Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 311

пропускной способностью и выступают как альтернатива кабельным

при сооружении магистральных каналов связи. Например, самая длин-

ная в мире РРЛ Москва – Хабаровск имеет протяженность около

000 км, она насчитывает 162 ралиорелейных станции, оснащена обо-

рудованием шведской фирмы Ericsson (той самой, которая еще в конце

прошлого века стала производить телефонные аппараты) и имеет про-

пускную способность 155 Мбит/с в каждом из 8 стволов, что достаточ-

но для организации почти 20

000 телефонных каналов.

С помощью радиорелейных линий были решены многие насущные

проблемы междугородной связи, на суше РРЛ потеснили магистраль-

ные высокочастотные кабели, однако для организации трансокеанской

связи они оказались непригодны – в море не поставишь ретранслятора.

Лидерство на этом фронте долго оставалось у подводных кабелей, ко-

торые к 1980-м годам были сильно усовершенствованы.

Спутниковые радиолинии. Принципиально новым направлением,

позволившим радиосвязи вырваться вперед в соревновании с кабель-

ными магистралями, стали спутниковые линии передачи, которые поя-

вились вскоре после исторического запуска 4 октября 1957 года первого

искусственного спутника Земли. Первые коммерческие связные спут-

ники были выведены на орбиту в 1965 году. В СССР – «Молния-1», в

США – Early Bird («Ранняя пташка»). Уже аппаратура «Ранней пташки»

была рассчитана на передачу 240 телефонных каналов, что в 5 раз пре-

вышало пропускную способность трансатлантического кабеля TAT-1, а

запущенные в 1971–1980 годах спутники «Интелсат» пропускали по

6 000–12 000 разговоров плюс два канала телевидения.

Радиорелейные и спутниковые линии передачи обладают большой

пропускной способностью, достигающей нескольких миллиардов битов

в секунду. Кроме телевизионных сигналов по ним передаются тысячи

телефонных разговоров, данные компьютерных сетей и т.д. Однако по-

требности информационного общества растут так быстро, что и в УКВ-

диапазоне становится тоже тесно.

Согласно известной нам формуле Шеннона, для увеличения пропу-

скной способности канала связи есть две принципиальных возможно-

сти: либо увеличивать отношение сигнал/шум S/N, либо расширять по-

лосу используемых частот F. Так как увеличение мощности сигнала

допустимо только до определенных пределов, остается единственный

выход – осваивать еще более высокие частоты, относящиеся уже к све-

товому диапазону.

312 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

Оптические линии. Недаром говорят, что прогресс развивается по

спирали. Передача сообщений световыми сигналами практиковалась

еще в глубокой древности, а в новое время, до изобретения электриче-

ского телеграфа, существовал телеграф оптический. Между городами

строили цепочку башен, находящихся на расстоянии прямой видимости

друг от друга, на каждой башне устанавливались огромные передвиж-

ные крылья, взаимное расположение которых соответствовало симво-

лам алфавита. Первую линию такого телеграфа построили в 1794 году

во Франции между Парижем и Лиллем, а самая длинная линия оптиче-

ского телеграфа длиной более 1200 км действовала в середине XIX века

между Петербургом и Варшавой. Сигнал по линии проходил из конца в

конец за 15 минут.

В конце XX века идея передачи данных с помощью света реализо-

валась на новом уровне в виде волоконно-оптических (fiber optic) линий

передачи. Первые опыты по пересылке телефонных сигналов по опти-

ческому волокну были проведены в 1966 году, с тех пор оптические

Рисунок из книги Д. Шарле

Линии оптического телеграфа во Франции (рис. из книги Д. Шарле)

и телеграфная азбука

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 313

технология превратились из экспериментальных в промышленные.

Принципиальные достоинства оптических линий – высокая пропускная

способность (до миллиардов битов в секунду – Гбит/с), защищенность

от помех и подслушивания – обеспечили им широчайшую область при-

менения, от городских телефонных сетей до трансконтинентальных ма-

гистралей. В 1988 году были проложены первые океанские оптические

линии: атлантическая линия TAT-8, соединившая США, Великобрита-

нию и Францию и обеспечившая одновременную передачу 40 тысяч

телефонных каналов, и тихоокеанская линия TPC-3. Сразу появилась

идея создать на их основе глобальное цифровое кольцо связи через три

океана (Тихий, Индийский и Атлантический) и три материка (Азию,

Европу и Северную Америку). К концу XX века в результате реализа-

ции нескольких грандиозных международных проектов все континенты

оказались закольцованы в единую планетарную информационную су-

пермагистраль.

