Реклама:

Большинство современных компьютеров подключаются к компьютерным сетям, из которых наиболее распространен Интернет. Для доступа к подобного рода сетям требуется специальное оборудование. В этом разделе рассматриваются принципы работы такого оборудования.

Модемы

С ростом количества компьютеров в последние годы возникла необходимость связать их между собой. Например, можно связать свой домашний компьютер с компьютером на работе, с поставщиком услуг Интернета или банковской системой. Для обеспечения такой связи часто используется телефонная линия.

Однако обычная телефонная линия (равно как и кабель) плохо подходит для передачи компьютерных сигналов, в которых 0 обычно соответствует нулевому напряжению, а 1 - напряжению от 3 до 5 вольт (рис. 2.33, а). Двухуровневые сигналы во время передачи по телефонной линии, которая предназначена для передачи голоса, подвергаются сильным искажениям, ведущим к ошибкам в передаче. Тем не менее синусоидальный сигнал с частотой от 1000 до 2000 Гц, который называется несущим, может передаваться с относительно небольшими искажениями, и это свойство используется при передаче данных в большинстве телекоммуникационных систем.

Поскольку форма синусоидальной волны полностью предсказуема, она не несет никакой информации. Однако изменяя амплитуду, частоту или фазу, можно передавать последовательность нулей и единиц, как показано на рис. 2.33. Этот процесс называется модуляцией. При амплитудной модуляции используются 2 уровня напряжения для 0 и 1, соответственно (рис. 2.33, б). Если цифровые данные передаются с очень низкой скоростью, то при передаче 1 слышен громкий шум, а при передаче 0 шум отсутствует.

При частотной модуляции уровень напряжения не меняется, но частоты несущего сигнала для 1 и 0 различаются (рис. 2.33, в). В этом случае при передаче цифровых данных можно услышать два тона: один из них соответствует 0, а другой - 1. Частотную модуляцию иногда называют частотной манипуляцией.

Телекоммуникационное оборудование

Рис. 2.33. Последовательная передача двоичного числа 01001011000100 по телефонной линии: двухуровневый сигнал (а); амплитудная модуляция (б); частотная модуляция (в);

фазовая модуляция (г)

При простой фазовой модуляции амплитуда и частота сохраняются на одном уровне, а фаза несущего сигнала меняется на 180°, когда данные меняются с 0 на 1 или с 1 на 0 (рис. 2.33, г). В более сложных системах фазовой модуляции в начале каждого неделимого временного отрезка фаза несущего сигнала резко сдвигается на 45, 135, 225 или 315°, чтобы передавать 2 бита за один временной отрезок. Это называется дибитной фазовой кодировкой. Например, сдвиг по фазе на 45° представляет 00, на 135° - 01 и т. д. Существуют системы для передачи трех и более битов за один временной отрезок. Число таких временных интервалов (то есть число потенциальных изменений сигнала в секунду) называется скоростью в бодах. При передаче двух или более битов за 1 временной отрезок скорость передачи битов будет превышать скорость в бодах. Отметим, что термины "бод" и "бит" в этом контексте часто путают.

Если данные состоят из последовательности 8-разрядных символов, было бы желательно иметь средство связи для передачи 8 бит одновременно, то есть 8 пар проводов. Так как телефонные линии, предназначенные для передачи голоса, обеспечивают только один канал связи, биты должны пересылаться последовательно один за другим (или в группах по два, если используется дибитная кодировка). Устройство, которое получает символы из компьютера в форме двухуровневых сигналов (по одному биту в каждый отрезок времени) и передает биты по одному или по два в форме амплитудной, фазовой или частотной модуляции, называется модемом. Для указания на начало и конец каждого символа в начале и конце 8-разрядной цепочки ставятся начальный и конечный биты, таким образом получается всего 10 бит.

Модем посылает отдельные биты каждого символа через равные временные отрезки. Например, скорость 9600 бод означает, что сигнал меняется каждые 104 микросекунды. Второй модем, получающий информацию, преобразует модулированный несущий сигнал в двоичное число. Биты поступают в модем через равные промежутки времени. Если модем встречает начало символа, его часы сообщают, когда нужно начать считывать поступающие биты.

