Телекоммуникационные сети: история появления, разновидности

Время чтения: 26 минут

Телеком-сети — наиболее современный способ обмена данными и таковым останутся ещё надолго. Но связь, и являющаяся её сутью передача информации, имеет обширную историю, взявшую начало ещё за несколько тысячелетий до нашей эры. Раздел статьи представляет исторический очерк, который осветит хронологию её развития.

Сегодня очень трудно поверить в то, что когда-то электричество ещё не было открыто и, соответственно, не было всего того разнообразия техники, работающей от него. Но было множество изобретений, использующих другие виды энергии для того, чтобы светить, вращать и передавать информацию. Удивительно, что принципы связи, появившиеся несколько тысячелетий назад, используются до сих пор.

XII век до н. э. — первые сохранившиеся упоминания о передаче одного бита информации об использовании огненных и дымовых сигналов

Дым и огонь были практически единственным способом удаленного общения. Цепью на зрительном расстоянии между собой располагались люди и обустраивались костры, но не поджигались. При возникновении какого-то события (чаще всего это было наступление вражеского полчища), человек, увидевший это событие поджигал свой костёр. Следующий за ним человек видел пламя с дымом и поджигал собственный костёр. И так далее. Таким образом сведения о событии передавалась на сотни километров в течение нескольких часов. Для своего времени обмен данными (по сути, это 1 бит) в течение такого короткого времени был потрясающим.

XIII век н. э. — первые документально зафиксированное применение беспроводной связи почтовых голубей

Многие виды животных, привыкшие к месту своего рождения и обитания, даже после миграции возвращаются в родные места. Особенно это отчётливо выражено у некоторых пород голубей, способных вернуться домой даже с расстояния до 1000 километров со скоростью до 100 км/ч, ориентируясь, предположительно, по магнитному полю земли. Таким образом, голубь, завезённый от «абонента-получателя» к «абоненту-отправителю» всегда будет стремиться вернуться. Используя этот природный инстинкт не трудно передавать информационные сообщения, привязывая носитель (бумага или подобный материал) к лапе птицы.

II век н. э. — изобретение сети ретрансляторов внедрение перевалочных станций для гонцов

К этому времени во многих развитых государствах были организованы перевалочные станции для пеших и конных гонцов, в которых происходила передача сообщения прибывшим гонцом тому, кто только отправляется в путь. Прибывший гонец в это время кушает, отдыхает и готовится принять сообщение от другого вновь прибывшего гонца. Таким образом одному гонцу более не требуется преодолевать весь путь от отправителя к получателю. Это помогло ускорить доставку сообщений и увеличить надёжность. Похожим образом организованы все виды связи: сигнал проходит через множество ретрансляторов, усиливающих и передающих его следующему ретранслятору.

I век н. э. — начало кодирования сообщений

В это время в древней Греции стали вместо обычного текста пересылать сообщения, закодированные цифрами, то есть было положено начало шифрованию, которое со временем переросло в отдельную науку, известную как криптография. Сейчас практически вся информация передаётся в зашифрованном виде. Даже эта статья была передана на ваш компьютер или смартфон зашифрованной очень стойким и сильным алгоритмом шифрования.

I век н. э. — использование зеркал для отправки сообщений на большие расстояния светом

В Римской империи в I век нашего летосчисления стали массово использовать гелиографы — устройства, позволявшие сфокусировать солнечный свет и узким лучом направить его в нужном направлении. Прерыватель гелиографа позволял сериями световых импульсов кодировать информацию, то есть передавать значительно больший объём, нежели при сжигании костров. Гелиографы были просты и удобны, но могли работать только в дневное время. Гелиографы в практически неизменном виде использовались на протяжении почти двух тысячелетий и применялись вплоть до периода Второй Мировой Войны. Сегодня принцип световой коммуникации и кодирование кодом Морзе повсеместно используется на флоте.

