Телефонными компаниями разработан проект под названием ISDN (Integrated Services Digital Network - цифровая сеть с интеграцией служб). Стандарт ISDN обеспечивает доставку абонентам по обычным кабельным системам абонентских линий оцифрованных речевых сигналов и данных. В линиях ISDN используются такие же кабельные системы на основе медного кабеля типа витой пары, как и в аналоговой телефонной системе.
В сетях ISDN при передаче аналогового сигнала осуществляется преобразование его в последовательность цифровых значений, а при приеме - обратное преобразование.
Аналоговый сигнал проявляется как постоянное изменение амплитуды во времени. Например, при разговоре по телефону, который действует как преобразователь акустических сигналов в электрические, механические колебания воздуха (чередование высокого и низкого давления) преобразуются в электрический сигнал с такой же характеристикой огибающей амплитуды. Однако непосредственная передача аналогового электрического сигнала по телефонной линии связи сопряжена с рядом недостатков: искажение сигнала вследствие его нелинейности, которая увеличивается усилителями, затухание сигнала при передаче через среду, подверженность влиянию шумов в канале и др.
В ISDN эти недостатки преодолимы. Здесь форма аналогового сигнала представляется в виде цифровых (двоичных) образов, цифровых значений, представляющих соответствующие значения амплитуды огибающей синусоидальных колебаний в точках, на дискретных уровнях. Цифровые сигналы также подвержены ослаблению и шумам при их прохождении через канал, однако на приемном пункте необходимо отмечать лишь наличие или отсутствие двоичного цифрового импульса, а не его абсолютное значение, которое важно в случае аналогового сигнала. Следовательно, цифровые сигналы принимаются надежнее, их можно полностью восстановить, прежде чем они из-за затухания станут ниже порогового значения.
Линия ISDN логически делится на три подканала, обозначаемые буквами B, B и D. В-каналы - это каналы-носители, предназначенные для передачи оцифрованных речевых сигналов, данных или сжатых видеосигналов. Каждый из этих каналов работает на скорости 64 Кбит/с. D-канал предназначен для использования в качестве управляющего канала. Он работает на скорости 16 Кбит/с. Как правило, абонент использует D-канал для запроса услуг, которые затем предоставляются по В-каналам (например, выполняется телефонное соединение с оцифровкой речевых сигналов). Абонент использует также D-канал для управления текущим сеансом связи или для прекращения сеанса. Оба В-канала можно объединять или, как еще говорят, связывать, для создания одного канала с эффективной скоростью передачи данных 128 Кбит/с.
Каналы 2В+D известны под общим названием интерфейса BRI (Basic Rate Interface). По сути, в линиях ISDN применяется своего рода мультиплексирование с временным уплотнением для создания в одной паре проводов нескольких каналов передачи данных.
В технологии ISDN используется также интерфейс PRI (Primary Rate Interface). Он имеет свою специфику в разных странах. В США, Канаде и Японии его общая пропускная способность составляет 1536 Кбит/с (с учетом служебной информации). В Европе канал с интерфейсом PRI занимает полосу пропускания 1920 Кбит/с. Большая полоса пропускания каналов, необходимая для построения сетей ISDN, является основным препятствием на пути их распространения, особенно в странах со слаборазвитой инфраструктурой высокоскоростных каналов связи.
Когда телефонные компании много лет назад впервые определили стандарт ISDN, скорость 64 Кбит/с казалась очень высокой по сравнению со скоростью модемов коммутируемой линии передачи, которая не превышала 10 Кбит/с. Телефонные компании надеялись, что заказчики будут использовать линии ISDN и для местной, и для дальней цифровой связи аналогично тому, как используется голосовая связь. Однако модемы коммутируемой линии передачи постоянно совершенствовались, и были созданы альтернативные технологии, которые обеспечивали более высокие скорости передачи данных по абонентским линиям за меньшую стоимость. В настоящее время стандарт ISDN представляет собой дорогой вариант, который обеспечивает не очень большую производительность.
Таким образом, сети ISDN являются цифровыми сетями, основанными на использовании цифровых каналов 64 Кбит/с. Основная цель разработки сетей ISDN - объединение в одном канале связи трафиков цифровых телефонных сетей и компьютерных данных. Сети ISDN используются для решения задач по передаче информации в следующих областях: телефония, передача данных, объединение ЛВС, доступ к глобальным компьютерным сетям, интеграция различных видов трафика, передача трафика, чувствительного к задержкам (звук, видео).
