Вопросы для самопроверки

1.Что такое среда передачи данных.

2 Что такое блоки взаимодействия.

3. Что такое полоса пропускания и как она связана со скоростью передачи информации.

4. Методы разделения каналов .

5.Бодовая и информационная скорости

6. Что такое канал передачи данных и что он включает.

7.временное мультиплексирование и частотное разделение

8. типы каналов передачи

9. каналы типа Е1/Т1, ISDN, сети Frame Relay, выделенные цифровые линии.

10. волоконно-оптических линий связи (ВОЛС)

11. Какие типы модуляции применяют в аналоговых канадах передачи данных

12. Какого типа каналы типа Е1/Т1, ISDN,сети Frame Relay

13. Примеры проводных каналов передачи данных

14. Беспроводные каналы передачи информации

15. радиорелейные линии связи

16. инфракрасные каналы связи

17. Спутниковые каналы передачи данных

Лекция 10. Методы передачи данных на физическом уровне. Методы передачи данных на канальном уровне.

Методы передачи данных на физическом уровне. Физический уровень является самым нижнем уровнем в ЭМ ВОС и обеспечивает взаимодействие ООД со средой передачи данных, связывающей системы друг с другом. В модемах производятся преобразования двоичных данных в аналоговые сигналы, параметры которых согласованы с параметрами физической среды. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование аналоговых сигналов в бит, которое может отличаться от аналоговой из-за воздействия помех.

Также в качестве каналов связи могут использоваться цифровые каналы, вместо модемов используются линейные контроллеры, которые обеспечивают сопряжения оконечного оборудования обработки данных (ООД) с физическим каналом. На физическом уровне не решается задача исправления искаженных

бит, поэтому его считают ненадежной системой передачи. Основная задача физического уровня – обеспечить соединения для передачи физических сервисных блоков данных, при этом СБД физического уровня является один бит. Биты пере-даются дуплексным или полудуплексным способом и передаются получателю в том же порядке, в котором они поступили от источника.

Физический уровень формирует передаваемый сигнал, кодирует, декодирует и синхронизирует биты данных, а также контролирует состояния среды передачи. Физическое соединение представляется пользователем, расположенным на каналь-ном уровне. В соответствие с архитектурой открытых систем физический уровень должен предоставлять канальному:

- физические услуги (соединение) между двумя или более числом объектов канального уровня;

- разъединять при необходимости установленные соединения;

- обеспечить требуемые параметры качества обслуживания.

Качество обслуживания физическим уровнем определяется:

- частота появления ошибок;

- скорость передачи двоичных данных в секунду;

- задержка передачи.

При обмене данными по выделенным каналам связи, необходимость в установлении соединения на физическом уровне отсутствует. Назначением физического уровня является обеспечение механических, электрических, функциональных и процедурных средств, с целью передачи после-довательностей бит между объектами канального уровня.

Механические характеристики физического уровня определяют организацию сопряжения оконечного оборудования данных с аппаратурой коммутации данных, т. е. с реальной физической средой передачи. Непосредственное соединение устанавливается при помощи соединителей различных типов, которые обеспечивают гальваническую связь ООД с физической средой передачи. В качестве механических характеристик определяются:

- конструктивное исполнение соединения;

- тип крепления;

- способы крепления;

- схемы расположения контактов;

- соответствие цепей обмена контактами разъема.

Механические характеристики представлены в стандарте ISO 2110, 2593, 4902, 4903. Обмен в существующих сетях осуществляется электрическим сигналом и модули сопряжения должны производиться сигналы к приемлемому виду.

Электрические характеристики физического уровня определяются стандартами МККТТ V.28; V.10/X.26; V.11/X.27, где V – аналоговые каналы связи, X – цифровые. В процессе установления соединения обмена сети с узлом коммутации или другими абонентами происходит обмен служебной информации, связанный с управлением и синхронизацией. После установления соединения обеспечивается обмен данными, причем в случае использования полудуплексного режима соответствующие сигналы должны иметь направление информации, по окончанию обмена данными может потребоваться выполнение разъединения соединения. Выполнение этих функций обеспечивается построением стыка между ООД и АКД. Функциональные характеристики физического уровня определяют тип, число и назначения соединительных линий (цепей) стыка ООД/АКД. При разработке этого стыка применяют два основных подхода:

1. Для выполнения каждой функцией управления стыком предназначена отдельная цепь, в этом случае стык содержит цепи заземления, передачи приема данных; цепи управления для передачи команд от ООД к АКД; цепи оповещения для передачи сигналов от АКД к ООД; цепи автоматического установления соединения, обеспечивающих передачу сигнала вызова к другим абонентам и цепи синхронизации. (Пример: рекомендация V.24 MKKTT, она определяет цепи стыка между ООД и АКД для работы по аналоговым каналам связи.)

В соответствии этой рекомендации OOD и AKD (модем) соединяются с помо-щью 34 цепей общего назначения и 12 цепей автоматического вызова. Цепи общего назначения делятся на 4 категории:

− заземление;

− данные;

− управление;

− синхронизация.

С помощью этих цепей OOD управляет модемом, он сообщает OOD о своем состоянии и производится двусторонний обмен данными. Цепи автоматического вызова используются для установления физического соединения при работе по коммутируемым каналам связи: RS-232c; RS-422; RS-423; RS-449; RS-485.

2. Основан на создании (разработке) стыков с наименьшим числом цепей. В этом случае OOD непосредственно участвует в установлении и разъединении физического соединения, т.е. OOD ведет обмен управляющей информации с другими OOD, для чего оно (OOD) должно формировать и передавать служебные знаки по цепи передачи и распознавать знаки, принимаемые по цепи приема. В этом случае при работе «start - stop» режиме цепи управления, оповещения и автоматические.

При работе в синхронном режиме необходимы цепи приема, передачи, управления и оповещения. Х.21 определяет цепи стыка между OOD и AKD при работе по цифровым каналам (имеет 8 цепей).

Процедурные характеристики физического уровня определяют после-довательность изменений состояния цепей I между OOD и AKD, т.е. определяют логику взаимодействия объектов на физическом уровне, т.е. какие сигналы посылаются и какие ожидаются.

Основные рекомендации: MKTT V.24, X.21, X.21 бис, X.20.

Данный уровень определяет интерфейсы системы с каналом связи, а именно, механические, электрические, функциональные и процедурные параметры соединения. Физический уровень также описывает процедуры передачи сигналов в канал и получения их из канала. Он предназначен для переноса потока двоичных сигналов (последовательности бит) в виде, пригодном для передачи по конкретной используемой физической среде. В качестве такой физической среды передачи могут выступать канал тональной частоты, соединительная проводная линия, радиоканал или что-то другое. Физический уровень выполняет три основные функции: установление и разъединение соединений; преобразование сигналов и реализация интерфейса.

Установление и разъединение соединения. При использовании ком-мутируемых каналов на физическом уровне необходимо осуществить предварительное соединение взаимодействующих систем и их последующее разъединение. При использовании выделенных (арендуемых) каналов такая процедура упрощается, так как каналы постоянно закреплены за соответ-ствующими направлениями связи. В последнем случае обмен данными между системами, не имеющими прямых связей, организуется с помощью коммутации потоков, сообщений или пакетов данных через промежуточные взаимо-действующие системы (узлы). Однако функции такой коммутации выполняются уже на более высоких уровнях и к физическому уровню отношения не имеют.

Кроме физического подключения взаимодействующие модемы могут также «договариваться» об устраивающем их режиме работы, т.е. способе модуляции, скорости передачи, режимах исправления ошибок и сжатия данных и т.д. После установления соединения управление передается более высокому канальному уровню.

Преобразование сигналов. Для согласования последовательности

передаваемых бит с параметрами используемого аналогового или цифрового канала требуется выполнить их преобразование в аналоговый либо дискретный сигнал соответственно. К этой же группе функций относятся процедуры, реализующие стык с физическим (аналоговым или цифровым) каналом связи. Такой стык часто называется стыком, зависящим от среды, и он может соответствовать одному из гостированных канальных стыков С1, например: С1-ТФ (ГОСТ 23504- 79,25007-81, 26557-85) − для каналов ТфОП, С1-ТЧ (ГОСТ 23475-79, 23504-79, 23578-79, 25007-81, 26557-85) - для выделенных каналов тональной частоты, СЫТ (ГОСТ 22937-78) - для телеграфных каналов связи, С1-ШП (ГОСТ 24174-80, 25007-81, 26557-85) - для первичных

широкополосных каналов,С1-ФЛ (ГОСТ 24174-80, 26532-85) – для физических линий связи, С1-АК - для акустического сопряжения с каналом связи и ряд других. Функция преобразования сигналов является главнейшей функцией модемов. По этой причине первые модемы, не обладавшие интеллектуальными возможностями и не выполнявшие аппаратное сжатие и коррекцию ошибок, часто называли устройствами преобразования сигналов.

Реализация интерфейса. Реализация интерфейса между DTE и DСЕ является третьей важнейшей функцией физического уровня. Такого рода интерфейсы регламентируются соответствующими рекомендациям и стандартами, к которым, в частности, относятся V.24, RS-232, RS-449, RS-422A, RS-423A, V.35 и другие. Такие интерфейсы определяются отечественными ГОСТ как преобразовательные стыки С2 или стыки, не зависящие от среды. Стандарты и рекомендации по интерфейсам DTE/DCE определяют общие характеристики (скорость и последовательность передачи), функциональные и процедурные характеристики

(номенклатура, категория цепей интерфейса, правила их взаимодействия);

электрические (величины напряжений, токов и сопротивлений) и механические характеристики (габариты, распределение контактов по цепям).

