Изложены основы теории защиты информации, объединяющие широкий спектр проблем, связанных с обеспечением информационной безопасности в процессе генерирования, обработки, хранения и передачи информации в автоматизированных системах и на объектах информатизации. Анализируются различные подходы к моделированию систем и процессов защиты информации в условиях неполноты и недостоверности исходных данных. Особое внимание уделяется эвристической составляющей процесса поиска наиболее рациональных решений в различных ситуациях защиты информации.
Для студентов обучающихся по специальности "Комплексная защита объектов информатизации". Может использоваться при обучении по специальностям группы "Информационная безопасность", будет полезна разработчикам и пользователям комплексных систем обеспечения информационной безопасности.

Данная справка входит в "Серию русских справок по C++Builder" и является ее неотъемлемой составляющей. По сравнению с предыдущими версиями 5.1 (ее демо-версия прилагалась к книге Архангельского А.Я "Программирование в C++Builder 5") и 5.2 справка существенно переработана и дополнена.
Справка не является переводом англоязычной справки, встроенной в среду C++Builder 6, и не повторяет ее структуру и темы. Она в значительной степени составлена на основе материалов книги Архангельского А.Я. "Программирование в C++Builder 6" и готовящейся к выпуску книги "C++Builder 6. Справочное пособие", но содержит больше справочных материалов.

Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но, как уже отмечалось, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится, прежде всего, к сетям с топологиями шина и кольцо. Точно так же при топологии звезда необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.

В сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления – это один из важнейших параметров сети.

Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии сети. Но в то же время он не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.

Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы:

* Централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать.
* Децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать.

Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:

* Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
* Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже (по сравнению с детерминированными) работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа. В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet).

Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода управления обменом.


Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.6, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет уже не о пассивной звезде (рис. 1.11), а о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.

Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.

Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 4.8). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д.

Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда

Рис. 4.8. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда

В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.

Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).

В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.

Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты активны, и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.

Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.


При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов ("центральный") посылает по шине всем остальным ("периферийным") запросы (управляющие пакеты), выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет тому абоненту, которому хочет. А после окончания передачи передававший абонент все по той же шине сообщает "центру", что он закончил передачу (управляющим пакетом), и "центр" снова начинает опрос (рис. 4.9).

Централизованное управление в сети с топологией шина

Рис. 4.9. Централизованное управление в сети с топологией шина

Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии активная звезда, а только управляет обменом.

Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.

Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), используемого кода передачи.

Иногда для управления доступом к шине применяется дополнительная линия связи, что позволяет упростить аппаратуру контроллеров и методы доступа, но заметно увеличивает стоимость сети за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.

Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста.

Если сеть свободна (то есть никто не передает своих пакетов), то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.

Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.

Возникновение конфликтных ситуаций (столкновений пакетов, коллизий), в результате которых передаваемая информация искажается, возможно в двух случаях.

* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна (рис. 4.10). Это ситуация довольно редкая, но все-таки вполне возможная.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами сразу после освобождения сети (рис. 4.11). Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.

Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.

В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.

Коллизии в случае начала передачи при свободной сети

Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети

Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети

Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети

Например, был предложен метод, при котором не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.

При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий. Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.

В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
[pagebreak]
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому (как в случае наличия приоритетов). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.

Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. Поэтому повторные коллизии маловероятны.

Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий) применяющийся, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.

Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40% (то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени). При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает так называемый коллапс или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.

Недостаток всех случайных методов состоит еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.

При любом случайном методе управления обменом, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 4.12.

Расчет минимальной длительности пакета

Рис. 4.12. Расчет минимальной длительности пакета

Пусть L – полная длина сети, V – скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1 и ждали освобождения сети.

После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.

Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети или PDV (Path Delay Value). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.

Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах. Расчетам допустимых конфигураций сети Ethernet посвящена глава 10.

Отдельно следует остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины, то есть столкновение пакетов. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении манчестерского кода, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.

Как уже отмечалось, сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (при коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.13). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.

Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода

Рис. 4.13. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода

Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.14).

Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда

Рис. 4.14. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда

При этом каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по встречному кабелю (приемному) другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.


Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. В этом случае важно то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту, который его передавал (так как топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Как уже отмечалось, сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.

В сети с топологией кольцо можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), а также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие особенностям кольца.

Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные (эстафетные), те, которые используют маркер (эстафету) – небольшой управляющий пакет специального вида. Именно эстафетная передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.

Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.15.


