Компьютерными телекоммуникационными системами называют обмен информацией на расстоянии между несколькими компьютерами.
Компьютерные каналы связи можно классифицировать по следующим признакам:
— по способу кодирования информации можно разделить на цифровые и аналоговые;
— по способу коммуникации можно разделить на выделенные и коммутируемые;
— по способу передачи информации разделяют на проводные и беспроводные, оптические.
Весь кабель покрыт изолирующим слоем, который защищает его от внешних воздействий. Коаксиальный кабель обладает более высоким сопротивлением всем электромагнитным помехам. Это связано с тем, что он используется как асимметричная линия, сеть подключена к потенциалу земли и, таким образом, образует эффективный экран для внутреннего проводника.
Коаксиальный кабель подходит как для аналоговой, так и для цифровой передачи сигналов. Основными качественными параметрами коаксиального кабеля являются демпфирование амплитуды сигнала и так называемые тепловые шумы. Для достижения желаемого качества передачи требуется достаточная доступность сигнала и шума. Это чаще всего решается путем вставки усилителей в определенные секции для усиления передаваемого сигнала на желаемый уровень.
Аналоговые - по аналоговым каналам информация, которая передается, представляется в непрерывной форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины;
Цифровые - это каналы, по которым пересылаемая информация передается в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов той или иной физической природы.
Недостатками коаксиальных кабелей являются восприимчивость к отказам и технологическим ограничениям. Типичная коаксиальная кабельная топология - это автобус. Оптическое волокно изготовлено из стеклянной или пластмассовой нити с зубцом от 5 до 125 мм, которое обладает особыми свойствами. Наилучшие свойства имеют ультрачистые волокна с добавками кремния. Производство этих волокон является слишком дорогостоящим, поэтому на практике часто предпочтительны многокомпонентные или пластиковые волокна, которые являются более дешевыми и адекватного качества.
Коммутируемые - это каналы, созданные из отдельных участков только на время передачи по ним информации, после окончания сеанса связи такой канал разрывается.
Выделенные каналы - это каналы, которые организуются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине и пропускной способности.
К основным характеристикам каналов связи относят скорость передачи информации, надежность, стоимость, резервы развития.
Скорость передачи информации измеряется в бит/с и в бодах. Количество изменений информационного параметра сигнала в секунду измеряется в бодах.
Принцип распространения светового пучка оптическим сигналом
Информация передается оптическим лучом через световое излучение. Общеизвестно, что световые лучи являются прямыми или по прямой. Это условие не может быть выполнено для оптических волокон. Свет от источника проникает в волокно и происходит его перелом.
Часть света проходит от сердечника в упаковку, где она поглощается. Однако значительная часть светового луча отражается от интерфейса обмотки сердечника обратно в сердечник и продвигается к приемнику. Такой поток называется многомерным. Недостатком такой передачи является то, что в результате многонаправленных отражений между передатчиком и приемником существует несколько путей передачи, которые имеют разные времена передачи сигнала.
Бод
- это такая скорость, когда передается один сигнал (например, импульс) в секунду независимо от величины его изменения. Единица измерения бит/с соответствует единичному измене- нию сигнала в канале связи и при простых методах кодирования сигнала; когда любое изменение бывает только единичным, можно принять, что: 1 бод = 1 бит/с; 1 Кбод = 103 бит/с; 1 Мбод = 106 бит/с и т. д.
В случае если элемент данных может быть представлен не двумя, а большим количеством значений какого-либо параметра сигнала, значение 1 бод будет больше 1 бит в секунду.
Это вызывает визуальную дисперсию с течением времени и снижает скорость передачи. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы модифицировать волокна, чтобы добиться моновидной передачи, при которой луч передается от передатчика к приемнику напрямую. Практически это может быть достигнуто путем использования волокна с очень маленьким диаметром сердцевины, сравнимым с длиной света. Многопоточное волокно с изменением градиента показателя преломления является компромиссным решением между многопоточным и моновидным волокном.
В зависимости от типа распространения пучка выделяются три основных типа волокна
Желаемый эффект достигается градиентом показателя отражения в направлении от ядра к его краю. Многоканальные волокна с сдвигом показателя преломления с диаметром сердечника от 100 до 400 мм, многопоточные волокна с градиентом диаметром 50 мм и оболочкой 125 мм, одножильные волокна с диаметром сердцевины 5-10 мм и оболочкой 125 мм. Оптические волокна также используются для подключения зданий, где необходимо подключать наружную среду даже на относительно небольших расстояниях. Оптические волокна обеспечат гальваническое разделение потенциала и не разрушат инфраструктуру в случае случайных ударов молнии.