Какова бы ни была передающая среда, посланный

по ней электрический или световой сигнал неиз-

бежно испытывает ослабление (attenuation) или, как

говорили раньше, затухание. Чем длиннее отрезок

среды, тем ослабление больше. Для каждой передающей среды и каж-

дого типа каналообразующей аппаратуры существует критическое рас-

стояние, за которым ее нормальная работа становится невозможной.

Если же сигнал необходимо передать на более отдаленное расстояние,

то линию передачи приходится разбивать на отдельные участки, со-

Современный оптический кабель состоит из тончайших (0.05–0.1 мм)

стеклянных или пластмассовых волокон – световодов

Усиление

и регенерация

сигналов

314 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

стоящие из отрезков передающей среды и промежуточных пунктов, в

которых осуществляется восстановление ослабленного сигнала и пере-

дача его в следующий отрезок.

Устройство промежуточных пунктов на линии передачи различает-

ся в зависимости от того, какого вида сигналы по ней передаются. Если

система связи аналоговая, то на каждом участке должно происходить

усиление сигнала с сохранением его формы. При этом, поскольку уси-

ливается не только полезный сигнал, но и шумы, «прилипшие» к нему

на предыдущих отрезках передающей среды, то по мере продвижения

сигнала от источника к получателю происходит накопление шумов. Так

как число усилительных пунктов на дальних линиях исчисляется десят-

ками, то к концу путешествия исходный сигнал может сильно исказить-

ся. Именно по этой причине на протяжении многих лет, пока системы

связи были сплошь аналоговыми, междугородные телефонные перего-

воры с далекими родственниками были истинным мучением, старшее

поколение это хорошо помнит.

Цифровые линии передачи устроены иначе. Поскольку форма им-

пульсного сигнала, поступившего на усилительный пункт, несущест-

венна, а важен лишь сам факт его присутствия, там устанавливается не

усилитель, а регенератор (repeater), обнаруживающий сигнал на фоне

шумов и восстанавливающий его исходную форму. Поэтому накопле-

ния шумов не наблюдается, а для борьбы с возможными ошибками об-

наружения сигнала в цифровых системах связи применяются специаль-

Источник ПриемникУ с и л и т е л и

Накопление шумов в аналоговой линии передачи

01010

Источник Приемник

01010

Р е г е н е р а т о р ы

Цифровая линия передачи

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 315

ные методы помехоустойчивого кодирования, общая теория которых

была разработана известным нам Клодом Шенноном. В результате

цифровая линия практически без искажений передает исходный сигнал

вне зависимости от дальности.

Указанное принципиальное свойство цифровых систем сделало их

чрезвычайно привлекательными для использования, и, как только успе-

хи микроэлектроники позволили создавать надежные и компактные

устройства, началась бурная цифровизация систем связи, о которой мы

уже говорили. Появление волоконно-оптических кабелей стимулирова-

ло этот процесс, так как световой сигнал по своей природе двоичный:

световой импульс либо есть, либо его нет.

Длина усилительного или регенерационного участка может варьи-

роваться в широких пределах. Если говорить о кабельных линиях, то

эта длина зависит, во-первых, от конструкции кабеля (дорогой кабель с

толстыми медными жилами дает меньшее ослабление и, следовательно,

допускает большую длину, чем дешевый кабель с тонкими жилами), а,

во-вторых, от вида сигнала, передаваемого по кабелю. Теория распро-

странения сигнала по длинной линии была создана еще научным руко-

водителем проекта трансокеанского телеграфа сэром Уильямом

Томсоном, который в 1855 году вывел так называемые «телеграфные

уравнения». Анализируя их, Томпсон установил «правило квадратов»:

при увеличении длины кабеля в 2 раза допустимая скорость манипуля-

ции падает в 4 раза.

В общем случае критическая длина участка, на котором возможна

связь без усиления или регенерации сигнала, сокращается с расширени-

ем спектра аналогового сигнала или с повышением скорости манипуля-

ции цифрового сигнала, а также с увеличением числа каналов в много-

канальной системе. Например, если обычный телефонный кабель ис-

пользуется для одного разговора, то эта длина составляет 50–60 км, а

если по нему нужно передать три десятка разговоров или соответст-

вующий им цифровой поток порядка 2 Мбит/с, – то она находится в

пределах 3–7 км в зависимости от толщины медных жил и состояния

изоляции, а также от степени совершенства каналообразующей аппара-

туры. При организации магистральных междугородных систем связи с

сотнями и тысячами каналов ТЧ приходится использовать не обычный

телефонный, а специальный высокочастотный коаксиальный кабель,

при этом длина усилительных участков составляет от 1,5 до 6 км.

