Чтобы определить, на какой интерфейс следует передать поступившие данные, коммутатор должен определить, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает на вход коммутатора только один «чистый» поток или «смешанный» поток, являющийся результатом агрегирования нескольких потоков. В последнем случае к задаче распознавания потоков добавляется задача демультиплексирования, то есть разделения суммарного агрегированного потока на несколько составляющих его потоков.
Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция - мультиплексирование. При мультиплексировании из нескольких отдельных потоков образуется общий агрегированный поток, который можно передавать по одному физическому каналу связи.
Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы для каждого потока предусматривать отдельный канал, что привело бы к большому количеству параллельных связей в сети и свело бы «на нет» все преимущества неполносвязной сети.
На рис. 5.5 показан фрагмент сети, состоящий из трех коммутаторов. Коммутатор 1 имеет пять сетевых интерфейсов. Рассмотрим, что происходит на интерфейсе Инт. 1. Сюда поступают данные с трех интерфейсов - Инт. 3, Инт. 4 и Инт. 5. Все их надо передать в общий физический канал, то есть выполнить операцию мультиплексирования. Мультиплексирование является способом разделения имеющегося одного физического канала между несколькими одновременно протекающими сеансами связи между абонентами сети.
Рисунок 5.5. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации
Одним из основных способов мультиплексирования потоков является разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает физический канал в полное свое распоряжение и передает по нему свои данные. Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне.
Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммарного потока выполнять обратную операцию - разделение (демультиплексирование) данных на слагаемые потоки. На интерфейсе Инт. 3 коммутатор выполняет демультиплексирование потока на три составляющих его подпотока. Один из них он передает на интерфейс Инт. 1, другой - на Инт. 2, а третий - на Инт. 5. А вот на интерфейсе Инт. 2 нет необходимости выполнять мультиплексирование или демультиплексирование - этот интерфейс выделен одному потоку в монопольное использование. Вообще говоря, на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе функции - мультиплексирования и демультиплексирования.
Рисунок 5.6. Мультиплексор и демультиплексор
5.5. Разделяемая среда передачи данных
Еще одним параметром разделяемого канала связи является количество подключенных к нему узлов. В приведенных выше примерах к каждому каналу связи подключались только два взаимодействующих узла, точнее - два интерфейса (рис. 5.7, а и б). В телекоммуникационных сетях используется и другой вид подключения, когда к одному каналу подключается несколько интерфейсов (рис. 5.7, в ). Такое множественное подключение интерфейсов порождает уже рассматривавшуюся выше топологию «общая шина», иногда называемую также шлейфовым подключением. Во всех этих случаях возникает проблема организации совместного использования канала несколькими интерфейсами. Возможны различные варианты разделения каналов связи между интерфейсами. На рис. 5.7, а коммутаторы К1 и К2 связаны двумя однонаправленными физическими каналами, то есть такими, по которым информация может передаваться только в одном направлении. В этом случае передающий интерфейс является активным, и физическая среда передачи находится под его управлением. Пассивный интерфейс только принимает данные. Проблема разделения канала между интефейсами здесь отсутствует. (Заметим, однако, что задача мультиплексирования потоков данных в канале при этом сохраняется.) На практике два однонаправленных канала, реализующие в целом дуплексную связь между двумя устройствами, обычно рассматриваются как один дуплексный канал, а пара интерфейсов одного устройства - как передающая и принимающая части одного и того же интерфейса. На рис. 5.7, б коммутаторы К1 и К2 связаны каналом, который может передавать данные в обе стороны, но только попеременно. При этом возникает необходимость в механизме синхронизации доступа интерфейсов К1 и К2 к такому каналу. Обобщением этого варианта является случай, показанный на рис. 5.7, в , когда к каналу связи подключаются несколько (больше двух) интерфейсов, образуя общую шину.
Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал называют разделяемым (shared). Часто применяют также термин разделяемая среда передачи данных. Разделяемые каналы связи требуются не только для связей типа коммутатор-коммутатор, но и для связей компьютер-коммутатор и компьютер-компьютер.
