Компьютерные сети. 6-е изд.

Несмотря на эти сложности, по обычной электропроводке вполне можно передавать данные на короткие расстояния со скоростью до 500 Мбит/с с помощью схем связи, избегающих проблемных частот и устойчивых к всплескам количества ошибок. Для многих продуктов применяются защищенные патентами стандарты по организации сетей на основе ЛЭП; разрабатываются также открытые стандарты.

2.1.5. Оптоволокно

Многие представители компьютерной индустрии невероятно гордятся быстротой развития вычислительных технологий в соответствии с законом Мура, по которому число транзисторов в микросхеме удваивается каждые два года (см. работу Кушика и Хаммудеха; Kuszyk and Hammoudeh, 2018). Первый ПК IBM (1981) работал на тактовой частоте 4,77 МГц. Сорок лет спустя ПК содержат четырехъядерный CPU, работающий на частоте 3 ГГц. Ускорение примерно в 2500 раз. Впечатляет.

В то же время скорость глобальных линий связи выросла от 45 Мбит/с (линия T3 в телефонных системах) до 100 Гбит/с (современная междугородняя линия). Ничуть не менее впечатляющий рост — более чем в 2000 раз; частота ошибок при этом упала с 10-5 практически до нуля. За прошлое десятилетие был достигнут предел возможностей отдельного CPU, вследствие чего начало расти число ядер CPU на чип. А потенциальная пропускная способность оптоволокна превышает 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и мы еще очень далеки от этих пределов. На сегодняшний день мы достигли «потолка» (около 100 Гбит/с) лишь из-за нашей неспособности быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Для достижения более высокой производительности по одному оптоволоконному кабелю параллельно передаются данные нескольких каналов связи.

В этом разделе мы разберемся, как работает оптоволоконная технология передачи данных. В непрерывном состязании компьютерных систем и средств связи последние вполне могут выиграть за счет оптоволоконных сетей. Если это произойдет, пропускная способность окажется практически неограниченной, а большинство решит, что компьютеры работают безнадежно медленно, так что сетям лучше избегать вычислений любой ценой (независимо от того, какая часть полосы пропускания при этом будет потеряна). Пройдет немало времени, прежде чем подобное мнение станет господствующим в среде специалистов по вычислительной технике, привыкших смотреть на все через призму жестких ограничений, свойственных медным проводам.

Конечно, подобный сценарий не учитывает стоимость. Затраты на прокладку оптоволоконного кабеля до каждого потребителя (во избежание низкой пропускной способности проводов и ограниченного диапазона частот) колоссальны. Кроме того, расход электроэнергии на передачу битов больше, чем на вычисления. Всегда будут появляться «островки неравенства», где либо вычисления, либо передача данных практически бесплатны. Например, при входе в интернет применяются средства вычисления и хранения, чтобы сжать и кэшировать контент, — все для оптимального использования каналов доступа. Внутри интернета же может происходить обратное. Такие компании, как Google, перемещают по Сети колоссальные массивы данных туда, где их хранение или обработка обойдутся дешевле.

Оптоволокно используется для передачи данных на большие расстояния в опорных сетях, высокоскоростных LAN (хотя медные провода нередко успешно с ними в этом соперничают), а также для высокоскоростного доступа в интернет по технологии FTTH («оптоволокно в дом»). Оптические системы передачи данных состоят из трех основных компонентов: источника (генератора) света, среды передачи и приемника. Принято считать, что световой импульс означает 1, а отсутствие света — 0. Среда передачи представляет собой сверхтонкое стекловолокно. При попадании света приемник генерирует электрический импульс. Установив генератор света на одном конце оптоволоконного кабеля, а приемник — на другом, мы получаем однонаправленную (то есть симплексную) систему передачи данных, которая принимает входной электрический сигнал, преобразует его, передает в виде световых импульсов, после чего преобразует выходной сигнал обратно в электрический на принимающей стороне.

Подобная система передачи данных была бы бесполезной на практике из-за утечек света, если бы не один интересный физический принцип. Когда луч света переходит из одной среды в другую, например из кварцевого стекла в воздух, он преломляется на границе стекло/воздух. На илл. 2.4 (а) показано, как луч света падает на границу под углом α1 и отражается под углом β1. Сила преломления зависит от свойств обеих сред (в частности, их коэффициентов преломления). Если углы падения превышают определенное критическое значение, свет отражается обратно в стекло и не попадает в воздух вообще. Следовательно, луч света, падающий под критическим (или превышающим его) углом, оказывается «пойман» внутри оптоволокна, как показано на илл. 2.4 (б). Этот луч может распространяться на многие километры практически без потерь.

Илл. 2.4. (а) Три примера попадания луча света изнутри кварцевого волокна на границу воздух/стекло под разными углами. (б) Свет, удерживаемый внутри вследствие полного внутреннего отражения

На илл. 2.4 показан только один «пойманный» внутри волокна луч. Но поскольку любой луч с углом падения выше критического отразится внутрь, множество лучей будет отражаться внутри волокна под разными углами. В этом случае говорят, что у лучей различные моды, а волокно при этом называется многомодовым (multimode fiber). Если же уменьшить диаметр волокна до нескольких длин волны света (менее 10 мкм (микрометров); при этом диаметр многомодового волокна превышает 50 мкм), волокно становится волноводом. Это значит, что свет может распространяться в нем только по прямой, без отражений. Такое волокно называется одномодовым (single-mode fiber). Несмотря на высокую стоимость, оно широко используется для передачи данных на большие расстояния. Одномодовое волокно способно передавать сигналы на расстояние примерно в 50 раз больше, чем многомодовое. Современные одномодовые оптоволоконные кабели работают со скоростью 100 Гбит/с на расстоянии до 100 км без усиления. В лабораторных условиях были достигнуты еще большие скорости, правда, для коротких дистанций. Выбор одномодового или многомодового волокна зависит от сценария применения. Многомодовые оптоволоконные кабели используются для передачи данных на расстояние до 15 км и позволяют применять более дешевое оптоволоконное оборудование. Однако их пропускная способность уменьшается по мере увеличения расстояния.

