Урок 8_71

Развитие человечества не было бы возможно без обмена информацией. С давних времен люди из поколения в поколение передавали свои знания, извещали об опасности или передавали важную и срочную информацию, обменивались сведениями. Например, в Петербурге в начале XIX века была весьма развита пожарная служба. В нескольких частях города были построены высокие каланчи, с которых обозревались окрестности. Если случался пожар, то на башне днем поднимался разноцветный флаг (с той или иной геометрической фигурой), а ночью зажигалось несколько фонарей, число и расположение которых означало часть города, где произошел пожар, а также степень его сложности.

 В любом процессе передачи или обмене информацией существует ее источник и получатель, а сама информация передается по каналу связи с помощью сигналов: механических, тепловых, электрических и др. В обычной жизни для человека любой звук, свет являются сигналами, несущими смысловую нагрузку. Например, сирена — это звуковой сигнал тревоги; звонок телефона — сигнал, чтобы взять трубку; красный свет светофора — сигнал, запрещающий переход дороги.

В качестве источника информации может выступать живое существо или техническое устройство. От него информация попадает на кодирующее устройство, которое предназначено для преобразования исходного сообщения в форму, удобную для передачи. С такими устройствами вы встречаетесь постоянно: микрофон телефона, лист бумаги и т. д. По каналу связи информация попадает в декодирующее устройство получателя, которое преобразует кодированное сообщение в форму, понятную получателю. Одни из самых сложных декодирующих устройств — человеческие ухо и глаз.

В процессе передачи информация может утрачиваться, искажаться. Это происходит из-за различных помех, как на канале связи, так и при кодировании и декодировании информации. С такими ситуациями вы встречаетесь достаточно часто: искажение звука в телефоне, помехи при телевизионной передаче, ошибки телеграфа, неполнота переданной информации, неверно выраженная мысль, ошибка в расчетах. Вопросами, связанными с методами кодирования и декодирования информации, занимается специальная наука — криптография.

При передаче информации важную роль играет форма представления информации. Она может быть понятна источнику информации, но недоступна для понимания получателя. Люди специально договариваются о языке, с помощью которого будет представлена информация для более надежного ее сохранения.

Прием-передача информации могут происходить с разной скоростью. Количество информации, передаваемое за единицу времени, есть скорость передачи информации или скорость информационного потока.

Очевидно, эта скорость выражается в таких единицах, как бит в секунду (бит/с), байт в секунду (байт/с), килобайт в секунду (Кбайт/с) и т.д.

К сожалению, в отношении трактовки приставок существует неоднозначность. Встречается два подхода:

• при одном, килобит трактуется как 1000 бит (как килограмм или километр), мегабит как 1000 килобит и т. д. Основной довод сторонников такого подхода — отсутствие сложности в вычислениях.

• при другом подходе, килобит трактуется как 1024 бита (как килобайт), мегабит как 1024 килобита и так далее. Основной довод — соответствие с традиционными для вычислительной техники килобайтами (1024 байта), мегабайтами и т. п.

Применяются оба подхода, хотя для бита правильным считается «стандартный» подход, в отличии от байта, с которым «компьютерный» подход признают основным за традиционность. К битам, «компьютерный» подход применяют, преимущественно в компьютерной технике и программах.

Максимальная скорость передачи информации по каналу связи называется пропускной способностью канала.

Следует упомянуть еще одну единицу измерения скорости передачи информации – бод. 

Бод (англ. baud) в связи и электронике — единица скорости передачи сигнала, количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду. Названа по имени Эмиля Бодо, изобретателя кода Бодо — кодировки символов для телетайпов.

Зачастую, ошибочно считают что бод это количество бит переданное в секунду. В действительности же, это верно лишь для двоичного кодирования, которое используется не всегда. Например, в современных модемах используется квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ), и одним изменением уровня сигнала может кодироваться несколько (до 16) бит информации. Например, при скорости изменения сигнала 2400 бод, скорость передачи может составлять 9600 бит/c, благодаря тому, что в каждом временном интервале передаётся 4 бита.

