Компьютерные сети. 5-е издание

Итак, мы рассмотрели случай бесшумных каналов. При наличии в канале случайного шума ситуация резко ухудшается. Уровень термодинамического шума в канале измеряется отношением мощности сигнала к мощности шума и называется отношением сигнал/шум. Если обозначить мощность сигнала S, а мощность шума — N, то отношение сигнал/шум будет равно S/N. Обычно величина отношения выражается через ее десятичный логарифм, умноженный на 10: 10 lg S/N, так как ее значение может меняться в очень большом диапазоне. Единица такой логарифмической шкалы называется децибелом (decibel, dB, дБ); здесь приставка «деци» означает «десять», а «бел» — это единица измерения, названная в честь изобретателя телефона Александра Грэма Белла. Таким образом, отношение сигнал/шум, равное 10, соответствует 10 дБ, отношение, равное 100, равно 20 дБ, отношение, равное 1000, равно 30 дБ и т. д. Производители стереоусилителей часто указывают полосу частот (частотный диапазон), в которой их аппаратура имеет линейную амплитудно-частотную характеристику в пределах 3 дБ. Отклонение в 3 дБ соответствует ослаблению сигнала примерно в два раза

Главным результатом, который получил Шеннон, было утверждение о том, что максимальная скорость передачи данных или емкость канала с полосой частот B Гц и отношением сигнал/шум, равным S/N, вычисляется по формуле:

Это наилучшее значение емкости, которое можно наблюдать для реального канала. Например, полоса пропускания канала ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line, ассиметричная цифровая абонентская линия), по которому осуществляется доступ в Интернет через телефонные сети, равна приблизительно 1 МГц. Отношение сигнал/ шум в значительной степени зависит от расстояния между компьютером пользователя и телефонной станцией. Для коротких линий длиной от 1 до 2 км очень хорошим считается значение около 40 дБ. С такими характеристиками канал никогда не сможет передавать более 13 Мбит/с, независимо от способа модуляции сигнала, то есть количества используемых уровней сигнала, частоты дискретизации и т. д. Поставщики услуг заявляют скорость передачи данных до 12 Мбит/с, однако пользователям редко удается наблюдать такое качество передачи данных. Тем не менее это великолепный результат для шестидесяти лет развития технологий передачи информации, в течение которых произошел огромный скачок от емкости каналов, характерной для времен Шеннона, и до существующей в современных реальных сетях.

Результат, полученный Шенноном и подкрепленный постулатами теории информации, применим к любому каналу с Гауссовским (термальным) шумом. Попытки доказать обратное заранее обречены на провал. Для того чтобы добиться в канале ADSL скорости, превышающей 13 Мбит/с, необходимо либо улучшить отношение

сигнал/шум (например, добавив цифровые повторители в линии передачи данных, подходящие к компьютерам пользователей), либо расширить полосу пропускания, как это сделано в новой версии технологии, ADSL2+.

2.2. Проводниковые среды передачи информации

Назначением физического уровня сети является передача битов от одной машины к другой. Для передачи могут использоваться различные физические носители информации, называемые также средой распространения сигнала. Каждый из них имеет характерный набор полос пропускания, задержек, цен и простоты установки и использования. Среды передачи информации можно разделить на две группы: проводниковые среды, такие как медный провод и оптоволоконный кабель, и беспроводные, например предназначенные для наземной беспроводной и спутниковой связи, а также передача по лазерному лучу без кабеля. Мы рассмотрим проводниковые среды в этом разделе, а беспроводные — в последующих.

2.2.1. Магнитные носители

Один из самых простых способов перенести данные с одного компьютера на другой — записать их на магнитную ленту или другой съемный носитель (например, перезаписываемый DVD), физически перенести эти ленты и диски к пункту назначения и там прочитать их. Поскольку такой метод значительно проще применения, скажем, геостационарного спутника связи, он часто оказывается гораздо более эффективным в экономическом отношении, особенно для приложений, в которых высокая пропускная способность или цена за бит являются ключевыми факторами.

Разобраться в данном вопросе нам помогут несложные вычисления. Стандартная кассета с лентой Ultrium вмещает 800 Гбайт. В коробку размером 60 х 60 х 60 см помещается около 1000 таких кассет, что дает общую емкость 800 терабайт или 6400 терабит (6,4 петабит). Коробка с кассетами может быть доставлена в пределах США в течение 24 часов службой Federal Express или другой компанией. Эффективная полоса пропускания при такой передаче составляет 6400 терабит/86 400 с или немногим больше 70 Гбит/с. Если же пункт назначения находится всего в часе езды, то пропускная способность составит свыше 1700 Гбит/с. Ни одна компьютерная сеть пока не в состоянии даже приблизиться к таким показателям.