Алешин Л.И., Максимов Н.В. Информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

251

линии связи данные большого (тысяч) количества источников. Такие

линии состоят из одной или нескольких пар проводов (кабелей) и обес-

печивают передачу данных на различные расстояния. Термин «канал» в

радиосвязи означает среду передачи данных, организованную для одно-

го 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 аналого-

вые. Они обеспечивают высокое качество передачи информации, позво-

ляют внедрять механизмы, гарантирующие целостность каналов, защиту

данных и применение других сервисов. Для передачи аналоговой ин-

формации по цифровому каналу, она преобразуется в цифровую форму.

В конце 1980-х годов появилась цифровая сеть с интеграцией ус-

луг (Integrated Serviced Digital Network – ISDN). Предполагается, что она

станет глобальной цифровой магистралью, соединяющей офисные и до-

машние компьютеры, обеспечивая им высокоскоростную передачу дан-

ных (до 2 Мбит/с и более). Стандартными четырёхпроводными абонент-

скими устройствами ISDN могут быть: телефон, факсимильный аппарат,

устройства передачи данных, оборудование телеконференций и другие.

Конкуренцию им могут составить современные технологии, применяе-

мые 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 ин-

формации 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 переда-

чи информации каналы связи делятся на:

♦ симплексные, позволяющие осуществлять передачу информации

только в одном направлении;

♦ полудуплексные, обеспечивающие попеременную передачу ин-

формации в прямом и обратном направлениях;

♦ дуплексные или полнодуплексные, допускающие передачу ин-

формации одновременно в прямом и обратном направлениях.

Проводные каналы связи представляют группу параллельных или

скрученных (витая пара) медных проводов, коаксиальные кабели и во-

локонно-оптические линии связи (ВОЛС). В проводных каналах исполь-

зуют следующие виды кабелей:

1. Витая пара (скорость передачи данных – 1 Мбит/сек).

252

Рис. 14-1. Виды коаксиальных кабелей

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 провод-

никами и парами. Выделяют пять категорий витых пар. Первая и вторая

категории используются при низкоскоростной передаче данных, причём

первая – стандартный телефонный абонентский провод. Третью, четвёр-

тую 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 перспек-

тивные 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 – экрани-

рованная витая пара (англ. «shielded twisted pair», STP). Неэкранирован-

ный провода называют UTP (англ. «unshielded twisted pair»).

2. Коаксиальный кабель – (Рис. 14-1) медный проводник (или

алюминиевый провод, покры-

тый медью) внутри цилиндри-

ческой экранирующей защит-

ной оболочки, свитой из тон-

ких медных проводников,

изолированной от проводника

диэлектриком (заполняющим

пространство между ними).

От стандартного телевизион-

ного кабеля он отличается волновым сопротивлением. У первого 75 Ом,

а у второго – 50 Ом. По такому кабелю скорость передачи данных дос-

тигает 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 тон-

кий 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 использова-

нием коаксиального кабеля, аналоговый сигнал по которому передавал-

ся 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 кото-

рых используются коаксиальный и волоконно-оптический кабель, по-

253

зволяющий 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 пере-

даются по одному кабелю в различных диапазонах частот с разными

скоростями (обратный медленнее).

В любом случае скорость загрузки данных в таких сетях много-

кратно выше (до 1000 раз), чем в стандартных телефонных линиях. Дан-

ные, загружаемые по телефонной линии в течение 20 мин., могут быть

загружены в кабельной сети за 1–2 с.

В организациях с собственными кабельными сетями предпочти-

тельнее использовать симметричные схемы, так как в этом случае ско-

рость 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 электро-

ники, постоянно растёт. По оценке специалистов в 150-метровой квар-

тире прокладывается до 3 км различных кабелей. В 1990-е годы решить

эту проблему предложила британская компания United Utilities, разрабо-

тав технологию Digital Power Line (DPL). Она предложила использовать

обычные силовые электрические сети в качестве сетей или среды вы-

сокоскоростной передаче данных, осуществив передачу голоса и пакетов

данных по простым электрическим сетям напряжением 120/220 В.