Для цифровых сигналов со скоростью манипуляции порядка

100 МБод и более, используемых в современных интегральных систе-

316 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

мах связи, критическая длина распространения на медных линиях изме-

ряется уже сотнями метров. Такая дальность вполне достаточна для

развертывания локальных вычислительных сетей, однако об организа-

ции скоростных междугородных систем передачи данных по медным

кабелям не может быть и речи. Такие системы создаются либо на ра-

диорелейных линиях, либо на оптических кабелях, лучшие образцы ко-

торых выдерживают расстояние между пунктами регенерации до 50–

70 км.

Современные цифровые технологии еще раз демонстрируют цик-

личность научно-технического прогресса. Исторически первыми ли-

ниями передачи были именно цифровые телеграфные линии, в которых

регенерация сигнала осуществлялась с помощью электромагнитных

реле, затем их заменили аналоговые телефонные и телевизионные ли-

нии, и вот цифровые системы, реализованные на новом уровне техноло-

гии, опять завоевали мир электросвязи.

В начале настоящего параграфа мы определяли сис-

тему электросвязи как комплекс технических

средств для образования каналов связи между дву-

мя пунктами. Для того чтобы охватить связью территорию, имеющую

множество пунктов, образуются сети электросвязи. Сети электросвязи

– это сооружения громадной стоимости, значительная часть националь-

ного богатства, они создаются и развиваются на протяжении многих

десятилетий. В результате длительной эволюции на территории отдель-

ных стран и в международном масштабе сложилась определенная

структура разнообразных сетей электросвязи, которые предоставляют

абонентам различные виды услуг и взаимодействуют друг с другом.

Первичная сеть. На местном уровне, то есть в пределах населенно-

го пункта, различные услуги связи предоставляются, как правило, неза-

висимыми поставщиками услуг по отдельным линиям. Так, телефонные

разговоры обеспечиваются проложенными под землей городскими те-

лефонными сетями, проводное радиовещание ведется по воздушным

проводным линиям, идущим по крышам зданий, а телевизионные про-

граммы приходят в наш дом через эфир.

Однако на междугородном уровне строить отдельные линии для

различных видов связи крайне невыгодно. Для организации дальней

связи экономически целесообразно создавать мощные многоканальные

системы, по которым могут одновременно передаваться сигналы раз-

ных видов от различных источников. Эти системы со всей сопутствую-

Сети

электросвязи

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 317

щей инфраструктурой (кабельные магистрали, усилительные и регене-

рационные пункты, радиорелейные станции, станции космической свя-

зи и т.д.), а также сетевые узлы, стоящие на пересечении линий переда-

чи, образуют так называемую первичную сеть, которая представляет

собой основу, скелет сети связи.

Для таких больших стран, как Россия первичная сеть подразделяется

на отдельные зоны, обычно соответствующие административному деле-

нию, причем сетевые узлы располагаются, как правило, в администра-

тивных центрах. Магистральная первичная сеть связывает зоны между

собой, а местные сети связывают населенные пункты внутри одной зоны.

На протяжении всего XX века шло формирование первичной сети

связи в национальных и интернациональном масштабах, ее основу со-

ставляют закопанные в землю и идущие по дну океанов сотни тысяч

километров магистральных кабельных линий, к которым во второй по-

ловине века добавились радиорелейные линии и спутники связи. Ком-

муникационная сфера деятельности в силу ее затратности и критично-

сти для национальной безопасности сильно монополизирована и жестко

контролируется государственными органами.

В Советском Союзе национальная первичная сеть принадлежала го-

сударству и управлялась Министерством связи. После распада СССР

произошло расчленение министерства, на территории России появилось

множество операторов связи разного уровня. Основным оператором

дальней связи, владельцем большей части магистральной первичной

сети является АО «Ростелеком», а местные сети связи принадлежат ре-

гиональным компаниям «Томсктелеком», «Новосибирсктелеком» и т.п.

Монополию этого телекоммуникационного сообщества в последние

годы пытается подорвать компания Транстелеком – дитя российских

железных дорог, реализовавшая оригинальный и масштабный проект

альтернативной цифровой магистральной сети связи. Использовав опо-

ры контактной сети в качестве готовых и бесплатных держателей, ком-

пания в короткое время протянула по воздуху вдоль железных дорог

45 тысяч километров оптического кабеля, соединившего 974 населен-

ных пункта в 71 из 89 регионов России (по состоянию на начало

2002 года).

Успех железнодорожников окрылил энергетиков. В конце 2001 года

крупнейший российский монополист РАО ЕС объявил о начале реали-

зации еще одного остроумного телекоммуникационного проекта под

названием ТРОС (ТрансРоссийская Оптическая Сеть). Аббревиатура

выбрана с глубоким смыслом. Как известно, энергетикам принадлежат

318 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

сотни тысяч километров высоковольтных линий электропередачи, ох-

ватывающих всю территорию страны. Суть проекта в том, чтобы заме-

нить обычный грозозащитный трос, который проходит по верхушкам

опор, на специальный, в котором кроме стальных жил имеются еще и

оптические волокна. Стоимость этого амбициозного и гигантского по

масштабам замысла превышает 1 млрд долларов, но если он осущест-

вится, то российский рынок телекоммуникаций приобретет еще одного

мощного оператора дальней связи.

