Страница 60 из 64
Рис. 2.36. Спектральное уплотнение
Причина, по которой спектральное уплотнение является популярным, в том, что один оптический кабель обычно работает на частоте не более нескольких гигагерц из-за невозможности более быстрого преобразования электрических сигналов в оптические и обратно. Однако, объединяя сигналы разных длин волн на одном кабеле, можно получить суммарную пропускную способность, линейно зависящую от числа каналов. Полоса пропускания одного волокна составляет 25 000 Гц (см. рис. 2.6), следовательно, теоретически даже при 1 бит/Гц можно разместить 2500 каналов по 10 Гбит/с (и более высокие скорости тоже возможны).
Технология WDM развивается с такой скоростью, что компьютерным технологиям остается только стыдиться перед ней своих темпов развития. Она была изобретена примерно в 1990 году. Первые коммерческие системы использовали 8 каналов по 2,5 Гбит/с на канал. К 1998 году на рынке появились уже 40-канальные системы с такой же пропускной способностью канала. В 2006 году уже были системы из 192 каналов по 10 Гбит/с и из 64 каналов по 40 Гбит/с. Такой емкости достаточно, чтобы передавать 80 полнометражных DVD-фильмов в секунду. Каналы также плотно размещены в волокне, разделенные 200, 100 или всего 50 ГГц. Эксперименты компаний, проведенные в лабораторных условиях, показали десятикратное превосходство этой технологии, но путь от лаборатории до внедрения обычно занимает несколько лет. Когда число каналов очень велико, а длины волн отличаются на очень малые величины, системы называют плотными WDM, или DWDM (Dense WDM).
Еще одной новой разработкой является оптический усилитель. Раньше необходимо было через каждые 100 км разбивать сигнал на каналы, преобразовывать оптические каналы в электрические и усиливать последние традиционным способом, после чего выполнять обратное преобразование и объединение. Теперь же любые оптические усилители могут регенерировать объединенный сигнал целиком через каждые 1000 км, при этом нет необходимости в оптоэлектрических преобразованиях.
В примере на рис. 2.36 изображена система с постоянными длинами волн. Данные из входного кабеля 1 попадают на выходной кабель 3, а из кабеля 2 — в кабель 1 и т. д. Однако можно построить и коммутируемые WDM-системы. В таком устройстве выходные фильтры настраиваются с помощью интерферометров Фабри—Перо или Маха—Цандера. Эти устройства позволяют выбранным частотам быть измененными динамически управляющим компьютером. Эта способность обеспечивает большую гибкость, чтобы обеспечить много путей с различной длиной волны через телефонную сеть от фиксированного набора волокон. Чтобы узнать больше про оптические сети и спектральное уплотнение, читайте Ramaswami и др. (2009).
2.6.5. Коммутация
С точки зрения среднего телефонного инженера, телефонная система состоит из двух частей: внешнего оборудования (местных телефонных линий и магистралей, вне коммутаторов) и внутреннего оборудования (коммутаторов), расположенного на телефонной станции. Мы рассмотрели внешнее оборудование. Теперь пора уделить внимание внутреннему.
В телефонных системах используется два различных приема: коммутации каналов и коммутации пакетов. Традиционная телефонная система основана на коммутации каналов, но коммутация пакетов начинает распространяться с распространением технологии IP-телефонии. Мы несколько подробнее обсудим коммутацию каналов и ее отличие от коммутации пакетов. Оба вида коммутации достаточно важны, и мы еще вернемся к ним в дальнейшем на сетевом уровне.
Коммутация каналов
Когда вы (или ваш компьютер) снимаете телефонную трубку и набираете номер, коммутирующее оборудование телефонной системы отыскивает физический путь, состоящий из кабелей и ведущий от вашего телефона к телефону того, с кем вы связываетесь. Такая система, называемая коммутацией каналов, схематически изображена на рис. 2.37, а. Каждый из шести прямоугольников представляет собой коммутирующую станцию (оконечную или междугородную). В данном примере каждая станция имеет три входных и три выходных линии. Когда звонок проходит через коммутационную станцию, между входной и выходной линиями устанавливается физическое соединение (показано пунктирными линиями).
