приостановка трафика с низким приоритетом. либо отсутствие необходимой инфраструктуры не позволяют иметь разветвленную сеть, или когда необходимо короткое ответвление от основного кольца

71

Рис.4.3. Двунаправленное двужильное кольцо SONET с основным и резервным каналами.

Каждая жила в двужильном двунаправленном кольце с коммутационной линией имеет как основной, так и резервный STS. Резервные STS можно использовать для низкоприоритетных функций, исполнение которых блокируется при самовосстановлении. Сегодняшняя инфраструктура состоит из двойных оптических колец, набора узлов и определенного количества соединений с другими кольцами. Одно из колец служит для передачи рабочего трафика, второе находится в резервном состоянии до тех пор, пока основное не выйдет из строя. Это второе кольцо используется для резервирования и восстановления в случае аварии.

72

Рис.4. 4. Кольцевая топология сети SONET Современная технология SONET имеет много преимуществ. Решающим параметром является скорость восстановления кольца - менее 50 мс. Поскольку каждое кольцо имеет ограниченный диаметр, масштабирование сети предполагает соединение нескольких колец между собой для охвата географически обширной области. Скорость ограничена существующей на данный момент максимальной скоростью передачи данных в SONET OC-192, которая равна 2,5 Гбит/с; Для организации сетей SONET в настоящее время используются оптические коммутаторы нового поколения, в которых сочетается функциональность с поддержкой коммутатора ячеистой и интеллектуальность маршрутизатора сетевой

топологии. При ячеистой топологии каждый узел имеет соединение со всеми другими, в противоположность кольцу, где узел соединен только с соседями (см. Рис.4.5). До SONET типичная транспортная сеть имела ячеистую топологию, образованную кроссами или голосовыми коммутаторами, Эти сети не имели общей системы синхронизации - такой, как сейчас имеет кольцо, синхронизация трафика, передаваемого разными маршрутами, осуществлялась с помощью указателей, посредством разных задержек в различных точках сети.У ячеистой структуры много преимуществ. Во-первых, для нее не существует ограничений на расстояния, поскольку данные передаются по различным отрезкам оптического кабеля между коммутаторами, а не в пределах одного
73

кольца. Кроме того, производительность сети определяется производительностью коммутатора, а не пропускной способностью оптической линии связи.В отличие от кольца, ячеистая структура может наращиваться постепенно, узел за узлом, в соответствии с ростом потребностей заказчика, обеспечивая различные скорости в разных частях сети. В то время как сеть SONET должна поддерживать одну и ту же скорость в пределах всего кольца. При этом устанавливать в каждой точке присутствия по мультиплексору ввода/вывода не требуется.

Рис. 4.5. Ячеистая топология SONET. Ячеистая топология удобна для организации сетей, в которых ощущается нехватка оптических волокон, поскольку ячеистые связи повышают эффективность использования оптических ресурсов. При выборе топологии важны такие параметры, как тип трафика и характеристики доступа. Кольца лучше всего подходят для трафика, чувствительного к временным задержкам (голос по IP, видеоконференции), передаваемого не очень далеко – например, в пределах города или области, Ячеистая структура больше подходит для нечувствительного к задержкам трафика, который передается на большие расстояния через всю страну или между странами. Если объемы трафика велики и он не сбалансирован между маршрутами, то в этом случае более
74

уместна ячеистая топология, даже при малых географических масштабах. Реальные сети
Sonet используют смешанную ячеисто-кольцевую топологию.

Технология Sonet используется не только для построения магистральных сетей, но и для корпоративных информационных систем. Например, правительственные учреждения различных стран, например: правительственная городская сеть (Government
Metropolitan Area Network - GMAN) в Вашингтоне на базе технологии Sonet .Данная сеть

представляет собой часть вашингтонской сети для связи между правительственными организациями (Washington Interagency Telecommunications Network - WITS). GMAN предполагается применять в качестве опорной сети для WITS. Пропускная способность новой сети составляет 2, 4 Гбит/с; она работает на основе оптических каналов OC - 48. часть нагрузки на GMAN составляет оцифрованная речь - телефонные переговоры между столичными правительственными организациями. До появления GMAN для обмена информацией между правительственными организациями использовались каналы T - 1.

4.3. Cети SDH
Технология SDH представляет собой современную концепцию построения цифровой первичной сети, которая более широко распространена в Европе чем Sonet. В настоящее время эта концепция доминирует на рынке. Очевидной тенденцией в развитии технологии мультиплексирования на первичной сети связи является переход от PDH к
SDH. Операторы, создающие большие сети, уже сейчас ориентированы на использование

технологии SDH. . Она дает возможность прямого доступа к каналу 2048 кбит/с за счет процедуры ввода/вывода потока Е1 из трактов всех уровней иерархии SDH. . Канал Е1
(2048 кбит/с) является основным каналом, используемым в сетях цифровой телефонии, ISDN и других вторичных сетях. Сети SDH являются развитием технологии

Плезиохронной Цифровой Иерархии (PDH) и ориентированы на первом этапе на их активное использование и комбинированное взаимодействие SDH /PDH. Технология SDH внедряется обычно в виде "островов", объединенных каналами существующей первичной сети. На втором этапе "острова" объединяются в первичную сеть на основе SDH . Технология
SDH

стандартизирована

ITU-T.

Разработка

сетей

SDH

регламентирована тремя группами стандартов :
1) Рекомендации по скорости передачи, базовой структуре и электрическим

параметрам интерфейсов - G.707, G.708, G.709.

75

2) Рекомендации по параметрам сетевого оборудования (мультиплексоров) - G.781, G.782, G.783 и управления сетью - G.784. 3) Рекомендации по структуре сетей - G.803.

Выделим общие особенности построения синхронной иерархии. Входные сигналы приходящие в сеть называются «трибами»
( trib, tributary - компонентный сигнал,

подчинённый сигнал или нагрузка, поток в нагрузке). Трибы должны быть упакованы в стандартные помеченные контейнеры, которые перемещаются внутри сети. Размер контейнера в системе передачи SDH стандартизирован. Его размер несколько больше размера, необходимого для загрузки потока PDH соответствующего уровня иерархии с учетом максимально допустимой вариации скорости загружаемого потока. Несколько контейнеров одного уровня могут быть сцеплены вместе и рассматриваться как один непрерывный контейнер, используемый для размещения нестандартной полезной нагрузки. В контейнере предусмотрено формирование отдельного поля заголовков размером 81 байт. В процессе формирования синхронного транспортного модуля к нагрузке сначала добавляются выравнивающие биты, а также фиксированные, управляющие и упаковывающие биты. К сформированному контейнеру С-12 добавляется заголовок маршрута VC-12 РОН (Path Overhead), в результате формируется виртуальный контейнер. Добавление к виртуальному контейнеру 1 байта указателя (PTR) превращает первый в блок нагрузки (TU). Затем происходит процедура мультиплексирования блоков нагрузки в группы блоков нагрузки (TUG) различного уровня вплоть до формирования виртуального контейнера верхнего уровня VC-4. В результате присоединения заголовка маршрута VC-4 РОH образуется административный блок (AU), к которому подсоединяется секционный заголовок SОН (Section Overhead). Учитывая разделение маршрута на два типа секций, SОН состоит из заголовка регенераторной секции (RSOH) и заголовка мультиплексорной секции (MSOH). Заголовок маршрута РОН выполняет функции контроля параметров качества передачи контейнера. Он сопровождает контейнер по маршруту следования от точки формирования до точки расформирования. соответствующего заголовков:
--- заголовок маршрута высокого уровня (High-order РОН - НО-РОН), используемый для

Структура контейнера.

и

размер

заголовка

РОН

определяются два основных

типом типа

Следовательно,

различаются

контейнеров VC-4/VC-3;
--- заголовок маршрута низкого уровня (Low-order РОН - LO-POH), используемый для

контейнеров VC-3/VC-2/VC-1.

76

Функциональные элементы сети SDH

Сеть SDH, как и любая сеть, строиться из отдельных функциональных модулей ограниченного набора: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминального оборудования. Этот набор определяется основными функциональными задачами, решаемыми сетью. Основным функциональным модулем сетей SDH является мультиплексор. Мультиплексоры SDH выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы PDH иерархии непосредственно к своим входным портам. они являются универсальными и гибкими устройствами, позволяющие решать кроме мультиплексирования выполнять задачи коммутации, концентрации и регенерации. Это реализуется благодаря модульной конструкции SDH мультиплексора - SMUX, при которой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включённых в спецификацию мультиплексора. В сетях мультиплексор ввода/вывода ADM. Терминальный мультиплексор TM является мультиплексором и оконечным устройством сети с каналами доступа, соответствующим трибам доступа PDH и SDH иерархии. Терминальный мультиплексор может либо вводить каналы, т.е. коммутировать их со входа трибного интерфейса на линейный выход, или выводить каналы, т.е. коммутировать с линейного входа на выход трибного интерфейса. Мультиплексор ввода/вывода ADM. может иметь на входе тот же набор трибов, что и терминальный мультиплексор. Он позволяет вводить/выводить соответствующие им каналы. Дополнительно к возможностям коммутации, обеспечиваемым ТМ, ADM позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях, а также осуществлять замыкание канала приёма на канал предачи на обоих сторонах (
"восточный" и "западный") в случае выхода из строя одного из направлений. Наконец, он SDH

используются два основных типа мультиплексора: терминальный мультиплексор TM и

позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Всё это даёт возможность использовать
ADM в топологиях типа кольца.

Другим важным функциональным элементом сети является

регенератор.

Регенератор представляет собой вырожденный случай мультиплексора, имеющего один входной канал - как правило, оптический триб STM-N и один или два агрегатных выхода Он используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети SDH путём
77

регенерации сигналов полезной нагрузки. Обычно в оптических кабелях это растояние составляет 15 - 40 км. для длины волны порядка 1300 нм или 40 - 80 км. - для 1500 нм. И третьим основным элементом сети является коммутатор. Физически возможности внутренней коммутации каналов заложены в самом мультиплексоре SDH, что позволяет говорить о мультиплексоре как о внутреннем или локальном коммутаторе. Однако, в общем случае приходиться использовать специально разработанные синхронные коммутаторы - SDXC, осуществляющие не только локальную, но и общую или проходную (сквозную) коммутацию высокоскоростных потоков и синхронных транспортных модулей STM-N. Важной особенностью таких коммутаторов является отсутствие блокировки других каналов при коммутации, когда коммутация одних групп
TU не накладывает ограничений на процесс обработки других групп TU. такая

коммутация называется неблокирующей.

Базовые топологии сетей SDH. Архитектурные решения для сетей SDH строятся на четырех базовых топологиях, представленных на рис.1, к ним относятся:
1)Топология "точка-точка". Сегмент сети, связывающий два узла A и B, или

топология "точка - точка", является наиболее простым примером базовой топологии SDH сети. Она может быть реализована с помощью терминальных мультиплексоров ТМ, как по схеме без резирвирования канала приёма/передачи, так и по схеме со стопроцентным резервированием типа 1+1, использующей основной и резервный электрические или оптические агрегатные выходы (каналы приёма/передачи).

Рис.4.6. Базовые топологии сетей SDH

78

2) Топология "последовательная линейная цепь". Эта базовая топология используется

тогда, когда интенсивность трафика в сети не так велика и существует необходимость ответвлений в ряде точек линии, где могут вводиться каналы доступа. Она может быть представлена либо в виде простой последовательной линейной цепи без резервирования, как на рис.1., либо более сложной цепью с резервированием типа 1+1. Последний вариант топологии часто называют "упрощённым кольцом".
3) Топология "звезда", реализующая функцию концентратора. В этой топологии один из

удалённых узлов сети, связанный с центром коммутации или узлом сети SDH на центральном кольце, играет роль концентратора, или хаба, где часть трафика может быть выведена на терминалы пользователя, тогда как оставшаяся его часть может быть распределена по другим удалённым узлам.
4)Топология "кольцо". Эта топология широко используется для построения SDH сетей

первых двух уровней SDH иерархии (155 и 622 Мбит/с). Основное приемущество этой топологии - лёгкость организации защиты типа 1+1, благодаря наличию в синхронных мультиплексорах SMUX двух пар оптических каналов приёма/передачи: восток - запад, дающих возможность формирования двойного кольца со встречными потоками. Используя различные комбинации базовых топологий могут быть построены SDH сети различной архитектуры. Например, с использованием двух базовых топологий:
"кольцо" и "последовательная линейная цепь" могут быть получены варианты радиально-

кольцевой архитектуры рис.2. Последовательной линейной цепью могут быть соединены несколько колец.

Рис. 4.7. Радильно-кольцевая сеть SDH В сетях большой протяженности, у которых расстояние между терминальными мультиплексорами больше или много больше того расстояния, которое может быть рекомендованно с точки зрения максимально допустимого затухания волоконнооптического кабеля используются регенераторы для востановления затухающего
79

оптического сигнала. Подобную

линейную архитектуру можно представить в виде

последовательного соединения ряда секций рис.3.

Рис.4.8. Сеть SDH большой протяженности со связью типа "точка-точка" и её сегментация. При построении глобальных сетей с использованием SDH могут быть

сформированы линейные магистрали (backbone) или магистральные сети в виде ячеистой
(mush) структуры, позволяющие организовать альтернативные (резервные) маршруты,

используемые в случае возникновения проблем при маршрутизации виртуальных контейнеров по основному пути. Это наряду с присущими сетям SDH внутренним резервированием, позволяет повысить надёжность всей сети в целом. Причём при таком резервировании на альтернативных маршрутах могут быть использовнны альтернативные среды распространения сигнала. Например, если на основном маршруте используется ВОЛС то на резервном – радио-релейные линии РРЛ, или наоборот. На рис.4.9 показан пример построения глобальной сети на базе технологии SDH.

80

Рис. 4.9. Пример построения глобальной сети на технологии SDH. 4.4 Перспективные синхронные технологии первичных сетей. Как было сказано выше по прогнозам, мощность персональных компьютеров и high-end-вычислительных машин в ближайшие 15 лет увеличится более чем в тысячу раз,

соответственно и потребности в объеме трафика по опорным сетям связи вырастут в десятки и сотни раз. Эти тенденции стимулируют исследования в области высокопроизводительных сетевых решений. Самые быстрые линии передачи данных — оптоволоконные — требуют соответствующие технологии построения быстрых и гибких сетей. Современные технологии SDH решают задачу повышения производительности сетей лишь в краткосрочной перспективе. Их дальнейшее развитие сопровождается увеличением сложности и цены электронного оборудования. Несмотря на то, что интерфейсы SDH и PDH сегодня дополняются в оборудовании интерфейсами Ethernet,
81

АТМ, Frame Relay. Кроме того, если раньше использовались нестандартные алгоритмы упаковки блоков данных этих протоколов во фреймы SDH, что, затрудняло и удорожало интеграцию, то сегодня, во-первых, появился стандартный механизм инкапсуляции GFP
(Generic Framing Procedure, МСЭ-Т G.7041), а, во-вторых, из всего многообразия

протоколов канального уровня получил наибольшее практическое использование один —
Ethernet — как наиболее перспективный для городских сетей, обеспечивающий, более

гибкое регулирование предоставляемой пользователю полосы пропускания и контроль характеристик доставки трафика.
“станциях”.

Несмотря на это, сети SDH остаются оптико-

электрическими, с фотонами на скоростных “перегонах” и электронами на узловых Главным тормозом в повышении скорости передачи информации в этих сетях остаются оптико -электронные преобразования информационных потоков в узлах сети (коммутация, маршрутизация, гарантия параметров QoS, механизмы безопасности, тарификация и т. д. и т. п.) Полностью фотонные технологии передачи и обработки информации в узлах глобальных сетей содержат огромные возможности в скоростной передаче данных.

Технологии спектрального уплотнения Главными технологиями, позволяющими наиболее полно на сегодняшний день использовать поистине громадные возможности волокна, являются уплотнение каналов с разделением по спектру
WDM (Wave Division Maltiplexing,

или

волновое

мультиплексирование) и с временным разделением (OTDM, или временное уплотнение). Временное и спектральное уплотнения не являются взаимоисключающими, хотя использование первого с некоторыми видами волокон затруднено. Более того, эти подходы могут быть скомбинированы. Небольшое число OTDM-каналов может быть объединено с помощью WDM, увеличивая емкость линии.
WDM развиваются по двум направлениям: 1) DWDM (Dens WDM,

уплотненное

волновое

мультиплексирование)

–

предназначенная для магистралей дальней связи, которая характеризуется более высокой степенью уплотнения информационных стоимостью.
2) СWDM – Coars WDM – упрощенная( грубая) технология спектрального

каналов на одном волокне, более высокой

скоростью передачи и «дальнобойностью». Что, естественно связано и с более высокой

уплотнения, предназначенная для построения магистралей городских территориальных сетей. В данной технологии более низкая степень уплотнения информационных каналов на одном волокне, возможно использование менее качественного волокна и более
82

простого каналообразующего оборудования ( лазерных приемопередатчиков, усилителей и мультиплексоров) Обе технологии спектрального уплотнения – CWDM И DWDM – создают в одном оптическом волокне несколько информационных каналов (каждый канал на своей длине волны). В CWDM может быть организовано до 16 информационных каналов в одном волокне, в DWDM – 128 и более. Определяющим фактором развития технологии DWDM является применение недорогих оптических усилителей на волокне, легированном редкоземельным элементом эрбием EDFA (Erbium Doped-Fiber Amplifier), позволяющих усиливать световой сигнал без его преобразования в электрический. Пропускная способность оптоволоконного кабеля определяется еще и числом волокон, которое, в принципе, может быть достаточно большим, однако сигнал затухает даже в самом совершенном волокне, и время от времени его надо усиливать. Для каждого волокна нужно использовать собственный ретрансляторрегенератор, а на каждом из волокон таких ретрансляторов может быть несколько. В результате, на протяженных сетях число ретрансляторов быстро растет, а надежность системы в целом — падает. С использованием спектрального уплотнения задача становится еще сложнее: из каждого волокна с помощью спектральных фильтров демультиплексоров необходимо выделить задействованные каналы, каждый из них по отдельности усилить, и затем, с помощью демультиплексоров, вводить все это хозяйство обратно в волокно. По принципу действия оптоволоконный усилитель мало отличается от лазера: рабочим телом является отрезок волокна, обогащенного эрбием, а для накачки служит лазер с длиной волны 980 или 1480 нанометров — в спектре поглощения атомов эрбия. В первом случае (980 нм) атомы эрбия после взаимодействия с фотоном накачки переходят в возбужденное состояние, из которого очень быстро переходит в другое — метастабильное, в котором могут находиться довольно долго в сравнении со временем пролета фотона через усилитель. Во втором случае атомы сразу переходят в метастабильное состояние — и при попадании в него излучения с длиной волны 1550 нм составляющие его фотоны будут взаимодействовать с атомами эрбия. Результатом каждого взаимодействия будет еще один фотон с такой же длиной волны и, главное, с той же самой фазой. Ясно, что процесс на этом не останавливается, наоборот, продолжается далее в геометрической прогрессии. В результате поток света многократно усиливается
(усиление может достигать 40 дБ, а в коммерчески доступных устройствах — 20–30 дБ).

Оптический усилитель был открыт английскими учеными из Саутгемптонского университета во главе с профессором Дэйвидом Пэйном (David R. Payne) в 1987 году.
83

Первая чисто оптическая передача данных на расстояние в 9000 км со скоростью 5 Гбит/с была совершена 1992 году, при участии AT&T Bell Laboratories и корпорации Nippon
Telephone and Telegraph.

