Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

271

Потребности во все большем диапазоне частот заставляют по-

стоянно совершенствовать технологию, благодаря чему для связи

используются все более высокие частоты. Микроволновая связь

стала настолько широко использоваться, что начала ощущаться

нехватка ширины спектра, поэтому при использовании частот

существуют определенные международные и национальные со-

глашения.

Для связи на небольших расстояниях широко применяются

инфракрасное

и миллиметровое излучения. Дистанционные

пульты управления для телевизоров, видеомагнитофонов и сте-

реоаппаратуры используют инфракрасное излучение. Они отно-

сительно направленные, дешевые и легкоустанавливаемые, но

имеют один важный недостаток: инфракрасное излучение не

проходит сквозь твердые объекты.

С другой стороны, тот факт, что инфракрасные волны не про-

ходят сквозь стены, является также и

положительным. Ведь это

означает, что инфракрасная система в одной части здания не бу-

дет интерферировать с подобной системой в соседней комнате.

Кроме того, это повышает защищенность инфракрасной системы

от прослушивания по сравнению с радиосистемой. По этой при-

чине для использования инфракрасной системы связи не требует-

ся государственная лицензия. Связь в инфракрасном

диапазоне

применяется в настольных вычислительных системах (например,

для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой

роли в телекоммуникации.

Достаточно широкое распространение получила беспроводная

связь для соединения локальных сетей между зданиями при по-

мощи лазеров, установленных на крышах. Связь с помощью ко-

герентных волн лазера является сугубо однонаправленной,

по-

этому для двусторонней связи необходимо на каждой крыше ус-

тановить по лазеру и по фотодетектору. Такая технология позво-

ляет организовать связь с очень высокой пропускной способно-

стью при очень низкой цене. Кроме того, такая система довольно

просто монтируется и, в отличие от микроволновой связи, не тре-

бует лицензии.

Узкий луч

лазера наряду с преимуществами, создает некото-

рые проблемы. Чтобы попасть узким лучом в фотодетектор, не-

обходима точная настройка. Недостатком луча является также

272

его отклонение и даже неспособность проходить сквозь густой

туман и дождь, а также отклонение из-за конвекции горячего воз-

духа (см. рис. 8.9).

Рис. 8.9. Связь с помощью лазера

В создании беспроводных коммуникаций важная роль при-

надлежит спутникам связи. Спутникам связи присущи опреде-

ленные свойства, делающие их чрезвычайно привлекательными

для самых разных областей применения. Спутник связи можно

представить в виде огромного микроволнового повторителя, ви-

сящего в небе. Он включает в себя несколько транспондеров, ка-

ждый из которых настроен на определенную часть частотного

спектра. Транспондеры усиливают сигналы и преобразуют их на

новую частоту, чтобы при отправке на Землю отраженный сигнал

не накладывался на прямой. Нисходящий луч может быть как

широким, покрывающим огромные пространства на Земле, так и

узким, который можно принять в области, ограниченной лишь

несколькими

сотнями километров. Последний метод называется

трубой.

В соответствии с законом Кеплера, период обращения спут-

ника зависит от его орбиты. Вблизи поверхности Земли период

обращения вокруг нее составляет примерно 90 минут. Следова-

тельно, спутники, расположенные на малой высоте, слишком бы-

стро исчезают из вида приемно-передающих устройств, располо-

273

женных на Земле, поэтому необходимо организовывать непре-

рывные зоны покрытия.

На высоте 35800 км располагаются геостационарные спутни-

ки (GEO) с периодом обращения 24 часа. В технологии GEO за-

держка передачи сигнала составляет около 270 мс. Важным свой-

ством спутников является то, что они являются исключительно

широковещательным средством передачи данных. На отправку

сообщения сотням абонентов, находящихся

в зоне следа спутни-

ка, не затрачивается никаких дополнительных ресурсов по срав-

нению с отправкой сообщения одному из них. Для некоторых

применений это свойство очень полезно. Например, можно пред-

ставить себе кэширование на спутнике популярных веб-страниц,

что резко повысит скорость их загрузки на сотни компьютеров,

находящихся довольно далеко друг от

друга. С другой стороны, с

точки зрения защиты информации и конфиденциальности дан-

ных, спутники доставляют большие проблемы, так как их может

прослушивать кто угодно. Здесь на защиту тех, кому важен огра-

ниченный доступ к информации, встает криптография. Спутники

связи обладают еще одним замечательным свойством – незави-

симостью стоимости передачи от расстояния

между узлами. Кос-

мические телекоммуникационные технологии, кроме того, обес-

печивают очень высокую степень защиты от ошибок и могут

быть развернуты на местности практически мгновенно.