На физическом уровне происходит диагностика определенного класса неисправностей, например таких, как обрыв провода, пропадание питания, потеря механического контакта и т.п. Типовой профиль протоколов при использовании модема, поддерживающего только функции физического уровня, приведен на рис. 28. При этом считается, что компьютер (DTE) соединяется с модемом (DСЕ) посредством интерфейса RS-232, а модем использует протокол модуляции V.21. Помехозащищенность канала связи, состоящего из двух модемов и среды передачи между ними, является ограниченной и, как правило, не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к достоверности передаваемых данных. По этой причине физический уровень рассматривается как ненадежная система. Задача исправления искаженных в канале передачи битов решается на более высоких уровнях, в частности, на канальном уровне

Рис. 28 – Типовой профиль протоколов при использовании модема

Методы передачи данных на канальном уровне

Пример 10. Протокол Ethernet. Протокол Ethernet позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с и использовать следующие типы кабелей: толстый коаксиальный кабель (стандарт 10Base-5), тонкий коаксиал (стандарт 10Base-2), неэкранированную витую пару (стандарт 10Base-T), оптоволоконный кабель (стандарт 10Base-F). Данные в протоколах канального уровня передаются в виде группы бит, организованных в кадр данных. Исторически существует 4 различных формата кадров Ethernet:

- кадр Ethernet DIX (Ethernet II) – один из первых форматов, стандарт фирм Digital, Intel и Xerox;

- кадр 802.3/LLC − международный стандарт;

- кадр Raw 802.3 (Novell 802.3) – стандарт фирмы Novell;

- кадр Ethernet SNAP – второй доработанный вариант международного

стандарта.

Обычно сетевые карты автоматически распознают и поддерживают все четыре формата кадров. Для простоты изложения ограничимся рассмотрением самого простого по формату кадра Ethernet II, который имеет следующие поля:

- преамбула (для синхронизации) и признак начала кадра;

- адрес назначения пакета;

- адрес источника пакета;

- тип пакета (указывает какому протоколу более высокого уровня

принадлежит пакет);

- данные (передаваемая информация);

- CRC – контрольная сумма.

Однако, помимо структуры кадра данных, в протоколе необходимо оговорить и порядок передачи этого кадра по сети. Основным принципом работы Ethernet является использование общей среды передачи данных разделяемой по времени, когда кадры данных передаются всеми компьютерами по общему кабелю. Особенно наглядно это проявляется при топологии "общая шина", хотя принцип сохраняется и при любой другой топологии. Впервые такой метод доступа к разделяемой общей среде был опробован во второй половине 60-х годов, в радиосети Aloha Гавайского университета, где общей средой передачи данных являлся радиоэфир. В 1975 году этот принцип был реализован и для коаксиального кабеля, в первой экспериментальной сети Ethernet Network фирмы Xerox.

В настоящее время сети Ethernet используют метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection) - коллективный доступ с проверкой несущей и обнаружением коллизий Порядок передачи данных и коррекция ошибок происходит следующим образом: каждый кадр данных переданный в сеть получают все компьютеры, но только один из них распознает свой адрес и обрабатывает кадр. В каждый отдельный момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Компьютер, который хочет передать кадр данных, прослушивает сеть и, если там отсутствует несущая частота (сигнал с частотой 5-10 Мгц), то он решает, что сеть свободна и начинает передавать кадр данных. Однако может случится, что другой компьютер, не обнаружив несущей, тоже начнет передачу данных одновременно с первым. В таком случае, возникает столкновение (коллизия). Если один из передающих компьютеров обнаружил коллизию (передаваемый и наблюдаемый в кабеле сигнал отличаются), то он прекращает передачу кадра и усиливает ситуацию коллизии, посылкой в сеть специальных помех – последовательности из 32 бит (jam − последовательность), для того, чтобы и второй компьютер надежно обнаружил коллизию. После этого компьютеры ждут (каждый – случайное время) и повторяют передачу. Поскольку время – случайное (у каждого свое), то вероятность повторного столкновения невелика.

Если столкновение произойдет снова (возможно с другими компьютерами), то следующий раз диапазон, в котором выбирается случайное время задержки, увеличится в 2 раза (после 10-й попытки увеличение не происходит, а после 16-й попытки кадр отбрасывается). В любом случае, время задержки, при возник-новении коллизии невелико (максимум 52,4 миллисекунды) и незаметно для пользователя, однако при большой загрузке сети (начиная с 40 - 50%), слишком большая доля времени тратится на устранение коллизий и полезная пропускная способность падает. Более рациональным способом получения доступа к общей разделяемой среде является протокол Token Ring.

Пример 11. Протокол FastEthernet. Протокол Fast Ethernet был разработан совместными усилиями фирм SynOptics, 3Com (Fast Ethernet Alliance) и является развитием протокола Ethernet. Протокол Fast Ethernet позволяет передавать данные со скоростью 100 Мбит/с и использовать следующие типы кабелей: неэкранированную витую пару 5-й категории (стандарт 100Base-TX), неэкранированную витую пару 3- й категории (стандарт 100Base-T4), оптоволоконный кабель (стандарт 100Base-FX). Коаксиальный кабель в FastEthernet не поддерживается .Поддержка витой пары 3-й категории, несмотря на технические сложности, была реализована из-за того, что на западе, большинство уже проложенных телефонных кабелей, являются витой парой 3-й категории. Метод доступа к разделяемой среде (CSMA/CD) в протоколе FastEternet остался прежним. Отличия от Ethernet заключаются в следующем:

- другой формат кадров;

- другие временные параметры межкадрового и битового интервала (все параметры алгоритма доступа, измеренные в битовых интервалах сохранены прежними);

- признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle (не занято), а не отсутствие сигнала, как в протоколе Ethernet. Для совместимости со старыми сетевыми картами Ethernet, в протокол FastEthernet введена функция "автопереговоров" (autonegotiation). При включении питания сетевой карты или по команде модуля управления сетевой карты начинается процесс "переговоров": сетевая карта посылает специальные служебные импульсы (FLP – fast link pulse burst), в которых предлагается самый приоритетный (с наибольшей скоростью передачи данных) протокол. Если второй компьютер поддерживает функцию "автопереговоров", то он ответит своими служебными импульсами, в которых согласится на предложенный протокол, или предложит другой (из поддерживаемых им). Если же на втором компьютере стоит старая сетевая карта Ethernet, не поддерживающая "автопереговоры", то ответа на запрос первого компьютера не последует, и он автоматически переключится на

использование протокола Ethernet.

Пример 12. Протокол 100VG-AnyLan. Протокол 100VG-AnyLan был разработан совместными усилиями фирм Hewlett-Packard, AT&T и IBM. И протокол FastEthernet и протокол 100VG-AnyLan являются развитием технологии Ethernet и позволяют работать на скорости 100 Мбит/с. Однако, если FastEthrnet ориентировался на минимальные изменения в протоколе Ethernet и совместимости со старыми сетевыми картами, то в протоколе 100VG-AnyLan, пользуясь сменой протоколов, была сделана попытка полностью отказаться от старых, и перейти к новым, более эффективным технологическим решениям. Основным отличием 100VG-AnyLan является другой метод доступа к разделяемой среде - Demand Priority (приоритетный доступ по требованию), который обеспечивает более эффективное распределение пропускной способности сети, чем метод CSMA/CD. При доступе Demand Priority концентратору (hubу) передаются функции арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Сеть 100VGAnyLAN состоит из центрального (корневого) концентратора, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов (рис.29). Допускаются три уровня каскадирования

Рис.29 - Протокол 100VG-AnyLan

Концентратор циклически выполняет опрос портов, к которым подключены компьютеры. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос прио-станавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Компьютер, желающий передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет: низкий (для обычных данных) или высокий (для данных, которые чувствительны к задержкам, например, видеоизображение). Компьютер с низким уровнем приоритета, долго не имевший доступа к сети, получает высокий приоритет. Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета.

Анализируется адрес назначения в пакете, и он передается на тот порт, к

которому подключен соответствующий компьютер (адрес сетевой карты компь-ютера, подключенного к тому или иному порту, определяется автоматически, в момент физического подключения компьютера к концентратору). Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь. В очередь ставятся именно не сами кадры данных, а лишь запросы на их передачу. Запросы удовлетворяются в соответствии с порядком их поступления и с учетом приоритетов. У концентратора 100VG-AnyLan отсутствует внутренний буфер для хранения кадров поэтому в каждый момент времени концентратор может принимать и передавать только один кадр данных – тот, до запроса на передачу которого дошла очередь (с учетом приоритетов). В концентраторах 100VG-AnyLan поддерживаются кадры Ethernet и Token Ring (именно это обсто-ятельство дало добавку Any LAN в названии технологии). Каждый концентратор и сетевой адаптер 100VGAnyLAN должен быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо с кадрами Token Ring, причем одновременно циркуляция обоих типов кадров не допускается. Другой особенностью является то, что кадры передаются не всем компьютерам сети, а только компьютеру назначения, что улучшает безопасность сети, так как кадры труднее перехватить при помощи анализаторов протоколов (снифферов). Несмотря на много хороших технических решений, технология 100VG-AnyLAN не нашла большого количества сторонников и значительно уступает по популярности технологии Fast Ethernet.

Пример 13. Протокол GigabitEthernet. Протокол Gigabit Ethernet обеспечивает скорость передачи данных 1000 Мбит/с на всех основных типах кабельных систем: неэкранированная витая пара 5-й категории, многомодовое и одномодовое оптоволокно (стандарты 1000Base-SX и 1000Base-LX), твинаксиальный кабель (коаксиальный кабель с двумя проводниками, каждый из которых помещен в экранирующую оплетку). Протокол Gigabit Ethernet сохраняет максимально возможную преемственность с протоколами Ethernet и Fast Ethernet:

- сохраняются все форматы кадров Ethernet;

- сохраняется метод доступа к разделяемой среде CSMA/CD.

