Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Кроме сотовой связи CDMA используется спутниками и кабельными сетями. Мы в нашем кратком представлении пропустили много усложняющих факторов. Инженеры, которые хотят получить глубокое понимание CDMA, должны читать Viterbi (1995) и Lee and Miller (1998). Чтение этих материалов, впрочем, требует довольно мало знаний в коммуникационной инженерии.

2.6. Коммутируемая телефонная сеть общего пользования

Когда между двумя компьютерами, принадлежащими одной компании и расположенными недалеко друг от друга, необходимо установить связь, часто проще всего оказывается проложить между ними кабель. Подобным образом работают локальные сети. Однако, когда расстояния велики, или компьютеров очень много, или кабель надо прокладывать поперек шоссе или еще какой-либо государственной магистрали, цена прямого кабельного соединения становится недоступно высокой. Кроме того, почти во всех странах мира законом запрещено протягивать частные линии связи над или под объектами государственной собственности. Поэтому проектировщики сетей должны рассчитывать на имеющиеся средства телекоммуникации.

Подобные средства связи, в частности коммутируемая телефонная сеть общего пользования(PSTN, Public Switched Telephone Network), были созданы много лет назад с совершенно иной целью — передать человеческий голос в более-менее узнаваемом виде. Их применимость для соединения друг с другом компьютеров весьма незначительна.

Чтобы увидеть размер проблемы, предположим, что дешевый потребительский кабель, работающий между двумя компьютерами, может передать данные со скоростью 1 Гбит/с или больше. При этом типичный ADSL, прекрасная быстрая альтернатива телефонному модему, работает в пределах 1 Мбит/с. Это различие — как различие между полетом на самолете и неторопливой прогулкой.

Тем не менее телефонная сеть плотно переплетена с глобальными компьютерными сетями, поэтому стоит посвятить некоторое время тому, чтобы изучить это подробно. Ограничивающим фактором для организации сети оказывается «последняя миля», по которой соединяются клиенты, а не магистрали и коммутаторы телефонной сети.

Эта ситуация меняется с внедрением оптоволоконной связи и цифровых технологий на краю сети, но это требует времени и денег. В течение долгого времени проектировщики компьютерных систем, привыкшие работать с устройствами, производительность которых была на три порядка выше, посвятили много времени и сил, чтобы выяснить, как использовать телефонную сеть эффективно.

В следующих разделах мы опишем телефонную систему и покажем, как она работает. Дополнительные сведения о телефонной системе см. в книге (Bellamy, 2000).

2.6.1. Структура телефонной системы

Вскоре после того, как Александр Грэхем Белл (Alexander Graham Bell) в 1876 году (всего на несколько часов раньше своего конкурента, Элиша Грея (Elisha Gray)) запатентовал телефон, на его изобретение появился огромный спрос. Вначале этот рыночный сектор занимался торговлей телефонными аппаратами, которые продавались парами. Задача протягивания между ними единственного провода была возложена на покупателя. Если владелец телефона хотел поговорить с n другими владельцами телефонов, ему приходилось протягивать отдельные провода ко всем n домам. За первый год существования такой телефонной сети города оказались опутанными настоящей сетью из проводов, тянущихся над домами и деревьями в полнейшем беспорядке. Стало очевидно, что модель соединения телефонов «каждый с каждым» работать не будет (рис. 2.25, а).

Рис. 2.25.Сеть «каждый с каждым» (а); централизованный коммутатор (б); двухуровневая иерархия (в)

К чести Белла, он заметил это и основал телефонную компанию Bell Telephone Company, открывшую свой первый офис в 1878 году в Нью-Хэйвене, штат Коннектикут. Компания прокладывала провод к каждому дому или офису пользователя. Чтобы позвонить, пользователь должен был покрутить ручку телефона, при этом в офисе телефонной компании звенел звонок, привлекающий внимание оператора, который вручную соединял звонившего с требуемым номером, втыкая разъем в нужное гнездо. Структура телефонной сети с одним коммутатором изображена на рис. 2.25, б.

Довольно скоро подобные офисы компании Bell System стали появляться повсюду, кроме того, возник спрос на междугородную связь, поэтому Bell System стала соединять свои офисы. Вскоре они столкнулись опять с той же проблемой: задача соединения каждого офиса с каждым очень быстро стала невыполнимой, поэтому были созданы офисы второго уровня (рис. 2.29, в). Через некоторое время количество офисов второго уровня также стало слишком большим. В конце концов, иерархия разрослась до пяти уровней.

К 1890 году были созданы три основные части телефонной системы — коммутаторные телефонные станции, провода, соединяющие пользователей с ними (теперь уже сбалансированные, изолированные витые пары, а не проволока с землей вместо второго провода), и линии междугородной связи, соединяющие отдельные телефонные станции. Краткую техническую историю телефонной системы см. в книге (Hawley, 1991).

Хотя в каждой из этих областей с тех пор производились улучшения, основа модели Bell System осталась неизменной на протяжении более 100 лет. Приведенное ниже описание сильно упрощено; тем не менее оно передает суть дела. Каждый телефон соединен при помощи двух медных проводов с ближайшей оконечной телефонной станцией(также называемой местной центральной станцией). Расстояние от телефона до ближайшего коммутатора обычно от 1 до 10 км, в городах меньше, чем в сельской местности.

В одних только Соединенных Штатах насчитывается около 22 000 оконечных телефонных станций. Двухпроводное соединение между телефоном каждого абонента и оконечной телефонной станцией называется местной линией связи(или локальным контуром). Если местные линии связи всего мира соединить последовательно в одну линию, то их можно будет протянуть до Луны и обратно 1000 раз.

Одно время 80 % капитала компании AT&T было вложено в медные провода местных линий связи. Таким образом, компания AT&T представляла собой самую большую в мире медную шахту. К счастью, этот факт не был широко известен в сообществе инвесторов. В противном случае какие-нибудь корпорации могли скупить AT&T, выкопать все провода и продать их медно-обогатительным комбинатам с целью получения быстрой прибыли, тем самым прекратив всю телефонную связь в США.

Если абонент, подключенный к оконечному коммутатору, позвонит другому абоненту, подключенному к тому же коммутатору, то коммутирующий механизм установит между ними прямое электрическое соединение. Это соединение будет сохраняться в течение всего разговора.