Современные модемы передают данные со скоростями от 28 800 бит/с до 57 600 бит/с, что обычно соответствует более низкой скорости в бодах. Они сочетают разные технологии для передачи нескольких битов за 1 бод, модулируя амплитуду, частоту и фазу. Почти все современные модемы являются дуплексными, то есть могут передавать информацию в обоих направлениях одновременно, используя различные частоты. Модемы и линии связи, которые не могут передавать информацию в обоих направлениях одновременно (как одноколейная железная дорога), называются полудуплексными. Линии связи, которые могут передавать информацию только в одном направлении, называются симплексными.

Цифровые абонентские линии

Взяв однажды планку в 56 кбит/с, инженеры телефонных компаний с чувством выполненного долга успокоились на достигнутом. Тем временем поставщики услуг кабельного телевидения стали предлагать абонентам подключение к Интернету по общим кабелям на скорости до 10 Мбит/с. Поставщики услуг спутниковой связи пошли еще дальше, обеспечив возможность подключения на скорости свыше 50 Мбит/с. Чем большее значение приобретали услуги по предоставлению доступа в Интернет для телефонных компаний, тем отчетливее они понимали, что для сохранения конкурентоспособности нужно предложить рынку какую-то более совершенную услугу, нежели подключение по обычному модему. В результате этих раздумий на свет появилась новая цифровая услуга доступа в Интернет. Услуги, в которых предлагается пропускная способность, превышающая аналогичный показатель для стандартного модемного соединения, иногда называют широкополосными, но, честно говоря, это скорее маркетинговый, чем содержательный технический термин.

Первоначально было предложено несколько технологий доступа под общим именем xDSL (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия) с переменным значением х. Далее мы обсудим самую распространенную из них - ADSL (Asymmetric DSL - асимметричная цифровая абонентская линия). Работы над ADSL все еще продолжаются, и далеко не все стандарты на эту технологию прописаны, поэтому некоторые детали со временем могут корректироваться. Впрочем, общая картина, скорее всего, останется неизменной. За дополнительными сведениями по ADSL обращайтесь к дополнительной литературе [198, 215].

Почему обычные модемы работают так медленно? Да потому, что телефоны были изначально предназначены для передачи голоса, и именно с учетом этой цели сформировалась вся система телефонной связи. Передаче данным по телефонным проводам уделялось слишком мало внимания. Пропускная способность провода (он же - абонентский канал), связывающего абонентов с автоматической телефонной станцией (АТС), традиционно ограничивалась специальным фильтром. Фактическая пропускная способность абонентского канала во многом зависит от его протяженности, но чаще всего (если протяженность не превышает нескольких километров) достигает 1,1 МГц.

Наиболее распространенная схема предоставления услуг ADSL изображена на рис. 2.34. Ее содержание сводится к удалению фильтра и разделению освободившегося спектра 1,1 МГц на 256 автономных каналов, по 4312,5 Гц каждый. Канал 0 выделяется для голосовых данных. Каналы 1-5 не используются, за счет чего устраняются взаимные помехи сигналов передачи голоса и данных. Из оставшихся 250 каналов два выделяются для восходящей и нисходящей передачи управляющих сигналов. По остальным каналам передаются пользовательские данные. Таким образом, один ADSL-модем равноценен 250 обычным модемам.

Телекоммуникационное оборудование

Рис. 2.34. Функционирование ADSL

В принципе по каждому из оставшихся каналов можно пустить дуплексный поток данных, однако вспомогательные гармоники, перекрестные помехи и другие физические эффекты не позволяют довести фактическую реализацию технологии до теоретического уровня. Решение о том, в какой пропорции разделить каналы на нисходящие и восходящие потоки, принимает поставщик услуги. Технически возможно равное распределение этих каналов, но в большинстве случаев 80-90 % выделяются на организацию нисходящего потока (обычно 32 канала выделяют для восходящего потока, а остальная часть - для нисходящего), поскольку большинство пользователей принимают значительно больше данных, чем отправляют. Именно по этой причине технология ADSL так успешна.

