17.5. ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛС В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

Увеличение числа используемых в различных областях хозяйственной деятельности распределенных компьютерных систем, содержащих большое число ЭВМ, приводит к необходимости создания надежных и эффективных локальных сетей связи для цифровой передачи данных. На многих промышленных предприятиях для управления и контроля за технологическими процессами могут потребоваться сети, содержащие до сотни узлов, способные обрабатывать данные со скоростью 1 Мбит/с и более при расстоянии между узлами до 1 км. Аналогичные требования имеют место в военной области, где сложные системы вооружения и связи, обычно управляемые местным компьютером, должны быть связаны единой сетью команд, управления и связи. В будущем потребуются учрежденческие линии связи с широкой полосой пропускания для передачи данных между отдельными рабочими местами. Появляется необходимость в распределении данных в пределах большой главной компьютерной системы, в частности, при передаче данных между блоками центрального процессора или при вводе и выводе данных в ЗУ с быстрой выборкой или же при обмене данными между центральным процессором и удаленными периферийными устройствами. Во многих таких системах трасса передачи проходит в неблагоприятных условиях воздействия химически активных веществ и электромагнитных помех. В таких случаях очевидны существенные преимущества ВОЛС, приведенные в табл. 1.1 и многократно рассмотренные выше.

Всегда можно сконструировать оптическую линию связи для замены существующей электрической таким образом, чтобы принимаемый и передаваемый электрические сигналы на оконечных устройствах оставались такими же, как и в прежней системе. В этом случае оптическую линию называют «прозрачной» или «невидимой». Гораздо большую выгоду можно получить, если разрабатывать систему связи, имея в виду с самого начала малые физические размеры и большую информационную пропускную способность оптического волокна. Однако трудность создания оптических линий какой-нибудь другой топологии, кроме соединительной, несколько ограничивает использование

волокна и делает его неподходящим для разрабатываемых в настоящее время более сложных типов электрических сетей связи.

По сравнению с линиями для цифровой передачи данных информационная пропускная способность и дальность передачи, необходимые для локальной сети распределения данных, на первый взгляд, могут показаться обычными. Конечно, расстояния между узлами уже по определению таких систем короткие и составляют от 1 м до 1 км. Информационная пропускная способность в настоящее время также низка и лежит в пределах 1 ... 10 Мбит/с. Но если уникальные характеристики оптических волокон вызовут изменения в архитектуре ЭВМ и систем распределения данных, то это может потребовать увеличения информационной пропускной способности до 1 Гбит/c. Имеются, конечно, и другие ограничения. При таких коротких линиях передачи данных затраты на оконечные оптические устройства имеют решающее значение и, кроаде того, они должны быть, по возможности, совместимы с остальной частью системы. Это предполагает наибольшую интеграцию с электронной частью системы и исключение специальных источников питания. Поэтому ЛФД обычно не применяют, а лазеры используют только тогда, когда требуется высокая информационная пропускная способность. Если в ВОЛС, совместимой с ТТЛ (транзисторно-логические схемы), имеется только источник питания 5 В, то это должно отразиться на характеристиках приемника, в частности на его динамическом диапазоне.

На рис. 17.7 изображны пять видов топологии сетей, которые описаны ниже.

а) Сетка.

Рис. 17.7. Разновидности топологий систем связи: а — сетка; б - дерево; в - звезда; г - шина; д - кольцо. Квадратиками обозначены узлы, т. е. терминалы данных, компьютеры, рабочие станции и т. д.; кружками О — соединения или переходы, которые могут быть активными или пассивными, могут или не могут осуществлять коммутацию данных, т. е. трассировку При использовании пассивных переходов топологии в и по существу, эквивалентны сетям с непосредственной передачей данных между узлами по линии с разделением каналов

Соединение между всеми узлами осуществляется с помощью соединительных линий. Такая схема соединений сложна, дорога и ее трудно перестраивать, если необходимо дополнительно присоединить несколько узлов или отключить их. Некоторые линии могут никогда не использоваться.