Рис. 4.15. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)

По кольцу непрерывно ходит специальный управляющий пакет минимальной длины, маркер, предоставляющий абонентам право передавать свой пакет. Алгоритм действий абонентов:

1. Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.
2. Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученную посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
3. Если какой-то абонент (в данном случае это абонент 2) распознает пакет как адресованный ему, то он его принимает, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
4. Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.

Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующему по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.

В чем-то рассматриваемый метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр обычно все-таки присутствует. Один из абонентов (или специальное устройство) должен следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу (например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента, а также из-за подключения и отключения абонентов). В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается (выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена). Существуют специальные средства для повышения надежности и восстановления центра контроля маркера.

Основное преимущество маркерного метода перед CSMA/CD состоит в гарантированной величине времени доступа. Его максимальная величина, как и при централизованном методе, составит (N-1)• tпк, где N – полное число абонентов в сети, tпк – время прохождения пакета по кольцу. Вообще, маркерный метод управления обменом при большой интенсивности обмена в сети (загруженность более 30—40%) гораздо эффективнее случайных методов. Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может даже приближаться к 100%.

Метод маркерного доступа используется не только в кольце (например, в сети IBM Token Ring или FDDI), но и в шине (в частности, сеть Arcnet-BUS), а также в пассивной звезде (к примеру, сеть Arcnet-STAR). В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо (рис. 4.16). При этом совмещаются достоинства физической топологии шина и маркерного метода управления.

Применение маркерного метода управления в шине

Рис. 4.16. Применение маркерного метода управления в шине

Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно.



Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему "нулевому", среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.

В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета.

Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рис. 3.12). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины.

Определение начала и конца приема при коде RZ

Рис. 3.12. Определение начала и конца приема при коде RZ

Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 3.13).

Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

Рис. 3.13. Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника.

Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующие уровня: отсутствие света, "средний" свет, "сильный" свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 3.14).

Использование кода RZ в оптоволоконных сетях

Рис. 3.14. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Манчестерский код

Манчестерский код (или код Манчестер-II) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот).

Как и в RZ, обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал и передать информацию сколь угодно большими последовательностями без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%.

Подобно коду RZ, при использовании манчестерского кода требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при применении простейшего кода NRZ. Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (рис. 3.15).

Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде

Рис. 3.15. Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде

Как и при коде RZ, в данном случае приемник легко может определить не только начало передаваемой последовательности бит, но и ее конец. Если в течение битового интервала нет перехода сигнала, то прием заканчивается. В манчестерском коде можно передавать последовательности бит переменной длины (рис. 3.16). Процесс определения времени передачи называют еще контролем несущей, хотя в явном виде несущей частоты в данном случае не присутствует.

Определение начала и конца приема при манчестерском коде

Рис. 3.16. Определение начала и конца приема при манчестерском коде

Манчестерский код используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).

Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале (половину времени сигнал имеет высокий уровень, другую половину – низкий). Постоянная составляющая равна среднему значению между двумя уровнями сигнала.

Если высокий уровень имеет положительную величину, а низкий – такую же отрицательную, то постоянная составляющая равна нулю. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как, например, в случае использования оптронной гальванической развязки), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, которые не проходят через трансформатор, легко решается проблема согласования.

Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы.

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц: 1010101010...). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко избавиться от всех других частот (помехи, наводки, шумы).



Бифазный код часто рассматривают как разновидность манчестерского, так как их характеристики практически полностью совпадают.

Данный код отличается от классического манчестерского кода тем, что он не зависит от перемены мест двух проводов кабеля. Особенно это удобно в случае, когда для связи применяется витая пара, провода которой легко перепутать. Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring компании IBM.

Принцип данного кода прост: в начале каждого битового интервала сигнал меняет уровень на противоположный предыдущему, а в середине единичных (и только единичных) битовых интервалов уровень изменяется еще раз. Таким образом, в начале битового интервала всегда есть переход, который используется для самосинхронизации. Как и в случае классического манчестерского кода, в частотном спектре при этом присутствует две частоты. При скорости 10 Мбит/с это частоты 10 МГц (при последовательности одних единиц: 11111111...) и 5 МГц (при последовательности одних нулей: 00000000...).

Имеется также еще один вариант бифазного кода (его еще называют дифференциальным манчестерским кодом). В этом коде единице соответствует наличие перехода в начале битового интервала, а нулю – отсутствие перехода в начале битового интервала (или наоборот). При этом в середине битового интервала переход имеется всегда, и именно он служит для побитовой самосинхронизации приемника. Характеристики этого варианта кода также полностью соответствуют характеристикам манчестерского кода.

