Информационные сети и телекоммуникационные каналы. Моноканальные подсети и моноканал

Моноканал – это канал, одновременно (с точностью до времени их распространения) передающий сигналы группе систем. Моноканал похож на циклические сети. Моноканал является основой моноканальной сети. Он состоит из одного или нескольких параллельно расположенных общих звеньев, блоков доступа и абонентских звеньев. В случае, если общее звено имеет несколько общих звеньев, повышается его пропускная способность и возрастает надежность передачи.

Через общее звено каждый блок данных передается сразу всем абонентским системам. Создается это звено на основе витой пары, плоского кабеля, коаксиального кабеля, оптического кабеля либо радиоканала.

При больших скоростях передачи данных сигналы могут отражаться от конечных точек общего звена. В этих случаях на концах общего звена устанавливаются несложные устройства, называемые терминаторами. Чаще всего, роль терминатора выполняет резистор.

Абонентские системы осуществляют прием блоков данных из моноканала следующим образом. Каждая система, получив блок, просматривает его адрес. Направленный ей блок используется для обработки, а "чужой" для нее блок уничтожается. Благодаря этому, блок может передаваться одной, нескольким либо всем абонентским системам.

Общее звено моноканала может быть пассивным, например, состоять из коаксиального кабеля. Однако размеры такого звена ограничены. Поэтому часто используются большие активные моноканалы, содержащие повторители, обеспечивающие регенерацию (восстановление) сигналов. С другой стороны нередко оказывается удобным общее звено моноканала свернуть в группу точек:

В результате получается точечный моноканал. В нем к каждой точке подключается группа абонентских систем, взаимосвязанных выполнением определенных задач. Например, группы сотрудников, работающих в операционном зале авиакомпании. На базе точечного моноканала могут быть созданы коммутируемая локальная сеть либо ассоциация локальных сетей.

В зависимости от размеров, топологии, пропускной способности и других характеристик, выделяют несколько типов моноканала: шина, магистральный моноканал, древовидный моноканал.

Моноканальная сеть – это локальная сеть, ядром которой является моноканал.

Моноканал в соответствии с базовой эталонной моделью взаимодействия открытых систем выполняет в сети роль физических средств соединения. Блоки доступа и абонентские звенья обеспечивают включение в сеть абонентских систем. В последних физический уровень и канальный уровень определяются характеристиками моноканала. Более высокие уровни от этих характеристик не зависят.

Выбор физических средств моноканала зависит от предъявляемых к ним требований, среди которых, в первую очередь — скорость передачи сигналов, надежность работы, стоимость средств.

В зависимости от способа передачи сигналов по моноканалам, последние делятся на два вида: физические и частотные. Физическим назовем канал, через который возможна одновременная передача только одного сигнала. В частотном канале за счет создания частотных полос одновременно передается группа сигналов (по каждой полосе по сигналу).

На рис. 1 изображен физический моноканал. Он строится на основе коаксиального либо оптического кабеля, скрученной пары проводов, плоского кабеля, через который одновременно направляется только один сигнал. Последний использует физическую среду полностью.

Частотный моноканал, напротив, занимает только одну полосу, в используемой физической среде. Так, на рис. 2 показана группа частотных каналов, построенных на основе широкополосного коаксиального кабеля. Для упрощения рисунка здесь изображены лишь две используемые полосы: а, б. В действительности же в кабеле создается значительное число частотных полос, на основе которых строится большое число частотных моноканалов.

На основе двух частотных моноканалов, показанных на рис. 2 образованы две не связанные друг с другом информационные сети. Первая из них охватывает абоненты A₁ - M₁, а вторая - А₂ - М₂.

Частотные моноканалы чаще всего создаются на основе коаксиальных кабелей. В этих случаях общий канал кроме собственного кабеля имеет значительное число вспомогательных технических устройств: усилителей, разветвителей и т. д.

Так как они пока являются однонаправленными, это создает определенные трудности: сигналы по общему каналу передаются только в одну сторону. Вследствие этого приходится принимать специальные меры.

