«В. Олифер Н. Олифер Компьютерные сети Принципы, технологии, протоколы 4-е издание РЕКОМЕНДОВАНО МИНИСТЕРСТВОМ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Р Ф УЧЕБНИК и ДЛЯ ВУЗОВ В. Олифер Н. Олифер Компьютерные сети Принципы, технологии, ...»

Пусть потоку F1 при резервировании было выделено 25 % пропускной способности интерфейса Р2 (обычно резервирование можно выполнять как в абсолютных величинах, например в мегабитах в секунду, так и в процентах; это, собственно, детали реализации механизмов QoS в конкретных устройствах). Также для простоты будем считать, что резервирование было выполнено только для потока F1, в то же время для всех других потоков, которые проходят через выходной интерфейс Р2, резервирования не производилось.

Для того чтобы добиться желаемого результата, достаточно организовать для выходного интерфейса две взвешенные очереди — очередь для потока F1 с весом 25 % и очередь «по умолчанию» для всех остальных потоков. Кроме того, необходимо активизировать классификатор, который будет проверять пакеты на всех входных интерфейсах устройства 52 (на рис. 7.16 показан только один входной интерфейс Р1), отбирать пакеты потока F\ по заданным при резервировании признакам и направлять их в очередь для потока F1.

В те периоды времени, когда скорость потока F1 окажется меньше зарезервированной пропускной способности в 25 %, неиспользованная ее часть будет потребляться потоками из очереди «по умолчанию» — в силу алгоритма работы взвешенных очередей. Зато в периоды, когда скорость потока F1 достигнет заявленного максимума средней скорости в 25 %, вся зарезервированная пропускная способность выходного интерфейса будет выделяться потоку F1, а все остальные потоки будут довольствоваться оставшимися 75 %. Значения в 75 % может оказаться недостаточно для качественного обслуживания этих потоков, и тогда их пакеты будут задерживаться или даже теряться при переполнении очереди «по умолчанию». Может оказаться и так, что значения в 75 % окажется слишком много для остальных потоков, и они будут обслуживаться с высоким качеством; какая из двух ситуаций будет наблюдаться чаще, мы не знаем, так как у нас нет никакой предварительной информации о «других» потоках. Этот пример хорошо иллюстрирует особенность методов обеспечения параметров QoS — они требуют контроля над потоками, то есть знания их маршрутов и средних скоростей.

В противном случае гарантий параметров QoS достичь трудно, можно говорить только об обслуживании «по возможности».

В описанном примере не использован механизм профилирования трафика. При наличии отдельной взвешенной очереди для потока, зарезервировавшего пропускную способность, этот механизм не является обязательным, так как сам механизм взвешенных очередей ограничит пропускную способность потока в нужных пределах в периоды перегрузок, когда все взвешенные очереди заполняются полностью.

Однако количество взвешенных очередей в сетевых устройствах обычно ограничено не слишком большой величиной, например, их может быть не более 16 или 32. В то же время количество потоков, для которых желательно зарезервировать пропускную способность, может быть значительно больше. В такой ситуации можно организовать одну взвешенную очередь для всех резервируемых потоков с пропускной способностью, равной или большей сумме резервируемых пропускных способностей потоков. А для того чтобы требуемые доли пропускной способности выделялись каждому потоку, необходимо после классификации выполнить профилирование каждого потока на уровне запрошенной им скорости. Правда, мы лишаемся в этом случае в периоды неактивности других потоков возможности предоставлять отдельным потокам больше пропускной способности, чем они запросили, но это плата за масштабируемое решение, основанное на одной взвешенной резервируемой очереди.

Использование взвешенных очередей — не единственный вариант резервирования пропускной способности в пакетных сетях. Для той же цели можно задействовать приоритетные очереди. Применение приоритетной очереди может быть не только возможным, но и необходимым, если потоку помимо определенного уровня пропускной способности требуется обеспечить минимально возможный уровень задержек пакетов.

При использовании приоритетной очереди профилирование необходимо всегда, так как приоритетный механизм не обеспечивает ограничения скорости потока, как это делает механизм взвешенного обслуживания.

Резервирование ресурсов Нужно подчеркнуть, что резервирование приводит к ожидаемым результатам только в тех случаях, когда реальная скорость потоков, для которых было выполнено резервирование, оказывается не выше, чем пропускная способность, запрошенная при резервировании и реализованная при конфигурировании сетевых устройств. В противном случае результаты могут оказаться даже хуже, чем при наличии единственной очереди «по умолчанию»

и обслуживании «по возможности». Так, если скорость потока окажется выше, чем предел, учитываемый механизмом профилирования, то часть пакетов будет отброшена даже в том случае, если устройство не перегружено и могло бы отлично справиться с предложенным трафиком без применения механизмов QoS.

Что же меняется в сети после резервирования? При поступлении на входной интерфейс коммутатора пакетов потока, для которых было выполнено резервирование, механизм классификации распознает пакеты, относящиеся к этому потоку, и направляет их в нужную очередь. При этом пакеты могут проходить через механизм профилирования, призванный предотвратить ситуацию обслуживания потока, скорость которого превышает оговоренную при резервировании.

В результате резервирования сеть оказывается загруженной рационально. В ней нет ресурсов, которые работают со значительной перегрузкой. Механизмы организации очередей по-прежнему обеспечивают временную буферизацию пакетов в периоды пульсаций. Так как мы планировали загрузку ресурсов из расчета средних скоростей передачи данных, то на периодах пульсаций в течение некоторого ограниченного времени скорости потоков могут превышать средние скорости, так что механизмы борьбы с перегрузками по-прежнему нужны. Для обеспечения требуемых средних скоростей потоков на периодах перегрузок соответствующие потоки могут обслуживаться с помощью взвешенных очередей.

Сохраняется также главное преимущество метода коммутации пакетов: если некоторый поток не расходует отведенной ему пропускной способности, то она может выделяться для обслуживания другого потока. Нормальной практикой является резервирование пропускной способности только для части потоков, в то время как другие потоки обслуживаются без резервирования, получая обслуживание по возможности (с максимальными усилиями). Временно свободная пропускная способность может для таких потоков выделяться динамически, без нарушения взятых обязательств по обслуживанию потоков, для которых ресурсы зарезервированы.

ПРИМЕР-АНАЛОГИЯ

Проиллюстрируем принципиальное отличие резервирования ресурсов в сетях с коммутацией пакетов и каналов на примере автомобильного трафика. Пусть в некотором городе решили обеспечить некоторые привилегии для движения машин скорой помощи. В ходе обсуждения этого проекта возникли две конкурирующие идеи его реализации. Первый вариант предусматривал на всех дорогах города выделение для автомобилей скорой помощи отдельной полосы, недоступной для другого транспорта ни при каких условиях, даже если в какой-то период времени машин скорой помощи на дороге нет.

Во втором случае для машин скорой помощи также выделялась отдельная полоса, но в отсутствии привилегированных машин по ней разрешалось двигаться и другому транспорту. В случае же появление машины скорой помощи автомобили, занимающие выделенную полосу, обязаны были ее освободить. Нетрудно заметить, что первый вариант соответствует принципу резервирования в сетях с коммутацией каналов — пропускная способность выделенной полосы монопольно используется автомобилями скорой помощи и не может быть перераспределена даже тогда, когда она им не нужна.

Второй вариант является аналогией резервирования в сетях с коммутацией пакетов. Пропускная способность дороги здесь расходуется более эффективно, но для потока автомобилей скорой помощи такой вариант менее благоприятен, так как при необходимости освобождения полосы возникают помехи, создаваемые непривилегированными машинами.

Сеть с коммутацией каналов подобного перераспределения ресурсов выполнить не может, так как у нее в распоряжении нет независимо адресуемых единиц информации — пакетов!

Обеспечение заданного уровня задержек При описании процедуры резервирования пропускной способности мы сфокусировались на механизмах выделения пропускной способности некоторому потоку и оставили без внимания одну важную деталь: какую пропускную способность должен запрашивать поток для того, чтобы задержки его пакетов не превышали некоторой величины? Единственное соображение, которое было высказано по этому поводу, заключалось в том, что запрашиваемая пропускная способность должна быть выше, чем максимальная скорость потока, иначе некоторая часть пакетов просто может постоянно отбрасываться сетью, так что качество обслуживания окажется гарантированно низким.