Надежность
- передача информации без ее потерь и изменений. Передатчик и приемник - это аппаратура передачи данных, связывают источник и приемник информации с каналом связи. Примерами аппаратуры передачи данных могут служить модемы, терминальные адаптеры, сетевые карты и т. д.
Для улучшения качества сигнала, передаваемого на большие расстояния, используется дополнительная аппаратура: повторители, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы, мультиплексоры.
На этих принципах основана классификация, учитывающая пропускную способность канала связи:
— низкоскоростные каналы связи, скорость передачи информации в них составляет от 50 до 200 бит/с;
— среднескоростные каналы связи, скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах до 56 000 бит/с;
— высокоскоростные (широкополосные) каналы связи, обеспечивающие скорость передачи информации выше 56 000 бит/с.
Каждый тип волокна используется для других целей
Английские эквиваленты: одномодовое волокно - многоволоконное волокно - многопоточное волокно. С точки зрения технологии гораздо сложнее расслоение света на одноцепочечные волокна, чем на многопоточные волокна. Это свойство также вызывает проблемы при подключении потоков. Тем не менее, однослойные волокна являются многообещающими с точки зрения низкого демпфирования и удобства использования при очень высоких скоростях передачи.
В настоящее время полный потенциал волоконно-оптической полосы пропускания еще не полностью используется. Малые размеры и вес - оптические волокна для связи имеют очень маленький диаметр, не превышающий диаметр человеческого волоса. Безопасность передачи - оптические волокна изготовлены из стеклопластиковых полимеров, которые являются изоляционными материалами. Это позволяет избежать возмущающих эффектов от других источников или связывания энергии вокруг пары, таких как помехи и перекрестные помехи в металлических проводниках.
Скоростные характеристики канала во многом зависят от используемых кабелей.
Витая пара - это изолированные медные провода, обычный диаметр которых составляет 1 мм, попарно свитые один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар.
Самым распространенным применением витой пары является телефонная линия. Витые пары, тянущиеся на большие расстояния, объединяются в кабель, на который надевается защитное покрытие. Если бы пары проводов, находящиеся внутри таких кабелей, не были свиты, то сигналы, проходящие по ним, накладывались бы друг на друга. Телефонные кабели диаметром несколько сантиметров можно видеть протянутыми на столбах.
Витые пары используются для передачи аналоговых и цифровых сигналов. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но на больших расстояниях может достигнуть несколько мегабит в секунду.
Низкие потери при передаче. Волоконно-оптические волокна имеют низкие значения демпфирования, снижают стоимость и сложность передающих устройств и повышают надежность передачи, поскольку сигнал направляется через длинные участки без усиления. Есть места, где кабельные соединения не могут использоваться. Это может быть связано с чрезмерной стоимостью прокладки кабеля или даже невозможностью прокладки кабелей. В этом случае используются беспроводные технологии. Они были разработаны с течением времени для использования в качестве альтернативы локальным сетям на основе кабельных систем.
Существуют два вида витой пары.
Неэкранированные витые пары
имеют довольно высокую пропускную способность, удобны в работе, не нуждаются в заземлении и благодаря невысокой цене широко распространены.
Неэкранированная витая пара не применяется в локальной сети, в которой обрабатывается информация с ограниченным доступом, потому что она может усилить напряженность поля.
Экранированные витые пары
обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют высокую стоимость, жестки и неудобны в работе и требуют заземления. Данный вид кабеля применяется в основном в сетях с ограниченным доступом к информации.
Недостатком является пока цена и относительно низкая скорость передачи. Наземные СВЧ-линии относятся к группе беспроводных средств передачи. Они используют электромагнитные волны для осуществления передачи. В принципе, это двухточечная связь, как видно.
Условием реализуемости является прямая видимость антенн, которые обычно расположены на самых высоких зданиях или на рельефах. Высота расположения антенны напрямую влияет на диапазон. В наземных микроволновых соединениях передающая среда представляет собой воздух. Воздух, как металл в металлических проводниках, не является идеальной передающей средой и вызывает увлажнение сигнала. Другим параметром, вызывающим демпфирование, является погода. Повышенная влажность или дождь усиливают затухание.