XII-XIII века нашей эры — изобретение флаговой и семафорной азбуки

Флаговое и семафорное кодирование сообщений позволило иметь надёжную связь, к примеру, между кораблями или кораблём и сушей, позволившую передавать сообщения значительного объёма и с лёгкостью обмениваться оперативной информацией. До изобретения беспроводного электротелеграфа он был самым прогрессивным.

Открытие электричества поистине перевернуло наш мир. Именно электричество и изобретение устройств на его основе стало предпосылкой для ускорения научно-технического прогресса. Роль электричества в жизни трудно переоценить. Вся связь на текущий момент работает за счёт электричества.

1835 год — изобретение проводного телеграфа

В этом году несколькими инженерами независимо был изобретён проводной электрический телеграф, позволявший с неслыханной скоростью передавать и принимать сообщения на многие десятки и сотни километров. Сообщения, передаваемые устройством, кодировались через изобретённый в это же время код Морзе, ставший стандартом де-факто и остающимся даже сегодня. Чуть позже, в 1858 год был проложен первый трансатлантический телеграфный кабель, соединивший Европу и Америку.

1876 год — изобретён телефон — становление телекоммуникации в нынешнем понимании слова

Изобретение телефона и скорый захват им мира стали новой вехой в истории связи. Телефон быстро ворвался в дома обычных людей и стал крайне удобным и оперативным средством, помогающим связаться с любой точкой мира, не выходя на улицу. Телефония разрасталась, совершенствовалась. В 1889 году была разработана, хоть ещё не совершенная, но уже полностью автоматическая телефонная станция, позволившая коммутировать абонентов без привлечения «барышень»-телефонисток.

1895 год — положено начало радиосвязи — изобретён беспроводной телеграф

Гульельмо Маркони изобрёл, сконструировал и внедрил в использование беспроводной аппарат, позволивший гораздо быстрее развёртывать телеграфные сети без проводов, а кроме того, оборудовать радиосвязью подвижные объекты, такие как корабли.

1919 год — изобретение усилительных и генерирующих электровакуумных электронных ламп позволило начать радиовещание

1927 год — начало работы трансатлантической линии телефонной связи

1939 год — начало постоянного телевизионного вещания, тогда ещё так называемого телевидения с механической развёрткой

1949 год — в США начинает работу первое кабельное телевидение

1957 год — начало испытания системы доставки коротких текстовых сообщений непосредственно на абонентское устройство, ставшей системой пейджинговой связи

1973 год — публике представлен первый беспроводной телефонный аппарат, положивший начало разработке сотовых сетей

Появление такого аппарата стало, без преувеличения, революцией в области телекоммуникации. Оно не просто облегчает жизнь человека, оно видоизменяет сам ход жизни: увеличивается мобильность, дальность и скорость, с которой человек перемещается, оставаясь в рамках цивилизации. Каких-то двести лет назад путешествие на расстояние 500 км было чрезвычайно трудным и непредсказуемым. Сейчас же в течение нескольких суток можно обогнуть земной шар при этом всегда оставаясь на связи со всем миром.

1970-1980-е годы — начало повсеместного внедрения ВОЛС

Волоконно-оптические линии транслируют данные со скоростью, недостижимой для классических проводных технологий. Ещё оптические кабели недорогие и применяются для DATA-трансфера на внушительные расстояния, к примеру, между континентами.

Развитие цифровой вычислительной техники позволило и телекоммуникационной сфере воспользоваться её плодами. Компьютеры перестают быть «устройствами в себе», а начинают объединяться цифровыми сетями. Беспроводной аналоговый телефон проигрывает и лавры первенства переходят цифровым «мобильникам» со связью, построенной по сотовой схеме. Появляется цифрового кабельное ТВ, спутниковые системы и Интернет.