Рисунок 5.7 Совместное использование канала связи
Существуют различные способы решения задачи организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. Одни из них подразумевают централизованный подход, когда доступом управляет специальное устройство - арбитр, другие - децентрализованный. Внутри компьютера проблемы разделения линий связи между различными модулями также существуют - примером является доступ к системной шине, которым управляет либо процессор, либо специальный арбитр шины. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи, поэтому процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком большой промежуток времени и приводить к значительным потерям производительности сети. Именно по этой причине разделяемые между интерфейсами среды практически не используются в глобальных сетях.
В локальных же сетях разделяемые среды используются достаточно часто благодаря простоте и экономичности их реализации. Этот подход, в частности, применяется в доминирующей сегодня в локальных сетях технологии Ethernet, а также в популярных в прошлом технологиях Token Ring и FDDL
Однако в последние годы стала преобладать другая тенденция - отказ от разделяемых сред передачи данных и в локальных сетях. Это связано с тем, что за достигаемое таким образом удешевление сети приходится расплачиваться производительностью.
ВНИМАНИЕ
Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов будет работать всегда медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными двухточечными линиями связями, так как пропускная способность линии связи при ее совместном использовании делится между несколькими компьютерами сети.
И тем не менее не только в классических, но и в некоторых совсем новых технологиях, разработанных для локальных сетей, сохраняется режим разделяемых линий связи. Например, разработчики технологии Gigabit Ethernet, принятой в 1998 году в качестве нового стандарта, включили режим разделения среды в свои спецификации наряду с режимом работы по индивидуальным линиям связи.
Мультиплексирование с разделением времени
Принцип действия мультиплексора прост: поступающие по нескольким входящим низкоскоростным линиям сигналы передаются в отведенном для каждого из них частотном диапазоне или интервале времени по высокоскоростной исходящей линии. На противоположном конце высокоскоростной линии эти сигналы вычленяются, или демультиплексируются.
В соответствии со способом уплотнения технологии мультиплексирования можно разделить на две основные категории: мультиплексирование с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM). При частотном мультиплексировании частотный спектр делится на логические каналы, причем каждый пользователь получает этот канал в свое распоряжение на время разговора. При временном мультиплексировании пользователям периодически выделяется вся полоса, но только на краткий период времени.
ВРЕМЕННОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
При мультиплексировании с разделением по времени каждое устройство или входящий канал получают в свое распоряжение всю пропускную способность линии, но только на строго определенный промежуток времени каждые 125 мкс (см. Рисунок 2). Последнее значение соответствует циклу дискретизации, так как при ИКМ каждую 1/8000 долю секунды необходимо производить измерение амплитуды аналогового сигнала. Время передачи восьмиразрядного значения мгновенной амплитуды называется квантом времени (time slot) и равно длительности передачи восьми импульсов (один для каждого бита). Последовательность квантов времени, следующих с вышеуказанным интервалом, образует временной канал. Совокупность каналов за один цикл дискретизации составляет кадр.
При временном мультиплексировании вся пропускная способность исходящей линии предоставляется на фиксированный промежуток времени входящей линии меньшей емкости.
В Европе, как и в остальном мире, за исключением США и Японии, стандартной системой является ИКМ-32/30 (или E-1) с 32 временными каналами по 64 кбит/с, в которой 30 каналов используются в качестве информационных для передачи голоса, данных и т. д., а два - в качестве служебных, причем один из служебных каналов предназначен для сигнализации (служебных сигналов установления связи), другой - для синхронизации. Как нетрудно подсчитать, общая емкость системы составляет 2,048 Мбит/с.
Система E-1 образует так называемую первичную группу. Вторичную группу E-2 образуют 4 канала E-1 общей емкостью 8,448 Мбит/с, третичную систему E-3 - четыре канала E-2 (или шестнадцать каналов E-1) общей емкостью 34,368 Мбит/с, а четверичную группу - четыре канала E-3 общей емкостью 139,264 Мбит/с. Эти системы образуют европейскую плезиохронную цифровую иерархию.
Принцип последовательного мультиплексирования каналов проиллюстрирован на Рисунке 3. Четыре канала E-1 мультиплексируются в один канал E-2, причем на этом и последующих уровнях мультиплексирование осуществляется побитно, а не побайтно, как это имело место в случае мультиплексирования 30 голосовых каналов в один канал E-1. Суммарная емкость четырех каналов E-1 составляет 8,192 Мбит/с, в то время как полная емкость E-2 равна в действительности 8,448 Мбит/с. Избыточные биты используются для обрамления и восстановления синхронизации. Затем четыре канала E-2 мультиплексируются в один канал E-3 и т. д.
