Новым стандартом, вероятно, станет категория 6 или даже 7. Еще более строгие спецификации этих категорий обеспечивают передачу сигналов с большей шириной полосы пропускания. Некоторые кабели категории 6 поддерживают 10-гигабитные каналы связи. Сегодня такие каналы широко развертываются во многих сетях, например в новых офисных зданиях. Кабели категории 8 работают на более высоких скоростях, чем витые пары более низких категорий, но только на коротких расстояниях (около 30 м). Поэтому они подходят только для дата-центров. У стандарта категории 8 есть две разновидности: Класс I, совместимый с категорией 6A, и Класс II, совместимый с категорией 7A.
Кабели вплоть до категории 6 носят название неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), поскольку состоят только из проводов и изоляции. В отличие от них, в кабеле категории 7 экранирована каждая витая пара и весь пучок в целом (под защитной оболочкой). Экранирование снижает чувствительность к внешним и перекрестным помехам с расположенными рядом кабелями, благодаря чему кабель может удовлетворять самым высоким требованиям к производительности. Эти кабели напоминают высококачественные, но громоздкие и дорогие экранированные кабели на основе витых пар, выпущенные IBM в начале 1980-х. Особой популярности, помимо использования в системах самой IBM, они не приобрели. Видимо, пришло время повторить попытку.
2.1.3. Коаксиальный кабель
Еще одна распространенная среда передачи — коаксиальный кабель (coaxial cable). Он лучше экранирован и обладает более широкой полосой пропускания, чем неэкранированные витые пары, так что подходит для передачи на более далекие расстояния и с более высокой скоростью. Широко используются два типа коаксиального кабеля. Один из них, 50-омный, обычно применяется, когда изначально планируется передача данных в цифровом виде. Другой, 75-омный кабель, часто используется для передачи аналоговых данных и кабельного телевидения. Это разделение возникло скорее по историческим, чем по техническим причинам. Например, полное сопротивление первых дипольных антенн16 составляло 300 Ом, так что удобно было использовать уже существующие согласующие трансформаторы полного сопротивления 4 : 1. С середины 1990-х операторы кабельного телевидения начали предоставлять доступ в интернет, после чего возросла значимость 75-омных кабелей.
Коаксиальный кабель состоит из жесткой медной жилы, покрытой изоляцией. Изоляция, в свою очередь, заключена в цилиндрический проводник — обычно в виде тесно переплетенной сетки. Внешний проводник покрыт защитной оболочкой. Коаксиальный кабель в разрезе показан на илл. 2.2.
Илл. 2.2. Коаксиальный кабель
Конструкция и экранирование коаксиального кабеля обеспечивает удачное сочетание высокой пропускной способности и отличной защиты от помех (например, пультов дистанционного управления гаражными дверями, микроволновых печей и т.д.). Коаксиальный кабель имеет чрезвычайно широкую полосу пропускания (она зависит от качества и длины кабеля). У современных кабелей она достигает 6 ГГц, что позволяет передавать по одному кабелю множество сеансов связи параллельно (одна телевизионная программа занимает приблизительно 3,5 МГц). Коаксиальные кабели когда-то широко применялись в междугородних телефонных системах, но сегодня на замену им пришло оптоволокно. Коаксиальный кабель все еще широко используется для кабельного телевидения и городских сетей, а также для высокоскоростного домашнего интернета.
2.1.4. Линии электропередачи
Телефонные сети и сети кабельного телевидения не единственные проводные линии, которые можно дополнительно использовать для обмена данными. Существует еще более распространенный вид проводов — линии электропередачи (ЛЭП). ЛЭП служат для поставки электроэнергии в дома, а электропроводка внутри жилищ — для распределения энергии по электрическим розеткам.
Идея передачи данных по ЛЭП возникла давно. Долгие годы электроэнергетические компании использовали ЛЭП для низкоскоростного обмена данными, чтобы удаленно снимать показания счетчиков. Кроме того, данная технология позволяет управлять различными домашними устройствами (например, по стандарту X10). В последние годы возродился интерес к высокоскоростному обмену данными по таким линиям, как внутри жилых зданий в качестве LAN, так и снаружи — для широкополосного доступа в интернет. Мы рассмотрим наиболее распространенный сценарий — использование электропроводки в жилых домах.
Преимущества использования электропроводки для вычислительных сетей очевидны. Достаточно включить телевизор и тюнер в розетку — это придется сделать в любом случае, поскольку им требуется питание, — и они сразу получают возможность отправлять и принимать фильмы по электропроводке. Такая конфигурация представлена на илл. 2.3. Никаких других подключений или радиоустройств не требуется. Информационный сигнал накладывается на низкочастотный электрический сигнал (по активным, находящимся под напряжением проводам): оба сигнала используют проводку одновременно.