1971 год — отправка первого в мире электронного письма через ARPANET

Первейшая компьютерная сеть ARPANET была создана в 1969 году Агентством по перспективным исследованиям Министерства Обороны Соединённых Штатов Америки. Изначально она была разработана для военного применения, но, как это часто бывает, технологии перестали быть секретными и стали основой Интернета. Топология ARPANET и используемые протоколы, в частности, IP, до сих пор находят применение в построении сетей. Компьютерные вирусы тоже впервые появились именно в рамках ARPANET.

1980-е годы — появление на рынке недорогих малых станций системы VSAT, позволяющих в труднодоступных регионах быстро развернуть подключение через спутники к удалённым телекоммуникационным, телефонным, телевизионным и ПК-сетям

1989 год — появление World Wide Web и Интернета в нашем его понимании

Что такое Интернет, думаю, рассказывать не нужно. Каждый открывал поисковые системы и находил нужные сайты. Но возможность просматривать веб-страницы появилась после разработки системы, дающей доступ к документам, распределённым в сети. Этой системой стала (W)orld (W)ide (W)eb, известная как «всемирная паутина». Именно разработка и внедрения WWW показала миру Интернет в нынешнем виде: состоящим на 2024 год свыше двух миллиардов сайтов. Ну а в далёком 1989 году сайт был один — Европейской Организации по Ядерным Исследованиям (CERN), специалисты которой и стояли у истоков Интернета.

1991 год — появление полностью цифровой системы 2G-связи

До этого подвижная радиосвязь, хоть и имела сотовую структуру, но была полностью аналоговой. Возникновение цифровой альтернативы второго поколения привело к увеличению дальности работы абонентских аппаратов, уменьшения их габаритов, увеличению времени работы от одного заряда аккумуляторных батарей, внедрению шифрования, а также положило основу для системы обмена текстовыми и мультимедийными сообщениями и, впоследствии, мобильного доступа к Интернета.

2000 год — миру был представлен и стал доступен мобильный аппарат с сенсорным дисплеем — предшественник смартфонов

2003 год — появление стандарта 802.11g и начало внедрения беспроводного доступа посредством технологии Wi-Fi

Ранние версии стандарта были описаны на несколько лет до этого, но активно применяться он стал только после внедрения обновлённой версии 802.11g, поддерживающим подключение со скоростью до 54 Мбит/сек. Началось внедрение Wi-Fi в смартфоны, ноутбуки и другие виды цифровой техники.

2015 год — старт проекта Starlink — глобальной космической системы высокоскоростного широкополосного доступа в Интернет из любого места на земном шаре.

На сегодняшний 2024 год Starlink доступен уже в 32 странах мира.

Под ПВС или LAN подразумевается компьютерная сеть, передача данных в которой происходит по проводной технологии (телекоммуникационным кабелям). Многие виды взаимодействия основаны на них: это и кабельное телевидение, и стационарная телефония, LAN-сети и другие. Но в рамках раздела рассмотрим только вычислительные.

В нынешних ПВС для соединения между компьютерами используется технология Ethernet (от англ. ether — «эфир» и net — «сеть»), состоящая из семейства стандартов, описывающих применяемые кабели для построения, сетевые протоколы и многое другое. Чаще для построения Ethernet-сетей используются медные кабели типа «витая пара». Они состоят из четырёх свитых между собой пар медных проводников, каждая из которых образует помехозащищённую дифференциальную линию.

На концах кабеля устанавливаются коннекторы 8P8C, предназначенные для соединения ПК и коммуникационного оборудования между собой. Зачистка кабеля, обжим вилки и контроль работоспособности выполняются специальным инструментом, который рассмотрен в статье «Телекоммуникационные сети: оборудование для развертывания и обслуживания».

Сети, построенные на основе «витой пары» имеют пропускную способность до 1000 Мбит/сек при длине линии до 100 метров между устройствами, что достаточно для развёртывания большинства локальных вычислительных сетей (ЛВС). Есть стандарты работы, у которых она ещё выше. Но высокоскоростные магистральные соединения строятся с применением оптоволоконных кабелей, рассматриваемые в следующем разделе.