Коаксиальный кабель - средство передачи данных. Он лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Широко применяются два типа кабелей. Один используется для передачи только цифрового сигнала, а другой тип кабеля - аналогового сигнала.
Коаксиальный кабель состоит из покрытого изоляцией твердого медного провода, расположенного в центре кабеля. Поверх изоляции натянут цилиндрический проводник, обычно выполненный в виде мелкой медной сетки. Он покрыт наружным защитным слоем изоляции (пластиковой оболочкой). Конструкция и специальный тип экранирования коаксиального кабеля обеспечивают высокую пропускную способность и отличную помехозащищенность.
Коаксиальные кабели для телекоммуникаций делятся на две группы:
— «толстые» коаксиалы;
— «тонкие» коаксиалы.
Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 12,5 мм и достаточно толстый проводник (2,17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и механические характеристики.
С добавлением количества подключений микроволн, еще один фактор - помехи от других соединений. Поэтому важно соблюдать согласованное распределение частот на национальном и международном уровнях. Наземные микроволновые соединения в основном используются на междугородних дорогах, чтобы преодолевать тяжелую местность. В этих случаях они заменяют классические или коаксиальные кабели в телефонных, радио - или телевизионных сетях.
Еще одной областью применения являются соединения на короткие расстояния в густонаселенных районах, где исчерпаны обычные возможности связи, и возведение новых невозможен. Типичными примерами являются крупные города. В последнее время они используются в качестве локальных сетей для распространения данных в пределах 10 км.
Скорость передачи данных по толстому коаксиальному кабелю до 50 Мбит/с, но, учитывая определенное неудобство работы с ним и его значительную стоимость, использовать его в сетях передачи данных можно не всегда.
Тонкий коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 5-6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0,9 мм) обусловливает худшие электрические и механические характеристики. Скорость передачи данных по «тонкому» коаксиалу не превышает 10 Мбит/с.
Коаксиальные кабели широко применялись в телефонных системах, но на линиях большой протяженности их заменяют оптоволоконными кабелями. Однако коаксиальные кабели широко используются для кабельного телевидения.
В отличие от наземных микроволновых каналов, которые используют канал, созданный каналом в атмосфере Земли, спутниковые соединения работают со спутниками, расположенными вне атмосферы. Для того, чтобы спутник работал непрерывно, он всегда должен быть «видимым» как от передатчика, так и от приемника. Спутник на этой высоте имеет устойчивое положение на земле. Вот почему мы говорим о стационарном спутнике. Карта спутниковой связи.
Земной передатчик посылает сигнал на спутник в определенной полосе частот. Спутниковый сигнал принимает, усиливает или восстанавливает и передает в другой частотной полосе на землю. Использование разных полос частот для передачи и приема необходимо, чтобы избежать помех между этими двумя сигналами. Другим источником помех могут быть сигналы с другого спутника.
Оптоволоконные кабели
по своей структуре напоминает витую пару. Основу волоконно-оптического кабеля составляет стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет, окруженная твердым заполнителем и помещенная в защитную оболочку диаметром 125 мкм.
В одном кабеле может содержаться от одного до нескольких сотен таких сердечников. Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника.
Внешним слоем служит пластиковая оболочка, защищающая остекление. Источником распространяемого по оптоволоконному кабелю светового луча является преобразователь электрических сигналов в оптические, например светодиод или полупроводниковый лазер.
Вот почему спутники изначально не позволяли быть ближе, чем на 4 ° друг к другу. Это означает, что всего было возможно только 90 геостационарных спутников. Прогресс в производстве антенн позволил уменьшить это расстояние до 2 °. С другой стороны, чем выше частота, тем нужна меньшая антенна.
Спутниковые соединения имеют два основных недостатка
Поскольку запуск спутника является дорогостоящим, частотный диапазон необходимо использовать наиболее эффективным способом. Из-за большой длины соединения время распространения сигнала заметно, что равно 0, 24 секунды. Эта задержка вызывает проблемы в разговоре, но также и в передаче данных, где эхо может рассматриваться как принятый сигнал. Спутниковые соединения имеют распределенный широковещательный характер. Это означает, что спутниковый сигнал может быть принят кем угодно.
