Характеристики линий связи в компьютерных сетях

Типичная волоконно-оптическая локальная сеть содержит компьютер или сетевое устройство с волоконно-оптической платой сетевого интерфейса (NIC). Эта плата обладает входным и выходным интерфейсом. Эти интерфейсы с помощью специальных волоконно-оптических разъемов соединяются непосредственно с волоконно-оптическими кабелями. Противоположный конец кабеля подключается к связному устройству или стыковочному центру.

Устройства оптического  интерфейса преобразуют сигналы  компьютера в свет, передаваемый через  оптоволокно. Когда свет проходит через кабель и достигает приемного конца, тот же интерфейс превращает его обратно в сигналы компьютера. Для одномодовых кабелей импульсы света создаются диодами  с лазерной накачкой (ILD), генерирующими свет высокого качества. При приеме светового импульса он преобразуется в электрический сигнал P-i-N диодами (P-intrinsic-N) или фотодиодами.

Волоконно-оптический кабель имеет  следующие характеристики:

• стоимость - волоконно-оптический кабель обходится несколько дороже, чем медный, но эта стоимость быстро снижается. Между тем сопутствующие затраты на оборудование здесь намного выше, чем для медного кабеля. Устройства одномодовой волоконной оптики дороже и сложнее в инсталляции, чем многомодовые устройства;
• установка - волоконно-оптический кабель сложнее прокладывать, чем медный. Каждое соединение и стык такого кабеля требуют тщательной работы, поскольку свет не должен встречаться в таких местах с какими-либо препятствиями. Кроме того, волоконно-оптический кабель имеет максимальный радиус изгиба, что существенно осложняет его прокладку;
• пропускная способность - благодаря использованию света, который имеет намного большую частоту, чем электрические сигналы, волоконно-оптический кабель может обеспечивать чрезвычайно высокую пропускную способность. Существующие технологии позволяют передавать по нему данные со скоростью от 100 Мбит/с до 2 Гбит/с;
• число узлов - поскольку волоконно-оптическим кабелем можно соединить только два компьютера, число узлов определяется концентратором. В сети Ethernet полезный верхний предел составляет 75 узлов на один домен;
• затухание - волоконно-оптический кабель дает намного меньшее затухание, чем медный, поскольку свет не излучается вне кабеля, как электрический сигнал в медных проводах. Волоконно-оптические кабели способны переносить сигнал на расстояние, измеряемое километрами. Несмотря на малое затухание, волоконной оптике свойственна другая проблема — хроматическая дисперсия. Волны света различной длины стекло пропускает по-разному, поэтому импульс света, проходя через кабель, "размазывается". Получается эффект радуги — световой сигнал разделяется на цветовые компоненты. В одномодовых кабелях передается свет одной частоты, поэтому здесь нет эффекта хроматической дисперсии. Одномодовый волоконно-оптический кабель можно использовать для прокладки сетевых магистралей длиной в сотни километров;
• электромагнитные помехи - волоконно-оптический кабель не подвержен электромагнитным помехам. Кроме того, он не дает утечки сигнала, что значительно осложняет перехват информации. Поскольку такой кабель не требует заземления, здесь нет проблемы сдвига электрического потенциала земли и искрения. Подобный тип кабеля идеально подходит для высоковольтных зон и там, где нужна высокая степень защиты информации.

4. Беспроводная среда передачи данных

Беспроводная среда передачи данных полезна, когда большое расстояние или препятствия затрудняют применение другого носителя. Существуют три основных типа беспроводной среды передачи данных: радиоволны, микроволновое и инфракрасное излучение.

Радиоволны имеют частоту  от 10 килогерц (КГц) до 1 гигагерца (ГГц). Диапазон спектра электромагнитных волн от 10 КГц до 1 ГГц называется радиочастотами (RF). Радиоволны бывают следующих типов: короткие; очень короткие частоты (VHF) — телевидение и радио FМ; ультракороткие (UHF) — радио и телевидение.

Деятельность на большинстве радиочастот  регулируется. Для использования  регулируемой частоты нужно получить лицензию в соответствующих местных  органах надзора. Получение лицензии может стоить немалых средств, занять много времени и затруднить смену оборудования. Между тем лицензирование гарантирует, что в выделенном диапазоне будет чистый эфир.

Преимущество нерегулируемых частот в том, что на них накладываются  незначительные ограничения. Между тем одно правило ограничивает их полезность: мощность оборудования для таких частот не должна превышать одного ватта. ⁴Смысл данного правила состоит в том, чтобы ограничить возможные помехи. Если говорить о сетях, то нерегулируемые радиокоммуникации ограничивают использование диапазонов частот.