Здесь же стоит упомянуть о том, что часто совершенно неправомерно считается, что единица измерения скорости передачи бод – это то же самое, что бит в секунду, а скорость передачи в бодах равняется скорости передачи в битах в секунду. Это верно только в случае кода NRZ. Скорость в бодах характеризует не количество передаваемых бит в секунду, а число изменений уровня сигнала в секунду. И при RZ или манчестерском кодах требуемая скорость в бодах оказывается вдвое выше, чем при NRZ. В бодах измеряется скорость передачи сигнала, а в битах в секунду – скорость передачи информации. Поэтому, чтобы избежать неоднозначного понимания, скорость передачи по сети лучше указывать в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с).



Все разрабатываемые в последнее время коды призваны найти компромисс между требуемой при заданной скорости передачи полосой пропускания кабеля и возможностью самосинхронизации. Разработчики стремятся сохранить самосинхронизацию, но не ценой двукратного увеличения полосы пропускания, как в рассмотренных RZ, манчестерском и бифазном кодах.

Чаще всего для этого в поток передаваемых битов добавляют биты синхронизации. Например, один бит синхронизации на 4, 5 или 6 информационных битов или два бита синхронизации на 8 информационных битов. В действительности все обстоит несколько сложнее: кодирование не сводится к простой вставке в передаваемые данные дополнительных битов. Группы информационных битов преобразуются в передаваемые по сети группы с количеством битов на один или два больше. Приемник осуществляет обратное преобразование, восстанавливает исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (детектирование передачи).

Так, например, в сети FDDI (скорость передачи 100 Мбит/с) применяется код 4В/5В, который 4 информационных бита преобразует в 5 передаваемых битов. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае манчестерского кода. Но зато требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а только в 1,25 раза (то есть составляет не 100 МГц, а всего лишь 62,5 МГц). По тому же принципу строятся и другие коды, в частности, 5В/6В, используемый в стандартной сети 100VG-AnyLAN, или 8В/10В, применяемый в сети Gigabit Ethernet.

В сегменте 100BASE-T4 сети Fast Ethernet использован несколько иной подход. Там применяется код 8В/6Т, предусматривающий параллельную передачу трех трехуровневых сигналов по трем витым парам. Это позволяет достичь скорости передачи 100 Мбит/с на дешевых кабелях с витыми парами категории 3, имеющих полосу пропускания всего лишь16 МГц (см. табл. 2.1). Правда, это требует большего расхода кабеля и увеличения количества приемников и передатчиков. К тому же принципиально, чтобы все провода были одной длины и задержки сигнала в них не слишком различались.

Иногда уже закодированная информация подвергается дополнительному кодированию, что позволяет упростить синхронизацию на приемном конце. Наибольшее распространение для этого получили 2-уровневый код NRZI, применяемый в оптоволоконных сетях (FDDI и 100BASE-FX), а также 3-уровневый код MLT-3, используемый в сетях на витых парах (TPDDI и 100BASE-TХ). Оба эти кода (рис. 3.17) не являются самосинхронизирующимися.

Коды NRZI и MLT-3

Рис. 3.17. Коды NRZI и MLT-3

Код NRZI (без возврата к нулю с инверсией единиц – Non-Return to Zero, Invert to one) предполагает, что уровень сигнала меняется на противоположный в начале единичного битового интервала и не меняется при передаче нулевого битового интервала. При последовательности единиц на границах битовых интервалов имеются переходы, при последовательности нулей – переходов нет. В этом смысле код NRZI лучше синхронизируется, чем NRZ (там нет переходов ни при последовательности нулей, ни при последовательности единиц).

Код MLT-3 (Multi-Level Transition-3) предполагает, что при передаче нулевого битового интервала уровень сигнала не меняется, а при передаче единицы – меняется на следующий уровень по такой цепочке: +U, 0, –U, 0, +U, 0, –U и т.д. Таким образом, максимальная частота смены уровней получается вчетверо меньше скорости передачи в битах (при последовательности сплошных единиц). Требуемая полоса пропускания оказывается меньше, чем при коде NRZ.

Все упомянутые в данном разделе коды предусматривают непосредственную передачу в сеть цифровых двух- или трехуровневых прямоугольных импульсов.

Однако иногда в сетях используется и другой путь – модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового сигнала (синусоидального). Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи (в этом случае по сети можно передавать несколько бит одновременно). К тому же, как уже отмечалось, при прохождении по каналу связи аналогового сигнала (синусоидального) не искажается форма сигнала, а только уменьшается его амплитуда, а в случае цифрового сигнала форма сигнала искажается (см. рис. 3.2).