Наибольших успехов в данной области добилась израильская ком-

пания 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 поднесу-

щих частотах с последующим их объединением в один сигнал (частот-

ное 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 высокоско-

ростного 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 приемопере-

дающей 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 дистанци-

онного мониторинга, охраны жилища, управления его режимами, ресур-

сами и т.п., составляющих концепцию интеллектуального дома. Ожида-

254

Рис. 14-2. Вид Оптоволоконного кабе

ется, что с её помощью станет возможным организовать прямой доступ

в Интернет [49].

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 во-

локна луч приходит на приёмный конец с минимальным затуханием. Та-

кой кабель обеспечивает полную защиту от воздействия внешних элек-

тромагнитных 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 доста-

точно дороги и требуют устройств преобразования световых сигналов в

электрические (лазеры) и наоборот. Такие кабели используются, как

правило, при прокладке магистральных линий связи (ВОЛС). Уникаль-

ные свойства кабеля позволяют использовать его для организации сетей

Интернет.

Каналы связи бывают коммутируемые (создаются лишь на время

проведения сеанса передачи информации, например, телефонные) и не-

коммутируемые (выделяются абоненту на продолжительный период

времени и не зависят от времени передачи данных – выделенные).

Беспроводные каналы связи

Выделяют три основных типа беспроводных сетей:

1) радиосети свободного радиочастотного диапазона (сигнал пере-

даётся сразу по нескольким частотам);

2) микроволновые (дальняя и спутниковая связь),

3) инфракрасные (лазерные, передаваемые когерентными пучками

света). Последние являются высокопроизводительными (высокоскоро-

стными) системами. Их широкое применение порой ограничивается из-

за невысокой устойчивости к таким природным явлениям как дождь и

туман. Предел дальности такой связи равен 5 км, устойчивой связи – 1–

1,5 км.

255

По способу организации используются системы одночастотной,

двухчастотной и многочастотной радиосвязи. Обычно одночастотная

связь применяется в режиме радиальной радиосвязи, то есть предостав-

ляет возможность всем абонентам сети слышать вызывающего абонента

и отвечать ему (симплексный режим). Для организации прямой связи

между двумя удалёнными абонентами используется также одноканаль-

ная двухчастотная (полудуплексная) радиосвязь – двухчастотный сим-

плекс, то есть на одной частоте осуществляется передача, а на другой –

приём сообщений. Многоканальные системы полудуплексной радиосвя-

зи формируются на основе транковых и радиорелейных систем.

Транкинговая (англ. «trunking») или транковая (англ. «trunked»)

связь – (ствол, канал связи) означает соединительную линию, органи-

зуемую между двумя станциями или узлами сети и предназначенную

для организации передачи информации группы пользователей в одном

радиостволе (до 50 и более абонентов) с радиусом действия от 20 до 35,

70 и 100 км. Это профессиональная мобильная радиосвязь (ПМР) с ав-

томатическим распределением ограниченного количества свободных

каналов среди большого числа подвижных абонентов, позволяющая эф-

фективно использовать частотные каналы, существенно повышая пропу-

скную способность системы.

Радиорелейная связь образуется путём строительства протяжён-

ных линий с приёмо-передающими станциями и антеннами. Она обеспе-

чивает узкополосную высокочастотную передачу данных на расстоянии

между ближайшими антеннами в пределах прямой видимости (примерно

50 км). Скорость передачи данных в такой сети достигает 155 Мбит/с.

Рассмотрим особенности видов связи.

Телеграфная связь является одним из старейших видов связи. Она

изобретена в России в 1832 году П.Л. Шиллингом. Она считается ис-

ключительно надёжной, но характеризуется низкой скоростью передачи

и не предназначена для широкого, особенно частного, использования.

Телефонная связь – самый распространённый вид оперативно-

управленческой связи. Официально она появилась 14 февраля 1876 года,

когда А. Белл (Александр Грейам, 1847–1922, США) зарегистрировал

изобретение первого телефонного аппарата. Спустя два часа другой изо-

бретатель Иоайш Грей подал заявку на аналогичный аппарат. Первая те-

лефонная станция появилась также в США (Нью-Хейвен) в 1878 году.