Илл. 2.3. Сеть на основе домашней электропроводки
Проблема использования домашней электропроводки для организации сети состоит в том, что она была предназначена для подачи электроэнергии. Эта задача коренным образом отличается от распространения информационных сигналов, и домашняя электропроводка справляется с ней очень плохо. Электрические сигналы передаются на частоте 50–60 Гц, при этом более высокочастотные сигналы (начиная от 1 МГц), необходимые для высокоскоростного обмена данными, затухают. Электрические свойства проводов различны в разных домах и меняются по мере включения/выключения бытовых электроприборов, что приводит к резким скачкам информационных сигналов в проводах. Возникающие при включении/выключении бытовых электроприборов переходные токи создают электрический шум в широком диапазоне частот. А без аккуратного скручивания как у витой пары электропроводка ведет себя как антенна, подхватывая внешние сигналы и излучая в пространство свои собственные. Следовательно, для удовлетворения нормативных требований информационный сигнал должен избегать лицензируемых частот (например, диапазонов, выделенных для радиолюбителей).
Несмотря на эти сложности, по обычной электропроводке вполне можно передавать данные на короткие расстояния со скоростью до 500 Мбит/с с помощью схем связи, избегающих проблемных частот и устойчивых к всплескам количества ошибок. Для многих продуктов применяются защищенные патентами стандарты по организации сетей на основе ЛЭП; разрабатываются также открытые стандарты.
2.1.5. Оптоволокно
Многие представители компьютерной индустрии невероятно гордятся быстротой развития вычислительных технологий в соответствии с законом Мура, по которому число транзисторов в микросхеме удваивается каждые два года (см. работу Кушика и Хаммудеха; Kuszyk and Hammoudeh, 2018). Первый ПК IBM (1981) работал на тактовой частоте 4,77 МГц. Сорок лет спустя ПК содержат четырехъядерный CPU, работающий на частоте 3 ГГц. Ускорение примерно в 2500 раз. Впечатляет.
В то же время скорость глобальных линий связи выросла от 45 Мбит/с (линия T3 в телефонных системах) до 100 Гбит/с (современная междугородняя линия). Ничуть не менее впечатляющий рост — более чем в 2000 раз; частота ошибок при этом упала с 10-5 практически до нуля. За прошлое десятилетие был достигнут предел возможностей отдельного CPU, вследствие чего начало расти число ядер CPU на чип. А потенциальная пропускная способность оптоволокна превышает 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и мы еще очень далеки от этих пределов. На сегодняшний день мы достигли «потолка» (около 100 Гбит/с) лишь из-за нашей неспособности быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Для достижения более высокой производительности по одному оптоволоконному кабелю параллельно передаются данные нескольких каналов связи.
В этом разделе мы разберемся, как работает оптоволоконная технология передачи данных. В непрерывном состязании компьютерных систем и средств связи последние вполне могут выиграть за счет оптоволоконных сетей. Если это произойдет, пропускная способность окажется практически неограниченной, а большинство решит, что компьютеры работают безнадежно медленно, так что сетям лучше избегать вычислений любой ценой (независимо от того, какая часть полосы пропускания при этом будет потеряна). Пройдет немало времени, прежде чем подобное мнение станет господствующим в среде специалистов по вычислительной технике, привыкших смотреть на все через призму жестких ограничений, свойственных медным проводам.
Конечно, подобный сценарий не учитывает стоимость. Затраты на прокладку оптоволоконного кабеля до каждого потребителя (во избежание низкой пропускной способности проводов и ограниченного диапазона частот) колоссальны. Кроме того, расход электроэнергии на передачу битов больше, чем на вычисления. Всегда будут появляться «островки неравенства», где либо вычисления, либо передача данных практически бесплатны. Например, при входе в интернет применяются средства вычисления и хранения, чтобы сжать и кэшировать контент, — все для оптимального использования каналов доступа. Внутри интернета же может происходить обратное. Такие компании, как Google, перемещают по Сети колоссальные массивы данных туда, где их хранение или обработка обойдутся дешевле.
Оптоволокно используется для передачи данных на большие расстояния в опорных сетях, высокоскоростных LAN (хотя медные провода нередко успешно с ними в этом соперничают), а также для высокоскоростного доступа в интернет по технологии FTTH («оптоволокно в дом»). Оптические системы передачи данных состоят из трех основных компонентов: источника (генератора) света, среды передачи и приемника. Принято считать, что световой импульс означает 1, а отсутствие света — 0. Среда передачи представляет собой сверхтонкое стекловолокно. При попадании света приемник генерирует электрический импульс. Установив генератор света на одном конце оптоволоконного кабеля, а приемник — на другом, мы получаем однонаправленную (то есть симплексную) систему передачи данных, которая прини