А.Г. Белл в 1880 году запатентовал фотофон – прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Основы оптоволоконики были заложены в 1966 году (Као и Хокэм). Первые коммерческие телефонные оптоволоконные системы были созданы лишь в 1977 году. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 году.
В 1990 году Линн Моллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5 Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала).
В 2000 году суммарная длина оптических волокон только в США превысила 30 миллионов километров.
Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений.
При построении сетей используются многожильные кабели (рис 9.1; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [ A ] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [ Б ] — сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет (длина волны ~ 1350 или 1500 нм) вводится в оптоволокно (диаметром $$D<100\mu$$ ) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем (
(рис 9.1) Сечение оптоволоконного кабеляСуществует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центральной части волокна. На рис 9.2 показаны три разновидности волокна (А, Б и В; для коэффициентов преломления всегда должно быть $$n1>n2$$ ). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения в форму передаваемого сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются
(рис 9.2) Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиусаБуквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). Одномодовая разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, зато обеспечивает минимальное искажение сигнала. Следует иметь в виду, что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр $$3-10 \mu$$, а диаметр
Волокно со сглаженным профилем показателя преломления имеет дисперсию 1нсек/км и меньше. Это, в частности, связано с тем, что свет в периферийных областях волокна с большей длиной траектории движется быстрее (там меньший коэффициент преломления). Число мод N равно для волокна типа А:
$$N = \frac{2\pi^2d^2A^2}{\lambda^2},$$
где $$d$$ – диаметр центральной части (ядра), $$A$$ – численная апертура волокна, а $$\lambda$$ – длина волны. Волокно с диаметром центральной части волокна $$50 \mu$$ поддерживает 1000 мод. Для волокна типа Б (рис. 3.2) значение $$N$$ в два раза меньше. Численная апертура $$А$$ равна $$A = \sqrt{n_1^2-n_2^2}$$, где $$n_1 (~1,48)$$ и $$n_2 (~1,46)$$ — соответственно коэффициенты преломления ядра и
Для оптических каналов передачи данных вероятность ошибки (
Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода – это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.
Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц-км. Типовое значение модовой дисперсии лежит в пределах от 15 до 30 нсек/км.
Одномодовый режим реализуется тогда, когда длина волны света становится сравнимой с диаметром ядра волокна. Длина волны, при которой волокно становится одномодовым, называется пороговой.
В отличие от многомодового волокна, в одномодовом — излучение присутствует не только внутри ядра. По этой причине повышаются требования к оптическим свойствам
Затуханием обычно называется ослабление сигнала по мере его движения по волокну. Оно измеряется в децибелах на километр и варьируется от 300 дБ/км для пластиковых волокон до 0,21 дБ/км – для одномодовых волокон.
Полоса пропускания волокна определяется дисперсией. Приближенно полосу пропускания одномодового волокна можно оценить согласно формуле
$$BW = \frac{0,187}{(Disp)(SW)(L)},$$ где
Disp – дисперсия на рабочей длине волны в сек на нм и на км;SW – ширина спектра источника в нм;L – длина волокна в км.Если диаметр источника света не соответствует диаметру ядра волокна, то потери света, связанные с геометрическим рассогласованием могут быть охарактеризованы следующей формулой:
$$Потери_{диам} = 10\log_{10}\left(\frac{Диам_{волокна}}{Диаметр_{источника}}\right)^2$$
Потерь нет, когда волокно имеет диаметр больше диаметра источника света. Если числовая апертура источника больше апертуры волокна, то потери света составят:
$$Потери_{диам} = 10\log_{10}\left(\frac{NA_{волокна}}{NA_{источника}}\right)^2$$
Помимо дисперсии, быстродействие оптического канала ограничивается шумами. Шумы имеют две составляющие: дробовой и тепловой шум. Дробовой шум определяется соотношением:
isn2=2eiB
где е – заряд электрона, i – средний ток, протекающий через приемник, и В – ширина полосы пропускания приемника. Типовое значение дробового шума составляет 25 нА при температуре 25 градусов Цельсия. Тепловой шум характеризуется соотношением:
itn2=(4kTB)/RL
где k – постоянная Больцмана, Т – температура по шкале Кельвина, В – ширина полосы пропускания приемника, RL — сопротивление нагрузки. При полосе в 10 МГц и температуре 2980К эта составляющая шума равна 18 нА. Одной из составляющих теплового шума является темновой ток, который возрастает на 10% при росте температуры на 1 градус.
Чувствительность приемника задается квантовой эффективностью, которая характеризует отношение числа первичных электронно-дырочных пар к числу падающих на детектор фотонов. Этот параметр часто выражается в процентах (реже в амперах на люмен). Так, если на каждые 100 фотонов приходится 60 пар электрон-дырка, то квантовая эффективность равна 60%. Чувствительность фотодетектора R может быть вычислена на основе квантовой чувствительности:
$$R=(\nu e \lambda)/hc$$
где $$е$$ – заряд электрона, $$h$$ – постоянная Планка, $$с$$ – скорость света, $$\lambda$$ – длина волны, а $$\nu$$ - квантовая чувствительность.
В 2002 году компанией Zonu (http://www.zonu.com) разработан фототрансивер (
Для одномодового волокна расстояние передачи может составлять до 10 км. При длине волны 1550 нм достижимо расстояние передачи в 40 км.
Очевидно, что чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения сигнала. Это, в частности, является причиной работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Но даже для одной и той же моды различные длины волн распространяются по волокну с разной скоростью. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц на км. Источники излучения, инжектируемого в волокно, имеют конечную полосу частот. Так, светоизлучающие диоды испускают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более узкую диаграмму направленности, чем диоды). Характеристики светодиодов и инжекционных лазерных диодов приведены в таблице 9.1. Лазерные диоды, рассчитанные на работу с длинными кабелями при высоком быстродействии, стоят достаточно дорого.
| Параметры | Светодиод ( |
Инжекционные лазерные диоды |
|---|---|---|
| Выходная мощность | 0,5 – 11,5 мВт | 3 – 10 мВт |
| Время нарастания | 1 – 20 нс | 1 – 2 нс |
| Диапазон тока смещения | 5 – 150 мА | 100 – 500 мА |
Время нарастания сигнала фотодиода ограничивает быстродействие системы. Немалую роль играет и уровень шумов на входе приемника. При этом световой импульс должен нести достаточно энергии (заметно больше уровня шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок. В таблице 9.2 приведены характеристики оптических приемников.
| Параметры | PIN | Лавинный |
Фотоприемник Дарлингтона | |
|---|---|---|---|---|
| Чувствительность | 0,5 мкA/мкВт | 15 мкA/мкВт | 35 мкA/мкВт | 180 мкA/мкВт |
| Время нарастания | 1 нс | 2 нс | 2 мкс | 40 мкс |
| Напряжение смещения | 10 В | 100 В | 10 В | 10 В |
Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с уменьшением частоты, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет. При сгибании волокна поглощение также увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего, это может привести к растрескиванию и обрыву). В результате потери света в волокне обычно лежат в диапазоне . Используемые диапазоны отмечены на рисунке серыми полосами. Все эти диапазоны имеют ширину 25000 - 30000 ГГц.