К самым простым видам аналогового кодирования относятся следующие (рис. 3.18):

* Амплитудная модуляция (АМ, AM – Amplitude Modulation), при которой логической единице соответствует наличие сигнала (или сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (или сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала при этом остается постоянной. Недостаток амплитудной модуляции состоит в том, что АМ-сигнал сильно подвержен действию помех и шумов, а также предъявляет повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинства – простота аппаратурной реализации и узкий частотный спектр.

Аналоговое кодирование цифровой информации

Рис. 3.18. Аналоговое кодирование цифровой информации

* Частотная модуляция (ЧМ, FM – Frequency Modulation), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю – сигнал более низкой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при частотной модуляции остается постоянной, что является большим преимуществом по сравнению с амплитудной модуляцией.
* Фазовая модуляция (ФМ, PM – Phase Modulation), при которой смене логического нуля на логическую единицу и наоборот соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной частоты и амплитуды. Важно, что амплитуда модулированного сигнала остается постоянной, как и в случае частотной модуляции.

Применяются и значительно более сложные методы модуляции, являющиеся комбинацией перечисленных простейших методов. Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно. В локальных кабельных сетях аналоговое кодирование практически не используется из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодирующего оборудования.

Проблемы соединения волоконных световодов приобрели особую актуальность при разработке технологии их промышленного применения. Выбор способа сращивания зависит от условий применения волоконной оптики.

---

Очевидно, что значительные преимущества при использовании волоконно-оптических технологий в телекоммуникационной отрасли, связанные с улучшением целого ряда технико-экономических показателей (возрастанием скорости передачи информации, увеличением длины регенерационного участка, уменьшением массогабаритных характеристик кабелей, экономией цветных металлов и др.), предопределят в будущем широкое внедрение волоконной оптики при построении линий связи различных уровней. Однако необходимо было разработать методики сращивания волоконных световодов, обеспечивающие высокие качественные и вместе с тем достаточно технологичные и доступные показатели, чтобы сделать возможным применение этих световодов не только в стационарных, но и в полевых условиях.

Строительная длина волоконно-оптического кабеля на практике устанавливается, исходя из ряда факторов. Прокладка больших длин кабеля неудобна вследствие необходимости сматывания с барабана и манипуляций с кабелем как во время прокладки в полевых условиях (при пересечении других подземных коммуникаций), так и в городских условиях (при прокладке в кабельную канализацию). Прокладывая кабель с помощью кабелеукладочной техники, также возникают неудобства, связанные с манипуляциями большими длинами, если для погрузочно-разгрузочных работ приходится использовать специализированную технику. Особенно остро стоит проблема манипуляции строительными длинами с большой удельной массой при прокладке глубоководных морских кабелей и кабелей для прибрежной зоны. Из-за необходимости инсталляции кабелей максимально возможной длины для их транспортировки по суше используются спаренные железнодорожные платформы, на которых кабели выкладываются в форме "8", а не на кабельные барабаны. Таким образом кабель транспортируется по суше до погрузки на судно.

Для соединения оптических волокон разработаны два способа соединений: разъемные и неразъемные. Неразъемные соединения оптических волокон осуществляются методом сварки, методом склеивания, а также с помощью механических соединителей. Для создания разъемных соединений оптических волокон используются оптические коннекторы.

Соединения оптических волокон с помощью сварки

Соединение оптических волокон с помощью сварки является сегодня наиболее распространенным методом получения неразъемных соединений. Благодаря в достаточной мере совершенной технологии этот метод позволяет получать качественные соединения с низкими показателями вносимых потерь (порядка 0,1-0,15 дБ), что обуславливает его применение на линиях связи, где этот показатель входит в приоритетные - магистральные, зоновые и другие - высокоскоростные ВОЛС.

Сваривание оптических волокон предусматривает оплавление концов волоконных световодов путем помещения их в поле мощного источника тепловой энергии, как, например, поле электрического разряда, пламя газовой горелки, зона мощного лазерного излучения.

Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Достоинством метода сварки с помощью лазера можно считать возможность получения чистых соединений из-за отсутствия в них сторонних примесей, и, как следствие, достаточно малых вносимых потерь (0,1 дБ и менее). Как правило, в качестве источника лазерного излучения высокой мощности (до 5 Вт) используются газовые лазеры на СО2.