Так же стандартами Ethernet описывается применение коаксиальных кабелей для организации ПВС. Но ввиду морального устаревания, коаксиал вышел из практического использования и встречается крайне редко.

В целом ПВС стабильнее остальных вариантов. Они имеют относительно невысокую восприимчивость к неблагоприятным погодным условиям, в сравнении, к примеру, с беспроводными разновидностями. Также они отличаются невысокой стоимостью кабелей, коммутационного оборудования и обслуживания в сочетании с надёжностью, что позволяет им доминировать в сфере телеком-технологий. ПВС продолжает развиваться, несмотря массовое внедрение беспроводных стандартов.

Как и LAN, они тоже стандартизируются семейством стандартов Ethernet. Но в отличие от ПВС, оптика в качестве канала передачи сигнала использует не медь, а специальные оптоволоконные кабели, по которым он передаётся в виде импульсов света, генерирующихся лазером в приёмопередающих устройствах.

Важнейшее преимущество телекоммуникаций, построенных на базе оптоволокна, — высочайшая пропускная способность, определившая основную сферу применения. А именно — магистральные соединений, соединяющие между собой крупные узлы, вплоть до объединения между собой участков, расположенных на разных континентах, для организации участков сетевой инфраструктуры с высокой нагрузкой, к примеру, в ЦОД.

Физически ВОЛС-кабель состоит из одинарного или группы волокон из органического или полимерного стекла, окружённых непрозрачными оболочками, нескольких слоёв изоляции и иных элементов, необходимых для конкретных условий эксплуатации. Каждое волокно — отдельный канал.

Помимо высокой скорости передачи данных (до 100 гигабит в секунду), оптику отличает низкое затухание сигнала, способствующее высокоскоростному обмену на расстояние до десятков километров без усилителей и повторителей. ВОЛС в наименьшей степени подвержены влиянию различного рода ЭМП и наводок, в том числе невосприимчивы к погоде и ударам молнии. Еще причиной распространения оптики стала её низкая стоимость.

Недостаток — относительная сложность монтажа, наличие сложного специализированного оборудования для соединения оптических кабелей и требование к высокой квалификации обслуживающего персонала. Оборудование для соединения и обслуживания таких видов коммуникаций будет рассмотрено далее.

Помимо радио и телевидения радиоволны также применяются для организации беспроводной связи WLAN. Обычно они организуются по Wi-Fi.

Обычно Wi-Fi содержит не менее одной точки доступа (ТД) и её клиента. Возможно подключение двух клиентов в режиме «точка-точка», когда ТД нет вовсе, а клиенты соединяются через сетевые адаптеры напрямую. ТД Wi-Fi-сети передаёт свой идентификатор (SSID) в виде специальных сигнальных пакетов данных на скорости 0.1 Мбит/сек каждые 100 миллисекунд. Зная его, клиент в состоянии выяснить, доступно ли подключение. При попадании в зону действия ТД с идентичными идентификаторами клиентский адаптер выбирает между ними, останавливаясь на источнике с сильным сигналом. Сам же стандарт Wi-Fi представляет клиенту полную свободу при выборе режима соединения.

Плюс WLAN — мобильность узлов (устройства не привязаны к одному месту, в котором организовано, к примеру, LAN-подключение) и возможность быстрого развёртывания без прокладки кабеля, что снижает себестоимость пусконаладки по организации ЛВС. Также влияет фактор отсутствия физической возможности прокладки кабелей. Например, в зданиях, имеющих культурно-историческую ценность, или при организации временных подключений, когда стационарный монтаж экономически нецелесообразен. Разнообразие мобильной техники (смартфоны, ноутбуки, планшетные компьютеры и так далее), способной подключаться к беспроводным сетям, тоже даёт основу для их повсеместного развития.