Радиоволны могут распространяться направленно или не направленно. Для широковещательной трансляции радиосигналов используются различные  виды антенн. Вот некоторые из них: вышка для ненаправленной радиопередачи;

полуволновая симметричная вибраторная  антенна (диполь); провод произвольной длины; направленные антенны.

Мощность сигнала в диапазоне  радиочастот определяется антенной и трансивером (устройством для  приема и передачи сигнала в различных  средах передачи данных, таких как  медный кабель, радиоволны их волоконно-оптический кабель). Каждый диапазон частот имеет характеристики, влияющие на его использование в компьютерных сетях. Частоты, применяемые в компьютерных радиосетях, можно разбить на три категории:

1. одночастотные низкой мощности;
2. одночастотные высокой мощности;
3. с широким спектром.

Радиосети с одной частотой и  сигналом низкой мощности работают только на одной частоте. Дальность действия маломощных устройств обычно ограничена 20 — 30 метрами. Хотя радиоволны низких частот могут проникать через некоторые материалы, малая мощность ограничивает их распространение небольшими открытыми пространствами.

Одночастотные трансиверы с сигналом низкой мощности имеют следующие  характеристики:

• диапазон частот - одночастотные продукты с сигналом низкой мощности могут использовать любую радиочастоту, однако гигагерцовые диапазоны обеспечивают лучшую пропускную способность;
• стоимость - большинство решений имеет умеренную цену;
• инсталляция - если антенна и оборудование заранее конфигурированы, большинство систем просты в инсталляции. В то же время некоторые решения требуют советов экспертов. Для исключения влияния других сигналов иногда необходима диагностика;
• пропускная способность - скорость передачи данных составляет от 1 до 10 Мбит/с;

число узлов - данный тип сетей обычно реализуется как один домен, поэтому здесь действуют те же ограничения, что и в сети Ethernet с обычными

• кабелями. Число узлов ограничивается полосой частот и непроизводительными потерями коммуникаций;
• затухание - определяется радиочастотой и мощностью сигнала. Одночастотная маломощная передача дает большое затухание из-за малой мощности сигнала;
• электромагнитные помехи - устойчивость к ЕМI низкая, особенно в нижних диапазонах частот, где создают шумы электромоторы и различные промышленные устройства. Велика и вероятность перехвата информации, хотя из-за ограниченного радиуса действия он возможен обычно лишь в том же здании, где находится локальная сеть.

Одночастотная передача большой  мощности аналогична одночастотной трансляции малой мощности, но позволяет перекрывать большие расстояния. Ее можно использовать для удаленной внешней передачи. При этом сигнал способен преодолевать зону прямой видимости и распространяться за горизонт, отражаясь от верхних слоев атмосферы Земли. Радиосети с одной частотой и сигналом большой мощности могут оказаться идеальным решением для организации мобильных сетей, обмена информацией с транспортным средством, кораблем или самолетом. Скорость передачи данных здесь аналогична одночастотным сетям с сигналом малой мощности, но информация передается на большие расстояния.

Радиосети с одной частотой и  сигналом большой мощности имеют  следующие характеристики:

• диапазон частот - как и в случае одночастотных сетей с сигналом малой мощности, радиосети большой мощности могут использовать любую радиочастоту, но для получения высокой пропускной способности предпочтительнее высокочастотный гигагерцовый диапазон;
• стоимость - радиотрансиверы относительно недороги, однако другое оборудование (антенны, повторители и т.д.) требует дополнительных вложений, что превращает одночастотные радиосети в умеренно или очень дорогое решение;
• инсталляция - построение таких сетей отличается сложностью. Мощное оборудование должны устанавливать и обслуживать квалифицированные специалисты. Его неправильная инсталляция или настройка может привести к снижению скорости передачи данных, потерю сигнала и даже к помехам от местного радио;
• пропускная способность составляет от 1 до 10 Мбит/с;
• число узлов - данный тип сетей обычно реализуется как один домен, поэтому здесь действуют те же ограничения, что и в сети Ethernet с обычными кабелями;
• затухание - высокая мощность уменьшает затухание сигнала, а для увеличения диапазона его действия можно использовать повторители. Уровень затухания достаточно низкий;
• электромагнитные помехи - устойчивость одночастотной трансляции к помехам и перехвату информации невысокая, как и в случае маломощной передачи. Поскольку сигнал распространяется на большое расстояние, вероятность его перехвата увеличивается.

Радиообмен в широком спектре (передача с разнесением сигнала по спектру) использует те же частоты, что и другие виды радиосетей, но вместо одной частоты здесь задействовано одновременно несколько частот. Для этого можно использовать две схемы модуляции: прямую последовательную модуляцию и модуляцию со скачкообразным изменением частоты.