Периодически усиливаемый с помощью оптических усилителей оптический сигнал в системах DWDM может передаваться на многие тысячи километров. В технологии CWDM оптические сигналы без усиления могут передаваться на расстояния до 70-80 км, а с применением усилителей на сотни километров.Технология
CWDM имеет большие интеграционные возможности

в секторе территориальных

коммуникаций. В ней предусмотрено подключение практически любого оборудования для сопряжения с сетями SDH, ATM, Gigabit Ethernet и др. Экономическая эффективность технологии CWDM делает ее подходящей не только для городских и региональных магистралей но также для сетей доступа, обслуживающих многоквартирные жилые дома и предприятия малого бизнеса. Важным преимуществом оптических усилителей является их универсальность: в отличие от регенераторов, они не знают, что такое протоколы, способы модуляции и другие тонкости, присущие данной конкретной линии передачи данных. Наряду с оптическими усилителями технологии спектрального уплотнения требуются еще три ключевых элемента.
1. Источник излучения на нескольких длинах волн (в зависимости от числа каналов).

Пока для каждой длины волны используются отдельные лазеры, а с развитием интегральных технологий, видимо, будут выпускаться целые массивы лазеров на одной структуре.
2. Полосовые оптические фильтры, которые необходимо устанавливать перед

фотодетектором каждого спектрального канала для устранения ненужных помех и шумов оптического усилителя.
3. Интегральный

спектральный

маршрутизатор,

который

называют

еще

мультиплексором-демультиплексором. Впрочем, на небольших расстояниях и в локальных сетях масштаба, скажем, здания или даже городка оптические усилители могут не потребоваться, и тогда главным элементом такой сети станет спектральный маршрутизатор — основа оптических локальных и глобальных сетей, может быть, недалекого будущего.

Технология временного уплотнения Альтернативой технологии спектрального уплотнения успешно разрабатывается технология временного уплотнения оптрических сигналов OTDM., так как позволяет
84

преодолеть ограничения, присущие WDM из-за ее существенно аналоговой природы. Временное уплотнение использует чисто цифровой способ передачи данных. Информация передается по сети в виде очень коротких импульсов со скоростью до 100 Гбит/c и более, что превосходит возможности электронных систем. Принцип работы заключается в формировании из большого числа менее скоростных каналов, с носителями в виде коротких импульсов, одного высокоскоростного потока данных, разделяя сигналы из различных каналов по времени ( по подобию TDM). Система OTDM «точка-точка» устроена следующим образом. Источник коротких световых импульсов с частотой следования F используется как тактовый генератор, деля непрерывное время на одинаковые «кадры». Эта частота соответствует скорости отдельного канала данных (типичное значение 2,5–10 ГГц). Последовательность распределяется в N модуляторов, которые после каждого тактового импульса добавляют в кадр свою информационную ячейку длительностью
1/FN,

с

определенной

индивидуальной задержкой от тактового импульса, так что ячейки не перекрываются. После модуляции сигналы отдельных модуляторов собираются в один с общей скоростью потока N·F. После передачи по волокну сложная последовательность оптически разбирается на N отдельных каналов, которые могут быть индивидуально обработаны электронным устройством. Для синхронизации демультиплексора используются средства восстановления тактовых импульсов. Посреди линии установлено устройство для компенсации дисперсии. Цифровая передача данных естественно сочетается с цифровыми методами обработки и доступа к информации, в частности, с теми из них, которые предполагается использовать в оптических компьютерах. Кроме того у временного уплотнения есть следующие достоинства:
• •

простой доступ к линям с высокой плотностью данных (100 Гбит/с и более); произвольные скорости передачи данных с любой степенью дробления и совместимость с существующими технологиями, например с SDH; сильно упрощены, по сравнению с WDM, усилители и средства компенсации дисперсии (благодаря работе только на одной длине несущей волны); от абонентов сети требуется работа только со скоростью их собственного потока данных.

•

•

Для использования временного уплотнения необходимо наличие источника тактовых импульсов, удовлетворяющего очень строгим ограничениям на ширину спектра импульсов и величину отношения между амплитудой сигнала и шума в промежутках
(необходимая величина — более 1000). Кроме того, источник должен быть весьма 85

стабильным. В настоящее время эта проблема решена, и создан генератор на лазере с синхронизацией мод, работающий в диапазоне 1,3–1,55 мкм с шагом 100 нм. Его тактовую частоту можно изменять в пределах 2,5–20 ГГц. Размеры генератора могут быть весьма невелики — существует реализация в корпусе компьютера lap-top с

интегрированными средствами контроля за параметрами и температурной компенсацией. Большинство полевых исследований ведется с использованием оптоволокна со ступенчатым показателем преломления, широко распространенного в уже работающих телекоммуникационных системах. Наиболее интересным является диапазон 1,55 мкм, где могут быть использованы оптические эрбиевые усилители. К сожалению, на этой частоте довольно силен эффект расплывания сигнала за счет дисперсии (например, передача данных со скоростью 40 Гбит/с ограничена расстоянием всего 5 км). Для преодоления проблем, связанных с дисперсией, весьма многообещающим является использование оптических солитонов (солитон -большая уединенная волна
(Great solitary wave))в качестве физических носителей и солитонных лазеров для их

генерации. Солитоны являются специальным типом волновых пакетов, которые могут распространяться на большие расстояния, не меняя своей формы. Они очень похожи на частицы; возмущение, составляющее солитон, в каждый момент сосредоточено в ограниченной области, и при столкновении солитонов взаимодействие между ними напоминает взаимодействие частиц. Уравнение, наиболее точно описывающее свойства уединенной волны, является нелинейным. Его получили в 1895 году два голландца: Кортевег и де Фриз, по их именам оно и было названо КдФ-уравнение. Строгое математическое доказательство существования решения в виде уединенной волны было впервые получено в 1946 году советским математиком М. А. Лаврентьевым. По сути, солитоны — это явление одного порядка с синусоидальными волнами, в том смысле, что и те и другие подчиняются уравнениям, описывающим поведение полей и вещества. Синусоидальные волны описываются линейным волновым уравнением, а солитоны — нелинейными уравнениями. Солитоны встречаются в разных областях физики: гидродинамике, физике плазмы, нелинейной оптике и др. Свойство оптических солитонов распространяться по оптоволокну на большие расстояния без значительного уширения, вызываемого дисперсией, делает их удобными для передачи сигналов в цифровой оптической связи. Солитоны можно использовать для связи на расстояния порядка тысяч километров без ретрансляции. В таком случае необходимо периодически компенсировать затухание с помощью оптических Солитону сообщается дополнительная энергия, и он сам восстанавливает свою форму. Существует ряд
86

факторов, ограничивающих в этом случае максимальную длину линии. По-видимому, солитонные линии связи могут обеспечить передачу информации на расстояния до
6 тыс. км со скоростью 6 Гбит/с. На более высоких скоростях максимальное расстояние

уменьшается. Стоит подчеркнуть, что благодаря использованию солитонов связь по волокну становится чисто цифровой, в отличие от обычных способов, основанных на аналоговой модуляции непрерывной несущей. Солитоны представляют собой существенно дискретные сигналы, причем в самой их сущности заложено превосходство над аналоговыми сигналами, учитывая дисперсию и нелинейность, характерные для оптоволокна. В определенных областях использование солитонов и временного уплотнения позволяет значительно повысить производительность каналов. Однако аппаратура, необходимая в этом случае, пока еще довольно далека от коммерческих применений. Скоростная связь на аналоговом принципе с использованием спектрального уплотнения является более простой для промышленной реализации. До недавних пор представлялось оправданным применение временного уплотнения лишь на линиях связи масштаба государства или межконтинентальных. Однако технологический прогресс уже позволяет серьезно обсуждать применение OTDM в суперскоростных локальных сетях и сетях связи мультипроцессорных систем. В частности, совершен прорыв в области интеграции оптических компонентов с электронными на одном чипе. Однако, по сравнению с электронными устройствами, оптические гораздо более энергоемки, плохо поддаются интегрированию, имеют ограничения на каскадирование. В общем, пока еще рано говорить о широком внедрении сверхбыстрых сетей или линий связи с временным разделением, хотя первые ласточки уже появились… Примерное время доведения экспериментальных образцов до промышленного производства в этой области составляет сейчас приблизительно 5–7 лет. Так что если все сложится в пользу разработчиков, то в скором будущем на рынке технологий для скоростных сетей, от локальных до межконтинентальных, нас ждут значительные изменения. Скорее всего будут использоваться и WDM, и OTDM. Как бы то ни было, коммерческая связь на скорости 40 Гбит/с уже стала реальностью (всеамериканская WDM-сеть Multiwave
Network 1600, построенная для крупнейшей глобальной коммуникационной компании Sprint корпорацией CIENA).

87

Раздел 5. Наложенные сети. Сетевые технологии пакетной коммутации. 5.1. Сети Х 25
Первой сетевой технологией передачи информации в глобальном масштабе была, разработанная и стандартизованная в 1976 году сеть «X.25». Эти сети основаны на принципах пакетной коммутации(packet switching), доступ к которым производится в соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (русская аббревиатура — МККТТ, английская — CCITT; современное название этого комитета — Международный союз электросвязи или ITU). К настоящему времени сети X.25 достаточно широко распространены в мире и в СНГ, несмотря на появление новых, интегральных технологий сетей передачи данных и сетей связи, использующих высокоскоростные каналы связи (Frame Relay, ISDN, ATM). Сети X.25 позволяют установить соединение персонального компьютера с ближайшим узлом сети и осуществить связь с любым пользователем сетей X.25 по всему миру. Для этого надо лишь знать его сетевой адрес. Если рассматривать все имеющиеся сегодня сети передачи данных общего пользования, то окажется, что именно сети X.25 с наибольшим основанием могут быть уподоблены телефонным сетям. Точно так же, как подняв трубку телефонного аппарата, подключенного к ближайшей АТС, вы можете связаться с абонентом практически в любой точке мира, также установив соединение вашего компьютера с ближайшим узлом сети X.25 вы можете подключиться к любому другому компьютеру глобальной сети. Основы технологии и протоколы Х.25 Для организации сети используется четыре вида оборудования:
1) Терминальное оборудование данных (DTE); 2) Терминальное оборудование канала (DCE); 3) Коммутаторы пакетов (PSE)

Спецификация глобальной сети (DCE).

Х.25

определяет

двухточечное

взаимодействие

между

терминальным оборудованием (DTE) и оборудованием завершения действия линии связи Устройства DTE (терминалы и вычислительные машины в
DCE (модемы, коммутаторы

аппаратуре пользователя) подключаются к устройствам

пакетов и другие порты в сеть PDN, обычно расположенные в аппаратуре этой сети), которые соединяются с «коммутаторами переключения пакетов» (packet switching
88

exchange) PSE или просто коммутаторами и другими DCE внутри сети и, наконец, к

другому устройству DTE. Структура сети Х.25 в обобщенном виде показана на рисунке
5.1.

Рис. 5.1. Обобщенная структура сети Х.25
DTE

может

быть

терминалом, Х.25.

который
DTE

не

полностью

реализует к
DCE

все через

функциональные

возможности

Такие

подключаются

трансляционное устройство, называемое пакетный ассемблер/дизассемблер — packet assembler/disassembler — (РAD) – пакетный адаптер данных. Действие интерфейса

терминал/PAD, услуги, предлагаемые PAD и взаимодействие между PAD и главной вычислительной машиной определены соответственно рекомендациями CCITT X.28, X3 и Х.29. Ниже будет более подробно описано оборудование сетей Х 25. Наибольшие проблемы в области совместимости возникают в тех случаях, когда надо управлять из одного центра узлами сети, построенными на базе оборудования разных фирм. Однако, благодаря установке на оборудовании X.25 агентов SNMP, и эта проблема успешно решается. Согласно Рекомендациям МККТТ стек протоколов X.25 описывает три уровня протоколов модели OSI — физический, сетевой и уровень звена передачи данных рис. 5.2.

89

Рис. 5.2. модель ссылок OSI

Первый уровень описывает уровни сигналов и логику взаимодействия в терминах физического интерфейса. Уровень 1 Х.25 использует протокол физического уровня Х.21 bis, который примерно эквивалентен RS-232-С. Протокол X.21 bis является производным

от CCITT Recommendations V24 и V25, которые соответственно идентифицируют каналы межобмена и характеристики электрических сигналов интерфейса DTE/DCE. X.21 bis обеспечивает двухточечные связи, скорости до 19.2 Кб/сек и синхронную передачу с полным дублированием через четырех-проводной носитель. Максимальное расстояние между оборудованием DTE и DCE —15 метров. Второй уровень протоколов отвечает за эффективную и надежную передачу данных по соединению «точка-точка», т. е. между соседними узлами сети X.25. Данным протоколом обеспечивается коррекция ошибок при передаче между соседними узлами и управление потоком данных (если принимающая сторона не готова к получению данных, она извещает об этом передающую сторону, и та приостанавливает передачу). Кроме того, он определяет параметры, меняя значения которых, режим передачи можно оптимизировать по скорости в зависимости от протяженности канала между двумя точками (времени задержки в канале) и его качества (вероятности искажения информации при передаче). Здесь основным протоколом является процедура сбалансированного доступа к каналу Link Access Procedure, Balanced (LAPB). LAPB определяет кадрирование
90

пакетов для звена DTE/DCE. В процессе передачи информации LAPB контролирует, чтобы блоки данных поступали к приемному устройству в правильной последовательности и без ошибок. Также, как и аналогичные протоколы канального уровня, LAPB использует три типа форматов блоков данных:
1. Информационный блок данных (Information (I) frame).

Эти блоки данных содержат информацию высших уровней и определенную управляющую информацию (необходимую для работы с полным дублированием). Номера последовательности отправки и приема и бит опроса конечного (P/F) осуществляют управление информационным потоком и устранением неисправностей. Номер последовательности отправки относится к номеру текущего блока данных. Номер последовательности приема фиксирует номер блока данных, который должен быть принят следующим. В диалоге с полным дублированием как отправитель, так и получатель хранят номера последовательности отправки и приема; она используется для обнаружения и устранения ошибок.
2. Блоки данных супервизора (Supervisory (S) frames).

Эти блоки данных обеспечивают управляющую информацию. У них нет информационного поля. Блоки данных S запрашивают и приостанавливают передачу, сообщают о состоянии канала и подтверждают прием блоков данных типа I.
3. Непронумерованные блоки данных (Unnumbered (U) frames).

Как видно из названия, эти блоки данных непоследовательны. Они используются для управляющих целей. Например, они могут инициировать связи, используя стандартную или расширяемую организацию окон (modulo 8 versus 128), разъединять канал, сообщать об ошибках в протоколе, и выполнять другие аналогичные функции. Блок данных LAPB представлен на рисунке 5.3. Размер байтах поля в

1

2

1

Переменная 2
FCS

1

Флаг

Адрес

Управление Данные

Флаг

Рис. 5.3. Блок данных LARB Поле Флаг ограничивает блок данных LAPB. Поле Адрес указывает, что содержит блок данных-команду или ответный сигнал. Поле control обеспечивает дальнейшую квалификацию блоков данных и блоков команд, а также 91

указывает формат блока данных , функции блока данных (например, receiver ready —
«получатель готов», или disconnect — «отключение») и номер последовательности

отправки/приема. Поле Данные содержит данные высших уровней. Его размер и формат меняются в зависимости от типа пакета Уровня 3. Максимальная длина этого поля устанавливается соглашением между администратором PSN и абонентом. Поле FCS обеспечивает контроль целостности передаваемых данных. Для реализации всех указанных выше функций в протоколах второго уровня вводится понятие «кадра» (frame). Кадром называется порция информации (битов), организованная определенным образом. Начинает кадр флаг, т. е. последовательность битов строго определенного вида, являющаяся разделителем между кадрами. Затем идет поле адреса, которое в случае двухточечного соединения представляет собой адрес А или адрес B. Далее следует поле типа кадра, указывающее на то, несет ли кадр в себе информацию или является чисто служебным (например тормозит поток информации или извещает передающую сторону о приеме/неприеме предыдущего кадра). В кадре имеется также поле номера кадра. Кадры нумеруются циклически. Это означает, что при достижении заданного порогового значения нумерация опять начинается с нуля. И наконец, заканчивается кадр контрольной последовательностью, подсчитываемой при передаче кадра по определенным правилам. По этой последовательности на приеме происходит проверка на предмет искажения информации при передаче кадра. Длину кадра можно менять при настройке параметров протокола к физическим характеристикам линии. Чем короче кадр, тем меньше вероятность того, что он будет искажен при передаче. Однако если линия хорошего качества, то лучше работать с более длинными информационными кадрами, т. к. уменьшается процент избыточной информации, передаваемой по каналу (флаг, служебные поля кадра). Кроме того, число кадров, посылаемое передающей стороне без подтверждения от принимающей стороны, тоже можно менять. Данный параметр связан с так называемым «модулем нумерации», т. е. со значением порога, достигнув которого нумерация снова начинается с нуля. Это поле может быть задано равным в пределах от 8 (для тех каналов, задержка передачи информации в которых не слишком велика) до 128 (для спутниковых каналов, например, когда задержка при передаче информации по каналу велика). Третий уровень протоколов — сетевой. Он наиболее интересен в контексте обсуждения сетей X.25, так как их специфику, в первую очередь, определяет именно он. Функционально данный протокол отвечает прежде всего за маршрутизацию в сети передачи данных X.25, т. е. за доведение информации от «точки входа» в сеть до «точки
92

выхода» из нее. Со своей стороны протокол третьего уровня также структурирует информацию, иными словами, разбивает ее на «порции». На третьем уровне порция информации называется «пакетом» (packet). Структура пакета во многом аналогична структуре кадра. В пакете имеется свой модуль нумерации, собственные поля адреса, тип пакета, контрольная последовательность. При передаче пакет помещается в поле данных информационных кадров (кадров второго уровня). Функционально поля пакета отличаются от соответствующих полей кадра. Главным образом это касается поля адреса, которое в пакете состоит из 15 цифр; поле пакета должно обеспечивать идентификацию абонентов в рамках всех сетей пакетной коммутации по всему миру. Как было сказано выше, для доставки информации в сети используется метод
«коммутации пакетов», в связи с чем сети X.25 еще именуют сетями пакетной

коммутации. Данный метод реализуется посредством установления между абонентами виртуальных, т. е. логических (в отличие от физических) соединений (virtual circuits). Для того чтобы передать информацию от абонента A к абоненту B, между ними прежде устанавливается виртуальное соединение, иначе — происходит обмен пакетами «запрос вызова» («call request») — «вызов принят» («call accept»). Только после этого между двумя абонентами может производиться обмен информацией. Т.е.: Х.25 Уровня 3 использует три рабочих процедуры организации виртуального канала:
• • •

установления соединения; передача данных; разъединение вызова;

Виртуальные соединения могут быть как постоянными (permanent) PVC, так и коммутируемыми (switched) SVC. Коммутируемое соединение, в отличие от постоянного виртуального соединения, устанавливается в каждом сеансе обмена информацией. Тут можно привести прямые аналогии из области телефонии. Действительно, если вы имеете выделенный («постоянный») телефонный канал между двумя абонентами, то не надо каждый раз набирать номер вашего абонента, — достаточно лишь снять трубку телефона. Количество виртуальных соединений, одновременно поддерживаемых на базе одного физического канала, зависит от конкретного типа оборудования, используемого для обеспечения таких соединений. Уровень 3 Х.25 отвечает за сквозную передачу, включающую как PVC, так и SVC. Протокол Уровня 3 Х.25 осуществляет мультиплексную передачу между всеми DTE, которые обслуживает устройство DCE, расположенное в сети со стороны пункта назначения, в результате чего пакет доставлен к
DTE пункта назначения.