Средневысотные спутники вращаются вокруг земли на высо-

те около 18000 км. Если смотреть на них с Земли, то будет замет-

но их медленное дрейфование по небосводу. Средневысотные

спутники

делают полный оборот вокруг нашей планеты пример-

но за 6 часов. Поскольку эти спутники находятся гораздо ниже,

чем геостационарные, то и «засвечиваемое» ими пятно на по-

верхности Земли имеет более скромные размеры. Зато для связи с

ними требуются менее мощные передатчики.

На высоте около 1000 км вращаются низкоорбитальные спут-

ники. Для того

чтобы создать целостную систему, охватывающую

весь земной шар, нужно большое количество таких спутников.

Причиной тому является, прежде всего, высокая скорость их

движения по орбите. С другой стороны, благодаря относительно

небольшому расстоянию между наземными передатчиками и

спутниками не требуется мощных передатчиков, а задержки со-

274

ставляют несколько миллисекунд. Примером низкоорбитальных

спутников являются проекты Iridium и Globalstar. Система Iridium

состоит из 66 спутников, вращающихся на высоте 750 км. Эта

система обеспечивает пересылку данных между удаленными

абонентами путем передачи сигналов от одного спутника к дру-

гому. Связь предоставляется с любой точки земного шара при

помощи ручных устройств. Система Globalstar построена на 48

спутниках

Проект Teledesic предназначен

для пользователей Интернета

по всему миру, которым требуется высокая пропускная способ-

ность канала. Целью Teledesic было обеспечить миллионы поль-

зователей Интернета спутниковым каналом связи со скоростью

100 Мбит/с. Система состоит из 30 спутников, вращающихся на

высоте 130 км. Передача должна осуществляться в высокочас-

тотном диапазоне с широкой полосой. Teledesic представляет со-

бой космическую систему

с коммутацией пакетов, при этом каж-

дый спутник является маршрутизатором и может пересылать

данные на соседние спутники. Когда пользователь запрашивает

полосу для передачи данных, она предоставляется ему динамиче-

ски на 50 мс. Систему предполагается запустить в 2005 году.

На сегодняшний день оптоволоконные кабели стали победи-

телями среди средств связи. Тем не менее,

у спутников имеются

свои области применения, в которых оптоволокно, увы, бессиль-

но. Во-первых, несмотря на то, что у отдельно взятого оптическо-

го волокна пропускная способность выше, чем у всех спутников

вместе взятых, большинству пользователей это мало что дает.

Пока что оптоволоконные кабели используются в основном в те-

лефонных сетях для

обеспечения большого количества одновре-

менных звонков. При применении спутниковой системы доста-

точно установить антенну на крыше дома, и пользователь полу-

чит очень неплохую пропускную способность линии, никак не

связанной с телефонной сетью. Эту идею использует, например,

Teledesic.

Второй областью применения спутниковой связи является

мобильная телефония. Третья область касается вопросов, в кото

рых принципиально широковещание. Сообщение, отправленное

через спутник, могут получить одновременно тысячи абонентов

275

на Земле. В-четвертых, нельзя забывать о местах, куда очень тя-

жело протянуть кабель.

В целом, основным средством телекоммуникаций на Земле,

вероятно, будет комбинация оптоволокна и сотовой радиосвязи.

Хотя оптоволоконные кабели обладают очень высокой пропуск-

ной способностью, беспроводные системы, как наземные, так и

спутниковые, будут вести очень жесткую политику ценовой кон

куренции. Если будет продолжаться удешевление спутниковых

систем, а низкоорбитальные спутники постепенно будут все

больше использоваться в телекоммуникациях, то не исключено,

что оптоволоконные сети уйдут с ведущих ролей на большинстве

рынков.

8.3. Режимы передачи информации

При обмене данными на физическом уровне единицей инфор-

мации является бит, поэтому средства физического уровня всегда

поддерживают побитовую синхронизацию между приемником и

передатчиком. Канальный уровень оперирует кадрами данных и

обеспечивает синхронизацию между приемником и передатчиком

на уровне кадров. В обязанности приемника входит распознава-

ние начала первого байта кадра, распознавание границ полей

кадра и распознавание признака окончания кадра. Обычно доста-

точно обеспечить синхронизацию на указанных двух уровнях –

битовом и кадровом, чтобы передатчик и приемник смогли обес-

печить устойчивый обмен информацией.

