Новые требования к производительности сетей , предъявляемые современными приложениями, такими как мультимедиа, распределенные вычисления, системы оперативной обработки транзакций, вызывают насущную необходимость расширения соответствующих стандартов.

Привычный десятимегабитный Ethernet , долгое время занимающий главенствующие позиции, во всяком случае, глядя из России, активно вытесняется более современными и существенно более быстрыми технологиями передачи данных.

На рынке высокоскоростных (более 100 Мбит/с) сетей , пару лет назад представленных лишь сетями FDDI, сегодня предлагается около десятка различных технологий, как развивающих уже существующие стандарты, так и основанных на концептуально новых. Среди них следует особо выделить:

· Старый добрый оптоволоконный интерфейс FDDI , а также его расширенный вариант, FDDI II, специально адаптированный для работы с информацией мультимедиа, и CDDI, реализующий FDDI на медных кабелях. Все версии FDDI поддерживают скорость обмена 100 Мбит/с.

· 100Base X Ethernet , представляющую собой высокоскоростной Ethernet с множественным доступом к среди и обнаружением коллизий. Данная технология - экстенсивное развитие стандарта IEEE802.3.

· 100Base VG AnyLAN , новую технологию построения локальных сетей , поддерживающую форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100 Мбит/сек по стандартным витым парам и оптоволокну.

· Gigabit Ethernet . Продолжение развития сетей Ethernet и Fast Ethernet .

· ATM , технологию передачи данных, работающую как на существующем кабельном оборудовании, так и на специальных оптических линиях связи. Поддерживает скорости обмена от 25 до 622 Мбит/сек с перспективой увеличения до 2.488 Гбит/сек.

· Fibre Channel , оптоволоконную технологию с коммутацией физических соединений, предназначенную для приложений, требующих сверхвысоких скоростей. Ориентиры - кластерные вычисления, организация взаимодействия между суперкомпьютерами и высокоскоростными массивами накопителей, поддержка соединений типа рабочая станция - суперкомпьютер. Декларированы скорости обмена от 133 Мбит до гигабита в секунду (и даже более).

Заманчивы, но далеко не ясны очертания технологии FFOL (FDDI Follow on LAN ), инициативы ANSI , призванной в будущем заменить FDDI с новым уровнем производительности 2.4 Гбайт/сек.

АТМ

АТМ - ребенок телефонных компаний. Технология эта разрабатывалась далеко не в расчете на компьютерные сети передачи данных. ATM радикально отличается от обычных сетевыхтехнологий. Основная единица передачи в этом стандарте - это ячейка, в отличие от привычного пакета. Ячейка содержит в себе 48 байт данных и 5 байт заголовка. Частично это необходимо, чтобы обеспечить очень маленькое время задержки при передачи мультимедийных данных . (Фактически, размер ячейки явился компромиссом между американским телефонными компаниями, которые предпочитают размер ячейки 64 байта, и европейскими, у которых он равен 32 байтам).

Устройства АТМ устанавливают связь между собой и передают данные по виртуальным каналам связи, которые могут быть временными или постоянными. Постоянный канал связи - это путь, по которому передается информация. Он всегда остается открытым вне зависимости от трафика. Временные каналы создаются по требованию и, как только передача данных заканчивается, закрываются.

С самого начала АТМ проектировался как система коммутации с помощью виртуальныхканалов связи, которые обеспечивают заранее специфицированный уровень качества сервиса (Quality of Service - QoS) и поддерживают постоянную или переменную скорость передачи данных. Модель QoS позволяет приложениям запросить гарантированную скорость передачи между приемником и источником, не обращая внимания на то, сколь сложен путь между ними. Каждый АТМ - коммутатор, связываясь с другим, выбирает такой путь, который гарантирует требуемую приложением скорость.

Если система не может удовлетворить запрос, то она сообщает об этом приложению. Правда, существующие протоколы передачи данных и приложения не имеют никакого понятия о QoS, так что это еще одно отличное свойство, которое никто не использует.

Благодаря наличию таких полезных свойств АТМ никого не удивляет всеобщее желание продолжать совершенствование этот стандарт. Но пока существующие реализации оборудования довольно ограничены первоначальным подходом, который ориентировался на другие, некомпьютерные, задачи.

Например, АТМ не имеет встроенной системы широковещательного оповещения (это характерно для АТМ , есть идея, но нет стандарта). И хотя широковещательные сообщения - извечная головная боль для любого администратора, в некоторых случаях они простонеобходимы. Клиент, который ищет сервер, должен иметь возможность разослать сообщение «Где сервер?», что бы затем, получив ответ, направлять свои запросы уже непосредственно по нужному адресу.

Форум АТМ специально разработал спецификации для эмуляции сети - LAN emulation (LANE). LANE превращает «точка-точка»-ориентированную АТМ сеть в обычную, где клиенты и серверы видят ее как нормальную широковещательную сеть, использующую протокол IP (а скоро и IPX). LANE состоит из четырех различных протоколов: протокола конфигурации сервера (LAN emulation configuration service - LECS ), протокола сервера (LAN emulation server - LES ), протокола общего вещания и неизвестного сервера (Broadcast and Unknown Server - BUS ) и протокола клиента (LAN emulation client - LEC ).

Когда клиент с помощью LANE пытается подключиться к сети АТМ , то первоначально он использует протокол LECS . Поскольку АТМ не поддерживает широковещательных сообщений, форум АТМ выделил специальный адрес LECS , который никто другой уже не использует. Посылая сообщение по этому адресу клиент получает адрес соответствующего ему LES . Уровень LES обеспечивает необходимые функции ELAN (emulated LAN ). С их помощью клиент может получить адрес BUS-сервиса и послать ему сообщение «подключился такой-то клиент», чтобы затем BUS уровень мог, получая сообщения, переслать его всем зарегистрировавшимся клиентам.

Для того чтобы использовать не АТМ протоколы, необходимо использовать LEC . LEC работает как конвертор, эмулируя обычную топологию сети, которую подразумевает IP. Поскольку LANE только моделирует Ethernet , то он может устранить некоторые старые технологические ошибки. Каждый ELAN может использовать различные размеры пакетов. ELAN, который обслуживает станции, подключенные с помощью обычного Ethernet, использует пакеты размером 1516 байт, в то время как ELAN обеспечивающий связь между серверами может посылать пакеты по 9180 байт. Всем этим управляет LEC .

LEC перехватывает широковещательные сообщения и посылает их BUS . Когда BUS получает такое сообщение, то посылает его копию каждому зарегистрировавшемуся LEC . Одновременно, перед тем как разослать копии, он преобразует пакет обратно в Ethernet -форму, указывая вместо своего адреса широковещательный.

Размер ячейки в 48 байт плюс пятибайтовый заголовок является причиной того, что только 90,5% пропускной полосы тратится на передачу полезной информации. Таким образом, реальная скорость передачи данных - всего лишь 140 Мбит/с. И это без учета накладных расходов на установку связи и прочие служебные взаимодействия между различными уровнями протоколов - BUS и LECS .

АТМ - сложная технология и пока его использование ограничивает LANE . Все это сильно сдерживает широкое распространению данного стандарта. Правда, существует обоснованная надежда, что он действительно будет применяться, когда появятся приложения, которые смогут воспользоваться преимуществами АТМ непосредственно.

ATM - данной аббревиатурой может обозначаться технология асинхронной передачи данных (Asynchronous Transfer Mode ), а не только Adobe Type Manager или Automatoc Teller Machine , что многим может показаться более привычным. Данную технологию построения высокоскоростных вычислительных сетей с коммутацией пакетов характеризует уникальная масштабируемость от небольших локальных сетей скоростями обмена 25-50 Мбит/сек до трансконтинентальных сетей.

В качестве передающей среды используется либо витая пара (до 155 Мбит/сек) либо оптоволокно.

ATM является развитием STM (Synchronous Transfer Mode ), технологии передачи пакетованных данных и речи на большие расстояния, традиционно используемой для построения телекоммуникационных магистралей и телефонной сети. Поэтому прежде всего мы рассмотрим STM .

Модель STM

STM представляет собой сетевой механизм с коммутацией соединений, где соединение устанавливается прежде, чем начнется передача данных, и разрывается после ее окончания. Таким образом, взаимодействующие узлы захватывают и удерживают канал, пока не сочтут необходимым рассоединиться, независимо от того, передают они данные или «молчат».

Данные в STM передаются посредством разделения всей полосы канала на базовые трансмиссионные элементы, называемые временными каналами или слотами. Слоты объединены в обойму, содержащую фиксированное число каналов, пронумерованных от 1 до N. Каждому слоту ставиться в соответствие одно соединение. Каждая из обойм (их тоже может быть несколько - от 1 до М), определяет свой набор соединений. Обойма предоставляет свои слоты для установления соединения с периодом Т. При этом гарантируется, что в течение этого периода необходимая обойма будет доступна. Параметры N, M и Т определяются соответствующими комитетами по стандартизации и различаются в Америке и Европе.

В рамках канала STM каждое соединение ассоциируется с фиксированным номером слота в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении соединения в течение всего времени существования этого соединения.

Неправда ли, немного напоминает вокзал, от которого в определенном направлении с периодом Т отбывает поезд? Если среди пассажиров есть тот, которому этот поезд подходит, он занимает свободное место. Если такого пассажира нет, то место остается пустым и не может быть занято никем другим. Естественно, что пропускная способность такого канала теряется, к тому же осуществить одновременно все потенциальные соединения (M*N) невозможно.

Переход на ATM

Исследования применения оптоволоконных каналов в трансокеанских и трансконтинентальных масштабах выявили ряд особенностей передачи данных разных типов. В современных коммуникациях можно выделить два типа запросов:

Передача данных, устойчивых к некоторым потерям, но критичным к возможных задержкам (например, сигналы телевидения высокой четкости и звуковая информация);

Передача данных, не очень критичных к задержкам, но не допускающих потерь информации (этот тип передачи, как правило, относится к межкомпьютерным обменам).

Передача разнородных данных приводит к периодическому возникновению запросов на обслуживанию запросов на обслуживание, требующих большой полосы пропускания, но при малом времени передачи. Узел, порой, требует пиковой производительности канала, но происходит это относительно редко, занимая, скажем, одну десятую времени. Для такого вида канала реализуется одно из десяти возможных соединений, на чем, естественно, теряется эффективность использования канала. Было бы замечательно, если бы существовала возможность передать временно неиспользуемый слот другому абоненту. Увы, в рамках модели STM это невозможно.

Модель ATM была взята на вооружение одновременно AT&T и несколькими европейскими телефонными гигантами. (Кстати, это может привести к появлению сразу двух стандартов на спецификацию ATM .)

Главная идея заключалась в том, что необходимости в жестком соответствии соединения и номера слота нет. Достаточно передавать индентификатор соединения вместе с данными на любой свободный слот, сделав при этом пакет настолько маленьким, чтобы в случае потери утрата легко восполнялась бы. Все это изрядно смахивает на коммутацию пакетов и даже называется похоже: «быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины». Короткие пакеты весьма привлекательны для телефонных компаний, стремящихся сохранить аналоговые линии STM .

