Компьютерные технологии и телекоммуникации

Компьютерные технологии и телекоммуникации

 

Учебно-методическое пособие для ВУЗов

 

 

 

 

Волгоград

2017

УДК: 004.7

 

 

Рецензенты:

 

канд. техн. наук доц. филиал г. Волжский МЭИ(ТУ) Е.В. Капля

канд. техн. наук доц. ВолгГТУ А.Г. Алёхин

 

                                                                            

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

 

 

            Силаев А.А.,

Компьютерные технологии и телекоммуникации: учебно-методическое пособие /А. А. Силаев; ВПИ (филиал)ВолгГТУ. – Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2017. – 89 с.

 

 

В пособие рассмотрены основные понятия и определения компьютерных сетей и телекоммуникаций.

Учебно-методическое пособие представляет собой конспект лекций, дополненный примерами применения компьютерных технологий в человеческом обществе.

Предназначено для студентов технических ВУЗов обучающихся по направлению бакалавриата «Автоматизация технологических процессов и производств» всех форм обучения.

 

 

Ó Волгоградский государственный технический университет, 2017 Ó Волжский политехнический институт, 2017

Содержание

 

Введение 5

1                Введение в информационные технологии 8

1.1            Форма восприятия и представления информации 12

1.2            Формы адекватности информации 12

2                Компьютерные сети. Назначение, характеристики и типы сетей 15

2.1            Основные характеристики компьютерных сетей 15

2.2            Типы сетей 16

3                Компоненты сети 18

3.1            Конечные устройства 18

3.2            Промежуточные сетевые устройства 22

3.3            Сетевая топология 23

3.3.1        Шинная топология 24

3.3.2        Кольцевая топология 25

3.3.3        Звездообразная топология 27

4                Среды передачи данных 29

4.1            Кабельные линии связи 29

4.1.1        Коаксиальный кабель 30

4.1.2        Кабель витая пара 31

4.1.3        Волоконно-оптический кабель 32

4.2            Беспроводные линии связи 34

4.2.1        Инфракрасная связь 34

4.2.2        Беспроводная локальная связь Wi-Fi 35

4.2.3        Беспроводная персональная связь Bluetooht 37

4.2.4        Беспроводная персональная связь ZigBee 39

4.2.5        Сотовая связь 41

5                Взаимодействия в сетях 44

5.1            Типы подключения 44

5.1.1        Подключения M2M 44

5.1.2        Подключения M2P 44

5.1.3        Подключения P2P 45

5.2            Архитектура компьютерных систем 45

5.2.1        Архитектура «клиент-сервер» 45

5.2.2        Архитектура облачных вычислений 46

5.2.3        Архитектура туманных вычислений 49

5.3            Набор протоколов 51

5.4            Семиуровневая модель открытых систем OSI 52

5.4.1        Прикладной уровень 52

5.4.2        Представительный уровень 53

5.4.3        Сеансовый уровень 53

5.4.4        Транспортный уровень 54

5.4.5        Сетевой уровень 54

5.4.6        Канальный уровень 54

5.4.7        Физический уровень 55

5.5            Стек протоколов TCP/IP 55

5.5.1        Прикладной уровень 56

5.5.2        Транспортный уровень 56

5.5.3        Сетевой уровень 57

5.5.4        Канальный уровень 58

5.6            Сравнение эталонных моделей OSI и TCP/IP 58

6                Протоколы прикладного уровня 62

6.1            HTTP протокол 62

6.2            FTP протокол 63

6.3            SMTP протокол 65

6.4            POP3 протокол 66

7                Классификация адресов в компьютерных сетях 68

7.1            Локальный адрес 68

7.2            IP-адрес 68

7.3            Символьное имя 70

7.3.1        Система доменных имен DNS. 70

7.3.2        Алгоритм работы DNS 73

8                Организация безопасности в сетях 75

8.1            Стратегия безопасности 75

8.2            Архитектура безопасности 76

8.3            Устройства обеспечения безопасности 77

8.4            Безопасность, ориентированная на приложения 77

8.5            Безопасность беспроводной сети 77

8.6            Избыточность и высокая степень доступности 78

8.7            Люди — это самое слабое звено 79

8.8            Политика безопасности 79

8.9            Личные данные и Интернет 79

8.10          Функции брандмауэров 80

8.11          Прокси-серверы 81

9                Программирование 83

9.1            Определение базовых возможностей программирования 83

9.2            Типы программ 86

Заключение 87

Список литературы 88

 

Введение

В настоящее время компьютерные технологии и телекоммуникации прочно обосновались в жизни людей. Действительно сложно найти хотя бы одну отрасль деятельности, в которой не используются информационные технологии в той или иной мере. Компьютеры помогли людям сделать грандиозный прорыв в развитии науки и техники. И с каждым годом появляется всё больше вещей и техник, использующих информационные технологии. Количество пользователей сети Интернет увеличивается постоянно, при этом пользователями сети становятся не только люди, но и вещи. А информационные процессы происходят не только между людьми, но и неодушевлёнными предметами.