Качество передачи данных по каждому каналу постоянно отслеживается и при необходимости корректируется; поэтому по скоростям каналы могут различаться. Данные передаются в объеме до 15 бит/бод за счет сочетания амплитудной и фазовой модуляции. Если, скажем, для передачи данных доступно 224 нисходящих канала, а скорость передачи сигнала равна 4000 бод при 15 бит/бод, совокупная пропускная способность нисходящего потока составляет 13,44 Мбит/с. На практике соотношение "сигнал/шум" не позволяет приблизиться к такому уровню, но при небольшой удаленности от поставщика услуг и высоком качестве канала скорость 4-8 Мбит/с вполне достижима.

Стандартная конфигурация оборудования ADSL изображена на рис. 2.35. Согласно этой схеме, в помещении пользователя устанавливается сетевое интерфейсное устройство (Network Interface Device, NID). Эта небольшая пластиковая коробочка символизирует границу между собственностью пользователя и собственностью телефонной компании. Рядом с NID (а иногда и в одном корпусе с этим устройством) устанавливается сплиттер (разветвитель) - аналоговый фильтр, разделяющий данные и сигналы на частоте 0-4000 Гц, применяемые для передачи голоса. Поток данных направляется к ADSL-модему, а голосовые сигналы - к телефону. ADSL-модем представляет собой процессор цифровых сигналов, эмулирующий параллельную работу 250 обычных модемов на разных частотах. Поскольку большинство ADSL-модемов выпускаются во внешнем выполнении, их соединение с компьютером должно быть достаточно скоростным. Обычно это требование удовлетворяется путем установки в компьютер платы Ethernet и организации двухзвенного Ethernet-соединения с ADSL-модемом. (Ethernet - распространенный и весьма доступный стандарт организации локальных сетей.) Иногда ADSL-модем подключается к компьютеру через USB-порт. В будущем следует ожидать появления специальных плат для соединения с ADSL-модемом.

Телекоммуникационное оборудование

Рис. 2.35. Стандартная конфигурация оборудования ADSL

На противоположной стороне абонентского канала устанавливается другой сплиттер, который отделяет голосовые сигналы и перенаправляет их на обычный телефонный коммутатор. Сигналы с частотой свыше 26 кГц передаются мультиплексору доступа к цифровой абонентской линии (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM). После преобразования цифровых сигналов в поток битов происходит формирование пакетов, которые затем направляются поставщику услуг.

Кабельный Интернет

Многие телевизионные компании предлагают пользователям возможность доступа в Интернет по кабельным сетям. Эта технология несколько отличается от ADSL, поэтому ее стоит рассмотреть отдельно. Во владении каждого оператора кабельного телевидения, помимо центрального офиса, есть ряд головных узлов (помещений с электронным оборудованием), рассредоточенных по территории города. К центральному офису все они подключены широкополосным или оптоволоконным кабелем.

От каждого головного узла к конечным потребителям отходит один или несколько кабелей. Чтобы к такому кабелю можно было подключиться, он должен проходить рядом с помещениями, в которых находятся пользователи. При этом к одному и тому же кабелю подключаются сотни пользователей. Как правило, пропускная способность такого кабеля составляет около 750 МГц. Как видно, концептуальное отличие кабельного доступа от технологии ADSL заключается в отсутствии индивидуального канала, подведенного к офису поставщика услуг. Впрочем, на практике выгоды от наличия собственного канала пропускной способностью 1,1 МГц, с одной стороны, и общего с еще четырьмя сотнями пользователей канала совокупной пропускной способностью 200 МГц, с другой, примерно равноценны (объясняется это тем, что в каждый отдельно взятый момент времени из 400 пользователей в сети находятся не более половины). Более того - глубокой ночью кабельный Интернет работает значительно быстрее, чем днем, в то время как скорость передачи данных по каналу ADSL в течение суток одинакова. Логика такова: чтобы получить оптимальный доступ в Интернет по кабельному каналу, нужно жить либо в очень богатом районе (где дома находятся на большом расстоянии друг от друга, а следовательно, к одному кабелю подключено не так уж много пользователей), либо в очень бедном (где никто не может себе позволить приобрести такую услугу).