рис.3
Как малые притоки сливаются в одну большую реку, так и низкоскоростные линии объединяются в высокоскоростные с помощью иеархии мультиплексоров.
Принятый в Северной Америке и Японии, стандарт определяет канал T-1 (формат кадра DS1). Канал T-1 состоит из 24 мультиплексированных голосовых каналов, причем изначально предполагалось, что амплитуда аналогового сигнала будет выражаться 7-разрядным двоичным числом, а один бит использоваться для целей управления (сигнализации). Кроме того, помимо 192 бит каждый кадр имеет еще один бит для синхронизации. Таким образом, общая емкость канала T-1 составляет 1,544 Мбит/с. Однако в конце концов все 8 бит были отведены под данные, а сигнализация стала осуществляться одним из следующих двух способов. При сигнализации по общему каналу 193-й бит в каждом нечетном кадре служит для целей синхронизации, а в каждом четном - для сигнализации. Суть другого метода заключается в том, что каждый канал имеет свой собственный подканал для передачи сигнальной информации (один бит в каждом шестом кадре).
В предыдущих уроках мы рассмотрели такое типичное для компьютерных сетей оборудование, как мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Однако ввиду все более тесной интеграции компьютерных и телефонных сетей (сетей связи вообще) для администраторов и даже пользователей знание общих принципов организации телефонных сетей становится все более обязательным, в особенности если они работают с глобальными сетями. Поэтому в данном уроке мы и решили рассмотреть такую технологию (точнее, технологии), как мультиплексирование.
Прокладка и эксплуатация низкоскоростной магистральной линии между двумя АТС обходится почти во столько же, во сколько и высокоскоростной линии, так как основные затраты приходятся отнюдь не на покупку медного или оптического кабеля, а, вообще говоря, на рытье траншеи для укладки кабеля. Для передачи нескольких телефонных разговоров по одной физической линии телефонные компании и разработали технологии уплотнения, или мультиплексирования.
МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ В ДВУХ СЛОВАХ
Принцип действия мультиплексора прост: поступающие по нескольким входящим низкоскоростным линиям сигналы передаются в отведенном для каждого из них частотном диапазоне или интервале времени по высокоскоростной исходящей линии. На противоположном конце высокоскоростной линии эти сигналы вычленяются, или демультиплексируются.
В соответствии со способом уплотнения технологии мультиплексирования можно разделить на две основные категории: мультиплексирование с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM). При частотном мультиплексировании частотный спектр делится на логические каналы, причем каждый пользователь получает этот канал в свое распоряжение на время разговора. При временном мультиплексировании пользователям периодически выделяется вся полоса, но только на краткий период времени.
ЧАСТОТНОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
Как известно, человеческая речь может быть адекватно передана частотами в диапазоне от 300 до 3400 Гц, т. е. необходимый частотный интервал составляет 3100 Гц. Однако при мультиплексировании нескольких голосовых каналов каждому из них выделяется диапазон в 4000 Гц, чтобы они не перекрывались. Частота каждого канала увеличивается каждая на свою величину, кратную 4 кГц, затем каналы комбинируются. В результате каналы разносятся по всему спектру частот данной линии. Каналы отделены друг от друга так называемыми защитными интервалами (см. Рисунок 1).
Рисунок 1.
При частотном мультиплексировании весь частотный диапазон разбивается
на несколько каналов. Чтобы каналы не перекрывались, они отделены друг
от друга защитными интервалами.
Схемы мультиплексирования FDM в достаточной мере стандартизованы. Наибольшее распространение получил стандарт, согласно которому двенадцать голосовых каналов шириной 4000 Гц мультиплексируются в диапазоне частот от 60 до 108 кГц. Такой блок называется группой. Диапазон с 12 до 60 кГц используется иногда для другой группы.
Разновидностью технологии частотного мультиплексирования, используемой в случае оптических линий связи, является мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Физически мультиплексирование осуществляется следующим образом: несколько волокон подводится к призме (или чаще дифракционной решетке), световые пучки пропускаются через призму и попадают в общее волокно. На противоположном конце пучки разделяются с помощью другой призмы. Если каждый подводимый пучок ограничен своим частотным диапазоном, то они не будут перекрываться. Оптические системы полностью пассивны и, как результат, более надежны.
ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Современный мир становится все более компьютеризованным и, как следствие, цифровым; разумеется, эта тенденция не обошла стороной и телефонные сети. Цифровые системы получают все более широкое распространение, и в итоге частотное мультиплексирование уступает свое место временному мультиплексированию. Однако, прежде чем человеческую речь, по природе своей аналоговую, можно будет передавать по цифровой сети, ее надо преобразовать в дискретную форму. Это достигается с помощью импульсно-кодовой модуляции (Pulse-Code Modulation). Поэтому в современных цифровых телефонных сетях связи временное мультиплексирование тесно связано с импульсно-кодовой модуляцией.
Согласно теореме Котельникова, частота дискретизации должна вдвое превышать максимальную частоту спектра частот аналогового сигнала для его корректного воспроизведения, таким образом, измерения амплитуды должны производиться 8000 раз в секунду в случае человеческой речи. Значение амплитуды приближается 8-разрядным двоичным числом, поэтому скорость передачи должна составлять 64 кбит/с. Как следствие, в цифровых сетях информационный канал на 64 кбит/с - базовый для исчисления скорости всех более емких каналов связи.
ВРЕМЕННОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
При мультиплексировании с разделением по времени каждое устройство или входящий канал получают в свое распоряжение всю пропускную способность линии, но только на строго определенный промежуток времени каждые 125 мкс (см. Рисунок 2). Последнее значение соответствует циклу дискретизации, так как при ИКМ каждую 1/8000 долю секунды необходимо производить измерение амплитуды аналогового сигнала. Время передачи восьмиразрядного значения мгновенной амплитуды называется квантом времени (time slot) и равно длительности передачи восьми импульсов (один для каждого бита). Последовательность квантов времени, следующих с вышеуказанным интервалом, образует временной канал. Совокупность каналов за один цикл дискретизации составляет кадр.
Рисунок 2.
При временном мультиплексировании вся пропускная способность исходящей
линии предоставляется на фиксированный промежуток времени входящей линии
меньшей емкости.
В Европе, как и в остальном мире, за исключением США и Японии, стандартной системой является ИКМ-32/30 (или E-1) с 32 временными каналами по 64 кбит/с, в которой 30 каналов используются в качестве информационных для передачи голоса, данных и т. д., а два - в качестве служебных, причем один из служебных каналов предназначен для сигнализации (служебных сигналов установления связи), другой - для синхронизации. Как нетрудно подсчитать, общая емкость системы составляет 2,048 Мбит/с.
Система E-1 образует так называемую первичную группу. Вторичную группу E-2 образуют 4 канала E-1 общей емкостью 8,448 Мбит/с, третичную систему E-3 - четыре канала E-2 (или шестнадцать каналов E-1) общей емкостью 34,368 Мбит/с, а четверичную группу - четыре канала E-3 общей емкостью 139,264 Мбит/с. Эти системы образуют европейскую плезиохронную цифровую иерархию.
Принцип последовательного мультиплексирования каналов проиллюстрирован на Рисунке 3. Четыре канала E-1 мультиплексируются в один канал E-2, причем на этом и последующих уровнях мультиплексирование осуществляется побитно, а не побайтно, как это имело место в случае мультиплексирования 30 голосовых каналов в один канал E-1. Суммарная емкость четырех каналов E-1 составляет 8,192 Мбит/с, в то время как полная емкость E-2 равна в действительности 8,448 Мбит/с. Избыточные биты используются для обрамления и восстановления синхронизации. Затем четыре канала E-2 мультиплексируются в один канал E-3 и т. д.
Рисунок 3.
Как малые притоки сливаются в одну большую реку, так и низкоскоростные
линии объединяются в высокоскоростные с помощью иеархии мультиплексоров.
Принятый в Северной Америке и Японии, стандарт определяет канал T-1 (формат кадра DS1). Канал T-1 состоит из 24 мультиплексированных голосовых каналов, причем изначально предполагалось, что амплитуда аналогового сигнала будет выражаться 7-разрядным двоичным числом, а один бит использоваться для целей управления (сигнализации). Кроме того, помимо 192 бит каждый кадр имеет еще один бит для синхронизации. Таким образом, общая емкость канала T-1 составляет 1,544 Мбит/с. Однако в конце концов все 8 бит были отведены под данные, а сигнализация стала осуществляться одним из следующих двух способов. При сигнализации по общему каналу 193-й бит в каждом нечетном кадре служит для целей синхронизации, а в каждом четном - для сигнализации. Суть другого метода заключается в том, что каждый канал имеет свой собственный подканал для передачи сигнальной информации (один бит в каждом шестом кадре).
СИНХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ
Необходимость принятия единого стандарта для систем связи в Европе и Америке, а также потребность в повышении максимальной скорости передачи и встроенных средствах управления сетью связи привели к разработке синхронной цифровой иерархии SDH (к сожалению, североамериканский вариант этого стандарта под названием SONET несколько отличается от европейского, хотя эти различия не столь существенны, как в случае, например, иерархии каналов T-1, T-2... и E-1, E-2...).
В SDH синхронный транспортный модуль (STM-1) образует нижний уровень иерархии. Он эквивалентен синхронному транспортному сигналу STS-3c в иерархии SONET с емкостью 155,52 Мбит/с. Четыре модуля STM-1 мультиплексируются в STM-4 (=STS-12c) c емкостью 622,08 Мбит/с, а четыре модуля STM-4 - в STM-12 (=STS-48c) с емкостью 2,488 Гбит/с. Иерархия определяет и более высокие уровни.
Мультиплексирование осуществляется побайтно, а не побитно, т. е., например, когда четыре потока данных STM-1 объединяются в STM-4, мультиплексор сначала отправляет один байт из первого потока, затем один байт из второго и т. д. по кругу.
Одно из наиболее важных отличий синхронной от плезиохронной иерархии - это возможность выделения нужного канала вплоть до уровня E-1 без демультиплексирования всего транспортного сигнала. Это привело к появлению принципиально иного типа мультиплексоров - мультиплексоров с добавлением и выделением отдельных каналов (в английской терминологии - add-drop multiplexer, а в русской технической литературе их кратко называют мультиплексорами ввода/вывода).
Кроме того, многие мультиплексоры стали выполнять и функции кроссовой коммутации (впрочем, может быть и наоборот, но это уже спор о курице и яйце). Мультиплексоры с кроссовой коммутацией (cross-connect multiplexor) позволяют осуществлять концентрацию и разделение потоков (функции мультиплексирования и демультиплексирования) наряду с переключением цифровых сигналов с одного канала на другой в соответствии с определенными правилами (функции коммутации).
ИНВЕРСНОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
В случае, когда организации необходимо иметь линию определенной пропускной способности, а предлагаемые емкости или слишком малы (например, Е-1), или слишком велики (скажем, E-3), тогда-то и пригодится устройство под названием инверсный мультиплексор. Данное устройство позволяет распределять входящий поток данных между несколькими исходящими линиями с меньшей емкостью, чем совокупный объем получаемых данных в единицу времени (см. Рисунок 4). Таким образом, например, заказчик может получить канал, эквивалентный по емкости двум E-1. Преимуществом такого подхода по сравнению с независимым подключением двух линий E-1 состоит, например, в том, что инверсный мультиплексор позволяет динамически распределять нагрузку между ними.
Рисунок 4.
Инверсное мультиплексирование заставляет вспомнить течение реки: огибая
острова, она разбивается на протоки, которые затем опять сливаются воедино.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном уроке мы рассмотрели основные технологии мультиплексирования, применяемые в телефонных сетях. Телефония все теснее переплетается с миром компьютеров, во всяком случае, все чаще и чаще они используют одну и ту же транспортную сеть как в глобальных, так и локальных сетях, не говоря уже о том, что такая "горячая" технология ATM появилась, как один из вариантов широкополосной цифровой сети с интеграцией услуг. И, кстати говоря, ATM было бы правильнее назвать асинхронным временным мультиплексированием. Предшественник ATM, технология асинхронного временного разделения (Asynchronous Time Division, ATD), был разработан в лабораториях France Telecom как вариация TDM. Ее важнейшим отличием от TDM стало динамическое предоставление канала, а не на все время соединения (телефонного разговора); заголовок же позволял определить, к какому соединению принадлежат данные. Как следствие, доступная емкость использовалась более эффективно. Теперь наследник ATD претендует на роль единой технологии как глобальных, так и локальных сетей. Но это уже тема другого разговора.