(рис 9.3) Зависимость поглощения света в волокне от длины волныПри прокладке трасс следует также проявлять расчетливость и осторожность. Так, в ИТЭФ несколько лет назад между двумя зданиями был проложен 8-волоконный кабель. На одном из участков не было готовых кабельных каналов, и мы проложили его по воздуху, подвесив к тросу из нержавеющей стали. Кабель был нами разделан, померено затухание сигнала (доли децибела), и около полутора лет он работал без замечаний. Потом мы обнаружили потерю сигнала в одном из волокон и были вынуждены перевести сигнал на одно из резервных. Через некоторое время отказало и оно. Сначала мы предположили плохую заделку кабеля, потом грешили на не слишком хорошую прокладку кабеля на первом этаже одного из зданий (радиус изгиба был около полуметра). В конце концов, нам пришлось пригласить знакомых специалистов из управления перспективных технологий с рефлектометром, которые указали, что имеет место обрыв в 66 метрах от точки разделки кабеля. Что же оказалось?
Обнаружить причину было непросто, даже имея достаточно точное указание. Обрыв был на высоте около 4 м и с земли не виден. В одном месте в 30-40 см от троса находился ствол тополя, который при ветре по нему ударял. Трос перемещался в горизонтальной плоскости. С одной из сторон, где кабель уходил с троса вниз, он огибал болт. При монтаже эта часть кабеля была помещена в стальной рукав, но в процессе раскачивания троса рукав сполз вниз. Резьба болта работала как пила, сначала была повреждена изоляция, затем стальная оплетка и, наконец, были оборваны волокна одно за другим (4 из 8). Дальнейшее разрушение приостановил центральный встроенный в оптический кабель стальной трос. На эту разрушительную "работу" ушло более года, ведь сильный ветер дует не каждый день, да и перепилить стальную проволоку защитной оплетки не простая задача. Пришлось пригласить специалистов, которые устранили обрыв, сварив волокна заново. Надеюсь, что наш негативный опыт окажется полезным для других.
Из рисунка видно, что минимумы поглощения приходятся на 1300 и ~1500 нм, что и используется для целей телекоммуникаций. При длине волны 1300 нм дисперсия скоростей распространения различных длин волн минимальна. Диапазон ~850 нм характеризуется высоким поглощением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия). Зависимость дисперсии от длины волны показана на рис 9.4.
(рис 9.4) Зависимость дисперсии от длины волныИз рисунка видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутся быстрее коротких. Для длин волн >1300нм имеет место обратная ситуация – более длинные волны движутся медленнее коротких. Для одномодовых волокон определяющий вклад в искажения вносится дисперсией скоростей распространения, для многомодовых основной вклад вносит модовая дисперсия. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины приведена на рис 9.5.
(рис 9.5) Зависимость полосы пропускания волокна от его длиныТиповые характеристики оптических волокон приведены в таблице 9.3. (См. также Дональд Дж. Стерлинг, Волоконная оптика. Техническое руководство. Изд. "ЛОРИ, Москва, 1998 а также Дж. Гауэр, Оптические системы связи. Москва, "Радио и связь", 1989). А в данной таблице – цифровая апертура волокна.
| Тип волокна | $$\varnothing$$ ядра [мкм] | $$\varnothing$$ |
NA | Максимальное затухание [дб/км] | Полоса пропускания [МГц/км] | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 650 | 790 | 850 | 1300 | 1550 | |||||
| Одномодовое | 3,7 | 80(125) | 10 | 500 @ 850нм 6 дисп./км (*) |
|||||
| 5,0 | 80(125) | 2,3 | |||||||
| 9,3 | 125 | 0,13 | 0,4 | 0,3 | |||||
| 8,1 | 125 | 0,17 | 0,5 | 0,25 | |||||
| Сглаженный индекс | 50 | 125 | 0,20 | 2,4 | 0,6 | 0,5 | 600@850нм 1500@1300нм |
||
| 62,5 | 125 | 0,275 | 3,0 | 0,7 | 0,3 | 200@850нм 1000@1300нм |
|||
| 85 | 125 | 0,26 | 2,8 | 0,7 | 0,4 | 200@850нм 400@1300нм |
|||
| 100 | 140 | 0,29 | 3,5 | 1,5 | 0,9 | 300@850нм 500@1300нм |
|||
| Ступенчатый индекс | 200 | 380 | 0,27 | 6,0 | 6@850нм | ||||
| 300 | 440 | 0,27 | 6,0 | 6@850нм | |||||
| 200 | 350 | 0,3 | 10 | 20@790нм | |||||
| Пластик | 485 | 500 | 0,5 | 240 | 5@680нм | ||||
| 735 | 750 | 0,5 | 230 | ||||||
| 980 | 1000 | 0,5 | 220 | ||||||
| * Дисперсия на нанометр ширины источника. | |||||||||
Одним из критических мест волоконных систем являются сростки волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон.
Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис 9.6, и изготовляются из керамики. Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.
(рис 9.6) Схема оптического разъемаЕсли длина волокна должна быть значительной из-за расстояния, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходится ставить промежуточные усилители сигнала (см. рис 9.7, присутствие ЭВМ необязательно).
(рис 9.7) Промежуточный волоконный усилительС использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. Схема такого фрагмента сети представлена на рис 9.8 (пассивный хаб-концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фото приемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют 2С + S + 10*log(N), где С — потери в разъеме, S — потери в пассивном разветвителе, а N — число оптических каналов ( N может достигать 64).
Современные микросхемы приемопередатчиков (корпус
(рис 9.8) Схема пассивного оптоволоконного хаба (разветвителя)Преимущество оптического волокна перед проводной системой связано с физическими процессами, происходящими в нем. Электроны, движущиеся в проводнике, взаимодействуют с его атомами и другими электронами, в том числе, за счет создаваемого электромагнитного поля. Фотоны в волокне не взаимодействуют друг с другом и, тем более, с фотонами за пределами волокна и не покидают волокно через его боковые поверхности. Все это делает волокна привлекательными с точки зрения безопасности – трудно сделать ответвление. Интерфейсное оптоволоконное оборудование на сегодняшний день стоит дороже устройств для работы с проводниковыми каналами, и при длине канала в несколько метров скрученные пары пока предпочтительнее.
В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники стало возможно в 16-32 раза увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплексирования показана на рис 9.9. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число световых потоков на входе и выходе может достигать 64 и более.
(рис 9.9) Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокнеДля стационарных каналов оптоволоконный кабель не имеет конкурентов. Но при формировании каналов в городе, где требуется лицензия на прокладку и разрешение для использования канализации, все становится не так просто. При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом. Ниже приведена таблица 9.3.1, где сравниваются параметры различных беспроводных систем.
| Беспроводные телекоммуникационные системы | |||
|---|---|---|---|
| Широкополосные системы (802.11; 802.16) | Оптические каналы | Радиорелейные системы | |
| Скорость передачи | Несколько Мбит/c | $$\ge$$ 155 Мбит/c | До 155 Мбит/c |
| Максимальное расстояние | Несколько км | $$\le$$ 2 км | $$\le$$ 50 км |
| Защита от прослушивания | высокая | Крайне высокая | Очень высокая |
| Проблемы интерференции | имеются | отсутствуют | малые |
| Интерфейсы | 10/100 MbpsEthernet | E1, волоконный стандарт, FE, GE | E1, STM-1 Eth, FE |
| Точность настройки | малая | Очень высокая | средняя |
| Разрешение на применение | Лицензия не требуется | Лицензия не требуется | Нужна лицензия |
| Относительная стоимость | $$\ge$$ 5200 евро | $$\ge$$ 6000 евро | $$\ge$$ 26000 евро |
Пример характеристики приемопередающего оборудования. Таблица 9.3.2.
