Основы телекоммуникаций
В этой главе дается определение основных терминов, принятых в области телекоммуникаций. Понятия аналоговый, цифровой, полоса пропускания являются базовыми в сфере телекоммуникационных услуг и отражают повседневный опыт специалистов в данной области. Без знания этой терминологии невозможно изучение передовых телекоммуникационных технологий. Не усвоив такие фундаментальные понятия, как цифровой, аналоговый, полоса пропускания, сжатие, протоколы и биты, трудно разобраться в технологиях высокоскоростной связи, конвергенции и беспроводных сетей. А ведь данные технологии наряду с Интернетом сегодня преобразуют бизнес, инициируют появление новых телекоммуникационных услуг и способствуют объединению людей в глобальное сообщество.
Важным элементом организации связи между компьютерами, позволяющей им «общаться» друг с другом, являются протоколы. Протоколы можно сравнить с правилами этикета для компьютеров. И если традиционные правила определяют, кто кого первым приветствует, кто первым садится и в какой руке надо держать нож, то протоколы устанавливают очередность обмена данными между компьютерами и продолжительность сеанса связи. Протоколы выполняют функции, такие как обнаружение и исправление ошибок или пересылка файлов, одинаково во всех компьютерах, чтобы те могли взаимодействовать. Один компьютер может передавать данные в другой, используя, например, протокол IPX — протокол сетевого уровня операционной системы (ОС) NetWare, разработанный фирмой Novell для передачи данных локальными сетями (local area networks, LAN).
Компьютеры, принтеры и другие устройства от разных производителей должны уметь обмениваться информацией через сеть. Задачу организации их взаимодействия выполняют различные сетевые модели и наборы (стеки) протоколов. Сетевая модель соединяет компьютеры и периферийные устройства в согласованную структуру, в которой каждой сетевой функции соответствует определенный уровень. Уровни внутри модели реализуются протоколами, определяющими метод выполнения этих функций, например маршрутизации, контроля ошибок, адресации и т.д. Сетевая модель или наборы протоколов играют роль своеобразного зонтика, под которым различные компоненты сети «общаются» друг с другом.
Компьютеры, находящиеся в офисах компаний, объединены в локальные сети, которые располагаются в пределах одного или нескольких зданий. Локальная сеть связывает компьютеры с принтерами, сканерами, модемами, аппаратурой для видеоконференций и другими совместно используемыми устройствами. Локальные сети соединяются друг с другом посредством сети масштаба города (metropolitan area network, MAN) и глобальных сетей (wide area network, WAN).
Растущее число аппаратных средств, подключаемых к локальным сетям, служит причиной перегрузок сетей передачи данных. Пользователи сталкиваются с этим явлением, когда наблюдают задержки, например при отсылке и приеме электронной почты или просмотре информации из баз данных. Ниже будут рассмотрены причины возникновения перегрузок сетей, а также способы их устранения и предотвращения.
Одним из решений этой проблемы в глобальных сетях является метод мультиплексирования (уплотнения). Он позволяет многочисленным устройствам совместно использовать одну телефонную линию. Например, сервис Т-1 обеспечивает 24 виртуальных канала, передаваемых по одной высокоскоростной линии связи. Возможности, предоставляемые более современными методами мультиплексирования, еще шире. Стандарт Т-3 предусматривает 672 виртуальных канала на одно коммуникационное соединение. С помощью этих технологий коммерческие и некоммерческие организации получают возможность существенно повышать интенсивность обмена данными, видео и графическими изображениями между сетевыми узлами. Благодаря использованию линий связи стандарта Т-3 справочно-информационные центры (call centers) крупных организаций, таких как, например, авиакомпании, могут обрабатывать огромное число телефонных звонков.
Другим способом повышения пропускной способности каналов связи для передачи графических изображений, рентгенограмм и видеоинформации является применение так называемой компрессии, или сжатия. С помощью этого процесса большие массивы данных сжимаются до меньших размеров, как если бы их втиснули в корсет. Фактически именно благодаря разработке усовершенствованных алгоритмов сжатия стали доступными системы для проведения видеоконференций. Компрессия позволяет передавать видеосигналы по «медленным» телефонным каналам. До внедрения новейших методов сжатия данных видеоконференции можно было проводить только с использованием чрезвычайно дорогостоящих высокоскоростных линий связи. Применение компрессии существенно повлияло на расширение возможностей Интернета, и в первую очередь это относится к передаче по его каналам потокового медиа (streaming media). По Интернету теперь можно обмениваться не только текстовой и графической информацией. Современная технология компрессии в сочетании с новыми мощными компьютерами и более быстрыми модемами позволяет передавать через Интернет звуковые сигналы приемлемого качества. Качество же видеоизображений, передаваемых через Интернет, будет улучшаться, по мере того как все большее распространение получат высокоскоростные цифровые телефонные линии.
Телефонные сети общего пользования изначально предназначались для передачи человеческого голоса. Изобретенный в 1840 г. телеграф использовался для обмена короткими текстовыми посланиями. С возникновением в 1876 г. телефонной связи появилась возможность переговариваться на расстоянии. Человеческий голос представляет собой звуковые колебания. Такие непрерывные колебания в виде волн называются аналоговыми сигналами. Человеческая речь передавалась по телефонным линиям в форме аналоговых сигналов вплоть до конца 1960-х годов. Сегодня значительная часть обычных телефонных сетей перешла на цифровой способ передачи, заключающийся в преобразовании звуковых колебаний в цифровые сигналы. Однако многие телефонные сети и услуги связи продолжают оставаться аналоговыми. Большая часть телефонных аппаратов, подключенных к домашним телефонным розеткам, являются аналоговыми устройствами. То же самое можно сказать и о подавляющем большинстве имеющихся у населения телевизоров; о телефонных линиях, протянутых от жилых массивов к местной автоматической телефонной станции (АТС); о проводах кабельного телевидения (ТВ), соединяющих дома подписчиков с ближайшим телеграфным столбом.
По мере того как увеличивается число людей, использующих свои компьютеры для обмена информацией, становится все более очевидной неэффективность аналоговой связи, не приспособленной для передачи больших объемов данных. Цифровая связь, в свою очередь, позволяет повысить скорость обмена данными, иметь более широкую пускания и уменьшить вероятность ошибок при передаче.
Сегодня высокоскоростная передача данных, осуществляемая в сетях ISDN (integrated services digital network — цифровая сеть с интеграцией услуг), в компьютерах, в волоконно-оптических линиях и между значительной частью АТС, является цифровой. Скоростные аналоговые каналы используются лишь в системах традиционного телевещания и кабельного телевидения. В основном же аналоговая связь — это всем хорошо знакомые телефонные линии (plain old telephone service, POTS), обслуживающие индивидуальных абонентов и предприятия малого бизнеса
Частота аналоговых сигналов
Аналоговые сигналы распространяются по линиям связи в виде электромагнитных волн, которые характеризуются частотой колебаний. Частота — это число полных циклов колебаний некоторой величины (например, напряжения) за секунду; иными словами
частота показывает, сколько раз в секунду величина достигает своего максимального значения. Полный цикл, или период, как видно из рисунка 1.1, образуется тогда, когда колебательное движение начинается с нулевой величины напряжения, достигает его максимального положительного значения, затем снижается до наименьшего отрицательного значения и возвращается к исходной величине. Чем выше скорость (частота) колебаний, тем больше полных циклов совершается в единицу времени. Эта скорость, или частота, измеряется в герцах (Гц), или числе периодов колебаний в секунду. Например, волна, которая 10раз в течение одной секунды проходит через максимум, имеет частоту 10 Гц (или периодов в секунду).
Средства связи аналогового формата, такие как телефон, радио и телевидение, работают в определенной полосе (диапазоне) частот. Например, человеческий голос передается в диапазоне от 300 до 3300 Гц. Полоса пропускания (bandwidth), или диапазон частот, в которых работает конкретное средство связи, определяется вычитанием нижнего значения диапазона из верхнего. Таким образом, полоса, в которой распространяются звуковые сигналы по телефонным сетям общего пользования, составляет 3000 Гц (3300 Гц — 300 Гц). Частоты, используемые в аналоговой связи, принято записывать в сокращенной форме. Например, 1000 колебаний в секунду называется килогерц (кГц), а 1 млн. колебаний в секунду — мегагерц (МГц). В качестве аналоговых линий связи применяются коаксиальный кабель, телевизионный кабель и медные провода, служащие для подключения домашнего телефона. Кроме того, аналоговые сигналы передаются средствами беспроводной связи — высокочастотной, сотовой и радиотелефонии. Каждый вид аналогового сигнала имеет свой диапазон частот. Примеры аналоговых частот:
• 1 килогерц (1кГц) — 1000 колебаний в секунду (речь передается в полосе частот от 0,3 до 3,3 кГц, или 3000 Гц);
• 1 мегагерц (1 МГц) — 1 млн. колебаний в секунду (аналоговые сигналы кабельного ТВ распространяются в диапазоне 54 — 750 МГц);
• 1 гигагерц (1 ГГц) — 1 млрд. колебаний в секунду (большинство беспроводных аналоговых высокочастотных передатчиков работают в диапазоне 2 — 12 ГГц).
