Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
 Скачать 5.49 Mb.
|
|
Скорость изменения информационного сигнала равна количеству тактов изменения информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду. Она измеряется в бодах. Например, если такт передачи информации равен 0,1 секунды, то сигнал изменяется со скоростью 10 бод. Скорость передачи информации, которая в данном случае является пропускной способностью, измеряемая в битах в секунду, может быть как выше, так и ниже скорости изменения информационного сигнала, измеряемой в бодах. Это соотношение зависит от числа состояний информационного параметра. Например, если он имеет более двух различимых состояний, то при равных тактах и соответствующем методе кодирования информационная скорость в битах в секунду может быть выше, чем скорость изменения информационного сигнала в бодах. Пусть информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются четыре состояния фазы в 0, 90, 180 и 270° и два значения амплитуды сигнала – тогда информационный сигнал может иметь восемь различимых состояний. Это означает, что любое состояние этого сигнала несет 3 бита информации – 000, 001,..., 111. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (меняющий информационный сигнал 2400 раз в секунду), передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается 3 бита информации. Если сигнал имеет два состояния (то есть несет информацию в 1 бит), то информационная скорость обычно совпадает с количеством бодов. Однако может наблюдаться и обратная картина, когда информационная скорость оказывается ниже скорости изменения информационного сигнала в бодах – например, когда для надежного распознавания приемником пользовательской информации каждый бит в последовательности кодируется несколькими изменениями информационного параметра несущего сигнала. Так, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нулевого значения бита – импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бита. При таком кодировании скорость линии в битах в секунду в два раза ниже, чем в бодах. Из приведенных примеров видно, что пропускная способность линии связи тем выше, чем короче такт (выше частота периодического несущего сигнала) и чем больше устойчивых распознаваемых состояний имеет информационный сигнал. Однако эта скорость не может расти неограниченно, поскольку с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала. Линия связи передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые определяются ее полосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании различных состояний сигнала принимающей стороной. Это ограничивает число состояний сигнала, а значит, уменьшает скорость передачи информации. Таким образом, мы приходим к поиску баланса между характеристиками среды передачи (затухание, полоса пропускания и др.) и методом кодирования, таким, чтобы добиться максимальной величины пропускной способности (подробнее о различных методах кодирования – в следующей главе). Соотношение полосы пропускания и пропускной способности Связь между полосой пропускания линии и ее пропускной способностью вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон: С = Tlog2 (1 + SNR) или С = Flog2 (1 + Ре/Рш). Здесь С – пропускная способность линии в битах в секунду, F– ширина полосы пропускания линии в герцах, SNR– соотношение «сигнал/шум», Рс – мощность сигнала, Рш – мощность шума. Из этого соотношения следует, что теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует. Однако на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума в линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма непросто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растет далеко не так быстро, как прямо пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном значении отношения мощности сигнала к мощности шума, равном 100, повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии. Близким по сути к формуле Шеннона является другое соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума в линии: C=2Elog2M. Здесь М – количество различимых состояний информационного параметра. Если сигнал имеет два различимых состояния, то максимально возможная пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи. Если же в передатчике используется более двух устойчивых состояний сигнала для кодирования данных, то максимально возможная пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько битов исходных данных. Например, если сигнал может принимать 4 значения электрического потенциала, то за один такт передается 2 бита данных, а если 16, то 4. Тем самым пропускная способность линии повышается в 2 или 4 раза при той же самой тактовой частоте передатчика. Хотя в формуле Найквиста наличие шума в явном виде не учитывается, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности линии связи следовало бы увеличивать количество состояний, но, как мы уже говорили, этому препятствует шум на линии. Например, мы не всегда можем увеличить пропускную способность линии за счет увеличения числа состояний, если амплитуда шума время от времени будет превышать разницу между соседними уровнями сигнала. Так что, возможно, вместо желательных 16 состояний нам придется ограничиться всего четырьмя, а то и двумя. Количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума по формуле Шеннона, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания сигнала приемником. Проводные линии связи Сегодня как для внутренней проводки (кабели зданий), так и для внешней чаще всего применяются три класса проводных линий связи: экранированная и неэкранированная витая пара; коаксиальные кабели; волоконно-оптические кабели. Экранированная и неэкранированная витая пара Витой парой называется скрученная пара проводов. Этот вид среды передачи данных очень популярен и составляет основу большого количества как внутренних, так и внешних кабелей. Кабель может состоять из нескольких скрученных пар (внешние кабели иногда содержат до нескольких десятков таких пар). Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Основные особенности конструкции кабелей показаны на рис. 6.19. Кабели на основе витой пары являются симметричными, то есть они состоят из двух одинаковых в конструктивном отношении проводников. Симметричный кабель на основе витой пары может быть как экранированным, так и неэкранированным. Нужно отличать электрическую изоляцию проводящих жил, которая имеется в любом кабеле, от электромагнитной изоляции. Первая состоит из непроводящего диэлектрического слоя – бумаги или полимера, например поливинилхлорида или полистирола. Во втором случае, помимо электрической изоляции, проводящие жилы помещаются также внутрь электромагнитного экрана, в качестве которого чаще всего применяется проводящая медная оплетка. Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP) хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитные колебания вовне, что, в свою очередь, защищает пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Экранироваться может как кабель в целом, так и каждая отдельная пара для уменьшения перекрестных наводок. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его  прокладку, поэтому экранированную витую пару применяют только в тех случаях, когда это действительно необходимо, например, из-за больших внешних помех и повышенных требований к надежности передачи данных. Неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) обеспечивает защиту от внешних помех только за счет скручивания проводов в пары, что, естественно, не является такой эффективной мерой, как экранирование, но во многих случаях оказывается достаточной для передачи данных с нужным качеством. Кабели на основе витой пары, используемые для проводки внутри здания, разделяются в международных стандартах на категории (от 1 до 7). Параметры кабелей категорий 1-6 определяются стандартами TIA/EIA-568 (разработанными организацией Telecommunication Industry Association, бывшей долгое время подразделением ныне упраздненной организации Electronic Industries Alliance – от названий этих организаций и происходит аббревиатура T1A/EI А), а также близкими к ним стандартами ISO/IEC 11801 (последние также определяют кабели категории 7 и 8). Все кабели на витой паре независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенные цвет и шаг скрутки. Уточним, что кабели категорий 1, 2, 3 и 4 сегодня практически не применяются. Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Существует улучшенная версия категории 5е (5 enhanced), которая была разработана специально для более качественной поддержки протокола Gigabit Ethernet в основном за счет более жестких ограничений на перекрестные наводки. Появление технологии 10G Ethernet привело к стандартизации более качественных кабелей категорий 6, 6а, 7 и 8. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 250 МГц, категории 6а – до 500 МГц, а для кабелей категории 7 – до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Максимальная длина сегмента 10G Ethernet на кабеле категории 6 равна 55 м, а на кабелях категорий 6а и 7 – 100 м. Для кабелей категории 8 характеристики определяются до частоты 2000 МГц и расстояния кабеля до 30 м. Коаксиальный кабель Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников. Каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль – по ней передаются информационные сигналы, и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения: для локальных компьютерных сетей, для глобальных телекоммуникационных сетей, для кабельного телевидения и т. п. Согласно современным стандартам, коаксиальный кабель не считается хорошим выбором при построении структурированной кабельной системы зданий. Перечислим основные типы и характеристики этих кабелей. «Толстый» коаксиальный кабель разработан для сетей Ethernet 10Base-5 с волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм. Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10 МГц – не хуже 18 дБ/км). Однако этот кабель сложно монтировать – он плохо гнется. «Тонкий» коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10Base-2. Обладая внешним диаметром около 5 мм и тонким внутренним проводником 0,89 мм, этот кабель не так прочен, как «толстый» коаксиал, зато обладает гораздо большей гибкостью, что удобно при монтаже. «Тонкий» коаксиальный кабель также имеет волновое сопротивление 50 Ом, но его механические и электрические характеристики хуже, чем у «толстого» коаксиального кабеля. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в «толстом» коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте. Телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом широко применяется в кабельном телевидении. Существуют стандарты локальных сетей, позволяющие использовать такой кабель для передачи данных. Твинаксиальный кабель по конструкции похож на коаксиальный кабель, но отличается наличием двух внутренних проводников. Такой кабель применяется в новых высокоскоростных стандартах 10G и 100G Ethernet для передачи данных на небольшие расстояния – распараллеливание потоков данных между двумя проводниками упрощает достижение высокой суммарной скорости. Волоконно-оптический кабель Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5-60 микрон) гибких стеклянных волокон {волоконных световодов), по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля – он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 100 Гбит/с и выше) на большие расстояния (80 100 км без промежуточного усиления), к тому же он лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех (в силу особенностей распространения света такие сигналы легко экранировать). Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердечника, или сердцевины) – стеклянного волокна и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки, так как она имеет более низкий коэффициент преломления. В зависимости от распределения показателя преломления и величины диаметра сердечника различают: многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 6.20, а); многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 6.20, б); одномодовое волокно (рис. 6.20, в). Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей в сердцевине кабеля. В |