Однако эта «деталь» на самом деле оборачивается сложной проблемой, так как мы не можем, например, сконфигурировать очередь приоритетного или взвешенного обслуживания так, чтобы она строго обеспечила какой-либо заранее заданный порог задержек и их вариации. Направление пакетов в приоритетную очередь только позволяет гарантировать, что задержки будут достаточно низкими — существенно ниже, чем у пакетов, которые обрабатываются в очереди по умолчанию. Мы также знаем, что при наличии взвешенных очередей задержки будут снижаться со снижением относительного коэффициента использования пропускной способности, отведенной очереди. Но это все качественные рассуждения, а вот количественно оценить значения задержек очень сложно.

Каким же образом поставщик услуг может выполнить свои обязательства перед клиентами? Очень «просто» — он должен постоянно измерять фактические значения характеристик трафика в сети и гарантировать пользователям сети величины задержек в соответствии с наблюдаемыми результатами.

ПРИМЕР

Пусть сеть предоставляет три уровня качества обслуживания трафика: золотой для очень чувствительного к задержкам трафика, серебряный для трафика, чувствительного к задержкам и требующего гарантированной пропускной способности, и бронзовый для трафика, обслуживаемого по возможности. Оператор сети может различными способами добиться того, чтобы на золотом уровне обслуживания действительно гарантировались очень низкие величины задержек, вариаций задержек и потерь пакетов для трафика, на серебряном — достаточно низкие значения этих характеристик, но выше, чем у золотого, а на бронзовом гарантировались только определенные величины потерь пакетов и вовсе не гарантировались значения задержек. Д л я реализации такой стратегии обслуживания оператор может, например, организовать на всех коммутаторах сети приоритетную очередь для обслуживание золотого трафика и отвести ей 25 % пропускной способности на каждом выходном интерфейсе; взвешенную очередь с 50 % пропускной способности для серебряного трафика и взвешенную очередь с оставшимися 25 % для бронзового трафика. А далее он должен принимать на обслуживание потоки пользователей в каждый класс и выполнять постоянный мониторинг характеристик трафика каждого класса. И если, например, мониторинг показывает, что задержки у 95 % пакетов золотого трафика не превышают 15 мс, то оператор может гарантировать эту величину пользователям золотого уровня обслуживания. Н о так как оператору нужно быть готовым к приему на обслуживание новых пользователей, то естественно было бы оставлять некоторый запас и гаИнжиниринг трафика рантировать, скажем, задержку в 20 мс вместо фактического значения в 15 мс. Аналогичным образом нужно поступать с серебряным трафиком, а для бронзового достаточно измерять только долю потерь пакетов. В том случае, когда мониторинг показывает приближение фактических параметров трафика определенного уровня обслуживания к гарантируемым, можно либо добавить пропускную способность для очередей этого класса, либо прекратить прием новых пользователей в этот класс.

Как видно даже из этого краткого описания, гарантирование уровня задержек в сети является весьма сложным делом; этим объясняется тот факт, что часто операторы предпочитают давать качественное описание различных классов услуг, говоря, например, о минимальных задержках наивысшего класса обслуживания, но не давая количественных гарантий.

Инжиниринг трафика При рассмотрении системы обеспечения качества обслуживания, основанной на резервировании, мы не стали затрагивать вопрос маршрутов следования потоков через сеть. Точнее, мы считали, что маршруты каким-то образом выбраны, причем этот выбор делается без учета требований QoS. И в условиях заданное™ маршрутов мы старались обеспечить прохождение по этим маршрутам такого набора потоков, для которого можно гарантировать соблюдение требований QoS.

Очевидно, что задачу обеспечения требований QoS можно решить более эффективно, если считать, что маршруты следования трафика не фиксированы, а также подлежат выбору.

Это позволило бы сети обслуживать больше потоков с гарантиями QoS при тех же характеристиках самой сети, то есть пропускной способности каналов и производительности коммутаторов и маршрутизаторов.

Задачу выбора маршрутов для потоков (или классов) трафика с учетом соблюдения требований QoS решают методы инжиниринга трафика (Traffic Engineering, ТЕ). С помощью этих методов стремятся добиться еще одной цели — по возможности максимально и сбалансировано загрузить все ресурсы сети, чтобы сеть при заданном уровне качества обслуживания обладала как можно более высокой суммарной производительностью.

Методы ТЕ, как и другие рассмотренные ранее методы, основаны на резервировании ресурсов. То есть они не только позволяют найти рациональный маршрут для потока, но и резервируют для него пропускную способность ресурсов сети, находящихся вдоль этого маршрута.

Методы инжиниринга трафика являются сравнительно новыми для сетей с коммутацией пакетов. Это объясняется во многом тем, что передача эластичного трафика не предъявляла строгих требований к параметрам QoS. Кроме того, Интернет долгое время не являлся коммерческой сетью, поэтому задача максимального использования ресурсов не считалась первоочередной для fP-технологий, лежащих в основе Интернета.

Сегодня ситуация изменилась. Сети с коммутацией пакетов должны передавать различные виды трафика с заданным качеством обслуживания, максимально используя возможности своих ресурсов. Однако для этого им нужно изменить некоторые, ставшие уже традиционными; подходы к выбору маршрутов.

Недостатки традиционных методов маршрутизации Основным принципом работы протоколов маршрутизации в сетях с коммутацией пакетов вот уже долгое время является выбор маршрута на основе топологии сети без учета информации о ее текущей загрузке.

Для каждой пары «адрес источника — адрес назначения» такие протоколы выбирают единственный маршрут, не принимая во внимание информационные потоки, протекающие через сеть. В результате все потоки между парами конечных узлов сети идут по кратчайшему (в соответствии с некоторой метрикой) маршруту. Выбранный маршрут может быть более рациональным, например, если в расчет принимается номинальная пропускная способность каналов связи или вносимые ими задержки, или менее рациональным, если учитывается только количество промежуточных маршрутизаторов между исходным и конечным узлами.

ВНИМАНИЕ

В традиционных методах маршрутизации наилучший выбранный маршрут рассматривается в качестве единственно возможного, даже если существуют другие, хотя и несколько худшие маршруты.

Классическим примером неэффективности такого подхода является так называемая «рыба» — сеть с топологией, приведенной на рис. 7.17. Несмотря на то что между коммутаторами А и Е существует два пути (верхний — через коммутатор В, и нижний — через коммутаторы С и D), весь трафик от коммутатора А к коммутатору Е в соответствии с традиционными принципами маршрутизации направляется по верхнему пути. Только потому, что нижний путь немного (на один ретрансляционный участок) длиннее, чем верхний, он игнорируется, хотя мог бы работать «параллельно» с верхним путем.

Такой подход приводит к тому, что даже если кратчайший путь перегружен, пакеты все равно посылаются по этому пути. Так, в сети, представленной на рис. 7.17, верхний путь будет продолжать использоваться даже тогда, когда его ресурсов перестанет хватать для обслуживания трафика от коммутатора А к коммутатору Е, а нижний путь будет простаивать, хотя, возможно, ресурсов коммутаторов В и С хватило бы для качественной передачи этого трафика.

Налицо явная ущербность методов распределения ресурсов сети — одни ресурсы работают с перегрузкой, а другие не используются вовсе. Традиционные методы борьбы с перегрузками эту проблему решить не могут, нужны качественно иные механизмы.

Инжиниринг трафика Методы инжиниринга трафика Исходными данными для методов инжиниринга трафика являются:

• характеристики передающей сети — ее топология, а также производительность составляющих ее коммутаторов и линий связи (рис. 7.18);

• сведения о предложенной нагрузке сети, то есть о потоках трафика, которые сеть должна передать между своими пограничными коммутаторами (рис. 7.19).

Пусть производительность процессора каждого коммутатора достаточна для обслуживания трафика всех его входных интерфейсов, даже если трафик поступает на интерфейс с максимально возможной скоростью, равной пропускной способности интерфейса. Поэтому при резервировании ресурсов будем считать ресурсами пропускную способность линий связи между коммутаторами, которая определяет также пропускную способность двух интерфейсов, связанных этой линией.

Каждый поток характеризуется точкой входа в сеть, точкой выхода из сети и профилем трафика. Для получения оптимальных решений можно использовать детальное описание каждого потока, например, учитывать величину возможной пульсации трафика или требования QoS. Однако поскольку количественно оценить их влияние на работу сети достаточно сложно, а влияние этих параметров на характеристики QoS менее значимо, то для нахождения субоптимального распределения путей прохождения потоков через сеть, как правило, учитываются только их средние скорости передачи данных, что и показано на рис. 7.19.