Полоса пропускания в 3000 Гц, выделяемая на каждый канал в телефонных сетях общего пользования, слишком узка для того, чтобы компьютеры могли без задержек обмениваться данными при помощи модемов. В модемах, преобразующих цифровые сигналы компьютеров и факсимильных аппаратов в аналоговые сигналы для передачи по телефонным линиям, предусмотрены технические решения для преодоления некоторых ограничений в скорости, накладываемых обычной телефонной сетью. (Подробнее об этом см. в главе 6.)
Передачу аналогового телефонного сигнала можно сравнить с пропусканием воды через трубу. По мере того как водный поток несется по трубе все дальше, он все больше теряет свою силу. Чем длиннее отрезок трубы, пройденный водой, тем слабее ее напор и тем медленнее она течет. Точно так же аналоговый сигнал постепенно ослабевает (затухает) по мере удаления от передатчика. Это верно как для сигналов, посылаемых по медным проводам или коаксиальному кабелю, так и для сигналов радио и высокочастотной связи. Сигнал встречает сопротивление среды (медь, коаксиальный кабель, воздух), через которую он проходит, и это вызывает его затухание. Например, при разговоре по телефону голос на другом конце провода может быть едва слышен. Помимо ослабления, аналоговый сигнал подвержен влиянию электромагнитных помех, или шумов. Линии электропередач, трансформаторы, мощные электромоторы — все эти устройства генерируют шумы в форме электрических сигналов, накладывающихся на передаваемый аналоговый сигнал. Потрескивания во время телефонного разговора и есть результат воздействия таких шумов на аналоговые линии связи.
Для преодоления сопротивления среды и уменьшения затухания ситников применяют специальные устройства (усилители), которые периодически усиливают аналоговый сигнал. Этот процесс не обходится без проблем. В аналоговых каналах связи усилитель не может отличить случайный электрический сигнал (помеху) от передаваемого. Поэтому происходит усиление как помехи, так и полезного сигнала, из-за чего люди слышат треск в телефонной трубке. Однако в большинстве случаев они все же могут понять, что им говорит собеседник. Но при передаче фактических данных усиление помехи может привести к серьезным искажениям информации. Так, например, при пересылке данных об объеме продаж вместо передаваемого значения 3 млн. дол. может быть получено 300 тыс. дол.
Цифровая связь обладает рядом преимуществ по сравнению с аналоговой. Это:
• более высокие скорости передачи;
• чистота передачи звука;
• меньшая вероятность ошибок;
• более простое оборудование.
В отличие от аналоговых, цифровые сигналы передаются не как волны, а в двоичном виде, или в виде битов. Слово двоичный означает «состоящий из двух частей». В сфере телекоммуникаций термин двоичный показывает, что передаваемые биты информации имеют два значения— включено (напряжение есть) и выключено (напряжения нет). Наличие напряжения обозначается как единица, а отсутствие — как нуль. Такое свойство цифрового формата, в котором предусматриваются только два состояния — сигнал есть и сигнала нет, — позволяет получать и воспроизводить звуки в их первозданной чистоте. С цифровыми сигналами это может быть проделано с высокой степенью надежности. Гораздо труднее точно воспроизвести волну, способную принимать самые разные формы, в отличие от бита, который может иметь только два значения— включено и выключено.
Как аналоговым, так и цифровым сигналам присуща нестабильность при передаче. Оба сигнала с увеличением дальности распространения ослабевают, затухают и подвергаются воздействию помех. Однако цифровые сигналы поддаются коррекции и восстановлению лучше, чем аналоговые. Из рисунка 1.2 видно, что, когда цифровой сигнал, подвергающийся воздействию помехи, начинает затухать, предназначенное для его усиления устройство на линии связи, «зная», что каждый бит информации — это либо единица, либо нуль, без искажений восстанавливает сигнал. Помеха отбрасывается, а не регенерируется и усиливается, как в случае с аналоговым сигналом (см. рис. 1.2). Абоненты, которые первыми стали пользоваться цифровыми мобильными телефонами, отмечали значительное улучшение качества связи по сравнению с аналоговой сотовой сетью.
Помимо чистоты передачи аудиосигналов, цифровая связь обеспечивает пересылку данных с меньшим числом ошибок. В аналоговых линиях, где происходит усиление и сигнала помехи, принимающие устройства могут интерпретировать этот сигнал как бит информации. Те, кто используют модемы для обмена данными, часто получают испорченную информацию. В цифровой связи сигнал помехи отбрасывается и поэтому искажения и ошибки при передаче данных наблюдаются реже.
Цифровое телевидение — пример повышения чистоты сигнала
Федеральная комиссия по связи (Federal Communications Commission, FCC) одобрила аналоговый телевизионный стандарт для черно-белого телевидения в 1941 г. (Широкому распространению телевидения помешала Вторая мировая война.) Стандарты цветного телевидения, разработанные Национальным комитетом по телевизионным стандартам (National Television Standards Committee, NTSC), были приняты в 1954 г. Многие владельцы аналоговых телевизионных приемников знают, что помехи в виде «снега» иди бледных теней — частые «гости» на экране. Наибольшие проблемы с четкостью изображения возникают в местностях, расположенных вдали от передающих телеантенн. Причиной является ослабление и затухание аналогового телевизионного сигнала. «Снег» на телеэкране возникает, когда посторонний электрический сигнал становится сильнее телевизионного сигнала. Чем дальше от передающей антенны находится телевизор, тем больше помех воздействует на передаваемую телевизионную картинку.
Отличное качество и четкость изображения в цифровых телевизионных приемниках достигаются в результате устранения влияния помех. В цифровом телевидении одновременно с телевизионным сигналом посылается код коррекции ошибок (error correction code, ЕСС), на долю которого приходится 10% от общего массива передаваемых данных. Это позволяет на расстоянии 100 км от передающей антенны получать картинку такого же качества, что и в 10 км от нее. Код коррекции ошибок предусматривает проверку телевизионного сигнала и устранение сбоев, причем проверочный тест осуществляется в процессе получения сигнала телевизионным приемником. Таким образом, качество цифрового сигнала, а следовательно, и изображения на экране является одинаковым во всей зоне действия передающей антенны.
Кроме того, цифровые сигналы с увеличением расстояния затухают не так сильно, как аналоговые. Однако если цифровой телевизор оказывается вне зоны досягаемости передающей станции, то ее сигнал со всем исчезает.
По четкости изображения и качеству звука цифровое телевидение так же отличается от аналогового, как компакт-диски отличаются по чистоте воспроизведения звука от аудиокассет. Цифровой телевизионный стандарт позволяет получать студийное качество звука и изображения на экранах домашних телевизоров.
Телевизионные компании, осуществляющие трансляцию на 10 самых крупных регионов США, приступили к передаче телевизионных сигналов стандарта HDTV (high definition television — телевидение высокой четкости) в ноябре 1998 г. (см. врезку «Цифровое телевидение — телевизор – приобретает функции персонального компьютера»).
Все американские телекомпании должны начать вещание в цифровом формате не позднее мая 2003 г. Они будут обязаны транслировать как аналоговые, так и цифровые каналы. К 2006 г. телевизионные сети должны вернуть аналоговый диапазон частот федеральным властям, если не менее 85% абонентов в каждом регионе США получат возможность принимать каналы цифрового телевидения. После этого аналоговые каналы будут проданы с аукциона.
Высокое быстродействие и надежность
Помимо обеспечения лучшего качества передачи, цифровые соединения отличаются от аналоговых еще и большим быстродействием. Это объясняется тем, что цифровые сигналы передавать проще, чем аналоговые. Цифровые сигналы — всегда либо единицы, либо нули, в то время
как аналоговые сигналы представляют собой волны самой разнообразной формы. И если максимальная скорость, с которой аналоговые модемы могут работать на прием данных, достигает 56 000 бит/с, а на передачу — 33600бит/с, то новейшие типы цифровых маршрутизаторов передают информацию с терабитными скоростями (1 терабит = 1 трлн. бит).
Наконец, цифровая связь является более надежной, чем аналоговая. Для периодического усиления цифрового сигнала требуется гораздо меньше линейного оборудования. Как уже говорилось, по сравнению с цифровыми сигналами аналоговые ослабевают и пропадают при прохождении более короткого расстояния. На всех участках затухания сигнала необходимо устанавливать усилители, но для цифровых каналов связи их потребуется меньше, чем для аналоговых. Между тем каждое такое устройство является потенциальным источником сбоев и отказов на линии связи: например, вода может проникнуть в смотровой люк или сам усилитель выйдет из строя. У организаций, использующих цифровые линии связи, в частности каналы стандарта Т-l, кратковременные отказы оборудования случаются не чаще одного двух раз в год. Высокая степень надежности цифровых соединений дает возможность телефонным компаниям снизить затраты на эксплуатацию и ремонт своего коммуникационного оборудования (см. врезку «Цифровые технологии в группе компаний Bell»).
Цифровое оборудование телефонной компании — экономия места, времени и средств
Вплоть до 1960 г. телефонные линии связи и коммутационное оборудование были аналоговыми. Начиная с 1960 г. телефонная связь впервые стала осуществляться в цифровом виде по кабельным линиям, соединяющим центральные АТС, оборудование которых оставалось аналоговым. Соединение цифровых линий связи с аналоговыми коммутаторами АТС было делом обременительным. Требовались специальные устройства— канальные блоки (channel banks), позволяющие преобразовывать цифровые сигналы в аналоговые, чтобы их могли обработать аналоговые коммутаторы АТС, и затем обратно переводить эти сигналы в цифровые, которые затем передавались по цифровым кабельным линиям к другим центральным АТС. Благодаря переходу к цифровым АТС все эти преобразования стали ненужными, а значит, отпала потребность в соответствующем громоздком оборудовании. Это позволило телефонным компаниям сэкономить:
• на средствах, выделяемых на обслуживание канальных блоков, которые обеспечивали преобразование цифровых сигналов в аналоговые и обратно;
• на рабочем пространстве, требующемся для установки таких блоков на АТС.