Сегодня скорость технологического развития растет в геометрической прогрессии. В целях поддержания конкурентного преимущества организациям следует принимать во внимание это развитие. Существуют три основных принципа, или закона, которые могут помочь организациям и экспертам распланировать свои технологические потребности.

– Закон Мура — этот закон был предложен в 1965 году Гордоном E. Муром, сооснователем корпорации Intel. Согласно этому закону количество транзисторов в интегральных микросхемах удваивается каждые два года, что повышает вычислительную мощность.

– Закон Меткалфа – создание этого закона приписывают Роберту Меткалфу. Согласно этому закону ценность отдельно взятой сети пропорциональна квадрату количества подключенных к ней пользователей. Закон Меткалфа рассчитывает количество уникальных подключений в сети узлов, которое выражается математически в виде формулы n(n–1)/2. Таким образом, ценность, описываемая в этом законе, пропорциональна n^2.

– Закон Рида – этот закон предложил Дэвид Рид. Согласно этому закону ценность сети растет в геометрической прогрессии путем сложения групп, которые могут сформироваться из двух пользователей, трех пользователей и т. д. Данный закон рассчитывается по формуле 2^n и нагляднее всего демонстрируется на примере социальных сетей.

В целом можно сказать, что компьютерные технологии базируются на четырех составляющих:

– люди и вещи – это участники сбора и обмена информацией между собой;

– данные – это непосредственно сама информация, которая выступает как важнейший ресурс человеческого общества;

– информационные процессы – процессы, происходящие в ходе получения, обработки и передачи информации между участниками.

А основой всего этого является компьютерная сеть. Именно сети дали возможность создавать единое информационное пространство для взаимодействия.

В пособие рассмотрены основные понятия и определения компьютерных сетей и телекоммуникаций:

классификация сетей;

устройства сетей;

среды передачи данных;

базовая модель TCP/IP;

прикладные протоколы;

адресация в компьютерных сетях;

система доменных имён;

основы безопасности;

программирование.

Учебно-методическое пособие представляет собой конспект лекций, дополненный примерами применения компьютерных технологий в человеческом обществе.

Данное учебно-методическое пособие предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств» при изучении дисциплины «Компьютерные технологии и телекоммуникации».

 

Типы сетей

По широте охвата принято деление сетей на несколько типов.

Локальные сети (Local Area Networks LAN) — сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в одном помещении). В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования высококачественных линий связи. Локальные сети получили широкое распространение из-за небольшой сложности и невысокой стоимости. Они используются при автоматизации коммерческой, банковской деятельности, а также для создания распределенных, управляющих и информационно-справочных систем.

Особенности локальных сетей:

– самая высокая скорость передачи данных;

– малое количество компьютеров в сети;

– ограниченное количество ресурсов и серверов.

Глобальные сети (Wide Area Networks WAN) — объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Как правило, глобальные сети принадлежат автономным организациям, таким как корпорации или правительства. Обычно скорость канала, которую обеспечивают глобальные сети между локальными сетями, ниже скорости внутри локальной сети.

Особенности глобальных сетей:

– невысокая скорость передачи данных;

– максимальное количество компьютеров в сети;

– максимальное количество ресурсов и серверов.

Компоненты сети

Маршрут, по которому сообщение идет от источника к месту назначения, может быть простым, как, например, один кабель, соединяющий один компьютер с другим, или сложным, как сеть, буквально охватывающая весь мир. Сетевая инфраструктура — это платформа, поддерживающая конкретную сеть, которая выполняет функцию стабильного и надежного канала для передачи данных.

Устройства и среда передачи данных — это физические элементы или аппаратное обеспечение сети. Аппаратное обеспечение зачастую является видимой частью сетевой платформы — ноутбук, ПК, коммутатор, маршрутизатор, точка беспроводного доступа или кабели, используемые для соединения устройств. Однако существуют компоненты, которые остаются скрытыми. В случае беспроводных сетей сообщения передаются с помощью незримого радиочастотного или инфракрасного излучения.