Методы инжиниринга трафика чаще применяют не к отдельным, а к агрегированным потокам, которые являются объединением нескольких потоков. Так как мы ищем общий маршрут для нескольких потоков, то агрегировать можно только потоки, имеющих общие точки входа в сеть и выхода из сети. Агрегированное задание потоков позволяет упростить задачу выбора путей, так как при индивидуальном рассмотрении каждого пользовательского потока промежуточные коммутаторы должны хранить слишком большие объемы информации, поскольку индивидуальных потоков может быть очень много. Необходимо, однако, подчеркнуть, что агрегирование отдельных потоков в один возможно только в том случае, когда все потоки, составляющие агрегированный поток, предъявляют одни и те же требования к качеству обслуживания. Далее в этом разделе мы будем для краткости пользоваться термином «поток» как для индивидуального потока, так и для агрегированного, поскольку принципы ТЕ от этого не меняются.

Задача ТЕ состоит в определении маршрутов прохождения потоков трафика через сеть, то есть для каждого потока требуется найти точную последовательность промежуточных коммутаторов и их интерфейсов. При этом маршруты должны быть такими, чтобы все ресурсы сети были нагружены до максимально возможного уровня, а каждый поток получал требуемое качество обслуживания.

Максимальный уровень использования ресурсов выбирается таким образом, чтобы механизмы управления перегрузкой могли обеспечить требуемое качество обслуживания.

Это означает, что для эластичного трафика максимальное значение выбирается не больше, чем 0,9, а для чувствительного к задержкам трафика — не больше, чем 0,5. Так как обычно резервирование производится не для всех потоков, то нужно оставить часть пропускной способности для свободного использования. Поэтому приведенные максимальные значения обычно уменьшают до 0,75 и 0,25 соответственно. Для упрощения рассуждений мы будем считать далее, что в сети передается один вид трафика, а потом покажем, как обобщить методы ТЕ для случая трафика нескольких типов.

Существуют различные формальные математические определения задачи ТЕ. Мы здесь ограничимся наиболее простым определением, тем более что сегодня оно чаще всего используется на практике.

Будем считать, что решением задачи ТЕ является такой набор маршрутов для заданного множества потоков трафика, для которого все значения коэффициентов использования ресурсов вдоль маршрута следования каждого потока не превышают некоторого заданного порога КтахНа рис. 7.20 показано одно из возможных решений задачи, иллюстрируют которую рис. 7. и 7.19. Найденные маршруты гарантируют, что максимальный коэффициент использования любого ресурса для любого потока не превышает 0,6.

Решение задачи ТЕ можно искать по-разному. Во-первых, можно искать его заблаговременно, в фоновом режиме. Для этого нужно знать исходные данные: топологию и производительность сети, входные и выходные точки потоков трафика, среднюю скорость передачи данных в них. После этого задачу рационального распределения путей следования трафика при фиксированных точках входа и выхода, а также заданном уровне максимального Инжиниринг трафика значения коэффициента использования ресурса можно передать некоторой программе, которая, например, с помощью направленного перебора вариантов найдет решение. Результатом работы программы будут точные маршруты для каждого потока с указанием всех промежуточных коммутаторов.

Рис. 7. 2 0. Распределение нагрузки по сети — выбор путей передачи трафика Во-вторых, задачу ТЕ можно решать в оперативном режиме, поручив ее самим коммутаторам сети. Для этого используются модификации стандартных протоколов маршрутизации.

Модификация протоколов маршрутизации состоит в том, что они сообщают друг другу не только топологическую информацию, но и текущее значение свободной пропускной способности для каждого ресурса.

После того как решение найдено, нужно его реализовать, то есть воплотить в таблицах маршрутизации. На этом этапе может возникнуть проблема — в том случае, если мы хотим проложить эти маршруты в дейтаграммной сети. Дело в том, что таблицы маршрутизации в них учитывают только адреса назначения пакетов. Коммутаторы и маршрутизаторы таких сетей (например, IP-сетей) не работают с потоками, для них поток в явном виде не существует, каждый пакет при его продвижении является независимой единицей коммутации. Можно сказать, что таблицы продвижения этих сетей отражают только топологию сети (направления продвижения к определенным адресам назначения).

Поэтому привнесение методов резервирования в дейтаграммные сети происходит с большими трудностями. В протоколах резервирования, чтобы определить поток для дейтаграммного маршрутизатора помимо адреса назначения используется некоторый дополнительный набор признаков. При этом понятие потока требуется только на этапе резервирования, а при продвижении пакетов по-прежнему работает традиционная для этого типа сетей схема, учитывающая только адрес назначения.

Теперь представим ситуацию, когда у нас имеется несколько потоков между двумя конечными узлами, и мы хотим направить их по разным маршрутам. Мы приняли такое решение, исходя из баланса загрузки сети, когда решали задачу инжиниринга трафика. Дейтаграммный коммутатор или маршрутизатор не имеет возможности реализовать наше решение, потому что для всех этих потоков у него в таблице продвижения есть только одна запись, соответствующая общему адресу назначения пакетов этих потоков. Изменять логику работы коммутаторов и маршрутизаторов дейтаграммных сетей достаточно нецелесообразно, поскольку это слишком принципиальная модернизация.

В результате методы инжиниринга трафика сегодня используются только в сетях с виртуальными каналами, для которых не составляет труда реализовать найденное решение для группы потоков. Каждому потоку (или группе потоков с одинаковыми маршрутами) выделяется виртуальный канал, который прокладывается в соответствии с выбранным маршрутом. Методы инжиниринга трафика успешно применяются в сетях ATM и Frame Relay, работающих на основе техники виртуальных каналов. IP-сети также опираются на методы ТЕ, когда те используются в сетях ATM или Frame Relay, работающих в составной сети, построенной на основе протокола IP. Существует также сравнительно новая технология MPLS, которая разработана специально в качестве средства привнесения техники виртуальных каналов в IP-сети. На основе технологии MPLS в IP-сетях можно также решать задачи ТЕ.

Мы рассмотрим особенности методов ТЕ для каждой отдельной технологии при детальном изучении этих технологий в следующих частях книги.

Инжиниринг трафика различных классов При решении задачи инжиниринга трафика мы считали, что все потоки трафика предъявляли одинаковые требования к качеству обслуживания. То есть пользователей сети удовлетворяло, что все потоки обслуживаются с заданной средней скоростью (она, естественно, у каждого потока своя, отличающаяся от других).

Более реальной является ситуация, когда у каждого пользователя сети имеется несколько классов трафика, и эти классы отличаются разными требованиями к качеству обслуживания. Мы уже обсуждали эту проблему при рассмотрении вопросов резервирования ресурсов.

В методах ТЕ, учитывающих наличие в сети трафика с различными требованиями QoS, проблема решается точно так же, как и в методах резервирования ресурсов отдельных узлов. Если у нас имеется, например, два класса трафика, то мы задаемся двумя уровнями максимального использования ресурсов.

Для достижения такого результата с каждым ресурсом должно быть связано два счетчика свободной пропускной способности — один для приоритетного, второй для эластичного трафика. При определении возможности прохождения маршрута через конкретный ресурс для приоритетного трафика средняя интенсивность нового потока должна сравниваться со свободной пропускной способностью для приоритетного трафика.

Если свободной пропускной способности достаточно и новый поток пойдет через данный интерфейс, то значение средней скорости передачи данных для нового потока необходимо вычесть как из счетчика загрузки приоритетного трафика, так и из счетчика загрузки эластичного трафика, так как приоритетный трафик всегда будет обслуживаться перед эластичным и создаст для эластичного трафика дополнительную нагрузку Если же задача ТЕ решается для эластичного трафика, то его средняя скорость передачи данных сравнивается со свободной пропускной способностью счетчика эластичного трафика и в случае положительного решения значение этой скорости вычитается только из счетчика эластичного трафика, так как для приоритетного трафика эластичный трафик прозрачен.

Модифицированные протоколы маршрутизации должны распространять по сети информацию о двух параметрах свободной пропускной способности — для каждого класса трафика отдельно. Если же задача обобщается для случая передачи через сеть трафика нескольких Работа в недогруженном режиме классов, то, соответственно, с каждым ресурсом должно быть связано столько счетчиков, сколько классов трафика существует в сети, а протоколы маршрутизации должны распространять вектор свободных пропускных способностей соответствующей размерности.

Работа в недогруженном режиме Как мы уже отмечали, самым простым способом обеспечения требований QoS для всех потоков является работа сети в недогруженном режиме, или же с избыточной пропускной способностью.