Одной из наиболее перспективных является технология DSL (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия), предоставляющая доступ к службам цифровой передачи данных по абонентским линиям. Существует несколько вариантов этой технологии. Поскольку их названия отличаются первым словом, весь ряд этих технологий упоминается под сокращением xDSL.
Вероятно, наиболее интересной из DSL-технологий является технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line - асимметричная цифровая абонентская линия), которая позволяет передавать и принимать цифровую информацию с высокой скоростью. Однако, как подразумевает ее название, эта технология предусматривает асимметричную передачу данных. В случае ADSL асимметрия относится к скорости передачи: вся доступная пропускная способность делится так, чтобы скорость передачи в битах в одном направлении была намного выше, чем в другом.
Чтобы понять, для чего нужна такая асимметрия, представьте себе, как использует Internet обычный пользователь. Основная часть трафика создается, когда пользователь просматривает Web или загружает файлы. В каждом из этих случаев трафик, отправляемый пользователем в Internet, состоит из коротких запросов (например, нескольких байтов данных). С другой стороны, трафик, который передается из Internet пользователю, может содержать миллионы байтов данных (например, оцифрованные изображения). Чтобы различить эти два направления, специалисты используют термин обратный для обозначения потоков данных, передаваемых к пользователю, и прямой для обозначения данных, передаваемых от пользователя. Абонентскую линию можно оптимизировать с учетом асимметричного трафика, распределяя пропускную способность так, чтобы можно было обеспечить высокую скорость передачи в обратном направлении.
Итак, ADSL - это технология абонентской линии, оптимизированная с учетом потребностей пользователей, которые получают больше информации, чем передают. Для обеспечения работы в таком режиме ADSL предусматривает более высокую скорость передачи в обратном направлении (т.е. от провайдера к абоненту), чем в прямом направлении (т.е. от абонента к провайдеру).
Такая оптимизация позволяет пользователю открывать Web-страницы на экране быстрее, чем при симметричном распределении пропускной способности. Безусловно, такая асимметрия исключает возможность применять ADSL для соединений, которые требуют передачи большего объема данных по сравнению с объемом принимаемых данных. Например, предприятие, которое предоставляет в распоряжение заказчиков оперативный каталог, не выиграет в результате применения технологии ADSL, поскольку оно должно передавать больше данных, чем получать.
Насколько быстро работает линия ADSL? Максимальная скорость передачи в обратном направлении составляет 6,144 Мбит/с, а максимальная скорость передачи в прямом направлении равна 640 Кбит/с. Поскольку существует обязательный сетевой управляющий канал, который требует 64 Кбит/с, то фактически максимальная скорость передачи данных пользователя в прямом направлении составляет 576 Кбит/с.
Однако наиболее привлекательная особенность технологии ADSL связана с применяемой в ней кабельной системой. В частности, ADSL не требует внесения изменений в кабельную систему абонентской линии, поскольку эта технология предназначена для работы с теми же кабелями типа витая пара, которые были первоначально установлены для аналоговой телефонной службы. Более того, ADSL не требует передачи абонентской линии в ее монопольное использование: она предусматривает одновременную работу по тем же проводам, что и стандартная телефонная служба! Поэтому технология ADSL имеет очевидное экономическое преимущество: телефонные компании могут использовать ее для предоставления доступа к высокоскоростным цифровым службам без реконструкции абонентских линий. На рис. 1 показано, как модемы ADSL подключаются к стандартной телефонной кабельной системе параллельно с существующим аналоговым телефонным оборудованием. Поскольку эта служба является асимметричной, на двух концах линии используются различные модемы.
Рис. 1. Модемы ADSL, подключенные к существующей кабельной системе абонентской линии. Модемы могут использовать пару проводов одновременно с аналоговой телефонной службой.