БОДЫ, БИТЫ, БАЙТЫ И КОДЫ — НАЗАД К ОСНОВАМ
Как уже говорилось, компьютеры взаимодействуют друг с другом посредством цифровых сигналов, называемых битами. Биты двоичные, т.е. могут принимать только два значения — «включено» или «выключено» (единица или нуль). Компьютеры могут «читать» сообщения друг друга, когда эти биты скомпонованы в стандартные, заранее определенные последовательности единиц и нулей, или так называемые коды. Все «англоязычные» компьютеры IBM и Macintosh используют те или иные варианты одного и того же кода. Когда персональные компьютеры посылают по телефонным линиям друг другу информацию, они пользуются основным кодом ASCII (American standard code for information interchange — американский стандартный код обмена информацией). Для взаимодействия мини компьютеров и мэйнфреймов фирмы IBM существует другой код — EBCDIC (extended binary coded decimal interchange — расширенный двоичный код обмена информацией).
Многие люди употребляют термины бит, бод и байт как взаимозаменяемые. Между тем эти понятия существенно различаются по смыслу. Скорость передачи аналоговых сигналов измеряется в бодах. Скорость в бодах не следует путать с таким параметром, как биты в секунду. Число битов в секунду — это фактическое количество единиц информации, передаваемых в единицу времени из пункта А в пункт В. Это объем информации или данных, который переносится электромагнитными волнами по аналоговым каналами.
Боды или биты — число сигналов или объем передаваемой информации
Один бод — это один аналоговый сигнал или волна. Один период колебаний аналоговой волны равен одному боду. Как известно, полный период начинается с нулевой величины напряжения, достигает максимума положительного значения напряжения, затем наименьшего отрицательного его значения и возвращается к нулю. В линии связи на 1200бод аналоговая волна совершает 1200 колебаний в секунду, в линии связи на 2400 бод — 2400 колебаний в секунду. Термин бод употребляется только по отношению к аналоговым электрическим сигналам и не отражает объем информации, переносимой этими сигналами.
Скорость передачи аналоговых сигналов в коммутируемой телефонной сети общего пользования (public switched network) составляет 2400 бод. Если бы скорость передачи данных в общедоступной телефонной сети достигала только 2400 бит/с, то пользователи испытывали бы значительные трудности при обмене информацией по таким аналоговым каналам. Чтобы повысить пропускную способность, изготовители модемов сконструировали устройства, способные передавать более одного бита информации вместе с каждым периодом аналоговой волны. Так, модем, работающий со скоростью 9600 бит/с, обеспечивает передачу с каждым аналоговым сигналом 4 бит информации (9600: 2400 = 4). Будет правильным сказать, что модем, имеющий производительность 9600бит/с, работает со скоростью 2400бод. Модем, передающий данные со скоростью 28 800 бит/с, посылает 12 бит информации с каждым аналоговым сигналом и по прежнему использует линию связи на 2400 бод.
Измерение скорости в бодах возможно только в аналоговой связи, так как по цифровым каналам не передаются сигналы в виде непрерывных электромагнитных волн. Если в качестве среды передачи в цифровых линиях связи используются медные провода, то цифровые сигналы представляют собой дискретные электрические импульсы, если применяется оптоволоконный кабель, — световые импульсы. В цифровой связи линия быстродействием 56 000 бит/с будет передавать 56 000 сигналов в секунду или 56 кбит/с.
Для того чтобы компьютеры могли «разговаривать» друг с другом на одном языке, группы битов комбинируют определенным способом в коды, такие как ASCII для персональных компьютеров и EBCDIC для мэйнфреймов IBM и мини-компьютеров. Благодаря кодам компьютеры получают возможность переводить комбинации единиц и нулей в информацию. В частности, два расположенных в разных местах компьютера могут обмениваться сообщениями электронной почты, так как оба понимают код ASCII. ASCII является 7-разрядным кодом и предусматривает 128 символов. Расширенные версии этого кода поддерживают 8-разрядный формат. Большинство современных персональных компьютеров (ПК) используют расширенную версию ASCII. Символы, представленные кодом ASCII, включают в себя все заглавные и прописные
буквы алфавита, цифры и знаки препинания, например восклицательный знак, кавычки и двоеточие (см. табл. 1.1).
Поскольку формат ASCII ограничен только 128 символами (256— для расширенной версии), в нем отсутствуют символы, представляющие такие элементы форматирования текста, как жирный шрифт, подчеркивание, табуляция, колонки и т.п. Этот недостаток восполняют текстовые редакторы и электронные таблицы, предусматривающие собственные коды для элементов оформления текста. Однако символы, которые определяют формат и структуру документов, созданных, например, с помощью Microsoft Word, на одном компьютере, необходимо перевести
на язык, понятный для программы Word Perfect другого компьютера. Эти две программы используют разные комбинации битов для кодирования, в частности колонок, сносок, табуляции. Если пересылать документы, представленные лишь в формате ASCII, то их сможет «прочитать» любой персональный компьютер, но эти документы будут неструктурированными, так как коды, содержащие символы табуляции, колонок, таблиц и жирного шрифта, в данном случае каналом связи не передаются (см. врезку «Пересылка вложений с электронной почтой»).
Каждый символ используемого в компьютерах двоичного кода называется байтом. Как известно, бит предполагает только два состояния— включено или выключено. Представленный в битах символ — это байт. Одна страница документа на английском языке может содержать 250 слов, в среднем, по пять букв на слово. Это составит 1250 байт (250 - 5), или символов. Если учесть, что каждый байт состоит из семи битов, то 1250 байт будут содержать 8750 бит информации. Таким образом, байт- это символ, состоящий из семи или восьми битов (разрядов), т.е. семи или восьми единиц и нулей.
Определения некоторых сетевых терминов даны в разделе «Сети LAN, MAN и WAN».
ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ - ИЗМЕРЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ
В мире телекоммуникаций ширина полосы пропускания определяет пропускную способность канала связи. Аналоговая и цифровая связь предполагают разные подходы к измерению полосы пропускания или пропускной способности. Пропускная способность аналогового носителя, например коаксиального кабеля, выражается в герцах. Величина в гepцах описывает ширину аналогового канала связи по частоте. Например, кто-то может сказать, что коаксиальный кабель имеет полосу пропускания 400 МГц. (Напомним, что 400 МГц — это 400 млн. колебаний в секунду.) Это означает, что пропускная способность данного кабеля может быть определена как частота в 400 МГц. Ширина полосы пропускания (или полосы частот) в аналоговом канале есть разница между максимальной и минимальной частотами, на которых может работать проводник. У кабеля, имеющего минимальную частоту передачи 200 МГц, а максимальную — ЗОО МГц, полоса пропускания составляет 100 МГц.
Чем больше разница между максимальной и минимальной частотами, тем шире полоса пропускания, а значит, и выше пропускная способность.
Пропускная способность цифровых линий, таких как ISDN, Т-1 или АТМ, измеряется в битах в секунду. Иными словами, она выражает число битов, передаваемое через канал за одну секунду. Полоса пропускания линии Т-1, например, составляет 1,54млн. бит/с. Пропускная способность может быть выражена и записана различными способами. Вот некоторые из них.
• Индивидуальные каналы линий сети ISDN имеют полосу пропускания 64 тыс. бит в секунду, или 64 килобит в секунду (64 кбит/с).
• Цифровые каналы Т-1 имеют полосу пропускания 1,54 млн. бит в секунду, или 1,54 мегабит в секунду (1,54 Мбит/с).
• Один из стандартов технологии АТМ предусматривает пропускную способность 622 млн. бит в секунду, или 622 мегабит в секунду (622 Мбит/с).
• Другая спецификация АТМ обеспечивает передачу данных со скоростью 13,22 млрд. бит в секунду, или 13,22 гигабит в секунду (13,22 Убит/с).
• Тысяча гигабит называется терабит; 10 терабит в секунду 10000 000 000 000 бит в секунду (10 бит/с).
Узкополосные и широкополосные каналы— медленно и быстро
Помимо числа битов в секунду и герц, скорость передачи информации характеризуется понятиями узкополосный и широкополосный каналы. Подобно тому как по широкой трубе может быть пропущен больший объем воды, чем по узкой, широкополосные каналы могут передавать больше данных, чем узкополосные. Поэтому термин широкополосный относится к скоростной линии связи, а узкополосный — к более медленной. Напомним еще раз, что скорость в цифровой связи выражается в битах в секунду, а в аналоговой - в герцах.
Как видно из таблицы 1.2, в сфере телекоммуникаций не существует четкого разграничения между широкополосными и узкополосными технологиями.
Таким образом, широкополосные линии связи используются для телевизионного вещания в сетях кабельного телевидения; для передачи голоса по линиям, соединяющим телефонные станции друг с другом;
для обмена голосовой, цифровой и видеоинформацией в магистральных сетях операторов связи. В то же время основной объем трафика между АТС и домами и офисами абонентов проходит по более медленным, узкополосным каналам связи.