Компоненты сети используются для предоставления сервисов и процессов. Они представляют собой коммуникационные программы, называемые программным обеспечением, которые запускаются на сетевых устройствах. Сетевой сервис предоставляет данные в ответ на запрос. Сервисы включают в себя множество сетевых приложений, которые люди используют ежедневно, например, сервисы электронной почты и веб-хостинга. Процессы обеспечивают функциональность, посредством которой сообщения направляются и перемещаются в пределах сети. Процессы менее очевидны для нас, но критически важны для работы сетей.

Конечные устройства

Сетевые устройства, с которыми пользователи знакомы лучше всего, называются конечными устройствами. Все компьютеры, подключенные к сети и непосредственно участвующие в обмене данными, считаются узлами. Эти устройства образуют интерфейс между пользователями и сетью связи.

Примеры конечных устройств:

– ЭВМ (компьютеры, ноутбуки, веб-серверы);

– сетевые принтеры и диски;

– VoIP-телефоны;

– терминальные устройства;

– камеры видеонаблюдения;

– мобильные карманные устройства (смартфоны, планшетные ПК, КПК);

– датчики, например, термометры, весы и другие устройства, подключаемые к сети;

– исполнительные механизмы, как составляющие «умных вещей».

Конечное устройство — это источник или место назначения данных, передаваемых по сети. Каждому конечному устройству в сети назначается адрес, чтобы устройства можно было отличить. Если конечное устройство инициирует обмен данными, то в качестве получателя сообщения оно использует адрес конечного устройства назначения.

В сетях выделяют два обобщённых типа конечных устройств.

Сервер — это конечное устройство, на котором установлено ПО, позволяющее ему предоставлять информацию, в том числе сообщения электронной почты или веб-страницы, другим конечным устройствам в сети. Например, для работы веб-служб в сети на сервере должно быть установлено ПО веб-сервера.

Рисунок 4 – Сервер хранения данных.

Клиент — это конечное устройство, на котором установлено ПО, позволяющее запрашивать и отображать информацию, полученную от сервера. Примером клиентского программного обеспечения является веб-браузер, например Internet Explorer (см. рисунок 5).

Рисунок 5 – Примеры клиентских устройств.

В настоящее время существует много новых типов конечных устройств, которые собирают и передают данные, они являются важнейшими составляющими Интернета Вещей.

Датчик — это объект, который может измерять физические свойства и преобразовывать эту информацию в электрический или оптический сигнал. Например, датчики могут измерять температуру, вес, движение, давление и влагу.

Как правило, датчики поставляются с заранее запрограммированными инструкциями; впрочем, в некоторых датчиках можно изменить степень чувствительности или частоту отчетности. Настройки чувствительности указывают степень изменения выходных данных датчика при колебаниях измеряемой величины. Например, датчик движения можно откалибровать таким образом, чтобы он замечал только движения людей, не обращая внимания на домашних животных. Для изменения параметров датчика как локально, так и удаленно используется контроллер, который может быть оснащен графическим пользовательским интерфейсом (GUI).

Исполнительный механизм — это другое устройство, которое реализовано в рамках Интернета Вещей. Это базовый двигатель, который можно использовать для активации или контроля механизма или системы, исходя из имеющихся инструкций. Исполнительные механизмы выполняют непосредственное физическое действие, стоящее за понятием «привести в движение».

В Интернете Вещей используются три типа исполнительных механизмов:

– гидравлический — использует давление жидкости для выполнения механического движения;

– пневматический — использует сжатый под высоким давлением воздух для инициирования механического действия;

– электрический — работает благодаря электродвигателю, который преобразует электроэнергию в механические действия.

Вне зависимости от того, как исполнительный механизм инициирует движение, его базовая функция заключается в получении сигнала, исходя из которого он выполняет какое-либо действие. Как правило, исполнительные механизмы не способны обрабатывать данные. Скорее, результат выполняемого механизмом действия зависит от полученного сигнала. Действие, выполняемое механизмом, обычно инициируется сигналом со стороны контроллера.

Сетевая топология

Сетевая топология — это схема, в которой изложены различные элементы компьютерной сети. Сеть может быть представлена двумя типами топологии: физической и логической.

