Не следует путать линию связи и канал связи. Они очень похожи, но эти термины нельзя использовать как синонимы. Линию связи образует физическая среда, в которой происходит информационный обмен. Например, для речевого общения линией связи является окружающий воздух, потому что передачу звука обеспечивают упругие колебания воздушной массы. Соответственно, для телефонного общения линией связи является пара медных проводов, по которым передаются электрические сигналы.
Канал связи – понятие не только физическое, но и логическое. Он подразумевает не только наличие физической линии связи, но и наличие логической договорённости о её использовании (такие договорённости называются протоколами).
Говоря по очереди, мы разделяем такой общий ресурс линии связи, как время. Этот принцип многоканальной связи называется принципом разделения времени. Когда один собеседник высказался (исчерпал свой ресурс времени), наступает время говорить другому.
У линии связи могут быть и другие ресурсы, которые тоже можно разделять. Например, проводники обладают способностью передавать электромагнитные колебания разных (хотя и не любых) частот. Диапазон допустимых частот (от минимальных до максимальных) – это ресурс, который можно разделить. Такой принцип называется частотным разделением каналов. Он действует в теле- и радиовещании. Одна и та же антенна телевизионного приёмника принимает сигналы от нескольких передатчиков. Если те вещают на разных частотах (не слишком близких), мы можем переключаться между каналами и смотреть разные телепрограммы. Если бы два передатчика передавали сигнал на одной частоте (на близких частотах), мы получили бы только помехи.
Телефонная связь – одноканальная по конструкции. На отрезке линии от телефонного аппарата до телефонной станции ничего не сделано для разделения ресурсов линии связи, хотя далее (между телефонными станциями) работает более современное оборудование. Например, в одной волоконнооптической линии, связывающей телефонные станции разных городов, могут одновременно действовать десятки тысяч телефонных каналов.
При желании мы тоже можем организовать несколько информационных каналов на участке линии от своего телефонного аппарата до телефонной станции. Для этого достаточно подключить компьютер к Интернету. Данные в Интернете циркулируют порциями (пакетами) в режиме разделения времени. Разные пакеты имеют разных адресатов, так что мы можем держать связь одновременно с несколькими серверами. Чем больше каналов связи мы откроем, тем медленнее будет работать каждый из них, потому что пакетам придётся простаивать, пропуская друг друга по очереди через одну линию связи.
Каналы связи
Д ля передачи данных образуют среду их распространения – совокупность линий или каналов передачи данных и приёмо-передающего оборудования. Линии или каналы связи являются общим, связующим звеном любой системы передачи данных и с точки зрения организации связи делятся на лини и каналы. Линия связи – это физические провода или кабели, соединяющие пункты (узлы) связи между собой, а абонентов – с ближайшими узлами.
Каналы связи образуется различным образом.
Они могут быть как физическими проводными каналами – образуемыми кабелями связи, так и волновыми каналами – формируемыми для организации в какой-либо среде (например, эфире) различных видов радиосвязи с помощью антенн и выделенной полосы частот. При этом электрические и оптические каналы связи (образуемые соответствующими сигналами) подразделяются на: проводные и беспроводные (радио-, инфракрасные и другие) каналы. Таким образом, оптический, как и электрический сигнал может распространяться, по проводам, в эфире и других средах.
В телефонной сети после набора номера, канал образуется на время соединения, например, двух абонентов и проведения между ними сеанса голосовой связи. В проводных системах передачи данных канал формируется путём применения оборудования уплотнения, позволяющего одновременно продолжительно или кратковременно передавать по линии связи данные большого (тысяч) количества источников. Такие линии состоят из одной или нескольких пар проводов (кабелей) и обеспечивают передачу данных на различные расстояния. Термин «канал » в радиосвязи означает среду передачи данных, организованную для одного или нескольких, одновременно проводимых сеансов связи. Во втором случае, например, может использоваться частотное разделение каналов.
Также, как и средства связи, линии или каналы связи делятся на: аналоговые, цифровые, а также аналогово-цифровые.
Цифровые коммуникации (каналы связи) надёжнее, чем аналоговые. Они обеспечивают высокое качество передачи информации, позволяют внедрять механизмы, гарантирующие целостность каналов, защиту данных и применение других сервисов. Для передачи аналоговой информации по цифровому каналу, она преобразуется в цифровую форму.