93

Формат блока данных

Блок данных Х.25 состоит из последовательности полей, показанной на Рис. 5.4. Поля Х.25 Уровня 3 образуют пакет Х.25; они состоят из заголовка и данных пользователя. Поля Х.25 Уровня 2 (LAPB) включают в себя поле управления уровнем блока данных и поле адресации, встроенный пакет Уровня 2 и проверочную последовательность блока данных (FCS).

Рис. 5.4. Блок данных X.25 Заголовок Х.25 Уровня 3 образован из «идентификатора универсального формата» — general format identifier — (GFI), «идентификатора логического канала» — logical channel identifier — (LCI) и «идентификатора типа пакета» — packet type identifier — (PTI). GFI представляет собой 4-х битовое поле, которое указывает на

универсальный формат заголовка пакета. LCI представляет собой 12-битовое поле, которое идентифицирует виртуальную цепь. Поле LCI является логически значимым в интерфейсе DTE/DCE. Другими словами, для организации виртуальной цепи PDN соединяет два логических канала, каждый из которых имеет независимый LCI, двумя интерфейсами DTE/DCE. Поле PTI идентифицирует один из 17 типов пакетов Х.25. Поля адресации в пакетах установления соединения обеспечивают адреса DTE источника и пункта назначения. Они используются для организации виртуальных каналов, включающих передачу Х.25. Структуру сетевого адреса определяет рекомендация X.121. Протокол Х.121 CCITT определяет форматы адресов источника и пункта назначения. Адреса Х.121 (называемые также International Data Numbers, или IDN) имеют
94

разную длину, которая может доходить до 14 десятичных знака. Четвертый байт в пакете организации обращения определяет длину адресов DTE источника и назначения. Первые четыре цифры IDN называются «код идентификации сети» — data network identification code — (DNIC). DNIC поделен на две части; первая часть (3 цифры) определяет страну,

где находится PSN, вторая часть определяет саму PSN. Остальные цифры называются
«номером национального терминала» — national terminal number — (NTN); они

используются для идентификации определенного DTE в сети PSN. Формат адресного поля Х.121 представлен на рисунке 5.5.

Рис. 5.5. Формат адресного поля X.121 В сетях в соответствии с протоколом Х.121 используются адреса 3-х типов (рис.5.6.):
1. Полный (международный) сетевой адрес — 0 250 С ХХХХYYYYZZ, где (слева

направо):
• •

0 признак того, что адрес задан в полном виде; 250 C — код сети (DNIC), где: 2 — код Европы; 50 — код страны (СНГ/СССР);

С — код национальной сети (например, для ИНФОТЕЛ С = 4);
•

ХХХХYYYYZZ — уникальный код абонента внутри сети (до 10 цифр). С — последняя цифра DNIC-а, т. е. уникальный код сети внутри одной страны; ХХХХХХХХХХ — код абонента.
9 — признак телефонного номера; G — код узла коммутации (города); NNNNNNNNNNN — телефонный номер внутри города (до 11 цифр).

2. Внутрисетевой адрес — СХХХХХХХХХХ, где:
•

•

3. Телефонный номер — 9GNNNNNNNNNNN, где:
• • •

95

Рис. 5.6.Структура адреса Х25. Поля адресации, образующие адрес Х.121, необходимы только при использовании
SVC, да и то только на время установления соединения. После того, как вызов

организован, PSN использует поле LCI заголовка пакета данных для назначения конкретной виртуальную цепь отдаленному DTE. Доступ пользователей и оборудование сетей Х 25. Для подключения локальной сети через сеть X.25 используются как встроенные, так и автономные платы, которые выпускаются многими компаниями, например, Microdyne,
Newport Systems Solutions и др. Кроме того, доступ из локальной сети в сеть X.25 может

быть организован еще и при помощи мостов/маршрутизаторов удаленного доступа, поддерживающих протокол X.25 и выполненных в виде автономных устройств. Преимущества таких устройств над встраиваемыми в компьютер платами, помимо большей производительности, заключается в том, что они не требуют установки специального программного обеспечения, а сопрягаются с локальной сетью по стандартному интерфейсу, что позволяет реализовать более гибкие и универсальные решения. Для монопольного режима подключения к сети используются стандарты X.3, X.28,
X.29, определяющие функционирование специальных устройств доступа в сеть —

сборщиков/разборщиков пакетов (packet assembler/dissasembler-PAD). На практике термин. ПАДы используются для доступа в сеть абонентов при асинхронном режиме обмена информацией, т. е. через, например, последовательный порт компьютера

96

(непосредственно или c применением модемов). ПАД обычно имеет несколько

асинхронных портов и один синхронный (порт X.25). ПАД накапливает поступающие через асинхронные порты данные, упаковывает их в пакеты и передает через порт X.25
(рисунок 7).

Рис. 5. 7. Пример сети X.25 с подключением устройств различного типа: от компьютеров до банковского терминального оборудования Конфигурируемые параметры ПАДа определяются выполняемыми задачами. Эти параметры описываются стандартом X.3. Совокупность параметров носит название
«профайла» (profile); стандартный набор состоит из 22 параметров. Функциональное

назначение данных параметров одинаково для всех ПАДов. В профайл входят параметры, задающие скорость обмена по асинхронному порту, параметры, характерные для текстовых редакторов (символ удаления знака и строки, символ вывода на экран предыдущей строки и т. п.), параметры, включающие режим автоматической добивки строки незначащими символами (для синхронизации с медленными терминалами), а также параметр, определяющий условие, при выполнении которого формирование пакета заканчивается. PAD обычно имеет несколько асинхронных портов и один синхронный порт X.25. PAD накапливает поступающие через асинхронные порты данные, упаковывает их в пакеты и передает через порт X.25. Выполняемые задачи влияют на конфигурируемые параметры PAD. На рис. 8 показан адаптер Х 25.

97

Рис. 5. 8. Интеллектуальный 2/4-х портовый адаптер X.25

Узловыми элементами собственно сетей X.25, являются Центры Коммутации Пакетов — ЦКП (или коммутаторы пакетов, packet switch), В процессе конфигурации ЦКП обязательно требуется заполнить таблицу маршрутизации
(routing table),

позволяющую определить, на какой из портов ЦКП направляются поступившие в них пакеты в зависимости от адресов, содержащихся в этих пакетах. В таблице задаются как основные, так и альтернативные маршруты. Кроме того, важная функция некоторых ЦКП — это функция стыковки сетей (шлюза между сетями). Действительно, в мире существует великое множество сетей X.25 и общего пользования, и частных, или иначе — корпоративных, ведомственных. Естественно, в различных сетях могут быть установлены разные значения параметров передачи по каналам X.25 (длина кадра и пакета, величины пакетов, система адресования и т. д.). Для того чтобы все эти сети могли стыковаться друг с другом, была разработана рекомендация X.75, определяющая правила согласования параметров при переходе из сети в сеть. Сопряжение сетей рекомендуется производить через ЦКП, в котором с достаточной полнотой реализована поддержка шлюзовых функций, — такой ЦКП, например, должен уметь «транслировать» адреса при переходе из одной сети в другую. Эта функция обычно реализуется с помощью конфигурации специальной таблицы трансляции адресов в шлюзовом ЦКП. Для ЦКП, несопрягающихся с узлами другой сети пакетной коммутации, наличие шлюзовых функций не является обязательным. Достоинства и недостатки сетей Х.25 Несмотря на давность разработки технология Х. 25 и на сегодняшний день является востребованной и имеет много достоинств, позволяющих ей конкурировать и иметь своих пользователей на рынке компьютерных сетевых коммуникаций
98

•

Метод коммутации пакетов, лежащий в основе сетей X.25, позволяет в режиме

реального времени разделять один и тот же физический канал нескольким абонентам, в отличие, например, от случая использования пары модемов, соединенных через канал того или иного типа. Метод разделения физического канала между абонентами в сетях X.25 называют еще «логическим» или «статистическим» мультиплексированием (рис. 6). Термин «логическое мультиплексирование» вводится, чтобы отличить этот метод, например, от временного разделения канала. При временном разделении канала каждому из разделяющих его абонентов выделяется в каждую секунду строго определенное количество миллисекунд для передачи информации. При статистическом разделении канала нет строго регламентированной степени загрузки каждым из абонентов канала в данный момент времени.

Рис. 5.9. Мультиплексирование канала в сетях X.25 Эффективность статистических использования или статистического мультиплексирования зависит от

вероятностных

характеристик

мультиплексируемого

потока

информации. Известно, что использование сети X.25 эффективно для широкого спектра задач передачи данных. Среди них и обмен сообщениями между пользователями, и обращение большого количества пользователей к удаленной базе данных, а также к удаленному хосту электронной почты, связь локальных сетей (при скоростях обмена не более 512 Кбит/с), объединение удаленных кассовых аппаратов и банкоматов. Иными словами, все приложения, в которых трафик в сети не является равномерным во времени.
•

Одно из самых важных достоинств сетей, построенных на протоколах, описанных в

рекомендации X.25, состоит в том, что они позволяют передавать данные по каналам телефонной сети общего пользования (выделенным и коммутируемым) оптимальным образом, т.е. с достижением максимально возможных на указанных каналах скорости и достоверности передачи данных. Эффективный механизм оптимизации процесса передачи
99

информации через сети X.25 — это механизм альтернативной маршрутизации. Возможность задания помимо основного маршрута альтернативных, т. е. резервных, имеется в оборудовании X.25, производимом практически всеми фирмами. Различные образцы оборудования отличаются алгоритмами перехода к альтернативному маршруту, а также допустимым количеством таких маршрутов. В некоторых типах оборудования, например, переход к альтернативному маршруту происходит только в случае полного отказа одного из звеньев основного маршрута. В других же переход от одного маршрута к другому происходит динамически в зависимости от загруженности маршрутов, и решение принимается на основании многопараметрической формулы (оборудование фирмы
Motorola ISG, например). За счет альтернативной маршрутизации может быть значительно

увеличена надежность работы сети, а это значит, что между любыми двумя точками подключения пользователя к сети должно быть, по крайней мере, два различных маршрута. И так, подведем итог: проанализировав сеть X.25, можно говорить о следующих преимуществах:
•

Способность осуществлять соединения по всему миру —Х.25 является общим единственным пока всемирным стандартом передачи данных.

знаменателем,

Функционирование Х.25 осуществляется на уровнях 1, 2 и 3 модели OSI,что обеспечивает возможность реализации соединений с оборудованием любого производителя, которое совместимо со стандартом OSI. Большинство изготовителей поддерживают Х.25, встраивая средства осуществления доступа прямо в host-компьютеры, контроллеры или коммуникационные пред-процессоры
•

Х.25 по своей природе практически невосприимчив к отказам в процессе передачи возможность

данных благодаря своим возможностям автоматически осуществлять динамическую перемаршрутизацию пакетов в случае отказа на узле или в канале и одного терминала до другого.
•

обнаружения ошибок и их коррекции, что гарантирует достоверность передачи данных от Сети пакетной коммутации имеют несколько степеней сетевой безопасности

благодаря назначаемым паролям, уровням доступа и другим техническим особенностям, гарантирующим безопасность при передаче данных, когда это критически важнодля сети. При всех достоинствах сетевой технологии, базирующейся на протоколе X.25, у нее есть и свои ограничения. Одно из них — невозможность передавать по сетям X.25 такие виды информации, как голос и видео, другое - низкая пропускная способность сети из за ориентации технологии на использование низкоскоростных телефонных линий и процедуры проверки с повторной передачей испорченных пакетов на каждом узле.

100

Указанные ограничения преодолеваются в технологии, базирующейся на протоколе
Frame Relay.

5.2. Сети Frame Relay
Основы технологии и протоколы сети Frame relay (англ. «ретрансляция кадров», FR) — протокол канального уровня сетевой модели OSI. Технологиякоммутации пакетов Frame Relay в настоящее время широко распространена во всём мире. Максимальная скорость, допускаемая протоколом
FR — 34.368 мегабит/сек (каналы E3). Frame Relay был создан в начале 1990-х в качестве замены протоколу X.25 для

быстрых надёжных каналов связи, технология FR архитектурно основывалась на X.25 и во многом сходна с этим протоколом, однако в отличие от X.25, рассчитанного на линии с достаточно высокой частотой ошибок, FR изначально ориентировался на физические линии с низкой частотой ошибок, и поэтому большая часть механизмов коррекции ошибок X.25 в состав стандарта FR не вошла. Сети Frame Relay гораздо лучше подходят для передачи пульсирующего трафика локальных сетей по сравнению с тетями Х .25, правда это преимущество проявляется только тогда, когда каналы связи приближаются по качеству к каналам локальных сетей, а для глобальных каналов такое качество достижимо только при использовании волоконно–оптических кабелей. Преимущество сетей frame relay заключается в их низкой протокольной избыточности и дейтаграммном режиме работы, что обеспечивает высокую пропускную способность и небольшие задержки кадров. Надежную передачу кадров технология frame relay не обеспечивает. Сеть frame relay специально разрабатывались как общественные

сети для соединения частных локальных сетей. В настоящее время разработкой и исследованием стандартов FR занимаются три организации:
Frame Relay Forum (FRF) - международный консорциум, включающий в себя свыше 300 поставщиков оборудования и услуг, среди которых 3Com, NorTel, Digital, Cisco, Netrix, Ascom, Timeplex, Newbridge Networks, Zilog и др.; American National Standards Institute (ANSI) - Американский национальный институт

по стандартизации; Международный союз электросвязи (ITU-T).

101

Любой международный стандарт имеет (и всегда будет иметь) множество прикладных реализаций, что зачастую приводит к несовместимости аппаратнопрограммных средств разных производителей. Международные организации неоднократно пытались решить данную проблему. Результатом одной из таких попыток
(предпринятой FRF) стал проект стандарта, включающего в себя спецификации ANSI,

которые обязательны для выполнения членами FRF. В январе 1992 г. этот проект был доработан Техническим комитетом FRF и утвержден собранием членов FRF. Принятый FRF проект рассматривает только спецификации для постоянных виртуальных каналов (PVC) и интерфейса “пользователь—сеть” (UNI). В него не вошли стандарты для коммутируемых виртуальных каналов (SVC) и интерфейса межсетевого взаимодействия. Однако работа по этим направлениям продолжается и ее результаты найдут свое отражение в новых стандартах FR. Проект FRF не рассматривает и стандарты физических интерфейсов, поэтому при создании сетей FR допускаются различные физические интерфейсы, среди которых V.35, G.703, Х.21 и др.
FR является альтернативой выделенной линии. Этот сравнительно новый интерфейс

между общественными и частными глобальными сетями может поддерживать скорость от
56 Кб/сек до 34.368 мегабит/сек. Подобно старой спецификации X.25, для FR характерно

более короткое время отклика и большая пропускная способность вследствие отсутствия функции обнаружения ошибок и уплотнения. Соединения с коммутацией кадров FR осуществляются через чистые, высокоскоростные цифровые каналы связи, в которых обнаружение ошибок и управление потоком проводится в конечных пунктах сети. FR предоставляет новое поколение услуг пакетных сетей и позволяет осуществлять взаимодействие локальных сетей, выполнять распределенные вычисления, реализовывать распределенную архитектуру клиент-сервер в глобальных сетях. Сеть, обеспечивающая интерфейс FR, может быть либо общедоступная сеть передачи данных и использованием несущей, либо сеть с оборудованием, находящимся в частном владении, которая обслуживает отдельное предприятие. Сеть FR позволяет передавать по одному физическому каналу разнообразный трафик — данные, голос, видео Рис.1. Интеграция услуг существенно сокращает затраты клиентов на аренду линий связи.

102

Рис.5.10. Передача по одному физическому каналу разнообразного трафика: данные, голос и видео.
FR — протокол передачи данных, охватывающий два нижних уровня иерархии

модели OSI — канальный и физический.
FR прозрачен для вышележащих протоколов. Протокол комбинирует свойства

технологий разделения времени и статистического мультиплексирования. В отличие от технологии Х.25 протокол FR использует только часть функций второго уровня, которые включают проверку на правильность и отсутствие ошибок, но исключают требования повторной передачи в случае обнаружения ошибок. Это позволяет существенно сократить время на обработку кадров в узлах сети. В сети FR работа по восстановлению потерянных данных и коррекцию ошибок возложена на протоколы верхних уровней. Услуги FR реализуются в рамках процедур уровня пользователя и процедур уровня управления. Такое разделение дает возможность пользователям выбрать требуемый набор услуг. На уровне пользователя реализуются базовые функции FR — передача данных по физической лини по логическим соединениям. Уровень управления предназначен для контроля состояния постоянных виртуальных соединений (PVC), а также организации коммутируемых виртуальных соединений (SVC). В рекомендациях FR определены два типа интерфейсов: UNI (user-to-network) для взаимодействия пользователя с сетью и NNI
(network-to-network) для взаимодействия между узлами сети и подсетями FR. FR

передает

данные

пользователей

по

виртуальным

каналам,

которые

идентифицируются номером DLCI (Data Link Connection Identifier). Использование постоянных виртуальных каналов PVC с фиксированными номерами DLCI упрощает обработку пакетов в узлах коммутации. При этом не требуется выполнять процедуры маршрутизации для каждого пакета.

103

Формат кадров FR является подмножеством протокола HDLC. Ограничительные флаги позволяют распознать начало и конец кадра. Стандартный заголовок кадра имеет размер 2 байта. Информационное поле кадра несет пользовательские данные и может иметь размер от 32 байт до 4 килобайт. Проверочная последовательность кадра, как и в других протоколах канального уровня, позволяет распознать кадры, искаженные в процессе передачи по каналу. Существенным достоинством FR является реализация функций управления потоком. Это позволяет ограничить прием данных пользователя и избежать тем самым возникновения перегрузок в сети, которые могут привести к ухудшению качества обслуживания. Сеть FR имеет также механизмы, позволяющие бороться с перегрузками при их возникновении. Управление потоком реализуется с помощью служебных битов заголовка кадра FR, или же по специальному протоколу управления перегрузками на интерфейсе. Так как перегрузки могут быть очень серьезной проблемой в сети, FR использует механизм стирания части трафика. Для этого используется специальный бит заголовка кадра, указывающий приоритет кадров. Физически подключение к сети FR осуществляется через синхронный порт от 9,6 –
64 Кбит/с и выше. Логически пользователь подключается по PVC (одному или

нескольким) с назначенными номерами DLCI. Каждый DLCI обеспечивает логическое соединение с удаленным объектом. DLCI разделяют общий физический канал и конфигурируются таким образом, чтобы обеспечить определенный уровень производительности и качества обслуживания.Скорость на виртуальном канале задается с помощью трех основных параметров:
• • •

согласованной скорости передачи CIR (Committed Information Rate), нерегламентированного скачкообразного превышения скорости Be (Burst
Excess),

согласованного превышения скорости Bc (Burst Committed).