В сети ATM два узла находят друг друга по «виртуальному идентификатору соединения» (Virtual Circuit Identifier - VCI ), используемому вместо номеров слота и обоймы в модели STM . Быстрый пакет передается в такой же слот, как и раньше, но без каких-либо указаний или идентификатора.

Статистическое мультиплексирование

Быстрая коммутация пакетов позволяет решить проблему неиспользуемых слотов посредством статистического мультиплексирования нескольких соединений по одной линии связи в соответствии с параметрами их трафика. Другими словами, если большое число соединений носят импульсный характер (соотношение пиковой активности к средней - 10 или более к 1), есть надежда, что пики активности разных соединений будут совпадать не слишком часто. В случае совпадения один из пакетов буферизуется пока не появятся свободные слоты. Такой способ организации соединений при правильно подобранных параметрах позволяет эффективно загружать каналы. Статистическое мультиплексирование, неосуществимое в STM , и является основным достоинством ATM .

Типы сетевых пользовательских интерфейсов ATM

Прежде всего - это интерфейс, ориентированный на подключение к локальным сетям, оперирующим кадрами данных (семейства IEEE 802.x и FDDI ). В этом случае аппаратура интерфейса должна транслировать кадры локальной сети в элемент передачи сети ATM, выступающей в качестве глобальной магистрали, связывающей два значительно удаленных друг от друга сегмента локальной сети.

Альтернативой может служить интерфейс, предназначенный для обслуживания конечных узлов, непосредственно оперирующих форматами данных ATM . Такой подход позволяет повысить эффективность сетей, требующих значительных объемов передачи данных. Для подключения конечных пользователей к такой сети используются специальные мультиплексоры.

В целью администрирования такой сети на каждом устройстве исполняется некоторый «агент», поддерживающий обработку административных сообщений, управление подключениями и обработку данных соответствующего протокола управления.

Формат данных ATM

Пакет ATM , определенный специальным подкомитетом ANSI , должен содержать 53 байта.

5 байтов занято заголовком, остальные 48 - содержательная часть пакета. В заголовке 24 бита отдано идентификатору VCI , 8 бит - контрольные, оставшиеся 8 бит отведены для контрольной суммы. Из 48 байт содержательной части 4 байта может быть отведено для специального адаптационного уровня ATM , а 44 - собственно под данные. Адаптационные байты позволяют объединять короткие пакеты ATM в более крупные сущности, например, в кадры Ethernet . Контрольное поле содержит служебную информацию о пакете.

Уровень протокола ATM

Место ATM в семиуровневой модели ISO - где-то в районе уровня передачи данных. Правда, установить точное соответствие нельзя, поскольку ATM сама занимается взаимодействием узлов, контролем прохождения и маршрутизацией, причем осуществляется это на уровне подготовки и передачи пакетов ATM . Впрочем, точное соответствие и положение ATM в модели ISO не столь важны. Более существенно - понять способ взаимодействия с существующими сетями TCP/IP и в особенности с приложениями, требующими непосредственного взаимодействия с сетью.

Приложениям, имеющим непосредственный интерфейс ATM , доступны преимущества, предоставляемые гомогенной сетевой средой ATM .

Основная нагрузка возложена на уровень «Управления виртуальными соединениями ATM «, дешифрующий специфические заголовки ATM , устанавливающий и разрывающий соединений, осуществляющий демультиплексирование и выполняющий действия, которые от него требуются управляющим протоколом.

Физический уровень

Хотя физический уровень и не является частью спецификации ATM , он учитывается многими стандартизующими комитетами. В основном, в качестве физического уровня рассматривается спецификация SONET (Synchronous Optical Network ) - международный стандарт на высокоскоростую передачу данных. Определены четыре типа стандартных скоростей обмена: 51, 155, 622 и 2400 Мбит/сек, соответствующих международной иерархии цифровой синхронной передачи (Synchronous Digital Hierarchy - SDH ). SDH специфицирует, каким образом данные фрагментируются и передаются синхронно по оптоволоконным каналам, не требуя при этом синхронизации каналов и тактовых частот всех узлов, участвующих в процессе передачи и восстановления данных.

Контроль прохождения данных

Из-за высокой производительности сетей ATM механизм, традиционно используемый в сетях ТСР , непригоден. Если бы контроль прохождения был возложен на обратную связь, то за время, пока сигнал обратной связи, дождавшись выделения канала и пройдя все стадии преобразования, достигнет источника, тот успеет передать несколько мегабайт в канал, не только вызвав его перегрузку, но, возможно, полностью блокировав источник перегрузки.

Большинство стандартизующих организаций согласно с необходимостью целостного подхода к контролю прохождения. Его суть такова: управляющие сигналы формируются по мере прохождения данных на любой участке цепи и отрабатываются на любой ближайшем передающем узле. Получив соответствующий сигнал, пользовательский интерфейс может выбрать, как ему поступить - уменьшить скорость передачи или сообщить пользователю о том, что переполнение имеет место.

В основном, идея контроля прохождения в сетях ATM сводится к воздействию на локальный сегмент, не затрагивая при этом сегментов, чувствующих себя хорошо, и добиваясь максимальной пропускной способности там, где это возможно.

100VG-AnyLAN

В июле 1993 года по инициативе компаний AT&T и Hewlett-Packard был организован новый комитет IEEE 802.12 , призванный стандартизовать новую технологию 100BaseVG . Данная технология представляла собой высокоскоростное расширение стандарта IEEE 802.3 (известного также как 100BaseT , или Ethernet на витой паре).

В сентябре компания IBM предложила объединить в новом стандарте поддержку Ethernet и Token Ring . Изменилось и название новой технологии - 100VG-AnyLAN .

Технология должна поддерживать как уже существующие сетевые приложения, так и вновь создаваемые. На это направлена одновременная поддержка форматов кадров данных и Ethernet, и Token Ring, обеспечивающая прозрачность сетей, построенных по новой технологии, для существующих программ.

С некоторых пор витая пара повсеместно заменяет коаксильные кабели. Ее преимущества - большая мобильность и надежность, низкая стоимость и более простое администрирование сети. Процесс вытеснения коаксильных кабелей идет и у нас. Стандарт 100VG-AnyLAN ориентирован как на витые пары (для использования пригодно любое имеющееся кабельное хозяйство), так и на оптоволоконные линии, допускающие значительную удаленность абонентов. Впрочем, на скорости обмена применение оптоволокна не сказывается.

Топология

Поскольку 100VG призвана заменить собой Ethernet и Token Ring , она поддерживает топологии, применяемые для этих сетей (логически общая шина и маркерное кольцо, соответственно). Физическая топология - обязательно звезда, петли или ветвления не допускаются.

При каскадном подключении хабов между ними допускается только одна линия связи. Образование резервных линий возможно лишь при условии, что в каждый момент активна ровно одна.

Стандартом предусмотрено до 1024 узлов в одном сегменте сети, но из-за снижения производительности сети реальный максимум более скромен - 250 узлов. Похожими соображениями определяется и максимальное удаление между наиболее удаленными узлами - два с половиной километра.

К сожалению, стандартом не допускается объединение в одном сегменте систем, использующих одновременно форматы Ethernet и Token Ring . Для таких сетей предназначены специальные 100VG-AnyLAN мосты Token Ring-Ethernet . Зато в случае конфигурации 100VG-Ethernet сегмент Ethernet с обычной скоростью обмена (10 Мбит/сек) может быть присоединен посредством простого преобразователя скорости.

Оборудование

Передающие среды. Для 100Base-T Ethernet используются кабели, содержащие четыре неэкранированные витые пары. Одна пара служит для передачи данных, одна - для разрешения конфликтов; две оставшиеся пары не используются. Очевидно, что передача данных по всем четырем парам даст выигрыш вчетверо. Замена стандартного «манчестерского» кода более эффективным - 5B6B NRZ - дает выигрыш еще почти вдвое (за счет передачи двух битов данных за один такт). Таким образом, при лишь незначительно повышении несущей частоты (около 20%), производительность линии связи повышается в десять раз. При работе с экранированными кабелями, характерными для сетей Token Ring , используются две витые пары, но при вдвое большей частоте (благодаря тому, что кабель экранирован). При передаче по такому кабелю каждая пара используется в качестве фиксированного однонаправленного канала. По одной паре передаются входные данные, по другой выходные. Стандартное удаление узлов, на котором гарантируются параметры передачи - 100 метров для пар третьей и четвертой категории и 200 метров для пятой.

Допускается использование оптоволоконных пар. Благодаря такому носителю покрываемое расстояние увеличивается до двух километров. Как и в случае экранированного кабеля, используется двунаправленное соединение.

Хабы 100VG могут соединяться каскадом, что обеспечивает максимальное расстояние между узлами в одном сегменте на неэкранированных кабелях до 2.5 километров.

Хабы . Главным действующим лицом при построении сети 100VG-AnyLAN является хаб (или концентратор). Все устройства сети, независимо от их назначения, присоединяются к хабам . Выделяют два типа соединений: для связи «вверх» и «вниз». Под связью «вверх» подразумевается соединение с хабом более высокого уровня. «Вниз» - это соединение с оконечными узлами и хабами более низкого уровня (по одному порту на каждое устройство или хаб ).

Чтобы защитить данные от несанкционированного доступа, реализовано два режима работы каждого порта: конфиденциальный и публичный. В конфиденциальном режиме каждый порт получает только сообщения, адресованные непосредственно ему, в публичном - все сообщения. Обычно публичный режим используется для подключения мостов и маршрутизаторов, а также различного рода диагностической аппаратуры.

Для того, чтобы повысить производительность системы, адресованные конкретному узлу данные только ему и передаются. Данные же, предназначенные для широкого вещания, буферизуются до окончания передачи, а затем рассылаются всем абонентам.

100VG-AnyLAN и модель OSI

В предполагаемом стандарте IEEE 802.12, 100VG-AnyLAN определяется на уровне передачи данных (2-й уровень семиуровневой модели ISO ) и на физическом уровне (1-й уровень ISO ).

Уровень передачи данных разбит на два подуровня: логического контроля соединения (LLC - Logical Link Control ) и контроля доступа к среде (MAC - Medium Access Control ).

Стандартом OSI на уровень передачи данных возлагается ответственность за обеспечение надежной передачи данных между двумя узлами сети. Получая пакет для передачи от более высокого сетевого уровня, уровень передачи данных присоединяет к этому пакету адреса получателя и отправителя, формирует из него набор кадров для передачи и обеспечивает избыточность, необходимую для выявления и исправления ошибок. Уровень передачи данных обеспечивает поддержку форматов кадров Ethernet и Token Ring .

Верхний подуровень - логического контроля соединений - обеспечивает режимы передачи данных как с установлением, так и без установления соединения.