Поскольку к одному кабелю подключаются многочисленные пользователи, актуальной проблемой является временная и частотная регламентация потребления пропускной способности. Чтобы понять, как эта проблема решается, придется сделать небольшой экскурс в технологию кабельного телевидения. В США для вещания кабельных каналов выделен частотный диапазон 54-550 МГц (из него, правда, исключается диапазон 88-108 МГц, предназначенный для FM-радиостанций). Каждый канал занимает 6 МГц (включая защитные полосы, предотвращающие взаимные помехи смежных каналов). В Европе нижний порог кабельного диапазона - 65 МГц, а каналы занимают по 6-8 МГц (за счет этого обеспечивается повышенное разрешение по стандартам PAL/SECAM); во всем остальном схема распределения частот аналогична американской. В обоих случаях нижняя часть диапазона не используется для передачи телевизионных сигналов.

Пытаясь реализовать технологию доступа в Интернет по кабелю, операторы столкнулись с двумя проблемами:

1. Как предотвратить помехи при одновременной передаче данных и телевизионного сигнала?

2. Как организовать двунаправленный трафик при однонаправленных усилителях?

Выбранные решения таковы. Современные кабели работают на частоте значительно выше 550 МГц, достигая 750 МГц и более. Восходящие (то есть направленные от пользователя к головному узлу) каналы занимают диапазон 5-42 МГц (в Европе он чуть выше), в то время как для передачи нисходящего (от головного узла к пользователю) трафика используются высокие частоты (рис. 2.36).

Телекоммуникационное оборудование

Рис. 2.36. Распределение частот в стандартной системе кабельного телевидения с возможностью доступа в Интернет

Обратите внимание: поскольку телевизионные сигналы передаются исключительно в нисходящем направлении, восходящие усилители могут работать только в диапазоне 5-42 МГц, а нисходящие - в диапазоне от 54 МГц и выше. Таким образом, пропускная способность двух направлений оказывается асимметричной, поскольку восходящий диапазон значительно меньше нисходящего. Впрочем, это обстоятельство не сильно беспокоит операторов кабельного телевидения, так как и трафик по большей части передается к пользователю, а не от него. В конце концов, телефонные компании тоже успешно предоставляют услугу DSL с асимметричным доступом, хотя никаких технических ограничений на восходящий трафик здесь не существует.

Для подключения к Интернету конечного пользователя применяются кабельные модемы. Это устройства с двумя интерфейсами - для подключения к компьютеру, с одной стороны, и к кабельной сети, с другой. Интерфейс "компьютер-кабельный модем" несложен - как и в случае с ADSL, для передачи данных организуется миниатюрная сеть Ethernet. В будущем кабельные модемы, скорее всего, будут производиться в виде плат, устанавливаемых в системный блок, - точно так же, как это произошло с внутренними модемами V.9x.

На противоположной стороне устанавливается более сложное оборудование. Стандарты кабельных соединений - это тема из области радиотехники, в связи с чем ее подробное рассмотрение в нашем контексте кажется неуместным. Единственное, что стоит отметить, так это беспрерывную работу кабельных модемов - в этом отношении они напоминают ADSL-модемы. Соединение устанавливается и поддерживается постоянно и прерывается только при отключении источника питания - связано это с тем, что операторы кабельных сетей не взимают повременную плату за свои услуги.

Рассмотрим последовательность операций, происходящих при подсоединении и включении модема. Во-первых, модем просматривает содержимое нисходящих каналов в поисках специального пакета, который с определенной регулярностью отправляется с головного узла и содержит системные параметры для недавно подключенных модемов. Обнаружив таковой, модем объявляет о своем присутствии в одном из восходящих каналов. Далее головной узел назначает модему определенные восходящие и нисходящие каналы. Впоследствии, если головной узел сочтет необходимым сбалансировать нагрузку, модему могут быть назначены другие каналы.

Затем модем определяет расстояние до головного узла путем отправки ему специального пакета и вычисления времени ответа. Этот процесс называется калибровкой (ranging). Зная расстояние до головного узла, модем может соответствующим образом скорректировать работу восходящих каналов. Дело в том, что восходящий поток данных подразделяется на временные интервалы, или мини-слоты (minislots). Каждый восходящий пакет должен уместиться в рамках одного или нескольких последовательных мини-слотов. Головной узел регулярно высылает оповещения о начале новых циклов мини-слотов, но, так как модемы находятся на разных расстояниях от головного узла, они получают эти оповещения в разное время. В то же время, зная, на каком расстоянии от головного узла он находится, модем может вычислить фактическое время начала мини-слота. Длина мини-слота определяется характеристиками конкретной сети. Полезная нагрузка одного мини-слота обычно составляет 8 байт.

