48. Интернет состоит из огромного количества сетей. Их расположение определяет топологию интернета. В Сети доступно немало информации на эту тему. Воспользуйтесь поисковыми системами, чтобы узнать больше о топологии интернета, и напишите короткий отчет по итогам найденного.
49. Поищите в интернете информацию о важных пиринговых точках, используемых в настоящее время для маршрутизации пакетов в интернете.
50. Напишите программу, которая осуществляет поток сообщений с верхнего на нижний уровень 7-уровневой модели протоколов. Программа должна включать по отдельной функции протокола для каждого уровня. Заголовки протокола представляют собой последовательности, содержащие до 64 символов. У каждой функции протокола есть два параметра: сообщение, передаваемое от протокола более высокого уровня (символьный буфер), и размер этого сообщения. Функция присоединяет заголовок перед сообщением, выводит получившееся новое сообщение в стандартный поток вывода, после чего вызывает функцию протокола нижележащего уровня. Входными данными для программы служит сообщение приложения.
Глава 2. Физический уровень
В этой главе мы рассмотрим низший уровень нашей эталонной модели — физический. Он задает электрические, синхронизационные и прочие интерфейсы, посредством которых биты пересылаются по каналам в виде сигналов. Физический уровень — фундамент сети. Свойства различных видов физических каналов определяют быстродействие (например, пропускную способность, время задержки и частоту ошибок), так что это идеальная стартовая точка для путешествия в мир сетей.
Начнем со знакомства с тремя видами сред передачи данных: проводные/направляемые (например, медные провода, коаксиальный кабель, оптоволокно), беспроводные (наземная радиосвязь) и спутниковые. Все эти технологии обладают различными свойствами, влияющими на архитектуру и быстродействие сетей. Мы дадим базовую информацию о ключевых технологиях передачи данных в современных сетях.
Далее представим теоретический анализ передачи данных и обнаружим, что природа наложила определенные ограничения на работу каналов связи (то есть физических сред, используемых для отправки битов). Затем обсудим цифровую модуляцию — преобразование аналоговых сигналов в цифровые биты и обратно. После этого рассмотрим схемы мультиплексирования и изучим возможности передачи в одной среде нескольких сеансов связи одновременно, без каких-либо помех друг для друга.
Наконец, рассмотрим три системы связи, применяемые для глобальных сетей: стационарную и мобильную телефонные системы, а также систему кабельного телевидения. Все они имеют важное практическое значение и заслуживают внимания.
2.1. Проводные среды передачи данных
Задача физического уровня состоит в переносе битов с одного устройства на другое. Для передачи данных могут использоваться различные физические среды. Среды передачи с использованием физического кабеля или провода часто называются проводными, или направляемыми (guided transmission media), поскольку в них сигнал направлен по физическому пути. Наиболее распространенные проводные среды передачи — медные кабели (в виде коаксиального кабеля или витой пары) и оптоволокно. Все они имеют свои достоинства и недостатки в том, что касается частот, ширины полосы пропускания, задержки, стоимости и удобства установки, а также технического обслуживания. Ширина полосы пропускания — мера пропускной способности среды передачи. Она измеряется в герцах (Гц) (МГц, ГГц). Эта единица измерения названа в честь немецкого физика Генриха Герца. Мы обсудим ее подробнее далее в этой главе.
2.1.1. Запоминающее устройство
Стандартный способ переноса информации с одного устройства на другое — записать на носитель, магнитный или твердотельный (например, записываемый DVD), физически доставить его к целевому устройству и считать данные. Это не так современно, как использование геостационарного спутника связи, но зачастую более рентабельно, особенно в ситуациях, где ключевым фактором является высокая скорость передачи данных или стоимость в расчете на переданный бит.
Это ясно из простого расчета. Стандартный магнитный картридж в формате Ultrium может содержать до 30 Тбайт данных. В коробке размером 60 × 60 × 60 см помещается около 1000 таких накопителей общей емкостью 30 000 ТБ, то есть 240 000 Тбит (240 Пбит). Federal Express или другая логистическая компания может доставить эту коробку в любую точку США за 24 часа. Фактическая пропускная способность при таком варианте передачи данных составит 240 000 Тбит/86 400 с, то есть более 2700 Гбит/с. А если место назначения всего в часе езды, то пропускная способность превысит 66 Тбит/с. Ни одна сеть не способна даже приблизиться к подобным показателям. Конечно, скорость сетей растет, но растет и плотность записи на магнитную ленту.
Если взглянуть на стоимость, картина будет аналогичной. Оптовая цена картриджа Ultrium — $40. Учитывая, что его можно повторно использовать минимум 10 раз, коробка обойдется в $4000. Добавим к этому $1000 за услуги доставки (скорее всего, намного меньше), и получится примерно $5000 за передачу 30 000 Tбайт данных. Стоимость пересылки одного гигабайта составит чуть более половины цента. Сети не могут с этим соперничать. Мораль истории такова:
Никогда не недооценивайте пропускную способность несущегося по шоссе грузовика, набитого магнитными картриджами.
