Э. Таненбаум - Компьютерные сети. (4-е издание) (PDF) (1130118), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Таким образом, луч света,падающий на границу сред под углом, превышающим критический, оказываетсязапертым внутри волокна, как показано на рис. 2.4, б, и может быть передан набольшое расстояние почти без потерь.На рис. 2.4, б показан только один пойманный луч света, однако посколькулюбой луч света с углом падения, превышающим критический, будет отражатьсяот стенок волокна, то и множество лучей будет одновременно отражаться подразличными углами.
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 светможет двигаться только по прямой линии, без отражений от стенок волокна. Такое волокно называется одномодовым. Оно стоит дороже, но может использо-NataHaus.RUКонструкция и специальный тип экранирования коаксиального кабеля обеспечивают высокую пропускную способность и отличную помехозащищенность.Максимальная пропускная способность зависит от качества, длины и соотношения сигнал/шум линии.
Современные кабели имеют полосу пропускания около1 ГГц. Коаксиальные кабели широко применялись в телефонных системах, но теперь на линиях большой протяженности их все чаще заменяют оптоволоконными кабелями. Однако коаксиальные кабели все еще широко используются длякабельного телевидения, а также в некоторых региональных сетях.Волоконная оптикаБыстрое развитие компьютерных технологий вызывает чувство гордости у многих представителей этой индустрии.
Первый персональный компьютер фирмыIBM, созданный в 1981 году, работал с тактовой частотой 4,77 МГц. Спустя 20 летэтот показатель вырос до 2 ГГц. Прирост множителя составил 20 за декаду. Нетак уж плохо.За тот же период скорость передачи данных выросла с 56 Кбит/с (ARPANET)до 1 Гбит/с (современная оптическая связь), это означает рост в 125 раз за каждые 10 лет. При этом вероятность ошибки при передаче уменьшилась с 10~5 набит почти до нуля.В настоящее время процессоры начинают приближаться к своим физическимпределам. Скорость света преодолеть невозможно, непросто решить и проблему отвода тепловой энергии. Существующая ныне оптоволоконная технология,напротив, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с(50 Тбит/с), и при этом много специалистов занято поиском более совершенных123124Управляемые носители информацииГлава 2.
Физический уровеньваться при передаче данных на большие расстояния. Сегодняшние одномодовыеволоконные линии могут работать со скоростью 50 Гбит/с на расстоянии до 100 км.В лабораториях были достигнуты и более высокие скорости, правда, на меньшихдистанциях.ВоздухГраница«воздух—стекло» Pi125нида галлия). Все три диапазона обладают полосой пропускания от 25 000 до30 000 ГГц.Диапазон1,30 мкмДиапазон1,55 мкмПолное внутреннееотражение/АазСтеклоРис. 2.4. Три примера преломления луча света, падающего под разными углами,на границе кварцевого волокна и воздуха (а); луч света, пойманныйполным внутренним отражением (б)0,8Прохождение света по волокнуОптическое волокно изготавливается из стекла, которое, в свою очередь, производится из песка — недорогого необработанного материала, доступного в неограниченных количествах.
Изготовление стекла было известно уже в Древнем Египте, однако, чтобы свет мог проникнуть сквозь стекло, его толщина не должнапревышать 1 мм, чего в то время было невозможно достичь. Стекло, достаточнопрозрачное, чтобы его можно было использовать в окнах зданий, было изобретено в эпоху Возрождения. Для современных оптических кабелей применяется настолько прозрачное стекло, что если бы океаны вместо воды состояли из него, тодно океана было бы так же ясно видно, как поверхность суши с борта самолетав ясный день.Ослабление силы света при прохождении через стекло зависит от длины волны. Для стекла, используемого в оптическом волокне, зависимость ослабленияот длины волны в децибелах на километр длины волокна показана на рис. 2.5.Ослабление в децибелах вычисляется по формуле0,91,01,11,21,3Длина волны, мкм1,41,51,61,71,8Рис. 2.5.