Поддерживается также полнодуплексный режим работы, когда данные передаются и принимаются одновременно (для отделения принимаемого сигнала от передаваемого сигнала, приемник вычитает из результирующего сигнала извес-тный ему собственный сигнал);

- минимальный размер кадра увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт. Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи небольших пакетов данных разработчики разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям в режиме Burst Mode (монопольный пакетный режим). Если станции нужно передать несколько небольших пакетов данных, то она может не дополнять каждый кадр до размера в 512 байт (минимальный размер кадра), а передавать их подряд. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65 536 бит или 8192 байт. Предел 8192 байт называется BurstLength. Если станция начала передавать кадр и предел BurstLength был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

Пример 14. Протокол Token Ring (High Speed Token Ring). Использование протокола Token Ring позволяет карте работать на скоростях 4 и 16 Мбит/с, а протокола High Speed Token Ring – на скоростях 100 и 155 Мбит/с. Компания IBM является основным разработчиком протокола Token Ring, производя около 60 % сетевых адаптеров этой технологии.

Сеть Token Ring представляет собой кольцо: каждый компьютер соединен кабелем только с предыдущим и последующим компьютером в кольце. Физически это реализуется при помощи специальных концентраторов (см. рис.29), которые обеспечивают целостность кольца даже при выключении или отказе одного из компьютеров, за счет обхода порта выключенного компьютера. Принцип доступа к разделяемой среде – доступ с передачей маркера (token). Компьютер может начать передавать данные в сеть, только если получит от предыдущего компьютера в кольце "маркер" – специальный короткий пакет, свидетельствующий о том, что сеть свободна. Если компьютеру нечего передавать в сеть, то он передает маркер

следующему компьютеру в кольце. Если компьютеру есть что передавать, то он уничтожает маркер и передает свой пакет в сеть. Пакет по битам ретранслируется по кольцу от компьютера к компьютеру, адресат получает пакет, устанавливает в пакете биты, подтверждающие, что пакет достиг адресата и передает пакет дальше по кольцу. Наконец, пакет возвращается к отправителю, который уничтожает его и передает в сеть новый маркер. Компьютер может и не передавать в сеть новый маркер, а продолжить передавать кадры данных до тех пор, пока не истечет время удержания маркера (token holding time). После истечения времени удержания маркера компьютер обязан прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать маркер далее по кольцу. Обычно время удержания маркера по умолчанию равно 10 мс.

В процессе работы сети, из-за сбоев, возможна потеря маркера. За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает один из компьютеров - активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного времени (например, 2,6 с), то он порождает новый маркер. Активный монитор выбирается во время инициализации кольца, как станция с максимальным значением МАС- адреса сетевой карты. Если активный монитор выходит из строя, то процедура инициализации кольца повторяется и выбирается новый активный монитор. Чтобы сеть могла обнаружить отказ активного монитора, последний в работоспособном состоянии каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия. Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора

Рис.30 – Схема протокола Token Ring

Описанный выше алгоритм доступа используется в сетях со скоростью 4 Мбит/с. В сетях со скорость 16 Мбит/с алгоритмы доступа более сложные: используется алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release).

Компьютер передает маркер доступа следующей станции сразу же после

окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких компьютеров. Тем не менее, свои кадры в каждый момент времени может генерировать только один компьютер — тот, который в данный момент владеет маркером доступа. Остальные компьютеры в это время только повторяют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени

сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.

Передаваемым кадрам, протокол верхнего уровня (например, прикладного) может также назначить различные приоритеты: от 0 (низший) до 7 (высший). Маркер также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета и уровень резервного приоритета. При инициализации кольца основной и резервный приоритеты устанавливаются в ноль. Компьютер имеет право захватить переданный ему маркер только в том случае, если приоритет кадра, который он хочет передать, выше (или равен) текущему приоритету маркера. В противном случае компьютер обязан передать маркер следующему по кольцу компьютеру. Однако, даже если компьютер не захватил маркер, он может записать в поле резервного приоритета значение приоритета своего кадра (при условии, что предыдущие компьютеры не записали в это поле более высокий приоритет). При следующем обороте маркера резервный приоритет станет текущим и компьютер получит возможность захватить маркер.

Хотя механизм приоритетов в технологии Token Ring имеется, но он начинает работать только в том случае, когда приложение или прикладной протокол решают его использовать. Иначе все станции будут иметь равные права доступа к кольцу, что в основном и происходит на практике, так как большая часть приложений этим механизмом не пользуется. Развитием протокола Token Ring стал протокол High-Speed Token Ring, который поддерживает скорости в 100 и 155 Мбит/с, сохраняя основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.

Пример 14. Протокол FDDI. Протокол FDDI (Fiber Distributed Data Interface) используется в оптоволоконных сетях и работает на скорости 100 Мбит/с. Исторически, когда скорости других протоколов ограничивались 10-16 Мбит/с, FDDI использовался на магистральных оптоволоконных сетях передачи данных.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Сеть FDDI строится на основе двух опто-волоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец необходимо для повышения отказоустойчивости сети FDDI, и компьютеры, которые хотят воспользоваться этой повышенной надежностью могут (хотя это и не требуется) быть подключены к обоим кольцам.

В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля только первичного (Primary) кольца. Этот режим назван режимом Thru — «сквозным» или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется. В случае какого-либо отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ компьютера), первичное кольцо объединяется со вторичным (см. рис. ), вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится средствами концентраторов и/или сетевых карт FDDI. Для упрощения этой

процедуры, данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направ-лении, а по вторичному — в обратном (см. рис.). Поэтому при образовании общего кольца из двух колец, направление передачи данных по кольцам остается верным. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей (рис.31).

Метод доступа к разделяемой среде в сети FDDI аналогичен методу доступа в сети Token Ring. Отличия заключаются в том, что время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной, как в сети Token Ring, а зависит от загрузки кольца − при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. В сети FDDI нет выделенного активного монитора, Все компьютеры и концентраторы равноправны, и при обнаружении отклонений от нормы любой из них может начать процесс повторной инициализации сети, а затем и ее реконфигурации. В остальном пересылка кадров между станциями кольца полностью соответствует технологии Token Ring со скоростью 16 Мбит/с (применяется алгоритм раннего освобождения маркера). На физическом уровне технология "сворачивания" колец реализуется специальными концентраторами. В стандарте FDDI допускаются два вида подсоединения компьютера к сети.

Рис. 31 – Схема двойного кольца (FDDI)

Одновременное подключение к первичному и вторичному кольцам называется двойным подключением (Dual Attachment, DA). Компьютеры, подключенные таким образом, называются DAS (Dual Attachment Station), а концентраторы - DAC (Dual Attachment Concentrator). Подключение только к первичному кольцу называется одиночным подключением — Single Attachment, SA. Компьютеры, подключенные таким образом, называются SAS (Single Attachment Station), а концентраторы − SAC (Single Attachment Concentrator). Чтобы устройства легче было правильно присоединять к сети, их разъемы маркируются. Разъемы типа А и В должны быть у устройств с двойным подключением, разъем М (Master) имеется у концентратора для одиночного подключения станции, у которой ответный разъем должен иметь тип S (Slave). В случае однократного обрыва кабеля между устройствами с двойным подключением сеть FDDI сможет продолжить нормальную работу за счет автоматической реконфигурации внутренних путей передачи кадров между портами концентратора. При обрыве кабеля, идущего к компьютеру с одиночным подключением, он становится отрезанным от сети, а кольцо продолжает работать. Эта ситуация изображена на рис. 32.

Пример 15. Протоколы SLIP и PPP. Основное отличие протоколов SLIP и PPP от рассмотренных выше протоколов – это то, что они поддерживают связь "точка-точка", когда сетевой кабель используется для передачи информации только между двумя компьютерами (или другим сетевым оборудованием), соединенным этим кабелем. Такое соединение характерно при подключении к Internet по телефонной линии, при соединении локальных сетей между собой по выделенным или коммутируемым линиям, а также в сетях X.25, Frame Relay и ATM (см. далее в лекциях). Существует большое количество протоколов канального уровня для соединения "точка-точка", однако здесь мы ограничимся рассмотрением только SLIP и PPP.

Рис. 32. – Ситуация обрыва кабеля

SLIP (Serial Line IP) – протокол канального уровня, который позволяет использовать последовательную линию передачи данных (телефонную линию) для связи с другими компьютерами по протоколу IP (протокол сетевого уровня). SLIP появился достаточно давно, для связи между Unix – компьютерами по телефонным линиям и, в настоящее время, является устаревшим, так как не позволяет использовать протоколы сетевого уровня, отличные от IP, не позволяет согласовывать IP - адреса сторон и имеет слабую схему аутентификации (подтверждения личности) пользователя, заключающуюся в пересылке по сети имени и пароля пользователя. Таким образом, имя и пароль (даже зашифрованный) могут быть перехвачены и повторно использованы злоумышленником, или он может просто дождаться, пока пользователь пройдет аутентификацию, а затем отключить его и самому

подключится от имени пользователя. Поэтому, большинство провайдеров Internet для подключения к своим машинам используют протокол PPP.

Протокол канального уровня PPP (Point to Point Protocol – протокол точка-точка) позволяет использовать не только протокол IP, но также и другие протоколы сетевого уровня (IPX, AppleTalk и др.). Достигается это за счет того, что в каждом кадре сообщения хранится не только 16 битная контрольная сумма, но и поле, задающее тип сетевого протокола. Протокол PPP также поддерживает сжатие заголовков IP-пакетов по методу Ван Джакобсона (VJ-сжатие), а также позволяет согласовать максимальный размер передаваемых дейтаграмм, IP-адреса сторон и др.