CIR задает согласованную скорость передачи по данному PVC. CIR выражается в

единицах бит/сек и вычисляется относительно информационной части кадра FR (т. е. служебные поля кадра не учитываются). Параметр Bc определяет максимальное число бит, которые могут быть переданы по данному PVC за некоторый установленный интервал времени Tc, т. е.:

CIR = Bc / Tc.;

104

Очевидно, что максимальное значение CIR может быть равно скорости физического порта. На практике канал обычно не загружен полностью. Важнейшей задачей сети FR является обеспечение пользователя гарантированным сервисом, если скорость работы ниже уровня CIR. Существенным преимуществом FR является возможность передачи трафика пользователя, превышающего CIR.

Рис. 5.11. Скорость на виртуальном канале задается с помощью параметров CIR, Be, Bc

Для этого служит параметр Be, задающий дополнительный объем трафика, который может быть передан по данному PVC, например, в том случае, если другие PVC не активны. Т. е. при наличии свободных ресурсов за период Tc по PVC будет передано
Bc + Be бит данных. Трафик, превышающий Bc+Be стирается.

По параметру CIR в сети FR обычно определяются цены на услуги сети. Возможность передачи по сети FR трафика, превышающего CIR, выгодна для пользователя. К дополнительным возможностям FR относятся:
•

групповая передача, позволяющая отправить кадр нескольким абонентам. Этот режим работы существенно сокращает трафик по сети за счёт исключения дублирующихся кадров в магистральных каналах;

•

мультипротокольная инкапсуляция, при которой по одному виртуальному каналу можно передавать различные виды трафика (инкапсулировать в кадры FR протоколы TCP/IP, X.25, SNA, NETBIOS, IPX и т. п.). Инкапсуляцию трафика можно осуществлять как в конечных узлах сети, так и в любом транзитном узле;

105

•

симплексное вещание по однонаправленным PVC при котором возможна организация несимметричной работы: например, выдача запросов по низкоскоростным каналам данных с получением ответов по высокоскоростным каналам при работе с Web-сайтами.
FR

может

быть

использована

в

качестве

интерфейса

к

услугам

либо

общедоступной сети со своей несущей, либо сети с оборудованием, находящимся в частном владении. Обычным способом реализации частной сети является дополнение традиционных мультиплексоров Т1 интерфейсами FR для информационных устройств, а также интерфейсами (не являющимися специализированными интерфейсами FR) для других прикладных задач, таких как передача голоса и проведение видеотелеконференций. На рисунке 14 представлена такая конфигурация сети.

Рис. 5.12. Гибридная сеть Frame Relay

106

Адресация в сетях Frame Relay

Адреса DLCI в кадре FR служат лишь для идентификации логических каналов между пользователями и сетью; другими словами, они имеют только локальное значение и не обеспечивают внутрисетевой адресации. Все информационные кадры, передаваемые через конкретный логический канал в любом направлении (от абонента или к абоненту), содержат одинаковый DLCI. В связи с тем, что DLCI носит локальный характер, аппаратура коммутации данных обязана обладать способностью определения принадлежности проходящего кадра конкретному PVC. Внутри сети FR могут использоваться различные сетевые адреса. Для разных интерфейсов одно и то же значение DLCI может применяться многократно. На рисунке 1 приведен пример повторного использования DLCI (78) ООД абонентов А и В.

Рис.5.13. Применение DLCI
Стандарты FR (ANSI, ITU-T) распределяют двухоктетные адреса DLCI между пользователями и сетью следующим образом:
• • • •

0 — используется для канала локального управления (LMI); 13/415 — зарезервированы для дальнейшего применения; 163/4991 — используются абонентами для нумерации PVC и SVC; 9923/41007 — используется сетевой транспортной службой для внутрисетевых

соединений;
• •

10083/41022 — зарезервированы для дальнейшего применения; 1023 — используются для управления канальным уровнем (в кадрах, которые «переносят»

сквозные

сообщения

управления

интерфейсом,

связывающим

протоколы более высоких уровней).

107

Таким образом, в любом интерфейсе FR для оконечных устройств пользователя отводится только 976 адресов DLCI. Управление доступом к сети FR возлагается на интерфейс локального управления (Local
Management Interface — LMI). Именно LMI реализует интерфейс UNI. Доступ в сеть FR

обеспечивают интерфейсы FR ("порты FR») и FR-адаптеры — сборщики/разборщики кадров FR (FR assembler/disassembler, FRAD). Добиться высокой эффективности использования пропускной способности физических линий и каналов связи, а также исключения перегрузок узлов связи и всей сети FR позволяет метод статистического мультиплексирования кадров, описанный выше. Данный метод обеспечивает синхронный ввод сообщений пользователей в высокоскоростной канал связи на основе соглашений, заключенных между пользователем и поставщиком услуг сети FR, которые включают в себя следующие параметры:
- максимальный размер поля информации в кадре FR (в октетах); - пропускная способность порта, посредством которого абонент подключается к сети FR; - гарантированная скорость передачи данных (CIR), при этом обеспечивается

требуемое качество доставки;
- гарантированный объем передачи информации (Bc) — при обеспечении требуемого

качества доставки;
- дополнительный объем передачи информации (Be) — качество передачи данных

может снижаться. Предварительные соглашения реализуются следующим образом.
1. Абонент

выбирает

(и

оплачивает)

пропускную

способность

порта

и

гарантированную скорость передачи данных для PVC.
2. Узел доступа к сети FR измеряет «реальную потребность абонента» в ресурсе

пропускной способности канала связи.
3. Если этот ресурс (выраженный реальной скоростью передачи информации) не

превышает CIR, то кадры передаются без изменений. Если требуемая скорость превышает CIR, но соответствует пропускной способности порта, то бит DE устанавливается в «1», что дает возможность удалять эти кадры при возникновении перегрузок (абонент также имеет право решать, какие кадры для него менее важны). Наконец, если превышена пропускная способность порта, кадры уничтожаются вне зависимости от каких-либо условий.

108

Помимо

базовых

функций

передачи

данных

протокола

FR,

спецификация

консорциума FR включает дополнения LMI, которые делают задачу поддержания крупных межсетей более легкой. Некоторые из дополнений LMI называют «общими» считается, что они могут быть реализованы всеми, кто взял на вооружение эту спецификацию. Другие функции LMI называют «факультативными». Ниже приводится следующая краткая сводка о дополнениях LMI: Сообщения о состоянии виртуальных цепей (общее дополнение) Сообщения о состоянии виртуальных цепей предотвращают отправку информации в «черные дыры», т. е. через PVC, которые больше не существуют. Групповая адресация (Multicusting)позволяет отправителю передавать один блок данных, но доставлять его через сеть нескольким получателям. Таким образом, многопунктовая адресация обеспечивает эффективную транспортировку сообщений протокола маршрутизации и процедур резолюции адреса, которые обычно должны быть отосланы одновременно во многие пункты назначения. Глобальная адресация Наделяет идентификаторы связи глобальным, а не локальным значением, позволяя их использование для идентификации определенного интерфейса с сетью FR. Глобальная адресация делает сеть FR похожей на LAN в терминах адресации; следовательно, протоколы резолюции адреса действуют в FR точно также, как они работают в LAN. Формат и структура кадра
FR является бит-ориентированным синхронным протоколом и использует «кадр» в

качестве основного информационного элемента — в этом смысле он очень похож на протокол HDLC. Структура кадра FR включает в себя следующие элементы:

Флаг Byte)

(1 Адрес Byte)

(2-4 Данные размер)

(переменный FCS Byte)

(2 Флаг Byte)

(1

Рис.5.14. Структура кадра FR.
•

Каждый кадр начинается и замыкается «флагом» — последовательностью
«01111110». Для предотвращения случайной имитации последовательности «флаг »

внутри кадра при его передаче проверяется всё его содержание между двумя
109

флагами и после каждой последовательности, состоящей из пяти идущих подряд бит «1», вставляется бит «0». Эта процедура (bit stuffing) обязательна при формировании любого кадра FR, при приёме эти биты «0» отбрасываются.
•

FCS (Frame Check Sequence) — проверочная последовательность кадра служит для

коррекции ошибок и формируется аналогично циклическому коду HDLC.
•

Поле данных имеет минимальную длину в 1 октет, максимальную по стандарту
Frame Relay Forum — 1600 октетов, однако в реализациях некоторых

производителей
•

FR-оборудования

допускается

превышение

максимального

размера (до 4096 октетов). Поле Адрес кадра Frame Relay, кроме собственно адресной информации, содержит также и дополнительные поля управления потоком данных и уведомлений о перегрузке канала и имеет следующую структуру:

DLCI Bit)

(6 C/R Bit)

(1 EA Bit)

(1 DLCI Bit)

(4 FECN Bit)

(1 BECN Bit)

(1 DE Bit)

(1 EA Bit)

(1

Рис. 5.15. Структура адресного поля. Наименования и значения полей представлены в таблице 5.1: Таблица 5.1. Наименование и значение параметров адресного поля. Имя поля

Назначение
Data Link Connection Identifier — идентификатор виртуального канала (PVC),

мультиплексируемого в физический канал. DLCI имеют только локальное
DLCI

значение и не обеспечивают внутрисетевой адресации. Т. е., кадры, передаваемые через конкретный PVC в любом направлении (от абонента или к абоненту), содержат одинаковый DLCI.

C/R

Command / Response — зарезервирован, в настоящее время не используется. Address Field Extension Bit — бит расширения адреса. DLCI содержится в 10

EA

битах, входящих в два октета заголовка, однако возможно расширение заголовка на целое число дополнительных октетов с целью указания адреса, состоящего
110

более чем из 10 бит. EA устанавливается в конце каждого октета заголовка; если он имеет значение «1», то это означает, что данный октет в заголовке последний.
FECN Forward Explicit Congestion Notification — извещение о перегрузке канала в

прямом направлении.
Backward Explicit Congestion Notification — извещение о перегрузке канала в

BECN

обратном направлении.
Discard Eligibility Indicator — индикатор разрешения сброса кадра при перегрузке

DE

канала.

Выставляется

в

«1»

для

данных,

подлежащих

передаче

в

негарантированной полосе (EIR) и указывает на то, что данный кадр может быть уничтожен в первую очередь.

Одним из основных отличий адреснопротокола FR от HDLC является то, что он не предусматривает передачу управляющих сообщений (нет командных или супервизорных кадров, как в HDLC). Для передачи служебной информации используется специально выделенный канал сигнализации. Другое важное отличие - отсутствие нумерации последовательно передаваемых (принимаемых) кадров. Дело в том, что протокол FR не имеет никаких механизмов для подтверждения правильно принятых кадров.

Формирование кадра в сетях Frame Relay Важным преимуществом использования сети FR в качестве транспортной среды
(применения кадра FR в качестве базового информационного элемента, в который «вкладывается» пакет сетевого протокола) является то, что сетевые протоколы позволяют

достаточно просто строить (конфигурировать) распределенные сети передачи данных на основе «физических» FR-соединений. Чтобы добиться этой простоты, необходимо иметь в рамках FR-протокола некоторый уникальный механизм (дополнение к процедурной и логической характеристикам FR-протокола) для идентификации сетевого протокола при передаче пакета, «вкладываемого» в FR-кадр. Главная цель такого механизма обеспечение корректной доставки адресату сообщения отправителя. Сущность метода идентификации сетевого протокола при передаче пакета, «вкладываемого» в FR-кадр, заключается в использовании стандартного формата FR-кадра; в поле данных этого кадра имеется специальное поле идентификатора протокола 3-го уровня. Использование многопротокольного FR-кадра позволяет передавать через межсетевой интерфейс пакеты
111

ЛС, размер которых превышает размер поля данных FR-кадра. В этом случае необходимо иметь устройство доступа, обеспечивающее «разбиение» (фрагментирование) пакетов ЛС на меньшие информационные блоки. Элементарные блоки пакета ЛС должны иметь индивидуальные номера, с помощью которых можно «собирать» (восстанавливать) исходный пакет.

Рис. 5.16. Процедуры фрагментирования и формирования FR-кадра Процедуры фрагментирования и формирования FR-кадра представлены на рисунке
12. Происходит следующее. Сначала устройство доступа добавляет к пакету ЛС

пятиоктетный заголовок. Сообщение с «добавленным» заголовком разбивается на блоки меньшей длины, соответствующие по размеру информационному полю кадра FR-сети. Далее маленькие блоки рассматриваются как блоки «чистых» данных, к которым добавились (еще до поступления в сеть) так называемые подзаголовки фрагментирования. Каждый такой блок «вкладывается» в многопротокольный FR-кадр, «Внутреннее содержимое» информационного поля многопротокольного
FR-кадра (включая

подзаголовки фрагментирования) определяется исключительно протоколами верхних уровней (но не канального).

Преимущества сетей Frame Relay Концепция frame relay имеет два основных отличия от Х.25:
• исключены повторные передачи между соседними узлами; функция выявления

ошибок возлагается на межконцевой протокол более высокого уровня (например, TCP или
SPX), что исключает неравномерные задержки; •

наличие

специальных

механизмов

управления

потоком,

позволяющих

обеспечивать более гибкое мультиплексирование разнородного трафика.

112

По

сути,

технология

frame

relay

позволяет

использовать

для

передачи

чувствительного к задержкам трафика (речь и т.п.) механизм резервирования полосы канала, близкий к тому, который применяется при временном разделении каналов, а для обычных данных — статистическое приоритетное мультиплексирование. Все это в совокупности с некоторыми другими механизмами позволяет обеспечить постоянный темп передачи речевых пакетов. Современное оборудование frame relay помимо компрессии речи (в 10— 15 раз) обычно реализует ряд специальных алгоритмов ее обработки, которые позволяют в еще большей степени использовать особенности пакетной коммутации. Одним из механизмов является подавление пауз. Как правило, телефонные собеседники говорят по очереди. При разговоре по обычному телефону с “молчащей” стороны передается специальный шумовой сигнал. Кроме того, существуют паузы между словами и предложениями. По статистике во время телефонных переговоров более 60% полосы пропускания канала используется на передачу тишины. При автоматическом определении отсутствия полезного сигнала можно всю полосу канала использоваться для передачи данных. На приемной стороне в это время генерируется “розовый” шум, для того чтобы у пользователя не создавалось впечатления “мертвой” линии. Еще одним интересным механизмом является “переменная скорость оцифровки”. Определяется наименьшая
(базовая)

скорость

оцифровки,

которая

обеспечивает

минимально приемлемое качество передачи речи, и формируется поток “базовых” кадров, а при наличии свободной полосы канала — “дополнительные” пакеты, улучшающие качество речи. Такой алгоритм обработки телефонного трафика легко реализуется средствами перегрузки). frame relay (путем

установки

бита

DE

в

кадрах,

передающих

“дополнительную” информацию, что дает возможность сети сбросить эти кадры в случае

5.3. Сети ISDN
Название сети Integrated Services Digital Network (ISDN) (Цифровая сеть с интегрированными услугами) относится к набору цифровых услуг, которые становятся доступными для конечных пользователей.
ISDN

предполагает

оцифровывание

телефонной сети для того, чтобы голос, информация, текст, графические изображения, музыка, видеосигналы и другие материальные источники могли быть переданы коанечныму пользователю по имеющимся телефонным проводам и получены им из одного терминала конечного пользователя.
113

Применения

ISDN

включают

быстродействующие

системы

обработки

изображений (такие, как факсимиле Group 1V), дополнительные телефонные линии в домах для обслуживания индустрии дистанционного доступа, высокоскоростную передачу файлов и проведение видео конференций. Передача голоса несомненно станет популярной прикладной программой для ISDN. Технология
ISDN

появилась

достаточно

давно —

почти

30

лет

назад.

Основополагающие спецификации содержатся в рекомендациях I.122 МККТТ. Позже появились рекомендации I.430 и I.431 для физического уровня модели ISO; Q.921/I.441 для уровня управления логическим каналом; Q.931/I.451 и DSS1 для сетевого уровня и целый ряд других. Первая ISDN-станция была введена в эксплуатацию в 1976 году. С точки зрения пользователя наибольшая привлекательность
ISDN

заключается

в

возможности

одновременного обмена речью, текстом, данными и подвижным изображением по стандартным аналоговым телефонным линиям с более высокими скоростями передачи, чем у обычным модемов, и по цене значительно меньшей, чем у арендуемых линий. При этом гарантируется высокое качество и высокая надежность передачи, а также широкий набор сервисных функций. Во время начального периода развития ISDN было внедрено большое количество национальных типов
ISDN,

разработанных

в

лабораториях

крупных

телекоммуникационных компаний и часто несовместимых между собой. В 80-е гг. данная технология по целому ряду причин, в частности из-за проблем совместимости и дороговизны оборудования, развивалась очень вяло. Но в начале 90-х гг. практический интерес к ней значительно вырос. В Германии, США, Японии, Франции, Англии было установлено значительное количество линий ISDN. В Европе на сегодняшний день установлено более 7 млн. линий ISDN. Благодаря усилиям со стороны ETSI (European
Telecommunications Standards Institute) фактическим стандартом в Европе становится EuroISDN, который поддерживают большинство европейских телекоммуникационных

провайдеров и производителей оборудования.

Основные особенности технологии Основной отличительной особенностью сети ISDN от обычной аналоговой телефонной сети является то, что ISDN-станции обеспечивают коммутацию цифровых, а не аналоговых, потоков. Следует заметить, что в последнее время появилось много аналоговых АТС, использующих цифровую коммутацию аналоговых сигналов. В отличие от таких станций, коммутаторы ISDN коммутируют именно цифровые потоки.
114

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые происходит на уровне ISDNтерминалов (т. е. на оборудовании конечных пользователей), в связи с чем ISDN-станция имеет возможность коммутировать однородные цифровые потоки, «не зная», что же именно в данный момент передается по каналу. Второй особенностью ISDN является реализация принципа единой распределенной телефонной станции. Согласно данному принципу, все станции в рамках одной ISDN-сети логически объединены в единую большую станцию и абонентами могут рассматриваться в качестве цельного ISDN-комплекса. Использование указанного принципа позволяет оптимизировать нагрузку на каналы связи (например, минимизируя маршруты соединения между абонентами), а также предоставляет ряд услуг, не принятых в аналоговой телефонии (например, введение единого плана номеров). Нельзя обойти вниманием и такую важную особенность, отличающую ISDN от аналоговых сетей, как практически мгновенное установления соединения. Максимальная задержка в ISDN-сети не превышает 30 мс на каждый узел связи. Четвертой отличительной особенностью новой технологии является способность
ISDN-станций осуществлять автоматическую маршрутизацию соединений, что особенно

важно в случаях, когда между станциями имеется несколько альтернативных путей соединения и необходимо выбрать наиболее оптимальный.

Принципы построения сети Функциональная структура сети предполагает использование двух видов интерфейсов:
1) Базовый интерфейс обмена (Basic Rate Interface, BRI) логически состоит из трех

отдельных каналов — двух опорных каналов (Bearer channel, или B-channel) и одного канала данных. Каждый канал B имеет скорость 64 кбит/с, а канал D — 16 кбит/с. Именно поэтому BRI имеет еще одно наименование — 2В+D. Канал D используется для сигнализации, например передачи вызова и разрыва связи. Каналы B предназначаются для передачи данных, таких как оцифрованный голос или двоичные данные. Именно BRI имелся в виду, когда мы говорили о возможности использования обычной абонентской телефонной линии для ISDN. Например, при использовании BRI в качестве связующего звена между ISDN-станцией и цифровым телефонным аппаратом по В-каналам передается оцифрованные речевые сигналы, при организации же удаленного доступа к ПК и ЛВС или выхода в Internet В-каналы используются для обмена данными. При этом по одной линии
BRI могут передаваться два независимых потока сообщений — по числу В-каналов.