Однако при плохом качестве линии связи для удешевления

аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят

дополнительные средства синхронизации на уровне байт. Такой

режим работы называется асинхронным или старт-

стопным. Другой причиной использования такого режима ра-

боты является наличие устройств, которые генерируют байты

данных в случайные моменты времени. Так работает клавиатура,

с которой человек вводит данные для обработки их компьюте-

ром. В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождает-

ся специальными сигналами «старт» и «стоп

». Назначение этих

сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о

276

приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно

времени для выполнения некоторых функций, связанных с син-

хронизацией, до поступления следующего байта.

При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между

каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные соби-

раются в кадр, который начинается и заканчивается байтами син-

хронизации. Байт синхронизации – это

байт, содержащий заранее

известный код, например 0111110, который оповещает приемник

о приходе кадра данных. При его получении приемник должен

войти в режим байтовой синхронизации с передатчиком, то есть

правильно понимать начало очередного байта кадра.

На рисунке 8.10 изображены схемы асинхронной (а) и син-

хронной (б) передачи на уровне байтов.

. . .

Старт

Байт

Стоп Старт

Байт

Стоп

Синхро-

байт

Байт Байт Байт

Синхро-

байт

Рис. 8.10. Схема асинхронной (а) и синхронной (б) передачи

В зависимости от направления возможной передачи данных

способы передачи данных по линии связи делятся на следующие

типы:

симплексный – передача осуществляется по линии связи толь-

ко в одном направлении;

полудуплексный – передача ведется в обоих направлениях, но

попеременно во времени (примером такой передачи служит

тех-

нология Ethernet);

дуплексный – передача ведется одновременно в двух направ-

лениях.

Дуплексный режим – наиболее универсальный и производи-

тельный способ работы канала. Самым простым вариантом орга-

низации дуплексного режима является использование двух неза-

277

висимых физических каналов (двух пар проводников или двух

световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплекс-

ном режиме, то есть передает данные в одном направлении.

Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного ре-

жима работы во многих сетевых технологиях, например Fast

Ethernet или АТМ. Иногда такое простое решение оказывается

недоступным

или неэффективным. Чаще всего это происходит в

тех случаях, когда для дуплексного обмена данными имеется все-

го один физический канал, а организация второго связана с

большими затратами. Например, при обмене данными с помо-

щью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется

только один физический канал связи с АТС – двухпроводная ли-

ния

. В таких случаях дуплексный режим работы организуется на

основе разделения канала на два логических подканала с помо-

щью технологии частотного мультиплексирования (Frequency Di-

vision Multiplexing, FDM) или временного мультиплексирования

(Time Division Multiplexing, TDM).

Модемы для организации дуплексного режима работы на

двухпроводной линии применяют технику FDM. Модемы, ис-

пользующие частотную модуляцию, работают на четырех часто-

тах: две частоты – для кодирования

единиц и нулей в одном на-

правлении, а остальные две частоты – для передачи данных в об-

ратном направлении.

При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпро-

водной линии организуется с помощью техники TDM. Часть

тайм-слотов используется для передачи данных в одном направ-

лении, а часть – для передачи в другом направлении. Обычно

тайм

-слоты противоположных направлений чередуются. TDM-

разделение линии характерно, например, для цифровых сетей с

интеграцией услуг (ISDN) на абонентских двухпроводных окон-

чаниях. В волоконно-оптических кабелях с одним оптическим

волокном для организации дуплексного режима работы применя-

ется передача данных в одном направлении с помощью светового

пучка одной длины волны, а в обратном – с

другой длины волны.

При передаче кадров данных на канальном уровне использу-

ются как дейтаграммные процедуры, работающие без установле-

ния соединения, так и процедуры с предварительным установле-

нием логического соединения.

278

При дейтаграммной передаче кадр посылается в сеть «без

предупреждения», и никакой ответственности за его утерю про-

токол не несет (рис. 8.11, а). Предполагается, что сеть всегда го-

това принять кадр от конечного узла. Дейтаграммный метод ра-

ботает быстро, так как никаких предварительных действий перед

отправкой данных не выполняется. Однако при таком методе

трудно организовать в рамках протокола отслеживание факта

доставки кадра узлу назначения. Этот метод не гарантирует дос-

тавку пакета.