К достоинствам метода сварки с помощью газовой горелки следует также отнести возможность получения соединений оптических волокон, отличающихся высокой прочностью мест сростков. В качестве источника пламени используют смесь пропана с кислородом или соединение кислорода, хлора и водорода. Этот метод распространен по большей части для сварки многомодовых оптических волокон.

Основным достоинством сварки в поле электрического разряда является быстрота и технологичность. Этот метод в настоящее время приобрел наибольшую популярность для сварки одномодовых световодов.

Аппараты для сварки оптических волокон можно классифицировать следующим образом: по способу юстировки свариваемых концов оптических волокон (в зависимости от геометрических размеров сердцевин или от потерь мощности светового сигнала, распространяющегося через место сварки); по способу проведения операций (ручные или автоматические); по типу устройства контроля (микроскоп, монитор на жидких кристаллах); по количеству оптических волокон, которые могут быть сварены одновременно (одно- и многоволоконные).

При сварке оптических волокон в поле электрического разряда можно выделить такие технологические этапы:

* подготовка торцевых поверхностей соединяемых оптических волокон;
* надевание защитной термоусаживаемой гильзы на одно из соединяемых волокон;
* установка подготовленных концов оптических волокон в направляющие системы сварочного аппарата;
* юстировка свариваемых оптических волокон;
* предварительное оплавление торцов оптических волокон (fire cleaning) с целью ликвидации микронеровностей, возникающих в
* процессе скалывания;
* непосредственное сваривание оптических волокон;
* предварительная оценка качества сварки;
* защита места сварки с помощью термоусаживаемой гильзы;
* окончательная оценка качества сварки с помощью рефлектометра.

Существует два способа юстировки. Первый базируется на выравнивании сердцевин свариваемых оптических волокон по их геометрическим размерам (Profile Alignment System PAS) с помощью боковой подсветки концов свариваемых волокон.

Второй способ основан на выравнивании сердцевин оптических волокон по принципу минимизации потерь тестового светового сигнала, распространяющегося через место сварки.

Что касается активной юстировки, то известно три метода.

Первый заключается в использовании оптического излучателя и приемника на противоположных концах оптических волокон, подлежащих сварке. Информация от приемника передается персоналу, производящему сварку.

Второй метод сводится к использованию оптического передатчика на дальнем конце и детектора в точке соединения. Тестовый оптический сигнал выводится из соединяемого оптического волокна на небольшом (примерно 0,5 м) расстоянии от места сварки на изгибе и детектируется приемником, оборудованным измерителем оптической мощности.

Третий метод реализует LID (Local Injection and Detection) - процедуру юстировки, ограниченную исключительно местом соединения. В основу этого метода положено введение тестового оптического сигнала в сердцевину одного из соединяемых оптических волокон и поиск его в сердцевине второго соединяемого волокна путем изгиба.

Метод LID является наиболее эффективным, поскольку, в отличие от метода PAS, качество сварного соединения в большей мере зависит от сварочного аппарата, а не от индивидуального мастерства персонала. В современных сварочных аппаратах для управления процессами юстировки и сварки используются микропроцессоры, с помощью которых возможна оптимизация процесса сварки для получения минимальных (менее 0,1 дБ) потерь в местах соединений оптических волокон.

В процессе оплавления оптические волокна подаются одновременно для предотвращения укорачивания одного из них в месте сварки. Операции оплавления и сваривания, как правило, выполняются автоматически. В современных автоматических сварочных аппаратах для снятия механического напряжения в точке соединения оптических волокон предусмотрен режим прогревания места стыка по окончании процесса сварки. Такой режим называется "режимом релаксации".

Цикл плавления (длительность подачи и сила тока как для предварительного оплавления, так и для сварки и релаксации) для оптических волокон различных производителей и типов различны.

Некоторые сварочные аппараты, кроме рассмотренных выше способов контроля качества места сварки, используют еще и тест на растяжение во избежание нарушения соединения во время манипуляций при выкладке сростков в кассету, а также в дальнейшем, в процессе эксплуатации. Соединенное оптическое волокно прочно закреплено в направляющих платформах (которые используются при юстировке). Под контролем микропроцессора по завершении этапа сварки эти направляющие платформы расходятся в противоположные стороны, образуя строго нормированное продольное усилие на растяжение, приложенное к месту стыка. Считается, что стык, прошедший такое тестирование, более надежен и выполнен более качественно. При невозможности получения стыка, способного пройти этот тест, но удовлетворяющего по параметрам передачи, эту опцию можно отключить.