Передача света через оптоволокно

Оптическое волокно производится из стекла, которое, в свою очередь, делается из песка — дешевого материала, доступного в неограниченных количествах. Секрет изготовления стекла был известен еще древним египтянам, но стекло должно быть толщиной не более 1 мм, иначе через него не проходит свет. Достаточно прозрачное стекло, пригодное для окон, появилось лишь в эпоху Возрождения. В современных оптоволоконных кабелях используется невероятно прозрачное стекло. Если бы оно заполняло океаны вместо воды, можно было бы рассмотреть морское дно так же четко, как землю из самолета в ясный день.

Затухание света при прохождении через стекло зависит от длины волны света (равно как и от некоторых физических свойств стекла). Оно определяется как отношение мощности входного сигнала к мощности выходного. На илл. 2.5 приведен график затухания света для стекла, применяемого в оптоволоконных кабелях, в децибелах (дБ) на километр длины кабеля. В качестве примера: двукратное ослабление мощности сигнала соответствует затуханию в 10 log10 2 = 3 дБ. Мы обсудим децибелы чуть позже. Если кратко, это логарифмическая мера отношения мощностей, где 3 дБ соответствуют двукратному отношению мощностей. На илл. 2.5 представлена часть спектра, близкая к инфракрасной, применяемая на практике. Длина волны видимого света чуть короче, от 0,4 до 0,7 мкм (1 мкм = 10–6 м). Настоящий борец за чистоту метрической системы описал бы эти длины волн как «от 400 до 700 нанометров», но мы будем придерживаться более традиционного написания.

В настоящее время для оптоволоконной связи наиболее широко используются три диапазона длин волн. Центры их находятся в точках 0,85, 1,30 и 1,55 мкм. Ширина всех трех диапазонов — от 25 000 до 30 000 ГГц. Сначала использовался 0,85-микрометровый диапазон. Он отличался более быстрым затуханием и потому применялся для передачи на меньшие расстояния, но при такой длине волны лазеры и электроника могут быть из одного материала (арсенид галлия). Остальные два диапазона характеризуются хорошими показателями затухания: потери составляют менее 5 % на километр. Сегодня 1,55-микрометровый диапазон широко применяется с усилителями, легированными ионами эрбия. Эти усилители работают непосредственно в оптической зоне.

Световые импульсы растягиваются в длину по мере их движения по оптоволокну. Это явление называется хроматической дисперсией (chromatic dispersion). Ее степень зависит от длины волны. Можно избежать наложения растянутых импульсов, увеличив расстояние между ними, но это снижает частоту передачи. К счастью, было обнаружено, что если придать импульсам специальную форму (соответствующую обратной величине гиперболического косинуса), то дисперсионные эффекты практически сойдут на нет. Поэтому теперь можно посылать сигналы на тысячи километров без заметного искажения их формы. Такие сигналы, именуемые солитонами (soliton), применяются все чаще.

Илл. 2.5. Затухание света при прохождении по оптоволокну в инфракрасном диапазоне

Оптоволоконные кабели

Оптоволоконные кабели аналогичны коаксиальным, за исключением оплетки. На илл. 2.6 (а) показано одиночное волокно сбоку. В центре расположен стеклянный сердечник, через который распространяется свет. В многомодовых оптоволоконных кабелях диаметр сердечника обычно составляет около 50 мкм — это примерная толщина человеческого волоса. В одномодовых оптоволоконных кабелях диаметр сердечника составляет от 8 до 10 мкм.

Илл. 2.6. (а) Вид одиночного волокна сбоку. (б) Трехжильный кабель с торца

Сердечник окружен стеклянным покрытием с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Таким образом, свет не выходит за пределы сердечника. Далее следует тонкая пластиковая оболочка, защищающая стеклянное покрытие. Оптические волокна обычно группируются по несколько штук и защищаются внешней оболочкой. На илл. 2.6 (б) представлен кабель с тремя волокнами.

Наземные линии оптоволоконных кабелей обычно укладываются в земле на глубине до метра, где их иногда повреждают экскаваторы или грызуны. У побережья трансокеанские оптоволоконные кабели укладываются в специальные желоба с помощью своего рода морского плуга. На глубоководье они просто лежат на дне, где иногда получают повреждения от рыболовных траулеров или подвергаются атакам гигантских кальмаров.

Оптоволоконные кабели могут соединяться тремя различными способами. Во-первых, они могут оканчиваться коннекторами и включаться в оптические розетки. На коннекторах теряется от 10 до 20 % света, зато упрощается изменение конфигурации системы. Во-вторых, они могут сращиваться механически: два кабеля с аккуратными срезами укладываются вместе в специальную соединительную втулку и фиксируются на месте. Для лучшего выравнивания через точку сопряжения пропускается свет и производятся небольшие сдвиги для поиска максимально сильного сигнала. Механическое сращивание занимает у квалифицированного специалиста примерно 5 минут, в результате чего потери света составляют около 10 %. В-третьих, можно произвести сварку (сплавление) двух кусков оптоволокна в один. Сваренный кабель почти ничем не хуже целого, однако небольшое затухание происходит даже в этом случае. При всех трех видах соединений в точке стыковки свет может отражаться, а отраженная энергия создает помехи сигналу.