Нижний подуровень - контроля доступа к среде - при передаче обеспечивает окончательное формирование кадра передачи в соответствии с протоколом, реализованным в данном сегменте (IEEE 802.3 или 802.5 ). Если же речь идет о получении пакета, подуровень выясняет соответствие адреса, осуществляет проверку контрольной суммы и определяет ошибки передачи.

Логически MAC -подуровень можно разделить на три основных компонента: протокол приоритета запросов, система тестирования соединений и система подготовки кадров передачи.

Протокол приоритетов запросов - Demand Priority Protocol (DPP) - трактуется стандартом 100VG-AnyLAN как составная часть MAC-подуровня . DPP определяет порядок обработки запросов и установления соединений.

Когда конечный узел готов передать пакет, он отправляет хабу запрос обычного или высокого приоритета. Если узлу нечего передать, он отправляет сигнал «свободен». Если узел не активен (например, компьютер выключен), он, естественно, ничего не посылает. В случае каскадного соединения хабов при запросе узлом передачи у хаба нижнего уровня последний транслирует запрос «вверх».

Хаб циклически опрашивает порты, выясняя их готовность к передаче. Если к передаче приготовились сразу несколько узлов, хаб анализирует их запросы, опираясь на два критерия - приоритет запроса и физический номер порта, к которому присоединен передающий узел.

Сначала, естественно, обрабатываются запросы высокого приоритета. Такие приоритеты используются приложениями, критичными к времени реакции, например, полноформатными системами мультимедиа. Администратор сети может ассоциировать выделенные порты с высокими приоритетами. Для того, чтобы избежать потерь производительности, вводится специальный механизм, не допускающий присвоения высокого приоритета всем запросам, исходящим от одного узла. Сделанные одновременно несколько запросов высокого приоритета обрабатываются в соответствии с физическим адресом порта.

После того, как обработаны все высокоприоритетные запросы, обрабатываются запросы нормального приоритета, в порядке, также определяемом физическим адресом порта. Чтобы обеспечить гарантированное время отклика, нормальному запросу, прождавшему 200-300 миллисекунд, присваивается высокий приоритет.

При опросе порта, к которому подключен хаб нижнего уровня, инициируется опрос его портов и только после этого возобновляется опрос портов старшего хаба . Таким образом, все конечные узлы опрашиваются последовательно, независимо от уровня хаба, с которым они соединены.

Система тестирования соединений. При тестировании соединений станция и ее хаб обмениваются специальными тестовыми пакетами. Одновременно все остальные хабы получают уведомление о том, что где-то в сети происходит тестирование. Кроме верификации соединений можно получить информацию о типах устройств, подключенных к сети (хабах, мостах, шлюзах и конечных узлах ), режимах их функционирования и адресах.

Тестирование соединений происходит при каждой инициализации узла и при каждом превышении заданного уровня ошибок передачи. Тестирование соединений между хабами аналогично тестированию соединений конечного узла.

Подготовка кадра передачи. Прежде, чем передать данные на физический уровень, необходимо дополнить его служебными заголовком и окончанием, включающими в себя заполнения поля данных (если это необходимо), адреса абонентов и контрольные последовательности.

Кадр передачи 100VG-AnyLAN

Предполагаемый стандарт IEEE-802.12 поддерживает три типа форматов кадров передачи данных: IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.5 (Token Ring) и специальный формат кадров тестирования соединений IEEE 802.3 .

Стандарт ограничивает допустимую организацию сетей, запрещая использование различных форматов кадров в рамках одного сегмента сети. Каждый сегмент может поддерживать только один логический стандарт, а для построения гетерогенных сетей предписывается применение специальных мостов.

Порядок передачи данных для форматов Ethernet и Token Ring одинаков (первым передается байт старшего разряда, последним - младшего). Различается лишь порядок битов в байтах: в формате Ethernet первыми передаются младшие биты, а в Token Ring - старшие.

Кадр Ethernet (IEEE 802.3) должен содержать следующие поля:

DA - адрес получателя пакет (6 байт);

SA

L - указатель длины данных (2 байта);

данные пользователя и заполнители;

FCS - контрольная последовательность.

Кадр Token Ring (IEEE 802.5) содержит большее число полей. Некоторые из них протоколом 100VG-AnyLAN не используются, а сохранены лишь для того, чтобы обеспечить совместимость данных с сегментами 4 и 16 Мбит/сек (при обмене через соответствующие мосты):

АС - поле контроля доступа (1 байт, не используется);

FC - поле контроля кадра (1 байт, не используется);

DA - адрес получателя (6 байт);

SA - адрес отправителя (6 байт);

RI - информационное поле маршрутизатора (0-30 байт);

поле информации;

FCS - контрольная последовательность (4 байта).

Физический уровень сетей 100VG-AnyLAN

В модели ISO физическому уровню вменяется непосредственный процесс передачи битов данных от одного узла к другому. Разъемы, кабели, уровня сигналов, частоты и другие физические характеристики описываются именно этим уровнем.

В качестве электрического стандарта передачи данных разработчики решили вернуться к известному способу прямого двухуровнего кодирования (NRZ-коду ), где высокий уровень сигнала соответствует логической единице, а низкий - нулю. Когда-то, на заре эры цифровой передачи данных, от такого способа отказались. В основном, это было связано с трудностями синхронизации и произошло вопреки большей плотности информации на один такт несущей частоты - два бита за один такт.

Использование кодировки 5B6B , предопределяющей равное число нулей и единиц в передаваемых данных, позволяет получить достаточную синхронизацию. Даже наличие трех битов одного уровня подряд (а большее их число запрещено кодировкой и интерпретируется как ошибка) не успевает привести к рассинхронизации передатчика и приемника.

Таким образом, при избыточности кода 20% пропускная способность канала увеличивается вдвое. При тактовой частоте 30 МГц обеспечивается передача 25 Мбит/сек исходных данных по одной паре, суммарный объем передачи по четырем парам одного кабеля составляет 100 Мбит/сек.

Управление передачей данных в сетях

Сети, построенные на неэкранированной витой паре, используют все четыре пары кабеля и могут функционировать как в полнодуплексном (для передачи сигналов управления), так и полудуплексном режиме, когда все четыре пары используются для передачи данных в одном направлении.

В сетях на экранированной паре или оптоволокне реализованы два однонаправленных канала: один на пример, другой на передачу. Прием и передача данных может осуществляться одновременно.

В сетях на оптоволокне или экранированной паре передача данных происходит аналогично. Небольшие отличия определяются наличием постоянно действующих в обе стороны каналов. Узел, например, может получать пакет и одновременно отправлять запрос на обслуживание.

Fast Ethernet

Ethernet, не смотря на весь его успех, никогда не был элегантным. Сетевые платы имеют только рудиментарные понятие об интеллекте. Они действительно сначала посылают пакет, а только затем смотрят, передавал ли данные кто-либо еще одновременно с ними. Кто-то сравнил Ethernet с обществом, в котором люди могут общаться друг с другом, только когда все кричат одновременно.

Как и его предшественник, Fast Ethernet использует метод передачи данных CSMACD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - Множественныый доступ к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий). За этим длинным и непонятным акронимом скрывается очень простая технология. Когда плата Ethernet должна послать сообщение, то сначала она ждет наступления тишины, затем отправляет пакет и одновременно слушает, не послал ли кто-нибудь сообщение одновременно с ним. Если это произошло, то оба пакета не доходят до адресата. Если коллизии не было, а плата должна продолжать передавать данные, она все равно ждет несколько микросекунд.

Эффективное использование ИС невозможно без применения сетевых технологий. Вычислительная сеть - это совокупность рабочих станций (например, на базе персональных ЭВМ), связанных между собой каналами передачи данных, по которым циркулируют сообщения. Сетевые операции регулируются набором правил и соглашений - сетевым протоколом, который определяет требуемые для совместной работы технические параметры аппаратуры, сигналы, форматы сообщений, способы обнаружения и исправления ошибок, алгоритмы работы сетевых интерфейсов и т.д.

Локальные сети позволяют эффективно использовать такие ресурсы системы как базы данных, периферийные устройства типа лазерных принтеров, быстродействующих накопителей на магнитных дисках большого объема и т.п., а также пользоваться электронной почтой.

Глобальные сети появились тогда, когда был создан протокол, позволяющий соединять между собой локальные сети. Обычно это событие связывают с появлением пары взаимосвязанных протоколов - протокола управления передачей / межсетевого протокола TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol ), которые 1 января 1983 года связали в единую систему сеть ARPANET и сеть оборонной информации США. Так была создана «сеть сетей» - Интернет. Другим важным событием в истории Интернета явилось создание распределенной гипертекстовой информационной системы WWW (от англ, World Wide Web - «Всемирная паутина»). Оно стало возможным благодаря разработке набора правил и требований, облегчающих написание программного обеспечения для рабочих станций и серверов. И, наконец, третьим важным событием в истории Интернета была разработка специальных программ, облегчающих поиск информации и обрабатывающих текстовые документы, изображения и звуки.

Сеть Интернет состоит из компьютеров, которые являются ее постоянными узлами (они получили название хост от англ. host - хозяин) и терминалов, которые подключаются к хосту. Хосты соединены между собой по Интернет-протоколу, а в качестве терминала можно использовать любой персональный компьютер, запустив на нем специальную программу-эмулятор. Такая программа позволяет ему «притвориться» терминалом, то есть так же воспринимать команды и посылать такие же ответные сигналы, что и настоящий терминал. Для того, чтобы решить проблему учета миллионов ПЭВМ, соединенных в единую сеть, Интернет использует уникальные коды - число и имя, которые присваиваются каждому компьютеру. В качестве части имени используются названия стран (Россия - RU, Великобритания - UK, Франция - FR), а в США - типы организаций (коммерческая - СОМ, система образования EDU, сетевые службы - NET).

Для того, чтобы подключиться к сети по Интернет-протоколу, необходимо договориться с организацией-провайдером (от англ. provider - поставщик), которая будет перенаправлять информацию с помощью сетевого протокола TCP/IP по телефонным линиям на данный компьютер через специальное устройство - модем. Обычно провайдеры Интернета при регистрации нового абонента выдают ему специально написанный пакет программ, который автоматически устанавливает необходимое сетевое программное обеспечение на ЭВМ абонента.

Интернет предоставляет пользователям множество различных ресурсов. С точки зрения использования Интернет для целей образования наибольший интерес представляют два - система файловых архивов и базы данных World Wide Web (WWW, «Всемирная паутина»),

Система файловых архивов становится доступной с помощью протокола FTP { File Transfer Protocol - протокол передачи файлов); эту систему архивов так и называют: FTP-архивы. FTP-архивы - это распределенный депозитарий разных данных, накопленных за 10-15 лет. Любой пользователь может анонимно обратиться к этому хранилищу и скопировать интересующие его материалы. Команды протокола FTP определяют параметры канала передачи данных и самого процесса передачи, а также характер работы с файловой системой. Протокол FTP позволяет пользователям копировать файлы из одного присоединенного к сети компьютера в другой. Другое средство - протокол доступа к машинам сети Telnet позволяет соединяться с другим терминалом так же, как соединяются по телефону с другим абонентом, и вести с ним совместную работу.

