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Le livre "Réseaux informatiques. Principes, technologies, protocoles: édition anniversaire »

imageCette publication est en quelque sorte spéciale - exactement 20 ans se sont écoulés depuis la publication du livre. 20 ans est une période considérable, pendant ce temps les enfants de nos premiers lecteurs ont grandi et, peut-être, se sont intéressés aux réseaux informatiques. Et, peut-être, ils auront entre les mains la 6ème édition du livre «Computer Networks. Principes, technologies, protocoles. ” Ce livre est très différent de celui que leurs parents ont lu. Une grande partie de ce qui intéressait les lecteurs de la fin des années 90 - par exemple, la règle à 4 concentrateurs, la correspondance des réseaux IP et IPX, ou la comparaison des technologies 100VG-AnyLAN et FDDI - n'est pas du tout mentionnée dans les éditions récentes. En 20 ans, de nombreuses technologies ont traversé le cycle complet d'un terme à la mode et d'une reconnaissance universelle à un oubli presque complet. Chaque nouvelle édition du livre reflétait d'une manière ou d'une autre le paysage changeant de la technologie des réseaux.

Cette édition ne fait pas exception - elle est considérablement révisée, environ un tiers du matériel est soit une information entièrement nouvelle, soit une présentation substantiellement révisée de sujets. Par exemple, une nouvelle partie de «Wireless Networks» est apparue dans le livre, la partie consacrée aux technologies de réseaux primaires SDH, OTN et DWDM est complètement révisée.

La publication est destinée aux étudiants, aux étudiants diplômés et aux spécialistes techniques qui souhaitent acquérir des connaissances de base sur les principes de la construction de réseaux informatiques, comprendre les caractéristiques des technologies traditionnelles et prometteuses des réseaux locaux et mondiaux, et apprendre à créer de grands réseaux composites et à gérer ces réseaux.

Modifications de la sixième édition


Tout d'abord, une nouvelle partie des réseaux sans fil est apparue dans le livre. Il se compose de trois chapitres.

Dans le premier d'entre eux, le niveau physique des lignes de communication sans fil est pris en compte, ce qui inclut les spécificités du support de transmission, la portée et la nature de la propagation des ondes électromagnétiques, les types de distorsion et les méthodes pour y faire face. Puisqu'aucun nœud de réseau sans fil ne peut se passer d'une antenne, les appareils de ce type font l'objet d'une attention considérable dans ce chapitre - en particulier, les méthodes de transmission utilisant plusieurs antennes côté émetteur et récepteur, les technologies dites MIMO. Ce chapitre traite des techniques de codage à spectre étalé de FHSS, DSSS, CDMA et OFDM, qui ont été développées spécifiquement pour la transmission sans fil.

Le contenu du deuxième chapitre se concentre sur les réseaux locaux sans fil Wi-Fi (IEEE 802.11), qui dans le secteur de l'accès Internet sans fil fixe ont pris la même position dominante que les réseaux Ethernet dans les réseaux locaux. Le chapitre concluant cette partie est consacré aux réseaux cellulaires mobiles. Ce sujet n'a pas été étudié dans les éditions précédentes en raison du fait que les réseaux mobiles étaient principalement téléphoniques. La transition complète des réseaux mobiles LTE (4G) vers les protocoles de pile TCP / IP, qui ont commencé à être utilisés pour établir des appels téléphoniques et accéder à Internet, a changé cette situation. Le chapitre traite de l'évolution des technologies des réseaux mobiles de différentes générations, des versions mobiles des protocoles IPv4 et IPv6, des principes de base de la construction de réseaux LTE; Présentation de l'architecture de réseau 5Gqui ont l'intention d'intégrer les dernières avancées dans les réseaux informatiques et de devenir le principal type de réseau d'accès pour l'Internet des objets.

La description du protocole IPv6 a été considérablement révisée et développée - maintenant un chapitre séparé est consacré à ce protocole. La diffusion d'IPv6 ne cesse de croître, et une compréhension plus approfondie de ce protocole est devenue importante pour le spécialiste des réseaux modernes.