Кодирование информации осуществляется изменением интенсивности светового луча. Физической основой передачи светового луча по волокну является принцип полного внутреннего отражения луча от стенок волокна, обеспечивающий минимальное затухание сигнала, наивысшую защиту от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи. По оптоволоконному кабелю, имеющему большое число волокон, можно передавать огромное количество сообщений. На другом конце кабеля принимающий прибор преобразует световые сигналы в электрические.
Скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю достигает 1000 Мбит/с, но он очень дорог и используется лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи. Такой кабель связывает столицы и крупные города большинства стран мира, а также материки.
Использование спутниковой связи в настоящее время широко. Он служит для передачи телевизионных сигналов, телефонных звонков и передачи данных. Спутниковая связь сегодня не развивается, как в 1970-х годах. Основной причиной этого является прогресс в волоконной оптике.
Основное различие между радиопередачей и СВЧ-каналом заключается в том, что радиопередача является всенаправленной, фиг. 11, в то время как СВЧ-канал является узко направленным. Радио - и телевещание, системы мобильной связи. Для диапазона и демпфирования такая же связь применяется как для микроволновых соединений.
В вычислительных сетях и в сети Интернет оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных их участках. Возможности оптоволоконных каналов поистине безграничны: по одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сот тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных каналов и около ты- сячи телевизионных каналов.
В настоящее время широкое распространение получают беспроводные виды связи: радиоканалы, инфракрасные и миллиметровые излучения.
Качество передачи само по себе оказывает решающее влияние на качество передачи. Для радио и спутниковых соединений качество передающего оборудования, особенно антенны, важно в дополнение к среде передачи. В основном, в последние годы значимость металлических передающих сред постепенно снижалась, а важность оптических носителей неуклонно возрастала. Кроме того, беспроводные соединения важны не только для распределенных широковещательных служб, но также и потому, что они могут адресовать мобильность конечных пользователей сети связи.
Некоторые свойства отдельных носителей передачи находятся в таблице. У каждого вида среды передачи есть свои сильные стороны, и поэтому подробный технический и экономический анализ всегда принимает решения о конкретном использовании. С технической точки зрения, это оценка качества передачи, которая оценивается главным образом.
Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Система передачи данных по радиоканалу включает в себя радиопередатчик и радиоприемник, настроенные на один и тот же радиоволновой диапазон, который определяется частот- ной полосой электромагнитного спектра, используемой для передачи данных.
Такую систему передачи данных называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры). Высокоскоростной радиодоступ предоставляет пользователям каналы со скоростью передачи 2 Мбит/с и выше. В ближайшем будущем ожидаются радиоканалы со скоростями 20-50 Мбит/с.
Инфракрасное и миллиметровое излучение без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях. Дистанционные пульты управления для телевизоров и видео-магнитофонов используют инфракрасное излучение. Они отно- сительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но имеют один важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твердые объекты. С другой стороны, тот факт, что инфракрасные волны не проходят сквозь стены, является также и положительным. Ведь это повышает защищенность инфракрасной системы от прослушивания по сравнению с радиосистемой.
Пропускная способность канала передачи должна быть больше или равна громкости соответствующего передаваемого сигнала. Полоса пропускания представляет диапазон частот, который канал передачи способен передавать. Блок полосы пропускания совпадает с блоком частоты сигнала, т.е. 1 Гц.
Канал связи представляет собой среду или среду, через которые передача между передатчиком и приемником передается в виде закодированной информации. Существует набор определенных условий и средств технических, физических, химических, соматических, организационных, системных и других, которые делают возможным связь.
По этой причине для использования инфракрасной системы связи не требуется государственная лицензия в отличие от радиосвязи (кроме диапазонов ISM). Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.
Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и оперативность связи. В вычислительных сетях беспроводные каналы связи для передачи данных используются чаще всего там, где применение традиционных кабельных технологий затруднено или просто невозможно.
Но в ближайшем будущем ситуация может измениться - активно ведется разработка новой технологии беспроводной связи Bluetooth. Bluetooth - это технология передачи данных по радио- каналам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости.
Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива инфракрасным соединениям между различными портативными устройствами. Но сейчас специалисты предсказывают уже два направления широкого использования Bluetooth.