Аутентификация в протоколе PPP является двусторонней, т.е. каждая из сторон может потребовать аутентификации другой. Процедура аутентификации проходит по одной из двух схем:

а) PAP (Password Authentication Protocol) – в начале соединения на сервер посылается имя пользователя и (возможно зашифрованный) пароль;

б) CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol) – в начале соединения сервер посылает клиенту случайный запрос (challenge). Клиент шифрует свой пароль, используя однонаправленную хэш-функцию (функция у которой по значению Y невозможно определить X)и запрос, в качестве ключа шифрования. Зашифрованный отклик (response) передается серверу, который, имея в своей базе данных пароль клиента, выполняет те же операции и, если полученный от клиента отклик совпадает с вычисленным сервером, то аутентификация считается успешной. Таким образом, пароль по линиям связи не передается. Даже если отклик клиента и будет перехвачен, то в следующий раз использовать его не удастся, так как запрос сервера будет другим. Определить же пароль на основании отклика –невозможно, так как хэш-функция шифрует данные только "в одну сторону". Для предотвращения вмешательства в соединение уже после прохождения клиентом аутентификации, в схеме CHAP сервер регулярно посылает испытательные запросы через равные промежутки времени. При отсутствии отклика или неверном отклике соединение прерывается.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое модем и его функции.

2. В чем заключается основная задача физического уровня.

3. Основные протоколы физического уровня.

4. Характеристики протокола Ethernet.

5. Методы доступа к среде передачи данных на физическом уровне.

6. Протокол Fast Ethernet и его отличие от Ethernet.

7. Протокол 100VG-AnyLan.

8. Протокол Gigabit Ethernet.

9. Протокол Token Ring.

10. Протокол FDDI (Fiber Distributed DaInterface).

11. Протоколы SLIP и PPP.

Лекция 11. Рекомендации и стандарты в области кодирования и сжатия информации.

Кодирование и сжатие информации

Кодирование – представление сообщения последовательностью элементарных символов. Рассмотрим кодирование дискретных сообщений. Символы в сообщениях могут относиться к алфавиту, включающему n букв (буква - символ сообщения). Однако число элементов кода k существенно ограничено сверху энергетическими соображениями, т.е. часто n > k. Так, если отношение сигнал/помеха для надежного различения уровня сигнала должно быть не менее q, то наименьшая амплитуда для представления одного из k символов должна быть q·g, где g – амплитуда помехи, а наибольшая амплитуда соответственно q·g·k. Мощность передатчика пропорциональна квадрату амплитуды сигнала (тока или напряжения), т.е. должна превышать величину, пропорциональную (q·g·k)2. В связи с этим распространено двоичное кодирование с k=2. При двоичном кодировании сообщений с n типами букв, каждая из n букв кодируется определенной комбинацией 1 и 0 (например, код ASCII).

Кодирование аналоговых сообщений после их предварительной дискретизации должно выполняться в соответствии с теоремой Котельникова: если в спектре функции f(t) нет частот выше FВ, то эта функция может быть полностью восстановлена по совокупности своих значений, определенных в моменты времени tk, отстоящие друг от друга на величину 1/(2·Fв). Для передачи аналогового сиг-нала производится его дискретизация с частотой отсчетов 2·FВ и выполняется кодово- импульсная модуляция последовательности отсчетов.

Количество информации в сообщении (элементе сообщения) определяется по формуле I = -log2P, где Р - вероятность появления сообщения (элемента сооб-щения). Из этой формулы следует, что единица измерения количества информации есть количество информации, содержащееся в одном бите двоичного кода при условии равной вероятности появления в нем 1 и 0. В то же время один разряд

десятичного кода содержит I = -log2Р = 3,32 единиц информации (при том же условии равновероятности появления десятичных символов, т.е. при Р=0,1). Энтропия источника информации с независимыми и равновероятными сообщениями есть среднее арифметическое количеств информации сообщений H = - sum Pk·log2 Pk k=1..N, где Pk - вероятность появления k-го сообщения. Другими словами, энтропия есть мера неопределенности ожидаемой информации.

Пример16. Пусть имеем два источника информации, один передает двоичный код с равновероятным появлением в нем 1 и 0, другой имеет вероятность 1, равную 2-10, и вероятность 0, равную 1-2-10. Очевидно, что неопределенность в получении в очередном такте символа 1 или 0 от первого источника выше, чем от второго. Это подтверждается количественно оценкой энтропии: у первого источника H = 1, у второго приблизительно H = -2-10·log22-10 , т.е. значительно меньше.

Коэффициент избыточности сообщения. Коэффициент избыточности сообщения А определяется по формуле r = (Imax - I)/Imax, где I – количество информации в сообщении А, Imax – максимально возможное количество инфор-мации в сообщении той же длины, что и А. Пример избыточности дают сообщения на естественных языках, так, у русского языка r находится в пределах 0,3...0,5. Наличие избыточности позволяет ставить вопрос о сжатии информации без ее потери в передаваемых сообщениях.

Основные используемые коды. Широко используются двоичные коды:

EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) – символы кодируются восемью битами; популярен благодаря его использованию в IBM;

ASCII (American Standards Committee for Information Interchange) - семибитовый двоичный код. Оба этих кода включают битовые комбинации для печатаемых

символов и некоторых распространенных командных слов типа NUL, CR, ACK, NAK и др.

Для кодировки русского текста нужно вводить дополнительные битовые комбинации. Семибитовая кодировка здесь уже недостаточна. В восьмибитовой кодировке нужно под русские символы отводить двоичные комбинации, не занятые в общепринятом коде, чтобы сохранять неизменной кодировку латинских букв и других символов. Так возникли кодировка КОИ-8, затем при появлении персональных ЭВМ - альтернативная кодировка и при переходе к Windows – кодировка 1251. Множество используемых кодировок существенно усложняет проблему согласования почтовых программ в глобальных сетях.

Асинхронное и синхронное кодирование. Для правильного распознавания позиций символов в передаваемом сообщении получатель должен знать границы передаваемых элементов сообщения. Для этого необходима синхронизация передатчика и приемника. Использование специального дополнительного провода для сигналов синхронизации (в этом случае имеем битовую синхронизацию)

слишком дорого, поэтому используют другие способы синхронизации. В асин-хронном режиме применяют коды, в которых явно выделены границы каждого символа (байта) специальными стартовым и стоповым символами. Подобные побайтно выделенные коды называют байт- ориентированными, а способ пере-дачи - байтовой синхронизацией. Однако это увеличивает число битов, не относящихся собственно к сообщению.

В синхронном режиме синхронизм поддерживается во время передачи всего информационного блока без обрамления каждого байта. Такие коды называют бит-ориентированными. Для входа в синхронизм нужно обозначать границы лишь всего передаваемого блока информации с помощью специальных начальной и конечной комбинаций байтов (обычно это двухбайтовые комбинации). В этом случае синхронизация называется блочной (фреймовой).

Для обрамления текстового блока (текст состоит только из печатаемых сим-волов) можно использовать символы, отличающиеся от печатаемых. Для обрам-ления двоичных блоков применяют специальный символ (обозначим его DLE), который благодаря стаффингу становится уникальным. Уникальность заключается в том, что если DLE встречается внутри блока, то сразу вслед за ним вставляется еще один DLE. Приемник будет игнорировать каждый второй идущий подряд символ DLE. Если же DLE встречается без добавления, то это граница блока.

Коэффициент сжатия. Наличие в сообщениях избыточности позволяет ставить вопрос о сжатии данных, т.е. о передаче того же количества информации с помощью последовательностей символов меньшей длины. Для этого используются специальные алгоритмы сжатия, уменьшающие избыточность. Эффект сжатия оценивают коэффициентом сжатия K = n/q, где n - число минимально необходимых символов для передачи сообщения (практически это число символов на выходе эталонного алгоритма сжатия); q - число символов в сообщении, сжатом данным алгоритмом. Так, при двоичном кодировании n равно энтропии источника информации Наряду с методами сжатия, не уменьшающими количество

информации в сообщении, применяются методы сжатия, основанные на потере малосущественной информации.

Алгоритмы сжатия. Сжатие данных осуществляется либо на прикладном уровне с помощью программ сжатия, таких, как ARJ, либо с помощью устройств защиты от ошибок (УЗО) непосредственно в составе модемов по протоколам типа V.42bis. Очевидный способ сжатия числовой информации, представленной в коде ASCII, заключается в использовании сокращенного кода с четырьмя битами на символ вместо восьми, так как передается набор, включающий только 10 цифр, символы "точка", "запятая" и "пробел". Среди простых алгоритмов сжатия наиболее известны алгоритмы RLE (Run Length Encoding). В них вместо передачи цепочки из одинаковых символов передаются символ и значение длины цепочки. Метод эффективен при передаче растровых изображений, но малополезен при передаче текста. К методам сжатия относят также методы разностного кодирования, поскольку разности амплитуд отсчетов представляются меньшим

числом разрядов, чем сами амплитуды. Разностное кодирование реализовано в методах дельта-модуляции и ее разновидностях.

Предсказывающие (предиктивные) методы основаны на экстраполяции значений амплитуд отсчетов, и если выполнено условие Ar - Ap > d, то отсчет должен быть передан, иначе он является избыточным; здесь Ar и Ap - амплитуды реального и предсказанного отсчетов, d - допуск (допустимая погрешность представления амплитуд). Иллюстрация предсказывающего метода с линейной экстраполяцией представлена рис. 33. Здесь точками показаны предсказываемые значения сигнала. Если точка выходит за пределы "коридора" (допуска d), показанного пунктирными линиями, то происходит передача отсчета. На рисунке передаваемые отсчеты

отмечены темными кружками в моменты времени t1, t2, t4, t7. Если передачи отсчета нет, то на приемном конце принимается экстраполированное значение.

