Книга «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Юбилейное издание»
Это издание в некотором смысле особенное — прошло ровно 20 лет с момента выхода книги в свет. 20 лет — это немаленький срок, за это время дети наших первых читателей подросли и, возможно, стали интересоваться компьютерными сетями. И, возможно, у них в руках окажется 6-е издание книги «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы». Эта книга значительно отличается от той, которую читали их родители. Многое из того, что интересовало читателей конца 90-х годов — например, правило 4-х хабов, согласование сетей IP и IPX или сравнение технологий 100VG-AnyLAN и FDDI, — совсем не упоминается в последних изданиях. За 20 лет немало технологий прошли полный цикл от модного термина и всеобщего признания к практически полному забвению. Каждое новое издание книги в той или иной мере отражало изменения ландшафта сетевых технологий.
Не является исключением и данное издание — оно значительно переработано, около трети материала представляет собой или совсем новую информацию, или существенно переработанное изложение тем. Например, в книге появилась новая часть «Беспроводные сети», полностью переработана часть, посвященная технологиям первичных сетей SDH, OTN и DWDM.
Издание предназначено для студентов, аспирантов и технических специалистов, которые хотели бы получить базовые знания о принципах построения компьютерных сетей, понять особенности традиционных и перспективных технологий локальных и глобальных сетей, изучить способы создания крупных составных сетей и управления такими сетями.
Изменения в шестом издании
Прежде всего, в книге появилась новая часть «Беспроводные сети». Она состоит из трех глав.
В первой из них рассматриваются особенности физического уровня беспроводных линий связи, к которым относится специфика передающей среды, диапазон и характер распространения электромагнитных волн, виды искажений и методы борьбы с ними. Поскольку ни один из узлов беспроводной сети не может обойтись без антенны, устройствам данного типа в этой главе уделено значительное внимание — в частности, методам передачи с использованием нескольких антенн на передающей и принимающей сторонах, так называемым технологиям MIMO. В данной главе рассматриваются технологии кодирования расширенного спектра FHSS, DSSS, CDMA и OFDM, которые были разработаны специально для беспроводной передачи.
Содержание второй главы сфокусировано на беспроводных локальных сетях Wi-Fi (IEEE 802.11), которые в секторе фиксированного беспроводного доступа к Интернету заняли такую же доминирующую позицию, что и сети Ethernet в локальных сетях. Глава, завершающая эту часть, посвящена мобильным сотовым сетям. Эта тема не изучалась в предыдущих изданиях из-за того, что мобильные сети были преимущественно телефонными. Полный переход мобильных сетей LTE (4G) на протоколы стека TCP/IP, которые стали использоваться и для установления телефонных звонков, и для доступа в Интернет, изменил эту ситуацию. В главе рассматриваются эволюция технологий мобильных сетей различных поколений, мобильные версии протоколов IPv4 и IPv6, основные принципы построения сетей LTE; дан обзор архитектуры сетей 5G, которые намерены вобрать в себя самые последние достижения компьютерных сетей и стать основным типом сетей доступа для интернета вещей.
Описание протокола IPv6 значительно переработано и расширено — теперь этому протоколу посвящена отдельная глава. Распространение IPv6 неуклонно растет, и более глубокое понимание этого протокола стало важным для современного сетевого специалиста.
За последние годы утвердилась концепция программируемых компьютерных сетей, поэтому в книгу добавлены разделы, описывающие технологии программно определяемых сетей SDN и виртуализации сетевых функций NFV.
Полностью переработана часть, посвященная технологиям первичных сетей SDH, OTN и DWDM.
И наконец, значительно увеличилось количество вопросов и задач.
Отрывок. Беспроводные линии связи. Диапазоны электромагнитного спектра
Характеристики беспроводной линии связи — расстояние между узлами, территория охвата, скорость передачи информации и т. п. — во многом зависят от частоты используемого электромагнитного сигнала. На рис. 21.2 показаны диапазоны электромагнитного спектра. Обобщая, можно сказать, что они и соответствующие им беспроводные системы передачи информации делятся на четыре группы.
- Диапазон до 300 ГГц имеет общее стандартное название — радиодиапазон. Союз ITU разделил его на несколько поддиапазонов (они показаны на рисунке), начиная от сверхнизких частот (Extremely Low Frequency, ELF) и заканчивая сверхвысокими (Extra High Frequency, EHF). Привычные для нас радиостанции работают в диапазоне от 20 кГц до 300 МГц, и для этих диапазонов существует хотя и не определенное в стандартах, однако часто используемое название «широковещательное радио». Сюда попадают, в частности, низкоскоростные системы AM- и FM-диапазонов, предназначенные для передачи данных со скоростями от нескольких десятков до сотен килобит в секунду. Примером могут служить радиомодемы, которые соединяют два сегмента локальной сети на скоростях 2400, 9600 или 19 200 Кбит/с.
- Несколько диапазонов от 300 МГц до 3000 ГГц имеют также нестандартное название микроволновых диапазонов. Микроволновые системы представляют наиболее широкий класс систем, объединяющий радиорелейные линии связи, спутниковые каналы, беспроводные локальные сети и системы фиксированного беспроводного доступа, называемые также системами беспроводных абонентских окончаний (Wireless Local Loop, WLL).