Протоколы — язык, понятный для всех
Благодаря протоколам сетевые устройства имеют возможность взаимодействовать. Протоколы предоставляют общепризнанные язык и правила такого взаимодействия. Например, IP (Internet Protocol), являющийся протоколом межсетевого обмена в стеке протоколов ТСР/IP, обеспечивает прохождение блоков информации, которые называются дейтаграммами, по различным маршрутам в сети Интернет. В конечном пункте маршрута эти дейтаграммы собираются в одно сообщение. Другие протоколы, в частности Ethernet, определяют взаимодействие персональных компьютеров, находящихся в одном здании или офисе. В Интернете также используется протокол передачи гипертекста (HyperText transfer protocol, HTTP), с помощью которого пользователи получают доступ к Web-страницам и документам. Компьютеры Macintosh фирмы Apple могут общаться друг с другом благодаря протоколу AppleTalk.
Протоколы обеспечивают решение, например, следующих вопросов:
• Кто первым начинает передачу данных?
• Как определяется очередность обмена информацией в сети со множеством устройств?
• Какова схема адресации таких сетевых устройств, как компьютеры?
• Как определить, была ли допущена ошибка при передаче?
• Каким способом исправлять ошибки?
• Если никто из участников обмена не посылает информацию в сеть, как долго они должны находиться в режиме ожидания, прежде чем соединение будет разорвано?
• Следует ли в случае обнаружения ошибки инициировать повторную передачу всего сообщения или же только того сегмента, в котором ошибка обнаружена?
• Какими блоками должны передаваться данные: по одному биту или группами битов? Сколько битов должно быть в блоке? Следует ли упаковывать данные в так называемые пакеты?
Протоколы могут различаться по быстроте и эффективности выполнения своих функций. Приведем два примера.
• SLIP (serial line internet protocol — протокол последовательной межсетевой связи). Позволяет компьютерам использовать протокол IP для получения удаленного доступа в Интернет.
• PPP (point-to-point protocol — протокол двухточечной связи, или связи точка — точка). В настоящее время почти полностью вытеснил SLIP. Может работать не только с ТСР/IP, но и с другими протоколами передачи данных. Имеет улучшенные по сравнению со SLIP средства защиты. Как и SLIP, позволяет соединять удаленные локальные сети.
Модели — основа взаимодействия сетевых систем
Модели, или архитектуры, объединяют различные протоколы в упорядоченную совокупность. Их разработкой занимаются организации по стандартизации и ведущие производители.
В середине 1970-х годов множество выпущенных фирмой IBM разнообразных принтеров, терминалов, мэйнфреймов и мини-компьютеров общались друг с другом с помощью целого ряда несовместимых протоколов. Поэтому в IBM была разработана архитектура протоколов, обеспечивающая взаимодействие компонентов ее сетевого оборудования. Эта архитектура получила название SNA (systems network architecture) и стала фирменным стандартом для сетей IBM.
Примерно в то же время вопросами сетевых коммуникаций занималась Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO). Она предложила свою эталонную модель ОЯ (open systems interconnection — взаимодействие открытых систем), позволяющую проводить разработку стандартов на взаимодействие устройств от различных производителей. Модель OSI относится к открытым стандартам.
Хотя замысел, лежащий в основе модели OSI, полностью реализовать не удалось, тем не менее она оказала существенное влияние на развитие индустрии телекоммуникаций. Эта модель послужила фундаментом для выработки принципов открытого взаимодействия сетевого оборудования от разных поставщиков. Основу модели OSI составляет концепция функциональных уровней: она предусматривает разделение процесса передачи информации в сети на семь уровней. В каждый из них можно вносить изменения и дополнения, не затрагивая остальные уровни. Функционирование как локальных сетей, так и Интернета базируются на принципах, получивших отражение в многоуровневой модели OSI.
Уровень 1 — физический. Этот уровень лежит в основе всей модели. Он определяет электрический интерфейс (соединения и разъемы) и среду передачи сигналов — например, медные провода, оптоволокно и радиоканалы (в беспроводной связи). Этот же уровень описывает параметры модуляции сигналов, величину напряжения или тока. В модемах, работающих на аналоговых линиях, алгоритмы модуляции преобразуют цифровые сигналы, поступающие от компьютера, в аналоговые, а на принимающей стороне — аналоговые в цифровые.
Уровень 2 — канальный. К этому уровню модели OSI относятся протоколы локальных сетей. Они контролируют безошибочную передачу данных к месту назначения, а также правила доступа к локальным сетям, образующим корпоративную сеть организаций. Протоколы канального уровня можно сравнить с почтовой службой, обеспечивающей надежную доставку отправления из местного отделения связи в почтовый ящик адресата.
Уровень 3 — сетевой. Он предусматривает более сложные, чем уровень 2, процедуры адресации и контроля ошибок. На протоколы этого уровня возложена еще одна функция — межсетевой обмен. Протоколы сетевого уровня отвечают за выбор маршрута передачи данных между сетями и между сетевыми сегментами, поэтому уровень 3 иногда еще называют уровнем маршрутизации. К этому уровню относится протокол межсетевого взаимодействия IP. Если продолжить аналогию с почтой, то функции, выполняемые протоколами сетевого уровня, можно сравнить с отправкой писем по разным отделениям связи в соответствии с почтовыми индексами на конвертах.
Уровень 4 — транспортный. Он определяет механизм анализа и разделения потоков данных на блоки, подходящие для передачи по конкретной сети. Протоколы транспортного уровня управляют передачей потоков данных в зависимости от их типа. Например, речевой трафик или видеоинформация могут получить более высокий приоритет и качество обслуживания, чем сообщения электронной почты. На уровне 4 поддерживается также функция защиты сетей от несанкционированного доступа. Эти функции выполняют маршрутизаторы, имеющие соединения с Интернетом или виртуальными частными сетями (virtual private networks, VPN;.подробнее об этом см. главу 8). Маршрутизаторы проверяют значения IP-адресов запрашивающей стороны и в зависимости от результата проверки допускают отправителя запроса в сеть или отказывают ему в доступе.
Уровень 5 — сеансовый. Он управляет диалогом между двумя сетевыми устройствами, регламентируя, например, следующие вопросы: могут ли оба устройства начинать передачу одновременно; должен ли сеанс проходить в полудуплексном режиме, т.е. методом поочередного ведения приема и передачи; кто из участников сеанса будет только передающей стороной, а кто — только принимающей?
Уровень 6 — уровень представления. Протоколы этого уровня обеспечивают представление информации в формате, понятном пользователю, и определяют, как она будет отображаться на экране его компьютера.
Уровень 7 — прикладной. На этом уровне модели OSI находятся прикладные программы пользователя и такие сетевые взаимодействия, как передача файлов или совместное использование принтера.
Семейство протоколов ТСР/IP, на основе которых работает Интернет, относится к уровням 3 и 4 модели OSI. Эти уровни регламентируют функции адресации, контроля ошибок и доступа к сети. Протоколы ТСР/IP предоставляют стандартный набор правил, позволяющий разнородным устройствам по всей планете «общаться» друг с другом. ТСР/IP были разработан в 1970 г. по заказу министерства обороны США. Благодаря своей доступности и совместимости с оборудованием от разных производителей набор протоколов ТСР/IP сыграл ключевую роль в распространении сети Интернет.
Сжатие — обработка данных для увеличения пропускной способности
Метод сжатия (компрессии) можно сравнить с процессом прессования отходов. Подобно тому как мусороуборочная машина прессует отходы в небольшие брикеты, чтобы они поместились в ее контейнер, алгоритмы компрессии сжимают массивы данных в пакеты меньшего размера, чтобы больший объем информации можно было передавать по телефонным линиям. Это способ увеличения пропускной способности каналов связи.
Модемы — применение сжатия для повышения производительности
С помощью сжатия массив информации, предназначенной для передачи, уменьшается в размере, сжимается. Это достигается за счет устранения пробелов и избыточных элементов изображений, а также сокращения наиболее часто встречающихся символов. Что касается сжатия изображений, например при пересылке факсимильного сообщения, то их уменьшают посредством кодирования и передачи только элементов самого изображения, отбрасывая пробелы и незаполненные места. Применение сжатия в модемах позволяет достичь более высоких скоростей передачи информации, т.е. увеличить производительность (см. рис. 1.3). Под производительностью понимают фактический объем полезной информации, передаваемой в единицу времени. Когда модемы, поддерживающие функцию сжатия, посылают по каналам связи текст, часто повторяющиеся буквы этого текста кодируются в символы меньшей длины. Например, буквы латинского алфавита Е, Т, O и I встречаются наиболее часто. С помощью алгоритмов компрессии они кодируются не в стандартные 8-разрядные символы, а посылаются в виде кодов длиною не более 3 бит. Таким образом, страница текста, содержащая 2200 бит информации, может быть передана с использованием только 1600 бит.
Метод сжатия дает возможность модемам пересылать по аналоговым линиям связи больше данных за меньший интервал времени. В самом деле, если объем текстового файла составляет 10 страниц, то с помощью компрессии, устраняющей пробелы, избыточные элементы и сокращающей часто встречающиеся буквы, можно «ужать» документ до семи страниц. Следовательно, на его передачу требуется меньше времени. Данный пример показывает, как с помощью сжатия можно увеличить производительность модемов. Сотрудники компаний, постоянно работающие на дому (telecommuters), часто пользуются модемами, наделенными функцией компрессии, чтобы быстрее пересылать свои файлы в главный офис. В таких случаях необходимо, чтобы и модем сотрудника, и офисный модем имели согласованные алгоритмы сжатия.