Первая из них заключается в том, что общий канал (рис. 2) прокладывается так, чтобы он дважды проходил мимо всех абонентских систем. Далее происходит следующее. В первой сети (полоса а, стрелки) общий канал (в верхней его части) вначале собирает информацию, передаваемую абонентами A₁ - M₁. Затем в нижней части канала осуществляется раздача полученной информации абонентам A₁ - M₁.Аналогично этому абоненты А₂- М₂ передают информацию через моноканал, созданный на основе частотной полосы б.

Вторая специальная мера заключается в добавлении к общему каналу
компонента, именуемого головным преобразователем (рис. 3). Его задачей
является передача сигналов из одного частотного канала в другой. Появление в
моноканале головного преобразователя, естественно, усложняет его структуру.
Однако в этом случае общий канал не должен, как в схеме на рис. 2 дважды
проходить мимо всех абонентских систем. Это позволяет вдвое сократить длину дорогостоящего кабеля.

Вместе с тем, в схеме, показанной на рис. 3 каждый частотный моноканал использует уже не одну, как на рис. 2 две частотные полосы. По одной из них (например, а) информация собирается со всех абонентских систем. По второй частотной полосе (например, б) информация раздается всем абонентским системам сети. Головной преобразователь осуществляет преобразование частот, обеспечивающее соединение пар частотных; полос, например полос а, б на рис. 3.

В коммуникационных подсетях все шире начинают применяться оптические моноканалы. Это связано с тем, что оптическое волокно по сравнению с металлом имеет ряд важных преимуществ. К ним, прежде всего, следует отнести высокую защищенность от электромагнитных помех, малую массу и отсутствие все более дефицитной меди. Кроме того, если затухание сигнала, передаваемого по коаксиальному кабелю, составляет 50—200 дБ/км, то в качественном оптическом волокне оно равно всего 2—5 дБ/км. Это позволяет резко повысить частоту передаваемых в моноканале сигналов и увеличить длину кабеля без повторителей и усилителей. Современные оптические кабели обеспечивают передачу данных со скоростями, превышающими 500 Мбит/с, при расстоянии между повторителями до 5 км.

Невосприимчивость к электромагнитным помехам позволяет прокладывать оптические кабели в цехах и даже возле высоковольтных электрических линий передач. На оптическое волокно не действуют даже грозовые разряды. Так как волокно не заземляется, то в нем не могут возникнуть паразитные контуры.

Масса оптического кабеля резко отличается от массы коаксиального. Так, при замене коаксиального кабеля в подсети Ethernet массой 68 кг, оказалось, что масса оптического кабеля всего 2,3—4,5 кг.

Случайный разрыв оптического кабеля, в отличие от коаксиального, не приводит к появлению искр и поэтому имеет высокую противопожарную безопасность. Важна еще одна особенность. Скорость передачи по оптическому каналу лимитируется не волокном, а электронными устройствами, передающими и принимающими световые сигналы. Поэтому часто повышение скорости в оптическом канале может быть осуществлено лишь при замене излучателей и приемников света. В противоположность этому, для повышения скорости передачи данных в коаксиальном кабеле нужно полностью заменить весь кабель.

Следует также иметь в виду, что оптическое волокно имеет сердцевину и покрытие. Энергия светового сигнала распространяется главным образом внутри сердцевины и очень мало выходит в материал покрытия. В большинстве случаев сердцевина и ее покрытие образуют неразделимую структуру, поэтому покрытие не может быть снято с сердцевины для того, чтобы получить доступ к сигналу.

Благодаря этому оптический канал хорошо защищен от несанкционированного доступа и подслушивания, а точнее говоря - подсматривание информации в оптическом канале является очень сложной проблемой.

Однако при создании оптического моноканала возникают и определенные трудности. Главная из них заключается в том, что изготовление оптического канала с большим числом ответвлений сегодня еще является сложной задачей. Кроме того, свет по оптическому волокну передается пока только в одном направлении. Это требует создания особой структуры моноканала.

Моноканал, в котором сигналы по оптическим волокнам передаются только в одном направлении, показан на рис. 4. Моноканал имеет форму звезды, исходящей из специального устройства, именуемого смесителем (СМ) сигналов. К нему от каждого блока доступа (БД) подходит два оптических волокна. Каждое из них передает сигналы в одном направлении. Задачей смесителя является передача пришедшего по одному из волокон сигнала параллельно всем волокнам, направленным к абонентским системам сети.