Особо следует отметить сварку ленточных элементов (ленточных волоконно-оптических кабелей, отличающихся большим количеством оптических волокон). Эту операцию можно проводить, только применяя полностью автоматический сварочный аппарат, с помощью которого можно соединить до 12 оптических волокон приблизительно за 3 минуты, причем средний уровень потерь составит около 0,1-0,15 дБ. Однако для сваривания ленточных элементов необходим опытный, хорошо подготовленный персонал.

Во время сварки оптические волокна размещаются с соответствующим смещением от оси электродов, что обеспечивает равномерное нагревание. До начала процесса сваривания и по его завершении проверяется смещение оптических волокон, состояние торцевых поверхностей, а также деформация.

При сваривании ленточных элементов необходимо, кроме основных процессов, рассмотренных ранее, провести еще три технологические операции: устранить расхождения торцов соединяемых оптических волокон, плавление всех волокон выполнить одновременно с одинаковой температурой, в процессе предварительной оценки измерить уровень вносимых потерь рефлектометром. Если оказалось, что результаты не отвечают требованиям, процесс сварки повторяют.

Как показывает практика, предварительная оценка качества сварных соединений оптических волокон, базирующаяся на методе РАС, может содержать погрешность в диапазоне 5-1000%, поэтому окончательный вывод о качестве сварного соединения стоит делать после измерений рефлектометром.

По мере совершенствования качества сварочного оборудования и технологии сварки возрастают возможности получения сварных соединений оптических волокон высокого качества. Потери на сварных соединениях зависят от нескольких факторов: опыта персонала, геометрических погрешностей свариваемых оптических волокон, а также от материалов, из которых изготовлены волокна. Особенно часто проблемы возникают при сварке оптических волокон различных производителей. Дело в том, что оптические волокна различных производителей изготавливаются с использованием принципиально отличающихся друг от друга технологических процессов. В результате материал оптических волокон - кварцевое стекло - не является идентичным в волокнах различного происхождения, несмотря на то, что параметры оптических волокон, указанные в спецификациях фирм-производителей, отличаются незначительно.

Факторами, определяющими свойства стекла, являются технология изготовления и качество материалов. Многочисленные исследования показали, что тысячные доли процента примесей в кварцевом стекле оказывают большее влияние, чем добавки в десятки процентов тех же компонентов к многокомпонентным стеклам.

Для сварки наибольшее влияние имеют следующие характеристики: плотность, коэффициент теплового расширения, показатель преломления, вязкость и механические характеристики. Эти параметры определяют оптические потери в местах сращивания и должны приниматься во внимание при использовании оптических волокон, произведенных по различным технологиям, в пределах одного элементарного кабельного участка ВОЛС. Особое внимание следует уделять идентификации оптических волокон в кабеле по типу, производителю и технологии изготовления.

Более совершенные аппараты для сварки оптических волокон содержат программы, оптимизирующие процесс сварки для оптических волокон различных типов и различных производителей, однако на практике нередки ситуации, когда, используя стандартные программы, невозможно получить качественную сварку. В этих случаях необходимо самостоятельно корректировать параметры процесса (время и ток, подаваемый на электроды) для достижения оптимальных результатов.

[pagebreak]

Наиболее часто сварка оптических волокон различных производителей производится при оконцовке оптических волокон пигтейлами, а также при ремонтно-восстановительных работах, если эксплуатационный запас кабеля израсходован, и приобретение полностью идентичного кабеля невозможно (к примеру, по причине снятия с производства оптического волокна такого типа, который использовался первоначально) или экономически нецелесообразно.

В общем виде величина потерь в местах сварных соединений может быть представлена как суммарная величина: Dобщ = Dор + Dдм + Dую + Dнм + Dрпп, где: Dобщ - суммарная величина потерь в сварке; Dор - потери из-за осевого рассогласования модовых полей равного диаметра; Dдм - потери из-за разницы диаметров модовых полей; Dую - потери от погрешности угловой юстировки осей оптических волокон; Dнм - потери, обусловленные не-круглостью модовых полей; Dрпп - потери из-за разницы показателей преломления.

Изучение параметров и характеристик различных одномодовых оптических волокон показывает, что разброс величины диаметра модового поля для l = 1310.1330 нм или l = 1500...1550 нм может составлять от 10,5 до 21,7% (9,2 0,5 мкм). Такое рассогласование приводит к появлению потерь от 0,05 дБ до 0,25 дБ (с положительным знаком, когда излучение проходит из волокна с большим диаметром в волокно с меньшим диаметром, и отрицательным - в противоположном направлении). Эти потери будут иметь место, даже если аппарат расположит соосно два волокна с разными диаметрами сердцевин, у которых эксцентриситет пренебрежительно мал. Обычно разброс величины модового поля оптического волокна не превышает 14%, таким образом, величина этой составляющей - не более 0,1 дБ.