«Сжатое видео» — видеоконференции перестают быть дорогим удовольствием
Суть процесса сжатия видеоинформации заключается в том, что вместо постоянной передачи всех фрагментов исходной картинки, в сеть пересылаются только те ее фрагменты, которые претерпели изменения. Например, при проведении видеоконференции сначала передается исходное изображение слушающего участника, а следующие кадры транслируются лишь тогда, когда этот участник заговорит или начнет двигаться. Кадры с изображением неподвижных объектов — стен, столов и других деталей обстановки — повторно не посылаются. Более того, устройство (кодер), которое сжимает видеоданные, «знает», что если отбросить кадры, содержащие несущественные изменения в картинке, то целостность ее восприятия не нарушится.
Успехи в разработке более совершенных алгоритмов сжатия, достигнутые в середине 1980-хгодов, способствовали тому, что системы для видеоконференций стали доступнее по цене. Передача видеоинформации с применением новых методов сжатия предъявляет гораздо меньшие требования к пропускной способности каналов связи, что позволяет арендовать для этой цели недорогие телефонные линии. Прежние схемы сжатия, напротив, требовали для передачи видеоданных предоставления всей полосы пропускания такой, например, дорогостоящей линии связи, как Т-1. Необходимость аренды дорогих линий связи сдерживала широкое распространение настольных систем для проведения видеоконференций (room-type video conference systems) вплоть до конца 1980-хгодов. Предложенные в эти годы такими компаниями, как PictureTel, более совершенные алгоритмы сжатия допускали использование для передачи видеоизображений приемлемого качества менее широкой полосы пропускания — всего лишь от 56 до 128 Убит/с. Видеоконференц- связь становилась, таким образом, доступной для большего числа организаций. И в самом деле, зачем платить сотни долларов за час аренды линии Т-l, когда можно воспользоваться услугами ряда телекоммуникационных компаний, например MCI Worldcom, и арендовать у них всего за 14дол. в час линию связи, которая обеспечит вполне качественную передачу видеоинформации.
Благодаря новым методам сжатия появилась возможность использовать для передачи видеоинформации более медленные, узкополосные линии связи. С этого момента начался бурный рост новой отрасли.
Стандарты сжатия = совместимость
Существует много различных методов сжатия данных. Например, компании AT&T, Motorola и Compression Labs разработали фирменные схемы сжатия на основе математических алгоритмов. Устройство, которое называется кодек (codec, сокращенное от coder — decoder), кодирует текст, изображения, аудио- и видеоинформацию с помощью специального алгоритма сжатия. Чтобы механизм сжатия мог использоваться и для отправки, и для приема информации, необходимо применять один и тот же алгоритм. Передающая сторона сначала оцифровывает голос, текст или изображение, а затем методом компрессии сжимает (кодирует) полученные массивы цифровых данных для передачи в сеть. Принимающая сторона восстанавливает (декодирует) поступающие потоки данных. С целью обеспечения совместимости сетевых устройств от различных производителей были разработаны стандарты по сжатию, определяющие алгоритмы кодирования и декодирования для модемов, цифрового телевидения, систем для проведения видеоконференций и др. Описание стандартов сжатия приводится в приложении к данной главе.
Увеличение скорости обмена информацией в Интернете
Потоковая мультимедийная информация, также известная как потоковое видео и потоковое аудио, — это программное обеспечение (ПО), предназначенное для ускорения передачи видео- и аудиоинформации через Интернет. Например, когда графические изображения и текст передаются на браузер пользователя в сети Интернет, текст появляется на экране монитора сразу же, а графическое изображение выводится по мере поступления, фрагмент за фрагментом.
На сегодняшний день самым популярным приложением потокового видео (или видео в реальном времени) является порнография в Интернете. Именно там впервые в компьютерной сети стали показывать снятые на видеокамеру живые сцены. Несмотря на это, многие эксперты считают, что потоковое мультимедиа превратит Интернет в настоящее средство массовой информации и коммуникаций. Ведущие компании используют мультимедийную технологию для трансляции «в прямом эфире» выступлений своего руководства и корпоративных мероприятий. Университеты применяют эту технологию, чтобы сделать свои учебные курсы доступными для более широкого круга лиц. В частности, во многих университетах студенты, получающие второе образование, имеют возможность видеть и слышать преподавателей, не выходя из дома.
Web-сайты начали предлагать своим посетителям новый вид услуг— создание собственных аудио- и видеоклипов. Например, 1 марта 1999 г. компания GeoCities объявила о намерении разместить на своем Web- сайте серверное приложение фирмы RealNetworks. С помощью этого программного продукта клиенты GeoCities смогут создавать аудио- и видеоклипы, причем бесплатно. Но если они превысят установленный лимит на использование ресурсов сервера, то с них будет взиматься плата.
Потоковый режим и режим загрузки. Стандарты MPKG
Режим загрузки предусматривает вывод на экран текстовой или графической информации только после того, как будут полностью загружены содержащие эту информацию файлы. Технология потокового мультимедиа обеспечивает вывод информации на экран компьютера сразу же, как только пользователь щелкнет кнопкой «мыши» по ссылке на URL (uniform resource locator — универсальный указатель ресурсов). Режим реального времени является важной функциональной особенностью браузеров. Когда на браузер передается содержимое Web-страниц, включающее в себя графические изображения и текст, то текст поступает на компьютер пользователя быстрее, чем графическая информация. Поэтому, если кто-нибудь решит ознакомиться с онлайновой версией газеты «Wall Street Journal», он может приступить к чтению статей еще до того, как на экране его компьютера появится первое рекламное изображение.
Для потоковых аудио и видео предусмотрены стандарты MPEG В1991г. Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union, ITU) была создана экспертная группа кинематографии (Moving Picture Experts Group, MPEG), в задачу которой входил разработка стандартов по сжатию для передачи видеоклипов и программ цифрового ТВ. Формат MPEG-3 предназначен для потокового аудио Стандарты MPEG наряду с фирменными алгоритмами сжатия мультимедийных данных являются асимметричными. Они предусматривают более мощные программные средства для кодирования изображения и менее мощные — для его декодирования.
При разработке алгоритмов сжатия предполагалось, что конечные пользователи имеют не такие производительные устройства, как те, кто кодирует аудио- и видеоинформацию, т.е. поставщики услуг в области мультимедиа.
Самыми распространенными мультимедийными приложениями в наши дни являются продукты компаний RealNetworks и Microsoft. RealNetworks владеет большей долей рынка, чем Microsoft, поставляя пакеты программ RealSystem® и RealPlayer®. Продукт фирмы Microsoft называется NetShow.
Потоковое мультимедиа играет важную роль в процессе превращения сети Интернет в средство массовой информации. Руководитель компании RealNetworks Роб Глейзер, комментируя заявление фирмы AtHome о том, что она скоро начнет трансляцию видеоклипов студийного качества своим клиентам, подключенным к Интернету с помощью кабельных модемов, сказал: «Это еще один крупный шаг на пути к преобразованию сети Интернет в новое средство масс-медиа».
Обе компании — и Microsoft, и RealNetworks — распространяют свои мультимедийные приложения бесплатно в расчете на то, что они станут отраслевым стандартом de facto и что в дальнейшем разработчики пользовательских приложений будут покупать серверное программное обеспечение у них.
Производительность компьютеров — движущая сила совершенствования потоковых мультимедиа
Рост производительности персональных компьютеров наряду с разработкой усовершенствованных методов сжатия способствует тому, что потоковые видео и аудио все шире применяются в Интернете.
В сентябре 1998 г. корпорация Intel дала разрешение на использование своих технологических разработок фирме RealNetworks, занимающейся созданием мультимедийных программ. Компания Intel надеялась, что привлекательность подобных приложений для пользователей будет служить стимулом к покупке более мощных и дорогих компьютеров на базе ее процессоров. Потоковые видео и аудио требуют использования мощных микросхем с высоким быстродействием, например выпускаемых Intel микропроцессоров класса Pentium, способных обрабатывать данные со скоростью, достаточной для нормальной работы этих приложений.
В апреле 1998 г. компании Microsoft и Intel объявили, что Microsoft включит в свою операционную систему Windows 98 разработанную в Intel программу Intercast. Это приложение позволит телестанциям передавать по телевизионным каналам наряду с телепрограммами разнообразные данные, например результаты спортивных состязаний или рекламные объявления электронной коммерции (см. врезку «Персональный компьютер приобретает функции телевизора»).
B Windows 98 также предусмотрена поддержка плат приема телевизионных каналов персональным компьютером (TV tuner cards). Чтобы ПК имел возможность принимать программы цифрового ТВ, к нему должна подключаться антенна. На сегодняшний день лишь небольшое число компаний занимается изготовлением подобных плат.