В большом оптическом моноканале используется группа активных смесителей, располагаемых в несколько ярусов.

Рис. 4. Оптический моноканал со смесителем сигналов

В трехъярусном моноканале (рис. 5) к каждому смесителю подходит по 16 пар оптических волокон. Поэтому на первом ярусе располагается один смеситель, на втором - 16, а на третьем ярусе находится уже до 256 смесителей. Это позволяет охватывать подобной коммуникационной сетью большую территорию (десятки километров) и подключать к моноканалу до 4096 абонентских систем.

В оптическом моноканале с зеркальным отражателем (рис. 6) общий канал дважды проходит мимо всех абонентских систем. В каждой точке подключения абонентской системы в оптическое волокно встраивается зеркало. Благодаря ему при приеме информации световой сигнал, отражаясь от общего канала, попадает к блоку доступа (БД), а от него – к абонентской системе.

Рис. 6. Оптический моноканал с зеркальным отражателем

Большое число абонентских систем, включаемых в моноканальную сеть, все возрастающие объемы информации требуют увеличения скоростей передачи блоков данных. Эта задача может быть решена созданием многоканальных моноканалов.

Первый способ повышения скорости передачи данных заключается в создании не одного, а нескольких общих каналов. Так, на рис. 7 показан моноканал, содержащий три общих канала (1, 2, 3). Однако следует отметить, что несмотря на наличие нескольких каналов, здесь не возникает, как в узловой подсети, проблема маршрутизации информации. В рассматриваемом моноканале выбирается не маршрут передачи, а номер общего канала. И несмотря на наличие нескольких каналов осуществляется, как обычно, селекция (выбор по адресам назначения) принимаемых блоков информации.

Второй способ повышения скорости передачи информации заключается в создании иерархии моноканалов. Сущность этого способа иллюстрируется схемой, показанной на рис. 8. В сети функционирует 18 абонентских систем (А - Т). Однако они подключены не к одному, а к шести моноканалам (1—6).

В рассматриваемой сети в большинстве случаев взаимодействующие системы передают данные соответственно через свои моноканалы 1, 2, 4, 5, 6. Что касается моноканала 3, то он используется только тогда, когда необходимо взаимодействие систем, подключенных к разным моноканалам.

В результате использования иерархии моноканалов можно резко повысить скорость передачи информации.

К общему звену моноканала подключается значительное число абонентских систем. Поэтому возникает проблема множественного доступа. Ее решение обеспечивает принцип функционирования моноканала.

Доступом называют операцию, обеспечивающую запись, модификацию, чтение или передачу данных.

Ситуация, в которой несколько объектов хотят одновременно использовать ресурс, называют состязанием. Упорядочение этой ситуации осуществляется недопущением либо прекращением состязаний. Недопущение состязаний заключается в использовании такого метода доступа, когда ресурс в принципе может одновременно использовать только один объект. В противоположность этому, может также использоваться метод, допускающий возникновение состязаний, но обеспечивающий, в случае их появления, быстрое и четкое прекращение.

Множественный доступ с разделением времени - это множественный доступ, основанный на распределении времени работы канала между информационными системами.

Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, именуемого тактовым генератором.

Этот генератор делит время работы канала на повторяющиеся циклы. Каждый из циклов начинается сигналом - разграничителем. Цикл включает n пронумерованных временных интервалов, именуемых ячейками. Интервалы предоставляются для загрузки в них блоков данных.

Первый (простейший) вариант использования интервалов заключается в том, что их число (n) делается равным количеству абонентских систем, подключенных к рассматриваемому каналу. Тогда во время цикла каждой системе предоставляется один интервал, в течение которого она может передавать данные. При использовании рассмотренного метода доступа часто оказывается, что в одном и том же цикле одним системам нечего передавать, а другим - не хватает выделенного времени.

В результате - неэффективное использование пропускной способности канала.