Кроме этого, бодами выражают полную емкость канала, включая служебные символы (биты), если они есть. Эффективная же скорость канала выражается другими единицами, например битами в секунду.

Одним из самых совершенных средств связи являются оптические световоды. Информация по таким каналам передается в виде световых импульсов, посылаемых лазерным излучателем. Оптические каналы отличаются от других высокой помехоустойчивостью и пропускной способностью, которая может составлять десятки и сотни мегабайт в секунду. Например, при скорости 50 Мбайт/с в течении 1 секунды передается объем информации, приблизительно равный содержанию 10 школьных учебников.

Задача: Определение скорости передачи информации при заданной пропускной способности канала.

Что нужно знать:

пропускная способность – 10 л/мин

сколько лимонада перекачается по трубе за 1 час?

Ответ: 10 л/мин · 60 мин = 600 л

• любой канал связи имеет ограниченную пропускную способность (скорость передачи информации), это число ограничивается свойствами аппаратуры и самой линии (кабеля)

• объем переданной информации Q  вычисляется по формуле  Q=q*t, где  – q пропускная способность канала (в битах в секунду или подобных единицах), а t – время передачи

ПРИМЕР:

Скорость передачи данных через ADSL-соединение равна 512 000 бит/c. Передача файла через это соединение заняла 1 минуту. Определить размер файла в килобайтах.

Решение:

чтобы найти время объем файла, нужно умножить время передачи на скорость передачи:

Q=q*t =60с *512000бит/с = 30720000 бит=3750Кбайт

таким образом, ответ – 3750 Кбайт.

Вопрос для самоконтроля: Сколько символов можно передать за 5 секунд, используя модем, работающий со скоростью 14400 бод ( бит/c).

Компьютерная сеть – это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации.

Здесь же следует упомянуть о таких важнейших понятиях теории сетей, как абонент, сервер, клиент.

Абонент (узел, хост, станция) — это устройство, подключенное к сети и активно участвующее в информационном обмене. Чаще всего абонентом (узлом) сети является компьютер, но абонентом также может быть, например, сетевой принтер или другое периферийное устройство, имеющее возможность напрямую подключаться к сети. Далее в курсе вместо термина "абонент" для простоты будет использоваться термин "компьютер".

Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует их ресурсы. Таким образом, он обслуживает сеть. Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно, что сервер — самый мощный компьютер. Выделенный (dedicated) сервер — это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделенный сервер может помимо обслуживания сети выполнять и другие задачи. Специфический тип сервера — это сетевой принтер.

Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает, то есть сеть его обслуживает, а он ей только пользуется. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией. В принципе каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером.

Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения. В этом случае то приложение, которое только отдает ресурс в сеть, является сервером, а то приложение, которое только пользуется сетевыми ресурсами — клиентом.

Классификация компьютерных сетей

по степени географического распространения:

• локальные сети (Local Area NetWorks, LAN) - это коммуникационные системы, поддерживающие в пределах одного здания или некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи цифровой информации, предоставляемых подключаемым устройствам для кратковременного монопольного использования. Самые распространенные локальные сетевые технологии – Ethernet и Token Ring (открытые стандарты);

• региональные сети (Metropolitan Area NetWorks, MAN) - сети расположенные на территории города или области;

• глобальные сети (Wide Area NetWorks, WAN) - это объединенные сети, в которые входят узлы, размещенные в различных географических пунктах;

по типу среды передачи:

• беспроводные (спутниковые, радиорелейные, оптические);

• кабельные (телефонный кабель, витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель);

по скорости передачи информации:

• низкоскоростные (до 10 Мбит/с);

• среднескоростные (до 100 Мбит/с);

• высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);

по принадлежности:

• ведомственные (принадлежат одной организации и располагаются на ее территории);

• государственные или национальные (используемые в государственных структурах);

• международные.

Локальная сеть объединяет компьютеры, установленные в одном помещении (например, школьный компьютерный класс, состоящий из 8—12 компьютеров) или в одном здании (например, в здании школы могут быть объединены в локальную сеть несколько десятков компьютеров, установленных в различных предметных кабинетах).