В ходе инициализации головной узел привязывает каждый модем к определенному мини-слоту, в результате тот получает возможность отравлять запросы на предоставление пропускной способности. Обычно к одному и тому же мини-слоту привязываются несколько модемов, за счет чего формируется состязательность. Перед отправкой пакета с компьютера в сеть он передается модему, который затем запрашивает соответствующее количество мини-слотов. Если запрос удовлетворяется, головной узел отсылает по нисходящему каналу подтверждение, в котором указывает зарезервированные для передачи пакета мини-слоты. Далее, начиная с первого зарезервированного мини-слота, начинается отправка. Запросы на передачу дополнительных пакетов встраиваются в специальное поле заголовка.

Если в условиях состязательности за запрошенный мини-слот модем не получает подтверждения, он ждет случайный интервал времени и повторяет запрос. С каждой неуспешной попыткой время ожидания удваивается, что способствует разряжению интенсивного трафика.

Нисходящие каналы управляются по-другому. Во-первых, при нисходящей передаче отправитель всего один - головной узел. Следовательно, состязательность отсутствует, равно как и необходимость выделения мини-слотов, которые, по существу, есть не что иное, как средство статистического мультиплексирования с разделением времени. Во-вторых, нисходящий трафик обычно значительно интенсивнее, чем восходящий, поэтому он передается в пакетах по 204 байта. В состав пакета, помимо полезной нагрузки в 184 байта, входит код исправления ошибок Рида-Соломона и некоторые другие служебные поля. Этот размер пакета выбран в целях совместимости с цифровым телевидением формата MPEG-2 -

в итоге каналы нисходящей передачи телевизионного сигнала и данных форматируются единообразно. Логическая схема этих соединений изображена на рис. 2.37.

Телекоммуникационное оборудование

Рис. 2.37. Стандартная организация восходящих и нисходящих каналов в США. Технология ОАМ-64 (квадратурная амплитудная модуляция) допускает передачу со скоростью 6 бит/Гц, но работает только на высоких частотах. Технология ОРБК (квадратурная фазовая модуляция) действует на низких частотах, зато максимальная скорость передачи составляет 2 бит/Гц

Впрочем, вернемся к процедуре инициализации модема. После калибровки, получения восходящего и нисходящего каналов и назначения мини-слотов модем может приступать к передаче пакетов. Пакеты отправляются на головной узел, с которого они по выделенному каналу уходят в центральный офис оператора кабельного телевидения, а от него - к поставщику услуг Интернета (Internet Service Provider, ISP), в качестве которого может выступать и сам оператор. Первый пакет, отправляемый поставщику услуг, содержит запрос на предоставление в динамическом режиме сетевого адреса (IP-адреса). Другой запрос в составе этого пакета касается точного времени дня.

На следующем этапе решаются вопросы безопасности. По одному кабелю свои данные передают множество пользователей (если вам интересно, попробуйте просмотреть статистику по проходящему трафику). Чтобы не допустить со стороны соседей коллективного слежения друг за другом, весь трафик, в каком бы направлении он ни отправлялся, в обязательном порядке шифруется. Поэтому в процессе инициализации, помимо прочего, определяются ключи шифрования. Казалось бы, провести согласование секретного ключа между модемом и головным узлом под бдительным оком тысяч пользователей невозможно. На самом деле это не так - для определения ключа шифрования задействуется алгоритм Диффи-Хелмана [110].

Наконец, модем регистрируется в сети и сообщает по защищенному каналу свой уникальный идентификатор. На этом процесс инициализации заканчивается - пользователь может начинать работу.

Наш обзор кабельных модемов получился довольно сжатым. За подробностями обратитесь к дополнительной литературе [1, 57, 61].

Принтеры || Оглавление || Цифровые фотокамеры