Каким образом в технологии ADSL достигаются высокие скорости передачи данных по витой паре? Исследователи установили, что схема типа ADSL может оказаться осуществимой, поскольку многие абонентские линии позволяют передавать сигналы на более высоких частотах по сравнению с используе6мыми в телефонной системе. Решение ADSL является сложным, поскольку невозможно найти две абонентские линии с одинаковыми электрическими характеристиками. Способность передавать сигналы на разных частотах зависит от расстояния, диаметра используемых кабелей и уровня электрических помех. Поэтому разработчики не могут установить конкретный набор частот несущей или методов модуляции, которые были бы приемлемы во всех случаях. Предположим, что два абонента живут в разных частях города. Если телефонная линия, ведущая к первому абоненту, проходит рядом с радиостанцией, то сигнал станции будет вызывать помехи на частоте, используемой станцией. Если же второй абонент не живет рядом с радиостанцией, то частота, на которой работает радиостанция, вполне может применяться для передачи данных по телефонной линии этого абонента. Однако вторя линия может быть подвержена помехам на другой частоте.
Чтобы можно было учесть различия в характеристиках абонентских линий, в технологии ADSL применяются адаптивные методы. Это значит, что после подключения модемы ADSL проверяют линию между ними, чтобы определить ее характеристики, а затем согласовывают между собой применение методов связи, оптимальных для этой линии. В частности, в ADSL используется так называемая схема дискретной мультитональной модуляции (DMT - Discrete MultiTone), которая объединяет в себе мультиплексирование с частотным уплотнением и обратное мультиплексирование.
Мультиплексирование с частотным уплотнением в методе DMT реализовано путем разделения всей полосы частот на 286 отдельных частот или подканалов по 1,544 Мбит/с. При этом 255 частот используются для обратной передачи данных, 31 частота - для прямой передачи данных, а 2 частоты - для передачи управляющей информации. Можно представить себе, что в каждом подканале работает отдельный "модем" и каждый из них имеет собственную модулируемую несущую. Несущие разделены интервалами 4,1325 КГц, чтобы сигналы не создавали помех друг для друга. Кроме того, чтобы можно было надежно исключить возможность создания помех для аналоговых телефонных сигналов, в технологии ADSL не используется полоса частот ниже 4 КГц.
При запуске модемы ADSL проверяют все доступные частоты, определяя, какие сигналы проходят нормально и какие испытывают влияние помех. Модемы, находящиеся на двух концах линии, не только выбирают частоты, но и оценивают качество сигнала на каждой частоте и используют полученные данные для выбора схемы модуляции. Если какая-то конкретная частота характеризуется высоким отношением сигнала к шуму, то модемы ADSL выбирают схему модуляции, позволяющую закодировать больше битов в расчете на один бод, а если качество передачи сигнала на конкретной частоте плохое, модемы ADSL выбирают схему модуляции, которая предусматривает кодирование меньшего числа битов в расчете на один бод.
Итак, в модемах ADSL для достижения высоких скоростей передачи по обычным кабельным системам на основе витой пары применяется адаптивная технология, которая предусматривает проверку парой модемов частот несущих в линии и подбор частот и методов модуляции, позволяющих получить оптимальные результаты для этой линии.
Применение адаптации позволяет приспосабливаться к различным характеристикам линии автоматически. Технология ADSL гарантирует не достижение определенной скорости передачи данных, а лишь получение максимально высоких скоростей передачи данных, возможных для используемой линии. Поэтому обратная скорость передачи может принимать значения от 32 Кбит/с до 6,4 Мбит/с, а прямая - от 32 до 640 Кбит/с.
Кроме ADSL, были также разработаны другие технологии DSL. В каждой из них доступная полоса частот применяется в различных целях. Поэтому каждая из этих технологий в наибольшей степени приспособлена для определенного приложения.
SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line - симметричная цифровая абонентская линия) предусматривает симметричные, т.е. равные, скорости передачи в обоих направлениях. Как описано выше, работа большинства индивидуальных пользователей в компьютерных сетях может быть описана асимметричной моделью. Обмен данными по сети в небольших предприятиях подчиняется той же модели: сеть обычно используется для получения информации.
Однако предприятия, которые предоставляют информацию другим пользователям, часто характеризуется прямо противоположной асимметрией: они передают больше данных, чем принимают. К сожалению, лишь немногие телефонные компании предлагают технологию ADSL с асимметрией, развернутой в обратном направлении. Поэтому для предприятий, которые передают больший объем информации, чем принимают, предпочтительнее технология SDSL.
Более того, поскольку в SDSL используется иная схема кодирования, чем в ADSL, она может применяться в абонентских линиях, для которых ADSL является неприемлемой.