Говорят, что сеть имеет избыточную пропускную способность, когда все части сети в любой момент времени обладают такой пропускной способностью, которой достаточно, чтобы обслужить все потоки трафика, протекающего в это время через сеть, с удовлетворительными характеристиками производительности и надежности. Другими словами, ни одно из сетевых устройств такой сети никогда не подвергается перегрузкам, которые могли бы привести к значительным задержкам или потерям пакетов из-за переполнения очередей пакетов (конечно, это не исключает случаев потерь сетью пакетов по другим причинам, не связанным с перегрузкой сети, например, из-за искажений сигналов на линиях связи либо отказов сетевых узлов или линий связи).

Простота этого подхода является его главным достоинством, так как он требует только увеличения пропускной способности линий связи и, соответственно, производительности коммуникационных устройств сети. Никаких дополнительных усилий по исследованию характеристик потоков сети и конфигурированию дополнительных очередей и механизмов кондиционирования трафика, как в случае применения методов QoS, здесь не требуется.

Заметим, что определение сети с избыточной пропускной способностью было намеренно упрощено, чтобы передать суть идеи. Более точное определение должно учитывать случайный характер протекающих в сети процессов и оперировать статистическими определениями событий, то есть говорить, что такие события, как длительные задержки или потери пакетов из-за переполнения очередей в сети с избыточной пропускной способностью, случаются так редко, что ими можно пренебречь. В результате трафик всех приложений в подобной сети переносится с высоким качеством.

Однако доказать, что сеть действительно является сетью с избыточной пропускной способностью, на практике достаточно трудно. Только постоянное измерение времен доставки пакетов всем конечным узлам сети может показать, что сеть удовлетворяет данному описанию — мы уже сталкивались с этой ситуацией, когда рассматривали механизм гарантирования определенного уровня задержек пакетов при применении методов QoS.

Однако мониторинг задержек и их вариаций является тонкой и трудоемкой работой.

Обычно операторы, которые хотят поддерживать свою сеть в недогруженном состоянии и за счет этого обеспечивать высокое качество обслуживания, поступают проще — они осуществляют мониторинг уровня трафика в линиях связи сети, то есть измеряют коэффициент использования пропускной способности линий связи. При этом линия связи считается недогруженной, если ее коэффициент использования постоянно не превосходит некоторый достаточно низкий уровень, например 10 %. Имея такие значения измерений, можно считать, что линия в среднем не испытывает перегрузок, а значит, задержки пакетов будут низкими — мы знаем о такой зависимости между коэффициентом загрузки ресурса и задержками из теории массового обслуживания, рассмотренной на примере простейшей модели М/М/1.

Однако даже столь низкие значения загрузки не исключают появления на линии кратковременных пульсаций трафика, способных приводить к повышению пиковой скорости трафика до величины пропускной способности линии и, следовательно, к значительным задержкам или потерям небольшого количества пакетов. Для некоторых типов приложений такие потери могут быть весьма чувствительными.

Многие средства мониторинга скорости трафика, особенно встроенные в коммутаторы и маршрутизаторы, измеряют скорость трафика, усредняя ее на слишком длинных интервалах. В результате такие средства мониторинга просто не способны зарегистрировать кратковременные пульсации трафика и часто дают слишком оптимистичную оценку загруженности сети.

Эту проблему иллюстрирует рис. 7.21. На нем показаны результаты измерения скорости трафика на интерфейсе с пропускной способностью в 2 Мбит/с.

Рис. 7. 2 1. Зависимость результатов измерений скорости трафика от времени усреднения На рисунке представлены три кривые, полученные для одного и того же трафика при различных интервалах усреднения данных. Серой сплошной линией показаны результаты, полученные для интервала усреднения данных в 1 мс; пунктирная черная линия демонстрирует результаты для интервала усреднения в 2 мс, а штрих-пунктирная черная линия соответствует интервалу в 25 мс.

Обычная практика для оценки состояния недогруженности интерфейса состоит в использовании предела в 25 % от его пропускной способности как индикатора недогруженности.

Для нашего примера это соответствует скорости трафика 500 Кбит/с.

Тогда, используя результаты мониторинга интерфейса с интервалом усреднения в 25 мс, мы уверенно считаем, что интерфейс недогружен и нам не стоит беспокоиться о возможных задержках и потерях пакетов из-за перегрузок интерфейса. Однако глядя на серую кривую (усреднение 1 мс), мы видим, что в шести интервалах скорость намного превышала 500 Кбит/с, а значит, на этих интервалах длительные задержки и потери пакетов вполне могли случиться. Наконец, данные, полученные при усреднении в 2 мс, показывают, что интерфейс находится вблизи границы недогруженности.

Данные, использованные для построения кривых на рис. 7.21, были искусственно подобраны так, чтобы показать крайние ситуации. Однако эти кривые действительно отражают тонкий и важный эффект измерений, который нужно учитывать при мониторинге загрузки линий связи сети: слишком длительные интервалы усреднения при измерении скорости могут существенно исказить картину и привести к потере важной информации, а в конечном итоге — к переоценке возможностей сети качественно передавать трафик. Часто на практике выполняют мониторинг загрузки линий связи с 5-секундным интервалом усреднения, что явно недостаточно для оценки состояния сети.

Для более достоверной оценки состояния сети нужно дополнять мониторинг загрузки линий связи сети хотя бы выборочным мониторингом характеристик QoS, таких как задержки, вариации задержек и потери пакетов. В этом случае можно с большей уверенностью говорить о том, что сеть действительно является сетью с избыточной пропускной способностью, которая гарантирует всем типам трафика качественное обслуживание.

Кроме того, выборочный мониторинг характеристик QoS может помочь в определении предела загрузки линий, служащего для оценки их недогруженности. В нашем примере в качестве такого предела мы использовали значение 25 %, но вполне возможно, что это эмпирическое значение для некоторой конкретной сети требуется уточнить.

Выводы Качество обслуживания в его узком смысле фокусирует внимание на характеристиках и методах передачи трафика через очереди коммуникационных устройств. Методы обеспечения качества обслуживания занимают сегодня важное место в семействе технологий сетей с коммутацией пакетов, так как без их применения сложно обеспечить качественную работу современных мультимедийных приложений, таких как IP-телефония, видео- и радиовещание, интерактивное дистанционное обучение и т. п.

Характеристики QoS отражают отрицательные последствия пребывания пакетов в очередях, которые проявляются в снижении скорости передачи, задержках пакетов и их потерях.

Существуют различные типы трафика, отличающиеся чувствительностью к задержкам и потерям пакетов. Наиболее грубая классификация трафика разделяет его на два класса: трафик реального времени (чувствительный к задержкам) и эластичный трафик (нечувствительный к задержкам в широких пределах).

Методы QoS основаны на перераспределении имеющейся пропускной способности линий связи между трафиком различного типа в соответствии с требованиями приложений.

Приоритетные и взвешенные очереди являются основным инструментом выделения пропускной способности определенным потокам пакетов.

Механизм профилирования позволяет контролировать скорость потока пакетов и ограничивать ее всоответствии с заранее заданным уровнем.

Обратная связь является одним из механизмов QoS; она позволяет временно снизить скорость поступления пакетов в сеть для ликвидации перегрузки в узле сети.

Резервирование пропускной способности «из конца в конец» позволяет добиться гарантированного качества обслуживания для потока пакетов. Резервирование основано на процедуре контроля допуска потока в сеть, в ходе которой проверяется наличие доступной пропускной способности для обслуживания потока вдоль маршрута его следования.

Методы инжиниринга трафика состоят в выборе рациональных маршрутов прохождения потоков через сеть. Выбор маршрутов обеспечивает максимизацию загрузки ресурсов сети при одновременном соблюдении необходимых гарантий в отношении параметров качества обслуживания трафика.

Недогруженная сеть (она же сеть с избыточной пропускной способностью) может обеспечить качественное обслуживание трафика всех типов без применения методов QoS; однако для того чтобы убедиться, что сеть действительно недогружена, требуется постоянно проводить мониторинг уровней загрузки линий связи сети, выполняя измерения с достаточно высокой частотой.

Вопросы и задания 1. В чем причина возникновения очередей в сетях с коммутацией пакетов? Возникают ли очереди в сетях с коммутацией каналов?

2. Какой параметр в наибольшей степени влияет на размер очереди?

3. К каким нежелательным последствиям может привести приоритетное обслуживание?

4. На какие два класса можно разделить приложения в отношении предсказуемости скорости передачи данных?