Составляющая Dую практически не компенсируется современным сварочным оборудованием. Установлено, что углы между осями сердцевин 0,5°; 1°; 1,5°; 2° вызывают приращение потерь соответственно в 0,08; 0,34; 0,77 и 1,5 дБ. Таким образом, благодаря надлежащей подготовке торцов соединяемых оптических волокон при скалывании можно уменьшить потери - необходимо обеспечить наименьший (не более 0,5°) угол между плоскостями торцов оптических волокон. В этом случае величина потерь не превысит 0,08 дБ.

Составляющая Dнм учитывает влияние некруглости модового поля. По приблизительным оценкам она равна 0,05 дБ.

При соединении сваркой оптических волокон, имеющих неконцентричность модового поля, часто возникает нарушение юстировки сердцевин вследствие действия сил поверхностного натяжения. Это нарушение можно минимизировать следующими способами:

* сокращение времени плавления за счет неполного сваривания оптических волокон или же сокращение длины свободного конца оптического волокна в сварочном устройстве, чтобы концы оптических волокон в процессе сварки могли перемещаться на очень малое расстояние;
* использование компенсационных программ, таких как управление смещением сердцевины с помощью метода умышленного смещения осей.

Такой режим получил название RTC (Real Time Control). В этом режиме после юстировки сердцевин свариваемых оптических волокон и проведения процедуры предварительного оплавления происходит компенсация поперечного смещения сердцевин в сторону, противоположную производной расхождения.

Сварка оптических волокон осуществляется посредством чередования коротких импульсов тока высокой интенсивности с импульсами тока низкой интенсивности (релаксационными импульсами). При этом после сваривания в электрическом поле импульса высокой интенсивности в поле релаксационного импульса происходит перемещение оптических волокон под действием поверхностного натяжения. Количество чередующихся импульсов зависит от смещения сердцевин оптических волокон, которое постоянно контролируется сварочным аппаратом; как правило, количество импульсов не превышает 2-3.

Весьма существенное влияние на общую величину потерь, если свариваются оптические волокна с разными показателями преломления (N) сердцевины, может оказать составляющая Dрпп. Эта составляющая учитывает потери мощности оптического сигнала в результате несоблюдения условия полного внутреннего отражения на месте стыка двух оптических волокон, у которых показатели преломления сердцевин имеют различия. В этом случае часть оптического сигнала проникает через оболочку волокна и рассеивается. Ситуация усугубляется многократным отражением луча от границы "сердцевина/оболочка", каждое из которых (отражений) служит источником потери мощности. На практике нередки случаи, когда даже многократные повторные сварки не позволяют добиться малой величины потерь.

Наибольший вклад в суммарную величину потерь вносят потери от погрешности угловой юстировки осей оптических волокон и потери из-за разницы показателей преломления.

Международная электротехническая комиссия предлагает в качестве типичной характеристики сварного соединения оптических волокон, полученного в полевых условиях, величину вносимых потерь, равную 0,2 дБ (IEC 1073-1). При современном развитии технологии сварки оптических волокон этот показатель вполне достижим даже тем персоналом, который не обладает значительным опытом в этой области.

Соединение оптических волокон методом склеивания

Практически одновременно с методом сварки был разработан метод склеивания оптических волокон. Для получения клеевых соединений используют совмещение и фиксацию оптических волокон: в капилляре, в трубке с прямоугольным сечением, с помощью V-образной канавки и с помощью трех стержней в качестве направляющих. Оптические волокна соединяются поодиночке.

Технология получения таких соединений состоит из следующих этапов:

* подготовка оптических волокон к соединению (очистка, снятие буферных покрытий, скалывание);
* ввод оптического волокна в капилляр;
* наполнение иммерсионной жидкостью, гелем или клеем;
* регулирование соединения, юстировка оптических волокон;
* нанесение адгезивного вещества;
* цементирование адгезивного вещества с помощью ультрафиолетового излучения.

Клей, используемый для оптических волокон, должен иметь коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления волокон. Он должен обеспечивать фиксированное положение соединенных оптических волокон, защищать место сращивания от воздействий окружающей среды, гарантировать прочность сростка при воздействии нагрузок в осевом направлении. К достоинствам этого метода следует отнести оперативность и отсутствие деформации сердцевин соединяемых оптических волокон. Это способствует тому, что в области стыка - малые потери, обеспечиваются хорошие механические свойства и т.п. Однако ограниченный срок службы и нестабильность во времени, а также весьма высокая чувствительность к повышению температуры и воздействию влажности являются факторами, сдерживающими распространение этого метода получения неразъемных соединений. В настоящее время он уступил свои позиции методу соединения оптических волокон с помощью механических соединителей.