Дмитрий Ганьжа - ответственный редактор LAN. С ним можно связаться по адресу:
В волоконно-оптических системах связи и передачи информации используются различные методы и технологии передачи и обработки сигналов, в том числе технологии временного (TDM) и спектрального (DWDM) мультиплексирования и демультиплексирования. В настоящей статье кратко излагаются принципы построения и основы традиционных систем передачи информации, использующих TDM-технологии, их эволюция, возможности и ограничения, а также приводятся общие сравнения с системами, использующими технологии WDM-мультиплексирования.
Временное мультиплексирование
Уникальные возможности оптических волокон передавать на огромные расстояния сигналы в суперширокой полосе частот, с одной стороны, и растущая потребность в повышении информационной емкости каналов связи, с другой, обусловили необходимость разработки методов мультиплексирования (уплотнения) информационных каналов и создания мультиплексных систем.
Первым методом мультиплексирования, который сразу же стал применяться в волоконно-оптических системах и сетях связи, явился метод временного мультиплексирования.
При временном мультиплексировании каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую, отводится определенный интервал времени для передачи информации. То есть в первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одного информационного канала, во второй - другого и т. д. Таким образом, информация каждого канала передается с помощью одного источника излучения по очереди, последовательно. Каждому каналу отводится свой временной интервал или временное окно. Длительность этого временного окна определяется различными факторами, главными из которых являются скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи. Прибором, устанавливающим очередность и временной интервал передачи информации на входе линии, является временной мультиплексор. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, который преобразует оптический сигнал в электрический, определяет номер канала, то есть идентифицирует его, и направляет информацию соответствующему пользователю. Таким образом, мультиплексирование и демультиплексирование осуществляются только электронными средствами с помощью электрических сигналов управления. На рис. 1 показана схема передачи сигнала по ВОЛС с временным мультиплексированием.
Рис. 1.
Использование технологии TDM в настоящее время обеспечило ввод в широкую эксплуатацию одноканальных (по оптической несущей) волоконно-оптических линий передачи (один источник - одно волокно - один фотоприемник) со скоростями передачи 10 Гбит/с. ВОЛС с такими скоростями передачи постепенно замещают линии со скоростями 2,5 Гбит/с. В стадии практической реализации находится сейчас ВОЛС следующего поколения с информационной емкостью канала 40 Гбит/с, исследуются возможности создания TDM-систем на скорости передачи 100 Гбит/с.
Скорости в 10 Гбит/с, на наш взгляд, представляют некоторую поворотную точку в TDM-технологиях. Ниже этой скорости характеристики большинства существующих волоконно-оптических трактов практически не влияют на качество передачи информации; при превышении скоростей передачи 10 Гбит/с эти характеристики должны уже более тщательно проверяться и корректироваться.
Прежде всего необходимо учитывать хроматическую дисперсию волокна - зависимость скорости распространения света от длины волны оптического излучения, обусловленную, в свою очередь, соответствующей зависимостью коэффициента преломления света в оптическом волокне от длины волны.
Дисперсия приводит к уширению оптических импульсов в волокне, и при скоростях передачи информации 10 Гбит/с (стандарт ОС-192) ее влияние на ограничение в скорости передачи проявляется уже в 16 раз сильнее, нежели при скоростях в 2,5 Гбит/с (стандарт ОС-48). Методы, которые позволяют компенсировать хроматическую дисперсию в уже проложенных оптических волокнах, в принципе разработаны, но они неизбежно приводят к возрастанию потерь в системе, ее существенному усложнению и повышению стоимости. Для стандартного одномодового волокна (типа G.652) максимальное расстояние, на которое можно передавать информацию со скоростью 10 Гбит/с с помощью стандартных источников излучения и без применения специальных мер компенсации дисперсии и коррекции сигнала, ограничивается пределами 50ё 75 км.
На первых этапах создания гигабитных ВОЛС с целью подавления дисперсии в качестве источников излучения было предложено применять узкополосные полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения, близкой (но не равной) длине волны, на которой в волокне имеет место нулевая дисперсия. Это должно было бы позволить также избежать четырехволнового смешения в волокне, приводящего к перекрестным помехам в ВОЛС. Однако оказалось, что при прямой модуляции лазеров по току питания кроме амплитудной происходит и частотная модуляция, то есть изменяется длина волны излучения лазера. Это явление, известное как “чирпинг”, приводит к достаточно сильному разбросу генерируемых импульсов по спектральному составу оптического излучения и, следовательно, к проявлению таких нежелательных эффектов, как упомянутые выше четырехволновое смешение и хроматическая дисперсия.