Принцип телефонной связи заключается в следующем. Телефон-

ный микрофон, в который говорит абонент, преобразует колебания звука

в аналоговый электрический сигнал. Сигнал передаётся по линиям связи

на телефонный аппарат абонента, принимающего голосовую информа-

цию, с помощью индуктивных катушек и мембраны, расположенных в

телефонной трубке. Этот сигнал преобразуется в колебания звука. Диа-

пазон передаваемых частот по отечественным телефонным каналам –

300 Гц–3,4 кГц.

Телефонная связь представляет разветвлённую структуру, объеди-

256

няющую аппараты абонентов с ближайшими автоматическими телефон-

ными станциями (АТС), которые соединяются между собой в единую

телефонную сеть. Любой аппарат абонента соединяется абонентской

линией с ближайшей АТС, удаленной от него на расстояние до 10 км. На

телефонной станции производится подключение телефонных каналов

абонентских и соединительных линий (между АТС) на время телефон-

ных переговоров и их разъединение по окончании переговоров.

Широкое применение в организациях находят офисные телефон-

ные системы (УАТС, ОАТС, ЭУАТС и др.).

Сотовая радиотелефонная связь (сотовая подвижная связь,

СПС) появилась в конце 1970-х годов. Её также называют мобильной.

Промышленно системы СПС начинают эксплуатироваться в США с

1983 года, а в России – с 1993 года. В 1998 году Япония первой в мире

обеспечила доступ мобильных телефонов в Интернет.

Принцип организации СПС заключается в создании сети равно-

удалённых антенн с собственным радиооборудованием, каждая из кото-

рых обеспечивает вокруг себя зону устойчивой радиосвязи (англ. «cell»

– сота). Каждая сота работает в диапазоне частот, отличном от соседних

сот. В каждой соте действует своя базовая станция (Base Transceiver Sta-

tion, BTS), контроллер (Base Station Controller) которой следит за качест-

вом приёма сигналов мобильных аппаратов. Когда качество сигнала ап-

парата пользователя с этой станцией становится хуже, чем с соседней –

эта базовая станция переключает аппарат пользователя на работу с луч-

шей соседней базовой станцией.

При этом сотовый телефон автоматически связывается с тем пере-

датчиком, в зону обслуживания которого он перешёл, и разговор або-

нента продолжается при его любом перемещении в зоне действия «сот».

Расстояние между антеннами зависит от мощности, частоты их

приёмо-передающего оборудования и топологии местности. Чем выше

полоса частот работы системы, тем меньше радиус действия антенн, а

значит, и расстояние между ними, то есть размер соты. Но в этом случае

улучшается проникающая способность сигнала сквозь различные пре-

пятствия (окна, двери и стены), а также можно уменьшить размеры ин-

дивидуальных аппаратов и увеличить число абонентских радиоканалов.

Мобильные телефоны используют следующие стандарты:

GSM (Global System for Mobile Communications – глобальная сис-

тема для мобильной связи), рассчитан на работу с частотами 900/1800

МГц. Обеспечивающий скорость обмена данными до 270 Кбит/с, GPRS

– до 115,2 Кбит/с. GSM получил наибольшее распространение в нашей

стране;

CDMA (Code Division Multiple Access) в России появился позже

GSM и работает на частоте 450 МГц. Специалисты утверждают, что

стандарт CDMA-450 обеспечивает более качественную, чем GSM/GPRS

голосовую связь. Предполагается, что он составит конкуренцию стан-

дарту GSM/GPRS и даже может его заменить;

257

Рис. 14-3. Типы орбит

спутников связи

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) с полосой час-

тот 1885–2025 и 2110–2200 МГц и скоростью от 144 Кбит/с. В отноше-

ние этого стандарта высказывается более категоричное мнение, что он

должен заменить стандарты GSM и GPRS.

Одной из современных услуг, предоставляемых операторами сото-

вой связи, является SMS (Short Message Service) – служба коротких со-

общений. Эта услуга, позволяет осуществлять между сотовыми телефо-

нами обмен короткими буквенно-цифровыми сообщениями.

Способом обмена данными в беспроводных системах на радиочас-

тоте около 2,4 ГГц и расстоянии до 100 м является Bluetooth. Его ис-

пользование позволяет связывать различные электроприборы, например,

для получения удалённого беспроводного доступа к Интернету и мо-

бильному телефону, а также к компьютеру. Технология Bluetooth позво-

ляет соединяться с Интернетом со скоростью до 1 Мбит/с.