Второй, более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает интервал только тогда, когда у нее возникает необходимость в передаче данных, например, при асинхронном способе передачи. Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал с одним и тем же номером. В этом случае, передаваемые системой блоки данных появляются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздыванием. Об этом режиме передачи данных говорят, что осуществляется имитация коммутации каналов. Способ особенно удобен при передаче речи. Во втором режиме система в различных циклах получает интервалы с разными номерами. Более того, в течение одного интервала система, в зависимости от имеющегося у нее количества данных, может получать не только один, но и несколько интервалов. Этот способ называют коммутацией пакетов. Выделение интервалов во втором режиме осуществляется динамически в зависимости от того, какие интервалы в циклах заняты в режиме коммутации каналов.

Множественный доступ с передачей полномочия - это множественный доступ в моноканал либо циклическое кольцо при помощи полномочия.

Сущность ТРМА заключается в том, что абонентские системы передают по логическому кольцу (пунктир на рис.) друг другу особый блок данных, называемый полномочием либо жезлом. Получив полномочие, система начинает процедуру доступа и может передать один либо несколько (по предварительному соглашению) блоков данных. Если системе, получившей полномочие, нечего передавать, то она немедленно направляет полномочие следующей по списку системе. Если система передает блоки данных, то полномочие направляется следующей системе после окончания этой передачи. В передаче полномочия участвуют не все абонентские системы локальной сети, а только те, которые являются активными (желают начать передачу либо прием данных). Метод ТРМА определен стандартами IEEE, для моноканала и циклического кольца.

Метод ТРМА характеризуется двумя важными особенностями. Во-первых, он гарантирует определенное время доставки блоков данных абонентским системам. Во-вторых, он дает возможность предоставления различных приоритетов передачи данных. Вместе с этим, метод имеет немаловажный недостаток. Здесь, всегда есть возможность потери полномочия либо появления в сети нескольких полномочий. В обоих случаях сеть прекращает свою работу. В этой связи в сети создаются централизованный либо распределенный комплекс средств, задачей которого является восстановление потерянного полномочия и уничтожение всех, кроме одного из полномочий. Это значительно усложняет структуру сети.

При использовании метода ТРМА включение в сеть новой абонентской системы и отключение из сети системы связано с изменением адресов всех систем.

Множественный доступ с контролем передачи и обнаружением столкновений – это случайный метод множественного доступа в моноканал. Основан метод доступа на допущении состязаний абонентских систем за право вести передачу данных и организации выхода из этих состязаний.

Сущность метода заключается в том, что каждая абонентская система следит за тем, какие сигналы появляются в моноканале.

Если при прослушивании моноканала выяснится, что ни одна из систем не передает данные, только в этом случае система A может начать передачу блока данных. Если же по моноканалу уже идет передача данных, то система A ожидает ее окончания. Система A, начав передачу, контролирует, не началась ли одновременно передача данных какой-либо другой системой. Если это произошло, то система A прекращает свою передачу и чуть позже (время задержания для каждой станции свое) начинает ее сначала. Если же выяснилось, что передачу осуществляет только система A, то она заканчивает передачу блока.

Данный метод характерен тем, что позволяет включать в локальную сеть новые абонентские системы и отключать из нее системы без изменения адресов и извещения остальных систем. Рассматриваемый метод достаточно прост и надежен. Однако он не гарантирует времени доставки блоков данных. Поэтому, в последние годы появилась его модификация. Она заключается в сочетании данного метода с методом временного уплотнения моноканала. При использовании модифицированного метода система A начинает передачу как и обычно. Однако, как только обнаруживается, что передачу начали несколько систем, выделяются временные интервалы, по одному на систему, и столкновение ликвидируется.

Множественный доступ с разделением частоты - это множественный доступ, основанный на использовании в канале группы полос частот, образующих логические каналы.

При использовании FDMA широкая полоса пропускания канала делится (см. рис.) на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. В каждой узкой полосе создается логический канал. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по этим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале.

Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах.

Данные метод широко используется в оптических каналах. В нем разделение частоты осуществляется направлением в каждый из них лучей света с различными частотами. Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличивается в несколько раз, и уже превысила 1 Тбит/с.

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.