Еще одна служба DSL известна под названием HDSL (High-Rate Digital Subscriber Line - высокоскоростная цифровая абонентская линия). Технология HDSL обеспечивает скорость передачи, соответствующую стандарту DSL (т.е. 1,544 Мбит/с) в обоих направлениях.
Недостатками HDSL являются ограниченная длина абонентских линий и повышенные требования к кабельной системе. В отличие от ADSL, в которой применяется одна витая пара, для HDSL требуются две независимые витые пары. Однако был предложен вариант этой технологии, известный под названием HDSL2, который может работать по двум проводам. Поскольку для прямого и обратного трафика совместно используется одна пара проводов, то технологию HDSL2 иногда называют SHDSL (Shareable HDSL).
Одним из преимуществ технологии HDSL является ее невосприимчивость к изменениям, вносимым в абонентские линии. В частности, HDSL может применяться в абонентской линии, которая включает телефонное ответвление (некоторые технологии DSL этого не позволяют).
Еще одним преимуществом технологии HDSL является ее способность успешно справляться с отказами. Эта технология разработана так, что при возникновении неисправности в одной из двух витых пар модем полностью не отказывает, а продолжает работать на половине максимальной скорости. Такая повышенная отказоустойчивость особенно привлекательна для предприятий, поскольку они предпочитают иметь медленно работающее соединение, чем не иметь соединения вообще.
Технология, получившая название VDSL (Very-high bit rate Digital Subscriber Line - сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия) обеспечивает высокую пропускную способность, позволяя достичь скорости передачи данных вплоть до 52 Мбит/с. Рассматриваются также альтернативные варианты этой технологии, которые позволяют достичь скорости 13 Мбит/с и 26 Мбит/с.
Хотя такие высокие скорости могут быть достигнуты при использовании медной витой пары, технология VDSL не может применяться с существующими кабельными системами, установленными между телефонной станцией и абонентами, поскольку для нее эти расстояния слишком велики. Поэтому для VDSL требуются промежуточные концентраторы абонентских линий (например, по одному для каждой группы абонентов), соединенные с помощью оптоволоконного кабеля с телефонной станцией. В терминологии VDSL такие концентраторы именуются оптическими сетевыми блоками.
В других версиях VDSL, с меньшими скоростями передачи данных, допустимы более длинные участки медного кабеля; поэтому при более низких скоростях передачи данных для охвата определенного географического региона требуется меньше концентраторов.
В предыдущих разделах рассматривался обмен цифровой информацией по кабельным системам на основе витой пары, которыми являются абонентские линии аналоговой телефонной системы. В настоящем разделе рассматривается альтернативная кабельная система, которая позволяет доставлять данные на еще более высоких скоростях.
Стимулом для поиска замены телефонной абонентской линии являются присущие ей ограничения. Основная проблема заключается в электрических характеристиках кабельной системы на основе витой пары. Несмотря на то, что такие технологии, как ADSL, позволяют достичь более высоких скоростей передачи данных по сравнению с модемами коммутируемой линии передачи, сама кабельная система устанавливает предел повышения скорости передачи данных. Кроме того, кабельная система восприимчива к помехам, которые могут существенно снизить пропускную способность линии для некоторых абонентов.
Одна из альтернативных технологий - кабельное телевидение - обеспечивает более высокую скорость по сравнению с телефонной кабельной системой, менее чувствительна к электромагнитным помехам и не требует создания новой инфраструктуры, поскольку во многих жилых районах системы кабельного телевидения уже установлены.
Система кабельного телевидения уже имеет почти все средства, необходимые для передачи цифровой информации с высокой скоростью в направлении от станции к абоненту. Передающая среда состоит из коаксиального кабеля, который имеет высокую пропускную способность и невосприимчив к электромагнитным помехам, а в аппаратном обеспечении кабельного телевидения используется широкополосная передача сигналов (т.е. мультиплексирование с частотным уплотнением) для одновременной доставки абоненту передач по многочисленным телевизионным каналам. Системы кабельного телевидения предназначены для передачи большего числа телевизионных сигналов, чем имеется в настоящее время, поэтому соответствующая аппаратура имеет неиспользуемую пропускную способность (т.е. свободные каналы), которые могут применяться для передачи данных.