Узел 1 Узел 2

Данные

Запрос

установления Прием запроса

соединения установления

соединения

Подтверждение

установления

соединения

Данные

Квитанция

подтверждения

Запрос

разрыва

соединения

Подтверждение

разрыва соединения

Рис. 8.11. Схема дейтаграммной передачи (а) и передачи с уста-

новлением соединения (б)

279

Передача с установлением соединения более надежна, но тре-

бует больше времени для передачи данных и вычислительных за-

трат от конечных узлов. В этом случае узлу-получателю отправ-

ляется служебный кадр специального формата с предложением

установить соединение (рис. 8.11, б). Если узел-получатель со-

гласен с этим, то он посылает в ответ другой

служебный кадр,

подтверждающий установление соединения и предлагающий для

данного логического соединения некоторые параметры, напри-

мер идентификатор соединения, максимальное значение поля

данных кадров, которые будут использоваться в рамках данного

соединения и другие. Узел-инициатор соединения может завер-

шить процесс установления соединения отправкой третьего слу-

жебного кадра, в котором сообщит, что предложенные

параметры

ему подходят. На этом логическое соединение считается уста-

новленным, и в его рамках можно передавать информационные

кадры с пользовательскими данными.

После передачи некоторого законченного набора данных, на-

пример определенного файла, узел инициирует разрыв данного

логического соединения, посылая соответствующий служебный

кадр.

Заметим, что, в отличие от протоколов дейтаграммного типа,

которые поддерживают

только один тип кадра – информацион-

ный, протоколы, работающие по процедуре с установлением со-

единения, должны поддерживать несколько типов кадров – слу-

жебные, для установления (и разрыва) соединения и информаци-

онные, переносящие собственно пользовательские данные.

8.4. Компрессия данных

Компрессия (сжатие) данных применяется для сокращения

времени их передачи. Так как на компрессию данных передаю-

щая сторона тратит дополнительное время, к которому нужно

еще прибавить аналогичные затраты времени на декомпрессию

этих данных принимающей стороной, то выгоды от сокращения

времени на передачу сжатых данных обычно бывают заметны

только для низкоскоростных каналов. Этот

порог скорости для

современной аппаратуры составляет около 64 Кбит/с. Многие

280

программные и аппаратные средства сети способны выполнять

динамическую компрессию данных, в отличие от статической, ко-

гда данные предварительно компрессируются (например, с по-

мощью популярных архиваторов типа WinZip), а уже затем отсы-

лаются в сеть. На практике может использоваться ряд алгоритмов

компрессии, каждый из которых применим к определенному типу

данных. Некоторые модемы (называемые

интеллектуальными)

предлагают адаптивную компрессию, при которой в зависимости

от передаваемых данных выбирается определенный алгоритм

компрессии. Рассмотрим некоторые из общих алгоритмов ком-

прессии данных.

Десятичная упаковка. Когда данные состоят только из чисел,

значительную экономию можно получить путем уменьшения ко-

личества используемых на цифру бит с 7 до 4, используя простое

двоичное кодирование десятичных

цифр вместо кода ASCII.

Просмотр таблицы ASCII показывает, что старшие три бита всех

кодов десятичных цифр содержат комбинацию 011. Если все

данные в кадре информации состоят из десятичных цифр, то, по-

местив в заголовок кадра соответствующий управляющий сим-

вол, можно существенно сократить длину кадра.

Относительное кодирование. Альтернативой десятичной упа-

ковке при передаче числовых данных

с небольшими отклонения-

ми между последовательными цифрами является передача только

этих отклонений вместе с известным опорным значением.

Символьное подавление. Часто передаваемые данные содержат

большое количество повторяющихся байт. Например, при пере-

даче черно-белого изображения черные поверхности будут поро-

ждать большое количество нулевых значений, а максимально ос-

вещенные участки изображения – большое

количество байт, со-

стоящих из всех единиц. Передатчик сканирует последователь-

ность передаваемых байт и, если обнаруживает последователь-

ность из трех или более одинаковых байт, заменяет ее специаль-

ной трехбайтовой последовательностью, в которой указывает

значение байта, количество его повторений, а также отмечает на-

чало этой последовательности специальным управляющим сим-

волом.

Коды переменной

длины. В этом методе кодирования исполь-

зуется тот факт, что не все символы в передаваемом кадре встре-