| LaserLink 4E1/300 | ||
|---|---|---|
| Рекомендуемое расстояние [m] | < 300 | < 300 |
| Полоса пропускания [ |
2-43 | 4*2,048 |
| $$\le$$ 10-9 | $$\le$$ 10-6 | |
| Передатчик | IP- |
IP- |
| Передаваемая мощность [мВт] | 50/60 | 50/60 |
| Расходимость луча [мрад] | < 10 | < 10 |
| Динамический диапазон [дБ] | >30 (1:1000) | >40 (1:10000) |
| Сетевой интерфейс | Мультимодовое волокно | 4*E1, G.703 |
| Диаметр волокна [мкм] | 50-60/120 | - |
| Длина волны (RX) [нм] | 780..900 | - |
| Длина волны (TX) [нм] | 850 | - |
| Рабочая температура 0C | -20ч+50 | -20ч+50 |
В качестве принимающего устройства используются PIN.диоды или лавинные
| AirLaser IP100 | AirLaser IP1000 | |
|---|---|---|
| Максимальная дальность [м] | 2000 | 1000 |
| Скорость передачи [Мбит/c] | 125 | 1250 |
| Передатчик | 2/4 |
4 |
| Мощность [мВт] | 2/4*7,5 | 4*7,5 |
| Апертура [см2] | 2/4*28,25 | 4*28,25 |
| Расходимость луча [мрад] | 2 | |
| Динамический диапазон [дВ] | 36 | 30 |
| Приемник | PIN/APD | APD |
| Чувствительность [дБм] | -33/-43 | -33 |
| Длина волны [нм] | 1300 | SX:850, LX:1300 |
| Стандарт | 100BaseFX (IEEE 802.3u) | |
| Рабочая температура [0 C] | (-25 +50) | (-25 +50) |
| Потребляемая мощность [Вт] | 27 | 35 |
На рис 9.10 показана зависимость вероятности отказов канала изза погодных условий (снег – сильный дождь) в Германии на основе 1000 инсталляций (доступность канала и число минут неработоспособности за год). Если требуется 100% эффективность, рекомендуется использовать резервные широкополосные каналы или ISDN.
(рис 9.10) Зависимость вероятности отказа канала от расстояния в условиях плохой погодыПринципиально новые возможности открыло изобретение инфракрасных лазеров. Лазер генерирует слабо расходящийся в воздухе пучок света (диаметр порядка 1 мм). Это позволяет осуществлять передачу открытым лучом на относительно большое расстояние (до 10 км). Но это же свойство луча создает и определенные проблемы. В атмосфере от горячих предметов поднимаются вверх конвекционные потоки горячего воздуха, варьирующие коэффициент преломления. Многие наблюдали это явление над шоссе жарким летним днем, когда идущая впереди машина как бы отрывается от земли и парит в колышущемся мареве. То же самое явление лежит в основе появления миражей. Следует также учитывать, что солнце создает поток излучения в инфракрасной области не меньше, чем в видимой области. Оптические каналы предполагают использование двух параллельных лучей, по одному для каждого направления передачи (смотри рис 9.11). Диаметр чувствительной поверхности детектора обычно не превышает 1 мм.
(рис 9.11) Чтобы исключить влияние конвективных воздушных потоков от разогретой поверхности крыши, обычно используют дефокусировку пучка, при которой даже при отклонении оси пучка пятно засветки не покидает чувствительную область детектора. Этот метод предполагает, что имеется избыток световой мощности передающего лазера.
По этой причине, а также из-за поглощения луча дождем и туманом, каналы связи с открытым лазерным пучком широкого применения не находят. Но иногда из-за отсутствия нужных кабельных каналов, или из-за возражений телефонных компаний, открытый луч может оказаться полезным для организации связи между не слишком удаленными зданиями. Открытый луч предоставляет достаточно высокий уровень безопасности, так как для перехвата сообщений нужно "дотянуться" до пучка. Да и обнаружить инфракрасный луч без специальных средств не так легко. Проектируя такие каналы связи надо учитывать ослабление сигнала $$\alpha_{геом}$$ [дБ], связанное с геометрией пучка:
$$\alpha_{геом}=20\log\left(\frac{\alpha R}{d_{вх}}\right)дБ$$
где $$\alpha$$ — угол расхождения в радианах, R – расстояние передачи в метрах, dвх – диаметр входного окна в метрах. Необходимо также принимать во внимание ослабление, связанное с поглощением и рассеянием:
$$\alpha_{рассеян}=\frac{17}{S/км}\left(\frac{0,55}{\lambda.\mu m}\right)^{0,195\cdot S/км}\frac{дБ}{км}$$
где $$\alpha_{рассеян}$$ – ослабление в децибелах на километр, $$\lambda$$ — длина волны излучения в микронах, .
(рис 9.12) Зависимость ослабления лазерного сигнала лазерного луча в зависимости от состояния атмосферыГлавным преимуществом варианта с открытым лазерным лучом является отсутствие необходимости лицензирования или получения специальных разрешений для прокладки кабеля, в условиях РФ этим обстоятельством не следует пренебрегать.
А вот для связи в пределах залов с большими объемами этот вариант вполне привлекателен. Здесь используются специальные дефокусирующие системы и рефлексы от стен и других предметов. Такая схема привлекательна также с точки зрения безопасности. Ведь, в отличие от радиоволн, инфракрасное излучение не может пройти через стены и даже стекла. Локальная сеть, построенная на таком принципе, представляет собой односегментную LAN.
Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделала возможным широкое распространение оптоволоконных каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1-100 Гбит/c. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 10-100 раз. Учитывая, что
$$\Delta f = (c \Delta; \lambda)/\lambda 2$$, где $$с$$ .
Телефонные компании шаг за шагом переходят со скрученных пар на оптические волокна, предлагая широкополосные услуги
Рассматривая параметры оптоволоконных каналов и радиорелейных линий нужно помнить, что последние имеют задержку $$3 \mu сек/км$$, а оптоволоконные — $$5 \mu сек/км$$, что иногда оказывается существенным (в воздухе электромагнитные волны распространяются быстрее, чем в кварце).
Сопоставляя возможности спутниковых каналов с оптоволоконными, следует учитывать, что одна волоконная пара обладает пропускной способностью больше, чем все запущенные до сих пор телекоммуникационные спутники.
Но это не означает, что спутниковая связь не имеет перспективы, у нее имеется несколько ниш, где она имеет неоспоримые преимущества.