б) Дерево, или разветвленная сеть.

Этот вид сети обеспечивает ограниченное подсоединение оконечных устройств к центральному управляющему или распределяющему блоку. Она удобна в системах с главным компьютером и для распределения данных к периферийным устройствам.

в) Звезда.

Это относительно негибкая и дорогая сеть. Требуется меньше кабеля, чем для сетки, но больше, чем для шины и кольца. Центральный межсоединительный элемент — это самая уязвимая часть всей сети.

г) Шина с параллельным доступом данных.

д) Кольцо или петля.

Эти виды сетей обеспечивают большую, гибкость и позволяют реализовать наибольшее число узлов при минимальной длине кабеля.

Соединения (или тройники), обведенные на рис. 17.7 кружками, могут, если требуется, обеспечивать возможность коммутации или маршрутизации данных между узлами, которые они соединяют. Кроме того, могут временно выводить данные из системы и затем регенерировать их, если это необходимо для дальнейшей передачи. Тройники бывают пассивными и активными. Пассивные тройники делают систему более простой и надежной. Если используются активные тройники, то желательно, чтобы их питание осуществлялось централизованно, независимо от местного источника питания узла, в котором они находятся. Это повышает сложность и стоимость кабеля. Там, где трасса передачи должна разветвляться, приходится регулировать доступ в сеть. Это можно осуществить несколькими путями. Например, когда один из узлов работает как управляющее устройство сети и определяет, какое оконечное устройство может осуществлять передачу в данный момент. Тогда это самая уязвимая часть системы. Может существовать способ, когда работа в сетн распределяется по оконечным устройствам на фиксированной основе с разделением во времени. Есть способ, когда используется кабель связи пользователями поочередно. В этом случае сообщение передается по требованию. Если в одно и то же время принимаются два сообщения, оба они выводятся из системы и оконечное устройство включается снова на произвольный отрезок времени. Для случайных передач и при загрузке сети ниже определенного критического уровня этот способ имеет много преимуществ.

Приведем примеры трех хорошо известных локальных электрических сетей связи:

а) система фирмы Ethernet: информационная пропускная способность 3 Мбит/с, шина с параллельным доступом данных и кабель с пассивными отводами, реализовано поочередное использование кабеля;

б) система, основанная на стандарте MIL-STD-1533 В авиационного отдела обороны США: информационная пропускная способность — 1 Мбит, используется шина с параллельным доступом данных и экранированная пара проводов с пассивными отводами; доступ определяется шиновым контроллером;

в) кембриджская кольцевая система: информационная пропускная способность линия — пара проводов с активными узловыми ретрансляторами. Все данные в кольце должны обрабатываться ретрансляторами в каждом узле, каждое сообщение может поступать в кольцо, когда оно находит пустую щель.

Теперь очевидно, что любую сеть связи, использующую тройники-регенераторы можно рассматривать как организованный набор магистральных линий. В данном случае замена электрических линий оптическими волокнами не является проблемой, значительно повышает информационную пропускную способность сети и, если это требуется, увеличивает расстояния между узлами. В кембриджское кольцо действительно была включена оптическая линия. Пассивные отводы, традиционно присоединенные к системам с шинами параллельного доступа, создают гораздо большие проблемы для использования волокна. Причина в том, что оптические отводы взаимны (эквивалентны). Если оптические сигналы вводятся в систему связи или выводятся из нее с помощью простого расщепителя пучка, то значительная часть их мощности, возможно, до половины теряется на каждом тройнике. При двусторонней передаче сигналов по одному волокну нужны два таких расщепителя пучка на каждом оконечном устройстве и, кроме того, приходится прибегать к некоторым способам разделения принимаемого и передаваемого сигналов. Если нельзя реализовать эффективную оптическую коммутацию, то неизбежны потери на тройник, включая потери в разъемах. Очевидно, что имеющийся запас мощности, приведенный на рис. 17.2, сможет обеспечить работу только небольшого количества оконечных устройств даже при такой низкой информационной пропускной способности как

Из этого затруднения можно выйти двумя способами. Либо тройники должны быть выполнены активными, как в системе, изображенной на рис. 17.8, либо сеть должна быть перестроена и выполнена в виде пассивной звезды, как показано на рис. 17.9.

