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

Подождите немного. Документ загружается.

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 321

бом, например, банкоматы, стоящие в разных концах города, подклю-

чаются к процессинговому центру банка или телефоны подчиненных

соединяются с пультом связи, стоящим на столе у высокого начальника.

Достоинством некоммутируемого (выделенного) канала является его

постоянная готовность к работе, однако он стоит довольно дорого, по-

тому что все соединительные каналы, образующие сквозной канал, за-

резервированы только для двух данных абонентов и не могут быть ис-

пользованы другими.

Коммутация каналов. Для удешевления вторичных сетей связи

повсеместно используется принцип коммутации каналов (channel

switcing), который мы проиллюстрируем на примере простейшей теле-

фонной сети с четырьмя узлами коммутации (телефонными станциями)

A, B, C, D и четырьмя абонентами. Когда абонент 1 поднимает трубку и

набирает номер абонента 4, на телефонных узлах A, B и D происходит

процесс установления сквозного канала, при этом на протяжении дан-

ного разговора будут заняты соединительные каналы A→B и B→D, но

как только разговор окончится, эти каналы станут доступными для дру-

гих соединений. В городе среднего размера, где число абонентов изме-

ряется десятками тысяч, количество узловых телефонных станций

обычно не превышает 10–20, а число соединительных каналов между

узлами исчисляется всего лишь сотнями, они представляют собой очень

дефицитный и активно используемый ресурс. Иногда все соединитель-

ные каналы бывают заняты и тогда, набрав номер, абонент, слышит со-

общение с телефонной станции: «Направление перегружено...».

АЛ - абонентская линия. СЛ - соединительная линия

Абонент 1

Абонент 3

Абонент 2

Абонент 4

Принцип коммутации каналов

322 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

Кроме публичной и множества специальных коммутируемых теле-

фонных сетей (всем известна, например, кремлевская «вертушка» в Мо-

скве или междугородная сеть ВЧ, по которой еще Сталин общался с

руководителями республик и областей) имеются коммутируемые сети

для предоставления других услуг связи. В последние годы многие го-

родские телефонные станции стали предлагать частным абонентам и

небольшим организациям относительно недорогую услугу, называемую

ISDN (Integrated Services Digital Network – Цифровая сеть с интегриро-

ванными службами). ISDN представляет собой коммутируемую сеть, в

которой подключение абонентов производится по обычным кабельным

телефонным линиям. Соединение с нужным абонентом производится

набором номера, но при этом обмен сообщениями происходит в цифро-

вом формате, то есть без шумов и искажений. Скорость передачи дан-

ных стандартного ISDN-канала составляет 128 Кбит/с (два базовых ка-

нала), что позволяет комфортно работать в сети интернет, ведя одно-

временно разговор по телефону, организовать видеотелефонную связь и

даже соединить цифровым каналом две разнесенные локальные сети.

Подводя итог разделу, посвященному системам и сетям

электросвязи, еще раз рассмотрим проблему «послед-

ней мили» с точки зрения администратора вычисли-

тельной системы предприятия или владельца домашне-

го компьютера. Для большинства абонентов, желающих иметь скорост-

ной, надежный и к тому же дешевый канал передачи данных до бли-

жайшего оператора сети, именно эта проблема является самой живо-

трепещущей и трудноразрешимой, приходится искать разумный ком-

промисс между качеством и стоимостью.

На сегодняшний день принципиально возможны несколько вариан-

тов решения проблемы последней мили:

1. Коммутируемое аналоговое соединение по телефонной сети

общего пользования. Достоинства – самая низкая стоимость, неогра-

ниченная дальность (по модему можно связаться с оператором сети,

расположенным где угодно). Недостатки – низкая скорость передачи

данных (в пределе 56 кбит/с, а реально еще меньше), негарантирован-

ная надежность, невозможность пользоваться каналом длительное вре-

мя (особенно при повременной оплате). Несмотря на указанные недос-

татки, этот способ подключения является основным для подавляющего

большинства владельцев домашних компьютеров.

Проблема

последней

мили

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 323

2. Коммутируемое цифровое ISDN-соединение. Достоинства – не-

плохая для дома или малого офиса скорость (128 кбит/с), невысокая

стоимость (примерно в два раза выше, чем для обычного телефона),

высокая надежность, неограниченная дальность, малое время установ-

ления соединения, возможность пользования телефонным аппаратом на

фоне передачи данных. Недостатки – относительная нераспространен-

ность этого вида услуг связи, необходимость установки дополнительно-

го оборудования как у абонента, так и у оператора сети. Сервис ISDN в

настоящее время предоставляется далеко не всеми телефонными ком-

паниями, особенно в небольших городах и сельской местности.