Физическая топология отображает расположение и местонахождение всех устройств в сети. Физическая топология описывает фактические соединения между устройствами посредством проводов и кабелей.

При определении физической топологии необходимо учесть следующие аспекты.

– Местоположение компьютеров пользователей.

– Расположение сетевого оборудования, в том числе коммутаторов, маршрутизаторов и точек беспроводного доступа.

– Расположение контроллеров и серверов.

– Расположение датчиков и исполнительных механизмов.

– Возможность расширения сети в будущем.

Логическая топология основана на принципах работы протоколов связи и представляет сеть иначе, чем физические топологии. Логическая топология отображает пути, по которым данные передаются по сети. Она описывает, как устройства обмениваются данными с пользователями сети. Неотъемлемой частью логической топологии является схема адресации.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

− шина (bus);

− звезда (star);

− кольцо (ring).

Шинная топология

При помощи кабеля каждая рабочая станция соединяется с другими рабочими станциями и с файловым сервером. Кабель проходит от узла к узлу, последовательно соединяя все рабочие станции и все файловые серверы. На каждом конце кабеля подключается согласующая нагрузка (терминатор) для исключения эхоотражений (см. рисунок7).

Рисунок 7 – Шинная топология.

Шинная топология использует состязательный метод доступа. Это означает, что информацию принимает только тот компьютер, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в передаваемых сигналах. Остальные компьютеры отбрасывают сообщение. Перед передачей данных компьютер должен ожидать освобождения шины. В каждый момент времени отправлять сообщение может только один компьютер, поэтому число подключенных к сети машин значительно влияет на ее быстродействие.

Преимущества шинной топологии:

– надежно работает в небольших сетях, проста в использовании;

– требует меньше кабеля для соединения компьютеров и потому дешевле, чем другие схемы соединении;

– легко расширяется за счет состыковки кабельных сегментов с помощью цилиндрического соединителя и использования повторителей.

Недостатки шинной топологии:

– интенсивный сетевой трафик снижает производительность сети. При большом числе компьютеров в сети станции часто прерывают друг друга, и немалая часть полосы пропускания теряется понапрасну. При добавлении компьютеров к сети резко падает производительность;

– цилиндрические соединители ослабляют электрический сигнал, и большое их число вызывает нарушения в передаче информации по шине;

– разрыв кабеля или неправильное функционирование одной из станций может привести к нарушению работоспособности всей сети. Сеть трудно диагностировать.

Кольцевая топология

В сети с кольцевой топологией каждый компьютер соединяется со следующим компьютером, ретранслирующим ту информацию, \ он получает от первой машины. Благодаря такой ретрансляции сеть является активной, и в ней не возникают проблемы потери сигнала, как в сетях с шинной топологией. Кроме того, поскольку «конца» в кольцевой сети нет, никаких оконечных нагрузок не нужно (см. рисунок 8).

Рисунок 8 – Кольцевая топология.

Некоторые сети с кольцевой топологией используют метод доступа к среде на основе маркера (метод эстафетной передачи). Специальное короткое сообщение-маркер циркулирует по кольцу пока компьютер не пожелает передать информацию другому узлу. Он модифицирует маркер, добавляет электронный адрес и данные, а затем отправляет его по кольцу. Каждый из компьютеров последовательно получает данный маркер с добавленной информацией и передает его соседней машине, пока электронный адрес не совпадет с адресом компьютера-получателя, или маркер не вернется к отправителю. Получивший сообщение компьютер возвращает отправителю ответ, подтверждающий, что послание принято. Тогда отправитель создает еще один маркер и отправляет его в сеть, что позволяет другой станции перехватить маркер и начать передачу. Маркер циркулирует по кольцу, пока какая-либо из станций не будет готова к передаче и не захватит его.

Такая структура способствует восстановлению сети в случае возникновения отказов.

Преимущества сети с кольцевой топологией:

– поскольку всем компьютерам предоставляется равный доступ к маркеру, никто из них не сможет монополизировать сеть;

– справедливое совместное использование сети обеспечивает постепенное снижение ее производительности в случае увеличения числа пользователей и перегрузки (лучше, если сеть будет продолжать функционировать, хотя и медленно, чем сразу откажет при превышении пропускной способности).

Недостатки сети с кольцевой топологией:

– отказ одного компьютера в сети может повлиять на работоспособность всей сети;

– кольцевую сеть трудно диагностировать;

– добавление или удаление компьютера вынуждает разрывать сеть.

Звездообразная топология

Звездообразная топология — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению сетью (см. рисунок 9).