На рис. 17.10, а приведен пример системы в виде звезды с семью каналами. Два жгута оптических волокон проходят через сужающийся переход, так что они образуют в сечении гексагональную решетку с тесно прилегающими волокнами. Концы их плоские и полированные стягиваются в трубке с экпоксидным материалом, согласующим показатель преломления. Возможное число входных отверстий определяется числом слоев в решетке к:

Таким образом, поперечные сечения при и при показаны на рис. 17.10, б. Ответвители в виде звезды с 7 и

(кликните для просмотра скана)

19 входами легко изготовить. Средние потери при включении такого ответвителя были на 4 дБ выше потерь при обычном распространении света. Имели место отклонения не считая потерь на связь между двумя аксиальными входами, которые были на 5 дБ больше.

В одном из предложенных регенеративных тройников для авиационных систем используется оптическая шина с параллельным доступом данных. Чтобы повысить надежность системы при единственном оконечном устройстве, каждый тройник соединяется параллельно (дублируется), что обеспечивает резервную трассу. Схема одного оконечного устройства такой системы приведена на рис. 17.11. Оно требует двустороннего соединителя четыре к одному. Очевидно, что задержки передачи и регенерации должны быть тщательно согласованы.

Описанные системы значительно сложнее простых двусторонних линий и, если не рассматривать их непосредственную замену в кольцевых системах с использованием активныхузлов, то остается открытым вопрос, что весомее — их достоинства или недостатки? Ответ будет зависеть от стоимости элементов оптических систем в будущем, неблагоприятного воздействия окружающей среды в конкретной ситуации и от необходимости обеспечения большей информационной пропускной способности.

Рис. 17.10. Ответвитель типа «звезда» с семью входами (а). [Взято из статьи Поперечные сечения гексагональных решеток, образованные плотно упакованными волокнами из 7 и 19 штук (б)

Рис. 17.11. Структурная схема оконечной аппаратуры с регенерацией сигнала в узле из N оптических шин с параллельным доступом. Многократные соединения обеспечивают резервирование. [Переделанный рисунок, любезно предоставленный Коллинзонэм (R. P. G. CoHinson. Marconi Avionics Ltd., Flight Automation Research Laboratory).]

Требования системы связи с главной ЭВМ порождают в настоящее время ряд проблем, одна из которых, какие волоконно-оптические линии более подходят для этой цели. Обычно данные передают между блоками системы по связкам коаксиальных кабелей (до 72 кабелей в жгуте). Параллельно можно передавать слова из 8,16 и более бит. Информационная пропускная способность такой линии редко превышает несколько мегабайт в секунду. Она ограничена двумя причинами. Первая связана с проблемами электромагнитной совместимости, особенно при наличии перекрестных помех между коаксиальными кабелями. Вторая является результатом появления ошибок детектирования и используемых протоколоз коррекции. Обычно при этом производится проверка и опознание каждого слова по мере его поступления. В этом случае информационная пропускная способность ограничивается полной двусторонней временной задержкой линии связи. Допустимая вероятность ошибки, предполагаемая при такой скорости передачи данных, составляет порядка одной ошибки в день. С помощью оптических волокон можно было бы передавать данные сериями, используя параллельно-последовательные и последовательно-параллельные преобразователи и обеспечивая скорость передачи больше Частота ошибок менее одной в день при такой скорости передачи данных предполагает вероятность появления ошибки менее Достаточный запас мощности и полоса пропускания такой оптической системы передачи данных полностью исключают проблемы электромагнитной

совместимости. Несмотря на это оконечное оборудование должно быть спроектировано достаточно тщательно и специально экранировано. Таким образом, можно использовать более простые протоколы коррекции ошибок и сохранить целостность системы.