Методы MPEG (Moving Pictures Experts Group) используют предсказывающее кодирование изображений (для сжатия данных о движущихся объектах вместе со звуком). Так, если передавать только изменившиеся во времени пиксели изображения, то достигается сжатие в несколько десятков раз. Этот алгоритм сжатия используется также в стандарте Н.261 ITU. Методы MPEG становятся мировыми стандартами для цифрового телевидения.

Для сжатия данных об изображениях можно использовать также методы типа JPEG (Joint Photographic Expert Group), основанные на потере малосущественной информации (не различимые для глаза оттенки кодируются одинаково, коды могут стать короче).

Рис.33. – Метод линейной экстраполяции

В этих методах передаваемая последовательность пикселей делится на блоки, в каждом блоке производится преобразование Фурье, устраняются высокие частоты, передаются коэффициенты разложения для оставшихся частот, по ним в приемнике изображение восстанавливается.

Другой принцип воплощен в фрактальном кодировании, при котором изобра-жение, представленное совокупностью линий, описывается уравнениями этих линий. Более универсален широко известный метод Хаффмена, относящийся к статистическим методам сжатия. Идея метода – часто повторяющиеся символы нужно кодировать более короткими цепочками битов, чем цепочки редких сим-волов. Строится двоичное дерево, листья соответствуют кодируемым символам, код символа представляется последовательностью значений ребер (эти значения в двоичном дереве суть 1 и 0), ведущих от корня к листу. Листья символов с высокой вероятностью появления находятся ближе к корню, чем листья маловероятных символов. Распознавание кода, сжатого по методу Хаффмена, выполняется по алгоритму, аналогичному алгоритмам восходящего грамматического разбора.

Пример 16. Пусть набор из восьми символов (A, B, C, D, E, F, G, H) имеет сле-дующие правила кодирования:

A ::= 10; B ::= 01; C ::= 111; D ::= 110;

E ::= 0001; F ::= 0000; G ::= 0011; H ::= 0010.

Тогда при распознавании входного потока 101100000110 в стек распознавателя заносится 1, но 1 не совпадает с правой частью ни одного из правил. Поэтому в стек добавляется следующий символ 0. Полученная комбинация 10 распознается и заменяется на А. В стек поступает следующий символ 1, затем 1, затем 0. Сочетание 110 совпадает с правой частью правила для D. Теперь в стеке AD, заносятся следующие символы 0000 и т.д.

Недостаток метода заключается в необходимости знать вероятности символов. Если заранее они не известны, то требуются два прохода: на одном в передатчике подсчитываются вероятности, на другом эти вероятности и сжатый поток символов передаются к приемнику. Однако двухпроходность не всегда возможна.

Этот недостаток устраняется в однопроходных алгоритмах Адаптивного сжатия, в которых схема кодирования есть схема приспособления к текущим особенностям передаваемого потока символов. Поскольку схема кодирования известна как кодеру, так и декодеру, сжатое сообщение будет восстановлено на приемном конце.

Обобщением этого способа является алгоритм, основанный на словаре сжатия данных. В нем происходит выделение и запоминание в словаре повторяющихся цепочек символов, которые кодируются цепочками меньшей длины.

Интересен алгоритм "стопка книг", в котором код символа равен его поряд-ковому номеру в списке. Появление символа в кодируемом потоке вызывает его перемещение в начало списка. Очевидно, что часто встречающиеся символы будут тяготеть к малым номерам, а они кодируются более короткими цепочками 1 и 0. Кроме упомянутых алгоритмов сжатия существует ряд других алгоритмов, например LZ-алгоритмы (алгоритмы Лемпеля-Зива). В частности, один из них (LZW) применен в протоколе V.42bis.

Вопросы для самопроверки

1.Что такое кодирование.

2. Теорема Котельникова.

3. Кодировка EBCDIC , ASCII.

4. Кодировка кириллицы.

5. Методы синхронизации.

Лекция 12. Каналообразующая аппаратура, режимы переноса информации, коммутация каналов, многоскоростная коммутация каналов.

Высокая стоимость линий связи обуславливает разработку систем и методов, позволяющих одновременно передавать по одной линии связи большое число независимых сообщений, т.е. использовать линию многократно. Такие системы связи называют многоканальными. Связь, осуществляемую с помощью этих систем, принято называть многоканальной. Практически все современные системы связи за редким исключением являются многоканальными.

В современных сетях связи используются аналоговые и цифровые системы передачи (СП) с тенденцией постепенного перехода к применению только цифровых систем. Для обеспечения характеристик каналов и трактов, гарантирующих высокое качество передачи информации, принципы проектирования цифровых и аналоговых систем передачи должны быть совместимы Рассмотрим основные методы и способы, используемые при построении систем передачи.

Основы теории многоканальной передачи сообщений.

Используемые методы разделения каналов (РК) можно разделить на линейные и нелинейные (комбинационные). В большинстве случаев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал. Если операция объединения линейна, то получившийся сигнал называют линейным групповым сигналом.

Для унификации многоканальных систем связи за основной или стандартный канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот 300...3400 Гц, соответствующей основному спектру телефонного сигнала.

Многоканальные системы образуются путем объединения каналов ТЧ в группы, обычно кратные 12 каналам. В свою очередь, часто используют "вторичное уплотнение" каналов ТЧ телеграфными каналами и каналами передачи данных. На рис.34 приведена структурная схема наиболее распространенных систем многоканальной связи.

Реализация сообщений каждого источника а1(t), а2(t),...,аN(t) с помощью индивидуальных передатчиков (модуляторов) М1, М2, ..., МN преобразуются в соответствующие канальные сигналы s1(t), s2(t), ..., sN(t). Совокупность канальных сигналов на выходе суммирующего устройства S образует групповой сигнал s(t). Наконец, в групповом передатчике М сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sЛ(t), который и поступает в линию связи ЛС. Допустим, что линия пропускает сигнал практически без искажений и не вносит шумов. Тогда на приемном конце линии связи линейный сигнал sЛ(t) с помощью

Рис. 34 – Структурная схема многоканальной связи

группового приемника П может быть вновь преобразован в групповой сигнал s(t). Канальными или индивидуальными приемниками П1, П2, ..., ПN из группового сигнала s(t) выделяются соответствующие канальные сигналы s1(t), s2(t), ...,sN(t) и затем преобразуются в предназначенные получателям сообщения а1(t), a2(t), ..., aN(t). Канальные передатчики вместе с суммирующим устройством образуют аппаратуру объединения. Групповой передатчик М, линия связи ЛС и групповой приемник П составляют групповой канал связи (тракт передачи), который вместе с аппаратурой объединения и индивидуальными приемниками составляет систему многоканальной связи.

Индивидуальные приемники системы многоканальной связи ПK Наряду с выполнением обычной операции преобразования сигналов sK(t) в соответ-ствующие сообщения аK(t) должны обеспечить выделение сигналов sK(t) из группового сигнала s(t). Иначе говоря, в составе технических устройств на передающей стороне многоканальной системы должна быть предусмотрена аппаратура объединения, а на приемной стороне - аппаратура разделения.

В общем случае групповой сигнал может формироваться не только простейшим суммированием канальных сигналов, но также и определенной логической обработкой, в результате которой каждый элемент группового сигнала несет информацию о сообщениях источников. Это так называемые системы с комбинационным разделением.

Чтобы разделяющие устройства были в состоянии различать сигналы отдельных каналов, должны существовать определенные признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками могут быть параметры переносчика, например амплитуда, частота или фаза в случае непрерывной модуляции гармонического переносчика. При дискретных видах модуляции различающим признаком может служить и форма сигналов. Соответственно различаются и способы разделения сигналов: частотный, временной, фазовый и др.

Частотное разделение сигналов.

Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рис. 35. За рубежом для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA).

Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями, первичные (индиви-дуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G1(w), G2(w), ..., GN(w) модулируют поднесущие частоты wK каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы М1, М2, ..., МN канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров Ф1, Ф2, ..., ФN спектры gK(w) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот Dw1, Dw2, ..., DwN, которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений W1, W2, ..., WN. При широкополосных видах модуляции, например, ЧМ ширина спектра Dw K» 2(b +1) WK, т.е. в общем случае Dw. W K. Для упрощения будем считать, что используется АМ-ОБП (как это принято в аналоговых СП с ЧРК), т.е. DwК =W и Dw =NW.

Рис. 35 - системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте

Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи (рис.36). Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты wK так, что полосы Dw1, ..., Dw K попарно не перекрываются. При этом условии сигналы sК(t)(k=1,...,N) взаимно ортогональны. Затем спектры g1(w), g2(w),..., gN(w) суммируются (S ) и их совокупность g(w) поступает на групповой модулятор (М). Здесь спектр g(w) с помощью колебания несущей частоты w0 переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т.е. групповой сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sЛ(t). При этом может использоваться любой вид модуляции.

Рис.36 – Основные этапы образования сигнала

На приемном конце линейный сигнал поступает на групповой демодулятор (приемник П), который преобразует спектр линейного сигнала в спектр группового сигнала g. (w).Затем спектр группового сигнала с помощью частотных фильтров Ф1, Ф2,...,ФN вновь разделяется на отдельные полосы DwK, соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов gK(w) в спектры сообщений G. K(w), предназначенные получателям. Из приведенных пояснений легко понять смысл частотного способа разделения каналов. Поскольку всякая реальная линия связи обладает ограниченной полосой пропускания, то при многоканальной передаче каждому отдельному каналу отводится определенная часть общей полосы пропускания.