В конце 1980-х годов появилась цифровая сеть с интеграцией услуг (Integrated Serviced Digital Network – ISDN ). Предполагается, что она станет глобальной цифровой магистралью, соединяющей офисные и домашние компьютеры, обеспечивая им высокоскоростную передачу данных (до 2 Мбит/с и более). Стандартными четырёхпроводными абонентскими устройствами ISDN могут быть: телефон, факсимильный аппарат, устройства передачи данных, оборудование телеконференций и другие. Конкуренцию им могут составить современные технологии, применяемые в сетях кабельного телевидения.
По пропускной способности каналы связи делятся на:
● низкоскоростные (телеграфные, скорость передачи информации от 50 до 200 бод/с). Напомним, что 1 бод = 1 бит/сек,
● среднескоростные (аналоговые телефонные, от 300–9600 до 56000 бит/с для ЭВМ),
● высокоскоростные или широкополосные (скорость передачи информации свыше 56000 бит/с). Так как, 1 байт равен 8 битам, можно легко осуществить пересчёт, например, 56000 бит/с = 7 Кб/с.
В зависимости от возможностей организации направлений передачи информации каналы связи делятся на:
¨ симплексные , позволяющие осуществлять передачу информации только в одном направлении;
¨ полудуплексные , обеспечивающие попеременную передачу информации в прямом и обратном направлениях;
¨ дуплексные или полнодуплексные, допускающие передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях.
Проводные каналы связи представляют группу параллельных или скрученных (витая пара) медных проводов, коаксиальные кабели и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). В проводных каналах используют следующие виды кабелей:
1. Витая пара (скорость передачи данных – 1 Мбит/сек).
2. Коаксиальный кабель (типа TV, тонкий и толстый) – скорость передачи данных – 15 Мбит/сек.
3. Оптоволоконный кабель (скорость передачи данных – 400 Мбит/сек).
1. Витая пара (англ. « twisted pair ») – изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения наводок между проводниками и парами. Выделяют пять категорий витых пар. Первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных, причём первая – стандартный телефонный абонентский провод. Третью, четвёртую и пятую категории применяют при скоростях передачи до 16, 25 и 155 Мбит/с соответственно, причём третья (Token Ring ) и четвёртая (Ethernet ) для частоты до 10 МГц, а пятая – до 100 МГц. Наибольшее распространение получила третья категория. Ориентируясь на перспективные решения, связанные с потребностью увеличивать пропускную способность сети, следует использовать оборудование пятой категории, обеспечивающее передачу данных по обычным телефонным линиям и ЛВС со скоростью до 1 Мбит/с.
Такие провода содержат две или четыре пары и могут иметь экран из алюминиевой фольги. В последнем случае они называются – экранированная витая пара (англ. « shielded twisted pair », STP ). Неэкранированный провода называют UTP (англ. « unshielded twisted pair »).
2. Коаксиальный кабель – (Рис. 14-1) медный проводник (или алюминиевый провод, покрытый медью) внутри цилиндрической экранирующей защитной оболочки, свитой из тонких медных проводников, изолированной от проводника диэлектриком (заполняющим пространство между ними). От стандартного телевизионного кабеля он отличается волновым сопротивлением. У первого 75 Ом, а у второго – 50 Ом. По такому кабелю скорость передачи данных достигает 300 Мбит/с. Различают тонкий (Ø 0,2 дюйма/5 мм) и толстый (Ø 0,4 дюйма/10 мм) коаксиальный кабель. В ЛВС обычно применяют тонкий кабель, так как его легче прокладывать и монтировать. Значительная стоимость и сложность прокладки ограничивают его использование в сетях передачи данных.
Сети кабельного телевидения (CATV ) строились с использованием коаксиального кабеля, аналоговый сигнал по которому передавался на расстояние до нескольких десятков км. Типичная сеть кабельного TV имеет древовидную структуру, где головной узел получает сигналы со спутника связи или по ВОЛС. Ныне появляются такие сети, в которых используются коаксиальный и волоконно-оптический кабель, позволяющий обслуживать большие территории и передавать бóльшие объёмы информации, обеспечивая высокое качество сигналов даже без применения повторителей. Такие сети называются гибридными (HFC ).
