Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл - Компьютерные сети (1114668), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Максимальнаяпропускная способность зависит от качества и длины. Современные кабели имеют полосу пропускания до нескольких гигагерц. Коаксиальные кабели широко применялисьв телефонных системах, но теперь на линиях большой протяженности они все чаще заменяются оптоволоконными кабелями. Однако коаксиальные кабели все еще широкоиспользуются для кабельного телевидения, а также в некоторых региональных сетях.2.2.4. Линии электропитанияТелефонные сети и кабельное телевидение — не единственные линии передачи данных,которые можно приспособить для пересылки информации.
Есть и еще одна распространенная проводная сеть: электрическая. По линиям электропитания электричествопоставляется в дома. Внутри домов электричество по проводам подводится к розеткам.Идея использовать линии электропитания для передачи данных возникла довольнодавно. Электрические компании таким способом много лет удаленно снимают показания. Кроме того, подобная низкоскоростная передача данных позволяет управлятьразличными домашними устройствами (например, по стандарту X10). В последниегоды снова возродился интерес к высокоскоростной передаче информации по линиямэлектропитания, как внутри дома, так и за его пределами — для доступа к Интернету.Мы рассмотрим наиболее распространенный вариант: использование электропроводкивнутри дома.Удобство такого варианта очевидно.
Просто подключите телевизор и ресиверк стенной розетке (это необходимо сделать в любом случае, так как устройствам нужноэлектропитание), и они смогут отправлять и получать фильмы по электрическим про-116 Глава 2. Физический уровеньводам. Подобная конфигурация показана на рис. 2.4.
Никаких других разъемов илиточек передачи радиосигналов нет. Сигнал данных накладывается на низкочастотныйсигнал электропитания (на активном проводе — том, что находится под напряжением),и оба сигнала передаются по проводам одновременно.Рис. 2.4. Сеть на основе домашней электропроводкиСложность применения домашней электропроводки для построения сети передачи данных заключается в том, что основное ее предназначение — это распределениеэлектроэнергии.
Очевидно, что эти две задачи кардинально различаются. Электрические сигналы пересылаются с частотой 50–60 Гц, а более высокочастотные сигналы(их частота измеряется с единиц мегагерц) затухают. Свойства проводки в разныхдомах могут сильно отличаться, к тому же они меняются при включении и выключении бытовых приборов, что приводит к нестабильности сигналов данных. Неустановившийся ток при включении или выключении устройства создает электрическийшум в большом диапазоне частот. А без тщательного скручивания (как в витой паре)электрическая проводка действует как тонкая антенна, собирая внешние сигналы и излучая собственные.
Такое поведение означает, что для того чтобы отвечать нормативамстандартов, сигналам данных нужно исключать лицензированные частоты, такие какчастоты, выделенные для любительских радиостанций.Несмотря на перечисленные трудности, по обычной домашней электросети можноотправлять данные со скоростью как минимум 100 Мбит/с, используя схемы с предотвращением ослабления сигнала и подавлением ошибок. Для многих продуктов применяются запатентованные стандарты передачи данных по линиям электропитания,но международные стандарты пока что находятся в активной разработке.2.2.5. Волоконная оптикаБыстрое развитие компьютерных технологий в соответствии с законом Мура (который предсказал, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться приблизительно каждые два годы) вызывает чувство гордости у многих представителей этойиндустрии.
Первый персональный компьютер фирмы IBM, созданный в 1981 году,работал с тактовой частотой 4,77 МГц. Спустя 28 лет этот показатель вырос до 3 ГГцна четырехъядерных процессорах. Прирост множителя составил около 2500 или 16за декаду. Не так уж плохо.За тот же период скорость передачи данных выросла с 45 Мбит/с (линия T3 потелефонным проводам) до 100 Гбит/с (современная длинная линия), это означаетне менее впечатляющий рост в 2000 раз или 16 раз за 10 лет. При этом вероятность2.2.
Проводниковые среды передачи информации 117ошибки при передаче уменьшилась с 105 на бит почти до нуля. Помимо этого, процессоры начинают приближаться к своим физическим пределам, поэтому теперь наодном кристалле их используется сразу несколько. Существующая ныне оптоволоконная технология, напротив, может развивать скорость передачи данных вплоть до50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и до достижения ее физического предела нам еще далеко.Сегодняшний практический предел в 100 Гбит/с обусловлен нашей неспособностьюбыстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Для тогочтобы достичь более высокой скорости, по одному волокну просто одновременнопередаются данные нескольких каналов.В этом разделе мы познакомимся с оптическим волокном и узнаем, как данныепередаются по оптоволокну. В гонке компьютеров и средств связи у последних ещеесть шанс на победу — благодаря волоконной оптике.
