Компьютерные сети. 6-е изд.

Никогда не недооценивайте пропускную способность несущегося по шоссе грузовика, набитого магнитными картриджами.

Зачастую это наилучшее решение при перемещении очень больших объемов данных. Компания Amazon предоставляет сервис Snowmobile. Это большой грузовик, набитый тысячами жестких дисков, подключенных к высокоскоростной сети внутри грузовика. Его общая емкость составляет 100 Пбайт (100 000 Тбайт или 100 млн Гбайт). Если компания нуждается в перемещении огромного объема данных, такой грузовик приезжает на ее территорию, подключается к оптоволоконной сети компании, а затем извлекает нужную информацию. По завершении грузовик едет в место назначения и выгружает данные. Этот сервис может пригодиться компании, желающей использовать облако Amazon вместо собственного огромного дата-центра. Остальные методы передачи и близко не сравнятся с этим сервисом, если речь идет о гигантских объемах данных.

2.1.2. Витая пара

При использовании запоминающих устройств можно получить отличную пропускную способность. Однако с показателями задержки все обстоит иначе: время передачи данных измеряется часами или днями, а не миллисекундами. Для многих приложений, включая веб-приложения, видеоконференции и онлайн-игры, важна низкая задержка при передаче данных. Витая пара (twisted pair) — одна из старейших, но все еще наиболее популярная среда передачи данных. Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, обычно толщиной около 1 мм. Провода скручены в спираль подобно молекуле ДНК. Два параллельных провода образуют отличную антенну, а когда они скручены, волны от различных витков взаимно гасятся, так что провод в целом распространяет излучение гораздо слабее. Сигнал обычно передается в виде разности потенциалов между двумя проводами пары, что обеспечивает (в отличие от абсолютного напряжения) лучшую устойчивость к внешнему шуму. Как правило, шум одинаково влияет на напряжение в обоих проводах, таким образом, разность потенциалов остается практически неизменной.

Чаще всего витая пара используется в телефонных системах. Практически все телефоны соединяются с АТС посредством такого кабеля. По этим линиям связи осуществляются и телефонные звонки, и доступ в интернет по технологии ADSL. Витые пары длиной до нескольких километров могут обходиться без усиления, но на больших расстояниях сигнал ослабляется и необходимы повторители. Чтобы протянуть множество витых пар параллельно на большое расстояние (например, от многоквартирного дома до АТС), их связывают вместе и заключают в защитную оболочку. Если бы не скручивание, пары проводов создавали бы помехи друг на друга. В некоторых регионах телефонные линии прокладываются над землей, на столбах, и связки проводов достигают диаметра в несколько сантиметров.

Витая пара используется для передачи как аналоговых, так и цифровых данных. Пропускная способность зависит от диаметра провода и расстояния. В большинстве случаев при расстоянии в несколько километров она может достигать сотен мегабит в секунду (и даже больше — при использовании различных хитростей). Благодаря достаточному быстродействию, широкой доступности и низкой стоимости витая пара очень популярна, и в ближайшем будущем эта ситуация вряд ли изменится.

Кабели на основе витой пары бывают нескольких видов. Повсеместно используемая сегодня разновидность витой пары называется кабелем категории 5e, или «Cat. 5e». Витая пара категории 5e состоит из двух аккуратно скрученных проводов. Четыре такие пары обычно заключаются в ПВХ-оболочку, которая защищает провода и держит их вместе. Эта компоновка проводов показана на илл. 2.1.

Илл. 2.1. Кабель категории 5e из четырех витых пар. Подобные кабели применяются для локальных сетей

В различных стандартах LAN витая пара используется по-разному. Например, 100-мегабитная сеть Ethernet использует две (из четырех) пар, по одной для каждого направления. Для повышения скорости 1-гигабитная Ethernet использует все четыре пары в обоих направлениях одновременно, поэтому получатель должен факторизовать передаваемый сигнал.

Немного общей терминологии. Каналы связи, позволяющие передавать сигнал в обе стороны одновременно (подобно двухполосной дороге), называются полнодуплексными (full-duplex). Линии, которые можно использовать в конкретный момент времени только в одном направлении (подобно одноколейной железной дороге), называют полудуплексными (half-duplex). Третья категория — симплексные (simplex) каналы связи, по которым трафик всегда движется лишь в одном направлении, как по односторонним улицам.

Вернемся к витой паре. Более раннюю категорию 3 сменила категория 5, с аналогичным кабелем и таким же разъемом, но с увеличенным количеством скручиваний на метр. Большее число скручиваний уменьшает перекрестные помехи и улучшает качество сигнала при передаче на дальние расстояния. Благодаря этому подобные кабели лучше подходят для высокоскоростного обмена данными между устройствами, особенно для 100-мегабитных и 1-гигабитных сетей Ethernet.

Новым стандартом, вероятно, станет категория 6 или даже 7. Еще более строгие спецификации этих категорий обеспечивают передачу сигналов с большей шириной полосы пропускания. Некоторые кабели категории 6 поддерживают 10-гигабитные каналы связи. Сегодня такие каналы широко развертываются во многих сетях, например в новых офисных зданиях. Кабели категории 8 работают на более высоких скоростях, чем витые пары более низких категорий, но только на коротких расстояниях (около 30 м). Поэтому они подходят только для дата-центров. У стандарта категории 8 есть две разновидности: Класс I, совместимый с категорией 6A, и Класс II, совместимый с категорией 7A.