Ослабление света в инфракрасной области спектра при прохождениичерез оптическое волокноNataHaus.RUСветовые импульсы удлиняются по мере их продвижения по волокну. Это~. ,,,., передаваемая мощностьОслабление в децибелах = 10 lg —.принимаемая мощностьНапример, ослаблению мощности в два раза соответствует на графике10 lg 2 = 3 дБ. На графике изображена ближняя инфракрасная часть спектра, используемая на практике. Видимый свет имеет несколько более короткие длиныволн — от 0,4 до 0,7 мкм (1 мкм равен 10~6 м).В системах связи используются три диапазона длин волн: 0,85, 1,30 и 1,55 мкмсоответственно. Последние два обладают хорошими характеристиками ослабления (менее 5 % потерь на километр). Диапазон 0,85 мкм обладает более высокимослаблением, однако его преимуществом является то, что для этой длины волнылазеры и электроника могут быть сделаны из одного и того же материала (арсе-удлинение называется световой дисперсией.
Величина удлинения зависит отдлины волны. Чтобы не допустить перекрывания соседних расширяющихся импульсов, можно увеличить расстояние между ними, однако при этом придетсяуменьшить скорость передачи. К счастью, было обнаружено, что эффект дисперсии можно предотвратить, если придавать импульсам специальную форму, а именно обратной величины от гиперболического косинуса. В этом случае будет возможно посылать импульсы на тысячи километров без искажения формы.
Такиеимпульсы называются уединенными волнами. Значительная часть исследователей намерена перейти от лабораторных исследований уединенных волн к их промышленному использованию.Оптоволоконные кабелиСтруктура оптоволоконного кабеля схожа с описанной ранее структурой коаксиального провода. Разница состоит лишь в том, что в первом нет экранирующейсетки. На рис. 2.6, а показана отдельная оптоволоконная жила. В центре ее располагается стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет. В многомодовом оптоволокне диаметр сердечника составляет 50 мкм, что примерно равнотолщине человеческого волоса. Сердечник в одномодовом волокне имеет диаметр от 8 до 10 мкм.Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника.
Внешним слоем служит пластиковая оболочка,126Глава 2. Физический уровеньУправляемые носители информациизащищающая остекление. Оптоволоконные жилы обычно группируются в пучки, защищенные внешней оболочкой. На рис. 2.6, б показан трехжильный кабель.ФутлярКожухСердечник(стекло)\ОболочкаКожух(стекло) (пластик)СердечникОболочкаРис. 2.6. Вид одиночного волокна сбоку (а); поперечное сечение трехжильного кабеля (б)Обычно кабели кладутся в грунт на глубину около 1 м, где их могут случайноповредить грызуны или экскаватор. У побережья трансокеанические кабели укладываются в траншеи специальным механизмом. На большой глубине их обычно просто кладут на дно, где их могут зацепить рыболовные траулеры или перегрызть акулы.Соединение отрезков кабеля может осуществляться тремя способами.
Во-первых, на конец кабеля может прикрепляться специальный разъем, с помощью которого кабель вставляется в оптическую розетку. Подобное соединение приводит к потере 10-20 % силы света, зато оно позволяет легко изменить конфигурацию системы.Во-вторых, они могут механически сращиваться — два аккуратно отрезанныхконца кабеля укладываются рядом друг с другом и зажимаются специальной муфтой.
Улучшение прохождения света достигается выравниванием концов кабеля.При этом через соединение пропускается свет, и задачей является добиться максимального соответствия мощности выходного сигнала мощности входного. Одномеханическое сращивание кабелей занимает у опытного монтажника сетей около5 минут и дает в результате потерю 10 % мощности света.В-третьих, два куска кабеля могут быть сплавлены вместе. Сплавное соединение почти так же хорошо, как и сплошной кабель, но даже при таком методе происходит небольшое уменьшение мощности света.Во всех трех типах соединений в точке соединения могут возникнуть отражения, и отраженный свет может интерферировать с сигналом.Для передачи сигнала по оптоволоконному кабелю могут использоваться дватипа источника света: светоизлучающие диоды (LED, Light Emitting Diode) и полупроводниковые лазеры.