При симметричной архитектуре прямой и обратный сигналы передаются по одному кабелю в различных диапазонах частот с разными скоростями (обратный медленнее).
В любом случае скорость загрузки данных в таких сетях многократно выше (до 1000 раз), чем в стандартных телефонных линиях. Данные, загружаемые по телефонной линии в течение 20 мин., могут быть загружены в кабельной сети за 1–2 с.
В организациях с собственными кабельными сетями предпочтительнее использовать симметричные схемы, так как в этом случае скорость прямой и обратной передачи одинакова и составляет примерно 10 Мбит/с. Ныне выпускаются модемы, способные передавать информацию со скоростью до 30 Мбит/с и более.
Количество проводов, используемых для домашних ПК и электроники, постоянно растёт. По оценке специалистов в 150-метровой квартире прокладывается до 3 км различных кабелей. В 1990-е годы решить эту проблему предложила британская компания United Utilities , разработав технологию Digital Power Line (DPL). Она предложила использовать обычные силовые электрические сети в качестве сетей или среды высокоскоростной передаче данных, осуществив передачу голоса и пакетов данных по простым электрическим сетям напряжением 120/220 В.
Наибольших успехов в данной области добилась израильская компания Main.net, разработавшая технологию Powerline Communications (PLC), обеспечивающую передачу данных и голоса (VoIP) со скоростью от 2 до 10 Мбит/с. При этом высокоскоростной поток данных разбивался на несколько низкоскоростных, передававшихся на отдельных поднесущих частотах с последующим их объединением в один сигнал (частотное разделение сигнала).
PLC-технология подходит для низкоскоростной передачи данных (домашняя автоматика, бытовые устройства и т.п.), доступа в Интернет со скоростью менее 1 Мбит/с, для приложений, требующих высокоскоростного соединения (видео по запросу, видеоконференц-связи и т.п.). При этом питающие здание электрические кабели служат «последней милей», а электропроводка внутри здания – «последним дюймом» для передачи данных.
При небольшом расстоянии между промежуточной приемопередающей точкой (трансформаторной подстанцией) и зданием скорость передачи доходи до 4,5 Мбит/с. PLC-технология может использоваться при создании локальной сети в небольшом офисе или жилом доме, так как минимальная скорость передачи позволяет покрывать расстояние до 200–300 м. Такая технология обеспечивает реализацию услуг дистанционного мониторинга, охраны жилища, управления его режимами, ресурсами и т.п., составляющих концепцию интеллектуального дома. Ожидается, что с её помощью станет возможным организовать прямой доступ в Интернет .
3. Оптоволоконный кабель
состоит из кварцевого сердечника диаметром 10 мкм
(микрон), окружённого отражающей защитной оболочкой с внешним диаметром 125–200
мкм (Рис. 14-2). Передача информации осуществляется преобразованием
электрических сигналов в световые с помощью, например, светодиода. Кодирование
информации производится изменением интенсивности светового потока. При передаче
информации отражённый от стенок волокна луч приходит на приёмный конец с
минимальным затуханием. Такой кабель обеспечивает полную защиту от воздействия
внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи данных (до 1000
Мбит/с). Он позволяет одновременно организовать работу нескольких сотен тысяч
телефонных, нескольких тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов.
Волоконно-оптические кабели сложны для несанкционированного подключения,
пожаробезопасны, но достаточно дороги и требуют устройств преобразования
световых сигналов в электрические (лазеры) и наоборот. Такие кабели
используются, как правило, при прокладке магистральных линий связи (ВОЛС).
Уникальные свойства кабеля позволяют использовать его для организации сетей
Интернет.
Каналы связи бывают коммутируемые (создаются лишь на время проведения сеанса передачи информации, например, телефонные) и некоммутируемые (выделяются абоненту на продолжительный период времени и не зависят от времени передачи данных – выделенные).
Каналы связи (КС) служат для передачи сигнала и являются общим звеном любой системы передачи информации.
По физической природе каналы связи подразделяются на механические, используемые для передачи материальных носителей информации, акустические , оптические и электрические , передающие соответственно звуковые, световые и электрические сигналы.