Кабели вплоть до категории 6 носят название неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), поскольку состоят только из проводов и изоляции. В отличие от них, в кабеле категории 7 экранирована каждая витая пара и весь пучок в целом (под защитной оболочкой). Экранирование снижает чувствительность к внешним и перекрестным помехам с расположенными рядом кабелями, благодаря чему кабель может удовлетворять самым высоким требованиям к производительности. Эти кабели напоминают высококачественные, но громоздкие и дорогие экранированные кабели на основе витых пар, выпущенные IBM в начале 1980-х. Особой популярности, помимо использования в системах самой IBM, они не приобрели. Видимо, пришло время повторить попытку.

2.1.3. Коаксиальный кабель

Еще одна распространенная среда передачи — коаксиальный кабель (coaxial cable). Он лучше экранирован и обладает более широкой полосой пропускания, чем неэкранированные витые пары, так что подходит для передачи на более далекие расстояния и с более высокой скоростью. Широко используются два типа коаксиального кабеля. Один из них, 50-омный, обычно применяется, когда изначально планируется передача данных в цифровом виде. Другой, 75-омный кабель, часто используется для передачи аналоговых данных и кабельного телевидения. Это разделение возникло скорее по историческим, чем по техническим причинам. Например, полное сопротивление первых дипольных антенн16 составляло 300 Ом, так что удобно было использовать уже существующие согласующие трансформаторы полного сопротивления 4 : 1. С середины 1990-х операторы кабельного телевидения начали предоставлять доступ в интернет, после чего возросла значимость 75-омных кабелей.

Коаксиальный кабель состоит из жесткой медной жилы, покрытой изоляцией. Изоляция, в свою очередь, заключена в цилиндрический проводник — обычно в виде тесно переплетенной сетки. Внешний проводник покрыт защитной оболочкой. Коаксиальный кабель в разрезе показан на илл. 2.2.

Илл. 2.2. Коаксиальный кабель

Конструкция и экранирование коаксиального кабеля обеспечивает удачное сочетание высокой пропускной способности и отличной защиты от помех (например, пультов дистанционного управления гаражными дверями, микроволновых печей и т.д.). Коаксиальный кабель имеет чрезвычайно широкую полосу пропускания (она зависит от качества и длины кабеля). У современных кабелей она достигает 6 ГГц, что позволяет передавать по одному кабелю множество сеансов связи параллельно (одна телевизионная программа занимает приблизительно 3,5 МГц). Коаксиальные кабели когда-то широко применялись в междугородних телефонных системах, но сегодня на замену им пришло оптоволокно. Коаксиальный кабель все еще широко используется для кабельного телевидения и городских сетей, а также для высокоскоростного домашнего интернета.

2.1.4. Линии электропередачи

Телефонные сети и сети кабельного телевидения не единственные проводные линии, которые можно дополнительно использовать для обмена данными. Существует еще более распространенный вид проводов — линии электропередачи (ЛЭП). ЛЭП служат для поставки электроэнергии в дома, а электропроводка внутри жилищ — для распределения энергии по электрическим розеткам.

Идея передачи данных по ЛЭП возникла давно. Долгие годы электроэнергетические компании использовали ЛЭП для низкоскоростного обмена данными, чтобы удаленно снимать показания счетчиков. Кроме того, данная технология позволяет управлять различными домашними устройствами (например, по стандарту X10). В последние годы возродился интерес к высокоскоростному обмену данными по таким линиям, как внутри жилых зданий в качестве LAN, так и снаружи — для широкополосного доступа в интернет. Мы рассмотрим наиболее распространенный сценарий — использование электропроводки в жилых домах.

Преимущества использования электропроводки для вычислительных сетей очевидны. Достаточно включить телевизор и тюнер в розетку — это придется сделать в любом случае, поскольку им требуется питание, — и они сразу получают возможность отправлять и принимать фильмы по электропроводке. Такая конфигурация представлена на илл. 2.3. Никаких других подключений или радиоустройств не требуется. Информационный сигнал накладывается на низкочастотный электрический сигнал (по активным, находящимся под напряжением проводам): оба сигнала используют проводку одновременно.

Илл. 2.3. Сеть на основе домашней электропроводки

Проблема использования домашней электропроводки для организации сети состоит в том, что она была предназначена для подачи электроэнергии. Эта задача коренным образом отличается от распространения информационных сигналов, и домашняя электропроводка справляется с ней очень плохо. Электрические сигналы передаются на частоте 50–60 Гц, при этом более высокочастотные сигналы (начиная от 1 МГц), необходимые для высокоскоростного обмена данными, затухают. Электрические свойства проводов различны в разных домах и меняются по мере включения/выключения бытовых электроприборов, что приводит к резким скачкам информационных сигналов в проводах. Возникающие при включении/выключении бытовых электроприборов переходные токи создают электрический шум в широком диапазоне частот. А без аккуратного скручивания как у витой пары электропроводка ведет себя как антенна, подхватывая внешние сигналы и излучая в пространство свои собственные. Следовательно, для удовлетворения нормативных требований информационный сигнал должен избегать лицензируемых частот (например, диапазонов, выделенных для радиолюбителей).