Спутниковая связь образуется между специальными наземными

станциями спутниковой связи и спутником с антеннами и приёмо-

передающим оборудованием. Она позволяет охватывать территории со

слабо развитой инфраструктурой связи, расширить сферу и набор услуг,

в т.ч. мультимедийных, радионавигационных и др. Принцип работы сис-

тем спутниковой связи (ССС) заключается в том, что от абонента сигнал

поступает (в т.ч. по радиоканалу), как

правило, на ближайшую наземную стан-

цию, которая переадресовывает его на

станцию спутниковой связи. Оттуда этот

сигнал с помощью мощной антенны от-

правляется на спутник. К абоненту сиг-

нал поступает аналогично, в обратном

порядке.

Спутники располагаются на одной

из трёх орбит (Рис. 14-3). Спутник, рас-

положенный на геостационарной орбите

(Geostationary Earth Orbit, GEO), нахо-

дится на высоте 36 тыс. км и является

неподвижным для наблюдателя. Он спо-

собен охватывать значительные области

(территории) планеты.

Средние орбиты (Mean Earth Orbit,

MEO) обитания спутников характеризу-

ются высотой 5–15 тыс. км.

На низких орбитах (Low Earth

Orbit, LEO) высота размещения спутни-

ков не превышает 1,5 тыс. км. В этом

случае они охватывают небольшие, ло-

кальные территории.

258

Станции спутниковой связи (ССС) делятся на: стационарные, пе-

реносные (перевозимые) и портативные.

Они обеспечивают:

1) телевидение и радиовещание для коллективных и индивидуаль-

ных пользователей;

2) национальные и цифровые телефонные сети связи;

3) поддержку системы коммерческой связи SMS (Satellite Multiser-

vices System) для высокоскоростной передачи данных, проведения ви-

деоконференций и межкомпьютерного обмена информацией;

4) предоставление связи наземным подвижным объектам и др.

Персональная спутниковая радиосвязь или спутниковая индивиду-

альная связь ориентирована на использовании систем персональной

спутниковой связи (СПСС). Портативные станции спутниковой связи

вместе с антенной умещаются в кейсе и имеют массу до 8,5 кг.

Современные средства связи всё больше ориентируются на обес-

печение передачи различных видов данных. Для этого создаются сети

передачи данных, использующие специальные каналы связи и методы

передачи данных, предоставляющие пользователям различные виды пе-

редачи данных.

Передача данных в сетях

Для передачи данных обычно создаются специальные сети. При их

отсутствии или невозможности воспользоваться ими, передаче данных

осуществляют по неприспособленным для этого каналам связи, напри-

мер, низкочастотным и низкоскоростным линиям и каналам телефонной

связи.

В сетях передачи данных используются специальные программно-

технические средства, обеспечивающие соединение сетей между собой и

с абонентами, а также высокоскоростную, надёжную и, как правило, за-

щищённую передачу различной информации. При этом средства пере-

дачи данных организуют распространение в сети только цифровой ин-

формации.

Они обеспечивают передачу и приём кодированной информации и

в совокупности с используемым для этого каналом связи образуют сис-

тему передачи данных (СПД).

Первые такие системы предназначались для обмена данными по

низкоскоростным телефонным и телеграфным каналам связи. Информа-

ция в системе телеграфной связи передаётся с помощью двоичных сиг-

налов постоянного тока, принимающих одно из двух возможных значе-

ний. Скорость передачи телеграфных сигналов измеряется в Бодах – эта

единица впервые введена в 1927 году.

По режиму обмена данными устройства передачи данными (УПД)

делятся на симплексные, полудуплексные и дуплексные.

259

По скорости передачи УПД выделяют:

● низкоскоростные (до 200 Бод);

● среднескоростные (до 4800 Бод);

● высокоскоростные (свыше 4800 Бод).

Современные УПД состоят из устройств преобразования сигналов,

защиты от ошибок и других вспомогательных систем. Устройства пре-

образования сигналов изменяют подаваемые на их вход сигналы в вид,

пригодный для их передачи по каналам связи и приёма данных, посту-

пающих из каналов связи. Основным устройством, обеспечивающим

приём-передачу машиночитаемых данных по сетям связи, является мо-

дем.