Особенностью распределенной гипертекстовой информационной системы WWW является применение гипертекстовых ссылок, которые дают возможность просматривать материалы в порядке их выбора пользователем.

Фундаментом WWW служат четыре краеугольных камня:

язык гипертекстовой разметки документов HTML;

универсальный способ адресации URL;

протокол доставки гипертекстовых сообщений HTTP;

универсальный межсетевой интерфейс CGI.

Стандартный объект хранения в базе данных - это HTML-документ, которому соответствует обычный текстовый файл. Запросы клиентов обслуживает программа, называемая HTTP -сервер. Она реализует связь по протоколу HTTP { HyperText Transfer Protocol - протокол передачи гипертекстов), который является надстройкой над TCP/IP - стандартным протоколом Интернета. Законченный информационный объект, который отображается программой клиентом пользователя при обращении к информационному ресурсу, это страница базы данных WWW,

Местонахождения каждого ресурса определяется унифициро ванным указателем ресурса URL (от англ. Uniform Resource Locator ). Стандартный URL состоит из четырех частей: формат передачи (тип протокола доступа), имя хоста, на котором находится запрашиваемый ресурс, путь к этому файлу и имя файла. С помощью системы именования URL ссылки в гипертексте описывают местонахождение документа. Связь со всеми ресурсами сети осуществляется через единый пользовательский интерфейс CUI (Common User Interface ). Главное назначение этого средства - обеспечение единообразного потока данных между сервером и прикладной программой, которая запускается под его управлением. Просмотр информационного ресурса выполняется с помощью специальных программ - браузеров (от англ. browse - читать, бегло просматривать).

Термин «браузер» относится не ко всем ресурсам Интернет, а только к той их части, которая носит название «Всемирная паутина». Только здесь используется протокол HTTP, необходимый для передачи документов, написанных с помощью языка HTML, а браузер - это программа, распознающая HTML-коды форматирования переданного документа и отображающая его на экране компьютера в том виде, как его задумал автор, другими словами, программа, осуществляющая просмотр HTML-документа.

К настоящему времени разработано большое количество программ-браузе-ров для Интернета. Среди них Netscape Navigator, MS Internet Explorel, Mosaic, Tango, Ariadna, Cello, Lynx.

Остановимся на том, как работают просмотрщики (браузеры) .

Обработка данных в HTTP состоит из четырех стадий: открытие связи, пересылка сообщения запроса, пересылка данных ответа и закрытие связи.

Чтобы открыть связь, просмотрщик «Всемирной паутины» соединяется с сервером HTTP (Web-сервером), указанным в URL. После установления соединения WWW-просмотрщик посылает сообщение запроса. Оно указывает серверу, какой документ нужен. После обработки запроса сервер HTTP передает WWW-серверу запрошенные данные. Все эти действия видны на экране монитора - все это делает браузер. Пользователю видна только основная функция, которая состоит в индикации, то есть выделении из общего текста гиперссылок. Это достигается изменением рисунка указателя мыши: когда указатель попадает на гиперссылку, он вращается из «стрелки» в «указующий перст» - руку с вытянутым указательным пальцем. Если в этот момент щелкнуть кнопкой мыши, то браузер «уйдет» по адресу, указанному в гиперссылке.

Технология функционирования HTTP-сервера настолько проста и дешева, что нет никаких ограничений для создания WWW-подобной системы внутри отдельной организации. Поскольку необходимо только наличие внутренней локальной сети с ТСР/IР-протоколом, можно создать маленькую (по сравнению с глобальной) гипертекстовую «Паутинку», Такая технология создания Интернет-подобных локальных сетей носит название Интранет.

В настоящее время по сети Интернет перемещается ежемесячно более 30 терабит информации (это примерно 30 млн. книг по 700 страниц каждая), а число пользователей составляет, по разным оценкам, от 30 до 60 млн. человек .

Высокоскоростное подключение делится на 2 типа:

Проводное соединение

К ним относится - телефонный провод, коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель.

Беспроводное соединение

Основные технологии передачи данных для доступа к сети Интернет

Технологии проводных соединений:

• 1 DVB
• 2 xDSL
• 3 DOCSIS
• 4 Ethernet
• 5 FTTx
• 6 Dial-up
• 7 ISDN
• 8 PLC
• 9 PON

UMTS / WCDMA (HSDPA; HSUPA; HSPA; HSPA+)

Спутниковый Интернет

DVB (англ. Digital Video Broadcasting -- цифровое видео вещание) -- семейство стандартов цифрового телевидения, разработанных международным консорциумом DVB Project.

Стандарты, разработанные консорциумом DVB Project, делятся на группы по сфере применения. Каждая группа имеет сокращённое название с префиксом DVB-, например, DVB-H -- стандарт для мобильного телевидения.

Стандарты DVB охватывают все уровни модели взаимодействия открытых систем OSI с разной степенью детализации для различных способов передачи цифрового сигнала: наземного (эфирного и мобильного), спутникового, кабельного телевидения (как классического, так и IPTV). На более высоких уровнях OSI стандартизируются системы условного доступа, способы организации информации для передачи в среде IP, различные метаданные.

хDSL (англ. digital subscriber line, цифровая абонентская линия) -- семейство технологий, позволяющих значительно повысить пропускную способность абонентской линии телефонной сети общего пользования путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала.

В аббревиатуре xDSL символ «х» используется для обозначения первого символа в названии конкретной технологии, а DSL обозначает цифровую абонентскую линию DSL (англ. Digital Subscriber Line -- цифровая абонентская линия; также есть другой вариант названия -- Digital Subscriber Loop -- цифровой абонентский шлейф). Технологии хDSL позволяют передавать данные со скоростями, значительно превышающими те скорости, которые доступны даже лучшим аналоговым и цифровым модемам. Эти технологии поддерживают передачу голоса, высокоскоростную передачу данных и видеосигналов, создавая при этом значительные преимущества как для абонентов, так и для провайдеров. Многие технологии хDSL позволяют совмещать высокоскоростную передачу данных и передачу голоса по одной и той же медной паре. Существующие типы технологий хDSL различаются в основном по используемой форме модуляции и скорости передачи данных.

К основным типам xDSL относятся ADSL, HDSL, IDSL, MSDSL, PDSL, RADSL, SDSL, SHDSL, UADSL, VDSL. Все эти технологии обеспечивают высокоскоростной цифровой доступ по абонентской телефонной линии. Некоторые технологии xDSL являются оригинальными разработками, другие представляют собой просто теоретические модели, в то время как третьи уже стали широко используемыми стандартами. Основным различием данных технологий являются методы модуляции, используемые для кодирования данных.

Широкое применение доступа через xDSL имеет ряд преимуществ по сравнению с технологией ISDN. Пользователь получает интегрированное обслуживание двух сетей -- телефонной и компьютерной. Но для пользователя наличие двух сетей оказывается незаметным, для него только ясно, что он может одновременно пользоваться обычным телефоном и подключенным к Интернету компьютером. Скорость же компьютерного доступа при этом превосходит возможности интерфейса PRI сети ISDN при существенно более низкой стоимости, определяемой низкой стоимостью инфраструктуры IP-сетей.

Data Over Cable Service Interface Specifications (DOCSIS) -- стандарт передачи данных по коаксиальному (телевизионному) кабелю. Этот стандарт предусматривает передачу данных абоненту по сети кабельного телевидения с максимальной скоростью до 42 Мбит/с и получение данных от абонента со скоростью до 10,24 Мбит/с. Он призван сменить господствовавшие ранее решения на основе фирменных протоколов передачи данных и методов модуляции, несовместимых друг с другом, и должен гарантировать совместимость аппаратуры различных производителей.

DOCSIS 1.1 дополнительно предусматривает наличие специальных механизмов, улучшающих поддержку IP-телефонии, уменьшающих задержки при передаче речи (например, механизмы фрагментации и сборки больших пакетов, организации виртуальных каналов и задания приоритетов).

DOCSIS имеет прямую поддержку протокола IP с нефиксированной длиной пакетов, в отличие от DVR-RC, который использует ATM Cell transport для передачи IP-пакетов (то есть, IP-пакет сначала переводится в формат ATM, который затем передаётся по кабелю; на другой стороне производится обратный процесс).

Ethernet (от англ. ether -- «эфир» и англ. network -- «сеть, цепь») -- семейство технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде -- на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3.

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) -- это повышает скорость работы и безопасность сети.

При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC-адрес.

Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете IEEE Registration Authority диапазон из шестнадцати миллионов (224) адресов, и по мере исчерпания выделенных адресов может запросить новый диапазон. Поэтому по трём старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя. Существуют таблицы, позволяющие определить производителя по MAC-адресу; в частности, они включены в программы типа arpalert.

MAC-адрес считывается один раз из ПЗУ при инициализации сетевой карты, в дальнейшем все кадры генерируются операционной системой. Все современные операционные системы позволяют поменять его. Для Windows начиная как минимум с Windows 98 он менялся в реестре. Некоторые драйвера сетевых карт давали возможность изменить его в настройках, но смена работает абсолютно для любых карт.

Некоторое время назад, когда драйверы сетевых карт не давали возможность изменить свой MAC-адрес, а альтернативные возможности не были слишком известны, некоторые провайдеры Internet использовали его для идентификации машины в сети при учёте трафика. Программы из Microsoft Office, начиная с версии Office 97, записывали MAC-адрес сетевой платы в редактируемый документ в качестве составляющей уникального GUID-идентификатора.

Разновидности быстрого Ethernet: Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с), 2,5- и 5-гигабитные варианты NBASE-T, MGBASE-T, 10-гигабитный Ethernet (10G Ethernet, 10 Гбит/с), 40-гигабитный и 100-гигабитный Ethernet.

О Terabit Ethernet (так упрощенно называют технологию Ethernet со скоростью передачи 1 Тбит/с) стало известно в 2008 году из заявления создателя Ethernet Боба Меткалфа на одной из конференций, посвящённых, оптоволоконным коммуникациям, который предположил, что технология будет разработана к 2015 году, правда, не выразив при этом какой-либо уверенности, ведь для этого придется решить немало проблем. Однако, по его мнению, ключевой технологией, которая может обслужить дальнейший рост трафика, станет одна из разработанных в предыдущем десятилетии -- DWDM.

Fiber To The X или FTTx (англ. fiber to the x -- оптическое волокно до точки X) -- это общий термин для любой широкополосной телекоммуникационной сети передачи данных, использующей в своей архитектуре волоконно-оптический кабель в качестве последней мили для обеспечения всей или части абонентской линии. Термин является собирательным для нескольких конфигураций развёртывания оптоволокна -- начиная от FTTN (до узла) и заканчивая FTTD (до рабочего стола).

В строгом определении FTTx является только физическим уровнем передачи данных, однако фактически понятием охватывается большое число технологий канального и сетевого уровня. С широкой полосой систем FTTx неразрывно связана возможность предоставления большого числа новых услуг.