Первое - это домашние сети, включающие в себя различную электронную технику, в частности компьютеры, телевизоры и т. п. Второе, гораздо более важное, направление - локальные сети офисов небольших фирм, где стандарт Bluetooth позиционируется как замена традиционных проводных технологий. Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных - она не превышает 720 Кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу видеосигнала.
Для того чтобы компьютеры могли связаться между собой в сеть, они должны быть соединены между собой с помощью некоторой физической передающей среды. Основными типами передающих сред, используемых в компьютерных сетях, являются:
аналоговые телефонные каналы общего пользования;
цифровые каналы;
узкополосные и широкополосные кабельные каналы;
радиоканалы и спутниковые каналы связи;
оптоволоконные каналы связи.
Аналоговые каналы связи первыми начали применяться для передачи данных в компьютерных сетях и позволили использовать уже существовавшие тогда развитые телефонные сети общего пользования. Передача данных по аналоговым каналам может выполняться двумя способами. При первом способе телефонные каналы (одна или две пары проводов) через телефонные станции физически соединяют два устройства, реализующие коммуникационные функции с подключенными к ним компьютерами. Такие соединения называют выделенными линиями или непосредственными соединениями. Второй способ - это установление соединения с помощью набора телефонного номера (с использованием коммутируемых линий).
Качество передачи данных по выделенным каналам, как правило, выше, и соединение постоянное. Кроме того, для каждого выделенного канала необходимо свое коммуникационное устройство (хотя есть и многоканальные коммуникационные устройства), а при коммутируемой связи можно использовать для связи с другими узлами одно коммуникационное устройство.
Параллельно с использованием аналоговых телефонных сетей для межкомпьютерного взаимодействия начали развиваться и методы передачи данных в дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телефонным каналам (к которым не подведено электрическое напряжение, используемое в телефонной сети) - цифровым каналам.
Следует отметить, что наряду с дискретными данными по цифровому каналу можно передавать и аналоговую информацию (голосовую, видео-, факсимильную и т. д.), преобразованную в цифровую форму.
Наиболее высокие скорости на небольших расстояниях могут быть получены при использовании особым образом скрученной пары проводов (для того, чтобы избежать взаимодействия между соседними проводами), так называемой витой паре (ТР - Twisted Pair).
Кабельные каналы, или коаксиальные пары, представляют собой два цилиндрических проводника на одной оси, разделенных диэлектрическим покрытием. Один тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 Ом), используется главным образом для передачи узкополосных цифровых сигналов, другой тип кабеля (с сопротивлением 75 Ом) - для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узкополосные и широкополосные кабели, непосредственно связывающие между собой коммуникационные оборудования, позволяют обмениваться данными на высоких скоростях (до нескольких мегабит/с) в аналоговой или цифровой форме. Следует отметить, что на небольших расстояниях (особенно в локальных сетях) кабельные каналы все больше вытесняются каналами на витых парах, а на большихрасстояниях - оптоволоконными каналами связи.
Использование в компьютерных сетях в качестве передающей среды радиоволн различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и сверхбольших расстояниях (с использованием спутников), либо для связи с труднодоступными, подвижными или временно используемыми объектами.
Обмен данными по радиоканалам может вестись с помощью как аналоговых, так и цифровых методов передачи. Цифровые методы получают в последнее время преимущественное развитие, т. к. позволяют объединить наземные участки цифровых сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единой сети. Новым импульсом в развитии радиосетей стало появление сотовой телефонной связи, позволяющей осуществлять голосовую связь и обмен данными с помощью радиотелефонов или специальных устройств обмена данными.
Помимо обмена данными в радиодиапазоне, последнее время для связи на небольшие расстояния (обычно в пределах комнаты) используется и инфракрасное излучение.
В оптоволоконных каналах связи используется известное из физики явление полного внутреннего отражения света, что позволяет передавать потоки света внутри оптоволоконного кабеляна большие расстояния практически без потерь. В качестве источников света в оптоволоконном кабеле используются светоиспускаюшие диоды (LED-light-emittingdiode) или лазерныедиоды, а в качестве приемников - фотоэлементы.
Оптоволоконные каналы связи, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с другими видами связи, получают все большее распространение, причем для связи не только на небольших расстояниях, но и на внутригородских и междугородных участках.
Технические средства коммуникаций составляют кабели, коннекторы и терминаторы, сетевые адаптеры, повторители, разветвители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы, а также модемы, позволяющие использовать различные протоколы и топологии в единой неоднородной системе.