Цифровое телевидение— передача изображения студийного качества с помощью сжатия
Методы компрессии позволяют сжимать видеосигналы в пакеты данных небольшого размера, с тем чтобы изображение студийного качества могло быть передано по стандартным телевизионным каналам. Стандарт для аналогового телевидения предусматривает 525 строк развертки. Цифровой стандарт HDTV (телевидение высокой четкости) позволяет получить 1080строк развертки по 1029точек каждая. Большее число строк дает на экране более четкую картинку студийного качества. Дополнительные линии обеспечивают повышенное разрешение и детализацию изображения на экране. Увеличение числа строк достигается посредством компьютерной обработки видео- и аудио составляющих телевизионного сигнала. Алгоритмы сжатия, используемые компьютерами, убирают не существенные (избыточные) детали изображения, а также те фрагменты, которые остаются без изменений. В результате видеоинформация объемом 1,5 Гбит сжимается до 19,3 Мбит. Однако это никак не сказывается на качестве телевизионного изображения — оно практически не отличается от студийного. Благодаря мощным средствам компрессии и декомпрессии телезрители не только ничего не теряют, а напротив, во время просмотра программ цифрового телевещания у себя дома даже могут представить, что сидят в кинотеатре.
Мультиплексирование — давайте уплотнимся
Суть технологии мультиплексирования (уплотнения) состоит в том, что информационные потоки от нескольких устройств, например телефонов или компьютеров, объединяются для передачи по одному физическому каналу связи. Как и технология сжатия, мультиплексирование позволяет более эффективно использовать существующие телефонные линии. Однако, в отличие от сжатия, оно не предусматривает внесения каких-либо изменений в передаваемые данные. Оборудование для мультиплексирования имеется у провайдеров услуг междугородной связи, местных телефонных компаний, а также у конечных пользователей. Технология мультиплексирования применяется как в аналоговой, так и в цифровой связи. В качестве примеров использования этой технологии в цифровой связи можно привести линии Т-l, дробной (fractional) Т-l, Т-З, сети ISDN и АТМ.
Первые методы мультиплексирования были разработаны корпорацией AT&T для аналоговых телефонных линий. AT&T стремилась к более эффективному использованию самого дорогостоящего участка своей телефонной сети — проводных линий, соединяющих дома абонентов с АТС. Компания смогла решить эту задачу, применив метод частотного мультиплексирования (frequency division multiplexing), предусматривающий распределение доступного диапазона частот физического канала связи между несколькими абонентами. Это позволяло одновременно передавать множество телефонных разговоров, а позднее и потоков данных по одной телефонной линии, соединяющей АТС друг с другом. Таким образом, компания избавлялась от необходимости прокладывая отдельный
кабель для передачи каждого телефонного разговора. Теперь по одному и тому же проводу, соединяющему телефонные узлы, могли одновременно связываться множество абонентов.
Цифровые методы мультиплексирования тоже обеспечивают совместное использование одного канала связи несколькими абонентами. Цифровое мультиплексирование работает на более высоких скоростях и позволяет передавать значительно больший объем информации, чем аналоговое. Например, линия связи стандарта Т-3 благодаря мультиплексированию может передавать 672 потока данных со скоростью 45 Мбит/с (см. рис. 1.4).
И аналоговая, и цифровая технологии требуют, чтобы в мультиплексорах по обе стороны канала связи применялись согласованные схемы мультиплексирования.
В то время как каналы Т-3 используются в магистральных сетях крупнейших корпораций, а также телефонных компаний и провайдеров услуг сети Интернет, каналы Т-1 являются наиболее распространенной формой мультиплексирования для компаний — конечных пользователей.
Каналы Т-1 не такие скоростные, но и не такие дорогостоящие, как Т-3. Сервис Т-1 обеспечивает 24 канала передачи голоса и данных по одной линии. Если нужно связать друг с другом удаленные подразделения организации для обмена сообщениями по электронной почте, ведения телефонных разговоров или организации доступа к базам данных, то, как правило, применяют линии Т-1. Они также используются телефонными компаниями для предоставления своим клиентам услуг связи по сниженным тарифам.
Как и в случае с линиями Т-З, мультиплексоры на обоих концах линии Т-1 должны работать в согласованном режиме.
СЕТИ LAN, MAN И WAN
Различия между локальными (LAN), городскими (MAN) и глобальными (WAN) сетями определяются, в первую очередь, расстоянием, на котором сетевые устройства могут взаимодействовать.
Как видно из названия, локальная сеть — это сеть местного значения. Она, как правило, принадлежит одной организации и занимает ограниченную область — обычно в одном здании. В более крупных организациях локальные сети могут располагаться в пределах комплекса зданий. Сетевые устройства, например компьютеры, соединенные друг с другом в пределах города или района, составляют городскую сеть, а компьютеры, находящиеся в разных городах и связанные между собой, образуют глобальную сеть.
Локальные сети могут объединять такие ресурсы, как принтеры, персональные компьютеры, системы сигнализации, заводские системы автоматизации и контроля качества, базы данных, промышленные и офисные сканеры, охранные системы наблюдения (см. рис. 1.5). В отдельную локальную сеть, как правило, входят устройства, располагающиеся на одном этаже или в одном подразделении организации.
По мере того как множилось число ПК, росла популярность и локальных сетей. Как только на рабочих столах у сотрудников организации появлялись ПК, следующим шагом было их соединение друг с другом. Локальные сети начали создаваться в 1980 г. Первоначальным толчком к объединению ПК в сеть послужило стремление к совместному использованию дорогого периферийного оборудования, например скоростных принтеров.
В настоящее время локальные сети являются теми «кирпичиками», из которых строятся более крупные сети, обеспечивающие связь между различными филиалами,
а также между головными офисами и сотрудниками, работающими на дому, в целях обмена электронной почтой, совместного пользования базами данных и т.п. Приложения электронной почты
и файлы корпоративной базы данных размещаются на специально выделенных для этого компьютерах, получивших название файловых серверов (file servers). Доступ к файловым серверам может быть органичен системой паролей, известных лишь определенному кругу лиц.
Программное обеспечение, управляющее работой локальной сети, 1 называется сетевой операционной системой (network operating system, NOS). Оно устанавливается на серверах, подсоединенных к локальной сети. Самые распространенные в настоящее время сетевые ОС строятся на основе модели «клиент/сервер». Клиенты (ПК) делают запрос на обслуживание (например, получение доступа к общему принтеру или базе данных), а специальные программы, называемые серверами, обеспечивают выполнение этих запросов. Сетевая ОС управляет доступом к ресурсам локальной сети — к файлам, принтерам, модемам и т.д. Примерами ОС типа «клиент/сервер» могут служить операционные системы Microsoft Windows NT и Novell Netware.
Все аппаратные средства в локальных сетях соединены, т.е. каждое устройство может взаимодействовать с другими устройствами. Используются следующие типы соединений: кабель «витая пара», коаксиальный кабель, оптоволокно и беспроводные каналы. В большинстве случаев устройства подключаются к локальной сети с помощью кабеля «витая пара» более высокого качества, чем тот, что применяется в телефонных линиях связи. (Более подробно о средах передачи говорится в главе 2.)
В 1980-е годы, на волне роста популярности локальных сетей, многие самостоятельные отделы и подразделения создавали собственные локальные сети без участия специалистов информационной службы своих компаний. Когда же потребовалось объединить эти локальные сети для совместного использования файлов и обмена электронной почтой, возникла проблема совместимости сетевого оборудования от различных производителей. Одним из распространенных способов решения этой проблемы стало использование семейства протоколов ТСР/IP. Кроме того, для организации межсетевого обмена были разработаны и внедрены такие устройства, как мосты и маршрутизаторы.
Концентраторы позволяют связывать устройства в локальных сетях между собой с помощью витой медной пары проводов, а не коаксиального кабеля, традиционно используемого в системах кабельного ТВ. Первоначально для соединения аппаратных средств друг с другом в локальных сетях применялся коаксиальный кабель, прокладка и демонтаж которого требуют немалых денег. Между тем в крупных организациях обычной практикой является перемещение сотрудников и целых подразделений, по меньшей мере раз в год, на новое место. Прокладка же коаксиального кабеля зачастую приводит к нехватке свободного пространства в фальшпотолках и существующих кабельных каналах.
Вместо соединения сетевых узлов или устройств напрямую друг с другом каждое из них подключается к центральному концентратору, образуя при этом конфигурацию в форме звезды. Наличие концентратора изменяет топологию локальной сети (топология — это своего рода «вид сверху», в данном случае звезда, где каждый сетевой узел подключен к центральному узлу). Если концентратор не используется, то каждое устройство локальной сети последовательно соединяется с другим устройством в цепочку, образуя так называемую шинную топологию. В сетях с такой топологией выход из строя одного узла в цепочке (шине) или повреждение кабеля нарушает работу всей сети.
И наоборот, в сетях, где используется концентратор, сбой в работе одного из узлов не оказывает воздействия на другие. Концентраторы размещаются в монтажных шкафах, которые находятся на всех этажах зданий, как показано на рисунке 1.6.
Мосты появились в 1980-е годы как средство объединения нескольких локальных сетей. Наибольшее распространение они получили в середине 1980-хгодов. Мосты позволяют иметь один общий канал, по которому различные локальные сети связываются друг с другом (см. рис. 1.7). Например, если два подразделения организации располагаются в разных городах, то для обмена данными между ними может применяться мост.
Мосты могут соединять две локальные сети Ethernet, а также локальную сеть Ethernet с сетью Token Ring, разработанной фирмой IBM. Помимо связи удаленных локальных сетей друг с другом, мосты применяли для объединения локальных сетей, расположенных в одном здании или комплексе зданий.