В зависимости от условий использования телекоммуникационная отрасль различает несколько отдельных конфигураций FTTX:

FTTN (Fiber to the Node) -- волокно до сетевого узла. Оптоволокно оканчивается в уличном коммуникационном шкафу, возможно за 1-2 км от конечного потребителя, с дальнейшей прокладкой меди -- это может быть xDSL или гибридные волоконно-коаксиальные линии. FTTN зачастую является промежуточным шагом к полному FTTB и, как правило, используется для доставки расширенного пакета Triple Play телекоммуникационных услуг.

FTTC / FTTK (Fiber to the Curb / Fiber to the kerb) -- волокно до микрорайона, квартала или группы домов. Вариант весьма похож на FTTN, но уличный шкаф или столб ближе к помещениям клиента и находится, как правило, в пределах 300 метров -- расстояния для широкополосных медных кабелей, подобных проводному Ethernet или связи по ЛЭП IEEE 1901 или беспроводной технологии Wi-Fi. Иногда FTTC неоднозначно называют FTTP (fiber-to-the-pole, оптика до столба), что вызывает путаницу с «Fiber to the premises system» (оптика до системы помещений).

FTTdp (Fiber To The Distribution Point) -- волокно до точки распределения. Это также похоже на FTTC / FTTN, но ещё на один шаг ближе. Оптоволокно оканчивается в нескольких метрах от границы конечного потребителя и последнее соединение кабелей происходит в распределительной коробке, называемой точкой распределения, что позволяет предоставлять абонентам близкие к гигабитным скорости.

FTTP (Fiber to the premises) -- волокно до помещения. Это сокращение обобщает термины FTTH и FTTB или используется в тех случаях, когда оптоволокно подведено туда, где одновременно есть дома и малый бизнес.

FTTB (Fiber to the Building) -- волокно доходит до границы здания, такой как фундамент многоквартирного дома, подвальное помещение или технический этаж с окончательным подключением каждого жилого помещения при помощи альтернативных способов как в конфигурациях FTTN или FTTP.

FTTH (Fiber to the Home) -- волокно до дома, квартиры или отдельного коттеджа. Кабель доводится до границы жилой площади, например, коммуникационной коробки на стене жилья. Далее абоненту услуги оператора предоставляются посредством технологии PON и PPPoE посредством FTTH-сетей.

FTTD / FTTS (Fiber to the desktop, Fiber to the Subscriber) -- оптическое соединение приходит в основную компьютерную комнату в терминал или в медиаконвертер близ рабочего стола клиента.

FTTE / FTTZ (Fiber to the telecom enclosure, fiber to the zone) -- вид кабельной системы, обычно используемой в локальной сети предприятий, когда оптическое соединение используется от серверного помещения до рабочего места. Эти виды не входят в группу технологий FTTX, несмотря на схожесть в наименованиях.

Аппаратная архитектура и типы подключений

Простейшей архитектурой оптической сети является прямое волокно. При таком способе каждое волокно в кабеле от помещений оператора связи идёт к одному клиенту. Подобные сети могут обеспечить великолепную скорость передачи данных, но они существенно дороже по причине нерационального использования волокон и оборудования, обслуживающего линию связи.

Прямые волокна как правило предоставляются крупным корпоративным клиентам или государственным структурам. Преимуществом является возможность использования 2-го уровня сетевых технологий независимо от того, будь то активная, пассивная или гибридная оптическая сеть.

В прочих же случаях (массовых подключениях абонентов) каждое волокно, идущее от оператора связи, обслуживает множество клиентов. Оно носит название «общее волокно» (англ. shared fiber). При этом оптика доводится максимально близко до клиента, после чего оно соединяется с индивидуальным, идущим до конечного потребителя волокном. В таком соединении применяются как активные, так и пассивные оптические сети.

В зависимости от способа построения оптические сети делятся на:

активные оптические сети -- с работающим активным сетевым оборудованием для усиления и передачи сигнала;

пассивные оптические сети -- с разветвителями оптических сигналов;

гибридные оптические сети -- использующие активные и пассивные компоненты одновременно.

Активная оптическая сеть

Основана на передаче оптического сигнала сетевым электрооборудованием, принимающим, усиливающим и передающим эти сигналы. Это может быть коммутатор, маршрутизатор, медиаконвертер -- как правило, оптические сигналы в активной оптической сети преобразуются в электрические и обратно. Каждый оптический сигнал от централизованного оборудования оператора связи идёт только к тому конечному пользователю, для которого он предназначен.

Входящие со стороны абонентов сигналы избегают коллизий в едином волокне, так как электрооборудование обеспечивает буферизацию. В качестве первой мили от оборудования оператора связи используется оборудование активный ETTH, включающее в себя оптические сетевые коммутаторы с оптикой, и служащее для распространения сигнала к абонентам.

Подобные сети идентичны компьютерным сетям ethernet, используемым в офисах и образовательных учреждениях с тем лишь исключением, что они предназначены для подключения домов и строений к центральному зданию оператора связи, а не для подключения компьютеров и принтеров в ограниченном пространстве. Каждый распределительный шкаф может обслуживать до 1000 абонентов, хотя обычно ограничиваются подключением 400-500 человек.

Такое узловое оборудование обеспечивает коммутацию второго и третьего уровней, а также маршрутизацию, разгружая тем самым магистральный маршрутизатор оператора связи и обеспечивая передачу данных в его серверное помещение. Стандарт IEEE 802.3ah позволяет провайдерам услуг интернета предоставлять скорости до 100 Мбит/с и полным дуплексом по одномодовому оптоволоконному кабелю (англ. Single-mode optical fiber), подключенному по схеме FTTP. Коммерчески доступными также становятся скорости в 1 Гбит/с.

Удалённый доступ (англ. dial-up -- «набор номера, дозвониться») -- сервис, позволяющий компьютеру, используя модем и телефонную сеть общего пользования, подключаться к другому компьютеру (серверу доступа) для инициализации сеанса передачи данных (например, для доступа в сеть Интернет). Обычно dial-up"ом называют только доступ в Интернет на домашнем компьютере или удаленный модемный доступ в корпоративную сеть с использованием двухточечного протокола PPP (теоретически можно использовать и устаревший протокол SLIP).

Телефонная связь через модем не требует никакой дополнительной инфраструктуры, кроме телефонной сети. Поскольку телефонные пункты доступны во всём мире, такое подключение остается полезным для путешественников. Подключение к сети с помощью модема по обычной коммутируемой телефонной линии связи -- единственный выбор, доступный для большинства сельских или отдалённых районов, где получение широкополосной связи невозможно из-за низкой плотности населения и требований. Иногда подключение к сети с помощью модема может также быть альтернативой для людей с ограниченным бюджетом, поскольку оно часто предлагается бесплатно, хотя широкополосная сеть теперь всё более и более доступна по более низким ценам в большинстве стран. Однако в некоторых странах коммутируемый доступ в Интернет остается основным в связи с высокой стоимостью широкополосного доступа, а иногда и отсутствием востребованности услуги у населения. Дозвон требует времени, чтобы установилась связь (несколько секунд, в зависимости от местоположения) и было выполнено подтверждение связи прежде, чем передача данных сможет осуществиться.

Стоимость доступа в Интернет через коммутируемый доступ часто определяется по времени, проведённому пользователем в сети, а не по объёму трафика. Доступ по телефонной линии -- это непостоянная или временная связь, потому что по желанию пользователя или ISP рано или поздно будет разорвана. Провайдеры услуг Интернета зачастую устанавливают ограничение на продолжительность связи и разъединяют пользователя по истечении отведённого времени, вследствие чего необходимо повторное подключение.

У современных модемных подключений максимальная теоретическая скорость составляет 56 кбит/с (при использовании протоколов V.90 или V.92), хотя на практике скорость редко превышает 40--45 кбит/с, а в подавляющем большинстве случаев держится на уровне не более 30 кбит/с. Такие факторы, как шум в телефонной линии и качество самого модема играют большую роль в значении скоростей связи. В некоторых случаях в особенно шумной линии скорость может падать до 15 кбит/с и менее, к примеру в гостиничном номере, где телефонная линия имеет много ответвлений. У телефонного соединения через модем обычно высокое время задержки, которое доходит до 400 миллисекунд или более и которое делает онлайн игры и видео конференц-связь крайне затруднительными или же полностью невозможными. Первые игры от первого лица (3d-actions) являются самыми чувствительными ко времени отклика, делая игру на модеме непрактичной, однако некоторые игры, такие как Star Wars Galaxies, The Sims, Warcraft 3, Guild Wars и Unreal Tournament, Ragnarok Online, всё-таки способны функционировать на подключении в 56 кбит/с.

Когда основанные на телефоне модемы 56 Кбит начинали терять популярность, некоторые провайдеры услуг Интернета, такие как Netzero и Juno, начали использовать предварительное сжатие, чтобы увеличить пропускную способность и поддержать клиентскую базу. Например, Netscape ISP использует программу сжатия, которая сжимает изображения, текст, и другие объекты, до отправки их через телефонную линию. Сжатие со стороны сервера работает эффективнее, чем «непрерывное» сжатие, поддерживающееся V.44 модемами. Обычно текст на веб-сайтах уплотнен к 5 %, таким образом пропускная способность увеличивается приблизительно до 1000 кбит/с, и изображения сжаты с потерями к 15--20 %, что увеличивает пропускную способность до ~350 кбит/с.

Недостаток этого подхода -- потеря качества: графика приобретает артефакты сжатия, однако скорость резко увеличивается, и пользователь может вручную выбирать и рассматривать несжатые изображения в любое время. Провайдеры, использующие такой подход, рекламируют это как «скорость DSL по обычным телефонным линиям» или просто «высокоскоростной dialup».

Замена широкополосной сетью

Начиная с (приблизительно) 2000 года, широкополосный доступ в Интернет по технологии DSL заменил доступ через обычный модем во многих частях мира. Широкополосная связь типично предлагает скорость начиная от 128 кбит/с и выше за меньшую цену, нежели dialup. Все увеличивающийся объём контента в таких областях, как видео, развлекательные порталы, СМИ и пр., уже не позволяет сайтам работать на dialup-модемах. Однако, во множестве областей коммутируемый доступ все ещё остается востребованным, а именно там, где высокая скорость не требуется. Отчасти это происходит из-за того, что в некоторых регионах прокладка широкополосных сетей экономически невыгодна или по тем или иным причинам невозможна. Хотя существуют технологии беспроводного широкополосного доступа, но из-за высокой стоимости инвестиций, низкой доходности и плохого качества связи сложно организовать необходимую инфраструктуру. Некоторые операторы связи, предоставляющие dialup, ответили на все увеличивающуюся конкуренцию, понижая тарифы к значениям 150 рублей в месяц и делающие dialup привлекательным выбором для тех, кто просто желает читать электронную почту или просматривать новости в текстовом формате.