5. При увеличении пульсации некоторого потока увеличатся или уменьшатся задержки, связанные с пребыванием пакетов этого потока в очереди (при сохранении всех других параметров потока и условий его обслуживания)?

6. Какому элементу коммутатора или маршрутизатора чаще всего соответствует обслуживающий прибор модели М / М / 1 ?

7. Объясните причину возможного возникновения очередей даже при невысокой средней загрузке коммутаторов или маршрутизаторов сети с коммутацией пакетов?

8. Для трафика какого типа в наибольшей степени подходит взвешенное обслуживание?

Варианты ответов:

а) трафика видеоконференций;

б) трафика загрузки больших файлов данных;

в) трафика 1Р-телефонии.

А приоритетное обслуживание?

9. Можно ли комбинировать приоритетное и взвешенное обслуживание?

10. Какой из трех потоков будет меньше в среднем задерживаться в очереди к выходному интерфейсу 100 Мбит/с, если потоки обслуживаются взвешенными очередями, при этом потокам отведено 60,30 и 10 % пропускной способности интерфейса соответственно? Потоки имеют средние скорости: 50,15 и 7 Мбит/с соответственно. Коэффициент вариации интервалов следования пакетов одинаков у всех потоков.

11. Что является причиной того, что поток, который обслуживается в очереди самого высокого приоритета, все равно сталкивается с необходимостью ожидания в очереди?

Варианты ответов:

а) очереди более низких приоритетов;

б) собственная пульсация;

в) пульсации низкоприоритетного трафика.

Вопросы и задания 12. Может ли пропускная способность, зарезервированная в сети с коммутацией пакетов для потока А, использоваться потоком В?

13. Какой параметр трафика меняется при инжиниринге трафика?

14. Почему обычные протоколы маршрутизации не используются при решении задач инжиниринга трафика? Варианты ответов:

а) они не обеспечивают быстрого нахождения нового маршрута при отказах элементов б) они не позволяют прокладывать различные маршруты для потоков с одним и тем же адресом назначения;

в) при выборе маршрута они не учитывают свободной пропускной способности линий 15. Каковы преимущества и недостатки метода работы сети в недогруженном режиме по сравнению с методами QoS?

16. Мониторинг какой характеристики сети обычно выполняют операторы связи при работе сети в недогруженном режиме без применения механизмов QoS?

Часть II Технологии физического уровня Физической основой любой компьютерной (и телекоммуникационной) сети являются линии связи.

Без таких линий коммутаторы не могли бы обмениваться пакетами, и компьютеры оставались бы изолированными устройствами.

После изучения принципов построения компьютерных сетей в воображении читателя могла возникнуть достаточно простая картина компьютерной сети — компьютеры и коммутаторы, соединенные друг с другом отрезками кабеля. Однако при более детальном рассмотрении компьютерной сети все оказывается сложнее, чем это казалось при изучении модели OSI.

Дело в том, что специально выделенные кабели используются для соединения сетевых устройств только на небольших расстояниях, то есть в локальных сетях. При построении сетей WAN и MAN такой подход крайне расточителен из-за высокой стоимости протяженных линий связи. К тому же на их прокладку необходимо получать разрешение. Поэтому гораздо чаще для связи коммутаторов в сетях WAN и MAN применяются уже существующие телефонные или первичные территориальные сети с коммутацией каналов. В этом случае в сети с коммутацией каналов создается составной канал, который выполняет те же функции, что и отрезок кабеля — обеспечивает физическое двухточечное соединение. Конечно, составной канал представляет собой гораздо более сложную техническую систему, чем кабель, но для компьютерной сети эти сложности прозрачны. Первичные сети специально строятся для создания канальной инфраструктуры, поэтому их каналы более эффективны по соотношению цена/пропускная способность. Сегодня в распоряжении проектировщика компьютерной сети имеются каналы первичных сетей для широкого диапазона скоростей — от 64 Кбит/с доЮГбит/с.

Несмотря на различия в физической и технической природе линий связи, их можно описать с помощью единого набора характеристик. Важнейшими характеристиками любой линии связи при передаче дискретной информации являются полоса пропускания, измеряемая в герцах (Гц), и емкость, или пропускная способность, измеряемая в битах в секунду (бит/с). Пропускная способность представляет собой скорость битового потока, передаваемого линией связи. Пропускная способность зависит от полосы пропускания линии и способа кодирования дискретной информации.

Все большую популярность приобретают беспроводные каналы. Они являются единственным типом каналов, обеспечивающих мобильность пользователей компьютерной сети. Кроме того, беспроводная связь применяется в тех случаях, когда кабели проложить невозможно или невыгодно — в малонаселенных районах, при доступе к жилым домам, уже охваченным кабельной инфраструктурой конкурентов и т. п. При беспроводной связи используются электромагнитные волны различной частоты — радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение и видимый свет. Высокий уровень помех и сложные пути распространения волн требуют применения в беспроводных каналах особых способов кодирования и передачи сигналов.

• Глава 8. Линии связи • Глава 9. Кодирование и мультиплексирование данных • Глава 10. Беспроводная передача данных Q Глава 11. Первичные сети При построении сетей применяются линии связи, в которых используются различные физические среды: подвешенные в воздухе телефонные и телеграфные провода, проложенные под землей и по дну океана медные коаксиальные и волоконно-оптические кабели, опутывающие все современные офисы медные витые пары, всепроникающие радиоволны.

В этой главе рассматриваются общие характеристики линий связи, не зависящие от их физической природы, такие как полоса пропускания, пропускная способность, помехоустойчивость и достоверность передачи. Ширина полосы пропускания является фундаментальной характеристикой канала связи, так как определяет максимально возможную информационную скорость канала, которая называется пропускной способностью канала. Формула Найквиста выражает эту зависимость для идеального канала, а формула Шеннона учитывает наличие в реальном канале шума. Завершает главу рассмотрение конструкций и стандартов современных кабелей, которые составляют основу проводных линий связи.

Классификация линий связи Классификация линий связи Первичные сети, линии и каналы связи При описании технической системы, которая передает информацию между узлами сети, в литературе можно встретить несколько названий: линия связи, составной канал, канал, звено. Часто эти термины используются как синонимы, и во многих случаях это не вызывает проблем. В то же время есть и специфика в их употреблении.

• Звено (link) — это сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети. То есть звено не содержит промежуточных устройств коммутации и мультиплексирования.

• Каналом (channel) чаще всего обозначают часть пропускной способности звена, используемую независимо при коммутации. Например, звено первичной сети может состоять из 30 каналов, каждый из которых обладает пропускной способностью 64 Кбит/с.

• Составной канал (circuit) — это путь между двумя конечными узлами сети. Составной канал образуется отдельными каналами промежуточных звеньев и внутренними соединениями в коммутаторах. Часто эпитет «составной» опускается, и термином «канал» называют как составной канал, так и канал между соседними узлами, то есть в пределах звена.

• Линия связи может использоваться как синоним для любого из трех остальных терминов.

Не стоит относиться к путанице в терминологии очень строго. Особенно это относится к различиям в терминологии традиционной телефонии и более новой области — компьютерных сетей. Процесс конвергенции только усугубил проблему терминологии, так как многие механизмы этих сетей стали общими, но сохранили за собой по паре (иногда и больше) названий, пришедших из каждой области.

Кроме того, существуют объективные причины для неоднозначного понимания терминов.

На рис. 8.1 показаны два варианта линии связи. В первом случае (рис. 8.1, а) линия состоит из сегмента кабеля длиной несколько десятков метров и представляет собой звено. Во втором случае (рис. 8.1, б) линия связи представляет собой составной канал, развернутый в сети с коммутацией каналов. Такой сетью может быть первичная сеть или телефонная сеть.

Однако для компьютерной сети эта линия представляет собой звено, так как соединяет два соседних узла, и вся коммутационная промежуточная аппаратура является прозрачной для этих узлов. Повод для взаимного непонимания на уровне терминов компьютерных специалистов и специалистов первичных сетей здесь очевиден.

Первичные сети специально создаются для того, чтобы предоставлять услуги каналов передачи данных для компьютерных и телефонных сетей, про которые в таких случаях говорят, что они работают «поверх» первичных сетей и являются наложенными сетями.

Физическая среда передачи данных Линии связи отличаются также физической средой, используемой для передачи информации.

