Введение в новейшие телекоммуникационные технологии

Уже более десятилетия существует система стереотелевидения с проецированием изображения непосредственно на глазное дно человека. Эта система используется в шлемах устройств виртуальной реальности.

В последние годы в качестве приемного устройства ортиконы, суперортиконы и кремниконы вытесняются приборами с зарядовой связью (ПЗС), которые не требуют высоковольтных источников питания, во много раз более компактны и существенно дешевле. В последнее время традиционные ЭЛТ заменяются жидкокристаллическими устройствами отображения, плазменными панелями и различными системами проекционного телевидения.

В 50-х годах прошлого века начался быстрый прогресс в области вычислительной техники и микроэлектроники, качественно изменивших все направления развития телекоммуникаций. Чтобы увеличить пропускную способность канала связи, можно расширять его полосу или улучшать отношение сигнала к шуму (см. выше теорему Шеннона). Первое, что приходит в голову, это увеличение амплитуды сигнала (вспомните 40-120-вольтные сигналы в первых телеграфах). Пока в электронике царили вакуумные лампы, такие и даже большие амплитуды были с технической точки зрения вполне возможны, хотя вряд ли рациональны. Но после внедрения полупроводниковых приборов эти уровни сигналов стали совершенно недопустимы. Это можно понять из вольтамперной характеристики такого прибора (см. рис. 1.2).

Большие амплитуды нежелательны, из-за пробивного напряжения (Vпр) при обратном смещении перехода. Можно, конечно, увеличить толщину перехода или сделать переход многослойным, но это ухудшит быстродействие прибора. Уровни сигнала выбраны по этой причине равными ~ 2,5 В.

Сфера телекоммуникаций всегда сильно зависела от уровня развития технологий. Начиналось все с электромеханических устройств, но современное цифровое телевидение и Интернет немыслимы без использования новейших достижений микроэлектроники.

В 1970 году в British Telecom были разработаны основные принципы еще одного вида передачи графической информации - телетекста. Первые опыты по его внедрению относятся к 1979 году. Стандарт на мозаичное представление символов был принят CEPT в 1983 году. Каждому символу ставится в соответствие код длиной в 7-8 бит. На экране такой символ отображается с помощью специального знакового генератора, использующего таблицу.

Рис. 1.2. Вольтамперная характеристика n-p перехода для кремния

Полному экрану видеотекста, содержащему 24 строки по 40 символов, соответствует 960 байт, для передачи которых по коммутируемой телефонной сети требуется 6,4 секунды. D-канал ISDN может пропустить эту информацию за 1 секунду, а B-канал быстрее - за 0,1 с. Телетекст позволяет более эффективно использовать каналы связи и не налагает чрезмерных требований на устройства отображения.

Многие современные проблемы телекоммуникаций, например, безопасность каналов связи, проявили себя с самого начала. Достаточно вспомнить, как граф Монте-Кристо разорил банкира барона Данглара, послав с испано-французской границы фальсифицированное телеграфное сообщение. Так что сетевые атаки типа "man-in-the-middle" имеют почти двухвековую историю. Я уже не говорю об изощренных методах подслушивания телефонных переговоров. Развитие электронной почты сделало осуществимой мечту всех руководителей черных кабинетов (термин, используемый для структур, которые занимаются нелегальным вскрытием и прочтением чужих писем): доставку им писем самим отправителем. Достаточно вспомнить российскую систему СОРМ. Моральная сторона этого дела никогда и никого не останавливала - государственные структуры во все времена были аморальны.

Следует заметить, что впечатляющий прогресс в области телекоммуникаций на протяжении XX века мало что поменял в сфере удаленного управления. Может показаться, что возможность передавать сигнал в любую точку земного шара за доли секунды позволяют решить любую проблему удаленного управления. Это совсем не так. Любой сложный объект выдает достаточно большой объем данных, а если добавить сюда информацию об окружающей среде, то объем данных, подлежащих обработке, становится весьма велик. В прессе вы, вероятно, читали сообщения о том, что водитель авто не справился с управлением (при этом совсем не обязательно, чтобы он был нетрезв). Обычно это означает, что он отвлекся, объем воспринимаемой и перерабатываемой информации сократился, и с результатом разбираются в лучшем случае гаишники…

Теперь рассмотрим случай удаленного объекта. Человек, как уже отмечалось, может переработать ограниченный объем данных в единицу времени. Для решения этой проблемы человечество успешно научилось использовать компьютеры. Но и возможности ЭВМ не беспредельны. Обычно при управлении удаленным объектом часть решений все равно надо принимать локально. Если перепоручать это удаленному центру, рано или поздно одно из сообщений будет искажено или утрачено при передаче. Повторная пересылка данных приведет к большой задержке в принятии решения и катастрофа может стать неизбежной. Несмотря на сенсационный успех посадки беспилотного космического корабля "Буран", мне представляется невероятным, чтобы пассажирские самолеты стали летать без пилотов. А ведь на "Буране" большая часть решений принималась локально, а не в центральном пункте управления.

Как сложными объектами, так и сетями ЭВМ крайне неэффективно управлять удаленно, - здесь, как и в человеческом обществе, следует совмещать удаленное управление с локальным. Общность проблем заключается в единстве принципов сбора, транспортировки и обработки информации. Интернет с самого начала не имел единого центра управления - именно этим объясняется его высокая живучесть.

Человечество во все времена использовало не слишком надежную технику, не очень высококачественные средства телекоммуникаций и достаточно несовершенные процедуры. В настоящее время вычислительные машины во много раз надежнее, чем 40 лет назад, каналы связи заметно сократили частоту ошибок при передаче, однако удельное число ошибок на одну программу, похоже, осталось неизменным.

Но никогда жизнь человека не зависела так сильно от не слишком надежной техники и программ, как сегодня. Все, начиная с мобильного телефона, систем жизнеобеспечения в больнице, платежных средств, управления транспортными потоками и кончая Интернетом, использует изощренные вычислительные средства и программы, связанные друг с другом посредством каналов связи конечной надежности.

Сейчас как никогда нужно научиться, работая с ненадежной техникой, с программами, содержащими ошибки, и с каналами, которые регулярно допускают сбои, добиваться достаточно надежного и достоверного результата, чтобы выжить.

Люди накопили большой опыт в этой области. Если вы что-то не расслышали из-за шума, вы просите повторить сказанное (современные телекоммуникационные средства используют аналогичный алгоритм). Для повышения надежности в каналах используется контроль по четности и избыточные коды для коррекции ошибок. Там, где нужна повышенная надежность вычислений, применяются два вычислителя. Результат воспринимается лишь при идентичных результатах расчета. Но это не поможет, если на обоих вычислителях используются программы, содержащие идентичные ошибки. Можно, конечно, поручить написание программ двум разным фирмам, но это слишком дорого и не всегда возможно.

Таким образом, грядущему поколению людей нужно найти подходы к проблеме, как при ненадежных компонентах создать надежную ЭВМ и как, получив от программистов программу, имеющую десятки ошибок, тем не менее всегда иметь корректный результат.

Это связано не с тем, что компоненты станут менее надежны, совсем наоборот - их надежность заметно возрастет. Но число используемых составляющих еще больше увеличится.

А вот в области повышения корректности программного обеспечения, в том числе того, которое встроено в оборудование (маршрутизаторы, коммутаторы, мобильные телефоны, кабельные модемы, системы цифрового ТВ и т.д.), прогресс не очевиден. Достаточно вспомнить историю эволюции ОС Windows. Здесь следует ради справедливости учесть, что сложность системного программного обеспечения растет лавинообразно. Создается оно большими коллективами людей, часть из которых даже незнакома друг с другом. Например, исходный код ядра системы LINUX содержит сейчас существенно более миллиона строк программы. Требовать, чтобы все эти строки были безукоризненны и взаимосогласованны, можно, но добиться этого практически нереально.

Нужно искать и разрабатывать новые принципы для создания сложного программного обеспечения, которые бы гарантировали более высокий стандарт качества.

Сейчас человечество находится в фазе начала формирования информационного общества. При этом развиваются противоречивые процессы. С одной стороны, создается великое множество оборудования и программ с одной и той же функциональностью. Это хорошо, так как за счет конкуренции стимулируется прогресс и снижаются цены. Но с другой стороны, это многообразие вынуждает создавать великое множество средств взаимосогласования (интерфейсов), как аппаратных, так и программных.

В такой ситуации время от времени возникает мысль выработать единый стандарт, которому бы следовали все разработки (оборудования и программ), чтобы они могли работать друг с другом. При этом может приводиться пример сети Интернет. Именно благодаря стандартизации протоколов эта сеть стала всемирной.

На этом пути нас поджидает опасная ловушка. Тотальная унификация (так же как и тотальная централизация) сделает систему уязвимой для сбоев или целенаправленных атак.

Унификация (ОС, приложений и пр.) особенно опасна, так как унифицированная система может быть разрушена одним "червем" или вирусом за считанные минуты. Создатель был достаточно мудр, чтобы не сделать людей клонами, и снабдил их разными наборами генов.