ISDN (англ. Integrated Services Digital Network) -- цифровая сеть с интеграцией служб. Позволяет совместить услуги телефонной связи и обмена данными.

Основное назначение ISDN -- передача данных со скоростью до 64 кбит/с по абонентской проводной линии и обеспечение интегрированных телекоммуникационных услуг (телефон, факс, и пр.). Использование для этой цели телефонных проводов имеет два преимущества: они уже существуют и могут использоваться для подачи питания на терминальное оборудование.

Выбор 64 кбит/c стандарта определяется следующими соображениями. При полосе частот 4 кГц, согласно теореме Котельникова, частота дискретизации должна быть не ниже 8 кГц. Минимальное число двоичных разрядов для представления результатов стробирования голосового сигнала при условии логарифмического преобразования равно 8. Таким образом, в результате перемножения этих чисел (8 кГц * 8 (число двоичных разрядов) = 64) и получается значение полосы B-канала ISDN, равное 64 кб/с. Базовая конфигурация каналов имеет вид 2 Ч B + D = 2 Ч 64 + 16 = 144 кбит/с. Помимо B-каналов и вспомогательного D-канала, ISDN может предложить и другие каналы с большей пропускной способностью: канал Н0 с полосой 384 кбит/с, Н11 -- 1536 кбит/c и Н12 -- 1920 кбит/c (реальные скорости цифрового потока). Для первичных каналов (1544 и 2048 кбит/с) полоса D-канала может составлять 64 кбит/с.

Принцип работы

Для объединения в сети ISDN различных видов трафика используется технология TDM (англ. Time Division Multiplexing, мультиплексирование по времени). Для каждого типа данных выделяется отдельная полоса, называющаяся элементарным каналом (или стандартным каналом). Для этой полосы гарантируется фиксированная, согласованная доля полосы пропускания. Выделение полосы происходит после подачи сигнала CALL по отдельному каналу, называющемуся каналом внеканальной сигнализации.

В стандартах ISDN определяются базовые типы каналов, из которых формируются различные пользовательские интерфейсы (Приложение 1).

В большинстве случаев применяются каналы типов B и D.

Из указанных типов каналов формируются интерфейсы, наибольшее распространение получили следующие типы:

Интерфейс базового уровня (англ. Basic Rate Interface, BRI) -- предоставляет для связи аппаратуры абонента и ISDN-станции два B-канала и один D-канал. Интерфейс базового уровня описывается формулой 2B+D. В стандартном режиме работы BRI могут быть одновременно использованы оба B-канала (например, один для передачи данных, другой для передачи голоса) или один из них. При одновременной работе каналов они могут обеспечивать соединение с разными абонентами. Максимальная скорость передачи данных для BRI интерфейса составляет 128кб/с. D-канал используется только для передачи управляющей информации. В режиме AO/DI (Always On/Dynamic ISDN) полоса 9,6 кбит/c D-канала используется в качестве постоянно включённого выделенного канала X.25, как правило, подключаемого к Интернет. При необходимости используемая для доступа к Интернет полоса расширяется путём включения одного или двух B-каналов. Этот режим, хотя и стандартизирован (под наименованием X.31), не нашёл широкого распространения. Для входящих соединений BRI поддерживается до 7 адресов (номеров), которые могут назначаться различными ISDN-устройствами, разделяющими одну абонентскую линию. Дополнительно обеспечивается режим совместимости с обычными, аналоговыми абонентскими устройствами -- абонентское оборудование ISDN, как правило, допускает подключение таких устройств и позволяет им работать прозрачным образом. Интересным побочным эффектом такого «псевдоаналогового» режима работы стала возможность реализации симметричного модемного протокола X2 фирмы US Robotics, позволявшего передачу данных поверх линии ISDN в обе стороны на скорости 56 кбит/c.

Наиболее распространённый тип сигнализации -- Digital Subscriber System No. 1 (DSS1), также известный как Euro-ISDN. Используется два магистральных режима портов BRI относительно станции или телефонов -- S/ТЕ и NT. Режим S/ТЕ -- порт эмулирует работу ISDN телефона, режим NT -- эмулирует работу станции. Отдельное дополнение -- использование ISDN-телефона с дополнительным питанием в этом режиме, так как стандартно не все порты (и карты HFC) дают питание по ISDN-шлейфу (англ. inline power). Каждый из двух режимов может быть «точка-многоточка» (англ. point-to-multi-point, PTMP) он же MSN (англ. Multiple Subscriber Number), или «точка-точка» (англ. point-to-point, PTP). В первом режиме для поиска адресата назначения на шлейфе используются номера MSN, которые, как правило, совпадают с выделенными провайдером телефонии городскими номерами. Провайдер должен сообщить передаваемые им MSN. Иногда провайдер использует так называемые «технические номера» -- промежуточные MSN. Во втором режиме BRI-порты могут объединяться в транк -- условную магистраль, по которой передаваемые номера могут использоваться в многоканальном режиме.

ISDN-технология использует три основных типа интерфейса BRI: U, S и T.

U -- одна витая пара, проложенная от коммутатора до абонента, работающая в полном или полудуплексе. К U-интерфейсу можно подключить только 1 устройство, называемое сетевым окончанием (англ. Network Termination, NT-1 или NT-2).

S/T интерфейс (S0). Используются две витые пары, передача и приём. Может быть обжата как в RJ-45, так и в RJ-11 гнездо/кабель. К гнезду S/T интерфейса можно подключить одним кабелем (шлейфом) по принципу шины до 8 ISDN устройств -- телефонов, модемов, факсов, называемых TE1 (Terminal Equipment 1). Каждое устройство слушает запросы в шине и отвечает на привязанный к нему MSN. Принцип работы во многом похож на SCSI.

NT-1, NT-2 -- Network Termination, сетевое окончание. Преобразовывает одну пару U в один (NT-1) или два (NT-2) 2-х парных S/T интерфейса (с раздельными парами для приёма и передачи). По сути, S и T -- это одинаковые с виду интерфейсы, разница в том, что по S-интерфейсу можно подать питание для TE-устройств, например, телефонов, а по T -- нет. Большинство NT-1 и NT-2 преобразователей умеют и то, и другое, поэтому интерфейсы чаще всего называют S/T.

Интерфейс первичного уровня

• (Primary Rate Interface, PRI) -- используется для подключения к широкополосным магистралям, связывающим местные и центральные АТС или сетевые коммутаторы. Интерфейс первичного уровня объединяет:
• * для стандарта E1 (распространён в Европе) 30 В-каналов и один D-канал 30B+D. Элементарные каналы PRI могут использоваться как для передачи данных, так и для передачи оцифрованного телефонного сигнала.
• * для стандарта Т1 (распространен в Северной Америке и Японии, а также -- в технологии DECT) 23 В-канала и один D-канал 23B+D.

Архитектура сети ISDN

Сеть ISDN состоит из следующих компонентов:

сетевые терминальные устройства (NT, англ. Network Terminal Devices)

линейные терминальные устройства (LT, англ. Line Terminal Equipment)

терминальные адаптеры (TA, англ. Terminal adapters)

абонентские терминалы

Абонентские терминалы обеспечивают пользователям доступ к услугам сети. Существует два вида терминалов: TE1 (специализированные ISDN-терминалы), TE2 (неспециализированные терминалы). TE1 обеспечивает прямое подключение к сети ISDN, TE2 требуют использования терминальных адаптеров (TA).

Интересные факты

Из более чем 230 базовых функций ISDN реально используется только весьма малая их часть (востребованная потребителем).

PLC -- (Power Line Communication) -- коммуникация, построенная на линиях электропередачи.

Связь через PLC - термин, описывающий несколько разных систем для использования линий электропередачи (ЛЭП) для передачи голосовой информации или данных. Сеть может передавать голос и данные, накладывая аналоговый сигнал поверх стандартного переменного тока частотой 50 Гц или 60 Гц. PLC включает BPL (англ. Broadband over Power Lines -- широкополосная передача через линии электропередачи), обеспечивающий передачу данных со скоростью до 500 Мбит/с, и NPL (англ. Narrowband over Power Lines -- узкополосная передача через линии электропередачи) со значительно меньшими скоростями передачи данных до 1 Мбит/с.

Технология PLC базируется на использовании силовых электросетей для высокоскоростного информационного обмена. Эксперименты по передаче данных по электросети велись достаточно давно, но низкая скорость передачи и слабая помехозащищённость были наиболее узким местом данной технологии. Появление более мощных DSP-процессоров (цифровые сигнальные процессоры) дало возможность использовать более сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM-модуляция, что позволило значительно продвинуться вперед в реализации технологии PLC.

В 2000 году несколько крупных лидеров на рынке телекоммуникаций объединились в HomePlug Powerline Alliance с целью совместного проведения научных исследований и практических испытаний, а также принятия единого стандарта на передачу данных по системам электропитания. Прототипом PowerLine является технология PowerPacket фирмы Intellon, положенная в основу для создания единого стандарта HomePlug1.0 (принят альянсом HomePlug 26 июня 2001 года), в котором определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек.

Однако на данный момент стандарт HomePlug AV поднял скорость передачи данных до 500 Мбит/с.

Технические основы технологии PLC

Основой технологии PowerLine является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбирается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал. Реально в технологии PowerLine используются 1536 поднесущие частоты с выделением 84 наилучших в диапазоне 2--34 Мгц.

При передаче сигналов по бытовой электросети могут возникать большие затухания в передающей функции на определенных частотах, что может привести к потере данных. В технологии PowerLine предусмотрен специальный метод решения этой проблемы -- динамическое включение и выключение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта, использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания, а данные передаются на других частотах.

Существует также проблема возникновения импульсных помех (до 1 микросекунды), источниками которых могут быть галогенные лампы, а также включение и выключение мощных бытовых электроприборов, оборудованных электрическими двигателями.

Применение PLC-технологии для подключения к Интернету

В настоящее время подавляющее большинство конечных подключений осуществляется посредством прокладки кабеля от высокоскоростной линии до квартиры или офиса пользователя. Это наиболее дешевое и надежное решение, но если прокладка кабеля невозможна, то можно воспользоваться имеющейся в каждом здании системой силовых электрических коммуникаций. При этом любая электрическая розетка в здании может стать точкой выхода в Интернет. От пользователя требуется только наличие PowerLine-модема для связи с аналогичным устройством, установленным, как правило, в электрощитовой здания и подключенным к высокоскоростному каналу. PLC может быть хорошим решением «последней мили» в коттеджных посёлках и в малоэтажной застройке, в связи с тем, что традиционные провода стоят в несколько раз дороже PLC.

PON (аббр. от англ. Passive optical network, пассивная оптическая сеть) -- технология пассивных оптических сетей.

Распределительная сеть доступа PON основана на древовидной волоконно-кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах, представляет экономичный способ обеспечить широкополосную передачу информации. При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания узлов сети и пропускной способности, в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.

Первые шаги в технологии PON были предприняты в 1995 году, когда группа из 7 компаний (British Telecom, France Telecom, Deutsche Telecom, NTT, KPN, Telefonica и Telecom Italia) создала консорциум для реализации идеи множественного доступа по одному волокну.