Но даже если и удается каким-либо способом компенсировать хроматическую дисперсию волокна на скоростях передачи c 10 Гбит/с и более, начинает проявляться поляризационно-модовая дисперсия (ПМД), которая также приводит к ограничению скорости передачи информации в линии. ПМД есть следствие различия скоростей распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, распространяющихся в одномодовом волокне, которое, в свою очередь, может быть вызвано целым рядом факторов, влияющих на величину двулучепреломления волокна и на взаимодействие (или смешение) мод.
Кроме этого, разработка TDM-систем, обеспечивающих дальнейшее (за пределы 10 Гбит/с) повышение скорости передачи информации, также требует разработки и применения новых сверхбыстрых электронных систем модуляции, коммутации и приема лазерного излучения в ВОЛС. Подобные проблемы неизбежно возникают и при создании систем коррекции ошибок в ВОЛС с такими скоростями.
Таким образом, можно сказать, что TDM-технологи, даже при значительном усовершенствовании, могут быть практически использованы в ВОЛС со скоростями передачи информации в десятки Гбит/с, при этом также остается открытым вопрос экономической целесообразности таких решений. Для создания более широкополосных ВОЛС необходимо было либо прокладывать новые волоконно-оптические линии, либо искать новые решения, позволяющие мультиплексировать отдельные TDM-каналы и передавать их по одному волокну одновременно.
Спектральное мультиплексирование
Таким решением явилась разработка технологии спектрального мультиплексирования (DWDM), которые позволяют увеличивать скорости передачи информации в ВОЛС за счет одновременной передачи по волокну нескольких TDM-каналов на различных длинах волн.
Оптическая схема построения ВОЛС, использующая DWDM-технологии, приведена на рис. 2. В схеме имеется набор оптических передатчиков, излучающих на длинах волн l n на одном конце линии, и набор соответствующих фотоприемников на другом. На каждой из этих длин волн l n может независимо передаваться один из TDM-сигналов системы, таким образом обеспечивается одновременная передача всех TDM-каналов. Необходимыми элементами таких ВОЛС являются волоконно-оптические усилители, мультиплексоры, демультиплексоры, блоки ввода-вывода оптических каналов (или мультиплексоры с устройствами ввода-вывода), коммутаторы и, естественно, волоконно-оптические кабели. Каждый из этих элементов является важным для правильного функционирования системы в целом, характеристики каждого должны быть тщательно определены и заданы.
а
- Мультиплексоры с устройством ввода-вывода
b
- Оптические усилители
c
- Оптические переключатели
Рис. 2.
Критерии выбора компонентов для DWDM-систем определяются рядом достаточно жестких требований, главным из которых является требование о том, что все каналы должны иметь равную пропускную способность по всему оптическому пути прохождения и обработки сигналов.
Это означает, что оптические источники, мультиплексоры, демультиплексоры, оптические усилители и само волокно должны иметь характеристики, полностью обеспечивающие реализацию заданных параметров создаваемой локальной сети. Поэтому оптические характеристики пассивных и активных компонентов локальной сети, такие, как вносимые и обратные потери, дисперсия, поляризационные эффекты и пр. должны тщательно измеряться и контролироваться в зависимости от длины волны в пределах спектральной полосы DWDM-системы. Как правило, DWDM-системы содержат значительно больше сложных устройств и элементов по сравнению с системами, работающими на одной длине волны, и поэтому контроль их параметров осуществлять значительно сложнее. К таким устройствам и элементам относятся мультиплексоры и демультиплексоры, узкополосные фильтры, получаемые методами тонкопленочной технологии, сплавные биконические разветвители, устройства ввода-вывода на основе волноводных дифракционных решеток, объемные брэгговские фильтры и брэгговские фильтры на основе дифракционных решеток.
В дополнение к этому должно быть точно установлено и учтено волоконно-оптических усилителей на качество и целостность спектра оптических сигналов и, наконец, должны быть учтены и сведены к минимуму эффекты взаимодействия спектральных каналов между собой, с тем чтобы свести к минимуму перекрестные помехи, которые могут привести к искажению информации в различных элементах сети.