Проводные, радио и оптоволоконные каналы образуют физический уровень транспортировки данных (L1). Далее пойдет речь о следующем уровне (L2), к которому относятся Ethernet, ISDN, ATM, Frame Relay и многие другие. Среди них одно из почетных мест занимает протокол точка-точка
Протокол
Протокол управления каналом LCP (Link Control Protocol) является частью
(рис 9.13) Формат кадра в протоколе PPP
Поле адрес всегда содержит байт 0xff (смотри описание
| DLL-код протокола (шестнадцатеричный) | Наименование протокола |
|---|---|
| 0001 | Протокол заполнения (padding) |
| 0003-001F | Зарезервировано |
| 0021 | IP-протокол |
| 0023 | Сетевой уровень OSI |
| 0025 | Xerox NS |
| 0027 | |
| 0029 | Appletalk |
| 002B | Novell IPX |
| 002D | Компрессированный TCP/IP протокол Ван Джекобсона |
| 002F | Не компрессированный TCP/IP протокол Ван Джекобсона |
| 0031 | Протокол |
| 0033 | Потоковый протокол (ST-II) |
| 0035 | Banyan |
| 0039 | Appletalk EDDP |
| 003B | Appletalk Smartbuffered |
| 003D | Multi-link |
| 003F | Кадры Netbios |
| 0041 | Cisco Systems |
| 0043 | Ascom Timeplex |
| 0047 | Удаленная локальная сеть |
| 0049 | Транспортный протокол для последовательных данных ( |
| 004B | SNA через 802.2 |
| 004D | SNA |
| 004F | Сжатие заголовков IPv6 |
| 007D | Зарезервировано (Управл. ESC) [RFC1661] |
| 00FD | 1-ый вариант компрессии |
| 0201 | Пакеты отклика 802.1d |
| 0203 | IBM BPDU базовой маршрутизации |
| 8021 | Управляющий протокол Интернет ( |
| 8023 | Управляющий протокол сетевого уровня OSI |
| 8025 | Управляющий протокол Xerox NS |
| 8027 | Управляющий протокол |
| 8029 | Управляющий протокол Appletalk |
| 802B | Управляющий протокол Novell IPX |
| 8031 | Бридж NCP |
| 8033 | Потоковый управляющий протокол |
| 8035 | Управляющий протокол Banyan |
| 803D | Многосвязный управляющий протокол |
| 803F | Управляющий протокол кадров NetBIOS |
| 8041 | Управляющий протокол Cisco |
| 8043 | Ascom Timeplex |
| 8045 | Управляющий протокол Fujitsu LBLB |
| 8047 | Управляющий протокол удаленных локальных сетей |
| 8049 | Управляющий протокол передачи последовательных данных ( |
| Управляющий протокол для передачи SNA поверх 802.2 | |
| 804D | Управляющий протокол SNA |
| 804F | Управляющий протокол сжатия заголовков IPv6 |
| 80FD | Управляющий протокол сжатия |
| C021 | Канальный управляющий протокол |
| C023 | Протокол аутентификации паролей |
| C025 | Сообщение о состоянии канала |
| C081 | Управляющий протокол для работы с контейнерами |
Значения кодов поля протокола от 0xxx до 3xxx идентифицируют протоколы сетевого уровня, а значения в интервале 8xxx-Bxxx говорят о том, что протокол соответствует NCP. Коды из диапазона 4xxx-7xxx используются для протоколов с низким уровнем трафика, а коды от Сxxx до Exxx соответствуют управляющим протоколам (например,
Протокол
(рис 9.14) Алгоритм установления соединения PPP
При обнаружении несущей или по инициативе клиента система может попытаться установить соединение. В случае успеха система переходит в фазу аутентификации. Если же и фаза аутентификации завершается благополучно, система выполняет подключение к сети (IP, IPX, Appletalk и т.д.), настройка сетевого уровня производится в рамках протокола NCP. Во всех остальных случаях происходит возврат в исходное состояние. Процедура закрытия соединения осуществляется протоколом
В поле данных
(рис 9.15) Формат заголовка LCP-пакетаВслед за заголовком следует поле данных. Поле код (1 октет) идентифицирует модификацию
В качестве примера можно рассмотреть процедуру подключения персональной ЭВМ к серверу через модем. После того как модем маршрутизатора ответит на вызов модема-клиента и установит физическое соединение, ЭВМ посылает последовательность N IP-адресов в резерве, он может подключить одновременно N ЭВМ. Присвоение IP-адреса осуществляется также в рамках NCP-протокола. После этого ЭВМ становится узлом Интернет. Завершение сессии и освобождение IP-адреса выполняется также через NCP-протокол.
За полем длина могут следовать поля опций. Опции определяются все сразу на фазе конфигурирования канала. Описание опции содержит однооктетные субполя типа и длины, за которыми следует поле данных. Значения субполя типа представлены ниже в таблице 9.41.
| Значение кода поля типа | Назначение опции |
|---|---|
| 0 | Зарезервировано |
| 1 | Maximum-Receive-Unit (указывает максимальный размер блока данных, который может быть принят) |
| 3 | Authentication-Protocol (протокол аутентификации) |
| 4 | Quality-Protocol (протокол качества обслуживания) |
| 5 | Magic-Number (магическое число, опция служит для выявления каналов с петлями обратной связи) |
| 6 | Protocol-Field-Compression (сжатие протокольных полей) |
| 7 | Address-and-Control-Field-Compression |
Существует три класса
Аналогом
(рис 9.16) Формат пакета IPCP. Младшие биты слева.Поле тип содержит 2, в поле длина заносится число байт в пакете ( $$\ge 4$$ ). В поле протокол сжатия IP заносится код алгоритма сжатия (0х02D — в случае алгоритма Ван Джекобсона). Поле данные может содержать нуль или более октетов. Конфигурационный запрос может потребовать присылки (присвоения) IP-адреса. Для решения этой задачи предусмотрена опция
Протоколы
| Код | Тип пакета | |
|---|---|---|
| 1 | Запрос конфигурации | Configure-Request |
| 2 | Подтверждение конфигурации | Configure-Ack |
| 3 | Неподтверждение конфигурации | Configure- |
| 4 | Отклонение конфигурации | Configure-Reject |
| 5 | Запрос завершения | Terminate-Request |
| 6 | Подтверждение завершения | Terminate-Ack |
| 7 | Отклонение кода | Code-Reject |
| 8* | Отклонение протокола | Protocol-Reject |
| 9* | Запрос отклика | Echo-Request |
| 10* | Эхо-отклик | Echo-Reply |
| 11* | Запрос отмены | Discard-Request |
| 12* | Идентификация | |
| 13* | Остающееся время | |
| 14** | Запрос сброса | |
| 15** | Отклик на запрос сброса | |
| *) Только |
||
Для случая запроса Discard-Request между полями длина и данные помещается 4-байтовое поле Magic-Number (магическое число).
Протокол
Так как я не сталкивался со случаями, когда пропускной способности было вполне достаточно, MP модификацию
При этом одной из проблем является распределение пакетов по каналам и последующее их упорядочение принимающей стороной. Особую осторожность в этом случае следует соблюдать при использовании заполнителей. В этом режиме по виртуальному каналу MultiLink запрещается посылать конфигурационные
(рис 9.17) Формат MР-пакетаПоля PID - идентификатор протокола. Субполе B (Beginning) - бит фрагмента =1 для первого фрагмента
При передаче пакетов по каналу Multilink инкапсуляция производится согласно следующим правилам, которые задаются вручную:
Для предварительно фрагментированных пакетов запрещено дополнение нулями или использование каких-либо иных заполнителей. Рассмотрим пример Multilink-соединения, приведенный на рис 9.18. Канал 1 между двумя системами согласуется сетевыми уровнями NL1, NL2 и MP. Затем эти две системы согласуют с MP канал 2. Кадры, полученные каналом 1, демультиплексируются на канальном уровне согласно сетевому протокольному идентификатору
(рис 9.18) Пример Multilink-конфигурацииТак как межсетевые связи часто используют последовательные каналы (выделенные линии, радиомодемы и пр.), протокол
Важным дополнением Протоколов РРР и РРТР является протокол
Очевидным преимуществом такого разделения является то, что вместо требования завершения соединения L2 в NAS, соединение может завершаться в локальном концентраторе, который затем продлевает логический канал
Многоканальный
На диаграмме (рис 9.19) показана схема работы протокола
(рис 9.19) Схема работы протокола L2TPУдаленная система инициирует
LAC-клиент (ЭВМ, которая исполняет программу
На рис 9.20 показано взаимоотношение
(рис 9.20) Структура протокола L2TPПорядковые номера необходимы во всех управляющих сообщениях и применяются в управляющем канале для обеспечения надежной доставки. Информационные сообщения могут использовать порядковые номера, чтобы восстановить порядок пакетов и детектировать потерю кадров. Все коды посылаются в порядке, принятом для сетей (старшие октеты — первые).
Необходимая процедура установления
Туннель и соответствующий управляющий канал должны быть сформированы до инициализации входящего или исходящего вызовов.