Преимущество мостов заключается в том, что их легко настраивать (конфигурировать). Существует не так уж много вариантов их конфигурации,
поскольку все пакеты данных пересылаются мостом по одному и тому же тракту. Но это же является и их недостатком. Каждый пакет данных направляется не только по единственному пути, но и по всем устройствам в сети одновременно, т.е. выполняется так называемая широковещательная передача. Отсутствие функций маршрутизации и контроля за перегрузкой сети определяет положение мостов как устройств второго (канального) уровня модели OSI. Только устройство, которому адресовано сообщение, забирает его из сети. Мосты, осуществляющие широковещательную передачу, могут переполнить сеть слишком большим количеством сообщений, замедляя тем самым ее работу. С распространением локальных сетей и удешевлением маршрутизаторов основным оборудованием для межсетевого обмена стали не мосты, а маршрутизаторы.
Маршрутизаторы также служат для соединения локальных сетей друг с другом. Это могут быть как локальные сети, находящиеся в различных зданиях в пределах квартала, так и сети, располагающиеся в разных городах и занимающие территорию нескольких кварталов.
Маршрутизаторы являются более сложными устройствами, предусматривающими большее число функций, чем мосты. Одна из замечательных возможностей маршрутизаторов заключается в том, что они могут пересылать протоколы различных типов локальных сетей, имеющихся в подразделениях организации. Важно, что маршрутизаторы не транслируют протоколы уровня приложений. Компьютер, оснащенный операционной системой UNIX, не сможет просто так прочесть документ, созданный текстовым процессором под управлением Microsoft Windows. Одним словом, с помощью маршрутизатора протоколы различных типов локальных сетей пересылаются по корпоративной сети.
Маршрутизаторы выполняют следующие функции:
• Управление потоком информации. Если маршрут, по которому должны пересылаться данные, перегружен, то маршрутизатор не начинает передачу до тех пор, пока не станет доступна необходимая полоса пропускания.
• Оптимизация маршрута. Маршрутизатор, отправляющий данные, выбирает наилучший доступный путь для их передачи. Он извлекает информацию о пути, анализируя содержимое имеющихся у него таблиц маршрутизации.
• Упорядочивание. Маршрутизаторы пересылают данные в пакетах или в конвертах. Эти пакеты могут прибыть на конечный маршрутизатор не 1 в том порядке, в каком были отправлены. Маршрутизатор, принимающий данные, по содержащейся в пакетах информации «узнает» правильную очередность их следования и в соответствии с ней упорядочивает пакеты.
• Подтверждение приема. Маршрутизатор на принимающей стороне посылает маршрутизатору-отправителю подтверждение того, что данные были приняты правильно.
Развитый интеллект, которым наделены маршрутизаторы, имеет два отрицательных момента.
Во-первых, маршрутизаторы требуют больших усилий по настройке и администрированию. Каждый маршрутизатор корпоративной сети должен иметь таблицы маршрутизации, соответствующие последним изменениям в структуре и состоянии сети. Каждому устройству или узлу локальной сети присваивается адрес. Когда принтер или ПК перемещается из одной локальной сети в другую, в таблицу маршрутизатора необходимо вносить соответствующие изменения, иначе сообщения не будут доходить до этого сетевого устройства. В качестве иллюстрации сложности управления маршрутизаторами стоит упомянуть о специально нанимаемых компаниями администраторах, которые целыми днями только тем и занимаются, что обновляют таблицы маршрутизации для корпоративных сетей.
Во-вторых, маршрутизаторы работают медленнее, чем мосты. Необходимость каждый раз просматривать собственные таблицы снижает быстродействие маршрутизатора.
Перечисленные выше функции контроля за перегрузкой, упорядочивания пакетов и подтверждения приема определяют маршрутизаторы как устройства уровня 3 (сетевого) модели OSI.
Коммутирующие маршрутизаторы обладают большим быстродействием, чем обычные. Они не проверяют в таблице маршрутизации каждый из адресов всех передаваемых пакетов, а вместо этого помещают адрес каждого пакета в память процессоров сетевых плат. Большинство новых маршрутизаторов, устанавливаемых сегодня в локальных сетях, являются коммутирующими. Некоторые из этих новых устройств обладают таким быстродействием, что им дали название «терабитные маршрутизаторы». Они работают со скоростью 1 трлн. бит/с.
Глобальные сети — это соединения, связывающие по телефонным линиям подразделения организаций, удаленные друг от друга на большие расстояния. В частности, линия связи между оптовым складом в Алабаме и торговым отделом в Массачусетсе является частью глобальной сети. В отличие от локальных, глобальные сети не ограничены определенной территорией. Технологии, которые используются в глобальных сетях, отличаются большим разнообразием. Выбор подходящего варианта соединения зависит от объема передаваемого трафика, требований к качеству обслуживания, стоимости и совместимости с аппаратными средствами, имеющимися у организаций. (Технологии глобальных сетей и поставщики оборудования для них подробно рассматриваются в главах 5 и 6.) К технологиям WAN относятся ISDN, Т-1, Т-3, АТМ и Frame Relay, а также системы беспроводной связи.
Городской сетью называют связанные друг с другом локальные сети, располагающиеся в пределах города или городского района. Городская сеть может охватывать несколько кварталов. Например, госпиталь, находящийся в центральной части Бостона, имеет в прилегающем районе архив, где хранится картотека с рентгенограммами и историями болезней. Чтобы не возить материалы архива из одного района в другой, госпиталь арендовал высокоскоростные телефонные линии, по которым пересылаются снимки и данные из картотеки. Каналы связи между госпиталем и архивом относятся к соединениям городской сети. Они могут быть арендованы у телефонной компании или построены самими организациями и представляют собой оптоволоконные кабели, медные провода или каналы высокочастотной беспроводной связи. В городских сетях могут использоваться те же технологии ISDN и Т-1, что и в глобальных.
Перегрузки в локальных и глобальных сетях
Новые приложения, требующие большой пропускной способности
Локальные сети изначально проектировались для так называемого взрывного, или пульсирующего, трафика (bursty traffic). Такой трафик предусматривает передачу сообщений электронной почты и текстовых файлов. Это не непрерывный поток данных. В типичных существующих локальных сетях, построенных на базе протоколов Ethernet и Token Ring, в каждый момент по сети может передаваться только одно сообщение со скоростью, не превышающей 10 Мбит/с. Новые приложения вызывают перегрузки и задержки в работе локальных сетей. К приложениям, значительно увеличивающим объем трафика, относятся настольная система для проведения видеоконференций, программы автоматизированного проектирования и производства, а также графические файлы, загружаемые из Интернета. Эти приложения не только увеличивают объем передаваемых данных, но и изменяют характер трафика, который больше не является неравномерным и пульсирующим. При пульсирующем режиме передачи в сеть посылается группа сообщений, после чего делается пауза, во время которой другие сетевые устройства получают возможность пересылать свои сообщения. Между тем передача видеоинформации предполагает непрерывное использование сети. Люди, участвующие в видеоконференциях, вряд ли захотят смотреть на пустые экраны мониторов, чтобы в это время кто-то другой мог выйти в Интернет. Проведение видеоконференций требует постоянной полосы пропускания сети в течение всего сеанса.
Кроме приложений, предусматривающих передачу больших объемов информации по локальной сети организации, повышенные требования к пропускной способности сети предъявляют и возросшие возможности современных ПК. В 1980-е годы, когда появились первые локальные сети, у служащих на рабочих столах стояли компьютеры, оснащенные процессорами класса 286 и имевшие небольшие объемы оперативной памяти и жесткого диска. В последние годы нормой стали компьютеры на базе процессора класса Pentium с памятью на 128 Мбайт и емкостью жестких дисков, измеряемой в единицах и десятках гигабайт.
Эти мощные ПК также оснащены средствами мультимедиа, дающими возможность использовать их для настольных видеоконференций, загрузки больших файлов из Интернета и совместной работы с электронными таблицами значительного размера. Весь этот объем трафика передается по локальной сети.
Совместное использование локальной сети
Сети, построенные на базе маршрутизаторов и концентраторов в масштабе одного здания или комплекса зданий, представляют собой сети с разделяемой средой передачи данных (или с совместным доступом к среде передачи. — Примеч. переводчика). Все сетевые узлы имеют одинаковое право на доступ к сети, но каждый из них ожидает своей очереди, чтобы послать сообщение. В любой конкретный момент по сети может передаваться только одно сообщение. Такие сети обладают высоким быстродействием (10 — 100 Мбит/с). Предполагается, что пульсирующий трафик позволяет различным узлам посылать свои сообщения, не вызывая при этом больших задержек в сети. При создании первых локальных сетей помимо допущений, связанных с прерывистым характером передачи информации, исходили из предположения, что такие приложения, как электронная почта, не будут предусматривать немедленного ответа на сообщения. Это не так в отношении новейших приложений, например программ доступа в Интернет. Пользователи не хотят, чтобы при загрузке информации из Интернета происходили какие-либо задержки. В связи с этим в локальных сетях стали использовать коммутаторы канального уровня и коммутирующие маршрутизаторы, обеспечивающие выделенную полосу пропускания для каждого пользователя.
Перегрузки в локальных сетях, в соединениях между локальными сетями
или между локальными и глобальными сетями
Перегрузки возникают как внутри локальных сетей, так и в каналах, соединяющих локальные сети друг с другом и с глобальными сетями. В настоящее время разработаны и внедряются новые технологии, позволяющие существенно увеличить пропускную способность каналов связи.