Стандарты

APON (ATM Passive Optical Network).

BPON (Broadband PON)

GPON (Gigabit PON)

EPON или GEPON (Ethernet PON)

10GEPON (10 Gigabit Ethernet PON)

Развитие стандартов PON

Стандарты NGPON 2 представляют собой спецификации дальнейшего развития технологий GPON и EPON. Сегодня на роль стандарта NGPON 2 претендуют как минимум три технологии:

«Чистая» (pure) WDM PON

Гибридная (TDM/WDM) TWDM PON

UDWDM (Ultra Dense WDM) PON

Основная идея архитектуры PON (принцип действия) -- использование всего одного приёмопередающего модуля в OLT (англ. optical line terminal) для передачи информации множеству абонентских устройств ONT (optical network terminal в терминологии ITU-T), также называемых ONU (optical network unit) в терминологии IEEE и приёма информации от них.

Число абонентских узлов, подключенных к одному приёмопередающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приёмопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT -- прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1490 нм. Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (восходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. Для передачи сигнала телевидения используется длина волны 1550 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.

Прямой поток

Прямой поток на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый абонентский узел ONT, читая адресные поля, выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации. Фактически мы имеем дело с распределённым демультиплексором.

Обратный поток

Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA (time division multiple access). Чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается своё индивидуальное расписание по передаче данных с учётом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA.

Топологии сетей доступа

Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа:

«кольцо»;

«точка-точка»;

«дерево с активными узлами»;

«дерево с пассивными узлами».

Преимущества технологии PON

отсутствие промежуточных активных узлов;

экономия оптических приёмопередатчиков в центральном узле;

экономия волокон;

Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей, исходя из реального расположения абонентов, затрат на прокладку ОК и эксплуатацию кабельной сети.

К недостаткам сетевой технологии PON можно отнести:

возросшую сложность технологии PON;

отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.

Технологии беспроводных соединений:

Спутниковый Интернет

Wi-Fi -- торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводное качество» или «беспроводная точность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.

Любое оборудование, соответствующее стандарту IEEE 802.11, может быть протестировано в Wi-Fi Alliance и получить соответствующий сертификат и право нанесения логотипа Wi-Fi.

Wi-Fi был создан в 1996 году в лаборатории радиоастрономии CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) в Канберре, Австралия. Создателем беспроводного протокола обмена данными является инженер Джон О"Салливан (John O"Sullivan).

Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. С 2011 по 2013 разрабатывался стандарт IEEE 802.11ac. Скорость передачи данных при использовании 802.11ac может достигать нескольких Гбит/с. Большинство ведущих производителей оборудования уже анонсировали устройства, поддерживающие данный стандарт.

27 июля 2011 года Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) выпустил официальную версию стандарта IEEE 802.22. Системы и устройства, поддерживающие этот стандарт, позволяют принимать данные на скорости до 22 Мбит/с в радиусе 100 км от ближайшего передатчика.

Принцип работы

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети SSID с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с -- наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения.

Однако стандарт не описывает всех аспектов построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по-своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения. Поэтому возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей.

По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

Автономные точки доступа (называются также самостоятельные, децентрализованные, умные)

Точки доступа, работающие под управлением контроллера (называются также «легковесные», централизованные)

Бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера)

По способу организации и управления радиоканалами можно выделить беспроводные локальные сети:

Со статическими настройками радиоканалов

С динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов

Со «слоистой» или многослойной структурой радиоканалов

Преимущества Wi-Fi

Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.

Мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете пользоваться Интернетом в комфортной для вас обстановке.

В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.

Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона.

Недостатки Wi-Fi

В диапазоне 2,4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др., и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость.

Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные «накладные расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в Wi-Fi сети всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п.

Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Беларусь и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.

В России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.

Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенные протоколы шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало возможным применение более безопасной схемы связи, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.

В режиме точка-точка (Ad-hoc) стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.

Wi-Fi пригоден для использования VoIP в корпоративных сетях или в среде SOHO. Первые образцы оборудования появились уже в начале 2000-х, однако на рынок они вышли только в 2005 году. Тогда такие компании, как Zyxel, UT Starcomm, Samsung, Hitachi и многие другие, представили на рынок VoIP Wi-Fi-телефоны по «разумным» ценам. В 2005 году ADSL ISP провайдеры начали предоставлять услуги VoIP своим клиентам (например нидерландский ISP XS4All). Когда звонки с помощью VoIP стали очень дешёвыми, а зачастую вообще бесплатными, провайдеры, способные предоставлять услуги VoIP, получили возможность открыть новый рынок -- услуг VoIP. Телефоны GSM с интегрированной поддержкой возможностей Wi-Fi и VoIP начали выводиться на рынок, и потенциально они могут заменить проводные телефоны.

В настоящий момент непосредственное сравнение Wi-Fi и сотовых сетей нецелесообразно. Телефоны, использующие только Wi-Fi, имеют очень ограниченный радиус действия, поэтому развёртывание таких сетей обходится очень дорого. Тем не менее, развёртывание таких сетей может быть наилучшим решением для локального использования, например, в корпоративных сетях. Однако устройства, поддерживающие несколько стандартов, могут занять значительную долю рынка.

Стоит заметить, что при наличии в данном конкретном месте покрытия как GSM, так и Wi-Fi, экономически намного более выгодно использовать Wi-Fi, разговаривая посредством сервисов интернет-телефонии. Например, клиент Skype давно существует в версиях как для смартфонов, так и для КПК.

Международные проекты

Другая бизнес-модель состоит в соединении уже имеющихся сетей в новые. Идея состоит в том, что пользователи будут разделять свой частотный диапазон через персональные беспроводные маршрутизаторы, комплектующиеся специальным ПО. Например FON -- испанская компания, созданная в ноябре 2005 года. Сейчас сообщество объединяет более 2 000 000 пользователей в Европе, Азии и Америке и быстро развивается. Пользователи делятся на три категории:

linus -- выделяющие бесплатный доступ в Интернет,

bills -- продающие свой частотный диапазон,

aliens -- использующие доступ через bills.

Таким образом, система аналогична пиринговым сервисам. Несмотря на то, что FON получает финансовую поддержку от таких компаний, как Google и Skype, лишь со временем будет ясно, будет ли эта идея действительно работать.

Сейчас у этого сервиса есть три основные проблемы. Первая заключается в том, что для перехода проекта из начальной стадии в основную требуется больше внимания со стороны общественности и СМИ. Нужно также учитывать тот факт, что предоставление доступа к вашему интернет-каналу другим лицам может быть ограничено вашим договором с интернет-провайдером. Поэтому интернет-провайдеры будут пытаться защитить свои интересы. Так же, скорее всего, поступят звукозаписывающие компании, выступающие против свободного распространения MP3.

В России основное количество точек доступа сообщества FON расположено в московском регионе.

• Предисловие
• Глава 1.
  Исторические предпосылки развития высокоскоростных сетей передачи данных
• Глава 2.
  Эталонная модель взаимодействия открытых систем ЭМВОС (Open System Interconnection - модель OSI)
• Глава 3.
  Международные стандартизирующие организации
• Глава 4.
  Физическое и логическое кодирование данных
• Глава 5.
  Узкополосные и широкополосные системы. Мультиплексирование данных
• Глава 6.
  Режимы передачи данных. Среды передачи
• Глава 7.
  Структурированные кабельные системы
• Глава 8.
  Топологии систем передачи данных
• Глава 9.
  Методы доступа в канал
• Глава 10.
  Технологии коммутации
• Глава 11.
  Связь сегментов сетей
• Литература

Глава 5. Узкополосные и широкополосные системы. Мультиплексирование данных

Узкополосная система (baseband) использует цифровой способ передачи сигнала. Хотя цифровой сигнал имеет широкий спектр и теоретически занимает бесконечную полосу частот, на практике ширина спектра передаваемого сигнала определяется частотами его основных гармоник. Именно они дают основной энергетический вклад в формирование сигнала. В узкополосной системе передача ведется в исходной полосе частот, не происходит переноса спектра сигнала в другие частотные области. Именно в этом смысле система называется узкополосной. Сигнал занимает практически всю полосу пропускания линии. Для регенерации сигнала и его усиления в сетях передачи данных используют специальные устройства – повторители (repeater, репитор).

Примером реализации узкополосной передачи являются локальные сети и соответствующие спецификации IEEE (например, 802.3 или 802.5).

Ранее узкополосная передача из-за затухания сигналов использовалась на расстояниях порядка 1-2 км по коаксиальным кабелям, но в современных системах, благодаря различным видам кодирования и мультиплексирования сигналов и видам кабельных систем, ограничения отодвинуты до 40 и более километров.

Термин широкополосная (broadband) передача изначально использовался в системах телефонной связи, где им обозначался аналоговый канал с диапазоном частот (шириной полосы пропускания) более 4 КГц. С целью экономии ресурсов при передаче большого числа телефонных сигналов с полосой частот 0,3-3,4 КГц были разработаны различные схемы уплотнения (мультиплексирования) этих сигналов, обеспечивающие их передачу по одному кабелю.

В высокоскоростных сетевых приложениях широкополосная передача означает, что для передачи данных используется не импульсная, а аналоговая несущая. По аналогии термин «широкополосный Интернет» означает, что вы используете канал с пропускной способностью более 128 Кбит/c (в Европе) или 200 Кбит/c (в США). Широкополосная система обладает высокой пропускной способностью, обеспечивает высокоскоростную передачу данных и мультимедийной информации (голос, видео, данные). Примером являются сети АТМ, B-ISDN, Frame Relay, сети кабельного вещания CATV.

Термин «мультиплексирование» используется в компьютерной технике во множестве аспектов. Мы под этим будем понимать объединение нескольких коммуникационных каналов в одном канале передачи данных.

Перечислим основные техники мультиплексирования: частотное уплотнение – Frequency Division Multiplexing (FDM), временное уплотнение – Time Division Multiplexing (TDM) и спектральное или уплотнение по длине волны (волновое) – Wavelength Division Multiplexing (WDM).

WDM применяется только в оптоволоконных системах. Кабельное телевидение, например, использует FDM.

FDM

При частотном мультиплексировании каждому каналу выделяется своя аналоговая несущая. При этом в FDM может применяться любой вид модуляции или их комбинация. Например, в кабельном телевидении по коаксиальному кабелю с шириной полосы пропускания 500 МГц обеспечивается передача 80 каналов по 6 МГц каждый. Каждый из таких каналов в свою очередь получен мультиплексированием подканалов для передачи звука и видеоизображения.