Электрические и оптические каналы связи в зависимости от способа передачи сигналов можно подразделить на проводные, использующие для передачи сигналов физические проводники (электрические провода, кабели, световоды), и беспроводные, использующие для передачи сигналов электромагнитные волны (радиоканалы, инфракрасные каналы).
По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые , по которым информация передается в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, и цифровые, передающие информацию, представленную в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов различной физической природы.
В зависимости от возможных направлений передачи информации каналы связи подразделяются на симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении; полудуплексные , обеспечивающие попеременную передачу информации как в прямом, так и в обратном направлениях; дуплексные , позволяющие вести передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях.
Каналы связи бывают коммутируемые , которые создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации, а по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется), и некоммутируемые (выделенные), создаваемые на длительное время и имеющие постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.
Широко используемые в автоматизированных системах обработки информации и управления электрические проводные каналы связи различаются по пропускной способности:
низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) каналы связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V.32 - V.34 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и от 14400 до 56 000 бит/с;
высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации свыше 56 000 бит/с.
Для передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС физической средой обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных проводов, называемых витая пара. Она представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения как перекрестных электромагнитных наводок, так и затухания сигнала при передаче на высоких частотах.
Для организации высокоскоростных (широкополосных) КС используются различные кабели:
Экранированные с витыми парами из медных проводов;
Неэкранированные с витыми парами из медных проводов;
Коаксиальные;
Оптоволоконные.
STP-кабели (экранированные с витыми парами из медных проводов) имеют хорошие технические характеристики, но неудобны в работе и дороги.
UTP-кабели (неэкранированные с витыми парами из медных проводов) довольно широко используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях.
Выделяют пять категорий витых пар: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с. Эти кабели обладают хорошими техническими характеристиками, сравнительно недороги, удобны в работе, не требуют заземления.
Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю довольно высокая (до 300 Мбит/с), но он недостаточно удобен в работе и имеет высокую стоимость.
Оптоволоконный кабель (рис. 8.2) состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрометров (свето-ведущая жила) с высоким показателем преломления п с, окруженных изоляцией с низким показателем преломления n 0 и помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку. На рис. 8.2, а показано распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля, а на рис. 8.2, б - схема распространения лучей. Источником излучения, распространяемого по оптоволоконному кабелю, является светодиод или полупроводниковый лазер, приемником излучения - фотодиод, который преобразует световые сигналы в электрические. Передача светового луча по волокну основана на принципе полного внутреннего отражения луча от стенок световедущей жилы, за счет чего обеспечивается минимальное затухание сигнала.
Рис. 8.2. Распространение лучей по оптоволоконному кабелю:
а - распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля;
б - схема распространения лучей
Кроме того, оптоволоконные кабели обеспечивают защиту передаваемой информации от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи до 1000 Мбит/с. Кодирование информации осуществляется с помощью аналоговой, цифровой или импульсной модуляции светового луча. Оптоволоконный кабель достаточно дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи, например, проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных участках, в частности, в Internet. По одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сотен тысяч телефонных, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов связи.
Высокоскоростные КС организуются на базе беспроводных радиоканалов.
Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Для формирования радиоканала используются радиопередатчик и радиоприемник. Скорости передачи данных по радиоканалу практически ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры. Радиоволновый диапазон определяется используемой для передачи данных частотной полосой электромагнитного спектра. В табл. 8.1 представлены диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы.
Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902 - 928 МГц и 2,40 - 2,48 ГГц.
Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и быстроту реакции.
Телефонные линии связи наиболее разветвлены и распространены. Они осуществляют передачу звуковых (тональных) и факсимильных сообщений. На базе телефонной линии связи построены информационно-справочные системы, системы электронной почты и вычислительных сетей. На базе телефонных линий могут быть созданы аналоговые и цифровые каналы передачи информации.
В аналоговых телефонных линиях телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц (диапазон 300 Гц -3,3 кГц). Передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.
В цифровых каналах связи аналоговый сигнал перед вводом дискретизируется - преобразуется в цифровую форму: каждые 125 мкс (частота дискретизации равна 8 кГц) текущее значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом.