Au cours des dernières années, le concept de réseaux informatiques programmables a été établi, par conséquent, des sections ont été ajoutées au livre qui décrivent les technologies des réseaux définis par logiciel SDN et la virtualisation des fonctions de réseau NFV.

Partie entièrement repensée consacrée aux technologies des réseaux primaires SDH, OTN et DWDM.

Et enfin, le nombre de questions et de tâches a considérablement augmenté.

Extrait. Lignes de communication sans fil. Gammes du spectre électromagnétique


Les caractéristiques d'une ligne de communication sans fil - la distance entre les nœuds, la zone de couverture, la vitesse de transfert d'informations, etc. - dépendent largement de la fréquence du signal électromagnétique utilisé. En figue. 21.2 montre les plages du spectre électromagnétique. En résumé, nous pouvons dire qu'ils et leurs systèmes de transmission d'informations sans fil correspondants sont divisés en quatre groupes.

  • 300 — . ITU ( ), (Extremely Low Frequency, ELF) (Extra High Frequency, EHF). 20 300 , , « ». , , AM- FM-, . , 2400, 9600 19 200 /.

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  • 300 3000 . , , , , (Wireless Local Loop, WLL).
  • . . , .
  • ( ). .


Rappelons tout d'abord plusieurs phénomènes physiques importants liés à la propagation des ondes en général et des ondes électromagnétiques en particulier. En figue. 21.3 il est montré qu'un signal, ayant rencontré un obstacle, peut se propager selon trois mécanismes: réflexion, diffraction et diffusion. Lorsqu'un signal rencontre un obstacle partiellement transparent à une longueur d'onde donnée et en même temps de dimensions bien supérieures à la longueur d'onde, une partie de l'énergie du signal est réfléchie par cet obstacle. Si le signal rencontre un obstacle impénétrable (par exemple, une plaque métallique) d'une taille beaucoup plus grande que la longueur d'onde, alors la diffraction se produit - l'obstacle semble être enveloppé par le signal, ce qui permet de le recevoir même sans être dans la ligne de visée. Et enfin, face à un obstacle dont les dimensions sont proportionnelles à la longueur d'onde,le signal est diffusé, se propageant sous différents angles.

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Le milieu idéal pour la propagation des ondes électromagnétiques est le vide, mais dans la vie réelle, les signaux sont souvent transmis à travers l'atmosphère, qui est un milieu instable et inhomogène composé de nombreuses couches avec différentes propriétés conductrices. Les propriétés d'un véritable support de transmission en combinaison avec les caractéristiques de fréquence des signaux transmis déterminent plusieurs méthodes de base de propagation des ondes électromagnétiques (Fig. 21.4).

Terrestre ou de surface , vaguesse propager le long de la surface de la terre. Suivant un terrain plus ou moins, ils peuvent parcourir de longues distances, jusqu'à plusieurs centaines de kilomètres, bien au-delà de la ligne de l'horizon visible. Cette méthode de propagation des ondes est caractéristique du rayonnement électromagnétique à basse fréquence - jusqu'à 2 MHz.

Les ondes électromagnétiques de cette fréquence sont diffusées dans l'atmosphère de manière à ne pas pénétrer dans la haute atmosphère. L'exemple le plus célèbre d'une onde terrestre est un signal radio AM de la longue gamme de longueurs d'onde. La diffraction est la principale raison pour laquelle les ondes suivent la surface de la terre. Dans ce cas, un obstacle impénétrable d'une taille beaucoup plus grande que la longueur d'onde est le renflement de la terre. La capacité d'une onde à contourner un obstacle dépend du rapport de la longueur d'onde à la taille de l'obstacle; plus ce rapport est petit, plus la diffraction est faible. Il est donc clair que pour les signaux électromagnétiques à haute fréquence, l'effet de diffraction peut être négligé.

Ondes ionosphériques (spatiales)caractéristique pour les signaux de moyenne et haute fréquence de 2 à 30 MHz. Les signaux émis par une antenne au sol sont réfléchis par l'ionosphère (une atmosphère supérieure ionisée moins dense) vers le sol, et peuvent donc se propager bien au-delà de l'horizon visible, à des distances encore plus grandes que les ondes de surface. Avec une puissance d'émission suffisante, les ondes radio de ces gammes dues à la réflexion multiple de l'ionosphère peuvent même faire le tour du globe. Les ondes ionosphériques sont largement utilisées dans la radiodiffusion et en particulier la radiodiffusion internationale - par exemple, par des sociétés telles que le BBC Radio World Service.