TDM

При этом виде мультиплексирования низкоскоростные каналы объединяются (сливаются) в один высокоскоростной, по которому передается смешанный поток данных, образованный в результате агрегирования исходных потоков. Каждому низкоскоростному каналу присваивается свой временной слот (отрезок времени) внутри цикла определенной длительности. Данные представляются, как биты, байты или блоки бит или байт. Например, каналу А отводятся первые 10 бит внутри временного отрезка заданной длительности (фрейм, кадр), каналу B – следующие 10 бит и т.д. Кроме бит данных фрейм включает служебные биты для синхронизации передачи и других целей. Фрейм имеет строго определенную длину, которая обычно выражается в битах (например, 193 бита) и структуру.

Устройства сети, которые выполняют мультиплексирование потоков данных низкоскоростных каналов (tributary, компонентные потоки) в общий агрегированный поток (aggregate) для передачи по одному физическому каналу, называются мультиплексорами (multiplexer, mux, мукс). Устройства, выполняющие разделение агрегированного потока на компонентные потоки, называются демультиплексорами.

Синхронные мультиплексоры используют фиксированное разделение на временные слоты. Данные, принадлежащие определенному компонентному потоку, имеют одну и ту же длину и передаются в одном и том же временном слоте в каждом фрейме мультиплексированного канала. Если от некоторого устройства информация не передается, то его тайм слот остается пустым. Статистические мультиплексоры (stat muxes) решают эту проблему, динамически присваивая свободный временной слот активному устройству.

WDM

WDM использует различные длины волн светового сигнала для организации каждого канала. Фактически это особый вид частотного уплотнения на очень высоких частотах. При этом виде мультиплексирования передающие устройства работают на разных длинах волн (например, 820нм и 1300нм). Затем лучи объединяются и передаются по одному оптоволоконному кабелю. Принимающее устройство разделяет передачу по длинам волн и направляет лучи в разные приемники. Для слияния/разделения каналов по длинам волн используются специальные устройства – каплеры (coupler). Ниже приведен пример такого мультиплексирования.

Рис.5.1. WDM мультиплексирование

Среди основных конструкций каплеров различают отражающие каплеры и центрально-симметричные отражающие каплеры (SCR). Отражающие каплеры представляют собой крошечные “перекрученные” в центре кусочки стекла в виде звезды. Количество выходных лучей соответствует количеству портов каплера. А число портов определяет количество устройств, передающих на разных длинах волн. Далее показаны два вида отражающих каплеров.

Рис.5.2. Передающая звезда

Рис.5.3. Отражающая звезда

Центрально-симметричный отражающий каплер использует отражение света от сферического зеркала. При этом поступающий луч разделяется на два луча симметрично центра изгиба сферы зеркала. При повороте зеркала меняется положение изгиба сферы и соответственно путь отраженного луча. Можно добавить третий оптоволоконный кабель (fiber) и перенаправить отраженный луч еще на один порт. На этой идее основана реализация WDM – мультиплексоров и оптоволоконных коммутаторов.

Рис.5.4. Центрально-симметричный отражающий каплер

Оптические мультиплексоры могут реализовываться не только при помощи CSR-каплеров, но и при помощи отражающих фильтров и дифракционных решеток. В данном учебном пособии они не рассматриваются.

Основными факторами, определяющими возможности различных реализаций, являются мешающие наводки и разделение каналов. Величина наводки определяет, насколько хорошо разделены каналы, и, например, показывает, какая часть мощности 820-нм луча оказалась на 1300-нм порту. Наводка в 20 ДБ означает, что 1% сигнала появился на непредназначенном порту. Чтобы обеспечить надежное разделение сигналов длины волн должны быть разнесены “широко”. Трудно распознать близкие длины волн, например 1290 и 1310 нм. Обычно используют 4 схемы мультиплексирования: 850/1300, 1300/1550, 1480/1550 и 985/1550 нм. Лучшими характеристиками пока обладают CSR-каплеры с системой зеркал, например, двумя (рис.5.5).

Рис.5.5. SCR-каплер с двумя зеркалами

Технология WDM, представляющая собой одну из трех разновидностей спектрального уплотнения, занимает среднее положение в смысле эффективности использования спектра. В системах WDM объединяются спектральные каналы, длины волн которых отличаются одна от другой на 10 нм. Самой производительной является технология DWDM (Dense WDM). Она предусматривает объединение каналов, разнесенных по спектру не более чем на 1 нм, а в некоторых системах даже на 0,1 нм. Вследствие такого плотного размещения сигналов по спектру стоимость оборудования DWDM обычно очень высока. Наименее эффективно спектральные ресурсы используются в новых системах на основе технологии CWDM (Coarse WDM, разреженные системы WDM). Здесь спектральные каналы разнесены не менее чем на 20 нм (в некоторых случаях эта величина достигает 35 нм). Системы CWDM обычно используются в городских сетях и в LAN, где низкая цена оборудования является важным фактором и требуется организация 8-16 каналов WDM. Оборудование CWDM не ограничено одним участком спектра и может работать в диапазоне от 1300 до 1600 нм, в то время как аппаратура DWDM привязана к более узкому диапазону 1530 - 1565нм.

Выводы

Узкополосная система – это система передачи в исходной полосе частот с использованием цифровых сигналов. Для передачи нескольких узкополосных каналов в одном широкополосном в современных системах передачи по медным кабелям используется временное мультиплексирование TDM. В оптоволоконных системах используется волновое мультиплексирование WDM.

Дополнительная информация

Контрольные вопросы

• Устройство, в котором все входящие информационные потоки объединяются в одном выходном интерфейсе, выполняет функции:
  • коммутатора
  • ретранслятора
  • мультиплексора
  • демультиплексора
• Десять сигналов, каждому из которых требуется полоса 4000 Гц, мультиплексируются в один канал с использованием FDM. Какова должна быть минимальная полоса уплотненного канала при ширине защитных интервалов 400 Гц?
  • 40800 Гц
  • 44000 Гц
  • 4800 Гц
  • 43600 Гц

Учебное пособие для вузов / Под ред. профессора В.П. Шувалова

2017 г.

Тираж 500 экз.

Формат 60х90/16 (145x215 мм)

Исполнение: в мягкой обложке

ISBN 978-5-9912-0536-8

ББК 32.884

УДК 621.396.2

Гриф УМО
Рекомендовано УМО по образованию в области Инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 и 11.04.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» квалификации (степени) «бакалавр» и «магистр»

Аннотация

В компактной форме изложены вопросы построения инфокоммуникационных сетей, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных. Представлены разделы, которые необходимы для понимания того как можно обеспечить передачу не только с высокой скоростью, но и с другими показателями, характеризующими качество предоставляемой услуги. Приведено описание протоколов различных уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем, технологий транспортных сетей. Рассмотрены вопросы передачи данных в беспроводных сетях связи и современные подходы, обеспечивающие передачу больших массивов информации за приемлемые отрезки времени. Уделено внимание набирающей все большую популярность технологии программно-конфигурируемых сетей.

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Инфокоммуникационные технологии и системы связи (степени) «бакалавр» и «магистр». Книга может быть использована для повышения квалификации работниками электросвязи.

Введение

Список литературы к введению

Глава 1. Основные понятия и определения
1.1. Информация, сообщение, сигнал
1.2. Скорость передачи информации
1.3. Физическая среда передачи данных
1.4. Методы преобразования сигналов
1.5. Методы множественного доступа к среде
1.6. Сети электросвязи
1.7. Организация работ по стандартизации в области передачи данных
1.8. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
1.9. Контрольные вопросы
1.10. Список литературы

Глава 2. Обеспечение показателей качества обслуживания
2.1. Качество обслуживания. Общие положения
2.2. Обеспечение верности передачи данных
2.3. Обеспечение показателей структурной надежности
2.4. QoS маршрутизация
2.5. Контрольные вопросы
2.6. Список литературы

Глава 3. Локальные сети
3.1. Протоколы LAN
3.1.1. Технология Ethernet (IEEE 802.3)
3.1.2. Технология Token Ring (IEEE 802.5)
3.1.3. Технология FDDI
3.1.4. Fast Ethernet (IEEE 802.3u)
3.1.5. Технология 100VG-AnyLAN
3.1.6. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet
3.2. Технические средства, обеспечивающие функционирование высокоскоростных сетей передачи данных
3.2.1. Концентраторы
3.2.2. Мосты
3.2.3. Коммутаторы
3.2.4. Протокол STP
3.2.5. Маршрутизаторы
3.2.6. Шлюзы
3.2.7. Виртуальные локальные сети (Virtual local area Network, VLAN)
3.3. Контрольные вопросы
3.4. Список литературы

Глава 4. Протоколы канального уровня
4.1. Основные задачи канального уровня, функции протоколов 137
4.2. Байт-ориентированные протоколы
4.3. Бит-ориентированные протоколы
4.3.1. Протокол канального уровня HDLC (High-Level Data Link Control)
4.3.2. Протокол кадра SLIP (Serial Line Internet Protocol). 151
4.3.3. Протокол PPP (Point-to-Point Protocol - протокол двухточечной связи)
4.4. Контрольные вопросы
4.5. Список литературы

Глава 5. Протоколы сетевого и транспортного уровня
5.1. IP-протокол
5.2. Протокол IPv6
5.3. Протокол маршрутизации RIP
5.4. Внутренний протокол маршрутизации OSPF
5.5. Протокол BGP-4
5.6. Протокол резервирования ресурсов - RSVP
5.7. Протокол передачи RTP (Real-Time Transport Protocol)
5.8. Протокол DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
5.9. Протокол LDAP
5.10. Протоколы ARP, RARP
5.11. Протокол TCP (Transmission Control Protocol)
5.12. Протокол UDP (User Datagram Protocol)
5.13. Контрольные вопросы
5.14. Список литературы

Глава 6. Транспортные IP-сети
6.1. Технология ATM
6.2. Синхронная цифровая иерархия (SDH)
6.3. Многопротокольная коммутация по меткам
6.4. Оптическая транспортная иерархия
6.5. Модель и иерархия Ethernet для транспортных сетей
6.6. Контрольные вопросы
6.7. Список литературы

Глава 7. Беспроводные технологии высокоскоростной передачи данных
7.1. Технология Wi-Fi (Wireless Fidelity)
7.2. Технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
7.3. Переход от WiMAX к технологии LTE (LongTermEvolution)
7.4. Состояние и перспективы высокоскоростных беспроводных сетей
7.5. Контрольные вопросы
7.6. Список литературы

Глава 8. Вместо заключения: некоторые соображения на тему «что надо сделать, чтобы обеспечить передачу данных с высокой скоростью в IP-сетях»
8.1. Традиционная передача данных с гарантированной доставкой. Проблемы
8.2. Альтернативные протоколы передачи данных с гарантированной доставкой
8.3. Алгоритм контроля перегрузок
8.4. Условия обеспечения передачи данных с высокой скоростью
8.5. Неявные проблемы обеспечения высокоскоростной передачи данных
8.6. Список литературы

Приложение 1. Программно-конфигурируемые сети
П.1. Общие положения.
П.2. Протокол OpenFlow и OpenFlow-коммутатор
П.3. Виртуализация сетей NFV
П.4. Стандартизация ПКС
П.5. SDN в России
П.6. Список литературы

Термины и определения