(рис 9.21) PPP-туннелирование в протоколе L2TP
А.Г. Белл в 1880 году запатентовал фотофон – прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Основы оптоволоконики были заложены в 1966 году (Као и Хокэм). Первые коммерческие телефонные оптоволоконные системы были созданы лишь в 1977 году. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 году.
В 1990 году Линн Моллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5 Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала).
В 2000 году суммарная длина оптических волокон только в США превысила 30 миллионов километров.
Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений.
При построении сетей используются многожильные кабели (рис 9.1; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [ A ] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [ Б ] — сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет (длина волны ~ 1350 или 1500 нм) вводится в оптоволокно (диаметром $$D<100\mu$$ ) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем (
(рис 9.1) Сечение оптоволоконного кабеляСуществует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центральной части волокна. На рис 9.2 показаны три разновидности волокна (А, Б и В; для коэффициентов преломления всегда должно быть $$n1>n2$$ ). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения в форму передаваемого сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются
(рис 9.2) Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиусаБуквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). Одномодовая разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, зато обеспечивает минимальное искажение сигнала. Следует иметь в виду, что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр $$3-10 \mu$$, а диаметр
Волокно со сглаженным профилем показателя преломления имеет дисперсию 1нсек/км и меньше. Это, в частности, связано с тем, что свет в периферийных областях волокна с большей длиной траектории движется быстрее (там меньший коэффициент преломления). Число мод N равно для волокна типа А:
$$N = \frac{2\pi^2d^2A^2}{\lambda^2},$$
где $$d$$ – диаметр центральной части (ядра), $$A$$ – численная апертура волокна, а $$\lambda$$ – длина волны. Волокно с диаметром центральной части волокна $$50 \mu$$ поддерживает 1000 мод. Для волокна типа Б (рис. 3.2) значение $$N$$ в два раза меньше. Численная апертура $$А$$ равна $$A = \sqrt{n_1^2-n_2^2}$$, где $$n_1 (~1,48)$$ и $$n_2 (~1,46)$$ — соответственно коэффициенты преломления ядра и
Для оптических каналов передачи данных вероятность ошибки (
Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода – это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.
Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц-км. Типовое значение модовой дисперсии лежит в пределах от 15 до 30 нсек/км.
Одномодовый режим реализуется тогда, когда длина волны света становится сравнимой с диаметром ядра волокна. Длина волны, при которой волокно становится одномодовым, называется пороговой.
В отличие от многомодового волокна, в одномодовом — излучение присутствует не только внутри ядра. По этой причине повышаются требования к оптическим свойствам
Затуханием обычно называется ослабление сигнала по мере его движения по волокну. Оно измеряется в децибелах на километр и варьируется от 300 дБ/км для пластиковых волокон до 0,21 дБ/км – для одномодовых волокон.
Полоса пропускания волокна определяется дисперсией. Приближенно полосу пропускания одномодового волокна можно оценить согласно формуле
$$BW = \frac{0,187}{(Disp)(SW)(L)},$$ где
Disp – дисперсия на рабочей длине волны в сек на нм и на км;SW – ширина спектра источника в нм;L – длина волокна в км.Если диаметр источника света не соответствует диаметру ядра волокна, то потери света, связанные с геометрическим рассогласованием могут быть охарактеризованы следующей формулой:
$$Потери_{диам} = 10\log_{10}\left(\frac{Диам_{волокна}}{Диаметр_{источника}}\right)^2$$
Потерь нет, когда волокно имеет диаметр больше диаметра источника света. Если числовая апертура источника больше апертуры волокна, то потери света составят:
$$Потери_{диам} = 10\log_{10}\left(\frac{NA_{волокна}}{NA_{источника}}\right)^2$$
Помимо дисперсии, быстродействие оптического канала ограничивается шумами. Шумы имеют две составляющие: дробовой и тепловой шум. Дробовой шум определяется соотношением:
isn2=2eiB
где е – заряд электрона, i – средний ток, протекающий через приемник, и В – ширина полосы пропускания приемника. Типовое значение дробового шума составляет 25 нА при температуре 25 градусов Цельсия. Тепловой шум характеризуется соотношением:
itn2=(4kTB)/RL
где k – постоянная Больцмана, Т – температура по шкале Кельвина, В – ширина полосы пропускания приемника, RL — сопротивление нагрузки. При полосе в 10 МГц и температуре 2980К эта составляющая шума равна 18 нА. Одной из составляющих теплового шума является темновой ток, который возрастает на 10% при росте температуры на 1 градус.
Чувствительность приемника задается квантовой эффективностью, которая характеризует отношение числа первичных электронно-дырочных пар к числу падающих на детектор фотонов. Этот параметр часто выражается в процентах (реже в амперах на люмен). Так, если на каждые 100 фотонов приходится 60 пар электрон-дырка, то квантовая эффективность равна 60%. Чувствительность фотодетектора R может быть вычислена на основе квантовой чувствительности:
$$R=(\nu e \lambda)/hc$$
где $$е$$ – заряд электрона, $$h$$ – постоянная Планка, $$с$$ – скорость света, $$\lambda$$ – длина волны, а $$\nu$$ - квантовая чувствительность.
В 2002 году компанией Zonu (http://www.zonu.com) разработан фототрансивер (
Для одномодового волокна расстояние передачи может составлять до 10 км. При длине волны 1550 нм достижимо расстояние передачи в 40 км.
Очевидно, что чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения сигнала. Это, в частности, является причиной работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Но даже для одной и той же моды различные длины волн распространяются по волокну с разной скоростью. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц на км. Источники излучения, инжектируемого в волокно, имеют конечную полосу частот. Так, светоизлучающие диоды испускают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более узкую диаграмму направленности, чем диоды). Характеристики светодиодов и инжекционных лазерных диодов приведены в таблице 9.1. Лазерные диоды, рассчитанные на работу с длинными кабелями при высоком быстродействии, стоят достаточно дорого.
| Параметры | Светодиод ( |
Инжекционные лазерные диоды |
|---|---|---|
| Выходная мощность | 0,5 – 11,5 мВт | 3 – 10 мВт |
| Время нарастания | 1 – 20 нс | 1 – 2 нс |
| Диапазон тока смещения | 5 – 150 мА | 100 – 500 мА |
Время нарастания сигнала фотодиода ограничивает быстродействие системы. Немалую роль играет и уровень шумов на входе приемника. При этом световой импульс должен нести достаточно энергии (заметно больше уровня шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок. В таблице 9.2 приведены характеристики оптических приемников.
| Параметры | PIN | Лавинный |
Фотоприемник Дарлингтона | |
|---|---|---|---|---|
| Чувствительность | 0,5 мкA/мкВт | 15 мкA/мкВт | 35 мкA/мкВт | 180 мкA/мкВт |
| Время нарастания | 1 нс | 2 нс | 2 мкс | 40 мкс |
| Напряжение смещения | 10 В | 100 В | 10 В | 10 В |
Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с уменьшением частоты, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет. При сгибании волокна поглощение также увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего, это может привести к растрескиванию и обрыву). В результате потери света в волокне обычно лежат в диапазоне . Используемые диапазоны отмечены на рисунке серыми полосами. Все эти диапазоны имеют ширину 25000 - 30000 ГГц.