115

D-канал, как уже говорилось выше, выполняет служебные функции. В числе основных

функций можно назвать следующие: передача служебной информации (сигналы вызова, маршрут звонка, номера вызываемого и вызывающего абонентов и т. д.), одновременное обслуживание нескольких В-каналов, осуществление контроля занятости В-каналов, присвоение каждому абоненту определенного имени (при включении данного абонента в базу данных на ISDN-станции), вывод номера и имени звонящего абонента на экран дисплея ISDN-терминала и многое другое. Физически BRI реализуется либо в виде U-интерфейса, либо в виде S/Tинтерфейса. U-интерфейс предназначен для работы с удаленными пользователями (до 4-7 километров) и представляет собой витую пару. Функционирование U-интерфейса основано на использовании дуплексного режима, т. е. передачи потока по линии связи в обоих направлениях одновременно. Посредством же S/T-интерфейса осуществляется разводка внутри офиса компании либо квартиры с помощью двухпарного кабеля; при этом обеспечивается параллельное подключение до восьми устройств. Для согласования
U- и S/T-интерфейсов обычно используются сетевые оконечные блоки (Network Terminator, NT1), т. к. изначально предполагалось, что все ISDN-устройства, телефоны

и т. д. будут работать только с S/T-интерфейсом. Однако сейчас выпускаются устройства, которые могут работать напрямую с U-интерфейсом, поскольку имеют встроенный блок
NT1; в этом случае необходимость в автономном блоке NT1 отпадает. 2) Первичный интерфейс обмена (Primary Rate Interface, PRI) логически состоит из 30 каналов B на 64 кбит/с и одного канала D, также на 64 кбит/с. Как и в предыдущем

случае, каналы B предназначены для передачи данных, а канал D — для служебной информации. Для PRI вы должны арендовать линию E-1 в 2 048 Мбит/с от вашего офиса до центральной АТС. В США PRI образуют 23 канала B и один канал D. Время установления связи составляет всего от 1 до 3 секунд, благодаря тому, что цифровая сигнализация по каналу D исключает медленный процесс генерации и декодирования тональных сигналов, а также необходимость согласования параметров связи модемами. Кроме того, канал D может использоваться не только для передачи сигнальной информации, но и для передачи данных телеметрии, электронной почты и т. п. Многоскоростной ISDN предполагает возможность объединения нескольких каналов B, причем эти каналы коммутируются как один (см. таблицу 5.2). Таблица 5.2. Типы каналов ISDN Тип Скорость Технология коммутации Назначение

канала передачи

116

Оцифрованный
B 64 кбит/с

голос,

факс, массивы

электронная данных,

Коммутация каналов

почта,

графика,

интерактивный обмен данными, видео низкого разрешения

D

16 кбит/с (BRI), Коммутация 64 кбит/с (PRI) пакетов (LAP-D)

Телеметрия, энергопитанием,

сигнализация, электронная

управление почта,

интерактивный обмен данными Высококачественное аудио, высокоскоростная передача цифровых данных

Совместная
H0 384 кбит/c

коммутация каналов Совместная

H11

1 536 кбит/с

коммутация каналов Совместная

Видео/телеконференции, передача цифровых данных

высокоскоростная

H12

1 920 кбит/с

коммутация каналов Совокупная

Видео/телеконференции, передача цифровых данных

высокоскоростная

H4

до 150 Мбит/с

коммутация каналов

ТВ высокой четкости, интерактивное видео

Работа сети ISDN специфицирована на трех уровнях модели OSI. Форматы блока данных физическoго уровня (Уровень 1) ISDN различаются в зависимости от того, является блок данных отправляемым за пределы терминала (из терминала в сеть) или входящим в пределы терминала (из сети в терминал). Физически к одной цепи может быть подключено множество устройств пользователей
ISDN. Для такой конфигурации столкновения могут быть результатом одновременной

передачи двух терминалов. Поэтому ISDN предусматривает средства для определения конфликтов в канале связи. Уровнем 2 протокола обмена сигналами ISDN является Link Access Procedure, D channel (Процедура доступа к каналу связи, D-канал) LAРD, который используется в D-

канале для того, чтобы обеспечить поток и соответствующий прием управляющей и сигнализирующей информации. Формат блока данных LAPD показан на рисунке 5.17. Протокол LAPD формально определен в CCITT Q.920 и SSITT Q.921.

117

Размер поля в байтах 1

2

1

Переменное 1

1

Flag Address SAPI C/R EA TEI EA

Control Data

FCS Flag

SAPI = Service access point identifier (6 бит) C/R = Command/Response EA = Extended addressing bit bits

TEI = Terminal endpoint identifier

Рис.5.17. Формат блока данных LAPD Поля «Флаг» (Flag) и «Управление» (Сontrol) LAPD идентичны этим полям у
HDLC. Длина поля «Адрес» (Address) LAPD может составлять один или два байта. Если в

первом байте задан бит расширенного адреса (ЕА), то адрес состоит из одного байта; если он не задан, то адрес состоит из двух байтов. Первый байт адресного поля содержит
Servise access point identifier (SAPI) (Идентификатор точки доступа к услугам), который

идентифицирует главный вход, в котором услуги LAPD обеспечиваются Уровню 3. Бит
C/R указывает, содержит ли блок данных команду или ответный сигнал. Поле «идентификатора конечной точки терминала» (Terminal end-point identifier, TEI)

указывает, является ли терминал единственным или их много. Этот идентификатор является единственным из перечисленных выше, который указывает на широковещание. Для передачи сигналов ISDN используются две спецификации Уровня 3: CCITT
1.450 (известная также как CCITT Q.930) и CCITT 1.451 (известная также как SSITT Q.931). Вместе оба этих протокола обеспечивают соединения пользователь-пользователь,

соединения с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. В них определены разнообразные сообщения по организации и завершению обращения, информационные и смешанные сообщения, в том числе
SETUP (УСТАНОВКА), CONNECT (ПОДКЛЮЧАТЬ), RELEASE (ОТКЛЮЧЕНИЕ), USER INFORMATION (ИНФОРМАЦИЯ

ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ), CANCEL (ОТМЕНА), STATUS (СОСТОЯНИЕ) и DISCONNECT
(РАЗЪЕДИНЯТЬ). Эти сообщения функционально схожи с сообщениями, которые

обеспечивает протокол Х.25.

118

Оборудование В число компонентов ISDN входят терминалы, терминальные адаптеры (ТА), устройства завершения работы сети, оборудование завершения работы линии и оборудование завершения коммутации. Имеется два типа терминалов ISDN. Специализированные терминалы ISDN называются «терминальным оборудованием типа 1« (Terminal equipment type 1, TE1). Терминалы, разрабатывавшиеся не для ISDN, такие, как DTE, которые

появились раньше стандартов ISDN, называются «терминальным оборудованием типа 2»
(Terminal equipment type 2, TE2).

Рис.5.18. Типы соединений в сети ISDN Терминалы ТЕ1 подключают к сети ISDN через цифровую линию связи из четырех скрученных пар проводов. Терминалы ТЕ2 подключают к сети ISDN через терминальный адаптер. Teрминальный адаптер (ТА) ISDN может быть либо автономным устройством, либо платой внутри ТЕ2. Если ТЕ2 реализован как автономное устройств, то он подключает к ТА через стандартный интерфейс физического уровня (например, EIA232,
V.24 или V.35).

Следующей точкой соединения в сети ISDN, расположенной за пределами устройств ТЕ1 и ТЕ2, является NT1 или NT2. Это устройства завершения работы сети, которые подключают четырехпроводной абонентский монтаж к традиционному контуру двухпроводной локальной сети. В Северной Америке NT1 является устройством
«оборудования посылок заказчика» (Customer premises equipment, CPE). В большинстве

других частей света NT1 является частью сети, обеспечиваемой коммерческими сетями связи. NT2 является более сложным устройством, которое обычно применяется в
119

«частных цифровых телефонных станциях с выходом в общую сеть» (PBX), и выполняет

функции протоколов Уровней 2 и 3 и услуги по концентрации данных. NT1 устанавливается оператором связи в помещении и связывает его с коммутатором ISDN на центральной АТС по витой паре, по которой ранее подключался обычный телефон. NT1 имеет разъем для пассивной шины. К этой шине можно подсоединить до восьми ISDNтелефонов, терминалов и других устройств аналогично тому, как подобные устройства подключаются к локальной сети (рисунок 4). Как правило, NT2 используется с PRI, а не с
BRI. Существует также устройство NT1/2 — отдельное устройство, которое сочетает

функции NT1 и NT2.

Рис. 5.19. Подключение по пассивной шине Сегмент
ISDN

в

помещении

заказчика

описывается

в

соответствии

с

рекомендациями CCITT в терминах функциональных групп устройств (Functional groping) и стандартных опорных точек (Reference point). Основными видами устройств в помещении заказчика являются оконечное оборудование сети 1 и 2 (Network Termination 1 и 2, NT1 и NT2), терминальный адаптер (Terminal Adapter, TA) и терминальное оборудование типа 1 и 2 (Terminal Equipment Type 1 и 2, TE1 и ТЕ2). Оконечное оборудование сети типа 1 (NT1) располагается между сетью оператора связи и терминальным оборудованием. TE-1 — это ISDN-совместимое, а ТЕ2 — это любое другое терминальное обрудование. Некоторые офисы могут иметь также УАТС или NT2. В ISDN задано определенное число контрольных точек. Эти контрольные точки определяют логические интерфейсы между функциональными группировками, такими, как ТА и NТ1. Контрольными точками ISDN являются точки «R» (контрольная точка между неспециализированным оборудованием ISDN и ТА), «S» (контрольная точка между терминалами пользователя и NT2), «Т» (контрольная точка между устройствами NT1 и
NT2) и «U» (контрольная точка между устройствами NT1 и оборудованием завершения

работы линии в коммерческих сетях связи). Контрольная точка «U» имеет отношение

120

только к Северной Америке, где функция NT1 не обеспечивается коммерческими сетями связи. На рисунке 5.10 показан «Образец конфигурации ISDN». Нa рисунке изображены три устройства, подключенные к коммутатору ISDN , находящемуся на центральной станции. Два из этих устройства совместимы с ISDN, поэтому их можно подключить к устройствам
NT2

через

контрольную

точку

«S».

Третье

устройство

(стандартный,

не

специализированный для ISDN тeлефон) подключается к ТА через контрольную точку
«R». Любое из этих устройств может быть также подключено к устройству NT1/2, которое

заменяет оба устройства — NТ1 и NT2. Аналогичные станции пользователей (не показанные на рисунке) подключены к самому правому переключателю ISDN.

Рис. 5.20. Образец конфигурации ISDN

Области применения ISDN Стандартное подключение линий ISDN осуществляется по интерфейсам BRI (Basic
Rate Interface) или PRI (Primary Rate Interface). Первый из них поддерживает два

дуплексных B-канала по 64 Кбит/с каждый. Причем в качестве линии ISDN BRI телефонная компания чаще использует медный кабель телефонной сети общего пользования (ТСОП), за счет чего снижается окончательная стоимость ISDN-линии. Каждому В-каналу присваиваивается номер, аналогичный телефонному. При подключении крупных организаций для обеспечения более высоких скоростей передачи или для одновременного подсоединения к центральному офису нескольких удаленных филиалов применяется PRI-интерфейс. В Европе его суммарная пропускная
121

способность равна 2 048 Мбит/с. Он содержит 30 B-каналов для передачи информациии и специальный служебный D-канал c пропускной способностью 64 Кбит/с. Кроме того, PRI часто используется для подключения учрежденческих АТС к цифровой телефонной сети. Цифровые сети c интеграцией услуг ISDN можно использовать для решения широкого класса задач по передаче информации в различных областях, в частности: телефония; передача данных; объединение удаленных LAN; доступ к глобальным компьютерным сетям (Internet); передача трафика, чувствительного к задержкам (видео, звук); интеграция различных видов трафика. Оконечным устройством сети ISDN могут быть: цифровой телефонный аппарат, отдельный компьютер с установленным
ISDN-адаптером,

файловый

или

специализированный сервер, мост или маршрутизатор LAN, терминальный адаптер с голосовыми интерфейсами (для подключения обычного аналогового телефона или факса), либо с последовательными интерфейсами (для передачи данных). Достоинства и недостатки ISDN Достоинства ISDN состоят в следующем. Во-первых, ISDN поднимает по сравнению с модемами порог в 56 Кбит/с для скорости обмена данными между компьютерами по обычной телефонной сети. ISDN позволяет оперировать одновременно несколькими цифровыми каналами по одной телефонной проводке, и таким образом использовать ее для передачи цифрового, а не аналогового сигнала. С помощью протоколов объединения каналов типа BONDING или многоканального PPP базовый интерфейс обмена позволяет достичь скорости передачи несжатых данных в 128 кбит/с. Кроме того, задержка, т. е. время от отправки вызова до установления связи, для линий ISDN меньше в несколько раз. Во-вторых, ранее каждому устройству была необходима отдельная телефонная линия, если они должны были работать одновременно. Например, отдельная линия была нужна для телефона, факса, модема, моста/маршрутизатора и системы видеоконференций. В случае ISDN сигналы от нескольких источников можно комбинировать для передачи по одной линии, причем ISDN предоставляет единый интерфейс для всех источников. Недостатки
• •

Проблемы совместимости ISDN-оборудования различных поставщиков Сложность модернизации центральных коммутаторов и построения новой цифровой инфраструктуры Сложность заказа сервиса

•

122

5.4. Сети ATM
Асинхронный режим передачи
(Asynchronous Transfer Mode,

АТМ) —

это

усовершенствованная

технология

коммутации

пакетов,

которая

обеспечивает

высокоскоростную передачу пакетов фиксированной длины через широкополосные и узкополосные локальные или глобальные сети. ATM обеспечивает связь между станциями одной сети или передачу данных через WAN-сети без изменения формата ячеек — технология ATM является универсальным решением для ЛВС и телекоммуникаций для передачи трафика любого вида:
• • • • • •

речь; данные; факсимильные сообщения; видео реального времени; аудиосигналы качества CD; мультимегабитные потоки данных.

Термин «асинхронный» характеризует ее отличие от синхронных технологий, таких как TDM. Первоначально, технология разрабатывалась для замены SDH( синхронной цифровой иерархии), имеющей ряд недостатков, но успешно применяемой и в настоящее время. В 1988 году комитет CCITT определил АТМ как часть широкополосной цифровой сети комплексных(B-ISDN) – Broadband ISDN. Разработку стандартов АТМ осуществляет большое число производителей коммуникационного оборудования и операторов связи образующие союз «Форум АТМ», а также комитеты ITU-T и ANSI.

Основы технологии АТМ-это широкополосный метод ретрансляции ячеек, при котором данные передаются ячейками фиксированной длины (по 53 байта), Cells. Ячейки содержат
48 байтов — собственно передаваемые данные и 5 дополнительных байтов — заголовок

АТМ .
ATM

предназначены для решения

проблемы задержек при передаче

мультимедийного трафика, которую вносят сети коммутации пакетов при использовании метода статистического мультиплексирования. Проблема задержек при статистическом мультиплексировании связана в частности с большим и непостоянным размером передаваемых по сети пакетов информации. Возможна задержка небольших пакетов
123

важной информации из-за передачи больших пакетов малозначимых данных. Если небольшой задержанный пакет оказывается частью слова из телефонного разговора или multimedia-презентации, эффект задержки может оказаться весьма существенным и

заметным для пользователя. По этой причине статистическое мультиплексирование кадров данных дает слишком сильную дрожь из-за вариации задержки (Delay Jitter) и не позволяет предсказать время доставки. С этой точки зрения технология коммутации пакетов является малопригодной для передачи трафика типа голоса или видео. В АТМ эта проблема решается за счет деления информации любого типа при входе в сеть на небольшие ячейки фиксированной длины. Технология АТМ не ограничена конкретным типом среды передачи. Она может использовать
• • •

существующие

среды

передачи,

разработаннные

для

многих

коммутационных систем, в том числе: коаксиальный кабаль; витую пару; оптоволоконный кабаль;

Однако эти традиционные среды передачи в своей настоящей форме не поддерживают всех возможностей АТМ. Организация которая называется АТМ Forum, рекомендует следующие физические интерфейсы для АТМ:
• • • •

FDDI (100 Мбит/с) Fiber Channel (155 Мбит/с) OC SONET (155 Мбит/с)

Т3 (45 Мбит/с)

На рис.5.21 показан формат ячейки АТМ.

бит 8

бит 7

бит 6

бит 5

бит 4

бит 3

бит 2

бит 1

байты 1

Управление потоком (GFC) Идентификатор (продолжение) виртуального

Идентификатор виртуального пути (VPI) пути Идентификатор канала (VCI) виртуального

2 3

Идентификатор виртуального канала (продолжение) Идентификатор виртуального канала Тип (продолжение) (РТI) данных Приоритет пакета потери

4 5

Управление ошибками в заголовке (НЕС) Данные пакета

Рис.5.21. формат ячейки АТМ.
124

Рассмотрим кратко соответствующие поля формата. Для передачи данных в сети АТМ организуется виртуальное соединение VC (virtual circuit), которое определяется уникальным сочетанием идентификатора виртуального путиVPI (virtual path identifier) и идентификатора виртуального канала VCI (virtual circuit identifier). Поскольку приходящие из разных источников ячейки могут содержать голос, данные и видео, требуется обеспечить независимый контроль для передачи всех типов трафика. Для решения этой задачи используется концепция виртуальных устройств. Виртуальным устройством называется связанный набор сетевых ресурсов, который выглядит как реальное соединение между пользователями, но на самом деле является частью разделяемого множеством пользователей оборудования. Виртуальный канал представляет собой фрагмент логического соединения, по которому производится передача данных одного пользовательского процесса. В заголовке ATM виртуальный канал обозначается комбинацией двух полей — VPI
(идентификатор виртуального пути) и VCI (идентификатор виртуального канала.)

Виртуальный путь представляет собой группу виртуальных каналов, которые в пределах данного интерфейса имеют одинаковое направление передачи данных. Виртуальный путь применяется в тех случаях, когда 2 пользователя ATM имеют свои собственные коммутаторы на каждом конце пути и могут, следовательно, организовывать и поддерживать свои виртуальные соединения. Виртуальный путь напоминает канал, содержащий множество кабелей, по каждому из которых может быть организовано виртуальное соединение.

Рис.5.22.Соотношение между виртуальными каналами (VC), виртуальными путями (VP) и физическим трактом передачи.

125

Поле поле

управления потоком

GFC ,( Generic Flow Control) используется при

взаимодействии нескольких пользователей с одним рубежным коммутатором сети. В
PTI (Payload Type Identifier) располагается информация, определяющая тип

передаваемых данных. Поле приоритета потери пакета помечает кадры, которые при возникновении ситуации перегрузки должны быть уничтожены в первую очередь. Поле управления ошибками в заголовке содержит контрольную сумму, вычисленную для заголовка ячейки. Контрольная сумма вычисляется с помощью кодов Хемминга, что позволяет также исправлять все одиночные и некоторые двойные ошибки.

Стек протоколов АТМ имеет собственную модель, разработанную организациями по

ATM

стандартизации. Модель ATM, в соответствии с определением ANSI, ITU и ATM Forum, состоит из трех уровней:
- физического; - уровня ATM; - уровня адаптации ATM.

Структура стека протоколов АТМ показан на рис.5.23. а распределение протоколов по конечным узлам и коммутаторам АТМ - на рис.5.24.