Способы передачи данных в сетях

Передача данных в сетях связана с видом систем связи и оборудо-

вания, типом используемых каналов и способом их коммутации. Комму-

тация данных осуществляется в системах коммутации каналов. При этом

канал передачи данных используется попеременно для обмена инфор-

мацией между разными пунктами информационной сети.

По способу коммутации выделяют четыре вида передачи данных в

сетях:

1. По выделенным каналам связи. В этом случае прокладывается

канал связи между абонентами. Выделенные каналы связи позволяют

построить сеть наиболее простую по управлению и наиболее дорогую по

затратам. Достоинством этого вида связи является передача сигналов в

режиме реального времени. Однако коэффициент полезного действия

этого режима низок и обычно не превышает 3–6%. Обеспечить заня-

тость такого канала можно, если организовать доступ к нему других

пользователей, что не всегда возможно. Выделенные каналы использую

в системах военного назначения, а также в некоторых отраслях, напри-

мер, в системе Министерства путей сообщения. С развитием спутнико-

вых каналов связи появляется возможность организации выделенных

каналов путём их аренды.

2. Коммутация каналов – принцип, используемый в телефонных

сетях. Заключается в монопольном использовании канала в течение од-

новременного соединения между собой двух и более станций. При

большом числе пунктов коммутации процесс установления соединений

может оказаться сложным и длительным. Достаточно одному тракту в

сети оказаться занятым и приходиться повторно осуществлять набор

номера вызываемого абонента. После того как соединение состоялось,

идёт передача данных.

КПД этого режима примерно 10%. Повышение эффективности

достигается использованием в других соединениях отдельных частей

маршрута после их освобождения. Здесь возможен режим реального

260

времени, но перегрузка в сети может препятствовать соединению. Дос-

тоинство: можно использовать телефонную сеть.

3. Коммутация сообщений предполагает установление соединения

с ближайшим узлом и передачу ему всего сообщения целиком. Даль-

нейший путь к получателю складывается из аналогичной передачи со-

общения на других физических участках, в совокупности образующих

не фиксированный, а виртуальный канал.

При этом снижается основной недостаток предыдущего метода, но

передача идёт не в режиме реального времени, а по мере освобождения

и готовности промежуточных пунктов (узлов) к приёму данных. Время

передачи может быть достаточно длинным, но загружаемость каналов

связи более полной. КПД – 30%.

4. Коммутации пакетов – способ передачи данных, позволяющий

довести КПД до 50%, так как режим передачи данных является более

гибким. Организованный как метод коммутации сообщений, он позволя-

ет делить сообщение на пакеты и передавать их по одному пути или од-

новременно по нескольким направлениям параллельно. Однако при этом

возможно перемешивание сообщений в пакете, что требует дополни-

тельных сортировок при восстановлении получаемого пакета. Кроме то-

го, этот метод допускает мультиплексирование за счёт передачи на от-

дельных участках сообщений из разных исходных пакетов в один про-

межуточный пакет.

Технические средства передачи информации в сетях

Сетевые технические средства определяются как блоки или уст-

ройства взаимодействия – функциональные блоки или устройства,

обеспечивающие взаимодействие нескольких информационных сетей

или подсетей. К ним относятся:

1) серверы доступа;

2) сетевые адаптеры, повторители, коммутаторы, концентраторы,

мультиплексоры, мосты, маршрутизаторы, шлюзы и модемы, согласую-

щие работу компьютеров с каналами передачи данных.

Кроме того, технические средства передачи информации включа-

ют каналы передачи данных.

Для высокоскоростной передачи информации предпочтительно

создавать и использовать специальные каналы передачи данных. Это

весьма дорогое мероприятие и обычно с такой целью используют суще-

ствующие каналы передачи информации, которые, как правило, не обла-

дают необходимыми характеристиками. Проблема решается на аппарат-

но-программном уровне с помощью высокоскоростного и высоконадёж-

ного оборудования, подключаемого к этим каналам, и специального

программного обеспечения.

Сетевой адаптер. Стандартные сетевые адаптеры работают со