На приемной стороне одновременно действуют сигналы всех каналов, различающиеся положением их частотных спектров на шкале частот. Чтобы без взаимных помех разделить такие сигналы, приемные устройства должны содержать частотные фильтры. Каждый из фильтров ФK должен пропустить без ослабления лишь те частоты wIDwK, которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов wI DwK фильтр должен подавить.

На практике это невыполнимо. Результатом являются взаимные помехи между каналами. Они возникают как за счет неполного сосредоточения энергии сигнала k-го канала в пределах заданной полосы частот DwK, так и за счет неидеальности реальных полосовых фильтров. В реальных условиях приходится учитывать также взаимные помехи нелинейного происхождения, например за счет нелинейности характеристик группового канала. Для снижения переходных помех до допустимого уровня приходится вводить защитные частотные интервалы DwЗАЩ (рис. 37).

Рис.37 – защитные полосы

Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т.е. ширина спектра составляет 3,1 кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по 0,9 кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех при фильтровке сигналов. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением сигналов эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания линии связи. Кроме того, необходимо обеспечить высокую степень линейности всего тракта группового сигнала.

Временное разделение каналов.

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (рис.38).

Рис.38 – Принцип временного разделения канала

В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA).

При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять передается импульс 1-го канала и процесс повторяется периодически. На приеме устанавливается аналогичный коммутатор, который поочередно подключает групповой тракт к соответствующим приемникам. В определенный короткий промежуток времени к групповой линии связи оказывается подключена только одна пара приемник/передатчик. Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.

На рис. 39 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На рис.39 а-в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов u1(t), u2(t) и u3(t) и соответствующие им АИМ- сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты относительно друг друга по времени. При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивиду-альных импульсов.

Рис.39 – временные диаграммы

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала TK называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала назы-вается циклом передачи ТЦ. От соотношения ТЦ и TK зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.

При временном разделении так же как и при ЧРК существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами. Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно- частотной и фазочастотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция.

Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах. В силу данных причин временное разделение каналов на основе АИМ не получило практического применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий, которые будут подробно рас-смотрены ниже.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится

вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому рас-ширению спектра сигналов. Так, в СП полоса эффективно передаваемых частот F=3100 Гц, в соответствии с теоремой Котельникова (см. подраздел 8.2) имеет минимальное значение частоты дискретизации f0=1/ТД=2F=6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f0=8 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинако-вую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котель-никова из соотношения (без учета канала синхронизации) DtK=T0/N=1/(2NF)= 1/(2FОБЩ), где FОБЩ=FN, что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении. Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее пока системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю.

Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. Кроме того, аппаратура временного разделения значительно проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального

канала требуются соответствующие полосовые фильтры, которые достаточно трудно реализовать средствами микроэлектроники.

Вопросы для самопроверки

1. Методы уплотнения каналов передачи данных

2. Методы переноса информации

Лекция 13. РЕЖИМЫ ПЕРЕНОСА ИНФОРМАЦИИ

Коммутация каналов

Исторически сложилось так, что современные транспортные подсистемы (сети связи) характеризуются очень узкой специализацией. Для каждого вида связи существует, по меньшей мере, одна сеть, которая транспортирует информацию этой службы. Важным следствием такой узкой специализации является наличие большого количества выделенных сетей, каждая из которых требует собственного этапа разработки, производства и технического обслуживания. При этом свободные ресурсы одной сети не могут использоваться другой сетью. Все это позволяет сделать вывод, что существующие в настоящее время транспортные подсистемы страдают целым рядом недостатков, важнейшими из которых являются:

− зависимость от вида информации, которую они транспортируют;

− отсутствие гибкости, так как современные транспортные подсистемы практически не адаптируются к изменениям в уровне требований со стороны систем управления к объемам передаваемой информации, к скорости передачи, времени доставки и верности;

− низкая эффективность использования ресурсов.

Многие из этих недостатков сохраняются и при переходе к УЦСИО. (Узкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания).Таким образом, с системных позиций было бы желательно иметь единую транспортную подсистему (рис. 6.16), способную единым способом транспортировать все виды информации, распределяя свои сетевые ресурсы на динамической основе оптимальным образом. Такая единая транспортная подсистема, способная транспортировать единым способом все виды информации, позволяет обеспечить:

− гибкость и адаптацию подсистемы к изменению уровня требований поль-зователей к объему, скорости и качеству доставки информации;

− повышение эффективности использования имеющихся транспортных ресурсов;

− снижение общих затрат на проектирование, строительство и обслуживание телекоммуникационной подсистемы

Рис. 40 – Транспортная система будущего

В настоящее время, благодаря успехам в создании волоконно-оптических систем передачи, в производстве сверхбольших интегральных схем, а также возникновению и развитию новых сетевых идей, появилась возможность на базе технологии ATM (асинхронный способ передачи) создать единую телеком-муникационную систему – широкополосную цифровую сеть интегрального обслуживания.

Достижения в области волоконно-оптических систем имеют ежегодное

увеличение произведения «расстояние-полоса» в два раза наряду со стабильным уменьшением стоимости, что являются важными факторами, определяющими возможности их широкого использования в современных информационно-телекоммуникационных системах.

В традиционных сетях связи, построенных на базе существующих кабельных и даже коаксиальных линий связи, узким местом, с точки зрения пропускной способности, являлся тракт связи. Высокая скорость передачи (155 Мбит/с; 622 Мбит/с; 2,5 Гбит/с и более) и очень низкая вероятность ошибок в волоконно-оптических системах передачи выдвигают на первый план создание высокопроизводительных систем коммутации.

Применение в качестве среды передачи волоконно-оптических линий связи с очень малым уровнем ошибок позволило пересмотреть сетевые концепции проверки ошибок в звеньях связи и вынести функции контроля и исправления ошибок в информации пользователя за пределы транспортной сети и возложить эти функции на оконечное оборудование. Все это и привело к разработке нового режима переноса информации. Тот факт, что стоимость передачи данных по цифровым трактам связи снижается более быстро, чем стоимость процессоров и памяти и создает экономические предпосылки для реализации на практике в вычислительных сетях принципа упреждающего роста пропускной способности. Получается, что хранение на каждом ПК большого объема информации становится дороже, чем ее получение из баз данных, предоставление и организация интер-активных услуг дистанционного обучения и перехода к архитектуре "клиент-сервер".

Термин "режим переноса" введен СС МСЭ (Сетевой стандарт международного союза электросвязи) для описания способа, используемого в телекоммуника-ционных сетях для транспортирования информации и охватывающего аспекты передачи, мультиплексирования и коммутации. Основные способы транспорти-рования информации от источника до получателя, применяемые в сетях связи представлены на рис. 41.

Рис.41 – Схема сравнения различных методов переноса информации

В левой части рисунка режимы переноса отличаются простотой,

лучше приспособлены для обеспечения источников с постоянной скоростью передачи. При движении вправо возрастает гибкость режимов переноса к источ-никам с изменяющейся скоростью передачи и большой неравномерностью трафика. Однако реализация таких режимов переноса характеризуется возрастающей сложностью обработки в узлах коммутации, что снижает реализуемую скорость доставки в сети.

Проведем анализ основных режимов переноса информации, которые рассмат-ривались в качестве альтернативных вариантов для ШЦСИО (широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания).

Коммутация каналов, как один из способов переноса информации, длительное время использовалась и используется в аналоговых сетях телефонной связи, а в настоящее время применяется в УЦСИО. В классическом смысле при оперативной коммутации каналов (в отличие от кроссовой коммутации каналов, которая находит еще достаточно широкое применение в ведомственных сетях связи) канал предоставляется пользователю только на время сеанса связи с момента установления соединения до момента завершения работы и разъединения.

Режим коммутации каналов в УЦСИО базируется на принципе временного разделения каналов (TDM – Time Division Multiplexing) для транспортирования информации от одного узла к другому. Этот способ также известен как синхронный режим переноса (STM – Synchronous Transfer Mode).

Информация передается с определенной частотой (8 бит каждые 125 мкс для скорости 64 кбит/с или 1000 бит каждые 125 мкс для скорости 8 Мбит/с). Базисная единица такой частоты повторений называется временным интервалом. Несколько соединений мультиплексируются в одном тракте (звене передачи) путем объединения временных интервалов (слотов) в кадры (фреймы), которые также повторяются с определенной частотой. Соединение ("канал") всегда использует один и тот же временной интервал во время всего сеанса.

Коммутация каналов при временном разделении осуществляется коммутатором путем пространственной коммутации, временной коммутации или их комбинации. Коммутация каналов представляет собой очень негибкую процедуру, так как продолжительность временного интервала однозначно определяет скорость передачи в канале связи. Так, например, при ИКМ(импульсно-кодовая модуляция) (Рек. СС МСЭ G.703) временной интервал длительностью 3,9 мкс состоит из восьми двоичных символов. В цикле длительностью 125 мкс содержится 32 канальных интервала. При скорости в канале 64 кбит/с скорость цифровой системы передачи составляет 2048 кбит/с. Так как для передачи информации может быть использован только канальный интервал в цикле временного объединения, продолжительность которого равна периоду дискретизации сигнала (8 кГц), то это не соответствует требованиям различных служб. На самом деле требования различных служб к скорости передачи могут быть очень разными – от очень низких до очень высоких. Поэтому было бы целесообразно выбирать в качестве основной самую высокую скорость, например, 140 Мбит/с, так как такая скорость способна обеспечить потребности любой службы. Но в этом случае служба, которой необходима скорость 1 кбит/с, задействовала бы весь канал со скоростью 140 Мбит/с на всю длительность соединения, что, естественно, приводит к очень низкой эффективности использования сетевых ресурсов.