Теоретически возможно расширить систему кабельного телевидения, чтобы она позволяла передавать цифровую информацию в направлении от станции к абоненту с использованием мультиплексирования с частотным уплотнением. Для этой цели нужно иметь по одной паре кабельных модемов для каждого абонента. Один модем находится в центральной передающей станции кабельного телевидения, а другой - на площадке абонента. Оба модема должны быть настроены на одну и ту же частоту несущей, которая передается по кабелю наряду с телевизионными сигналами. Данные, передаваемые в модем из центральной передающей станции кабельного телевидения, применяются для кодирования несущей, которая затем передается по кабелю всем абонентам. Модем на площадке абонента выделяет сигнал несущей, извлекает закодированную цифровую информацию и передает полученный поток данных на компьютер абонента.
Однако на практике пропускной способности систем кабельного телевидения недостаточно для реализации схемы мультиплексирования с частотным уплотнением, которая могла бы охватить всех пользователей. Достаточно вспомнить, что частоты несущей должны быть отделены друг от друга в целях предотвращения помех, и представить себе число абонентов. В большом городском районе поставщик услуг кабельного телевидения может иметь миллионы абонентов, что исключает возможность выделить для каждого из них отдельную частоту несущей. В результате схема мультиплексирования с частотным уплотнением становится недостаточно масштабируемой.
Исследователи рассмотрели несколько способов решения проблемы мультиплексирования сигналов, передаваемых в обратном направлении. Одним из решений является применение мультиплексирования с временным уплотнением. Вместо присвоения отдельной частоты каждому абоненту, компания кабельного телевидения использует одну частоту для ряда абонентов (как правило, расположенных недалеко друг от друга). Кроме того, каждому абоненту присваивается адрес. Модем абонента контролирует поступление пакетов на заданной частоте. Устройство проверяет, соответствует ли адрес назначения пакета адресу абонента. По сути, часть системы кабельного телевидения, которая связана с передачей данных, скорее напоминает разделяемые локальные сети, чем двухточечные линии.
Разделение пропускной способности с другими абонентами имеет негативную сторону. Хотя кабельные модемы позволяют передавать данные со скоростью до 36 Мбит/с, действительная скорость передачи данных, доступная для каждой отдельной станции, со временем меняется. Если одну частоту разделяют N абонентов, то суммарная пропускная способность, доступная для отдельного абонента, может снижаться до величины 1/N.
Использование инфраструктуры кабельного телевидения для создания абонентской линии имеет еще один серьезный недостаток: возможна доставка сигналов только от станции к абоненту и не предусмотрена передача данных от абонента к станции. Эта проблема является серьезной, поскольку кроме кабелей, кабельная распределительная система включает такое электронное оборудование, как широкополосные усилители, которые передают сигнал только в одном направлении.
Поскольку оригинальная инфраструктура кабельного телевидения обеспечивает передачу данных только в направлении от станции к абоненту, она не может непосредственно применяться для двухсторонней цифровой связи.
Каким образом можно изменить систему кабельного телевидения для обеспечения двухсторонней связи? Можно использовать разные пути для передачи данных в обоих направлениях, что вполне осуществимо в связи с асимметричностью трафика. Система кабельного телевидения доставляет только обратный трафик, а прямой - проходит по коммутируемому телефонному соединению. Для реализации этой схемы абоненту требуется интерфейсное аппаратное устройство, которое подключается к двум модемам: кабельному модему и стандартному модему коммутируемой телефонной линии.
Вначале абонент запрашивает коммутируемое соединение с провайдером. Как только коммутируемое соединение установлено, аппаратное обеспечение использует его для передачи пакетов. Все данные, передаваемые с компьютера, проходят через коммутируемое соединение, а данные, принимаемые компьютером, поступают на более высоких скоростях из кабельного модема. Основным преимуществом схемы работы по двойном пути являются низкие затраты для провайде6ров кабельных служб, поскольку существующая система кабельного телевидения не требует изменения. Основной недостаток связан с использованием громоздкого интерфейса.
Сейчас разработчики пытаются обеспечить возможность двухсторонней связи по телевизионному кабелю. Безусловно, создание прямого пути передачи данных требует значительной доработки системы кабельного телевидения, что влечет за собой существенные издержки. Чтобы можно было окупить эти издержки, компании кабельного телевидения изыскивают способы использования прямого пути, которые выходят за рамки компьютерных сетевых соединений. Например, прямой путь может также применяться для показа видеофильмов по заявкам или для создания интерактивного телевидения.