Зачастую это наилучшее решение при перемещении очень больших объемов данных. Компания Amazon предоставляет сервис Snowmobile. Это большой грузовик, набитый тысячами жестких дисков, подключенных к высокоскоростной сети внутри грузовика. Его общая емкость составляет 100 Пбайт (100 000 Тбайт или 100 млн Гбайт). Если компания нуждается в перемещении огромного объема данных, такой грузовик приезжает на ее территорию, подключается к оптоволоконной сети компании, а затем извлекает нужную информацию. По завершении грузовик едет в место назначения и выгружает данные. Этот сервис может пригодиться компании, желающей использовать облако Amazon вместо собственного огромного дата-центра. Остальные методы передачи и близко не сравнятся с этим сервисом, если речь идет о гигантских объемах данных.
2.1.2. Витая пара
При использовании запоминающих устройств можно получить отличную пропускную способность. Однако с показателями задержки все обстоит иначе: время передачи данных измеряется часами или днями, а не миллисекундами. Для многих приложений, включая веб-приложения, видеоконференции и онлайн-игры, важна низкая задержка при передаче данных. Витая пара (twisted pair) — одна из старейших, но все еще наиболее популярная среда передачи данных. Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, обычно толщиной около 1 мм. Провода скручены в спираль подобно молекуле ДНК. Два параллельных провода образуют отличную антенну, а когда они скручены, волны от различных витков взаимно гасятся, так что провод в целом распространяет излучение гораздо слабее. Сигнал обычно передается в виде разности потенциалов между двумя проводами пары, что обеспечивает (в отличие от абсолютного напряжения) лучшую устойчивость к внешнему шуму. Как правило, шум одинаково влияет на напряжение в обоих проводах, таким образом, разность потенциалов остается практически неизменной.
Чаще всего витая пара используется в телефонных системах. Практически все телефоны соединяются с АТС посредством такого кабеля. По этим линиям связи осуществляются и телефонные звонки, и доступ в интернет по технологии ADSL. Витые пары длиной до нескольких километров могут обходиться без усиления, но на больших расстояниях сигнал ослабляется и необходимы повторители. Чтобы протянуть множество витых пар параллельно на большое расстояние (например, от многоквартирного дома до АТС), их связывают вместе и заключают в защитную оболочку. Если бы не скручивание, пары проводов создавали бы помехи друг на друга. В некоторых регионах телефонные линии прокладываются над землей, на столбах, и связки проводов достигают диаметра в несколько сантиметров.
Витая пара используется для передачи как аналоговых, так и цифровых данных. Пропускная способность зависит от диаметра провода и расстояния. В большинстве случаев при расстоянии в несколько километров она может достигать сотен мегабит в секунду (и даже больше — при использовании различных хитростей). Благодаря достаточному быстродействию, широкой доступности и низкой стоимости витая пара очень популярна, и в ближайшем будущем эта ситуация вряд ли изменится.
Кабели на основе витой пары бывают нескольких видов. Повсеместно используемая сегодня разновидность витой пары называется кабелем категории 5e, или «Cat. 5e». Витая пара категории 5e состоит из двух аккуратно скрученных проводов. Четыре такие пары обычно заключаются в ПВХ-оболочку, которая защищает провода и держит их вместе. Эта компоновка проводов показана на илл. 2.1.
Илл. 2.1. Кабель категории 5e из четырех витых пар. Подобные кабели применяются для локальных сетей
В различных стандартах LAN витая пара используется по-разному. Например, 100-мегабитная сеть Ethernet использует две (из четырех) пар, по одной для каждого направления. Для повышения скорости 1-гигабитная Ethernet использует все четыре пары в обоих направлениях одновременно, поэтому получатель должен факторизовать передаваемый сигнал.
Немного общей терминологии. Каналы связи, позволяющие передавать сигнал в обе стороны одновременно (подобно двухполосной дороге), называются полнодуплексными (full-duplex). Линии, которые можно использовать в конкретный момент времени только в одном направлении (подобно одноколейной железной дороге), называют полудуплексными (half-duplex). Третья категория — симплексные (simplex) каналы связи, по которым трафик всегда движется лишь в одном направлении, как по односторонним улицам.
Вернемся к витой паре. Более раннюю категорию 3 сменила категория 5, с аналогичным кабелем и таким же разъемом, но с увеличенным количеством скручиваний на метр. Большее число скручиваний уменьшает перекрестные помехи и улучшает качество сигнала при передаче на дальние расстояния. Благодаря этому подобные кабели лучше подходят для высокоскоростного обмена данными между устройствами, особенно для 100-мегабитных и 1-гигабитных сетей Ethernet.