Высокоскоростные технологии локальных сетей (все предусматривают модернизацию концентраторов)
• Fast Ethernet (быстрый Ethernet). Fast Ethernet относится к протоколам совместного использования среды передачи (shared protocol). Тем не менее, он обеспечивает скорость обмена информацией 100 Мбит/с - в 10раз больше, чем скорость стандартного Ethernet, самой распространенной технологии локальных сетей. Применяется обычный кабель «витая пара». Для подключения ПК к локальной сети Fast Ethernet требуются специальные сетевые адаптеры.
• 100 Мбит/с Switched Ethernet. Switched Ethernet не является сетевой технологией для разделения доступа. При его использовании, устройствам, нуждающимся в высокой скорости, предоставляется выделенный канал внутри локальной сети. Это позволяет освобождать полосы пропускания для таких устройств от трафика, создаваемого другими пользователями. В Switched Ethernet могут применяться обычные медные провода, мосты и маршрутизаторы.
для магистральных соединений локальных сетей друг с другом и с глобальной сетью
• Gigabit Ethernet. Работает с существующими протоколами локальных сетей. Поскольку технология Gigabit Ethernet обеспечивает высокую скорость передачи (1000 Мбит/с), требуется использование оптоволоконного кабеля или кабеля с неэкранированной витой парой (unshielded twisted pair, UTP) улучшенной категории 5е. В локальных сетях соединения со скоростью 1 Гбит/с предназначаются прежде всего для подключения серверов, нуждающихся в большой пропускной способности.
• Routing Switches (коммутаторы с функцией маршрутизации). Такие коммутаторы пересылают пакеты данных один за другим. Они помещают первый из набора адресов каждого пакета в память своей сетевой платы, для того чтобы не сверять каждый адрес в таблице маршрутизации. Коммутаторы с функцией маршрутизации работают как на уровне 2, так и на уровне 3 модели OSI. К функциям уровня 3 относится определение маршрута передачи пакета между сетями и сетевыми сегментами. Уровень 2 отвечает за доставку пакета по конечному адресу — будь то ПК или принтер. Корпорация Nortel Networks поставляет эти коммутаторы на рынок через принадлежащую ей фирму Вау Networks.
• Tag Switching (коммутация по меткам потоков). Поддерживается компанией Cisco. Это фирменный протокол, базирующийся на методе так называемой многопротокольной коммутации по меткам (multiprotocol label switching, MPLS) и предназначенный для повышения скорости межсетевого обмена. При использовании данной технологии биты, составляющие адрес пакета, помещаются в быстродействующую буферную память маршрутизатора. Помимо этого к каждому пакету добавляется набор битов фиксированной длины, или метка. Маршрутизаторам больше не нужно исследовать весь заголовок пакета, чтобы определить его дальнейший маршрут, а достаточно просмотреть метку каждого пакета. Как следствие, сокращается время обработки пакетов и повышается скорость обмена данными.
Новые устройства для сетей операторов связи и поставщиков услуг Интернета
В преддверии ожидаемого роста объемов трафика, переносящего по сетям общего пользования данные, а не голос, производители коммуникационного оборудования разрабатывают высокоскоростные маршрутизаторы нового поколения. Они считают, что сети будущего будут передавать преимущественно компьютерные данные, аудио - и
видеоинформацию, а не речь. Поэтому такие поставщики, как Cisco Systems и 3Com, заняты разработкой высокоскоростных маршрутизаторов, которые они надеются продать компаниям — операторам связи и провайдерам Интернета. Эти устройства предназначаются в первую очередь для обработки компьютерных данных, но будут в то же время обладать достаточным быстродействием, чтобы обеспечивать высококачественную передачу голоса и видеоинформацию.
Традиционные производители оборудования для телефонных станций тоже разрабатывают новую аппаратуру, которая позволит передавать данные с большей эффективностью (см. врезку «Отказоустойчивость или надежность»). К их числу относятся компании Siemens AG, Lucent Technologies и Nortel Networks. Все они приобрели предприятия, специализирующиеся на выпуске сетевого оборудования для высокоскоростной передачи данных. В частности, Lucent Technologies купила компании Yurie Systems и Ascend Communications. Последняя, в свою очередь, перед этим стала владельцем фирмы Cascade, поставляющей коммутаторы АТМ, и фирмы Stratus. Корпорация Nortel приобрела компанию Вау Networks и Aptis. Она также владеет 20% акций компании Avici Systems, которая является разработчиком терабитных маршрутизаторов (о них будет сказано ниже). Avici Systems выпустила свои маршрутизаторы в 1999 г.
Терабитные маршрутизаторы
Название «терабитный маршрутизатор» было придумано в компании Avici Systems в 1997 г. Скорость, с которой терабитные маршрутизаторы обрабатывают пакеты данных, достигает нескольких триллионов бит в секунду (1 000 000 000 000 бит = 1 Тбит). Терабитные маршрутизаторы призваны удовлетворять потребности рынка поставщиков услуг Интернета и крупных операторов связи. При проектировании и разработке своих маршрутизаторов фирма Avici Systems проводила опрос среди этих категорий заказчиков, и те заявляли, что нуждаются в оборудовании, способном обрабатывать огромные массивы данных. Они ожидали, что весьма значительный объем данных будет передаваться по общедоступным сетям с распространением таких приложений, как виртуальные частные сети (подробнее о них см. главу 8). Компании-провайдеры считали, что в ближайшее время через VPN будут проходить значительные объемы трафика, генерируемого электронной коммерцией, сетями extranet и intranet.
Терабитные маршрутизаторы фирмы Avici Systems представляют собой компьютеры, сконструированные по образу суперкомпьютеров. Эти устройства объединяют в одном корпусе до 560 маршрутизирующих модулей. Если какой-то из 560модулей (компьютеров) выйдет из строя, маршрутизатор будет продолжать обработку пакетов, используя оставшиеся порты входа/выхода.
Маршрутизация осуществляется на основе технологии MPLS. Более короткие заголовки пакетов, которые предусматривает эта технология, позволяют ускорить процесс обработки пакетов. Идентификация маршрута осуществляется по коротким меткам фиксированной длины, вследствие чего отпадает необходимость исследования полного заголовка каждого пакета. Компания Avici Systems рассчитывает, что ее терабитные маршрутизаторы придут на смену коммутаторам АТМ в магистралях сетей, принадлежащих операторам связи.
Коммутаторы АТМ обеспечивают коммутацию голоса, данных и видеоинформации в магистрали сети общего доступа. Магистраль — это часть сети с самым интенсивным трафиком, к которой подсоединены менее загруженные каналы. Маршрутизаторы фирмы Avici Systems одновременно поддерживают 100высокоскоростных каналов уровня ОС192 и 400 каналов уровня ОС 48. (ОС — это сокращение от «optical carrier»— оптическая несущая; обозначает скорость передачи сигнала по оптоволоконным кабелям.) Уровень ОС 48 соответствует скорости 2488 Мбит/с, а ОС 192 — 10 000 Мбит/с.
К другим поставщикам высокоскоростных маршрутизаторов нового поколения относятся компании Torrent Networking Technologies, Pluris, NetCore Systems, Unisphere Solutions, Inc. и Juniper Networks, Inc. Многие из этих производителей борются за то, чтобы именно их маршрутизаторы заменили традиционные коммутаторы телефонных станций. Ожидается, что вскоре будет разработан программируемый коммутатор (подробнее об этом см. в главе 8), позволяющий преобразовывать речевой трафик обычной телефонной сети в пакеты цифровых данных формата IР и направляющий эти пакеты на высокоскоростные маршрутизаторы для последующей передачи по волоконно-оптическим сетям с высокой пропускной способностью. (О технологии DWDM в волоконно-оптических сетях см. в главе 2.)
Граничные маршрутизаторы используются для соединения корпоративных сетей организаций с коммутаторами и маршрутизаторами операторов связи. Граничные маршрутизаторы находятся на рубеже между корпоративной сетью и сетью оператора связи. Компания Ennovate Networks, Inc. из Боксборо (штат Массачусетс) поставляет на рынок граничный маршрутизатор нового типа, предназначенный для IP-сетей поставщиков услуг связи. Это устройство имеет так называемую архитектуру виртуального маршрутизатора (virtual router architecture), предусматривающую до 80таблиц маршрутизации, в то время как стандартные маршрутизаторы содержат по одной таблице. Специалисты из Ennovate Networks утверждают, что такое число таблиц маршрутизации обеспечивает ее устройству гибкость и дает возможность предложить крупным клиентам гораздо больше IP-адресов, если они захотят использовать сеть провайдера для организации своей виртуальной частной сети (VPN). Дело в том, что в некоторых VPN-сетях клиенты должны изменять сетевые адреса своих компьютеров из-за ограничений, налагаемых адресными таблицами стандартных маршрутизаторов.
VPN-сетям присущи почти все функции частных сетей, однако администрированием виртуальной сети занимается не сам клиент, а компания-провайдер.
Вопросы обеспечения защиты доступа также не оставлены компанией без внимания. Ennovate Networks считает, что трафик крупных пользователей будет лучше защищен, если адреса их компьютеров хранить отдельно от адресов других клиентов в специальных таблицах маршрутизатора.
Маршрутизатор фирмы Ennoyate Networks совмещает в себе ресурсы и производительность нескольких маршрутизаторов, тем самым избавляя провайдеров от необходимости поддерживать множество сетевых устройств.