Одной из наиболее перспективных технологий, которая обеспечивает двухстороннюю связь по системе кабельного телевидения, является гибридная оптоволоконно-коаксиальная система (Hybrid Fiber Coax - HFC). Как подразумевает само ее название, в этой системе применяется сочетание оптоволоконных и коаксиальных кабелей, при этом оптоволоконный кабель используется для центральных передающих станций, а коаксиальный служит для соединения с отдельными абонентами. По сути, система HFC является иерархической: оптоволоконные кабели используются в той части сети, которая требует наиболее высокой пропускной способности, а коаксиальные кабели используются там, где допустима низкая.
Для перехода на систему HFC компаниям кабельного телевидения требуется заменить почти все существующие телевизионные кабельные системы и усилители. В этой технологии для обозначения высокоскоростных соединений между станцией кабельного телевидения и концентратором линий, который охватывает ряд близко расположенных абонентов, используется термин магистраль, а для обозначения соединения с отдельным абонентом - термин фидерная линия. Магистральные линии могут иметь длину до 24 км, а фидерные линии обычно не превышают полутора километров.
Хотя технология HFC позволяет использовать существующие коаксиальные фидерные линии для подключения отдельных абонентов, для магистральных линий требуется оптоволоконный кабель. Кроме того, необходимо оборудование для стыковки оптоволоконного кабеля с коаксиальными кабелями. Для обеспечения прямой связи компания должна также заменить все усилители двунаправленными устройствами. И наконец, для того чтобы воспользоваться преимуществами технологии HFC, каждый абонент должен приобрести двунаправленный кабельный модем.
Как и в других технологиях на основе кабельного телевидения, в технологии HFC используется сочетание мультиплексирования с частотным уплотнением и мультиплексирования с временным уплотнением. Для аналогового телевидения используется полоса частот от 50 до 450 МГц (где для каждого телевизионного канала отведено по 6 МГц), а полоса частот от 450 до 750 МГц зарезервирована для обратной цифровой связи. Полоса частот от 5 до 50 МГц используется для прямой связи.
Мультиплексирование с временным уплотнением применяется для одного абонента или группы из нескольких абонентов, которые совместно используют одну частоту несущей. Обычно такая группа создается по принципу территориальной близости (например, проживания по соседству). Эта группа совместно использует одну частоту несущей, но только один абонент в группе может получить пакет в определенный момент времени. Более высокая пропускная способность оптоволоконного кабеля позволяет мультиплексировать передачу для нескольких независимых групп по магистральным линиям.
Как и модемы ADSL, кабельные модемы предназначены для передачи данных в обратном направлении с более высокими скоростями, чем в прямом. Скорость передачи данных в прямом направлении может составлять от 1,5 до 2,0 Мбит/с. Однако, поскольку данные, передаваемые от нескольких абонентов, должны мультиплексироваться в полосе частот 6 МГц, эффективная скорость при одновременной передаче данных многими пользователями снижается.
Кроме HFC, компании кабельного телевидения разработали еще несколько перспективных технологий. Одна из них получила название FTTC (Fiber To The Curb - подвод оптоволоконного кабеля к бордюру здания). Технология FTTC подобна HFC, поскольку для прокладки магистралей с большой пропускной способностью используется оптоволоконный кабель. Идея состоит в том, чтобы протянуть оптоволоконный кабель непосредственно к зданию, в котором находятся конечные абоненты, а затем использовать медные кабели для прокладки фидерных линий.
Технология FTTC отличается от HFC тем, что в каждой фидерной линии используются две передающие среды. Это позволяет создать кабельную систему с дополнительными возможностями. Таким образом, компания кабельного телевидения для использования технологии FTTC должна провести к каждому абоненту дополнительную линию. В первой линии используется существующий коаксиальный кабель для трансляции передач интерактивного телевидения; во второй - витая пара, которая может служить для передачи речи.
Несмотря на то, что такие технологии, как ADSL или HFC, позволяют предоставить услуги по цифровой передаче данных большинству абонентов, они не могут применяться во всех случаях. Основные проблемы возникают в отдаленных и сельских районах. Например, представьте себе ферму, расположенную за много километров от ближайшего города, или отдаленный поселок. В случае отдаленной местности превышается максимально допустимое расстояние для таких технологий, как ADSL. Кроме того, в сельских районах почти не развиты службы кабельного телевидения.
Для применения в таких частных случаях был исследован целый ряд альтернативных технологий, например, беспроводных, аналогичных применяемых в службах цифровой сотовой связи. Еще один вариант предусматривает использование для цифровой связи спутников.