В США наблюдаются аналогичные процессы демонополизации.

Созданная во времена Александра Белла супермонополия AT&T завое-

вала такое доминирующее положение на рынке услуг связи, что в

1984 году в соответствии с американским антимонопольным законода-

тельством ее принудительно расчленили на несколько самостоятельных

телекоммуникационных компаний. Самой AT&T оставили сектор услуг

дальней магистральной связи, где она вступила в конкуренцию с двумя

другими крупнейшими компаниями – Sprint и MCI Communications, а

для обслуживания зоновых сетей были образованы семь дочерних ком-

паний «Baby Bells»: Bell Atlantic, Bell South и др.

В Великобритании крупнейшими телекоммуникационными компа-

ниями, владеющими магистральной сетью, являются British Telecom и

Cable&Wireless, в Германии – Deutsche Telecom, во Франции – France

Магистральные каналы Транстелеком

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 319

Telecom. Для обеспечения магистральной связи на планетарном уровне

создаются консорциумы, подобные Global One, в создании которого

приняли участие фирмы Deutsche Telekom, France Telecom и Sprint или

MCI WorldCom, образованный MCI и British Telecom.

Россия подключилась к первичной мировой цифровой сети консор-

циума MCI WorldCom в 1993–1998 годах в трех точках: на западе через

ВОЛС Копенгаген (Дания) – Кингисепп длиной 1210 км; на юге через

морскую оптическую линию Палермо (Италия) – Стамбул (Турция) –

Одесса (Украина) – Новороссийск длиной 3540 км; на востоке через

оптический кабель Находка – Наоэцу (Япония) – Пусан (Корея) длиной

1762 км. В это же время внутри страны начали реализовываться проек-

ты цифровой модернизации первичной сети связи, соединяющей ос-

новные административные центры. Важным звеном этой сети является

транссибирская информационная магистраль, которая представляет со-

бой участки оптоволоконного кабеля, дублированные мощной радиоре-

лейной линией Москва – Хабаровск.

Вторичные сети. На базе первичных сетей в масштабах страны, ре-

гиона или города создаются разнообразные вторичные

сети, соответст-

вующие тем или иным услугам связи.

Знакомая всем и самая распространенная на сегодняшний день вто-

ричная сеть – телефонная сеть общего пользования (ТфОП), которая в

последние годы дополняется сетями мобильной телефонной связи. Чис-

ло стационарных телефонных аппаратов на планете к 2000 году превы-

сило миллиард, а количество сотовых телефонов в некоторых странах

уже превышает численность населения.

Кроме телефонной сети общего пользования существует великое

множество вторичных сетей, предоставляющих абонентам самые раз-

нообразные услуги (телеграфия, видеотелефония, радиовещание, теле-

видение, передача данных и т.д.). Некоторые являются публичными,

такими, как сеть радиовещания или телевидения, другие носят сугубо

ведомственный характер, например сеть связи для системы резервиро-

вания билетов на авиалиниях, сеть для обслуживания банкоматов или

сеть для управления железными дорогами. Начиная с 1980-х годов в

связи с развитием компьютерных сетей стали создаваться многочис-

ленные публичные и ведомственные сети передачи данных, о чем мы

будем говорить особо.

Любая вторичная сеть состоит из: 1) абонентов (subscriber), поль-

зующихся услугой данной вторичной сети; 2) узлов (node); 3) абонент-

320 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

ских линий (subscriber line), связывающих абонентов с узлами; для сетей

передачи данных этот участок часто называют «последней милей»;

4) соединительных каналов (их часто называют соединительными ли-

ниями – trunk line, но это не совсем правильно, так как канал может

быть организован как угодно), арендованных у владельцев первичной

сети и постоянно соединяющих между собой узлы сети.

По способу установления соединения вторичные сети подразделя-

ются на некоммутируемые и коммутируемые. В некоммутируемой сети

сквозные каналы связи между абонентами образуются на длительное

время путем распайки проводов на кроссах в узлах сети. Таким спосо-

Обозначения

Многоканальная

система связи

Сетевой узел

первичной сети

Узел коммутации вторичной

телефонной сети

Узел коммутации вторичной

компьютерной сети

Абонент

телефонной сети

Абонент

компьютерной сети

Зона 1 Зона 2

Зона 3

Зона 4

Первичная и вторичные сети связи