- Выше микроволновых диапазонов располагается инфракрасный диапазон. Микроволновые и инфракрасный диапазоны также широко используются для беспроводной передачи информации. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, системы инфракрасных волн служат для образования небольших сегментов локальных сетей в пределах одного помещения.
- В последние годы видимый свет тоже стал применяться для передачи информации (с помощью лазеров). Системы видимого света используются как высокоскоростная альтернатива микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.
Распространение электромагнитных волн
Прежде всего вспомним о нескольких важных физических явлениях, связанных с распространением волн вообще и электромагнитных волн в частности. На рис. 21.3 показано, что сигнал, встретившись с препятствием, может распространяться в соответствии с тремя механизмами: отражением, дифракцией и рассеянием. Когда сигнал встречается с препятствием, частично прозрачным для данной длины волны и в то же время имеющим размеры, намного превышающие длину волны, часть энергии сигнала отражается от этого препятствия. Если сигнал встречает непроницаемое для него препятствие (например, металлическую пластину) намного большего размера, чем длина волны, то происходит дифракция — препятствие как бы огибается сигналом, что позволяет получить его, даже не находясь в зоне прямой видимости. И наконец, при встрече с препятствием, размеры которого соизмеримы с длиной волны, сигнал рассеивается, распространяясь под различными углами.
Идеальной средой распространения электромагнитных волн является вакуум, однако в реальной жизни сигналы чаще передаются через атмосферу, которая является нестабильной и неоднородной средой, состоящей из многих слоев, обладающих разными проводящими свойствами. Свойства реальной передающей среды в сочетании с частотными характеристиками передаваемых сигналов определяют несколько основных способов распространения электромагнитных волн (рис. 21.4).
Земные, или поверхностные, волны распространяются вдоль земной поверхности. Следуя более-менее рельефу местности, они могут проходить большие расстояния, до нескольких сотен километров, далеко за линию видимого горизонта. Этот способ распространения волн характерен для электромагнитного излучения низкой частоты — до 2 МГц. Электромагнитные волны этой частоты рассеиваются в атмосфере таким образом, что не проникают в верхние слои атмосферы. Самым известным примером земной волны является сигнал AM-радио из диапазона длинных волн. Основной причиной того, что волны следуют поверхности земли, является дифракция. В данном случае непроницаемым препятствием намного большего размера, чем длина волны, является выпуклость земли. Способность волны огибать препятствие зависит от соотношения длины волны и размера препятствия; чем меньше это отношение, тем слабее проявляется дифракция. Отсюда понятно, что для электромагнитных сигналов высокой частоты эффектом дифракции можно пренебречь.
Ионосферные (пространственные) волны характерны для сигналов средних и высоких частот от 2 до 30 МГц. Сигналы, излучаемые базирующейся на земле антенной, отражаются ионосферой (менее плотным ионизированным верхним слоем атмосферы) на землю, и потому могут распространяться далеко за видимый горизонт, на расстояния, даже большие, чем поверхностные волны. При достаточной мощности передатчика радиоволны этих диапазонов за счет многократного отражения от ионосферы могут даже обогнуть земной шар. Ионосферные волны широко используются в радиовещании и в особенности международном радиовещании — например, такими компаниями, как Би-би-си (BBC Radio World Service).
Прямые волны, или волны прямой видимости, как это следует из их названия, распространяются только по прямой, от передатчика к приемнику. При этом последние могут быть расположены как на земле, так и в космосе. Такой тип распространения волн свойственен электромагнитным сигналам с частотой выше 30 МГц — они не могут ни отражаться ионосферой, ни огибать выпуклости Земли. При частоте свыше 4 ГГц их подстерегает неприятность: они начинают поглощаться водой, а это означает, что не только дождь, но и туман могут стать причиной резкого ухудшения качества передачи микроволновых систем. Инфракрасный и видимый свет могут быть переданы только вдоль прямой видимости, так как они не проходят через стены.
Тропосферные волны могут порождаться излучением очень высокой и ультравысокой частоты (30 МГц — 3 ГГц). Как было сказано выше, электромагнитные сигналы из этого диапазона не могут отражаться ионосферой. Однако они способны распространяться путем преломления и рассеяния на неоднородностях тропосферы — ближайшем к земле слое атмосферы. Тропосферные неоднородности — это области пространства, воздух в которых в некоторые моменты времени имеет температуру, давление и влажность, отличающиеся от средних для окружающей среды значений. Тропосферные волны позволяют передавать сигнал, хотя и весьма слабый, на расстояние до 1000 км.
Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации. Потребность в скоростной передаче информации является превалирующей, поэтому все современные системы беспроводной передачи информации работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц, несмотря на преимущества, которые сулят низкочастотные диапазоны благодаря распространению сигнала вдоль поверхности земли или отражения от ионосферы.