Таблица 8.1
Диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы
Для того чтобы компьютеры могли связаться между собой в сеть, они должны быть соединены между собой с помощью некоторой физической передающей среды. Основными типами передающих сред, используемых в компьютерных сетях, являются:
аналоговые телефонные каналы общего пользования;
цифровые каналы;
узкополосные и широкополосные кабельные каналы;
радиоканалы и спутниковые каналы связи;
оптоволоконные каналы связи.
Аналоговые каналы связи первыми начали применяться для передачи данных в компьютерных сетях и позволили использовать уже существовавшие тогда развитые телефонные сети общего пользования. Передача данных по аналоговым каналам может выполняться двумя способами. При первом способе телефонные каналы (одна или две пары проводов) через телефонные станции физически соединяют два устройства, реализующие коммуникационные функции с подключенными к ним компьютерами. Такие соединения называют выделенными линиями или непосредственными соединениями. Второй способ - это установление соединения с помощью набора телефонного номера (с использованием коммутируемых линий).
Качество передачи данных по выделенным каналам, как правило, выше, и соединение постоянное. Кроме того, для каждого выделенного канала необходимо свое коммуникационное устройство (хотя есть и многоканальные коммуникационные устройства), а при коммутируемой связи можно использовать для связи с другими узлами одно коммуникационное устройство.
Параллельно с использованием аналоговых телефонных сетей для межкомпьютерного взаимодействия начали развиваться и методы передачи данных в дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телефонным каналам (к которым не подведено электрическое напряжение, используемое в телефонной сети) - цифровым каналам.
Следует отметить, что наряду с дискретными данными по цифровому каналу можно передавать и аналоговую информацию (голосовую, видео-, факсимильную и т. д.), преобразованную в цифровую форму.
Наиболее высокие скорости на небольших расстояниях могут быть получены при использовании особым образом скрученной пары проводов (для того, чтобы избежать взаимодействия между соседними проводами), так называемой витой паре (ТР - Twisted Pair).
Кабельные каналы, или коаксиальные пары, представляют собой два цилиндрических проводника на одной оси, разделенных диэлектрическим покрытием. Один тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 Ом), используется главным образом для передачи узкополосных цифровых сигналов, другой тип кабеля (с сопротивлением 75 Ом) - для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узкополосные и широкополосные кабели, непосредственно связывающие между собой коммуникационные оборудования, позволяют обмениваться данными на высоких скоростях (до нескольких мегабит/с) в аналоговой или цифровой форме. Следует отметить, что на небольших расстояниях (особенно в локальных сетях) кабельные каналы все больше вытесняются каналами на витых парах, а на большихрасстояниях - оптоволоконными каналами связи.
Использование в компьютерных сетях в качестве передающей среды радиоволн различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и сверхбольших расстояниях (с использованием спутников), либо для связи с труднодоступными, подвижными или временно используемыми объектами.
Обмен данными по радиоканалам может вестись с помощью как аналоговых, так и цифровых методов передачи. Цифровые методы получают в последнее время преимущественное развитие, т. к. позволяют объединить наземные участки цифровых сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единой сети. Новым импульсом в развитии радиосетей стало появление сотовой телефонной связи, позволяющей осуществлять голосовую связь и обмен данными с помощью радиотелефонов или специальных устройств обмена данными.
Помимо обмена данными в радиодиапазоне, последнее время для связи на небольшие расстояния (обычно в пределах комнаты) используется и инфракрасное излучение.
В оптоволоконных каналах связи используется известное из физики явление полного внутреннего отражения света, что позволяет передавать потоки света внутри оптоволоконного кабеляна большие расстояния практически без потерь. В качестве источников света в оптоволоконном кабеле используются светоиспускаюшие диоды (LED-light-emittingdiode) или лазерныедиоды, а в качестве приемников - фотоэлементы.
Оптоволоконные каналы связи, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с другими видами связи, получают все большее распространение, причем для связи не только на небольших расстояниях, но и на внутригородских и междугородных участках.
Технические средства коммуникаций составляют кабели, коннекторы и терминаторы, сетевые адаптеры, повторители, разветвители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы, а также модемы, позволяющие использовать различные протоколы и топологии в единой неоднородной системе.