Таким образом, можно сделать вывод, что обычная коммутация каналов непригодна для использования в ШЦСИО. Чтобы устранить присущий обычной комму-тации каналов недостаток – отсутствие гибкости, был разработан вариант с более широким диапазоном скоростей, получивший название многоскоростной коммутации каналов (MRCS-Multirate Circuit Switching).

Системы передачи с многоскоростной коммутацией каналов используют тот же метод временного разделения (TDM-Time Division Multiplexing), что и системы с обычной коммутацией каналов. Однако в одном соединении может использоваться n (n > 1) основных цифровых каналов. Таким образом, каждое соединение может быть кратным скорости основного канала. Это решение принято к использованию в УЦСИО для видеотелефонии. Видеокодеки, разработанные для УЦСИО согласно Рек. Н.261, могут работать на скорости n.64 кбит/с при n < 30.

Системы коммутации, обеспечивающие многоскоростную коммутацию каналов, становятся более сложными по сравнению с системами с обычной коммутацией каналов, так как все каналы отдельных звеньев, образующих соединение, должны быть синхронными. На самом деле, если каждый канал коммутируется индивидуально, то каналы могут быть выбраны не коррелированными по синхронизации и информация из одного канала может поступать в терминальное устройство с меньшими временными задержками, чем информация из другого канала,

что абсолютно не допустимо, так как оконечное устройство рассматривает эти каналы как единое целое.

Другой сложной проблемой для систем с многоскоростной коммутацией каналов является выбор базовой (основной) скорости. Так, для некоторых служб (например, для телеметрии) требуется очень низкая скорость передачи (около 1 кбит/с). Для других служб, например для ТВВЧ может потребоваться скорость около 140 Мбит/с. Если в качестве основной скорости выбрать минимальную скорость (1 кбит/с), то для формирования канала для ТВВЧ потребуется 140 тысяч цифровых каналов со скоростью 1 кбит/с. Управление и обеспечение синфазности для всех этих каналов в интересах установления одного соединения становится практически неразрешимой задачей. Если для уменьшения сложности в качестве основного цифрового канала выбирается канал со значительно большей скоростью, то ширина полосы пропускания, которая остается неиспользованной, получается очень большой. Так, при выборе в качестве основного цифрового канала со скоростью 2 Мбит/с (в этом случае для формирования соединения в интересах ТВВЧ требуется только 70 основных цифровых каналов), попытка передачи речи (64 кбит/с) и тем более данных телеметрии приводит к очень низкой эффективности использования пропускной способности. Данная техническая проблема может решаться и другим

путем, когда в коммутаторе каналов используются несколько основных скоростей. При таком решении основное время кадра делится на несколько временных интервалов различной длины.

Системы коммутации, разработанные для многоскоростной коммутации каналов, содержат набор отдельных коммутаторов, каждый из которых производит коммутацию каналов с определенной скоростью.

На рис.42 представлен возможный вариант структуры такого коммутатора. Информация, поступающая из линии абонентского доступа (156,672 Мбит/с), демультиплексируется и поступает на различные коммутаторы (Н4, Н1, УЦСИО). И наоборот, информация, поступающая из коммутаторов, мультиплексируется и поступает в линию абонентского доступа. Каждый коммутатор (Н4, HI, УЦСИО) может быть разработан и изготовлен отдельно. Система контроля, управления и технического обслуживания может быть общей.

Однако и при данной архитектуре сетевые ресурсы продолжают использоваться неэффективно. Так, в случае, когда все каналы Н1 заняты, то никакие дополнительные соединения HI не могут быть организованы даже в том случае, если коммутатор Н4 свободен. Эффективность использования сетевых ресурсов при многоскоростной коммутации каналов может даже снизиться за счет появления новых служб и прогресса в области видеокодирования.

Будем полагать, что во время выбора скоростей для многоскоростного комму-татора каналов основными службами являлись:

ТВ (скорость 140 Мбит/с), высокоскоростная передача данных (2 Мбит/с) и УЦСИО (64 кбит/с). Предположим, что через несколько лет благодаря прогрессу в области сжатия информации каналу ТВ потребуется скорость 25 Мбит/с, а требования к скорости при высокоскоростной передаче данных возрастут до 10 Мбит/с. Кроме того, возникнет новая служба со скоростью передачи 1 Мбит/с. Все это приведет к тому, что эффективность использования сетевых ресурсов значительно снизится.

Также необходимо отметить тот факт, что ТВ и высокоскоростная передача данных не могут осуществляться одновременно при многоскоростной коммутации каналов даже в каналах со скоростью 140 Мбит/с, несмотря на то, что суммарная скорость этих двух служб составляет всего 35 Мбит/с. Кроме того, при много-скоростной коммутации очень низка эффективность использования каналов при обслуживании источников с изменяющейся скоростью передачи и "взрывным" (пачечным) режимом работы. Выбранная скорость канала должна быть равной или превышать пиковую скорость передачи источника во время всего сеанса связи (сессии), хотя средняя скорость передачи может быть очень низкой.

Н 44

Рис.42 – Схема возможного коммутатора

Отсутствие гибкости и низкая эффективность при обслуживании источников с высокими значениями коэффициентов неравномерности трафика стали причиной того, что концепция многоскоростной коммутации не была рекомендована СС МСЭ для ШЦСИО.

С целью повышения эффективности использования сетевых ресурсов для служб с изменяющейся скоростью передачи и высокой неравномерностью трафика была предложена концепция быстрой коммутации каналов (PCS – Fast Circuit Switching). Ресурсы в сети с быстрой коммутацией каналов используются только тогда, когда передается информация.

Рассматривалась возможность повышения эффективности использования цифровых трактов связи за счет статистического уплотнения. При этом пред-полагалось, что при обслуживании телефонной нагрузки на пучок цифровых каналов 64 кбит/с поступает поток заявок не на установление соединения на всю длительность сеанса связи, а только на длительность передачи фрагмента речи.

Показано, что при идеальной работе системы сигнализации при одной и той же вероятности отказа в обслуживании эффективность использования цифрового тракта может быть повышена в 1,8...2 раза. Совершенно очевидно, что объединение идей быстрой коммутации и многоскоростной коммутации каналов приводит к концепции многоскоростной быстрой коммутации каналов (MRFCS – Multirate Fast Circuit Switching). На этом принципе может быть сконструировано устройство, обеспечивающее возможность выделения каналов с различными скоростями передачи информации. Это позволило бы увеличить гибкость сети и повысить эффективность использования сетевых ресурсов. Основным недостатком такого режима переноса информации является сложность реализации системы управ-ления, которая должна позволять устанавливать и разъединять сквозные сое-динения абонент–абонент за очень короткий интервал времени. В лабораториях США были разработаны коммутаторы, основанные на технологии много-скоростной быстрой коммутации каналов (БКК). Однако из-за высоких требований к системе сигнализации ни БКК, ни многоскоростная БКК не были выбраны для транспортирования информации в будущей широкополосной сети

Лекция 14. Быстрая коммутация каналов, асинхронный режим переноса, быстрая коммутация пакетов, трансляция кадров, коммутация пакетов.

Асинхронный режим переноса, быстрая коммутация пакетов

Первый проект Рекомендаций Х.25 был издан МККТТ в 1974 году. Он перес-матривался в 1976, 1978, 1980 и 1984 гг., а в 1985 году был издан в виде Рекомен-даций, известных как "Красная книга". Стандарт Х.25 определяет процедуры обмена данными для устройств передачи данных между пользователем и узлом коммутации пакетов. Таким образом, протокол Х.25 является, практически, только спецификацией сопряжения. Он управляет взаимодействием между оконечным оборудованием данных (DТЕ – Date Terminal Equipment) и оборудованием передачи данных (DСЕ – Date Circuit terminating Equipment). Концепция Х.25 иллюстрируется на рис. 43.

Рис. 43 – Концепция протокола Х.25

Протокол Х.25 организован по трехуровневой архитектуре, соответствующей трем нижним уровням модели ВОС. Три уровня Х.25 показаны на рис. 7.20. Взаимосвязь между этими тремя уровнями и уровнями модели ВОС показаны на рис. 7.21.

Нижний физический уровень обеспечивает необходимое физическое соединение между DTE и ОСЕ. Оно осуществляется в соответствии с Рек. СС МСЭ Х.21. Протоколом уровня канала является версия высокоуровневого управления каналом (HDLC – High Level Date Link Control), называемая сбалансированной процедурой доступа к каналу (LAPB – Link Access Procedures Balanced). Вследствие низкого качества каналов связи для обеспечения приемлемой семантической прозрачности сквозного соединения в сети потребовалось использование сложных протоколов, осуществляющих разграничение кадров и защиту от ошибок.

Рис. 44 - Три уровня Х.25

Рис.45 - Взаимосвязь между этими тремя уровнями и уровнями модели ВОС

Блоку уровня канала передачи данных протокола LAPB присвоено

специальное название – кадр (Frame). Типовой формат кадра показан на

рис. 45.

Рис.45 - кадр (Frame). Типовой формат

Начало и конец кадра обозначается специальной восьмиразрядной cинхронизирующей комбинацией символов 01111110, именуемой флагом. За флагом следует поле адреса и поле управляющих символов. В информационном поле располагаются данные, полученные от сетевого уровня (пакет). Затем в кадре размещается поле проверочных символов, служащих для обнаружения ошибок. Кадры, предназначенные для управления процессами переноса информации, информационного поля не имеют.