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Les ondes directes , ou lignes de visibilité directe , comme leur nom l'indique, se propagent uniquement en ligne droite, de l'émetteur au récepteur. Dans le même temps, ces derniers peuvent être localisés à la fois sur terre et dans l'espace. Ce type de propagation des ondes est caractéristique des signaux électromagnétiques d'une fréquence supérieure à 30 MHz - ils ne peuvent ni être réfléchis par l'ionosphère ni envelopper la convexité de la Terre. À des fréquences supérieures à 4 GHz, ils sont en difficulté: ils commencent à être absorbés par l'eau, ce qui signifie que non seulement la pluie, mais aussi le brouillard peuvent entraîner une forte détérioration de la qualité de transmission des systèmes micro-ondes. La lumière infrarouge et visible ne peut être transmise que le long de la ligne de visée, car elle ne traverse pas les murs.

Ondes troposphériquespeut être généré par un rayonnement à très haute et ultra-haute fréquence (30 MHz - 3 GHz). Comme mentionné ci-dessus, les signaux électromagnétiques de cette plage ne peuvent pas être réfléchis par l'ionosphère. Cependant, ils sont capables de se propager par réfraction et diffusion sur les inhomogénéités de la troposphère - la couche atmosphérique la plus proche de la terre. Les inhomogénéités troposphériques sont des zones de l'espace dans lesquelles l'air, à certains moments, a une température, une pression et une humidité qui diffèrent des valeurs moyennes de l'environnement. Les ondes troposphériques permettent de transmettre un signal, bien que très faible, sur une distance pouvant aller jusqu'à 1000 km.

Plus la fréquence porteuse est élevée, plus le taux de transfert d'informations est élevé. Le besoin de transmission d'informations à haute vitesse prévaut, par conséquent, tous les systèmes modernes de transmission d'informations sans fil fonctionnent dans des gammes haute fréquence, à partir de 800 MHz, malgré les avantages qui promettent des gammes basse fréquence en raison de la propagation d'un signal le long de la surface de la Terre ou de la réflexion de l'ionosphère.

Distorsion anti-signal dans les lignes sans fil


Le rejet des fils et la mobilité conduisent à un niveau élevé d'interférence dans les lignes de communication sans fil. Si le taux d'erreur sur les bits (BER) dans les lignes de communication filaires est égal, imagealors dans les lignes de communication sans fil, il atteint une valeur. imageDans les conditions urbaines, dans la gamme de fréquences du signal utile, il y a généralement une grande quantité d'interférences, par exemple, des systèmes d'allumage de voiture, de divers appareils électroménagers.

En raison de la diffraction, de la réflexion et de la diffusion des ondes électromagnétiques, qui sont omniprésentes dans les communications sans fil dans la ville, le récepteur peut recevoir plusieurs répliques du même signal qui sont passées au récepteur de différentes manières. Cet effet est appelé propagation du signal par trajets multiples. A chaque réflexion, le signal peut changer la phase, l'amplitude et l'angle d'arrivée au récepteur. Le résultat de la propagation par trajets multiples du signal est souvent négatif, car les signaux peuvent venir en antiphase et supprimer le signal principal.

Étant donné que le temps de propagation d'un signal le long de différents trajets est généralement différent, des interférences intersymboles peuvent également être observées - une situation où, en raison d'un retard, des signaux codant pour des bits de données adjacents atteignent le récepteur pendant l'intervalle de temps alloué pour la réception d'un symbole. Le signal obtenu à la suite de la superposition de signaux adjacents, le récepteur peut décoder de manière incorrecte.

La distorsion due à la propagation par trajets multiples conduit à un affaiblissement du signal - cet effet est appelé évanouissement par trajets multiples (évanouissement). Il est connu que lorsque les ondes électromagnétiques se propagent dans l'espace libre (sans réflexions), l'atténuation de la puissance du signal est proportionnelle au produit du carré de la distance de la source du signal par le carré de la fréquence du signal. Dans les villes, la décoloration par trajets multiples conduit au fait que l'atténuation du signal devient proportionnelle non pas au carré de la distance, mais à son cube ou même au quatrième degré!