В небольших локальных сетях все компьютеры обычно равноправны, т. е. пользователи самостоятельно решают, какие ресурсы своего компьютера (диски, каталоги, файлы) сделать общедоступными по сети. Такие сети называются одноранговыми.

Если к локальной сети подключено более десяти компьютеров, то одноранговая сеть может оказаться недостаточно производительной. Для увеличения производительности, а также в целях обеспечения большей надежности при хранении информации в сети некоторые компьютеры специально выделяются для хранения файлов или программ-приложений. Такие компьютеры называются серверами, а локальная сеть — сетью на основе серверов.

Каждый компьютер, подключенный к локальной сети, должен иметь специальную плату (сетевой адаптер). Между собой компьютеры (сетевые адаптеры) соединяются с помощью кабелей.

Физическая среда передачи данных включает:

• линии связи;

• сетевые адаптеры;

• повторители (repeater);

• концентраторы (hub).

Логическая среда передачи данных определяется:

• коммутаторами (switch);

• маршрутизаторами (router);

• шлюзами (gateway).

Линии связи классифицируются на

беспроводные

• спутниковые,

• радиорелейные,

• оптические;

кабельные

• телефонный кабель,

• коаксиальный кабель,

• витая пара,

• оптоволоконный кабель.

Общая схема соединения компьютеров в локальные сети называется топологией сети. Топологии сети могут быть различными.

Сети Ethernet могут иметь топологию «шина» и «звезда». В первом случае все компьютеры подключены к одному общему кабелю (шине), во втором - имеется специальное центральное устройство (хаб), от которого идут «лучи» к каждому компьютеру, т.е. каждый компьютер подключен к своему кабелю.

IP-адрес (Internet Protocol Address) – это уникальный сетевой идентификатор, присваивающийся каждому участнику локальной или глобальной компьютерной сети. Это может быть как Всемирная паутина, так и частная сеть предприятия. Главное – она должна быть основана на протоколе TCP/IP.

Независимо от типа сети, айпи-адреса в ее пределах не должны повторяться. Благодаря возможности присваивания уникального идентификатора каждому пользователю появляется возможность разграничения действий. Система умеет распознавать пользователей, следовательно, каждому из них можно давать тот или иной уровень доступа, отследить действия или вовсе заблокировать.

Каждый компьютер в сети Интернет имеет свой IP-адрес. Так как вы в настоящий момент подключены к интернету — это означает, что и у вашего компьютера также имеется свой уникальный адрес в сети. Однако вы можете быть подключены к интернету через маршрутизатор в вашей локальной сети. В этом случае ваш компьютер из интернета виден с тем адресом, который имеет ваш маршрутизатор.

Форматы IP-адресов

До недавнего времени человечество использовало один общепринятый формат записи IP-адреса – 32-битный IPv4. Это четвертая версия интернет-протокола. До нее существовали версии IPv3, IPv2, но именно v4 стала широко использоваться по всему миру.

Он состоит из четырех числовых значений от 0 до 255, разделенных точками. 

IP адрес v4 -ххх.ххх.ххх.ххх 

32-битный IP-адрес имеет следующий вид:

192.180.0.255 

Минус данного формата – малый охват. С ростом популярности интернета выросло и число уникальных узлов (пользователей). Уникальные IP-адреса просто заканчивались. Поэтому в 1996 году был создан IPv6.

Шестая версия интернет-протокола представляет собой 128-битную запись, состоящую из 8 буквенно-цифровых блоков, разделенных двоеточиями.

IP адрес v6 -ххxх:хxхх:хxхх:ххxх:ххxх:хxхх:хxхх:ххxх

Как выглядит IP-адрес в 128-битной версии:

• 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

Нулевые группы можно сокращать (вместо «0000» – «0»). Несколько нулевых групп, стоящих друг за другом, можно сократить двойным двоеточием (вместо «fe80:0:0:0:0:df00:0:1» – «fe80::df00:0:1»). Использование более одного двойного двоеточия не допускается.