(рис 9.3) Зависимость поглощения света в волокне от длины волныПри прокладке трасс следует также проявлять расчетливость и осторожность. Так, в ИТЭФ несколько лет назад между двумя зданиями был проложен 8-волоконный кабель. На одном из участков не было готовых кабельных каналов, и мы проложили его по воздуху, подвесив к тросу из нержавеющей стали. Кабель был нами разделан, померено затухание сигнала (доли децибела), и около полутора лет он работал без замечаний. Потом мы обнаружили потерю сигнала в одном из волокон и были вынуждены перевести сигнал на одно из резервных. Через некоторое время отказало и оно. Сначала мы предположили плохую заделку кабеля, потом грешили на не слишком хорошую прокладку кабеля на первом этаже одного из зданий (радиус изгиба был около полуметра). В конце концов, нам пришлось пригласить знакомых специалистов из управления перспективных технологий с рефлектометром, которые указали, что имеет место обрыв в 66 метрах от точки разделки кабеля. Что же оказалось?
Обнаружить причину было непросто, даже имея достаточно точное указание. Обрыв был на высоте около 4 м и с земли не виден. В одном месте в 30-40 см от троса находился ствол тополя, который при ветре по нему ударял. Трос перемещался в горизонтальной плоскости. С одной из сторон, где кабель уходил с троса вниз, он огибал болт. При монтаже эта часть кабеля была помещена в стальной рукав, но в процессе раскачивания троса рукав сполз вниз. Резьба болта работала как пила, сначала была повреждена изоляция, затем стальная оплетка и, наконец, были оборваны волокна одно за другим (4 из 8). Дальнейшее разрушение приостановил центральный встроенный в оптический кабель стальной трос. На эту разрушительную "работу" ушло более года, ведь сильный ветер дует не каждый день, да и перепилить стальную проволоку защитной оплетки не простая задача. Пришлось пригласить специалистов, которые устранили обрыв, сварив волокна заново. Надеюсь, что наш негативный опыт окажется полезным для других.
Из рисунка видно, что минимумы поглощения приходятся на 1300 и ~1500 нм, что и используется для целей телекоммуникаций. При длине волны 1300 нм дисперсия скоростей распространения различных длин волн минимальна. Диапазон ~850 нм характеризуется высоким поглощением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия). Зависимость дисперсии от длины волны показана на рис 9.4.
(рис 9.4) Зависимость дисперсии от длины волныИз рисунка видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутся быстрее коротких. Для длин волн >1300нм имеет место обратная ситуация – более длинные волны движутся медленнее коротких. Для одномодовых волокон определяющий вклад в искажения вносится дисперсией скоростей распространения, для многомодовых основной вклад вносит модовая дисперсия. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины приведена на рис 9.5.
(рис 9.5) Зависимость полосы пропускания волокна от его длиныТиповые характеристики оптических волокон приведены в таблице 9.3. (См. также Дональд Дж. Стерлинг, Волоконная оптика. Техническое руководство. Изд. "ЛОРИ, Москва, 1998 а также Дж. Гауэр, Оптические системы связи. Москва, "Радио и связь", 1989). А в данной таблице – цифровая апертура волокна.
| Тип волокна | $$\varnothing$$ ядра [мкм] | $$\varnothing$$ |
NA | Максимальное затухание [дб/км] | Полоса пропускания [МГц/км] | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 650 | 790 | 850 | 1300 | 1550 | |||||
| Одномодовое | 3,7 | 80(125) | 10 | 500 @ 850нм 6 дисп./км (*) |
|||||
| 5,0 | 80(125) | 2,3 | |||||||
| 9,3 | 125 | 0,13 | 0,4 | 0,3 | |||||
| 8,1 | 125 | 0,17 | 0,5 | 0,25 | |||||
| Сглаженный индекс | 50 | 125 | 0,20 | 2,4 | 0,6 | 0,5 | 600@850нм 1500@1300нм |
||
| 62,5 | 125 | 0,275 | 3,0 | 0,7 | 0,3 | 200@850нм 1000@1300нм |
|||
| 85 | 125 | 0,26 | 2,8 | 0,7 | 0,4 | 200@850нм 400@1300нм |
|||
| 100 | 140 | 0,29 | 3,5 | 1,5 | 0,9 | 300@850нм 500@1300нм |
|||
| Ступенчатый индекс | 200 | 380 | 0,27 | 6,0 | 6@850нм | ||||
| 300 | 440 | 0,27 | 6,0 | 6@850нм | |||||
| 200 | 350 | 0,3 | 10 | 20@790нм | |||||
| Пластик | 485 | 500 | 0,5 | 240 | 5@680нм | ||||
| 735 | 750 | 0,5 | 230 | ||||||
| 980 | 1000 | 0,5 | 220 | ||||||
| * Дисперсия на нанометр ширины источника. | |||||||||
Одним из критических мест волоконных систем являются сростки волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон.
Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис 9.6, и изготовляются из керамики. Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.
(рис 9.6) Схема оптического разъемаЕсли длина волокна должна быть значительной из-за расстояния, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходится ставить промежуточные усилители сигнала (см. рис 9.7, присутствие ЭВМ необязательно).
(рис 9.7) Промежуточный волоконный усилительС использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. Схема такого фрагмента сети представлена на рис 9.8 (пассивный хаб-концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фото приемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют 2С + S + 10*log(N), где С — потери в разъеме, S — потери в пассивном разветвителе, а N — число оптических каналов ( N может достигать 64).
Современные микросхемы приемопередатчиков (корпус
(рис 9.8) Схема пассивного оптоволоконного хаба (разветвителя)Преимущество оптического волокна перед проводной системой связано с физическими процессами, происходящими в нем. Электроны, движущиеся в проводнике, взаимодействуют с его атомами и другими электронами, в том числе, за счет создаваемого электромагнитного поля. Фотоны в волокне не взаимодействуют друг с другом и, тем более, с фотонами за пределами волокна и не покидают волокно через его боковые поверхности. Все это делает волокна привлекательными с точки зрения безопасности – трудно сделать ответвление. Интерфейсное оптоволоконное оборудование на сегодняшний день стоит дороже устройств для работы с проводниковыми каналами, и при длине канала в несколько метров скрученные пары пока предпочтительнее.
В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники стало возможно в 16-32 раза увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплексирования показана на рис 9.9. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число световых потоков на входе и выходе может достигать 64 и более.
(рис 9.9) Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокнеДля стационарных каналов оптоволоконный кабель не имеет конкурентов. Но при формировании каналов в городе, где требуется лицензия на прокладку и разрешение для использования канализации, все становится не так просто. При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом. Ниже приведена таблица 9.3.1, где сравниваются параметры различных беспроводных систем.
| Беспроводные телекоммуникационные системы | |||
|---|---|---|---|
| Широкополосные системы (802.11; 802.16) | Оптические каналы | Радиорелейные системы | |
| Скорость передачи | Несколько Мбит/c | $$\ge$$ 155 Мбит/c | До 155 Мбит/c |
| Максимальное расстояние | Несколько км | $$\le$$ 2 км | $$\le$$ 50 км |
| Защита от прослушивания | высокая | Крайне высокая | Очень высокая |
| Проблемы интерференции | имеются | отсутствуют | малые |
| Интерфейсы | 10/100 MbpsEthernet | E1, волоконный стандарт, FE, GE | E1, STM-1 Eth, FE |
| Точность настройки | малая | Очень высокая | средняя |
| Разрешение на применение | Лицензия не требуется | Лицензия не требуется | Нужна лицензия |
| Относительная стоимость | $$\ge$$ 5200 евро | $$\ge$$ 6000 евро | $$\ge$$ 26000 евро |
Пример характеристики приемопередающего оборудования. Таблица 9.3.2.