Они обладают различными свойствами, как показано втабл. 2.2. Их длина волны может быть настроена при помощи интерферометровФабри—Перо (Fabry—Perot) или Маха—Цандера (Mach—Zehnder), устанавливаемых между источником и кабелем. Интерферометры Фабри—Перо представляют собой простые резонансные углубления, состоящие из двух параллельныхзеркал.
Свет падает перпендикулярно зеркалам, углубление отбирает те длиныволн, которые укладываются в его размер целое число раз. Интерферометры Ма-127ха—Цандера разделяют свет на два луча, которые проходят различное расстояние и снова соединяются на выходе. Синфазными на выходе интерферометраокажутся лучи строго определенной длины.Таблица 2.2. Сравнительные характеристики светодиодови полупроводниковых лазеровПолупроводниковый лазерХарактеристикаСветодиодСкорость передачи данныхНизкаяВысокаяТип волокнаМногомодовыеРасстояниеКороткоеМногомодовые или одномодовыеДальнееСрок службыДолгийКороткийЧувствительность к температуреНевысокаяЗначительнаяЦенаНизкаяВысокаяПриемный конец оптического кабеля представляет собой фотодиод, генерирующий электрический импульс, когда на него падает свет. Обычное время срабатывания фотодиода — около 1 не, что ограничивает скорость передачи данных1 Гбит/с. Термальный шум также имеет место, поэтому импульс света долженбыть довольно мощным, чтобы его можно было обнаружить на фоне шума.
Придостаточной мощности импульса можно добиться пренебрежимо малой частотыошибок.Оптоволоконные сетиNataHaus.RUВолоконная оптика может использоваться как для междугородной связи, так и длялокальных сетей, хотя ее установка значительно сложнее, чем подключение кEthernet. Одним из вариантов соединений оптических кабелей в локальную сетьявляется кольцо, которое можно рассматривать как набор соединений «точка—точка», как показано на рис. 2.7.
Интерфейс каждого компьютера пропускает свет далее по кольцу, а также служит Т-образным соединением, позволяющим данномукомпьютеру принимать и передавать сообщения.Применяются два типа интерфейсов. Пассивный интерфейс состоит из двухответвлений, вплавленных в основной кабель. На конце одного ответвления устанавливается светодиод или лазерный диод (для передачи), а на другом концеразмещается принимающий фотодиод. Само разветвление является абсолютнопассивным элементом и поэтому в высшей степени надежным, поскольку поломка светодиода или фотодиода не приводит к разрыву кольца.
Отрезанным от сети в этом случае окажется только один компьютер.Другим типом интерфейса, показанным на рис. 2.7, является активный повторитель. Входящий световой импульс преобразуется в нем в электрический сигнал, усиливается при необходимости до требуемого уровня и снова пересылаетсяв виде светового пучка. Интерфейс с компьютером представляет собой обыкновенный медный провод, соединяющий его с регенератором сигнала.
Чисто оптическиеповторители сейчас тоже используются. Такие устройства не требуют преобразования света в электрический сигнал и обратно, поэтому они могут работать наочень больших скоростях.i лава 2. Ф и з и ч е с к и й уровень) КомпьютерБеспроводная связьОт компьютера/к компьютеруМедный провод^ НаправлениераспространениясветаОптическоеволокноИнтерфейсВолокно Оптический Регенератор Оптическийприемниксигналапередатчик(фотодиод) (электрический) (светодиод)Рис. 2.7. Оптоволоконное кольцо с активными повторителямиПри поломке активного повторителя кольцо разрывается и вся сеть перестаетработать.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