До 2012 года данный формат IP-адресов практически не использовался. Только на конец 2012 года доля сетевого трафика, использующего IPv6, составила 1 %. К концу 2013-го – 3 %, а в 2018-м (по данным статистики Google) – около 25 %.

Как показывает динамика, IPv6 становится все более востребованным и, возможно, через несколько лет полностью вытеснит IPv4. По подсчетам специалистов комбинаций в последней версии протокола хватит на несколько столетий, даже несмотря на постоянный рост числа уникальных узлов.

Виды IP-адресов

Все IP-адреса классифицируются по нескольким критериям.

По способу использования:

• внешние. Используются в глобальных сетях. Именно данный тип IP-адресов позволяет владельцам сайтов отслеживать статистику посещений, определять характеристики посетителей, выполнять аналитику;

• внутренние. Используются внутри локальной (частной) сети. Такой адрес нельзя применять в глобальных системах. Отследить его могут только участники этой же сети.

Из-за ограниченности количества внешних IP-адресов зачастую применяют технологию NAT (Network Address Translation), которая преобразует внутренние идентификаторы во внешние.

По способу определения:

• статические (постоянные). Каждому узлу присваивается свой идентификатор на неограниченное время. Один адрес используется только на одном устройстве. Отследить такого пользователя легко;

• динамические (непостоянные). Идентификаторы присваиваются на ограниченное время – от начала до конца сессии. Один адрес может использоваться неограниченное число раз разными устройствами. При завершении сессии IPи становится свободным и может быть присвоен другому узлу. Отслеживание пользователей с динамическими IP-адресами затруднительно. Для этого необходим специальный инструмент.

Зачем использовать статические IP

Несмотря на преимущества динамических IP, статические по-прежнему продолжают активно использоваться. Это обусловлено рядом нюансов:

• для доступа к некоторым сервисам требуется именно статический адрес;

• он позволяет применять защищенные каналы передачи данных;

• пользователь привязывается к конкретной сети;

• так оптимизируется работа с сетевыми серверами.

В целом статический IP-адрес является более надежным и безопасным. Поэтому его активно используют в сетях и ресурсах, требующих значительного уровня защиты.

Структура IP-адресов

Каждый IP-адрес в сети состоит из двух частей:

• номер сети;

• номер узла.

Для определения номера сети и узла необходимо использовать так называемые маски подсети, позволяющие узнать, какая именно часть идентификатора обозначает сеть, а какая – узел, соединение, устройство. Используемый метод – побитовое наложение.

Пример IP-адреса: 192.168.100.1. Пример маски подсети: 255.255.254.0.

Для определения номера сети переводим адрес в двоичную систему счисления. Получаем следующую картину:

Применив метод поразрядной конъюнкции (побитового «И»), получаем адрес сети – 192.168.0.0.

Далее, используя таблицу маршрутизации, можно вычислить адрес шлюза.

Этот метод применяется к IPv6-протоколам аналогичным образом.

Технология GPON или Gigabit PON стала внедряться относительно недавно. Разберемся, что стало предпосылками появления технологии GPON, какие у неё перспективы, а также сравним её с конкурирующими технологиями – PON и GEPON.

В 2014 году будет отмечаться 45-летие первого компьютерного сеанса связи, проведенного в США на расстоянии около 640 км. Это событие считается началом зарождения Интернета. Правда, предшествующая Всемирной паутине сеть ARPANET в то время была доступна очень узкому кругу людей и организаций. Подключение же к ней «посторонним» счастливчикам, обладающим компьютерами, стало возможно только в 1991 году. И лишь появление в 1993 году веб-браузера NCSA Mosaic обеспечило предпосылку взрывного роста мировой интернет-аудитории. Так что история «массового Интернета» на текущий 2013 год насчитывает всего 20 лет.

В первое десятилетие развития глобальной сети среди пользователей, обращавших внимание на такой показатель как «пропускная способность канала связи (скорость передачи данных в битах)» или связанную с ним характеристику «полоса пропускания», были «считанные единицы» людей, знакомых с теоретическими основами радиотехники. А сегодня о «скоростях в Интернете» рассуждают все. И все хотят иметь в распоряжении «высокоскоростной Интернет».