Минусом WLAN и всех радиоканальных технологий выступает низкая помехозащищённость и подверженность влиянию электромагнитных помех индустриальной и естественной природы. Они в большей степени подвержены информационным атакам, направленными на неправомерный доступ, либо вывод её из строя. Так как не нужно физического подключения к LAN, что нередко невозможно или затруднено, взлом Wi-Fi очень актуален. Устаревшие протоколы шифрования (WEP) и сейчас используемые на практике, не дают практически никакой степени защиты; более стойкие (WPA, WPA2) протоколы шифрования тоже не надёжны на 100%.

Телерадиовещание было историческими начальными разновидностями телекоммуникационных сетей и хорошо известны всем нам. Массовое радиовещание на территории СССР начиналось в 1920-е годы одновременно как радиоволнами, так и посредством проводных линий.

Сегодня проводное радиовещание практически изжило себя, прекращено в диапазоне длинных и средних волн, а ведётся только в ультракоротком, FM-диапазоне, с постепенным переходом в сторону цифровизации в формате DRM/DAB+.

Постоянное телевещание в развитых странах началось ближе в 1930-е годы; в СССР телевизионное вещание началось в 1939 году. Кабельное телевидение появилось в США в конце 1940-х, в СССР только в 1980-е и лишь в крупных городах. Кабельное телевидение в США, Европе и Японии имело возможность как передачи аналогового, так и цифрового сигнала, который применяли для организации доступа к разным мультимедиа-сервисам, а потом — подключения к Интернету.

Аналоговое ТВ-вещание прекращено практически везде и заменено цифровым, дающим несравнимо качественное изображения и звук. Кабельное аналоговое телевещание тоже имеет тенденцию к цифровизации.

Она аналогична ретрансляторной-радиорелейной, но с тем отличием, что ретранслятор в виде спутника находится на околоземной орбите. Спутник принимает, усиливает, преобразует сигналы, поступающие с наземной передающей станции, и передаёт обратно на приёмную наземную станцию, расположенную, как правило, на большом удалении от передающей. Спутники используются для радиовещания и телевидения, телефонии, работы Интернета и, конечно же, в военных целях. Многие находятся на геостационарной орбите на высоте 35 900 км над экватором, таким образом спутник остаётся неподвижным и всегда находится в одной точке небесной сферы: поэтому спутниковые антенны наземных станций постоянно направлены. Поэтому им не приходится перемещаться для отслеживания положения спутника. Другие виды образуют группировки на низкой околоземной орбите; при таком расположении наземные антенны должны постоянно следить за положением спутников и переключаться между ними.

Радиоволны распространяются только в пределах прямой видимости: обогнуть линию горизонта они не способны. Цель спутников — ретрансляция сигнала по всей поверхности Земли, связывавшая удаленные географические точки. Спутники используют микроволновый диапазон частот от 1.5 до 30 гигагерц. Таким образом для приёма и передачи требуется применение специальных видов антенн.

Среди стационарной связи распространены приемники, поддерживающие уверенный приём телевизионных каналов в любой, даже удалённой местности. Для телефонной связи и подключения к Интернету чаще всего применяются малые абонентские станции VSAT, предоставляющими удовлетворительное качество соединения и недорогие.

Помимо стационарной, существует и подвижная, устанавливаемая как на крупных подвижных объектах, таких как воздушные и морские суда, так и в виде портативных устройств. Спутниковая связь и Интернет применяются там, где технически невозможно организовать их другими, более традиционными способами.

Сильно распространены носимые телефоны, дающие возможность звонить из любой части света.

Преимущество VSAT-связи — практически 100% зона покрытия. Организовать связь через спутник можно в любой точке поверхности земли; для самолётов и морских судов она единственно доступная.

Минусы всех видов беспроводной связи присущи и спутниковой, а именно, сильное влияние атмосферных явлений на качество. Из-за огромнейших расстояний, которые приходится преодолевать сигналу до спутника и обратно, наблюдаете сильная задержка пакетов.