| LaserLink 4E1/300 | ||
|---|---|---|
| Рекомендуемое расстояние [m] | < 300 | < 300 |
| Полоса пропускания [ |
2-43 | 4*2,048 |
| $$\le$$ 10-9 | $$\le$$ 10-6 | |
| Передатчик | IP- |
IP- |
| Передаваемая мощность [мВт] | 50/60 | 50/60 |
| Расходимость луча [мрад] | < 10 | < 10 |
| Динамический диапазон [дБ] | >30 (1:1000) | >40 (1:10000) |
| Сетевой интерфейс | Мультимодовое волокно | 4*E1, G.703 |
| Диаметр волокна [мкм] | 50-60/120 | - |
| Длина волны (RX) [нм] | 780..900 | - |
| Длина волны (TX) [нм] | 850 | - |
| Рабочая температура 0C | -20ч+50 | -20ч+50 |
В качестве принимающего устройства используются PIN.диоды или лавинные
| AirLaser IP100 | AirLaser IP1000 | |
|---|---|---|
| Максимальная дальность [м] | 2000 | 1000 |
| Скорость передачи [Мбит/c] | 125 | 1250 |
| Передатчик | 2/4 |
4 |
| Мощность [мВт] | 2/4*7,5 | 4*7,5 |
| Апертура [см2] | 2/4*28,25 | 4*28,25 |
| Расходимость луча [мрад] | 2 | |
| Динамический диапазон [дВ] | 36 | 30 |
| Приемник | PIN/APD | APD |
| Чувствительность [дБм] | -33/-43 | -33 |
| Длина волны [нм] | 1300 | SX:850, LX:1300 |
| Стандарт | 100BaseFX (IEEE 802.3u) | |
| Рабочая температура [0 C] | (-25 +50) | (-25 +50) |
| Потребляемая мощность [Вт] | 27 | 35 |
На рис 9.10 показана зависимость вероятности отказов канала изза погодных условий (снег – сильный дождь) в Германии на основе 1000 инсталляций (доступность канала и число минут неработоспособности за год). Если требуется 100% эффективность, рекомендуется использовать резервные широкополосные каналы или ISDN.
(рис 9.10) Зависимость вероятности отказа канала от расстояния в условиях плохой погодыПринципиально новые возможности открыло изобретение инфракрасных лазеров. Лазер генерирует слабо расходящийся в воздухе пучок света (диаметр порядка 1 мм). Это позволяет осуществлять передачу открытым лучом на относительно большое расстояние (до 10 км). Но это же свойство луча создает и определенные проблемы. В атмосфере от горячих предметов поднимаются вверх конвекционные потоки горячего воздуха, варьирующие коэффициент преломления. Многие наблюдали это явление над шоссе жарким летним днем, когда идущая впереди машина как бы отрывается от земли и парит в колышущемся мареве. То же самое явление лежит в основе появления миражей. Следует также учитывать, что солнце создает поток излучения в инфракрасной области не меньше, чем в видимой области. Оптические каналы предполагают использование двух параллельных лучей, по одному для каждого направления передачи (смотри рис 9.11). Диаметр чувствительной поверхности детектора обычно не превышает 1 мм.
(рис 9.11) Чтобы исключить влияние конвективных воздушных потоков от разогретой поверхности крыши, обычно используют дефокусировку пучка, при которой даже при отклонении оси пучка пятно засветки не покидает чувствительную область детектора. Этот метод предполагает, что имеется избыток световой мощности передающего лазера.
По этой причине, а также из-за поглощения луча дождем и туманом, каналы связи с открытым лазерным пучком широкого применения не находят. Но иногда из-за отсутствия нужных кабельных каналов, или из-за возражений телефонных компаний, открытый луч может оказаться полезным для организации связи между не слишком удаленными зданиями. Открытый луч предоставляет достаточно высокий уровень безопасности, так как для перехвата сообщений нужно "дотянуться" до пучка. Да и обнаружить инфракрасный луч без специальных средств не так легко. Проектируя такие каналы связи надо учитывать ослабление сигнала $$\alpha_{геом}$$ [дБ], связанное с геометрией пучка:
$$\alpha_{геом}=20\log\left(\frac{\alpha R}{d_{вх}}\right)дБ$$
где $$\alpha$$ — угол расхождения в радианах, R – расстояние передачи в метрах, dвх – диаметр входного окна в метрах. Необходимо также принимать во внимание ослабление, связанное с поглощением и рассеянием:
$$\alpha_{рассеян}=\frac{17}{S/км}\left(\frac{0,55}{\lambda.\mu m}\right)^{0,195\cdot S/км}\frac{дБ}{км}$$
где $$\alpha_{рассеян}$$ – ослабление в децибелах на километр, $$\lambda$$ — длина волны излучения в микронах, .
(рис 9.12) Зависимость ослабления лазерного сигнала лазерного луча в зависимости от состояния атмосферыГлавным преимуществом варианта с открытым лазерным лучом является отсутствие необходимости лицензирования или получения специальных разрешений для прокладки кабеля, в условиях РФ этим обстоятельством не следует пренебрегать.
А вот для связи в пределах залов с большими объемами этот вариант вполне привлекателен. Здесь используются специальные дефокусирующие системы и рефлексы от стен и других предметов. Такая схема привлекательна также с точки зрения безопасности. Ведь, в отличие от радиоволн, инфракрасное излучение не может пройти через стены и даже стекла. Локальная сеть, построенная на таком принципе, представляет собой односегментную LAN.
Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделала возможным широкое распространение оптоволоконных каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1-100 Гбит/c. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 10-100 раз. Учитывая, что
$$\Delta f = (c \Delta; \lambda)/\lambda 2$$, где $$с$$ .
Телефонные компании шаг за шагом переходят со скрученных пар на оптические волокна, предлагая широкополосные услуги
Рассматривая параметры оптоволоконных каналов и радиорелейных линий нужно помнить, что последние имеют задержку $$3 \mu сек/км$$, а оптоволоконные — $$5 \mu сек/км$$, что иногда оказывается существенным (в воздухе электромагнитные волны распространяются быстрее, чем в кварце).
Сопоставляя возможности спутниковых каналов с оптоволоконными, следует учитывать, что одна волоконная пара обладает пропускной способностью больше, чем все запущенные до сих пор телекоммуникационные спутники.
Но это не означает, что спутниковая связь не имеет перспективы, у нее имеется несколько ниш, где она имеет неоспоримые преимущества.