Первоначально такие спутники применялись телекоммуникационными компаниями в основном в качестве альтернативы для наземных линий. Поэтому спутники использовались в таких ситуациях, когда наземные линии оказывались слишком дорогостоящими или их прокладка была невозможна (например, через океаны или горные районы). Первые спутники обеспечивали двухточечную связь (например, от наземной станции в Соединенных Штатах к наземной станции в Европе). Когда стало очевидно, что коммерческие компании могут разрабатывать, развертывать и эксплуатировать спутниковые системы связи, на повестку дня встали следующие вопросы: могут ли спутники применяться для создания абонентской линии? Если да, то подходят ли они только для частных случаев или позволяют создать инфраструктуру общего назначения?
С одной стороны, использование спутниковых систем дает значительные преимущества: увеличивается пропускная способность и географический охват. С другой стороны, высокая орбита геосинхронного спутника связана с продолжительными задержками. кроме того, оборудование наземной станции, необходимое для передачи сигнала на спутник, намного дороже и больше по габаритам, чем оборудование для приема сигналов со спутника, поэтому его могут позволить себе устанавливать только крупные корпорации.
В основе недорогой системы с использованием спутников лежат два принципа:
В механизме широковещательной рассылки спутниковой связи применяется следующие принцип: спутник выполняет широковещательную передачу всех пакетов, а их копии получают станции, настроенные на частоту передачи спутника. Для обеспечения приема пакетов только указанными получателями каждой станции назначен уникальный адрес, и станция фильтрует входящие пакеты так же, как интерфейсная плата локальной сети фильтрует фреймы. Таким образом, несмотря на то, что спутниковый канал является разделяемым, каждая станция получает только пакеты, отправленные в ее адрес; остальные пакеты отбрасываются.
Безусловно, передача через спутник является более сложной по сравнению с передачей по локальной сети. В частности, на спутнике может быть установлено несколько передатчиков, причем каждый из них передает данные по отдельному каналу (т.е. на отдельной частоте). Поэтому в широковещательном спутнике может использоваться мультиплексирование с частотным уплотнением для достижения более высокой пропускной способности, а затем мультиплексирование с временным уплотнением, что позволит множеству получателей совместно использовать определенную частоту несущей. Однако для наших целей достаточно рассматривать спутник как средство предоставления одного совместно используемого канала.
Проблема передачи информации от абонента к провайдеру была решена благодаря асимметричной связи, описанной выше. Спутник применяется для создания высокоскоростного обратного пути передачи данных, а для прямого трафика служит путь передачи с меньшей пропускной способностью. В частности, провайдеры, предоставляющие доступ к Internet через широковещательные спутники, для прямого трафика используют обычные коммутируемые соединения.
Таким образом, для использования широковещательного спутника абоненты должны иметь телефонное соединение, а также спутниковую антенну (т.е. приемную "тарелку") и компьютер. Поставщик услуг спутниковой связи предоставляет абоненту аппаратное устройство, которое соединяет между собой антенну, компьютер и телефонную линию. Это устройство принимает пакеты с помощью антенны и передает их на компьютер. Оно также принимает пакеты из компьютера и передает их по коммутируемой линии. Для этой цели устройство содержит модем коммутируемой линии передачи; кроме того, в устройство заложена информация о том, как дозваниваться к провайдеру и отправлять исходящие пакеты. Трафик, предназначенный для одного из абонентов спутниковой системы, перенаправляется поставщику услуг спутниковой связи, который затем пересылает пакеты через спутник.
К середине 80-х годов сети связи достигли значительного развития, и могли передавать информацию в мировом масштабе. Телефонная сеть передавала речевые сигналы, телевизионные сети - телевизионные передачи, а вновь созданные компьютерные сети передавали данные. Телефонные компании пришли к выводу, что речевая связь становится общедоступной службой, и норма прибыли в этой области со временем будет уменьшаться. Они также пришли к выводу, что потребность в обмене данными будет со временем увеличиваться. Поэтому они решили расширить область своей деятельности. В результате были разработаны сети, позволяющие передавать не только голосовой, но и другой трафик.