Верхние уровни сети Общая часть подуровня Подуровень Уровни адаптации конвергенции(CS) конвенгенции Спецефическая сервиса часть Подуровень сегментации и для

АТМ(ALL1-5)

реассемблирования(SAR) Уровень АТМ
(маршрутизация

пакетов,

мультиплексирование,

управление потоком, обработка приоритетов) Подуровень согласования передачи Физический уровень Подуровень, зависящий от физической среды

Рис. 5.23. Структура стека протоколов АТМ.
126

Стандарт АТМ не специфицирует реализацию физического уровня. Здесь он основывается на иерарх скоростей технологии SDH/Sonet. В соответствии с этим начальная скорость доступа пользователя в сеть, это скорость STM-1/OC-3 155 Мб/сек. Магистральное оборудование АТМ работает и на более высоких скоростях STM-4 622
Mb/c. и STM -16 2.5 Гб/с. Существует также оборудование, которое поддерживает

скорости PDH – 2; 34 и 45 Мб/с. Протокол АТМ осуществляет передачу ячеек через коммутаторы при установленном и настроенном виртуальном соединении, т.е. на основании готовых таблиц коммутации портов. Кроме того, протокол АТМ выполняет ряд функций по контролю за соблюдением трафик-контракта со стороны пользователя сети, отбрасыванию ячеек при перегрузке сети, управлением потоком и др. Уровень адаптации (ATM Adaptation Layer, AAL) представляет собой набор протоколов
AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней сети ATM в

ячейки ATM нужного формата. Как показано в таблице, стандартизировано несколько типов уровня адаптации, соответствующие различным классам обслуживания и предназначенные для преобразования разных видов информации.

Рис.5.2 4. Распределение протоколов по узлам и коммутаторам АТМ Структура сети Сеть АТМ имеет классическую иерархическую структуру крупной

территориальной сети.В сеть ATM данные должны вводиться в форме ячеек или преобразовываться в ячейки с помощью функций адаптации. Сети ATM состоят из коммутаторов, соединенных транковыми каналами ATM. Краевые коммутаторы, к которым подключаются пользовательские устройства, обеспечивают функции адаптации, если ATM не используется вплоть до пользовательских станций. Другие коммутаторы, расположенные в центре сети, обеспечивают перенос ячеек, разделение транков и распределение потоков данных. В точке приема функции адаптации восстанавливают из
127

ячеек исходный поток данных и передают его устройству-получателю, как показано на рисунке 5.25.

Рис.5.25. Адаптация ATM Стандарт АТМ определяет два основных вида интерфейсов для оборудования сети:
1) Интерфейс со стороны пользователя, его иногда называют «Private UNI»; существует

набор стандартов, определяющих данный интерфейс. Стандарты Private UNI существуют для скоростей 25 Мбит/с (по медному кабелю), 100 Мбит/с (оптический кабель) и
155 Мбит/с (медь и оптика). Оба стандарта эмуляции ЛВС предполагают также, что

пользователи

подключены

к

коммутатору

ATM.

Некоторые

ATM-коммутаторы

поддерживают также станции других типов (не ATM). Такие коммутаторы обеспечивают взаимодействие между ЛВС Ethernet и Token Ring и сетями ATM. Коммутаторы также поддерживают порты (для подключения станций и серверов) и транки (для соединения коммутаторов ATM или подключения к магистральным коммутаторам) ATM.
2) Интерфейс между коммутаторами основан на UNI, но включает дополнительно

специальные сообщения для маршрутизации и управления состоянием маршрутов. ATM
Forum называет этот интерфейс Private Network-to-Network Interface или P-NNI.

На

рис. 5.26. показана структурная организация сети.

128

Рис. 5.26. Организация сети АТМ.

Передача данных в коротких ячейках позволяет ATM эффективно управлять потоками различной информации и обеспечивает возможность приоритизации трафика. Даже при чередовании и приоритизации ячеек в сетях ATM могут наступать ситуации насыщения пропускной способности. Для сохранения минимальной задержки даже в таких случаях ATM может отбрасывать отдельные ячейки при насыщении. Реализация стратегии отбрасывания ячеек зависит от производителя оборудования ATM, но в общем случае обычно отбрасываются ячейки с низким приоритетом (например, данные) для которых достаточно просто повторить передачу без потери информации. Коммутаторы
ATM с расширенными функциями могут при отбрасывании ячеек, являющихся частью

большого пакета, обеспечить отбрасывание и оставшихся ячеек из этого пакета — такой подход позволяет дополнительно снизить уровень насыщения и избавиться от излишнего объема повторной передачи. Схема коммутации виртуальных каналов и путей показана на рис.5.17. В крупных узлах может быть целесообразно применение коммутаторов, осуществляющих только коммутацию виртуальных путей. Их называют кроссовыми соединителями (кросс-коннекторами) АТМ.

129

Рис. 5.27. Схема коммутации виртуальных каналов и трактов

Категории услуг Правила отбрасывания ячеек, задержки данных и т. п. определяются набором параметров, называемым качеством обслуживания (QoS). Разным приложениям требуется различный уровень QoS и ATM может обеспечить этот уровень. Поскольку виртуальные устройства подобны реальным, они также могут быть
«выделенными» или «коммутируемыми». В сетях ATM «выделенные» соединения

называются

постоянными

виртуальными

устройствами

(PVC),

создаваемыми

по

соглашению между пользователем и оператором (подобно выделенной телефонной линии). Коммутируемые соединения ATM используют коммутируемые виртуальные устройства (SVC), которые устанавливаются путем передачи специальных сигналов между пользователем и сетью. Протокол, используемый ATM для управления виртуальными устройствами подобен протоколу ISDN. Вариант для ISDN описан в стандарте Q.931, ATM — в Q.2931.
130

Виртуальные устройства ATM поддерживаются за счет мультиплексирования трафика, что существенно снижает расходы на организацию и поддержку магистральных сетей. если в одном из виртуальных устройств уровень трафика невысок, другое устройство может использовать часть свободных возможностей. За счет этого обеспечивается высокий уровень эффективности использования пропускной способности
ATM и снижаются цены. Небольшие ячейки фиксированной длины позволяют сетям ATM

обеспечить быструю передачу критичного к задержкам трафика (например, голосового). Кроме того, фиксированный размер ячеек обеспечивает практически постоянную задержку, позволяя эмулировать устройства с фиксированной скоростью передачи типа
T1/E1. Фактически, ATM может эмулировать все существующие сегодня типы сервиса и

обеспечивать новые услуги. ATM обеспечивает несколько классов обслуживания, каждый из которых имеет свою спецификацию QoS,как показано в таблице 5.3. Таблица 5.3. Классы обслуживания АТМ. Класс QoS
1 2 3

Класс обслуживания
A B C

Описание Производительность частных цифровых линий (эмуляция устройств или CBR) Пакетные аудио/видео-конференции и multimedia (rt-VBR) Ориентированные на соединения протоколы типа frame relay (nrt-VBR)

4

D

Протоколы без организации соединений типа IP, эмуляция ЛВС (ABR) Наилучшие возможности в соответствии с определением оператора (UBR)

5

Неопределен

Категорий услуг протокола АТМ:
- CBR (Constant Bit Rate) – услуги для трафика с постоянной битовой скоростью; - rtVBR (real-time Variable Bit Rate) – услуги для трафика с переменной битовой

скоростью, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и не требующего синхронизации источника и приемника;
- nrtVBR (non real-time Variable Bit Rate) – услуги для трафика с переменной

битовой скоростью, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и не требующего синхронизации источника и приемника;
131

- ABR (Available Bit Rate) - услуги для трафика с переменной битовой скоростью,

требующего соблюдения некоторой минимальной скорости передачи данных и не требующего синхронизации источника и приемника;
- UBR (Unspecified Bit Rate) - услуги для трафика, не предъявляющего требований к

скорости передачи данных и синхронизации источника и приемника. Большая часть трафика, передаваемого через сети ATM использует класс обслуживания C, X или Y. Класс C определяет параметры QoS (качество обслуживания) для задержки и вероятности отбрасывания, но требует от пользователя аккуратного управления трафиком во избежание перенасыщения сети. трафик класса X дает пользователю большую свободу, но может не обеспечить стабильной производительности. Класс Y, называемый также (ABR) или доступная скорость) позволяет пользователю и сети установить совместно скорость на основе оценки потребностей пользователя и возможностей сети.

Использование сетей АТМ

В глобальных сетях ATM применяется там, где где нужно обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени. В локальных сетях технология ATM применяется обычно на магистралях, где хорошо проявляются такие ее качества, как масштабируемая скорость, качество обслуживания
(для этого нужны приложения, которые умеют запрашивать нужный класс обслуживания),

петлевидные связи (которые позволяют повысить пропускную способность и обеспечить резервирование каналов связи). Сегодня основной потребитель территориальных коммутаторов ATM - это Internet. Однако, по мере увеличения объемов IP-трафика уровень ATM все чаще становится узким местом. И здесь специализированные аппаратные маршрутизаторы заметно опережают коммутаторы ATM по быстродействию. Преимущества ATM сейчас переносятся на уровень IP — за счет внедрения новых технологий, в частности Multi Protocol Label
Switching (MPLS).

132

Раздел 6. Спутниковые сети
Спутниковые сети — вычислительные сети
(Networks),

использующие

спутниковые каналы передачи данных. Спутниковые сети базируются на системах спутниковой связи ССС. К спутниковым сетям могут быть отнесены сети : WAN
(Глобальные вычислительные сети и MAN (Региональные вычислительные сети).

Запуск Советским Союзом первого искусственного спутника, который состоялся 4 октября 1957 года вошел в историю как начало новой космической эры человечества. Он открыл и новые возможности в информационных коммуникациях. Как сказал главный конструктор ракетно-космических систем Сергей Павлович Королев: «Он был мал, этот самый первый искусственный спутник нашей старой планеты, но его звонкие позывные разнеслись по всем материкам и среди всех народов как воплощение дерзновенной мечты человечества». Системы спутниковой связи (ССС) широко используются во многих регионах мира и стали неотъемлемой частью инфраструктуры телекоммуникаций большинства стран. Не только промышленно развитые страны с разнообразными современными сетями телекоммуникаций, но все чаще и развивающиеся страны успешно внедряют ССС. Новые спутниковые приложения обеспечивают быстрое создание новых широковещательных служб и частных сетей. 6.1. Структура ССС Спутник — устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает и транслирует в широковещательном режиме одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне видимости спутника. Спутник не инициирует и не терминирует никакой пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковая передача начинается в некоторой ЗС, проходит через спутник, и заканчивается в одной или большем количестве ЗС. ССС состоит из трех базисных частей:
•

космического сегмента, который охватывает вопросы проектирования спутника, расчета орбиты и запуска спутника; сигнальной части, которая охватывает вопросы используемого спектра частоты, влияния расстояния на организацию и поддержание связи, источники интерференции сигнала, схем модуляции и протоколов передачи;

•

133

•

наземного сегмента, который включает размещение и конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схемы мультиплексирования, обеспечивающие эффективный доступ к каналам спутника.

Космический сегмент
Космический сегмент включает в себя группы спутников – ретрансляторов и средства запуска. Спутники могут вращаться вокруг земли в разных плоскостях, Экваториальные орбиты расположены в плоскости экватора. Полярные орбиты проходят над обоими полюсами Земли. Все остальные орбиты называются наклонными. Большинство существующих спутниковых систем связи спутниковые группировки и имеют геостационарные занимают геосинхронные, экваториальные орбиты, в

которых период орбиты равен периоду отметки на поверхности Земли. Это становится возможным при размещении спутника над заданным местом Земли на расстоянии
35 800 км в плоскости экватора. Большая высота, требуемая для поддержания

геосинхронной орбиты спутника, объясняет нечувствительность спутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от заданной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки Земли в четыре раза больше расстояния по поверхности Земли между двумя ее максимально удаленными точками.В настоящее время наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76° (приблизительно; 67° по 143° западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной, Центральной и Южной Америки. Главными компонентами спутника являются его конструкционные элементы; системы управления положением, питания; телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна. Предоставленный сам себе спутник в конечном счете перешел бы к случайным вращениям, превратившись в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограничены в основном возможностями транспортных средств, требованиями к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника
(обычно

в

течение

десяти

лет).

Телеметрическое

оборудование спутника используется для передачи на Землю информации о его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие на орбите. команды, по получении которых включается энергетическое оборудование и осуществляется коррекция. На рис.6.1 показан общий вид спутника связи

134

Рис. 6.1. GEO-спутник

Сигнальная часть
Как правило, спутник никакой сложной обработки, коммутации или маршрутизации не производит — усложнение электронной системы ведет к меньшей надежности спутника, долженствующего работать много лет в очень тяжелых окружающих условиях.Он обеспечивает «прозрачную» ретрансляцию приходящего сигнала:
- прием сигнала в восходящем потоке, - перенос в другой частотный диапазон, - усиление, - передача на землю в том же или другом антенном луче.

Ширина полосы(Bandwidth) спутникового канала характеризует количество информации, которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц на частотах от 4 МГц до 6 МГц. Обычно ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках

135

связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно. Спутники связи должны преобразовывать частоту получаемых от ЗС сигналов перед ретрансляцией их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Из двух частот в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС
(нисходящие потоки), верхняя — для передачи от ЗС на спутник (восходящие потоки).

Каждая пара частот называется полосой. Современные спутниковые каналы чаще всего применяют одну из двух полос: C-полосу (от спутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно в области 4 ГГц); Ku-полосу (14 ГГц и 12 ГГц, соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики, ориентированные на разные задачи связи. В таблице 6.1 приведены характеристики основных полос. Таблица 6.1. Спутниковые диапазоны полос Полоса, передачи, L (ГГц)
1.6/1.5 14/12

С Диапазон частот, Доступная ширина, Ku (ГГц)
6/4 30/120

(МГц)
15 500

Ka (Гц)
500 2500

Помимо представленных частотных диапазонов есть еще S и L. Большинство действующих спутников используют C-полосу. Передача в С-полосе может покрывать значительную область земной поверхности, что делает спутники особенно пригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы С-полосы, являются относительно слабыми и требуют развитых и достаточно дорогих антенн на ЗС. Важная особенность сигналов С-полосы — их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера земли почти прозрачна для сигналов в диапазоне 4/6 ГГц. К сожалению, этим же фактором обусловлено то, что сигналы С-полосы более всего подходят для наземных двухточечных микроволновых передач, портящих более слабые спутниковые сигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие при передаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотного проживания населения. Передача в Ku-полосе имеет противоположные свойства. Луч при такой передаче сильный, узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединений от точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы никоим образом не влияют на сигналы Ku-полосы, и ЗС Ku-полосы могут быть размещены в центрах городов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет
136

обойтись меньшими, более дешевыми антеннами ЗС. К сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайно чувствительны к атмосферным явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотя подобные погодные явления, как известно, воздействуют на небольшую область в течение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такие условия совпадают с ЧНН (час наибольшей нагрузки, например 4 часа пополудни, полдень пятницы). В спутниковых сетях используется мультиплексирование с разделением частот
(FDM) и временное разделение канала ( TDM). Если в FDM для передачи речевого

сигнала (или данных) назначаются отдельные сегменты частоты внутри всей полосы, в методе TDM передача ведется по всей выделенной полосе частот. В исходящем канале повторяемые базовые временные периоды, называемые иногда фреймами (Frame), разделены на фиксированное число тактов, которые выделяются последовательно для передачи сигналов входящих речевых каналов и каналов данных. Для предохранения от возможных потерь информации используются накопители (буферы).

Наземный сегмент
Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские сооружения с антеннами более 30 м в диаметре. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в ряде случаев успешно конкурировать с ССС. Следовательно, главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сети связи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом с экономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ЗС.

137

Как уже отмечалось, фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них — организация доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразование частот. В настоящее время выделяются три типа ЗС:
1) Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую

интенсивность пользовательской нагрузки ЗС с очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов.
2) Станции средней пропускной способности эффективны для обслуживания частных

сетей корпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости от реализованных приложений (передача речи, видео, данных). Различаются два типа корпоративных ССС:
-Развитая корпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает

такие услуги, как видеоконференция, электронная почта, передача видео, речи и данных. Все ЗС такой сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции доходит до 1 миллиона долларов.
- Менее дорогостоящим типом корпоративной сети является ССС большого числа (до

нескольких тысяч) микротерминалов (Very Small Aperture Terminal, VSAT) связанных с одной главной ЗС (Master Earth Station, MES). Данные сети ограничиваются обычно приемом/передачей данных и приемом аудио-видеоуслуг в цифровом виде. Микротерминалы общаются между собой посредством транзита с обработкой через главную ЗС. Топология таких сетей является звездообразной (рис.6.2).
3) ЗС с ограниченными возможностями приема. Это самый дешевый вариант станции,

поскольку ее оборудование оптимизируется под предоставление одной или нескольких конкретных услуг. Данная ЗС может быть ориентирована на прием данных, аудиосигнала, видео или их комбинаций. Топология также звездообразная.

138

Рис.6.2 Структура VSAT

6.2. Разновидности ССС Несмотря на существенный прогресс проводной и радиосвязи, на долю спутниковых систем сегодня приходится до двух третей мирового трафика, а спутниковые проекты продолжают разрабатываться и реализовываться с не меньшей, а может, и большей интенсивностью, чем прежде. В зависимости от параметров орбиты (рисунок 6.3) спутники принято делить на четыре семейства: геостационарные (GEO – Geostacionary Earth Orbit), высокоэллиптические
(HEO –Higt Earth Orbit), средневысотные (MEO- Mean Earth Orbit или ICO) и

низкоорбитальные (LEO – Low Earth Orbit).