Le problème du niveau élevé d'interférence des canaux sans fil est résolu de diverses manières. Un rôle important est joué par les technologies de signal à large bande décrites ci-dessous. Ces technologies sont basées sur la distribution de l'énergie du signal dans une large gamme de fréquences, de sorte que les interférences à bande étroite n'affectent pas de manière significative le signal dans son ensemble. Pour reconnaître un signal déformé en raison de sa propagation par trajets multiples, diverses méthodes de traitement sont utilisées pour compenser les interférences intersymboles. L'un d'eux est le signal d'égalisation adaptative (égalisation adaptative, Fig. 21.5).

L'idée est de faire la somme du signal mesuré à intervalles de temps égaux Δt pendant un cycle d'horloge du symbole de code. Avant la sommation, les valeurs des signaux sont multipliées par leur coefficient de poids Ci. La valeur du signal reçu après sommation et appelé signal aligné est considérée comme la valeur binaire du code transmis dans ce cycle d'horloge.

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La sélection du poids se fait de manière adaptative à l'aide d'un code binaire pré-connu appelé séquence d'entraînement. L'émetteur insère cette séquence après chaque bloc de données utilisateur d'une certaine longueur. Le récepteur applique le même algorithme d'alignement à la séquence d'apprentissage qu'aux données d'utilisateur, compare la valeur de la séquence de bits reçue avec la séquence d'apprentissage attendue; s'ils diffèrent, de nouvelles valeurs des coefficients de pondération sont calculées.

L'utilisation de codes FEC à correction automatique joue également un rôle important. La communication radio a toujours été un pionnier de cette technique - la fréquence d'apparition des erreurs binaires est beaucoup plus élevée ici que dans la transmission de données filaire. Une autre technique consiste à utiliser des protocoles avec établissement de connexion et retransmissions de trames au niveau de la couche liaison de données de la pile de protocoles. Ces protocoles permettent une correction d'erreur plus rapide, car ils fonctionnent avec des valeurs de délai d'attente inférieures à celles des protocoles de correction au niveau du transport tels que TCP. Enfin, ils essaient de placer des émetteurs de signaux (et des récepteurs, si possible) sur de hautes tours (mâts) pour éviter les réflexions multiples.

Licence


Le problème de la séparation du spectre électromagnétique entre les consommateurs nécessite une régulation centralisée. Chaque pays a un organisme public spécial qui (conformément aux recommandations de l'UIT) délivre des licences aux opérateurs de télécommunications pour utiliser une certaine partie du spectre suffisante pour transmettre des informations en utilisant une certaine technologie. Une licence est délivrée pour un certain territoire, dans lequel l'opérateur utilise exclusivement la gamme de fréquences qui lui est attribuée.

Il existe également trois bandes de fréquences, 900 MHz, 2,4 GHz et 5 GHz, qui sont recommandées par l'UIT comme bandes pour une utilisation internationale sans licence. Ces gammes sont attribuées aux produits sans fil industriels généraux, tels que les dispositifs de verrouillage de porte de voiture, les dispositifs scientifiques et médicaux. Conformément à l'objectif de ces gammes sont appelées gammes ISM (Industriel, Scientifique, Médical - industrie, science, médecine). La bande 900 MHz est la plus «peuplée» car la technologie basse fréquence a toujours été moins chère. Aujourd'hui, la bande 2,4 GHz est activement maîtrisée, par exemple, dans les technologies IEEE 802.11 et Bluetooth. Les réseaux 5G fonctionneront dans diverses gammes de fréquences, y compris dans les gammes de hautes fréquences 26-29 GHz.Une condition préalable à l'utilisation conjointe de ces plages est de limiter la puissance maximale des signaux transmis à 1 Watt. Cette condition réduit la portée des appareils afin que leurs signaux n'interfèrent pas avec les autres utilisateurs qui peuvent utiliser la même gamme de fréquences dans d'autres quartiers de la ville.

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