На заре телефонии соединение устанавливалось вручную телефонным оператором, который замыкал две линии проводом с двумя штекерами на концах. С изобретением автоматического коммутатора связана довольно забавная история. Автоматический коммутатор изобрел в XIX веке владелец похоронного бюро Алмон Б. Строуджер
(Almon B. Strowger) вскоре после изобретения телефона. Когда кто-либо умирал, родственник умершего звонил городскому телефонному оператору и говорил: «Соедините меня, пожалуйста, с похоронным бюро». К несчастью для мистера Строуджера, в его городе было два похоронных бюро, и жена владельца конкурирующей фирмы как раз работала телефонным оператором. Мистер Строуджер быстро понял, что либо он изобретет автоматический телефонный коммутатор, либо ему придется закрывать дело. Он выбрал первое. На протяжении почти 100 лет используемое во всем мире оборудование для коммутации каналов называлось искателем Строуджера. (История не упоминает, не устроилась ли жена его конкурента, уволенная с работы телефонного оператора, в телефонное справочное агентство сообщать телефонный номер своего похоронного бюро всем желающим.)
Рис. 2.37. Коммутация: а — каналов; б — пакетов
Модель, изображенная на рис. 2.37, a, конечно, сильно упрощена, поскольку канал, соединяющий двух абонентов телефонной линии, на самом деле может быть не только медным проводом, но и, например, микроволновой или оптоволоконной магистралью, на которой объединены тысячи телефонных абонентов. Тем не менее основная идея остается той же самой: когда один абонент звонит другому, устанавливается определенный путь, связывающий их, и этот путь остается неизменным до конца разговора.
Важным свойством коммутации каналов является необходимость установления сквозного пути от одного абонента до другого до того, как будут посланы данные.
Именно поэтому время от конца набора номера до начала разговора может занимать около 10 с и более для междугородных или международных звонков. В течение этого интервала времени телефонная система ищет путь, изображенный на рис. 2.38, а. Обратите внимание на то, что еще до начала передачи данных сигнал запроса на разговор должен пройти весь путь до пункта назначения и там быть распознан. Для многих компьютерных приложений (например, при проверке кредитной карточки клиента кассовым терминалом) длительное время установления связи является нежелательным.
Рис. 2.38. Затраты времени при коммутации каналов (а) и коммутации пакетов (б)
В результате при установлении физического соединения между абонентами, как только этот путь установлен, единственной задержкой для распространения сигнала будет скорость распространения электромагнитного сигнала, то есть около 5 мс на каждые 1000 км. Еще одним свойством такой системы является то, что после начала разговора линия уже не может вдруг оказаться занятой, хотя она может быть занятой до установки соединения (например, благодаря отсутствию соответствующей возможности у коммутатора или магистрали). Также следствием установленного пути является отсутствие опасности скопления, то есть как только звонок был передан, вы никогда не получите сигналы «занято». Конечно, такой сигнал вы могли получить прежде, чем соединение было установлено из-за нехватки объема линии или коммутатора.
Коммутация пакетов
Альтернативным способом коммутации является коммутация пакетов, которая схематически изображена на рис. 2.37, б и описана в главе 1. При использовании такой формы коммутации отдельные пакеты пересылаются по мере готовности. В отличие от коммутации каналов, при коммутации пакетов нет необходимости устанавливать связь между двумя абонентами до начала передачи данных. Маршрутизаторы должны использовать передачу с промежуточной буферизацией, чтобы самостоятельно послать каждый пакет, продвигающийся к месту назначения. Эта процедура не похожа на коммутацию каналов, когда результат установки соединения — резервирование пропускной способности на всем пути от отправителя до приемника. Все данные в канале следуют этим путем. Среди других результатов следования по данному пути — гарантия прибытия данных в нужном порядке. При коммутации пакетов нет никакого неизменного пути, поэтому различные пакеты могут следовать различными путями, в зависимости от сетевых условий в тот момент, когда они были отправлены, и могут прибыть не по порядку.