Телекоммуникационные компании стали искать способы создания новых сетевых инфраструктур. Они поставили перед собой цель создания единой глобальной сети, удовлетворяющей следующим требованиям:
Одной из первых попыток в этом направлении было создание системы ISDN. К сожалению, пока шел процесс планирования, стандартизации, разработки и развертывания системы ISDN, быстро развивались сети передачи данных, и совершенствовалась технология коммутируемых линий связи. После того, как разработка была полностью закончена, система ISDN оказалась слишком дорогостоящей по сравнению со скромными скоростями передачи данных, которые она обеспечивала. Хотя система ISDN все еще эксплуатируется, она не получила всеобщего признания.
Вслед за ISDN представители телекоммуникационной индустрии приступили к разработке всеобъемлющей технологии, которая позволяла бы достичь поставленных целей. Эта технология, получившая название АТМ, позволяет достичь более высоких скоростей и предоставляет доступ к значительно более широкому перечню служб - передача голоса, видеоинформации и данных.
Итак, технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode - асинхронный режим передачи) предназначена для обработки и телефонного речевого трафика, и трафика данных, а также для применения не только в качестве технологии локальной сети, но и технологии распределенной сети. Сеть АТМ создается на основе одного или нескольких аппаратных устройств, называемых коммутаторами АТМ.
В АТМ применяется принцип работы с установлением логического соединения, согласно которому приложение вначале создает виртуальный канал, использует его для обмена данными, а затем разрывает его. Соединение реализуется с использованием одного или нескольких коммутаторов АТМ.
Существует два типа виртуальных каналов АТМ: постоянный виртуальный канал создается вручную и продолжает действовать даже после перезагрузки компьютеров, участвующих в соединении, например, после сбоя в подаче электроэнергии, а коммутируемый виртуальный канал создается по требованию. При создании виртуального канала инициатор соединения должен указать требования к качеству обслуживания; аппаратные средства АТМ либо резервируют затребованные ресурсы, либо отклоняют запрос.
Технология АТМ не получила широкого распространения. Хотя некоторые телефонные компании все еще используют ее в своих базовых сетях, высокая стоимость этой технологии, сложность и недостаточная способность к взаимодействию с другими технологиями послужили препятствием к более широкому распространению.
Организация ITU (International Telecommunications Union), которая устанавливает международные стандарты телефонной связи, разработала первый стандарт для распределенных сетей, и телефонные компании предлагали услуги на основе этого стандарта в течение многих лет. Организация ITU прежде называлась Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (Consultative Committee for International Telephone and Telegraph - CCITT), и этот стандарт все еще принято назвать стандартом X.25 CCITT.
Сети Х.25 были больше распространены в Европе, чем в Соединенных Штатах. Каждая сеть Х.25 состоит из двух или более коммутаторов пакетов Х.25, соединенных между собой арендованными каналами. Компьютеры, подключенные к коммутаторам пакетов, могут передавать и принимать пакеты.
Поскольку стандарт Х.25 был разработан еще до того, как стали широко применяться персональные компьютеры, первые сети Х.25 были предназначены для подключения алфавитно-цифровых терминалов к удаленным компьютерам, работающим в режиме разделения времени. Сеть обеспечивает двустороннюю связь. По мере ввода пользователем данных с клавиатуры интерфейс сети Х.25 перехватывает введенные символы, помещает в пакеты Х.25 и передает их по сети. Выводимые данные компьютер направляет в интерфейс Х.25, который помещает их в пакеты Х.25 для передачи на экран пользователя.
Хотя сеть Х.25 может применяться для взаимодействия между компьютерами, ее производительность не оправдывает затрат. Скорость передачи данных по такой сети очень низкая.
Технология Frame Relay обеспечивает получение и доставку блоков данных, которые содержат до 8000 октетов данных. Передача столь больших блоков данных обусловлена тем, что разработчики службы Frame Relay предназначали ее для соединения сегментов локальной сети мостами. Организация с филиалами в других городах может получить соединение Frame Relay для каждого филиала, а затем использовать его для перенаправления пакетов из сегмента локальной сети на одой производственной площадке в сегмент локальной сети на другой площадке.
Для обработки данных, проходящих по сегменту локальной сети, соединение Frame Relay должно быть высокоскоростным. Поэтому разработчики предусмотрели эксплуатацию соединений Frame Relay на скоростях от 4 до 100 Мбит/с. Однако на практике многие абоненты Frame Relay предпочитают работать на скорости 1,5 Мбит/с или 56 Кбит/с.