Физическая среда передачи данных может представлять собой набор проводников, по которым передаются сигналы. На основе таких проводников строятся проводные (воздушные) или кабельные линии связи (рис. 8.2). В качестве среды также используется земная атмосфера или космическое пространство, через которое распространяются информационные сигналы. В первом случае говорят о проводной среде, а во втором — о беспроводной.

• Подводные (воздушные) линии связи • Волоконно-оптические линии связи • Кабельные линии связи (медь) В современных телекоммуникационных системах информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов — все эти физические процессы йредставляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе.

Еще в недалеком прошлом такие линии связи были основными для передачи телефонных Классификация линий связи или телеграфных сигналов. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Но кое-где они все еще сохранились и при отсутствии других возможностей продолжают использоваться, в частности, и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего.

Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов — неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели. Первые два типа кабелей называют также медными кабелями.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны широковещательного радио (длинных, средних и коротких волн), называемые также АМ-диапазонами, или диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, использующие диапазоны очень высоких частот (Very High Frequency, VHF), для которых применяется частотная модуляция (Frequency Modulation, FM). Для передачи данных также используются диапазоны ультравысоких частот (Ultra High Frequency, UHF), называемые еще диапазонами микроволн (свыше 300 МГц). При частоте свыше 30 МГц сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому указанные частоты используются в спутниковых или радиорелейных каналах либо в таких локальных или мобильных сетях, в которых это условие выполняется.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных. Хорошие возможности предоставляют волоконно-оптические кабели, обладающие широкой полосой пропускания и низкой чувствительностью к помехам.

На них сегодня строятся как магистрали крупных территориальных и городских сетей, так и высокоскоростные локальные сети. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным отношением качества к стоимости, а также простотой монтажа. Беспроводные каналы используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные линии связи применить нельзя, например при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильными пользователями сети. Обеспечение мобильности затронуло в первую очередь телефонные сети, компьютерные сети в этом отношении пока отстают. Тем не менее построение компьютерных сетей на основе беспроводных технологий, например Radio Ethernet, считаются сегодня одним из самых перспективных направлений телекоммуникаций. Линии связи на основе беспроводной среды изучаются в главе 10.

Аппаратура передачи данных Как показано на рис. 8.1, линии связи состоят не только из среды передачи, но и аппаратуры. Даже в том случае, когда линия связи не проходит через первичную сеть, а основана на кабеле, в ее состав входит аппаратура передачи данных.

Аппаратура передачи данных (Data Circuit Equipment, DCE) в компьютерных сетях непосредственно присоединяет компьютеры или коммутаторы к линиям связи и является, таким образом, пограничным оборудованием. Традиционно аппаратуру передачи данных включают в состав линии связи. Примерами DCE являются модемы (для телефонных линий), терминальные адаптеры сетей ISDN, устройства для подключения к цифровым каналам первичных сетей DSU/CSU (Data Service Unit/Circuit Service Unit).

DCE работает на физическом уровне модели OSI, отвечая за передачу информации в физическую среду (в линию) и прием из нее сигналов нужной формы, мощности и частоты.

Аппаратура пользователя линии связи, вырабатывающая данные для передачи по линии связи и подключаемая непосредственно к аппаратуре передачи данных, носит обобщенное название оконечное оборудование данных (Data Terminal Equipment, DTE). Примером DTE могут служить компьютеры, коммутаторы и маршрутизаторы. Эту аппаратуру не включают в состав линии связи.

ПРИМЕЧАНИЕ

Разделение оборудования на D C E и D T E в локальных сетях является достаточно условным. Например, адаптер локальной сети можно считать как принадлежностью компьютера, то есть оборудованием DTE, так и составной частью канала связи, то есть аппаратурой DCE. Точнее, одна часть сетевого адаптера выполняет функции DTE, а его другая, оконечная его часть, непосредственно принимающая и передающая сигналы, относится к DCE.

Для подключения DCE-устройств к DTE-устройствам (то есть к компьютерам или коммутаторам/маршрутизаторам) существует несколько стандартных интерфейсов^. Работают эти устройства на коротких расстояниях друг от друга, как правило, несколько метров.

Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой протяженности. Она решает две основные задачи:

• улучшение качества сигнала;

• создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети.

В локальных сетях промежуточная аппаратура может совсем не использоваться, если протяженность физической среды — кабелей или радиоэфира — позволяет одному сетевому адаптеру принимать сигналы непосредственно от другого сетевого адаптера без дополнительного усиления. В противном случае применяется промежуточная аппаратура, роль которой здесь играют устройства типа повторителей и концентраторов.

В глобальных сетях необходимо обеспечить качественную передачу сигналов на расстояния в сотни и тысячи километров. Поэтому без усилителей (повышающих мощность сигналов) и регенераторов (наряду с повышением мощности восстанавливающих форму импульс Интерфейсы D T E - D C E описываются стандартами серии V CCITT, а также стандартами EIA серии RS (Recommended Standards — рекомендуемые стандарты). Две линии стандартов во многом дублируют друг друга. Наиболее популярными стандартами являются RS-232, RS-530, V.35 и HSSI.

Характеристики линий связи ных сигналов, исказившихся при передаче на большое расстояние), установленных через определенные расстояния, построить территориальную линию связи невозможно.

В первичных сетях помимо упомянутого оборудования, обеспечивающего качественную передачу сигналов, необходима промежуточная коммутационная аппаратура — мультиплексоры (MUX), демультиплексоры и коммутаторы. Эта аппаратура создает между двумя абонентами сети постоянный составной канал из отрезков физической среды — кабелей с усилителями.

В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, то есть сигналов, которые имеют непрерывный диапазон значений. Такие линии связи традиционно применялись в телефонных сетях с целью связи телефонных коммутаторов между собой. Для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов, при аналоговом подходе обычно используется техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM).

В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. Как правило, элементарный сигнал, то есть сигнал, передаваемый за один такт работы передающей аппаратуры, имеет 2,3 или 4 состояния, которые в линиях связи воспроизводятся импульсами или потенциалами прямоугольной формы. С помощью таких сигналов передаются как компьютерные данные, так и оцифрованные речь и изображение (именно благодаря одинаковому способу представления информации современными компьютерными, телефонными и телевизионными сетями стало возможным появление общих для всех первичных сетей). В цифровых линиях связи используется специальная промежуточная аппаратура — регенераторы, которые улучшают форму импульсов и восстанавливают период их следования. Промежуточная аппаратура мультиплексирования и коммутации первичных сетей работает по принципу временного мультиплексирования каналов (Time Division Multiplexing, TDM).

Характеристики линий связи Спектральный анализ сигналов на линиях связи Важная роль при определении параметров линий связи отводится спектральному разложению передаваемого по этой линии сигнала. Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (рис. 8.3).

Каждая составляющая синусоида называется также гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением, или спектром, исходного сигнала. Под шириной спектра сигнала понимается разность между максимальной и минимальной частотами того набора синусоид, которые в сумме дают исходный сигнал.

Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот. В частности, спектральное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой длительности) имеет составляющие всего спектра частот, от -оо до +оо (рис. 8.4).

Рис. 8. 5. Искажение импульсов в линии связи Характеристики линий связи Техника нахождения спектра любого исходного сигнала хорошо известна. Для некоторых сигналов, которые описываются аналитически (например, для последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и амплитуды), спектр легко вычисляется на основании формул Фурье.

Для сигналов произвольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов — спектральных анализаторов, которые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляющих гармоник на экране, распечатывают их на принтере или передают для обработки и хранения в компьютер.

Искажение передающей линией связи синусоиды какой-либо частоты приводит, в конечном счете, к искажению амплитуды и формы передаваемого сигнала любого вида. Искажения формы проявляются в том случае, когда синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов — боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рис. 8.5), и сигналы могут плохо распознаваться на приемном конце линии.

Передаваемые сигналы искажаются из-за несовершенства линий связи. Идеальная передающая среда, не вносящая никаких помех в передаваемый сигнал, должна, по меньшей мере, иметь нулевые значения сопротивления, емкости и индуктивности. Однако на практике медные провода, например, всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузок (рис. 8.6).

В результате синусоиды различных частот передаются этими линиями по-разному.

Рис. 8.6. Представление линии как распределенной индуктивно-емкостной нагрузки Помимо искажений сигналов, возникающих из-за не идеальных физических параметров линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создаются различными электрическими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т. д. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей, и наличие усилительной и коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Помимо внешних помех в кабеле существуют и внутренние помехи — так называемые наводки одной пары проводников на другую. В результате сигналы на выходе линии связи могут иметь искаженную форму (как это и показано на рис. 8.5).