Таким образом, даже на первый взгляд видно, что системы связи, использующие DWDM-технологии, являются более сложными и дорогими по сравнению с существующими одноканальными ВОЛС. Однако, если учесть, что значительную часть стоимости строительства новых ВОЛС и сетей связи составляет стоимость оптического кабеля и его прокладки, то сравнительный анализ показывает, что применение DWDM-технологии позволяет существенно снизить затраты в расчете на 1 бит информации, т. е. сеть становится более дешевой. Кроме того, появляется возможность более гибкого маркетинга информационными каналами: можно будет приобретать или брать в аренду не только кабель или волокно, но и отдельную длину волны. Таким образом, DWDM-технологии способны обеспечить возможности многократного расширения полосы передаваемых частот в сети без ее капитальной реконструкции и прокладки нового кабеля. В настоящее время в мире уже практически реализованы и функционируют DWDM-системы с 64 спектральными каналами, на стадии завершения разработки находятся системы на 128 спектральных каналов. В 2001 году первые DWDM-системы уже появились и в России.
И связи , мультиплекси́рование (англ. multiplexing, muxing ) - уплотнение канала, то есть передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.
В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью - медный или оптический кабель, радиоканал.
В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один. Примером может послужить видеофайл, в котором поток (канал) видео объединяется с одним или несколькими каналами аудио.
Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором .
Принципы мультиплексирования
Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM)
Технология
Поскольку исходящий канал может быть занят, на входах предусмотрены буферы для хранения пакетов. В связи с этим некоторые пакеты могут быть доставлены в место назначения с переменными задержками.
Основные применения
- сети коммутации пакетов, в том числе сети с быстрой коммутацией пакетов .
См. также
Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)
Технология
Мультиплексирование с разделением по длине волны (англ. WDM , Wavelength Division Multiplexing ) предполагает передачу по одному оптическому волокну каналов на различных длинах волн. В основе технологии лежит факт того, что волны с разными длинами распространяются независимо друг от друга. Выделяют три основных типа спектрального уплотнения: WDM, CWDM и DWDM.
Основные применения
- городские сети передачи данных
- магистральные сети передачи данных
Применение мультиплексирования современными провайдерами ШПД
Мультиплексирование (см. Овербукинг) современными провайдерами ШПД обусловлено экономическими и технологическими особенностями сетей передачи данных.
Экономические особенности передачи данных состоят в следующем. При вводе в одну точку подключения 100 Мбит/сек полосы провайдер в состоянии подключить порядка 100 клиентов с заявленной скоростью в 100 Мбит/сек, без потери видимого ощущения скорости Интернета. Рассмотрим подробнее: допустим, стоимость 100 Мбит/сек равна 100 000 р. Не каждая фирма или частное лицо способно оплачивать постоянный доступ по такой цене. Если провайдер назначит цену в 2 000 р. за доступ к такой полосе, и продаст этот доступ 50-100 пользователям, он получит прибыль, а пользователи - доступную услугу.
Что касается скорости доступа для пользователей. Допустим, 10 из 100 пользователей одновременно скачивают «тяжелый» контент из сети. У каждого провайдера стоит система распределения нагрузки, то есть заполучить весь канал в 100 Мбит/сек у пользователя не получится. Система ограничит ваш канал по определенной формуле, но даже при скорости скачивания в 10 Мбит/сек загрузка файла размером в 30 Мбайт займет не более 30 секунд. Далее ваша нагрузка на канал сведется к просмотру страниц и пользованию почтой. Если масштабировать ситуацию и принять, что у провайдера таких каналов связи и, соответственно, пользователей больше в сотни и тысячи раз, можно представить, что в каждый определенный промежуток времени каждый пользователь физически не способен запрашивать столько информации, чтобы загрузить канал. Поэтому скорость может незначительно снижаться в «часы пик» и оставаться на заявленном уровне в остальное время.
Примечания
См. также
Литература
- Д. Дэвис, Д. Барбер, У. Прайс, С. Соломонидес. Вычислительные сети и сетевые протоколы = Computer Networks and their Protocols / Пер. с англ. под ред. д.т.н., проф. С. И. Самойленко. - М. : "Мир", 1982. - 562 с. - 10,000 экз.
