Компьютерные сети. 6-е изд.

2.11. Резюме

Физический уровень — основа любой сети. Законы природы налагают на все каналы связи два фундаментальных ограничения, которые определяют их пропускную способность. Это предел Найквиста, относящийся к каналам без помех, и предел Шеннона, описывающий зашумленные каналы.

Среды передачи данных бывают проводными и беспроводными. Основные проводные среды: витая пара, коаксиальный и оптоволоконный кабель; беспроводные — наземные радиоволны, микроволны, инфракрасные волны, лазерные лучи и спутники.

Методы цифровой модуляции позволяют пересылать биты через проводные и беспроводные среды передачи в виде аналоговых сигналов. Линейные коды используются при передаче сигналов в базовой полосе частот, кроме того, сигналы можно передавать в полосе пропускания путем модуляции амплитуды, частоты и фазы несущего сигнала. Несколько пользователей могут совместно использовать канал при помощи мультиплексирования по времени, частоте или с кодовым разделением.

Важнейшим элементом множества глобальных сетей является телефонная система. Ее основные компоненты — абонентские шлейфы, соединительные линии и коммутаторы. ADSL обеспечивает скорость до 40 Мбит/с по абонентскому шлейфу за счет его разделения на множество параллельных вспомогательных несущих частот. Это намного быстрее, чем скорость телефонных модемов. Пассивные оптические сети обеспечивают еще более высокие скорости доступа за счет прокладки оптоволоконного кабеля ближе к домам абонентов. Цифровые данные передаются по соединительным линиям. Чтобы обеспечить множество соединений с высокой пропускной способностью, используется мультиплексирование по длинам волн, а для совместного использования высокоскоростного соединения несколькими пользователями применяется мультиплексирование по времени. Свою роль при этом играет как коммутация пакетов, так и коммутация каналов.

Еще одна система сетевого доступа — кабельная инфраструктура, которая постепенно эволюционировала от коаксиальной в комбинированную оптокоаксиальную сеть. Благодаря этому сегодня многие провайдеры предлагают абонентам скорость до 1 Гбит/с (а в ближайшие годы она может вырасти и до 10 Гбит/с). Эта архитектура отличается от коаксиальной тем, что полоса пропускания может совместно использоваться несколькими абонентами одного узла.

Стационарная телефонная система не подходит для мобильных устройств. На сегодняшний день мобильные телефоны широко применяются для передачи как голоса, так и данных. С момента внедрения 4G все голосовые данные передаются по сети с коммутацией пакетов. Первое поколение, 1G, было аналоговым, в нем доминировала AMPS. 2G было цифровым; GSM по сей день наиболее распространенная система мобильной связи в мире. 3G — цифровое поколение, основанное на широкополосном CDMA. Главная инновация 4G — переход на базовую сеть с коммутацией пакетов. Отличительные характеристики 5G — меньший размер сот, массовый MIMO и использование гораздо более широкого спектра частот.

Многие аспекты физического уровня зависят не только от самих технологий, но и от регулирующих организаций, например комитетов по стандартизации и регулятивных органов. Большая часть регулирования приходится на беспроводной диапазон. Требования к пропускной способности постоянно растут, и регулятивные органы активно ищут способы более рационального использования спектра. К этим способам относятся перераспределение и продажа с торгов ранее выделенных частот.