Затухание и волновое сопротивление Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается такими характеристиками, как затухание и полоса пропускания.

Затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного синусоидального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии.

Затухание (Л) обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле:

Так как затухание зависит от длины линии связи, то в качестве характеристики линии связи используется так называемое погонное затухание, то есть затухание на линии связи определенной длины. Для кабелей локальных сетей в качестве такой длины обычно используют 100 м, так как это значение является максимальной длиной кабеля для многих технологий LAN. Для территориальных линий связи погонное затухание измеряют для расстояния в 1 км.

Обычно затуханием характеризуют пассивные участки линии связи, состоящие из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей меньше, чем мощность входного, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от частоты синусоиды, и эта зависимость также характеризует линию связи (рис. 8.7).

ВНИМАНИЕ

Как было сказано, затухание всегда имеет отрицательное значение, однако знак минус часто опускают, при этом иногда возникает путаница. Совершенно корректно утверждение, что качество линии связи тем выше, чем больше (с учетом знака) затухание. Если же игнорировать знак, то есть иметь в виду абсолютное значение затухания, то у более качественной линии затухание меньше. Приведем пример.

Д л я внутренней проводки в зданиях используется кабель на витой паре категории 5. Этот кабель, на котором работают практически все технологии локальных сетей, характеризуется затуханием не меньше, чем - 2 3, 6 д Б для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Более качественный кабель категории 6 имеет на частоте 100 МГц затухание не меньше, чем - 2 0, 6 дБ. Получаем, что - 20,6 > -23,6, но 20,6 < 23,6.

Характеристики линий связи Чаще всего при описании параметров линии связи приводятся значения затухания всего для нескольких значений частот. Это объясняется, с одной стороны, стремлением упростить измерения при проверке качества линии. С другой стороны, на практике часто заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов.

На рис. 8.8 показаны типовые зависимости затухания от частоты для кабелей на неэкранированной витой паре категорий 5 и 6.

Рис. 8. 8. Затухание неэкранированного кабеля на витой паре Оптический кабель имеет существенно меньшие (по абсолютной величине) величины затухания, обычно в диапазоне от -0,2 до - 3 дБ при длине кабеля в 1000 м, а значит, является более качественным, чем кабель на витой паре. Практически все оптические волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три так называемых окна прозрачности. На рис. 8.9 показана характерная зависимость затухания для оптического волокна. Из рисунка видно, что область эффективного использования современных волокон ограничена волнами длин 850 нм, 1300 нм и 1550 нм (соответственно частотами 35 ТГц, 23 ТГц и 19,4 ТГц). Окно 1550 нм обеспечивает наименьшие потери, а значит, максимальную дальность при фиксированной мощности передатчика и фиксированной чувствительности приемника.

В качестве характеристики мощности сигнала используются абсолютный и относительный уровни мощности. Абсолютный уровень мощности измеряется в ваттах, относительный уровень мощности, как и затухание, измеряется в децибелах.

Существует также и другая абсолютная единица измерения мощности — так называемая опорная мощность, измеряемая в децибелах на милливатт (дБм).

При определении опорной мощности также используется логарифм отношения мощностей, но значение мощности, к которой выполняется отношение, фиксируется. Опорный уровень мощности, к которой относится измеряемая мощность, принимается равным 1 мВт, что и отражается в названии этой единицы мощности.

Опорная мощность р вычисляется по формуле:

Здесь Р — абсолютная мощность сигнала в милливаттах.

Несмотря на использование отношения в определении опорной мощности, эта единица измерения является, абсолютной, а не относительной, так как однозначно преобразует абсолютную мощность сигнала в ваттах в некоторое значение, которое никак не зависит от значения мощности другого сигнала, как это имеет место при определении децибела. Так, нетрудно вычислить соответствие некоторых значений мощности сигнала, выраженные в ваттах и децибелах на милливатт:

Опорные значения мощности удобно использовать при расчетах энергетического бюджета линий связи.

ПРИМЕР

Пусть требуется определить минимальную опорную мощность х ( д Б м ) передатчика, достаточную для того, чтобы на выходе линии опорная мощность сигнала была не ниже некоторого порогового значения у (дБм). Затухание л и н и и известно и равно А. Пусть X и Y — это абсолютные значения мощности сигнала, заданные в милливаттах на входе и выходе линии соответственно.

Характеристики линий связи По определению А - 10 lg X/Y. Используя свойства логарифмов, имеем:

Заметим, что два последних члена уравнения по определению являются опорными значениями мощности сигналов на выходе и входе, поэтому приходим к простому соотношению где х — опорная мощность входного сигнала, а у — опорная мощность выходного сигнала.

Из последнего соотношения следует, что минимальная требуемая мощность передатчика может быть определена как сумма затухания и мощности сигнала на выходе: х = А + у.

Предельная простота расчета стала возможной благодаря тому, что в качестве исходных данных были взяты опорные значения мощности входного и выходного сигналов. Конечно, можно было бы использовать и значение мощностей, заданных в ваттах, но при этом пришлось бы заниматься такими операциями, как возведение 10 в дробную степень, что более громоздко.

Использованная в примере величина у называется порогом чувствительности приемника и представляет собой минимальную опорную мощность сигнала на входе приемника, при котором он способен корректно распознавать дискретную информацию, содержащуюся в сигнале. Очевидно, что для нормальной работы линии связи необходимо, чтобы минимальная опорная мощность сигнала передатчика, даже ослабленная затуханием линии связи, превосходила порог чувствительности приемника: х- А> у. Проверка этого условия и является сутью расчета энергетического бюджета линии.

Важным параметром медной линии связи является ее волновое сопротивление, представляющее собой полное (комплексное) сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определенной частоты при распространении вдоль однородной цепи. Волновое сопротивление измеряется в омах и зависит от таких параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная емкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивление передатчика должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии, иначе затухание сигнала будет чрезмерно большим.

Помехоустойчивость и достоверность Помехоустойчивость линии, как и следует из названия, определяет способность линии противостоять влиянию помех, создаваемых во внешней среде или на внутренних проводниках самого кабеля. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от средств экранирования и подавления помех самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной — волоконно-оптические линии, мало чувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, создаваемых внешними электромагнитными полями, проводники экранируют и/или скручивают.

Электрическая и магнитная связь — это параметры медного кабеля, также являющиеся результатом помех. Электрическая связь определяется отношением наведенного тока в подверженной влиянию цепи к напряжению, действующему во влияющей цепи. Магнитная связь — это отношение электродвижущей силы, наведенной в подверженной влиянию цепи, к току во влияющей цепи. Результатом электрической и магнитной связи являются наведенные сигналы (наводки) в цепи, подверженной вилянию. Существует несколько различных параметров, характеризующих устойчивость кабеля к наводкам.

Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT) определяют устойчивость кабеля в том случае, когда наводка образуется в результате действия сигнала, генерируемого передатчиком, подключенным к одной из соседних пар на том же конце кабеля, на котором работает подключенный к подверженной влиянию паре приемник (рис. 8.10).

Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен 10 lg P0ut/fmcb где Poat — мощность выходного сигнала, Pi„d — мощность наведенного сигнала.

ind-far - мощность наведенного сигнала на дальнем конце кабеля Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары категории 5 показатель NEXT должен быть меньше - 2 7 дБ на частоте 100 МГц.

Перекрестные наводки на дальнем конце (Far End Cross Talk, FEXT) позволяют оценить устойчивость кабеля к наводкам для случая, когда передатчик и приемник подключены к разным концам кабеля. Очевидно, что этот показатель должен быть лучше, чем NEXT, так как до дальнего конца кабеля сигнал приходит ослабленный затуханием каждой пары.

Показатели NEXT и FEXT обычно применяются к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы.

Оптические волокна тоже не создают сколько-нибудь заметных взаимных помех.

В связи с тем, что в некоторых новых технологиях данные передаются одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стали применяться также показатели перекрестных наводок с приставкой PS (PowerSUM — объединенная наводка), такие как PS NEXT и PS FEXT. Эти показатели отражают устойчивость кабеля к суммарной мощХарактеристики линий связи ности перекрестных наводок на одну из пар кабеля от всех остальных передающих пар (рис. 8. И).