Почему именно высокоскоростной? И где тот предел, с которого можно считать доступ в Интернет «высокоскоростным»?

У массового пользователя скорость Интернета ассоциируется, прежде всего, с интервалами времени загрузки «тяжелых» видео-, музыкальных и графических файлов, количество которых в Сети растет в геометрической прогрессии, да и сами они «укрупняются». Корпоративным потребителям онлайн-услуг (а с недавнего времени еще и «облачных») нужна высокая скорость реакции на запросы в используемых системах управления бизнесом.

Значит, высокоскоростной Интернет – это насущная необходимость, а не прихоть (как для «юзеров», так и для компаний). «Граница» же, с которой начинается высокоскоростной Интернет, на сегодняшний день, по мнению специалистов, проходит на уровне 10 Мб/c. 

 Всемирная компьютерная сеть начала развиваться на базе существующих телефонных линий с использованием технологий xDSL. Самая «продвинутая» разновидность этого «медного» семейства — модемная технология ADSL2+  обеспечивает скорость входящего потока 24 Мб/с (исходящего — 1,2 Мб/с). В настоящее время она является безусловным лидером по количеству подключений во всех странах мира. Однако «медные» линии связи, проложенные десятки лет назад, устаревают как физически, так и морально и постепенно заменяются оптическими сетями FTTx, использование которых позволяет на два порядка повысить скорость обмена информацией в Интернете. А в недалекой перспективе – еще больше. 

В последнее пятилетие процесс замены медных кабельных трасс на оптические нарастает и, по расчетам аналитиков, еще через пять лет соотношение «оптика/медь» в телекоммуникациях кардинально изменится в пользу «оптики».

Архитектура FTTx (Fiber to the x) представляет собой отрезок оптоволоконной линии связи, подключенный с одной стороны к приемопередающей станции OLT (Optical Line Terminal - оптический линейный терминал), установленной у оператора, а с другой – к приемопередающим модулям абонентов – ONT (Optical Network Terminal) или ONU (Optical Network Unit).

ONT – терминал индивидуального пользования (его также называют оптическим модемом), устанавливаемое в квартире. ONU – предназначено для установки в распределительном шкафу многоквартирного дома и имеет несколько портов для подключения компьютеров, телевизоров, телефонов, находящихся в соседних квартирах.

ONT и ONU преобразуют оптические сигналы, поступившие от OLT, в электрические (направляемые, например, в компьютеры, телевизоры, телефоны), а также выполняют обратное преобразование электрических сигналов, поступивших от терминалов пользователей, в оптические, которые отправляются в OLT.

Если в отрезок оптической линии внедрить сплиттеры (пассивные разделители сигнала, поступающего от OLT) и к их выходам подключить ONT, то такой переход от одноволоконной структуры FTTx к древовидной приведет к образованию пассивной оптической сети – PON (Passive Optical Network). 

Работа PON состоит в организации множественного доступа через одно оптоволокно посредством временного мультиплексирования (Time Division Multiplexing Access – TDMA) и частотного разделения трактов приема и передачи (Wavelength-Division Multiplexing – WDM). Мультиплексоры WDM, работающие в составе OLT и ONT, разделяют прямой (входящий) и обратные (исходящие) сигналы, транслируемые на разных длинах волн (прямой – 1,49 мкм, обратный – 1,31 мкм). К этим потокам может быть добавлен сигнал кабельного телевидения, передаваемый на длине волны 1,55 мкм.

Первые ростки технологий PON появились около 15 лет назад, и за прошедшее время Международным союзом электросвязи (МЭС) выпущено пять стандартов передачи данных по оптоволокну. Активное оборудование, выпущенное в соответствии с требованиями этих стандартов, обеспечивает скорости от 155 Мб/с до 2488 Мб/с. Об особенностях этих стандартов будет рассказано ниже, а пока что подчеркнем, что общими для всех разновидностей технологий PON достоинствами являются возможности простого наращивания абонентской базы, ее обслуживания и модернизации, а также низкие (по сравнению с «медными» технологиями) эксплуатационные затраты.