3. Некоммутируемое цифровое DSL-соединение. Технология DSL

(Digital Subscriber Line – Цифровая абонентская линия) предполагает

наличие выделенной медной линии, напрямую соединяющей абонента с

оператором компьютерной сети. Такая линия арендуется у телефонной

компании и стоит относительно недорого (в 2–4 раза дороже обычного

телефона), основные затраты идут на покупку оконечного оборудова-

ния DSL (кабельного модема) и аренду соответствующего порта у опе-

ратора сети. Технология DSL имеет несколько разновидностей (ADSL,

SDSL и др., в совокупности их обозначают xDSL), каждая из которых

рассчитана на определенную длину и свойства абонентской линии.

Достоинствами DSL являются высокая скорость передачи данных (в

зависимости от качества и длины медной линии от 0,5 до 10 Мбит/с) и

постоянство соединения, а главный недостаток, если не считать стои-

мости, – ограниченная длина линии (предельная дальность при разных

вариантах технологии колеблется от 1,5 до 6 км). В настоящее время

этот вариант устройства «последней мили» является основным для мно-

гих организаций.

В чистом виде технология некоммутируемого соединения предпо-

лагает, что арендованная у телекоммуникационной компании медная

линия не имеет выхода в телефонную сеть общего пользования, а ис-

пользуется только для связи с оператором компьютерной сети. Для ча-

стного абонентна это неудобно, так как в дом нужно тянуть две теле-

фонных линии. В связи с этим многие телефонные компании стали

предлагать вариант технологии под названием ADSL, при котором по

одной паре проводов возможна одновременная передача как голоса, так

и данных. Для этого у абонента и на ближайшем телефонном узле уста-

навливаются специальные мультиплексоры, называемые сплиттерами

324 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

(splitter), которые организуют двухканальную систему связи. Звуковой

аналоговый сигнал передается по этой системе в телефонную сеть, а

цифровой поток данных отправляется провайдеру компьютерной сети;

телефон и компьютер не мешают друг другу. Стоимость услуг ADSL

постоянно снижается, она всего в 2–3 раза превышает абонентскую

плату за квартирный телефон, в ближайшие годы этот сервис станет

повсеместным.

Разновидностью технологии DSL можно считать подключение ком-

пьютера к цифровой сети через систему кабельного телевидения. В

этом случае также происходит мультиплексирование двух каналов

электросвязи (аналогового телевизионного и цифрового компьютерно-

го) с совместным использованием медного высокочастотного коакси-

ального кабеля. Стоимость и скорость передачи данных по данной тех-

нологии сравнимы с ADSL, соответствующие операторы связи посто-

янно конкурируют друг с другом.

4. Оптический кабель. С точки зрения скорости и надежности этот

способ подключения является наилучшим. Оптический кабель выпус-

кается в двух разновидностях – одномодовый (толщина жилы порядка

0,06 мм) и многомодовый (жила в несколько раз толще). Одномодовый

кабель дороже, требует более дорогого согласующего оборудования, но

он обеспечивает дальность соединения до 60–80 км и скорость до

1 Гбит/с. По этой причине одномодовый кабель используется в основ-

ном на магистральных участках сетей. Для организации «последней

мили» обычно применяется многомодовый кабель, обеспечивающий

скорость передачи данных до 100 Мбит/с на дальности до 2 км. Опти-

ческие сети передачи данных очень быстро развиваются, во многих

больших городах оптические кабели заходят не только в офисы круп-

ных организаций, но и в частные дома. Пока услуги оптического под-

ключения стоят недешево, но за этой технологией будущее. Жители

многоквартирных домов для уменьшения затрат часто реализуют ком-

бинированную технологию: уличный ввод делается оптическим кабе-

лем, а внутренняя разводка осуществляется медными витыми парами.

Естественно, это требует дополнительного коммутационного оборудо-

вания, но стоимость его в пересчете на одну квартиру оказывается

вполне приемлемой. При этом скорость передачи данных достигает 10–

100 Мбит/с.