139

Рис. 6. 3 Орбиты спутников семейств GEO, HEO, MEO и LEO. В экваториальном поясе Земли вращаются облака заряженных частиц (так называемые слои Ван-Аллена), в которых из-за сильной радиации спутники долго жить не могут, и их приходится размещать под, над или между слоями. Первый слой Ван-Аллена расположен на высотах от 1,5 до 10 тыс. км, второй — от 13 до 20 тыс. км. GEO-спутники Геостационарные спутники занимают строго постоянное место на экваториальной орбите, обслуживая определенную территорию поверхности Земли. Для того, чтобы GEOспутник постоянно «висел» в одной точке над горизонтом, его забрасывают на экваториальную орбиту высотой около 36 тыс. км, где период его обращения вокруг Земли совпадает с периодом обращения Земли вокруг своей оси. Оттуда спутник может засвечивать до трети территории Земли в пределах от 76° северной до 76° южной широты. Таким образом, всего три спутника, разнесенные на 120° экваториальной геостационарной орбиты, закрывают всю Землю подвешено гораздо больше. за исключением полярных зон. Но GEO-спутников Во-первых, для улучшения энергетики диаграмме

направленности спутниковых антенн придают очертания материка или участвующих в проекте государств. Во-вторых, спутниковые ретрансляторы имеют ограниченные полосы пропускания, поэтому общее число каналов связи одного спутника не так уж велико. Даже при полной загрузке приемо-передающих пар (иначе — стволов или транспондеров, которых обычно бывает от 6 до 64 с полосой пропускания от 32 МГц до 72 МГц каждый) самый современный спутник связи может потенциально обеспечить не более 8 тыс. стандартных телефонных каналов по 64 кбит/с, а при максимально допустимом сжатии до
140

2,4 кбит/с — около 200 тыс. каналов. Часть из них, как правило, занята служебными

задачами, поэтому современный геостационар может обеспечить лишь 10-15 тыс. телефонных каналов общего пользования, что с учетом стандартов на качество связи соответствует 40-60 тысячам абонентов. квотирования. Этим занимается В результате число GEO-спутников сейчас
(Международный

таково, что каждое свободное место на орбите стало предметом крупной торговли и
ITU

союз

электросвязи)

По

международным правилам, действующие GEO-спутники должны отстоять друг от друга не менее чем на один угловой градус, чтобы антенные диаграммы наземных станций не засвечивали более одного спутника. Таким образом, число спутников на геостационарной орбите не может превышать трехсот шестидесяти. В настоящее время для обеспечения информационных коммуникаций США имеют около 30 GEO-спутников, Канада — 8, Юго-Восточная Азия, включая Китай и Японию, — 25, Россия — 20, Западная Европа — 10; Intelsat — 25, «Интерспутник» — 11,
Inmarsat — 8, Eutelsat — 8 и Аrabsat — 4; Среди них известные отечественные ССС «Орбита» , «Горизонт», «Экспресс», «Ямал – 100». Кроме того, на орбите имеется около

пятидесяти военных, научных, а также теле- и радиотрансляционных. Intelsat, Inmarsat и др. это международные консорциумы, разрабатывающие проекты ССС, более подробно они будут рассмотрены ниже. Срок службы спутника на геостационарной орбите составляет 10 -15 лет. Задержка распространения сигнала составляет около 600 мс. Стоимость только одной современной платформы GEO системы(платформой называется все, кроме ретрансляторов) составляет 150-250 млн. долларов. А еще почти столько же стоит «полезная нагрузка» (транспондеры) и запуск: от 150 млн. долларов в США до 50 миллионов в КНР. Цена нашей техники и запуска располагается где-то посредине. По надежности запуска Россия лидирует, благодаря технологиям, разработанным еще в 70 годах. Для связи с GEO-спутниками требуется устанавливать наземные станции с мощными передатчиками и параболическими антеннами диаметром от 3 до 32 метров, причем чем меньше диаметр антенны, тем дороже аренда спутникового канала. Крупные антенны должны иметь систему автосопровождения спутника и систему обогрева всех своих 70-200 квадратных метров (слой снега даже толщиной 3-5 см может снизить отношение сигнал/шум на несколько децибел). Автосопровождение требуется потому, что ширина диаграммы антенного луча наземной станции составляет доли градуса, то есть меньше угловой нестабильности GEO-спутника.

141

HEO-спутники Первой системой подобного класса была советская «Молния», обеспечивающая трансляцию телепередач на всю территорию СССР. Обычно HEO-спутник выводится на вытянутую эллиптическую орбиту, в одном из фокусов которой находится Земля. Забираясь на высоту около 40 тыс. км, а затем снижаясь, спутник проводит над заданной территорией не менее 8-12 часов в сутки, после чего быстро облетает Землю с другой стороны на высоте около 500 км. Вследствие некоторых геофизических причин существуют только две стабильные эллиптические орбиты: с наклонением 63° и 116° к экватору. При других углах наклона спутник постепенно сдвигается с заданной орбиты из-за гравитационных полей Луны, несферичности Земли и других факторов. Высокая орбита HEO-спутника ведет к тем же проблемам, что имеются у геостационаров (слабая энергетика линии и задержка распространения сигнала), и добавляет гроздь своих: требуются наземные станции с антеннами, следящими за траекторией спутника в пределах почти полусферы, и сложные приемо-передающие устройства с большим динамическим диапазоном по чувствительности и выходной мощности (из-за сильного изменения дальности до спутника). Совсем от HEO-систем не отказываются потому, что, во-первых, запуск на эллиптическую орбиту дешевле, а вовторых, на них не распространяются квоты, установленные для геостационаров. Но вряд ли в перспективе HEO-спутники будут играть роль большую, чем сегодня, когда они служат ТВ-ретрансляторами. MEO-спутники Спутники MEO запускаются на промежуточные круговые орбиты, а именно на высоты порядка 10 тыс. км, где есть «просвет» между первым и вторым слоями ВанАллена. Совершая один оборот вокруг Земли за 6-7 часов, такой спутник остается видимым из какой-либо точки поверхности не более 1,5-2 часов. Для обеспечения непрерывной связи создаются группы из 10-12 спутников, равномерно расставленных по нескольким орбитам, с перекрывающимися антенными диаграммами. Зона перекрытия земной поверхности составляет 25-28%, а задержка сигнала – 250- 400 мс. Поскольку MEO-спутники почти вчетверо ближе к Земле, чем GEO, то благодаря квадратичной зависимости энергии от расстояния они выигрывают у последних в энергетике больше чем на порядок, а время задержки сигналов снижается до 120-130 мс. На борту MEO-спутников не ставится много транспондеров, там не требуются мощные передатчики, а значит, спутниковую платформу можно сделать меньше и легче (порядка
142

полутонны) по сравнению с 1-3 тоннами у GЕО и выводить их на орбиту менее мощными и более дешевыми ракетами. Кроме того, спутники MEO могут быть запущены на полярную орбиту, чтобы закрыть и полярные зоны, не «засвечиваемые» геостационарами. Все эти преимущества делают связь гораздо качественнее и дешевле. Средневысотные орбиты имеют еще одно достоинство (уже по сравнению с низковысотными): времени пребывания спутника «под солнцем» хватает для полной перезарядки батарей. Таким образом, снижается зависимость от аккумуляторов, самого короткоживущего компонента платформы, и повышается средний срок службы спутников. У MEO он составляет 10-12 лет.
MEO-системы более эффективны при построении сетей региональной связи с

узловыми наземными станциями и сетей доступа в виде проводных или радиосетей, а также для организации массовой персональной связи, в том числе широкополосной. После освоения диапазонов миллиметровых волн с полосой, эквивалентной хорошей оптоволоконной линии, по каналам связи можно будет осуществлять доступ к Интернету, передавать мультимедийные сигналы, видеопрограммы и прочие многоканальные радиои телеудовольствия. Такие проекты уже разрабатываются в США и даже в России, к примеру, ICO корпорации Inmarsat, американский Odyssey (пока замороженный в пользу
ICO), пара наших проектов «Ростелсата».

Хотя один MEO-спутник много дешевле двух-трехтонных геостационаров, но ведь и нужно их на порядок больше. Именно поэтому системы на MEO-спутниках оказываются дороже GEO-систем, что и показал проект ICO, расходы на который уже превысили
1,6 млрд. долларов.

LEO-спутники
LEO спутники запускаются на низкие круговые орбиты, на высоту от 500 до 2000

км.

Ниже 500 км спутники начинают тормозиться в атмосфере (хотя и очень

разреженной) и намного интенсивнее «сваливаться» к Земле. Малый период обращения LEO-спутников (в среднем они делают один оборот вокруг Земли за 100-120 минут) сокращает время пребывания в пределах видимости из одной точки поверхности до 10-15 минут. Зона покрытия одним спутником составляет 3-7%, временная задержка передачи сигнала -170 – 300 мс. Различные LEO-системы работают уже много лет. Вначале это были просто «почтовые ящики», которые, пролетая над одной точкой Земли, забирали пакеты цифровой информации или короткие речевые послания, а затем сбрасывали их наземной приемной станции, ближайшей к адресату. Среди LEO — система обнаружения и определения
143

координат морских судов, терпящих бедствие (КОСПАС-САРСАТ), отечественный, ранее секретный «Гонец», «Сигнал» и некоторые другие полулюбительские проекты. В них использовались очень маленькие и очень дешевые спутники, забрасываемые на орбиты в качестве вторичной полезной нагрузки на ракетах-«попутках». Полная стоимость таких проектов порой не превышала полумиллиона долларов, а в СССР они стоили всего 25 тысяч «тех» рублей. Для работы по схеме офлайнового почтового ящика было достаточно одного спутника на полярной орбите, три-четыре раза в сутки появляющегося над головой в любом районе шарика — реже всего на экваторе и каждый оборот — над полюсами. За время одного оборота спутника Земля поворачивается под ним на 15-20°. Полосы, оставляемые на поверхности Земли антенным пятном спутника, перекрываются. Обычно в одной точке Земли «видно» от двух до четырех соседних витков. Полный цикл спутник делает приблизительно за 16 часов. Для сокращения времени доставки сообщения запускался не один, а больше спутников (N), разнесенных на 360°/N. Существенно лучшие энергетические характеристики LEO-спутников позволяют уменьшить наземные терминалы до размеров обычного сотового телефона или радиомодема. Но, как и в случае MEO, для постоянной связи требуются группировки из нескольких десятков спутников, цепочками вращающихся на разнесенных орбитах, и чем ниже орбита, тем больше нужно спутников (до 48 – 66) и орбит. Очень важно при этом точно поддерживать взаимное расположение спутников, ибо даже при небольшой разнице в скорости они ведут себя подобно автомашинам на шоссе — где густо, а где пусто.
LEO-спутники проигрывают своим более «высоким» конкурентам во времени жизни из-за

частого переключения энергетической системы с солнечных батарей на аккумуляторы и соответственно из-за увеличения числа циклов заряда-разряда батарей, вследствие чего срок их службы не превышает 5-8 лет. Обычно LEO-спутники несут один, редко два или три транспондера, один из которых резервный. Но по сравнению с GEO-спутниками на них чаще устанавливается сложная электронная аппаратура коммутации потоков для осуществления «интеллектуальной» межспутниковой связи с четырьмя своими соседями, а число наземных станций при этом может быть небольшим. Установка на борт более сложной, а значит, менее надежной аппаратуры оправданна, поскольку спутников много и выход из строя одного из них не прекращает работу всей системы. Антенные системы LEO-спутников формируют, как правило, не одну, а несколько секторных или круглых диаграмм, называемых фасетами (рисунок 6.4), в каждой из которых для увеличения емкости сети устанавливается своя сетка частот. Делается это с целью увеличения числа одновременных сеансов связи путем пространственного разноса

144

частот каналов связи Земля-спутник-Земля (чем больше фасетов, тем чаще можно использовать одну и ту же несущую).

Рис. 6.4. Фасеты В дополнение к существующим Orbcomm (48 спутников),Iridium (66 и 6 резервных)
E-Sat (6), Fiasat (32), Gemnet (38), Starsys (24), Ge-Leo (24), Vita (3), Leo One (48), Globalstar (48 и 8 резервных) отечественному «Гонцу-Д1» (6) и «Гонцу (48)» сейчас

разрабатываются десятки более совершенных LEO-систем персональной связи. Они основаны на самых современных технологиях передачи и кодирования сигналов. Их предназначение для телекоммуникаций в сетях общего пользования и сетях сотовой связи, а также связи с Интернетом и др. Низкоорбитальные (LEO) и среднеорбитальные (MEO) спутниковые группировки характеризуются меньшими задержками, лучшими энергетическими показателями и низкой стоимостью наземных терминалов. Из-за большого числа задействованных спутников и наземных станций, а также изза использования новейших технологий все эти проекты очень дороги, и каждый из них имеет свое специфическое назначение.

Области применения ССС Объективных и субъективных причин процветания спутниковой связи много, и действуют они равно и в США, вдоль и поперек пронизанных оптоволоконными магистралями, и в тех регионах Азии и Африки, где на тысячу жителей приходится одна десятая или даже сотая телефона, и в располагающейся где-то посредине России. Спутниковые системы
(международной)

успешно работают в трех из них имеет

структурных областях — технические,

магистрали местной, региональной (национальной, междугородней) и глобальной связи. Каждая специфические эксплуатационные и экономические характеристики, и в каждой из них спутниковая связь имеет разную эффективность.

145

Международные магистральные линии До сих пор большая международных магистралей обслуживается GEO-

спутниками. Достоинством такой связи является ее мобильность — необходимо лишь арендовать на подходящем для района связи спутнике требуемый по полосе пропускания канал, поставить в пятне антенны спутника «тарелку » и наземную станцию. Взаимное расстояние между станциями не влияет ни на стоимость связи, ни на качество (если только не ставить станцию на самом краю следа). Современную аппаратуру магистральной спутниковой связи нет нужды подгонять друг к другу, долго настраивать, поскольку станция, как конструктор, собирается из блоков, тестируется и вводится в строй в течение нескольких рабочих дней. Недостаки использования ССС на магистралях:
- полусекундные задержки распространения сигнала в космической линии и

связанная с этим необходимость эхоподавления,
- проблемы с установкой большой антенны (нужно иметь не только прочный

фундамент, выдерживающий ее вес и давление от ветровой нагрузки, но и открытое пространство в направлении на нужный спутник, а это в наших северных условиях чаще всего значит наклонение не более 20-30 градусов к горизонту).
- Оплата аренды для ЗС большой территории земли (на сотни метров) и ее охраны,

а также эксплуатации сложного оборудования и электропотребления.
-

тарифы

на

спутниковый

сегмент

достаточно

высокие.

Аренда

или

двухмегабитного канала для сети общего пользования практически у всех операторов связи стоит 90-120 тысяч долларов в год, но при малых диаметрах антенны придется платить дороже, до миллиона в год, так как чем меньше антенна, тем меньше ее коэффициент усиления и тем большая мощность транспондера расходуется на спутнике. Спутниковая связь в настоящее время для магистральных и сетей общего пользования уступает по качеству и эксплуатационным характеристикам оптоволокну. Во-первых, оптоволоконные стволы (backbones) выходят сейчас на гига- и терабитные скорости передачи, с лихвой покрывающие все потребности в телефонных переговорах, Интернете и передаче данных. Вскоре эти магистрали опояшут весь шарик, и тогда, скорее всего, гегемонии международной спутниковой связи придет конец. В оптоволоконных магистралях нет проблем с эхом и задержкой распространения сигнала, что очень критично для голосового трафика В отличие, от пакетной передачи, в том числе, в Интернете, где это не так существенно.. В общем случае GEO-спутники

146

малоэффективны при частой передаче с подтверждением, например — запросов к базам данных (пусть даже очень короткими пакетами). Однако, для коммерческих и частных международных линий связи мобильность спутниковой связи по-прежнему вне конкуренции. Бывает много случаев, когда оптоволокно проводить нецелесообразно —например, в районах с вечной мерзлотой, пустынях или в высокогорной местности. Преимущества спутникового магистрального канала полностью проявляются и при создании выделенных международных каналов доступа к Интернету там, где нет местного Интернет-провайдера. Причем стоимость аренды такого канала при хорошей антенне может быть не намного выше стоимости аренды наземной линии при существенно меньших инвестициях.

Региональные линии
Если бы было возможно «сплести» такую оптоволоконную сеть, которая соединила бы любой город, поселок и хутор друг с другом, спутниковая связь оказалась бы лишней. Но такой сети нет и, вероятно, в обозримом будущем переносном смысле. Для создания региональных сетей могут использоваться практически любые спутники. Например, на геостационарах строят:
1. Системы магистральной связи «точка-точка», особенно актуальные в странах с

не будет даже в экономически

развитых странах. И тут спутниковые системы оказываются вне конкуренции в прямом и

неразвитой наземной инфраструктурой. В таких системах применяются большие наземные станции с 16-32-метровыми антеннами приема и передачи больших потоков телефонной связи и данных, с относительно постоянным заполнением канала. Поскольку в природе этого не бывает — ночью люди, как правило, спят, — экономический КПД такого подключения редко превышает 20-30 процентов. Аналогичные системы, только меньших масштабов, применяются и для создания временных каналов (например, для организации репортажей «с места события»).
2. Корпоративные

или/и

региональные

системы

связи

VSAT,

включающие

центральную наземную станцию, коммутирующую подобно обычной АТС телефонный трафик по запросам местных абонентов, использующих дешевые терминальные станции. Применяемая «коммутация каналов по запросу » (DAMA) позволяет рационально расходовать ресурс спутникового транспондера и, следовательно, экономить на аренде дорогого канала. Кроме того, VSAT-системы
147

позволяют строить наземные станции с небольшими антеннами, Арендуемый спутниковый канал по порядку величины равен каналу одной терминальной станции, трафик которой обычно не превышает 2 Мбит/с. Такие системы в большом количестве работают и в США, и в Канаде, многие почтовые ведомства стран Африки, Азии и Океании используют VSAT-системы. У нас же они встречаются нечасто, несмотря на свою эффективность. Так, например, для охвата современными видами связи всех крупных населенных пунктов Омской области достаточно установить 11-12, а для огромного Красноярского края всего 16-18
VSAT-станций и создать инфраструктуру последней мили в виде проводных и/или

радиосетей. Цены на VSAT-терминалы стремительно снижаются (если в 1993 году приходилось платить больше 300 тыс. долларов за станцию, то сегодня цена упала до 20 тыс. долларов), но для построения законченной системы заказчику придется оплатить еще на порядок более дорогую центральную станцию (HUB), да и сравнивать расходы надо с альтернативами, которые зачастую оказываются еще дороже.
3. Широковещательные и заказные радио- и ТВ-трансляции. К этой же категории

можно отнести и системы, предназначенные для проведения видеоконференций, дистанционного образования и т. п.
4. Осуществляемые в последнее время проекты по широкополосному доступу (канал

до 400 Мбит/с «вниз») к Интернету. Спутниковые системы с высокоэллиптическими орбитами также используются для построения региональных сетей связи, при этом они могут закрывать полярные районы, недоступные для геостационаров. Так, система «Молния» используется не только для ретрансляции ТВ-сигнала из Москвы на Север и Дальний Восток, но и для организации связи с этими регионами. Но гораздо более перспективны системы связи на среднеорбитальных и низкоорбитальных спутниках, работающих с дешевыми и простыми наземными станциями. Действительно, обычная диаграмма направленности бортовых антенн таких спутников имеет пятно диаметром порядка 3 тыс. км, что вполне достаточно практически для любых региональных сетей. То есть каждый спутник может в течение 1-2 часов для MEO и 10-15 минут для LEO передавать внутрирегиональные потоки без ретрансляции сигналов через другие спутники или наземные станции, что позволяет значительно упростить начинку станций, антенн и самих спутников и сократить задержки распространения сигналов. А применение широкополосных транспондеров в сверхвысоких диапазонах волн предоставит требуемые полосы для междугородних
148

каналов связи, при этом становится технически простым не только предоставление канала по требованию (DAMA) и связь «каждый с каждым», но и динамическое распределение емкости спутникового транспондера. Местная и персональная связь Персональная спутниковая связь — это временно сформированная единоличная линия связи, заменяющая собой все сегменты ТфОП и идущая от пользовательского терминала прямо в «облако» сети связи.