Механические соединители оптических волокон

Механические соединители оптических волокон разрабатывались как более дешевый и быстрый способ сращивания оптических волокон. Применение аппарата для сварки оптических волокон сопряжено с необходимостью соблюдения ряда условий: для работы используется помещение, параметры которого (температурный диапазон, влажность, давление, вибрации и проч.) соответствуют требованиям производителей сварочного оборудования; также необходима организация питания от сети переменного тока с достаточно жестко регламентированными параметрами. При стоимости комплекта оборудования для сварки оптических волокон, составляющей десятки тысяч долларов США, амортизационные отчисления, а также техническое обслуживание и ремонт являются довольно дорогостоящими.

Достаточно высокие требования предъявляются также к персоналу, производящему работы по сварке оптических волокон. Часто этими же лицами производится наладка и обслуживание аппаратов для сварки оптических волокон (очистка направляющих поверхностей и зажимов, замена электродов и проч.), для чего требуются специалисты с высоким уровнем квалификации.

Всех этих сложностей можно избежать, применяя механические соединители оптических волокон. Конструкция оптических соединителей относительно проста. Основными узлами являются направляющие для двух оптических волокон и устройство фиксации волокон. Внутреннее пространство заполняется тиксотропным гелем для защиты открытых участков оптических волокон от воздействия влаги. Одновременно гель обладает иммерсионными свойствами - его показатель преломления близок к показателю преломления сердцевины волокна.

Процедура монтажа оптических соединителей является частью процедуры монтажа промежуточного или оконечного устройства - кабельной муфты, бокса или стойки. Размеры и форма оптических соединителей позволяют устанавливать их в кассету муфты или бокса аналогично сросткам оптических волокон, полученных путем сварки.

Процедура монтажа включает в себя следующие технологические операции:

* разделка кабелей;
* очистка оптических волокон от гидрофобного геля (при его наличии);
* снятие буферных покрытий соединяемых оптических волокон на участках длиной, рекомендуемой производителями оптических соединителей конкретного типа;
* скалывание оптических волокон;
* проверка качества скола волокон;
* введение соединяемых волокон в отверстия с направляющими;
* позиционирование волокон в соединителе для достижения оптимальных параметров соединения;
* фиксация оптических волокон в соединителе;
* тестовые измерения соединения.

Особое место среди оптических механических соединителей занимает RMS (Rotary Mechanical Splice) как наиболее сложный среди аналогов. Процесс его монтажа наиболее трудоемок, однако он позволяет достичь наименьших потерь при соединении одномодовых волокон. В отличие от остальных соединителей, где величина потерь главным образом зависит от качества скола торцевых поверхностей оптических волокон, этот соединитель позволяет юстировать волокна простым вращением вокруг своей оси стеклянных втулок, удерживающих подготовленные оптические волокна, и добиваться наилучших результатов.

Следует отметить, что применение механических соединителей является наиболее быстрым способом соединения оптических волокон. При этом вносимое затухание практически не отличается от затухания, создаваемого сварным соединением. Достаточно устойчивое функционирование механических соединителей в процессе эксплуатации позволяет уже сегодня рекомендовать их для широкого внедрения на телекоммуникационных сетях с невысокими требованиями к качеству соединений, а также в случаях, когда использование аппарата для сварки оптических волокон технологически затруднено или вообще невозможно. В дальнейшем статистика технической эксплуатации, а также совершенствование материалов компонентов механических соединителей, вероятно, определит их более широкое применение для строительства телекоммуникационных волоконно-оптических линий различных уровней.

Обращает на себя внимание тот факт, что механические соединители оптических волокон условно допускают однократное использование, однако на практике встречаются ситуации их многократного применения. Производители гарантируют качество соединения оптических волокон при повторном монтаже соединителя не более 2-3 раз, однако при повторном наполнении внутреннего пространства иммерсионным гелем (в тех конструкциях, где это предусмотрено) такие соединители использовались многократно без ущерба для качества стыков. Некоторыми производителями механических соединителей разработаны механизмы фиксации, предусматривающие использование специального ключа для открытия фиксатора.

Сегодня использование механических соединителей наиболее удобно при проведении аварийного ремонта волоконно-оптическихлиний для технологической операции организации временной вставки.