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 325

5. Оптический луч. В некоторых случаях, когда подводка оптиче-

ского кабеля невозможна, а абонент и оператор сети находятся в преде-

лах прямой видимости, используется технология лазерного луча в атмо-

сфере. Скорость передачи данных при этой технологии обычно состав-

ляет от 2 до 10 Мбит/c, а дальность в зависимости от мощности излуча-

теля варьируется от нескольких сот метров до десятка километров. Не-

достатком этой технологии является некоторая зависимость от погод-

ных условий. Хотя инфракрасные лучи проходят сквозь туман и пелену

небольшого дождя, сильный ливень или снегопад могут прервать связь.

6. Наземная радиолиния. В ряде городов сетевые компании пре-

доставляют абонентам услугу радиодоступа в диапазоне сантиметровых

радиоволн. Базовая станция оператора сети помещается на высоком

здании в центре обслуживаемого района, а у абонентов устанавливают-

ся маломощные радиостанции с зеркалами-антеннами, направленными

на базовую станцию. Скорость передачи данных по такой радиолинии,

в зависимости от загруженности эфира, обычно составляет от несколь-

ких сот кбит/с до 10 Мбит/с. Этот способ устройства «последней мили»

очень удобен для сельской местности, где отсутствует развитая теле-

фонная связь. Кроме того, подкупает мобильность радиодоступа, або-

нентское оборудование можно смонтировать за несколько часов, это

может оказаться решающим фактором при организации выставок, вы-

ездных презентаций и т.п. Главный недостаток, опять-таки без учета

экономических обстоятельств, заключается в требовании прямой види-

мости, так как в данном диапазоне радиоволны распространяются стро-

го по прямой и почти не огибают препятствия.

7. Wi-Fi. Современной альтернативой классической наземной ра-

диолинии с зеркалами-антеннами является технология Wi-Fi, которая в

последние годы распространяется со скоростью лесного пожара. Аб-

бревиатура Wi-Fi расшифровывается как Wireless Fidelity, так, по об-

разцу Hi-Fi, называют стандарт IEEE 802.11 передачи цифровых дан-

ных по радиоканалам. Под числом 802.11 скрывается целое семейство

стандартов, но технически реализованы только два – 802.11a и 802.11b.

Последний в обиходе чаще всего и именуется Wi-Fi. Стандарт 802.11b

был разработан в конце 90-х годов и окончательно одобрен в начале

1999-го, он использует «бытовую» частоту 2,4 ГГц и обеспечивает ско-

рость передачи данных 11 Мбит/с. Стандарт 802.11a ориентирован на

более высокую несущую частоту 5 ГГц, но зато обеспечивает скорость

передачи данных до 55 Мбит/с.

326 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

Первыми потребителями новой технологи стали компании Силико-

новой долины и других технологических центров США. Сначала Wi-Fi

воспринималась только как технология офисных локальных сетей «для

того, чтобы не сверлить дырки в стенах», но затем спрос на новые уст-

ройства возрос невиданными темпами, так как стандарт был оптимален

по соотношению цена – качество – удобство. Прежние беспроводные

технологии требовали от пользователей установки громоздких уст-

ройств, стоивших несколько сотен долларов каждое, и сложно настраи-

ваемых базовых станций ценою в несколько тысяч долларов. А устрой-

ства Wi-Fi невелики и дешевы: базовая станция размером с книгу стоит

меньше сотни долларов, карточка-антенна для ноутбука – десяток. В

последние годы в самых различных публичных местах – аэропортах,

университетских зданиях, кафе и т.п. – стали устанавливаться базовые

станции Wi-Fi, подключенные по обычной кабельной технологии к ин-

тернету. Вокруг таких точек доступа (hotspot), на расстоянии в сотни

метров можно пользоваться ноутбуками или КПК, не заботясь о физи-

ческом подключении к компьютерной

сети. Более того, на основе Wi-Fi мож-

но за сотню-другую долларов быстро и

просто организовать беспроводную

локальную сеть дома или в малом

офисе без дырок в стенах и кабельных

магистралей.

Билл Гейтс считает Wi-Fi одним из

самых значительных новшеств за по-

следнее пятилетие и предстказывает ей

бурное развитие. Поэтому поддержка

данной технологии включена в опера-

ционную систему Windows XP: не-

профессиональному пользователю буквально в несколько кликов мыш-

кой можно самому организовать и настроить беспроводную сеть стан-

дарта Wi-Fi.