Рис. 6. 5. Доступ к существующим сетям Первой спутниковой системой персональной связи был Inmarsat. Позднее был запущен советский «Гонец». Среди «последователей» — и работающий Iridium, и почти полностью готовый Globalstar, и ICO, — все они предполагают предоставление персональных телефонных, пейджинговых и навигационных услуг в глобальном масштабе. Активно разрабатывается проект Teledesic со своими 288 спутниками, предполагающий дать мультимедийный сервис с каналами до 155 Мбит/с «вниз» и до 2 Мбит/с «вверх». Запланированная стоимость проекта приближается к 10 млрд. долларов, но, как правило, реальная стоимость бывает значительно выше (по закону Мэрфи, ее, как известно, нужно умножать на 2,71). Teledesic — пока единственный проект, получивший
149

лицензию на глобальное использование сверхвысокого частотного диапазона, и уже запущен первый спутник для проверки качества связи — проект курируется Биллом Гейтсом. Разрабатываются также проекты персональной связи Skybridge (LEO) и Astrolink
(GEO), проект корпорации Hughes и еще целого ряда других организаций. Их цель —

создать системы, обеспечивающие трансляцию сигналов в полосе шириной до 400 Мбит/с и широкополосную связь в полосах до 64 Мбит/с. Преимущества таких систем очевидны: широкая полоса — значит, любой вид связи, включая интерактивное телевидение, а многоканальность — большее число пользователей. В них уже можно применять пакетную АТМ-коммутацию, вводить элементы интеллектуальных сетей связи и др. В сочетании с высокоскоростными наземными оптоволоконными магистралями эти системы скоро обеспечат переход на персональное массовое информационное обслуживание, предоставив практически каждому человеку Земли возможность доступа к всемирным информационным ресурсам. По-видимому, геостационары, будут всегда занимать главенствующие позиции среди спутниковых группировок, особенно по мере развития цифровых мультимедийных информационных систем нового поколения. И как показывает практика, даже при многомиллионной стоимости, GEO-группировки — самые дешевые из всего семейства спутниковых систем. До сих пор в сравнении с самыми развитыми наземными кабельными сетями спутниковая связь остается вне конкуренции — благодаря мобильности и глобальности охвата. 6.3. Международные консорциумы спутниковой связи В данном разделе представлена информация по крупным мировым консорциумам, разрабатывающим и эксплуатирующим ССС. В таблице 6.2 приведены основные параметры действующих систем и перспективных проектов ССС.

Intelsat Консорциум Intelsat (The International Telecommunications Satellite Organization) — старейший и наиболее крупный — образован в 1965 году с целью предоставления государствам-участникам консорциума
(в

основном —

развивающимся

странам)

современных технологий связи. Intelsat — это организация, включающая более 120 стран полных участников и около 60 стран — ассоциированных участников. Первый коммерческий спутник Early Bird был выведен Intelsat на орбиту в апреле 1965 году. К июню того же года спутник официально начал передачу по 240 телефонным каналам, что эквивалентно одному телевизионному каналу по ширине полосы. Intelsat
150

быстро вырос до крупнейшей ССС с 18 спутниками, располагающимися над Атлантикой, Индийским и Тихим океанами. В настоящее время базовыми спутниками Intelsat являются мощнейшие
Intelsat VIII

и

Intelsat-К,

значительно

превосходящие

по

своим

характеристикам первый Early Bird. Так в сравнении даже с Intelsat VI, оборудованным 48 приемопередатчиками, Intelsat VIII имеет 36 С-полос и 10 Ku-полоси поддерживает сотни тысяч телефонных каналов. Цена спутника на один канал со 100 тыс. долл. снизилась до нескольких тысяч, а цена минуты использования канала абонентом, составлявшая ранее
10 долл. понизилась до 1 доллара. Мощность солнечных батарей Intelsat VIII составляет 4 КВт, т. е. возросла по сравнению с Intelsat VI на 54% и, соответственно, в 4 раза по

сравнению с Intelsat V.

Eutelsat Консорциум Eutelsat (The European Telecommunications Satellite Organization) был образован 1977 году для передачи телефонных вызовов и европейских телевизионных программ на континенте. В 1994 году участниками Eutelsat были 36 государств Европы, в настоящее время страны восточной Европы становятся полноправными участниками консорциума. Современная технологическая программа Eutelsat базируется на мощных спутниках
Eutelsat II, а в дальнейшем, начиная с 1998 года будет переориентирована на спутники

третьего века.

поколения

Eutelsat III,

предоставляющие

расширенные

операционные

возможности и предназначенные для использования в первом десятилетии следующего

Inmarsat Консорциум Inmarsat (The International Marine Satellite Organization) образован в 1979 году по инициативе Международной морской организации (IMO) со штаб-квартирой в Лондоне с целью организации спутниковой связи для подвижных объектов (морских судов и авиационной техники). Организация включает 64 государства, содержит 20 крупных, размещенных по всему миру фиксированных ЗС и позволяет одновременно обслуживать до 10 тыс. подвижных объектов. Таблица 6. 2. Перспективные системы спутниковой связи Основной инвестор Ввод строй в Число вид и Стоимость Пропускная (млрд. $) способность

Система

Сервис

151

спутников
Odyssey Orbcomm, TRW

Отменен 12 (+3) MEO телефон, факс, пейджинг, данные, навигация

1,8

3000-9500

каналов
4,8 кбит/с

ICO

Inmarsat

2001 г.

10 (+8) MEO телефон,

2,2

4500 4,8 кбит/с

каналов

факс, пейджинг, данные, краткие сообщения
Iridium Motorola 1998 г. 66 (+6) LEO телефон, 3,7

1100 каналов 2,44,8 кбит/с

данные, факс, навигация
Globalstar Loral, Qualcomm 2000 г. 48 (+8) LEO телефон, 2,6

без 2000-3000 каналов
4,8 кбит/с 2,4-

факс, пейджинг, данные, краткие сообщения

наземных станций

Teledesic Gates, McCaw, Motorola

2003 г.

288 LEO

телефон, данные, Интернет, факс, пейджинг, видео

9

до 10000 каналов
16 кбит/с (вниз

до вверх

155 Мбит/с,

до

2 Мбит/с)

Astro Link

Lockheed Martin

2001 г.

9 GEO

телефон, данные, Интернет, факс, пейджинг

4

от 128 кбит/с до
10 Мбит/с

152

CyberStar Loral

1999 г.

3

GEO

в телефон, данные, Интернет, факс, пейджинг

1,6

вниз
6 Мбит/с, вверх 2,5 Мбит/с

2001 г.

Halo

Angel Technologies

2000 г.

Самолеты

телефон, данные, Интернет, факс, пейджинг

Нет сведений

до 10 Мбит/с в обоих направлениях

Skybridge Alcatel, Loral 2001 г.

Сначала 32, телефон, затем до 80 данные,
LEO

4,2

вниз

20 Мбит/с,

вверх 2 Мбит/с

Интернет, факс, пейджинг, навигация

Sky Station

Sky

Station 2002 г.

250

телефон, на Интернет,
12 факс,

Нет сведений

вниз

10 Мбит/с,

International

воздушных данные, шаров высоте миль

вверх 2 Мбит/с

пейджинг
3,5 6 Мбит/с

Spaceway Hughes Electronics

2002 г.

2 GEO и 1 телефон, MEO,

данные, до Интернет, пейджинг

позднее

16 GEO и 20 факс, MEO

153

Iridium

Рис. 6. 6. Система Iridium Идея создания системы Iridium принадлежит компании Motorola, которая разработала проект запуска на LEO-орбиты 77 спутников для обеспечения глобальной и поголовной телефонной связи. Ведь LEO-системы того времени представляли собой всего-навсего офлайновые «почтовые ящики» на нескольких спутниках. Motorola поставила целью создать систему, работающую в режиме реального времени, для чего пришлось увеличивать число спутников группировки и налаживать передачу информации между ними. Последнее и есть ключевой момент плана. Общение между спутниками может быть организовано двумя способами:
•

непосредственно, когда соединенные друг с другом каналами связи в сферическую
«сетку », окружающую Землю (с узелками-спутниками и ниточками-каналами),

спутники самостоятельно решают все вопросы маршрутизации;
•

при посредничестве наземных станций ретрансляции и коммутации каналов. Число станций должно быть не меньше числа спутников, и они должны быть распределены по поверхности Земли равномерно.

И в том, и другом случае образуется объемная многомерная информационная сеть, состоящая из взаимно перемещающихся спутников и абонентов. Для телефонных переговоров или интерактивного обмена данными сеть должна к тому же обеспечивать дуплексную связь. Маршрутизация сводится к решению непростой топологической задачи, причем на принятие решения отводятся доли секунды (спутники вращаются вокруг Земли с первой космической скоростью, равной 8 км/с). Если в системах наземной сотовой связи могут двигаться только абоненты относительно сотов, то здесь взаимно перемещается все — и абоненты относительно «сотов», и сами «соты», и связи между

154

ними. Еще больше усложняет ситуацию то, что антенная диаграмма состоит из многих фасетов. И вместо 91-го годом запуска стал 1998-й, а вместо маленьких и дешевых LEO получились, хотя и LEO, но сложные и дорогие... Можно уверенно утверждать, что главной причиной столь длительной задержки было неверное техническое решение о переносе всех задач по коммутации каналов на спутник. Поскольку не были согласованы шлюзы и регламенты работы с национальными сетями возникли проблемы интеграции с наземной инфраструктурой во многих регионах. Так, например, в Мексике Iridium не имеет выхода в телефонную сеть общего пользования, поэтому космической связью можно пользоваться лишь в том случае, если оба абонента имеют спутниковый терминал. Так же обстоит дело и в России, где имеется лишь шлюз с сотовой сетью GSM. В свою очередь, высокие тарифы, отсутствие прямого выхода в телефонную сеть и дороговизна терминалов, а кроме того энергетические характеристики радиосигналов зачастую не позволяют пользоваться связью в закрытом помещении или в автомашине – все это существенно снизило ожидаемую эффективность проекта. ICO

Рис. 6.7. Система ICO Проект организации глобальной телефонной связи ICO, разрабатываемый под эгидой корпорации Inmarsat, относится к разряду MEO-систем. К 2000 году предполагалось запустить двенадцать спутников (из которых два запасных) на две наклонные круговые орбиты высотой чуть больше 10 тыс. км. Орбиты и число спутников выбраны так, чтобы в пределах видимости наземных терминалов находилось не менее двух спутников под углом не менее 30° к горизонту. Кодовое разделение каналов (CDMA) позволяет работать одновременно с двумя спутниками (кодовый сигнал складывается по мощности, что в общем случае помогает избежать эффекта интерференции при приеме прямого и отраженных сигналов) и обеспечивает наивысшее по сравнению с другими
155

методами число одновременно работающих каналов. Средняя мощность наземного терминала не должна превышать 0,25 Вт (сотовые телефоны обычно имеют мощность до
2 Вт).

В отличие от Iridium, проектировщики ICO выбрали второй способ маршрутизации. Предусмотрено двенадцать наземных станций, на которые спутники ICO ретранслируют поступающие сигналы. Станции, сопряженные с наземными телефонными сетями и сетями сотовой связи, могут работать не только в стандарте CDMA, но и в местных стандартах сотовой связи (GSM — в Европе, JDC — в Японии, DAMPS — в Северной Америке). Так же «многостандартно» могут работать и карманные терминалы. С ростом числа пользователей будут запускаться дополнительные спутники. Все было бы хорошо, но стоимость разработки комплекса ICO (включая разработку спутников нового поколения, наземных станций и пользовательских терминалов) тоже потянула на миллиарды долларов. Спутники, несмотря на относительную (по сравнению с
Iridium) простоту, оказались тяжелыми, и их запуск

осуществляется американскими

ракетами Delta поштучно. Эксплуатация системы тоже получается не дешевой. Поэтому опустить плановую стоимость минуты разговора ниже 1,5 доллара не удалось.

Globalstar

Рис. 6. 8. Система Globalstar Цепная реакция банкротств консорциумов может в какой-то мере поколебать планы другого большого проекта — Globalstar, выходящего на финишную прямую. Уже запущенные 40 (из 48) LEO-спутников вращаются по восьми наклонным орбитам, обеспечивая сплошное покрытие поверхности Земли в пределах 70° от экватора при углах связи более 30° над горизонтом. Причем в поясах между 25° и 50° северной и южной широты зона видимости будет перекрываться не менее чем двумя спутниками.

156

В Globalstar, подобно ICO, использовано кодовое разделение каналов и предусмотрено сложение сигналов со спутников, одновременно видимых из точки приема. Как в ICO и Iridium, антенные диаграммы имеют «фасеточное» строение, но в отличие от тех проектов они вытянуты в эллипсы для увеличения длительности пребывания пользователя в пределах одного фасета. Globalstar предполагает организацию пакетной передачи данных со скоростями 1,2; 2,4; 4,8 и 9,6 кбит/с. Уже развернута большая часть сети из 100-210 наземных станций-ретрансляторов, одновременно являющихся шлюзами в местные телефонные сети общего пользования. Организовав совместные предприятия с национальными операторами телефонной связи, менеджеры концерна возложили на них все расходы по построению наземной структуры, соблазнив будущими прибылями от эксплуатации системы. В России такое соглашение заключено с
«Ростелекомом» (СП называется «Глобалтел»), а наземные станции разворачиваются в

Павловском Посаде под Москвой, в Новосибирске и Хабаровске. Таким образом, Globalstar лучше конкурентов защищен от провала: во-первых, собственные расходы гораздо скромнее, во-вторых, слишком много сил заинтересовано в жизнеспособности системы, и, наконец, даже если не удастся заполучить большое число клиентов, бремя потерь ляжет не только на инициаторов проекта, но и на местных операторов связи. Простейшая в сравнении с другими проектами «полезная нагрузка» в виде
«прозрачных» ретрансляторов значительно повышает потенциальную надежность и

долговечность спутников. Globalstar будет использовать универсальные спутниковосотовые терминалы, совместимые с сотовыми сетями. Однако, себестоимость минуты связи остается выше, нежели в наземных сетях, а охват пользователей в каждой зоне отстает даже от простенькой районной АТС.

Teledesic

Рис. 6. 10. Система Teledesic

157

Система Teledesic

использует класс тяжелых LEO-спутников, на которых

предполагается построить широкополосную мультимедийную систему связи, иногда называемую также «спутниковым оптоволокном». Изначально проект стоимостью 9 млрд. долларов предусматривал запуск 924 спутников (840 рабочих и 84 запасных), вращающихся по 21 орбите (по 44 на каждой). Такая сверхплотная загрузка космоса спутниками планировалась для повышения надежности связи. После дополнительных расчетов (и изучения опыта конкурентов?) амбиций поубавилось, и сейчас в проекте осталось 12 полярных орбит с 24 активными спутниками на каждой. Планируется обеспечить вероятность ошибки передачи не хуже, чем в оптоволоконных каналах, — порядка десять в минус десятой степени, время выделения канала не более 50 мс и задержку при передаче между оконечными точками от 20 до 75 мс на расстояниях не более 5 тыс. км. (сравните с тем, что гарантируют современные оптоволоконные сети:
UUNET и Concentric — 150 мс, AT&T WorldNet — 100 мс, Sprint — 140 мс).

Установленные на борту перестраиваемые антенны должны следить за территорией, над которой пролетает спутник, для чего в них закладываются подробные карты местности
(как в управляемых крылатых ракетах). Земная поверхность разбивается приблизительно

на 20 тыс. квадратных суперячеек (со стороной около 160 км), которые, в свою очередь, делятся еще на 9 ячеек. Антенное пятно спутника покрывает максимум 64 суперячейки. Канальные ресурсы (частоты и таймслоты) жестко привязаны к земной территории, поэтому наземные терминалы работают в пределах зоны 50х50 км на одних и тех же частотах и в фиксированных таймслотах, независимо от того, какой спутник пролетает над головой. Бортовая база данных спутников выдает параметры ячеек, контуры которых могут совпадать с границами стран или регионов (чтобы, например, выключать спутники над страной, не обслуживаемой системой Teledesic). Таким образом, система предусматривает частотное, временное и пространственное разделение каналов. Каждая суперячейка обслуживается выделенным для нее одним приемным и одним передающим антенным лучом, а каждый луч циклически сканирует 9 ячеек в пределах суперячейки с периодом, равным 23,11 мс. Каждый луч поддерживает 1440 базовых каналов на
16 кбит/с, а каждый спутник — 10 тыс. каналов.

Использование каналов миллиметрового диапазона волн Ка (18-30 ГГц) имеет существенный недостаток — зависимость прохождения волн от состояния атмосферы. А ведь планируется создать систему, не уступающую по надежности оптоволокну, включая реализацию высокоскоростных транспортных протоколов. Таким образом, требуется гарантированное прохождение сигнала в каналах связи Земля-спутник-Земля, то есть хорошая и устойчивая энергетика. Но дождь, густая облачность, не говоря уже о смоге и
158

пылевых облаках, резко снижают энергетику радиолинии, поэтому система способна обеспечить уверенный прием только при очень высоких углах спутника над горизонтом, когда луч проходит через атмосферу кратчайшим путем. По проекту, каждый из спутников группировки связан с восемью ближайшими соседями, работая как коммутатор в многосвязной сети с пакетной коммутацией сигналов, подобной АТМ-протоколу. Полоса пропускания каждой межспутниковой линии составляет
155 Мбит/с. Наземные станции Teledesic имеют шлюзы в наземные оптоволоконные сети

связи. Скорость передачи в наземно-космической опорной сети лежит в диапазоне от
155 Мбит/с до 1,24 Гбит/с. Кроме стационарных шлюзов Teledesic предусматривает

использование обеспечивающих

широкого работу в

спектра одном

мобильных базовом

терминалов — на

от

простейших, до сложных

канале

16 кбит/с,

многоканальных с полосой 2,048 Мбит/с и антеннами диаметром от 8 см до 1,8 м при средней выходной мощности наземного передатчика от 0,01 Вт до 4,7 Вт.

Преимущества и ограничения ССС ССС имеют уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторые особенности обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной для ряда приложений. Другие создают ограничения, которые неприемлемы при реализации некоторых прикладных задач. ССС имеет ряд преимуществ: Устойчивые издержки Стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит от расстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковые сигналы — широковещательные. Стоимость спутниковой передачи, следовательно, остается неизменной независимо от числа принимающих ЗС. Широкая полоса пропускания Малая вероятность ошибки В связи с тем, что при цифровой спутниковой передаче побитовые ошибки весьма случайны, применяются эффективные и надежные статистические схемы их обнаружения и исправления. Однако, имеется и ряд ограничений в использовании ССС: Значительная задержка Большое расстояние от ЗС до спутника на геосинхронной орбите приводит к задержке распространения, длиной почти в четверть секунды. Эта задержка вполне ощутима при телефонном соединении и делает чрезвычайно неэффективным
159

использование спутниковых каналов при неадаптированной для ССС передаче данных. Размеры ЗС Крайне слабый на некоторых частотах спутниковый сигнал, доходящий до ЗС
(особенно для спутников старых поколений), заставляет увеличивать диаметр

антенны ЗС, усложняя тем самым процедуру размещения станции. Защита от несанкционированного доступа к информации Широковещание позволяет любой ЗС, настроенной на соответствующую частоту, принимать транслируемую спутником информацию. Лишь шифрование сигналов, зачастую достаточно сложное, обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа. Интерференция Спутниковые сигналы, действующие в Ku- или Ka-полосах частот (о них ниже), крайне чувствительны к плохой погоде. Спутниковые сети, действующие в Cполосе частот, восприимчивы к микроволновым сигналам. Интерференция вследствие плохой погоды ухудшает эффективность передачи в Ku- и Ka-полосах на период от нескольких минут до нескольких часов. Интерференция в С-полосе ограничивает развертывание ЗС в районах проживания с высокой концентрацией жителей. Влияние упомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенных наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.

160

Рекомендуемая и использованная литература
1.Куроуз Дж., Росс К. Компьютерные сети 4 -е изд. – СПб: Питер, 2004. 2. В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Компьютерные сети 3-е изд. - СПб: Питер, 2006. 3. В.А. Косарев, А.А. Игнаткин. Локальные вычислительные сети 3-е изд. – Москва:

Учеба, 2006.
4.Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети. – Москва-СПб.-Киев: Вильямс, 2003. 5. В.Л. Бройдо. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – СПб.: Питер, 2003.

161