Борьба с искажениями сигнала в беспроводных линиях связи
Отказ от проводов и обретение мобильности приводит к высокому уровню помех в беспроводных линиях связи. Если интенсивность битовых ошибок (BER) в проводных линиях связи равна 
то в беспроводных линиях связи она достигает величины 
В городских условиях в диапазоне частот полезного сигнала обычно имеется большое количество помех, например от систем зажигания автомобилей, от различных бытовых приборов.
В результате дифракции, отражения и рассеяния электромагнитных волн, которые повсеместно встречаются при беспроводной связи в городе, приемник может получить несколько реплик одного и того же сигнала, прошедших к приемнику разными путями. Такой эффект называется многолучевым распространением сигнала (multipath signal propagation). При каждом отражении сигнал может изменять фазу, амплитуду и угол прибытия на приемник. Результат многолучевого распространения сигнала часто оказывается отрицательным, поскольку сигналы могут прийти в противофазе и подавить основной сигнал.
Так как время распространения сигнала вдоль различных путей является в общем случае различным, то может также наблюдаться межсимвольная интерференция — ситуация, когда в результате задержки сигналы, кодирующие соседние биты данных, доходят до приемника в течение интервала времени, отведенного для приема одного символа. Сигнал, полученный в результате наложения соседних сигналов, приемник может декодировать неверно.
Искажения из-за многолучевого распространения приводят к ослаблению сигнала — этот эффект называется многолучевым замиранием (fading). Известно, что при распространении электромагнитных волн в свободном пространстве (без отражений) затухание мощности сигнала пропорционально произведению квадрата расстояния от источника сигнала на квадрат частоты сигнала. В городах многолучевое замирание приводит к тому, что ослабление сигнала становится пропорциональным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвертой степени!
Проблема высокого уровня помех беспроводных каналов решается различными способами. Важную роль играют рассматриваемые далее технологии широкополосного сигнала. Эти технологии основаны на распределении энергии сигнала в широком диапазоне частот, так что узкополосные помехи не оказывают существенного влияния на сигнал в целом. Для распознавания сигнала, искаженного из-за его многолучевого распространения, применяются различные способы обработки, компенсирующие межсимвольную интерференцию. Одним из них является адаптивное выравнивание сигнала (adaptive equalizing, рис. 21.5).
Идея заключается в суммировании сигнала, измеренного через равные промежутки времени Δt в течение одного такта передачи символа кода. Перед суммированием значения сигнала умножаются на свой весовой коэффициент Ci. Значение сигнала, полученного после суммирования и называемого выровненным сигналом, считается значением бита переданного кода в данном такте.
Выбор веса выполняется адаптивно, с использованием заранее известного двоичного кода, называемого тренировочной последовательностью. Передатчик вставляет эту последовательность после каждого блока пользовательских данных определенной длины. Приемник применяет к тренировочной последовательности тот же алгоритм выравнивания, что и к пользовательским данным, сравнивает значение полученной последовательности бит с ожидаемой тренировочной последовательностью; если они отличаются, то вычисляются новые значения весовых коэффициентов.
Большую роль играет и применение самокорректирующихся кодов FEC. Радиосвязь всегда была пионером этой техники — частота возникновения битовых ошибок здесь гораздо выше, чем в проводной передаче денных. Еще одним приемом является применение протоколов с установлением соединения и повторными передачами кадров на канальном уровне стека протоколов. Эти протоколы позволяют быстрее корректировать ошибки, так как работают с меньшими значениями тайм-аутов, чем корректирующие протоколы транспортного уровня, такие как TCP. И наконец, передатчики сигнала (и приемники, если это возможно) стараются разместить на высоких башнях (мачтах), чтобы избежать многократных отражений.
Лицензирование
Проблема разделения электромагнитного спектра между потребителями требует централизованного регулирования. В каждой стране есть специальный государственный орган, который (в соответствии с рекомендациями ITU) выдает лицензии операторам связи на использование определенной части спектра, достаточной для передачи информации по определенной технологии. Лицензия выдается на определенную территорию, в пределах которой оператор задействует закрепленный за ним диапазон частот монопольно.
Существуют также три частотных диапазона, 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, которые рекомендованы ITU как диапазоны для международного использования без лицензирования. Эти диапазоны выделены промышленным товарам беспроводной связи общего назначения, например устройствам блокирования дверей автомобилей, научным и медицинским приборам. В соответствии с назначением эти диапазоны получили название ISM-диапазонов (Industrial, Scientific, Medical — промышленность, наука, медицина). Диапазон 900 МГц является наиболее «населенным», поскольку низкочастотная техника всегда стоила дешевле. Сегодня активно осваивается диапазон 2,4 ГГц, например, в технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth. Сети 5G будут работать в различных диапазонах частот, в том числе и в высокочастотных диапазонах 26 –29 ГГц. Обязательным условием использования этих диапазонов на совместной основе является ограничение максимальной мощности передаваемых сигналов уровнем 1 Ватт. Это условие сокращает радиус действия устройств, чтобы их сигналы не стали помехами для других пользователей, которые, возможно, задействуют тот же диапазон частот в других районах города.
» Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства
» Оглавление
» Отрывок
Для Хаброжителей скидка 25% по купону — Олифер