8. Радиодоступ через мобильный телефон. Современная сотовая

телефония в основном использует цифровой стандарт GSM, поэтому

вполне естественным представляется подключение абонента через это

недорогое устройство. Для этой цели мобильные телефоны имеют спе-

циальный разъем, а коммуникаторы, о которых мы говорили в конце

Точка доступа Wi-Fi и КПК

с вставленной картой-антенной

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 327

второй главы, изначально имеют выход в систему сотовой связи. Хотя

для работы с такими устройствами существует специальная программ-

ная технология Wireless Application Protocol – WAP, скорость передачи

данных не превышает 14,4 кбит/с, к тому же стоимость использования

такого канала при современных тарифах на сотовую связь получается

непомерно большой.

Пытаясь расширить рынок услуг, операторы сотовой связи стали

осваивать новую технологию GPRS – General Packet Radio Service. Это

– своеобразная надстройка над обычной GSM-сетью, которая позволяет

передавать данные на существенно более высоких, чем в обычной GSM

сети, скоростях. Для передачи данных, помимо высокоэффективных

алгоритмов кодирования, используется своеобразная технология. Або-

ненту автоматически выделяются неиспользуемые в данный момент

времени тайм-слоты, при этом разговор и передача данных могут про-

исходить одновременно. Теоретический максимум в GPRS составляет

171,2 кбит/с при всех занятых слотах, реальная же скорость существен-

но зависит от загрузки сети в данный момент. Подключив ноутбук к

мобильному телефону, обслуживаемому GPRS, абонент имеет возмож-

ность, сидя в автомобиле или на лужайке, пользоваться всеми услугами

компьютерной сети с удобствами, не худшими, чем при работе по мо-

дему из дома.

9. Спутниковая асимметричная радиолиния (DirecPC). Все опи-

санные выше технологии «последней мили» были симметричными:

пропускная способность канала передачи данных в обоих направлениях

одинакова. Однако иногда интенсивность потоков данных от оператора

к абоненту (нисходящего) и от абонента к оператору сети (восходяще-

го) резко различаются. Подобная ситуация возникает, например, при

работе в интернете: абонент посылает короткий запрос в сотню симво-

лов, а назад получает мегабайтный набор данных с текстом и картинка-

ми. Специально для таких абонентов изобретена остроумная техноло-

гия DirecPC.

Нисходящий канал организован в виде спутникового вещания непо-

средственно на компьютер пользователя. Поскольку мощность пере-

датчика относительно велика, то для приема сигнала абоненту доста-

точно установить небольшую параболическую антенну (диаметром

около 60 см) и приемное устройство ценой в несколько сот долларов,

при этом обеспечивается скорость приема данных до 400 кбит/с. Вос-

328 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

ходящий же канал организуется любым доступным абоненту наземным

способом, например, через простейшее коммутируемое аналоговое со-

единение, скорость 19,2 кбит/с оказывается вполне достаточной для

комфортной работы. Данная технология прокладки «последней мили»

(правда, расстояние до спутника составляет не одну тысячу миль) ока-

залась экономически целесообразной даже в Западной Европе с ее разви-

той системой наземных коммуникаций. Для нашей же страны с ее без-

граничными просторами и слабой телефонной сетью она представляется

исключительно перспективной, особенно в сельской местности. В каче-

стве примера приведем осуществленный в 2004 году «президентский»

проект подключения всех сельских школ ряда регионов к интернету.

§ 4.4. Предыстория современных компьютерных

сетей: телеобработка и сети с коммутацией

каналов

Компьютерные сети, как и сами компьютеры,

имеют достаточно долгую и непростую историю.

Хронологию их развития можно подразделить на

три этапа.

Первый этап (50-е и 60-е годы) – подключение удаленных терми-

налов к компьютерам (теледоступ). В первое десятилетие компьютер-

ной эры (50-е годы), когда ЭВМ были большой редкостью и стояли да-

леко не во всех городах, большой удачей считалась сама возможность

пообщаться с ними хотя бы по медленному и ненадежному телетайпу.

Развитие техники связи и изобретение модемов в 60-е годы дали воз-

можность организовать разветвленные сети теледоступа.

Второй этап (70-е годы) – подключение компьютеров друг к другу.