Прямая частотная модуляция  является наиболее распространенной схемой. Она предусматривает разбиение исходных данных на фрагменты, которые транслируются затем в отдельных частотах. Для предотвращения или затруднения перехвата информации передаются также ложные сигналы. Передатчик координирует свою работу с приемником, которому известны разрешенные частоты. Благодаря этому приемник может выделить фрагменты данных и выполнить их сборку,  игнорируя ложную информацию.

Сигнал можно  перехватить, но трудно проследить правильную последовательность, собрать фрагменты данных и узнать, какие из них настоящие, чтобы получить верное сообщение. Таким образом, перехват информации крайне затрудняется. Существующие 900-мегагерцовые системы с прямой последовательной модуляцией поддерживают скорости передачи данных от 2 до 6 Мбит/с. Более высокие частоты позволяют увеличить эту скорость.

Модуляция со скачкообразным изменением частоты предусматривает  быстрое переключение между несколькими заранее выделенными частотами. Передатчик и приемник должны быть очень хорошо синхронизированы, чтобы такая схема работала. За счет одновременной передачи на нескольких частотах можно расширить полосу пропускания.

Трансиверы, передающие сигнал с разнесением по спектру, имеют следующие характеристики:

• диапазон частот - сети с разнесением сигнала по спектру обычно работают на не лицензируемых частотах. В США распространены устройства, использующие диапазон от 902 до 928 МГц, но становятся доступными и устройства, функционирующие на частоте 2.4 ГГц;
• стоимость - хотя стоимость зависит от вида применяемого оборудования, по сравнению с другими беспроводными решениями радиосети с разнесением сигнала по спектру обычно недороги;
• инсталляция - зависит от типа оборудования;
• число узлов - данный тип сетей обычно реализуется как один домен, число узлов ограничивается полосой частот и непроизводительными потерями при коммуникациях;
• затухание - поскольку системы, передающие сигнал с разнесением по спектру, работают с малой мощностью, они дают слабый сигнал, подверженный затуханию;
• электромагнитные помехи - устойчивость к помехам низкая, но благодаря использованию разных частот для полного искажения сигнала помеха должна быть многочастотной. Подверженность перехвату информации низкая.

Спутниковые микроволновые системы передают сигнал между направленными параболическими антеннами. Они используют гигагерцовый диапазон частот и действуют в пределах прямой видимости. Основное отличие спутниковых систем в том, что одна антенна находится на спутнике, висящем над Землей на геостационарной орбите на высоте около 50 тыс. км. Таким образом, для спутниковых микроволновых систем достижимы самые отдаленные места и мобильные устройства.

Работают эти системы  следующим образом: ЛС посылает по кабелю сигнал на антенну, которая передает его на орбитальный спутник. Спутник с помощью своей антенны транслирует сигнал в другой пункт на земле или, если этот пункт находится на противоположной стороне земного шара, на другой спутник.

Поскольку сигнал транслируется  на расстояние в 50000 км на спутник и  снова на Землю, спутниковые коммуникации покрывают расстояние между континентами так же легко, как дистанцию в несколько километров, однако при этом возникают задержки между передачей и приемом сигнала. Они называются задержками распространения и составляют от 0.5 до 5 секунд.

Спутниковые микроволновые  системы имеют следующие характеристики:

• диапазон частот - спутниковые системы микроволновых коммуникаций работают в нижнем гигагерцовом диапазоне, обычно от 11 до 14 ГГц;
• стоимость таких систем и запуск спутника обходятся чрезвычайно дорого — в сотни миллионов долларов и больше. Некоторые компании, включая АТ&Т, Hughes Network System и Scientific-Atlanta, предлагают в аренду такие системы, что делает приемлемым использование их большим числом организаций. Между тем, хотя спутниковые коммуникации недешевы, прокладка кабеля на такие расстояния стоит еще дороже;
• инсталляция - спутниковых микроволновых систем представляет собой сложную техническую задачу. Лучше предоставить ее профессионалам — специалистам в данной области;
• пропускная способность - обычно скорость передачи данных составляет от 1 до 10 Мбит/с;
• затухание - зависит от частоты, размера антенны, мощности сигнала и атмосферных условий. Плохие атмосферные условия (дождь и туман) отрицательно влияют на микроволны высокой частоты;
• электромагнитные помехи - микроволновые сигналы подвержены действию ЕМI, преднамеренных помех и перехвату информации. Кроме того, на них влияют атмосферные условия.

        В инфракрасных средах передачи данных для пересылки сигнала применяется свет. Сигнал испускается светодиодом (LED) или лазером (ILD), а принимается фотодиодами. В инфракрасных системах используется терагерцовый диапазон электромагнитного спектра.