Если это произойдет, то в мирепоявится не только совершенно новое понятие о почти бесконечной полосе пропускания, но и неслыханная доселе идея о том, что все компьютеры безнадежно медленныи сетям следует любой ценой избегать вычислений, независимо от того, какая частьполосы пропускания при этом будет потеряна. Необходимо время, чтобы изменениявпитались в умы поколений ученых-компьютерщиков и инженеров, приученных думать в терминах низкоскоростных медных линий и ограничений, сформулированныхШенноном.Конечно, в этом представлении не хватает одной немаловажной детали: стоимости. Затраты на прокладку оптоволокна до компьютера каждого пользователя, чтобыобойти характерные для проводов ограничения — низкую полосу пропускания и небольшой диапазон частот, — попросту огромны.
Помимо этого, на пересылку битовтратится больше энергии, чем на вычисления. Всегда будут существовать островкинеравенства, в которых стоимость либо вычислений, либо пересылки данных будетприближаться к нулю. Например, перед тем как выйти в Интернет, мы применяемвсе имеющиеся вычислительные возможности и расходуем место на диске, чтобырешить проблему сжатия и кэширования содержимого — все для того, чтобы наиболее эффективно воспользоваться доступом к Всемирной сети.
В Интернете же можетпроисходить обратное. Такие компании, как Google, перемещают по сети огромныеобъемы данных, сбрасывая их туда, где хранение и обработка будут стоить дешевле.Оптоволокно используется для пересылки информации на очень большие расстояния по сетевым магистральным соединениям, внутри высокоскоростных локальныхсетей (хотя пока что ему не удается достаточно далеко уйти вперед от медных проводов) и для высокоэффективного доступа в Интернет, например, по технологииFTTH (Fiber to the Home — волокно прямо к дому).
Оптоволоконная система передачи данных состоит из трех основных компонентов: источника света, носителя, покоторому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала, или детектора.Световой импульс принимают за единицу, а отсутствие импульса — за ноль. Светраспространяется в сверхтонком стеклянном волокне.
При попадании на него светадетектор генерирует электрический импульс. Присоединив к одному концу оптического волокна источник света, а к другому — детектор, мы получим однонаправленнуюсистему передачи данных. Система принимает электрические сигналы и преобразуетих в световые импульсы, передающиеся по волокну.
На другой стороне происходитобратное преобразование в электрические сигналы.118 Глава 2. Физический уровеньТакая передающая система была бы бесполезна, если бы свет по дороге рассеивался и терял свою мощность. Однако в данном случае используется один интересныйфизический закон. Когда луч света переходит из одной среды в другую, напримериз стекла (расплавленного и застывшего кварца) в воздух, луч отклоняется (эффектрефракции или преломления) на границе стекло—воздух, как показано на рис.
2.5,а. Здесь мы видим, что луч света падает под углом α1, выходя под углом β1. Соотношение углов падения и отражения зависит от свойств смежных сред (в частности,от их коэффициентов преломления). Если угол падения превосходит некоторуюкритическую величину, луч света целиком отражается обратно в стекло, а в воздухничего не проходит.
Таким образом, луч света, падающий на границу сред под углом,превышающим критический, оказывается запертым внутри волокна, как показано нарис. 2.5, б, и может быть передан на большое расстояние почти без потерь.Рис. 2.5. Три примера преломления луча света, падающего под разными углами, на границекварцевого волокна и воздуха (а); луч света, пойманный полным внутренним отражением (б)На рис. 2.5, б показан только один пойманный луч света, однако поскольку любойлуч света с углом падения, превышающим критический, будет отражаться от стенокволокна, то и множество лучей будет одновременно отражаться под различнымиуглами.
Про каждый луч говорят, что он обладает некоторой модой, а оптическое волокно, обладающее свойством передавать сразу несколько лучей, называется многомодовым.Однако если уменьшить диаметр волокна до нескольких длин волн света, то волокно начинает действовать подобно волноводу, и свет может двигаться только по прямойлинии, без отражений от стенок волокна. Такое волокно называется одномодовым.Оно стоит дороже, но может использоваться при передаче данных на большие расстояния. Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью100 Гбит/с на расстоянии до 100 км. В лабораториях были достигнуты и более высокиескорости, правда, на меньших дистанциях.Прохождение света по волокнуОптическое волокно изготавливается из стекла, которое, в свою очередь, производитсяиз песка — недорогого необработанного материала, доступного в неограниченных количествах.
Изготовление стекла было известно уже в древнем Египте, однако, чтобысвет мог проникнуть сквозь стекло, его толщина не должна превышать 1 мм, чего в то2.2. Проводниковые среды передачи информации 119время было невозможно достичь. Стекло, достаточно прозрачное, чтобы его можнобыло использовать в окнах зданий, было изобретено в эпоху Возрождения. Для современных оптических кабелей применяется настолько прозрачное стекло, что еслибы океаны вместо воды состояли из него, то дно океана было бы так же ясно видно,как поверхность суши с борта самолета в ясный день.Ослабление силы света при прохождении через стекло зависит от длины волны(а также от некоторых физических свойств стекла).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