С начала 70-х годов в мире начали создаваться многочисленные тер-

риториальные (Wide Area Networks – WAN) и локальные (Local Area

Networks – LAN) компьютерные сети в современном понимании, пре-

доставляющие высокоуровневые сетевые услуги (удаленные вычисле-

ния, передача файлов, электронная почта и др.). На первых порах для

передачи сообщений между компьютерами использовался принцип фи-

зической коммутации каналов, но впоследствии он был повсеместно

вытеснен более надежным и экономным принципом коммутации паке-

Поколения

компьютерных

сетей

§ 4.4] ПРЕДЫСТОРИЯ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ 329

тов. Сети второго поколения, как и ЭВМ второго поколения, отлича-

лись разнообразием и несовместимостью. Два абонента, даже находя-

щиеся на небольшом расстоянии друг от друга, могли общаться, если

только они принадлежали одной сети.

Третий этап (80-е и 90-е годы) – подключение изолированных се-

тей друг к другу и образование всемирной «сети сетей» Internet.

Теледоступ (remote access) или, иначе, телеоб-

работка – процесс общения пользователя по

каналом связи с вычислительной машиной, на-

ходящейся от него на значительном расстоя-

нии. Эксперименты по телеобработке были предприняты еще до изо-

бретения электронных вычислительный машин. Исторически первым

считается опыт, показанный Джорджем Стибицем в 1940 году на засе-

дании Американского математического общества, который проходил в

Дармутском колледже (мы знаем его как родину Бэйсика) в городе Ха-

новере. Телеграфный аппарат, расположенный там, был подключен к

релейному вычислителю Bell-I, находящемуся за сотни километров в

Нью-Йорке. Два комплексных числа были отправлены по телеграфу в

машину, перемножены, а результат вернулся обратно в Хановер.

Сразу после появления первых ЭВМ стали реализовываться различ-

ные технические идеи по телеобработке. Поскольку самым доступным

диалоговым устройством ввода-вывода в то время был буквопечатаю-

щий телеграфный аппарат – телетайп, то большинство систем телеоб-

работки в 50-е годы основывалось на телеграфных каналах связи.

Принципиальным недостатком такой схемы является крайне низкий

коэффициент использования компьютера. Дело в том, что скорость ра-

боты электромеханического телетайпа очень мала – до 10 символов в

Первые

эксперименты

по телеобработке

Центральная ЭВМ

Устройство

сопряжения

Устройство

сопряжения

Телетайп

Линия связи

Канал связи

Система телеобработки по телеграфному каналу связи

330 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

секунду, а операционных систем с разделением времени еще не суще-

ствовало. Таким образом, при работе по телеграфной линии процессор

почти все время простаивал. Только после того как к одному компью-

теру стало возможным подключать несколько одновременно работаю-

щих терминалов, телеобработка стала экономически целесообразной.

Удачным примером такой системы может служить коллективный Бэй-

сик-интерпретатор того же Дармутского колледжа (1964 г.), о котором

мы уже рассказывали.

ЭВМ третьего-четвертого поколений, полу-

чившие широкое распространение в конце 60 –

70-х годах, были уже достаточно мощными, но

еще слишком дорогими и громоздкими, чтобы их могли приобрести

обычные, не слишком богатые предприятия и организации. Надежды

пользователей в то время были связаны с идеей

коллективного исполь-

зования компьютеров, тем более что техническая возможность поддер-

жания многопользовательского режима уже появилась: на смену теле-

тайпам пришли электронные дисплейные терминалы, были созданы

диалоговые операционные системы с разделением времени. Для под-

ключения удаленных терминалов к ЭВМ стали широко использоваться

телефонные каналы. Скорости в несколько кбит/с, которую обеспечи-

вал стандартный телефонный канал ТЧ и модем, было вполне достаточ-

но для комфортной работы за терминалом. Типичная схема системы

телеобработки, использующей телефонные каналы, приведена на ри-

сунке. Центральная ЭВМ, работающая в режиме разделения времени,

оснащена специальным устройством – мультиплексором передачи дан-

ных, позволяющим подключить несколько (в системе IBM 360 – до 256)

удаленных абонентов. Абоненты подключаются к системе по каналам

связи, которые могут быть либо выделенными, либо обычными теле-

фонными каналами ТЧ, устанавливаемыми на время сеанса связи через

коммутирующее оборудование городских телефонных станций.

Абонентами в системе телеобработки могут выступать не только

дисплейные терминалы, но и другие устройства – кассовые аппараты,

банковские терминалы, датчики физических величин и исполнительные

устройства в системах телеуправления и контроля и т.д. В частности, в

роли абонента может выступить другая ЭВМ, в этом случае мы имеем

уже не просто систему телеобработки, а простейшую компьютер-

ную сеть.

Телеобработка

в 60-е и 70-е годы