Стандарт Х.25 ориентирован на предоставление пользователям для обмена данными виртуальных каналов. Виртуальный канал (также называемый в терминах Х.25 логическим каналом) является каналом, относительно которого пользователь считает, что он реально существует, хотя в действительности физическая цепь распределена для многих пользователей, а виртуальный канал, по существу, является виртуальной реальностью. В одном физическом канале при пакетной коммутации осуществляется мультиплексирование потоков пакетов многих пользователей. Пропускная способность канала считается достаточной при условии, что ни один из пользователей не замечает ухудшения качества обслуживания при работе по этому каналу других.

В Х.25 для идентификации подключения оконечного оборудования данных в сеть используются номера логических каналов. Одному физическому каналу может быть назначено до 4095 логических каналов. Различают два вида соединений: виртуальный канал и постоянный виртуальный канал.

Постоянный виртуальный канал аналогичен соединению, образуемому при кроссовой коммутации каналов. Он не требует посылки вызова, так как логический канал постоянно находится в состоянии передачи данных.

Аналогом виртуального канала является соединение, устанавливаемое по заказу на время сессии при ручной или автоматической коммутации каналов. Другой функцией протокола на сетевом уровне является управление потоком с помощью окна и с целью защиты от перегрузок. Пакеты Х.25 имеют переменную длину, что требует достаточно сложного алгоритма управления буферным устройством коммутатора. Однако при скорости в канале, не превышающей 64 кбит/с, переменная длина пакетов не является ограничением для разработки эффективных программных средств управления накопителями.

Относительно низкая скорость обработки в узлах коммутации на уровне звена из-за ее сложности является причиной продолжительной задержки. Однако так как сети Х.25 не были предназначены для обеспечения служб, осуществляемых в реальном масштабе времени, то относительно большое время задержки не явилось ограничением на создание таких сетей.

Протокол Х.25 является одним из самых сложных, так как узлы коммутации на уровне звена обязаны выполнять большое количество функций: разграничение кадров, вставка битов, обеспечение кодовой прозрачности, циклическое избы-точное кодирование для обнаружения ошибок, повторная передача для исправления ошибок с помощью протокола ARQ, управление потоком с помощью окна и мультиплексирование потоков пакетов различных виртуальных каналов в едином физическом канале. Все это значительно затрудняет применение метода коммутации пакетов для служб, осуществляемых в реальном масштабе времени, вследствие продолжительной задержки возникающей из-за повторных передач, и для служб, требующих высоких скоростей передачи данных равных десяткам или сотням Мбит в секунду из-за сложности в обработке. Коммутация пакетов является эффективным методом транспортирования данных для служб с относительно низкой скоростью передачи.

Применение для передачи данных цифровых трактов связи с меньшим уровнем ошибок, а также необходимость обеспечения высокоскоростной передачи данных позволили сократить количество функций, решаемых узлом коммутации на уровне звена, и рассмотреть возможность практического использования в УЦСИО протокола Frame Relay.

При протоколе Frame Relay повторная передача кадров с целью устранения ошибок осуществляется только по сквозному каналу, т.е. между оконечными устройствами пользователей (функция управления ошибок вынесена на границу сети). Для того чтобы не загружать каналы передачей кадров, в которых есть ошибки, на уровне звена производится только обнаружение ошибок и стирание кадров, в которых обнаружены ошибки.

В настоящее время протокол Frame Relay используется во многих пакетных сетях для обеспечения высокоскоростной передачи данных. По своей сложности Frame Relay располагается на оси режимов переноса информации (см. рис. 6.17.) слева от коммутации пакетов, рядом с быстрой коммутацией пакетов (БКП). Быстрая коммутация пакетов (БКП) является концепцией, основной идеей которой является пакетная коммутация с минимумом функций, выполняемых узлами коммутации на уровне звена с целью повышения уровня временной прозрачности сети. Укоренилось наименование такого режима переноса информации – ATM (Asynchronous Transfer Mode), рекомендованное СС МСЭ. В России кроме аббревиатуры ATM в научной и технической литературе используются термины асинхронный режим доставки и асинхронный режим переноса.

Иногда встречаются и другие термины: ATD (Asynchronous Transfer Division – асинхронный режим временного уплотнения); FPS (Fast Packet Switching – быстрая коммутация пакетов). Поскольку ATM является названием режима переноса, рекомендованным СС МСЭ, то в научной и технической литературе этот термин встречается наиболее часто. При выборе фиксированной или переменной длины пакета для ATM учитывались следующие основные факторы:

− эффективное использование пропускной способности цифровых трактов связи;

− достижение высокой производительности коммутационного оборудования, т.е. достижение компромисса между скоростью коммутации и сложностью реализации коммутационных устройств;

− задержка пакета.

В общем случае эффективность использования пропускной способности цифровых трактов связи при применении пакетов переменной длины несколько выше, чем при пакетах постоянной длины. Однако этот выигрыш не является определяющим. В то же время, вариант с пакетами постоянной длины более предпочтителен по сравнению с вариантом пакетов переменной длины как по скорости работы коммутационного оборудования, так и по объему буферного пространства. Эксперты СС МСЭ пришли к заключению об использовании пакетов фиксированной длины. Было также принято решение использовать другое наименование, отличное от термина «пакет», чтобы подчеркнуть принятую фиксированную длину. Было одобрено название «ячейка» (cell).

При принятии решения об использовании пакетов (ячеек) постоянной длины необходимо было выбрать их размер. На выбор длины ячейки оказали влияние следующие основные факторы:

− эффективность использования пропускной способности цифровых

трактов;

− задержка при заполнении пакета информацией пользователя

(задержка при пакетизации), задержка в очереди, задержка на депакетизацию и колебание этих задержек (джиттер);

− сложность реализации.

Европейские ученые выступали за размер ячейки в 32 октета(восемь битов) с целью устранения эхо подавителей при передаче речи, а ученые США и Японии предлагали ячейку размером в 64 октета для достижения большей эффективности использования цифровых трактов. Был достигнут компро- мисс и длина ячейки была принята равной 53 октетам.

Сущность режима ATM (рис.46) состоит в транспортировании всех видов информации пакетами фиксированной длины (ячейками), когда потоки ячеек от различных пользователей асинхронно мультиплексируются в едином цифровом тракте с длиной пакета фиксированной длины, включающий заголовок (5 октет) и информационное поле (48 октет). Применение коротких пакетов (53 октета), минимизация функций, выполняемых при коммутации и использование элементной базы на технологиях КМОП( комплементарная логика на тран-зисторах металл-оксид-полупроводник) и БИКМОП(Биполярные КМОП), позволили уже сегодня достичь производительности коммутаторов ATM 10 Гбит/с и более. Основными положительными сторонами метода ATM являются возможности транспортирования по сети информации любой службы независимо от скорости передачи, требований к семантической и временной прозрачности сети и пачечности трафика ячеек. Эти причины и определили решение СС МСЭ, что именно ATM является режимом транспортирования информации для ШЦСИО.

Сети ATM свободны от недостатков сетей с другими режимами переноса (зависимость от службы, отсутствие гибкости, низкая эффективность исполь-зования сетевых ресурсов, отсутствие адаптации к источникам с изменяющейся скоростью передачи). Именно технология ATM обеспечивает:

− гибкость сети;

− эффективность использования сетевых ресурсов;

− возможность создания единой универсальной сети для всех ныне существующих служб и служб будущего.

Режим ATM может быть поддержан любой цифровой системой передачи, так как определяет протоколы на уровнях выше физического. Гибкость сети обес-печивается за счет того, что любой источник может генерировать информацию с той скоростью, которая ему необходима. Это дает возможность постоянного совершенствования алгоритмов

Рис.46 – Схема режима переноса АТМ

кодирования и сжатия информации с целью уменьшения требуемой полосы пропускания, появления новых служб с еще неизвестными характеристиками.

Все имеющиеся ресурсы сети могут использоваться всеми службами, что дает возможность их оптимального распределения на статистической основе и, следовательно, обеспечивает высокую эффективность использования сетевых ресурсов. Так как все виды информации транспортируются одним методом, то это дает возможность проектирования, создания, ввода в эксплуатацию, контроля, управления и технического обслуживания только одной сети, что сокращает общие затраты на ее создание и делает ее наиболее экономичной сетью электросвязи в мире.

Асинхронный метод переноса характерен следующими основными особен-ностями:

− отсутствием защиты от ошибок и управления потоком данных на уровне звена;

− ориентацией на соединение;

− ограниченным количеством функций, которые несет заголовок пакета ATM;

− относительно небольшой длиной информационной части ячейки.

Высокое качество систем передачи цифровых трактов связи и очень малые значения вероятности ошибки на бит позволяют отказаться от обнаружения и исправления ошибок в пакете на звеньевом уровне. Отсутствует на уровне звена и управление потоком данных с целью исключения перегрузок.

Однако фазе передачи информации в сетях ATM предшествует фаза установ-ления виртуального соединения, во время которой осуществляется проверка достаточности объема сетевых ресурсов, как для качественного обслуживания уже установленных виртуальных соединений, так и для создаваемого. Если сетевых ресурсов недостаточно, то оконечному устройству выдается отказ в установлении соединения.

После завершения фазы передачи информации виртуальное соединение разрушается, а сетевые ресурсы могут использоваться в интересах обеспечения другого виртуального соединения. Таким образом, за счет использования режима переноса информации, осуществляется контроль за величиной потерь пакетов вследствие переполнения буферных устройств коммутаторов. В сетях ATM вероятность потери пакета в коммутационном устройстве ограничивается значениями 10–8…10–12.

В целях обеспечения временной прозрачности сети ATM для уменьшения времени задержки пакета в узлах коммутации функции заголовка пакета ATM значительно ограничены. Основной функцией заголовка является идентификация виртуального соединения с помощью идентификатора и обеспечение гарантии правильной маршрутизации. