12,13,14 Телефонная система. Структура телефонной сети и т.д.
12,13,14 Телефонная система. Структура телефонной сети и т.д. 2.4 Телефонные сети Когда надо соединить несколько рядом стоящих компьютеров, то обычно прокладывают кабель. Когда кабель должен пройти через дорогу или пересечь общественные, городские коммуникации дело становиться сложнее, а стоимость огромной. В этих случаях единственным выходом является обратиться к телефонной компании. Телефонная сеть создавалась давно и с целями далекими от тех, которые преследуются при передаче данных между ЭВМ. Поэтому качество передачи данных далеко от совершенства. Однако, ситуация меняется по мере замены меди на оптоволокно и переходе на цифровую систему передачи. Телефонные сети тесно переплетаются с компьютерными сетями, особенно с WAN. Проиллюстрируем проблему. Если соединить две машины проводом, то скорость передачи будет около 107-108 bps. Ошибка возникает где-то раз в день. При такой скорости количество бит переданных между последовательными ошибками будет порядка 1012-1013 бит. Телефонная линия даст не более 104bps и одну ошибку на 105 переданных бит. Разница в 11 порядков! Поэтому много усилий было положено, чтобы научиться использовать столь низкого качества линии для передачи данных между компьютерами. 2.4.1 Немного истории 2.4.2 Структура телефонной сети Структура современного соединения при звонке показана на рис 2-15. В настоящее время все шире используется цифровая передача. Она имеет ряд преимуществ перед аналоговой: затухание и нарушение формы в цифровом случае не столь сильно как в аналоговом при ретрансляции цифрового сигнала проще восстановить его изначальную форму, которая известна точно, чем в случае аналогового сигнала. При ретрансляции аналогового сигнала ошибка накапливается цифровая передача более надежна в силу выше сказанного по цифровой сети можно передавать и данные и голос и музыку одновременно и с большей скоростью. цифровая передача дешевле, так как не надо тратить большие усилия на восстановление формы сигнала. цифровую сеть проще эксплуатировать Итак, современная телефонная сеть состоит из локальных петель магистралей (оптоволоконных или микроволновых) станций коммутации 2.4.3 Локальная петля На рис 2-17 показана организация петли. Как видно из рисунка при передаче данных приходится четыре раза их преобразовывать из цифровой формы в аналоговую и обратно. Несмотря на то, что между станциями коммутации передача осуществляется в цифровой форме в петле она аналоговая. Похоже что она останется таковой в ближайшие 20 лет в силу очень больших затрат на переоборудование. Искажения при передаче При передаче аналогового сигнала есть три источника искажений: затухание искажение формы шум Решение проблемы лежит в использовании несущей частоты в сочетании с разными способами модуляции сигнала. Три основные способа показаны на рис 2-18. При фазовой модуляции несущая частота сдвигается периодически на 45, 135, 225 и 315 градусов. Устройство, которое преобразует поток битов в модулированный сигнал и обратно называется модем. Чтобы увеличить скорость передачи недостаточно увеличивать частоту несущей волны. Надо увеличивать число бит на осциляцию. На рис 2-19 показаны две схемы как это можно делать комбинируя фазовую модуляцию с амплитудной.ъ Для соединения оба модема должны поддерживать одну и ту же схему модуляции. Схема на рис 2-19b соответствует стандарту UTI V-32 на 9600 bps. Для 14,400 применяется стандарт V32 bis. Для 24,800bps - V34. В моде также встраиваются средства для контроля и коррекции ошибок, используя специальные коды. Самый простой способ - добавление бита четности. В сочетании с кодами, исправляющим ошибку используются алгоритмы сжатия. Например, широко распространенный алгоритм MNP 5 убирает из потока повторяющиеся байты. Есть и другие. 