Рисунок 9 – Звездообразная топология.

Активный концентратор регенерирует электрический сигнал и посылает его всем подключенным компьютерам. Такой тип концентратора часто называют многопортовым повторителем (multiport repeater). Для работы активных концентраторов и коммутаторов требуется питание от сети.

Преимущества звездообразной топологии:

– центральный концентратор звездообразной сети удобно использовать для диагностики;

– отказ одного компьютера не обязательно приводит к останову всей сети;

– добавления новых узлов не уменьшает скорость передачи данных в сети;

– в одной сети допускается применение нескольких типов кабелей (если их позволяет использовать концентратор).

Недостатки сети со звездообразной топологией:

– при отказе центрального концентратора вся сеть становится неработоспособной;

– все компьютеры должны соединяться с центральной точкой, это увеличивает расход кабеля, следовательно, такие сети обходятся дороже, чем сети с иной топологией.

Среды передачи данных

Передача данных в сети осуществляется через определенную среду, например, кабель или воздух. Такая среда упрощает передачу данных от источника к получателю.

В современных сетях в основном используются три типа сред, связывающих устройства и предоставляющих путь, по которому передаются данные:

– металлические провода внутри кабелей;

– стеклянные или пластиковые волокна (волоконно-оптический кабель);

– беспроводная среда передачи данных.

Кодирование сигналов, которое необходимо для передачи, осуществляется по-разному в зависимости от типа среды. В металлических проводах данные кодируются в виде электрических импульсов, соответствующих определенным шаблонам. Передача в оптоволоконных сетях происходит в виде импульсов света, в диапазоне инфракрасного излучения или видимого света. При беспроводной передаче для описания разных значений битов используются шаблоны электромагнитного излучения.

Разные типы сред передачи данных отличаются характерными функциями и преимуществами. Критерии выбора среды передачи данных:

– расстояние передачи сигнала в рамках среды;

– условия реализации среды передачи данных;

– объем данных и требуемая скорость их передачи;

– стоимость носителей и их развертывания.

Кабельные линии связи

Кабельные линии связи имеют довольно сложную структуру. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции. В компьютерных сетях используются три типа кабелей:

– коаксиальный кабель;

– витая пара;

– волоконно-оптический кабель.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель — электрический кабель, состоящий из центрального проводника и экрана, расположенных соосно и разделённых изоляционным материалом или воздушным промежутком. Используется для передачи радиочастотных электрических сигналов.

Коаксиальный кабель (см. рисунок 10) состоит из следующих компонент:

– оболочка — служит для изоляции и защиты от внешних воздействий, изготавливается из светостабилизированного изоляционного материала;

– внешний проводник в виде оплетки, фольги из меди, медного или алюминиевого сплава;

– изоляция, выполненная в виде диэлектрического заполнения, обеспечивающая постоянство взаимного расположения (соосность) внутреннего и внешнего проводников;

– внутренний проводник в виде одиночного прямолинейного или многожильного скрученного провода.

Рисунок 10 – Устройство коаксиального кабеля.

На сегодняшний день сети, построенные на основе коаксиального кабеля, встречаются крайне редко, так как они обладают весьма низкой пропускной способностью. Используется в основном для передачи видео и аудио сигналов.

Кабель витая пара

Витая пара (twisted pair) — разновидность электрического кабеля, используемого при создании телекоммуникационных сетей. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet, Token ring, USB. Кабель представляет из себя некоторое количество изолированных проводников, скрученных между собой попарно для повышения помехоустойчивости. Все пары заключены в общую пластиковую оболочку (см. рисунок 11).

Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитные помехи одинаково влияют на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля провода пары свиваются с различным шагом.

На сегодняшний день витая пара является самым распространенным решением для построения локальных проводных сетей, так как имеет невысокую стоимость и легка в монтаже.

Рисунок 11 – Кабель витая пара.

Витая пара бывает неэкранированная (UTP) и экранированная (STP). Последняя покрыта дополнительным защитным алюминиевым или полиэстеровым экраном.

Существуют различные категории витой пары, различающиеся эффективным пропускаемым частотным диапазоном и нумеруемые от 1 до 7 (CAT1-7). Эти категории подробно описываются в стандарте EIA/TIA 568.

Пропускная способность сети на основе неэкранированной витой пары — от 1 Мбит/с до 1 Гбит/с, на основе экранированной витой пары — до 500 Мбит/с. Максимальная длина сегмента в обоих случаях не должна превышать 100 м.