 GPON: движущая сила стандарта

Первый стандарт семейства PON – APON (ATM PON) был утвержден МЭС в конце 1998 года и уже в следующем году американские и японские операторы связи приступили к строительству пассивных оптических линий. Передача данных по этому стандарту осуществляется на базе протокола ATM, описывающего способ коммутации и мультиплексирования, основанный на передаче данных в виде ячеек фиксированного размера (ячеек ATM). Скорость передачи данных – 155 Мб/с.

Внесение в APON новых технологий, в частности, динамического назначения полосы в зависимости от приложений, поддержки протоколов SDH, FE, GE, SDI PAL, El, E/FE и телефонии, обеспечило дополнительную функциональность в областях трансляции речи, разнообразного видеоконтента и телевещания (первое появление в PON третьей длины волны). Что и обусловило утверждение «дочернего» стандарта APON – BPON (Broadband PON). При этом скорость передачи данных повысилась до 622 Мб/с.

Следующим «звеном в цепочке» APON – BPON стал стандарт GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network), реализация которого обеспечивает работу сети как в симметричном, так и в асимметричном режимах. Чаще используется второй режим, при котором скорость передачи данных в прямом потоке достигает 2,488 Гб/с, а в обратном – 1,244 Гб/с (обычно эти числа округляют и говорят о 2,5 Гб/с и 1,25 Гб/с).

Обычно к оптическому модему (ONT) сети стандарта GPON домашний ПК подключается либо по витой паре, либо по беспроводной связи (Wi-Fi). В ONT также есть порты для подключения телевизора и VoIP-телефона.

GPON и GEPON: простая арифметика

Если известны числовые показатели (или даже описания), выражающие какие-либо характеристики объектов, которые нужно сравнить, то такое сравнение произвести довольно просто, размещая соответствующие числа в строку или в столбик. И сразу же будет видно, «кто кого лучше». Проведем такое сравнение GPON и GEPON.

Итак, скорость передачи в прямом потоке у GPON – 2,5 Гб/с, а у GEPON – 1,25 Гб/с.

Максимальное число абонентских узлов на одно волокно у GPON – 64, а у GEPON – 16, что обуславливает более низкую стоимость порта на одного абонента в оптическом терминале оператора, произведенном по стандарту GPON, и значительно меньшее потребление электроэнергии станционным оборудованием, чем при использовании операторского оборудования стандарта GEPON.

Загруженность полосы пропускания по технологии GPON – не менее 93%, а по GEPON – не более 60%. Это различие обусловлено тем, что в активном оборудовании GPON, используется технология фрагментации кадров GEM (GTC Encapsulation Method), повышающая эффективность использования полосы пропускания. В технологии же GEPON такого инструмента нет.

Вот и вся «простая арифметика», объясняющая популярность GPON.

 GPON: кабели внутридомовой разводки

Сеть GPON состоит из магистральных и распределительных линий связи. Протяженность магистральных трасс GPON в настоящее время достигает 20 км (в ближайшие годы разработчики технологии GPON обещают увеличить максимальную длину магистрального оптоволокна до 60 км). Магистральные участки прокладываются (подробнее о прокладке оптоволоконного кабеля) с использованием традиционных методов воздушной или подземной прокладки оптических кабелей с защитной оболочкой, которая обеспечивает долговечность эксплуатации кабельной линии в условиях повышенной влажности и перепада температур.

Для распределительной инфраструктуры GPON, создаваемой, например, в пределах многоквартирного дома, применяются дроп- и райзер-кабели. Особенностью «этажных» дроп-кабелей, предназначенных для ответвления оптической линии от подвесного распределительного кабеля, является предоставляемая их конструкцией возможность «гибкой» трассировки с малыми радиусами изгиба.

Райзер-кабели, применяемые для вертикальной межэтажной разводки, содержат 6-12 оптических волокон, которые легко укладываются в кассетах, а для их сварки требуется существенно меньшее время, чем при сварке оптических волокон других видов кабелей.