Проводные, радио и оптоволоконные каналы образуют физический уровень транспортировки данных (L1). Далее пойдет речь о следующем уровне (L2), к которому относятся Ethernet, ISDN, ATM, Frame Relay и многие другие. Среди них одно из почетных мест занимает протокол точка-точка
Протокол
Протокол управления каналом LCP (Link Control Protocol) является частью
(рис 9.13) Формат кадра в протоколе PPP
Поле адрес всегда содержит байт 0xff (смотри описание
| DLL-код протокола (шестнадцатеричный) | Наименование протокола |
|---|---|
| 0001 | Протокол заполнения (padding) |
| 0003-001F | Зарезервировано |
| 0021 | IP-протокол |
| 0023 | Сетевой уровень OSI |
| 0025 | Xerox NS |
| 0027 | |
| 0029 | Appletalk |
| 002B | Novell IPX |
| 002D | Компрессированный TCP/IP протокол Ван Джекобсона |
| 002F | Не компрессированный TCP/IP протокол Ван Джекобсона |
| 0031 | Протокол |
| 0033 | Потоковый протокол (ST-II) |
| 0035 | Banyan |
| 0039 | Appletalk EDDP |
| 003B | Appletalk Smartbuffered |
| 003D | Multi-link |
| 003F | Кадры Netbios |
| 0041 | Cisco Systems |
| 0043 | Ascom Timeplex |
| 0047 | Удаленная локальная сеть |
| 0049 | Транспортный протокол для последовательных данных ( |
| 004B | SNA через 802.2 |
| 004D | SNA |
| 004F | Сжатие заголовков IPv6 |
| 007D | Зарезервировано (Управл. ESC) [RFC1661] |
| 00FD | 1-ый вариант компрессии |
| 0201 | Пакеты отклика 802.1d |
| 0203 | IBM BPDU базовой маршрутизации |
| 8021 | Управляющий протокол Интернет ( |
| 8023 | Управляющий протокол сетевого уровня OSI |
| 8025 | Управляющий протокол Xerox NS |
| 8027 | Управляющий протокол |
| 8029 | Управляющий протокол Appletalk |
| 802B | Управляющий протокол Novell IPX |
| 8031 | Бридж NCP |
| 8033 | Потоковый управляющий протокол |
| 8035 | Управляющий протокол Banyan |
| 803D | Многосвязный управляющий протокол |
| 803F | Управляющий протокол кадров NetBIOS |
| 8041 | Управляющий протокол Cisco |
| 8043 | Ascom Timeplex |
| 8045 | Управляющий протокол Fujitsu LBLB |
| 8047 | Управляющий протокол удаленных локальных сетей |
| 8049 | Управляющий протокол передачи последовательных данных ( |
| Управляющий протокол для передачи SNA поверх 802.2 | |
| 804D | Управляющий протокол SNA |
| 804F | Управляющий протокол сжатия заголовков IPv6 |
| 80FD | Управляющий протокол сжатия |
| C021 | Канальный управляющий протокол |
| C023 | Протокол аутентификации паролей |
| C025 | Сообщение о состоянии канала |
| C081 | Управляющий протокол для работы с контейнерами |
Значения кодов поля протокола от 0xxx до 3xxx идентифицируют протоколы сетевого уровня, а значения в интервале 8xxx-Bxxx говорят о том, что протокол соответствует NCP. Коды из диапазона 4xxx-7xxx используются для протоколов с низким уровнем трафика, а коды от Сxxx до Exxx соответствуют управляющим протоколам (например,
Протокол
(рис 9.14) Алгоритм установления соединения PPP
При обнаружении несущей или по инициативе клиента система может попытаться установить соединение. В случае успеха система переходит в фазу аутентификации. Если же и фаза аутентификации завершается благополучно, система выполняет подключение к сети (IP, IPX, Appletalk и т.д.), настройка сетевого уровня производится в рамках протокола NCP. Во всех остальных случаях происходит возврат в исходное состояние. Процедура закрытия соединения осуществляется протоколом
В поле данных
(рис 9.15) Формат заголовка LCP-пакетаВслед за заголовком следует поле данных. Поле код (1 октет) идентифицирует модификацию
В качестве примера можно рассмотреть процедуру подключения персональной ЭВМ к серверу через модем. После того как модем маршрутизатора ответит на вызов модема-клиента и установит физическое соединение, ЭВМ посылает последовательность N IP-адресов в резерве, он может подключить одновременно N ЭВМ. Присвоение IP-адреса осуществляется также в рамках NCP-протокола. После этого ЭВМ становится узлом Интернет. Завершение сессии и освобождение IP-адреса выполняется также через NCP-протокол.
За полем длина могут следовать поля опций. Опции определяются все сразу на фазе конфигурирования канала. Описание опции содержит однооктетные субполя типа и длины, за которыми следует поле данных. Значения субполя типа представлены ниже в таблице 9.41.
| Значение кода поля типа | Назначение опции |
|---|---|
| 0 | Зарезервировано |
| 1 | Maximum-Receive-Unit (указывает максимальный размер блока данных, который может быть принят) |
| 3 | Authentication-Protocol (протокол аутентификации) |
| 4 | Quality-Protocol (протокол качества обслуживания) |
| 5 | Magic-Number (магическое число, опция служит для выявления каналов с петлями обратной связи) |
| 6 | Protocol-Field-Compression (сжатие протокольных полей) |
| 7 | Address-and-Control-Field-Compression |
Существует три класса
Аналогом
(рис 9.16) Формат пакета IPCP. Младшие биты слева.Поле тип содержит 2, в поле длина заносится число байт в пакете ( $$\ge 4$$ ). В поле протокол сжатия IP заносится код алгоритма сжатия (0х02D — в случае алгоритма Ван Джекобсона). Поле данные может содержать нуль или более октетов. Конфигурационный запрос может потребовать присылки (присвоения) IP-адреса. Для решения этой задачи предусмотрена опция
Протоколы
| Код | Тип пакета | |
|---|---|---|
| 1 | Запрос конфигурации | Configure-Request |
| 2 | Подтверждение конфигурации | Configure-Ack |
| 3 | Неподтверждение конфигурации | Configure- |
| 4 | Отклонение конфигурации | Configure-Reject |
| 5 | Запрос завершения | Terminate-Request |
| 6 | Подтверждение завершения | Terminate-Ack |
| 7 | Отклонение кода | Code-Reject |
| 8* | Отклонение протокола | Protocol-Reject |
| 9* | Запрос отклика | Echo-Request |
| 10* | Эхо-отклик | Echo-Reply |
| 11* | Запрос отмены | Discard-Request |
| 12* | Идентификация | |
| 13* | Остающееся время | |
| 14** | Запрос сброса | |
| 15** | Отклик на запрос сброса | |
| *) Только |
||
Для случая запроса Discard-Request между полями длина и данные помещается 4-байтовое поле Magic-Number (магическое число).
Протокол
Так как я не сталкивался со случаями, когда пропускной способности было вполне достаточно, MP модификацию
При этом одной из проблем является распределение пакетов по каналам и последующее их упорядочение принимающей стороной. Особую осторожность в этом случае следует соблюдать при использовании заполнителей. В этом режиме по виртуальному каналу MultiLink запрещается посылать конфигурационные
(рис 9.17) Формат MР-пакетаПоля PID - идентификатор протокола. Субполе B (Beginning) - бит фрагмента =1 для первого фрагмента
При передаче пакетов по каналу Multilink инкапсуляция производится согласно следующим правилам, которые задаются вручную:
Для предварительно фрагментированных пакетов запрещено дополнение нулями или использование каких-либо иных заполнителей. Рассмотрим пример Multilink-соединения, приведенный на рис 9.18. Канал 1 между двумя системами согласуется сетевыми уровнями NL1, NL2 и MP. Затем эти две системы согласуют с MP канал 2. Кадры, полученные каналом 1, демультиплексируются на канальном уровне согласно сетевому протокольному идентификатору
(рис 9.18) Пример Multilink-конфигурацииТак как межсетевые связи часто используют последовательные каналы (выделенные линии, радиомодемы и пр.), протокол
Важным дополнением Протоколов РРР и РРТР является протокол
Очевидным преимуществом такого разделения является то, что вместо требования завершения соединения L2 в NAS, соединение может завершаться в локальном концентраторе, который затем продлевает логический канал
Многоканальный
На диаграмме (рис 9.19) показана схема работы протокола
(рис 9.19) Схема работы протокола L2TPУдаленная система инициирует
LAC-клиент (ЭВМ, которая исполняет программу
На рис 9.20 показано взаимоотношение
(рис 9.20) Структура протокола L2TPПорядковые номера необходимы во всех управляющих сообщениях и применяются в управляющем канале для обеспечения надежной доставки. Информационные сообщения могут использовать порядковые номера, чтобы восстановить порядок пакетов и детектировать потерю кадров. Все коды посылаются в порядке, принятом для сетей (старшие октеты — первые).
Необходимая процедура установления
Туннель и соответствующий управляющий канал должны быть сформированы до инициализации входящего или исходящего вызовов.
(рис 9.21) PPP-туннелирование в протоколе L2TP
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.