Волоконно-оптический кабель

Волоконно-оптический кабель — кабель на основе оптоволоконных нитей, предназначенный для передачи оптических сигналов в линиях связи.

Структура волоконно-оптического кабеля (см. рисунок 12) похожа на структуру коаксиального электрического кабеля, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции — стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая световому лучу выходить за пределы стекловолокна. Принцип действия основан на эффекте полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Иногда ее применяют для механической защиты от внешних воздействий (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Рисунок 12 – Волоконно-оптический кабель.

Существуют два различных типа оптоволоконных кабелей:

– многомодовый;

– одномодовый.

Основные различия между этими типами связаны с разными режимами прохождения световых лучей в кабеле.

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего все они достигают приемника одновременно, и форма сигнала практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны. Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки - 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем[9].

Волоконно-оптические кабели широко используются в телекоммуникациях, так как позволяют передавать данные на большие расстояния и с очень высокой скоростью (до нескольких Гбит/c и более). Оптоволоконные кабели не подвержены действию электромагнитных помех, сигнал, передаваемый по ним, невозможно перехватить.

Беспроводные линии связи

Беспроводная среда передачи данных характеризуется отсутствием необходимости в применении каких-либо кабелей. Для передачи информации могут использоваться радиоволны, а также инфракрасное, оптическое или лазерное излучение.

Инфракрасная связь

Инфракрасная связь — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи данных. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (например, инфракрасный порт IrDA).

Инфракрасный порт (IrDA) содержит в себе передатчик (специальный светодиод) и приемник (фотодиод), которые работают в инфракрасном диапазоне. Инфракрасное излучение не способно проникать сквозь преграды, поэтому для установления связи между устройствами их необходимо располагать в условиях прямой видимости относительно друг друга. См. рисунок 13. Основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные характеристики технологии инфракрасный порт.

Название	Стандарт	Назначение	Скорость передачи данных	Радиус действия
Инфракрасный порт	IrDa	Персональная локальная сеть	до 16 Мбит/с	от 5 до 50 см, односторонняя связь — до 10 метров

Рисунок 13 – Инфракрасный порт.

Этот тип связи получил распространение в современных фотовспышках и синхронизаторах. Он используется для дистанционного запуска дополнительных вспышек и обмена данными между TTL-экспонометром фотоаппарата и микропроцессорами, управляющими мощностью импульсного освещения.

Сотовая связь

Сотовая связь — это вид радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций. Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной базовой станции представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть, имеет вид шестиугольных ячеек (сот).

Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого (см. рисунок 17).

Рисунок 17 – Организация сотовой связи.

Стандарты сотовой связи для беспроводных сетей.

LTE — стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными. Он основан на GSM/EDGE и UMTS/HSPA сетевых технологиях, увеличивая пропускную способность и скорость за счёт использования другого радиоинтерфейса вместе с улучшением ядра сети[1].

Радиус действия базовой станции LTE зависит от мощности излучения и теоретически не ограничен, а максимальная скорость передачи данных зависит от радиочастоты и удалённости от базовой станции. Теоретический предел для скорости в 1 Мбит/сек — от 3,2 км (2600 МГц) до 19,7 км (450 МГц).

Диапазон 1800 МГц — наиболее используемый в мире, он сочетает в себе высокую емкость и относительно большой радиус действия (6,8 км).

Спецификация LTE позволяет обеспечить скорость загрузки до 326,4 Мбит/с, скорость отдачи до 172,8 Мбит/с, а задержка в передаче данных может быть снижена до 5 миллисекунд. LTE поддерживает полосы пропускания частот от 1,4 МГц до 20 МГц и поддерживает как частотное разделение каналов, так и временное разделение.

WiMAX — телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов).

WiMAX сети состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом.

Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приёмником.

Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом, по крайней мере, одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надёжность сети в целом.

Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 имеет схожесть с традиционными GSM сетями (базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки — допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями)[6].

Взаимодействия в сетях

Типы подключения

Процессы способствуют взаимодействию между людьми, устройствами и данными. Выделяют три типа подключений.

Подключения M2M

Подключения «машина-машина» (M2M) происходят, когда данные передаются по сети от одного устройства к другому. К устройствам относятся:

– датчики,

– роботы,

– компьютеры и мобильные устройства.

Часто подключения M2M называют интернетом вещей.