2.6.3. Местные линии связи: модемы, ADSL, беспроводная связь
Пришло время вплотную заняться изучением принципов работы телефонной системы.
Начнем с той части телефонной системы, с которой большинство людей знакомо очень хорошо. Итак, имеется двухпроводная линия, идущая от оконечной телефонной станции в дома и небольшие организации. Эта часть называется иногда последней милей, хотя длина местной линии на местности может составлять и несколько миль. На этом отрезке вот уже более 100 лет используется аналоговая связь, и похоже, что в ближайшие несколько лет ситуация не изменится (из-за высокой стоимости перехода на цифровые линии).
Много усилий было предпринято по сжатию сети передачи данных из медных проводов местных сетей, которые уже существуют. Телефонные модемы посылают цифровые данные между компьютерами по узкому каналу, который телефонная сеть предусматривает для голосового вызова. Они когда-то широко использовались, но были в значительной степени замещены широкополосными технологиями, такими как ADSL, которые тоже используют местную сеть, чтобы послать цифровые данные от клиента до оконечной станции, где они выходят в Интернет. И модемы и ADSL должны иметь дело с ограничениями старых местных сетей: относительно узкая пропускная способность, ослабление и искажение сигналов и восприимчивость к электрическому шуму, такому как перекрестные наводки.
В некоторых местах местная линия была модернизирована с помощью оптоволокна. За оптоволокном будущее. Такие линии поддерживают компьютерные сети изначально. Ограничивающий фактор — деньги. Вопрос только в том, готовы ли люди платить за дополнительные возможности.
В данном разделе мы рассмотрим как традиционный подход к построению местных линий, так и новые тенденции, наблюдающиеся в этой области. Мы обсудим телефонные модемы, ADSL, оптоволоконное подключение.
Модемы
Чтобы послать биты по местной линии связи или любому другому физическому каналу, с этой целью они должны быть преобразованы в аналоговые сигналы, которые могут быть переданы по каналу. Это преобразование достигается с использованием методов для цифровой модуляции, которую мы изучили в предыдущем разделе. В другом конце канала аналоговый сигнал преобразуется обратно в биты.
Устройство, принимающее последовательный поток битов и преобразующее его в выходной сигнал, модулируемый одним или несколькими из приведенных способов, а также выполняющий обратное преобразование, называется модемом (сокращение от «модулятор-демодулятор»). Существуют различные разновидности модемов: телефонные модемы, модемы DSL, кабельные модемы, беспроводные модемы и т. д. Модем может быть встроен в компьютер (это теперь обычная практика для телефонных модемов) или быть отдельным устройством (что типично для DSL и кабельных модемов). Логически, модем вставлен между (цифровым) компьютером и (аналоговой) телефонной линией, как видно на рис. 2.28.
Рис. 2.28. Одновременное использование аналоговой и цифровой связи для соединения компьютеров. Преобразования осуществляются модемами и кодеками
Модем используется для пересылки битов между компьютерами по речевой (аналоговой) телефонной линии, вместо разговора. Основная трудность при этом состоит в том, что речевая телефонная линия ограничена 3100 Гц, чего достаточно, чтобы передать разговор. Эта пропускная способность — на четыре порядка величины меньше, чем пропускная способность, которая используется для Ethernet или 802.11 (WiFi). Неудивительно, скорости передачи данных телефонных модемов также на четыре порядка величины меньше чем у Ethernet и 802.11.
Давайте посчитаем, почему так происходит. Теорема Найквиста утверждает, что даже при наличии идеального канала с частотой 3000 Гц (каковым телефонная линия не является) невозможно передавать отсчеты сигнала чаще, чем с частотой 6000 Гц. На практике большинство модемов делают 2400 отсчетов в секунду, или 2400 бод, стремятся к повышению числа бит на отсчет, допуская одновременный двусторонний трафик (используя для разных направлений разные частоты).
Скромный модем со скоростью 2400 бод использует 0 вольт для передачи логического ноля и 1 вольт для передачи логической единицы, с одним битом на символ. Одно улучшение — можно использовать 4 разных символа, как в четырех фазах QPSK, тогда при двух битах на символ будет достигнута битовая скорость 4800 бит/с.