2.4.4 Магистраль и мультиплексирование Одним из существенных достижений телефонных компаний - магистрали с мультиплексированием данных. Эти компании научились запускать по одному и тому же кабелю несколько разговоров одновременно. Это чрезвычайно важно, так как позволяет распределить стоимость по прокладке кабеля между многими абонентами. Созданные ими схемы мультиплексирования можно разделить на два большие класса: мультиплексирование с разделением частот и мультиплексирование с разделением по времени. Идея мультиплексирования с разделением частот очень проста: весь диапазон частот разбивается на каналы и по каждому каналу идет независимая передача. Пример: трансляция на УКВ. При мультиплексировании с разделением по времени все время работы канала разделяется на кванты. Каждый разговор, передача данных занимает поочередно один квант времени. Мультиплексирование с разделением частот. На рис 2-24 показано как три телефонных канала могут быть мультиплексированы. Мультиплексирование с разделением по времени. Частотное мультиплексирование требует применения аналоговых схем и мало пригодно для управления компьютером. Мультиплексирование с разделением времени наоборот хорошо соответствует возможностям компьютера. Следует отметить, что он подходит только для работы с данными в цифровой форме. Поэтому сначала аналоговый сигнал надо отцифровать. Отцифровка сигнала происходит на АТС куда приходит петля с аналоговым сигналом с помощью устройства, называемого кодек (codec - coder-decoder). Codec снимает показания с линии 8000 раз в секунду ( каждый 125 mсек). Теорема Найквиста говорит, что бессмыслено опрашивать канал с пропускной способностью 4000Гц чаще чем 8000 раз в секунду. Такой способ отцифровки данных называется импульсно кодовая модуляция (РСМ). Он составляет основу современных телефонных систем. Когда РСМ стало развиваться, МКТТ не смогла добиться международного стандарта. В результате в разных странах действуют разные соглашения и приходиться ставить "черные ящики" на стыках систем, чтобы согласовать передачу. На рис 2-26 показан стандарт распространенный в США и Японии Т1. Канал Т1 мультиплексирует 24 голосовых канала в течении каждых 125 mсек. Каждый канал отцифровывается последовательно один за другим, а не все одновременно. Каждый канал несет 8 бит: 7 бит - данные, 1 бит - сигнальный. Кроме этого Т1 кадр начинается со специального сигнального бита. Итого Т1 кадр несет 193 бита. Общая скорость передачи такого канала 125 mсек по 193 бита дает 1544Мbps. Собственно для данных используется 23 байта, а 24 байт используется для синхронизации. В Европе и Великобритании используется другой стандарт Е1. Основный его отличия состоят в том, что: сокращено число бит на синхронизацию; используются все 8 разрядов в байте, а не 7 как в Т1. используется 32 8 разрядных канала в 125 mсек, т.е. скорость достигается 2048 Мbps. При использовании техники отцифровки аналогового сигнала возникает искушение сжать передаваемые данные. Метод разностной импульсно кодовой модуляции. Идея его в том, что если разность между соседними значениями не превосходит например 16, в то время как собственно значения колеблются в диапазоне [-64;+64], то вместо 6 разрядов нам потребуется всего 4. Есть другой метод, так называемая, дельта модуляция. В этом методе предполагается, что соседние значения отличаются не более чем на 1. Для голоса этот метод работает не плохо. Он показан на рис 2-27. Другой метод - основан на экстраполяции очередного значения, на основе предыдущих. При этом передается разница между предсказанием и фактическим значением. Очевидно, что на обоих концах канала должен быть использован один и тот же алгоритм предсказания. Мультиплексирование с разделением времени позволяет мультиплексировать смультиплексированные каналы. Так согласно стандарту Т1 4 канала Т1 могут быть объединены в один, затем 6 в один и 7 в один. Согласно Е1 каналы могут группироваться только 4, но имеется 4 уровня вложенности, а не три как в Т1. Кодовая модуляция осуществляеться путем использования кодов, там инвертированных 1 такой а для 0 будет инвертированный – это и будет один канал в сумме дающий ноль.