Передатчик - приемник

PS NEXT PS FEXT

Еще одним практически важным показателем является защищенность кабеля (Attenuation/ Crosstalk Ratio, ACR). Защищенность определяется как разность между уровнями полезного сигнала и помех. Чем больше значение защищенности кабеля, тем в соответствии с формулой Шеннона данные можно передавать по этому кабелю с потенциально более высокой скоростью. На рис. 8.12 показана типичная характеристика зависимости защищенности кабеля на неэкранированной витой паре от частоты сигнала.

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Еггог Rate, BER). Величина BER для линий связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, 10-4-10-6, в оптоволоконных линиях связи — 10-9. Например, значение достоверности передачи данных в 10-4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.

Полоса пропускания и пропускная способность Полоса пропускания — это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.

1000 ТГц Видимый свет Рис. 8. 1 3. Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны Характеристики линий связи Часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в - 3 дБ.

Как мы увидим далее, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рис. 8.13 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.

Пропускная с п о с о б н о с т ь линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии. Особенностью пропускной способности является то, что, с одной стороны, эта характеристика зависит от параметров физической среды, а с другой — определяется способом передачи данных. Следовательно, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, как для нее определен протокол физического уровня.

Например, поскольку для цифровых линий всегда определен протокол физического уровня, задающий битовую скорость передачи данных, то для них всегда известна и пропускная способность — 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

В тех же случаях, когда только предстоит выбрать, какой из множества существующих протоколов использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчивость и др.

Пропускная способность, как и скорость передачи данных, измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах, таких как килобиты в секунду (Кбит/с) и т. д.

ВНИМАНИЕ

Пропускная способность л и н и й связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням десяти (то есть килобит — это 1000 бит, а мегабит - это 1 ООО ООО бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням двойки, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 2 10 = 1024, а *мега» — 2 20 = 1 048 576.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как затухание и полоса пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи, и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 8.14, а). Если же значимые гармоники выходят,за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал начнет значительно искажаться, и приемник будет ошибаться при распознавании информации (рис. 8.14, б).

Рис. 8. 1 4. Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала Биты и боды Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим, или линейным, кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии.

Таким образом, для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого — другой. Например, витая пара категории 3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе кодирования стандарта физического уровня 10Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100Base-T4.

ВНИМАНИЕ

В соответствии с основным постулатом теории информации любое различимое непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. Отсюда следует, что синусоида, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но является абсолютно предсказуемым. Аналогично, не несут в себе информации импульсы на тактовой шине компьютера, так как их изменения тоже постоянны во времени. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, это и делает их информационными, они переносят информацию между.,отдельными блоками или устройствами компьютера.

В большинстве способов кодирования используется изменение какого-либо параметра периодического сигнала — частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знака потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого подвергаются изменениям, называют несущим сигналом, а его частоту, если сигнал синусоидальный, — Характеристики линий связи несущей частотой. Процесс изменения параметров несущего сигнала в соответствии с передаваемой информацией называется модуляцией.

Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации — биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести несколько битов информации.

Передача дискретной информации в телекоммуникационных сетях осуществляется тактировано, то есть изменение сигнала происходит через фиксированный интервал времени, называемый тактом. Приемник информации считает, что в начале каждого такта на его вход поступает новая информация. При этом независимо от того, повторяет ли сигнал состояние предыдущего такта или же он имеет состояние, отличное от предыдущего, приемник получает новую информацию от передатчика. Например, если такт равен 0,3 с, а сигнал имеет два состояния и 1 кодируется потенциалом 5 вольт, то присутствие на входе приемника сигнала величиной 5 вольт в течение 3 секунд означает получение информации, представленной двоичным числом 1111111111.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах. 1 бод равен одному изменению информационного параметра в секунду. Например, если такт передачи информации равен 0,1 секунды, то сигнал изменяется со скоростью 10 бод. Таким образом, скорость в бодах целиком определяется величиной такта.

Информационная скорость измеряется в битах в секунду и в общем случае не совпадает со скоростью в бодах. Она может быть как выше, так и ниже скорости изменения информационного параметра, измеряемого в бодах. Это соотношение зависит от числа состояний сигнала. Например, если сигнал 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 4 состояния фазы в 0,90,180 и 270° и два значения амплитуды сигнала — тогда информационный сигнал может иметь 8 различимых состояний. Это означает, что любое состояние этого сигнала несет информацию в 3 бит. 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. Это происходит в тех случаях, когда для надежного распознавания приемником пользовательской информации каждый бит в последовательности кодируется несколькими изменениями информационного параметра несущего сигнала.

Например, 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.

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем выше может быть частота модуляции и тем выше может быть пропускная способность линии связи.

Однако с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала.

Линия 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 информации принимающей стороной, а значит, возможная скорость передачи информации оказывается меньше.

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:

Здесь С — пропускная способность линии в битах в секунду, F — ширина полосы пропускания линии в герцах, 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 (помех) 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 не просто. 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 отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз 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:

Здесь М — количество различимых состояний информационного параметра.

Если сигнал имеет два различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи (рис. 8.15, а). Если же в передатчике используется более двух устойчивых состояний сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько битов исходных данных, например 2 бита при наличии четырех различимых состояний сигнала (рис. 8.15, б).

Хотя в формуле Найквиста наличие шума в явном виде не учитывается, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения Типы кабелей пропускной способности линии связи следовало бы увеличивать количество состояний, но на практике этому препятствует шум на линии. Например, пропускную способность линии, сигнал которой показан на рис. 8.15, б, можно увеличить еще в два раза, применив для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума время от времени превышает разницу между соседними уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.

Рис. 8. 1 5. Повышение скорости передачи за счет дополнительных состояний сигнала Типы кабелей Сегодня как для внутренней (кабели зданий), так и для внешней проводки чаще всего применяются три класса проводных линий связи:

• 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 схематично показаны на рис. 8.16.

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.

Пластиковое покрытие 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.

Кабель на основе неэкранированной витой пары, используемый для проводки внутри здания, разделяется в международных стандартах на категории (от 1 до 7).

• Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был основной тип кабеля для телефонной разводки.

• Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории — способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

• Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей для частот в диапазоне до 16 МГц. Кабели категории 3, предназначенные как для передачи данных, так и для передачи голоса, составляют сейчас основу многих кабельных систем зданий.

• Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

• Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий (FDDI, Fast Ethernet, ATM и Gigabit Ethernet) ориентиТипы кабелей ровано на использование витой пары категории 5. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).

• Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 250 МГц, а для кабелей категории 7 — до 600 МГц. Кабели категории обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей — поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, две — для передачи голоса.

Экранированная витая пара 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. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку.

Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары для применения внутри зданий, является фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы от 1 до 9 включительно.

Рассмотрим для примера кабель типа 1 стандарта IBM. Он состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которая заземляется. Электрические параметры кабеля типа 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5.

Однако волновое сопротивление кабеля типа 1, равное 150 Ом, значительно выше волнового сопротивления UTP категории 5 (100 Ом), поэтому невозможно «улучшение»

кабельной проводки сети путем простой замены неэкранированной пары экранированной парой типа 1. Передатчики, рассчитанные на работу с кабелем, имеющим волновое сопротивление 100 Ом, будут плохо работать на волновое сопротивление 150 Ом.

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. Далее приводятся 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). Зато этот кабель сложно монтировать — он плохо гнется.

• «Тонкий» коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10Base-2. Обладая внешним диаметром около 50 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.

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 10 Гбит/с и выше) и к тому же 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 (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. В зависимости от распределения показателя преломления и величины диаметра сердечника различают:

• многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 8.17, а);

• многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 8.17, б)\ • одномодовое волокно (рис. 8.17, в).

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей в сердцевине кабеля.

В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света — от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Изготовление сверхтонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет собой сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления Типы кабелей режим отражения лучей имеет сложный характер. Возникающая при этом интерференция ухудшает качество передаваемого сигнала, что приводит к искажениям передаваемых импульсов в многомодовом оптическом волокне. По этой причине технические характеристики многомодовых кабелей хуже, чем одномодовых.

Учитывая это, многомодовые кабели применяют в основном для передачи данных на скоростях не более 1 Гбит/с на небольшие расстояния (до 300-2000 м), а одномодовые — для передачи данных со сверхвысокими скоростями в несколько десятков гигабитов в секунду (а при использовании технологии DWDM — до нескольких терабитов в секунду) на расстояния до нескольких десятков и даже сотен километров (дальняя связь).

В качестве источников света в волоконно-оптических кабелях применяются:

• светодиоды, или светоизлучающие диоды (Light Emitted Diode, LED);

• полупроводниковые лазеры, или лазерные диоды.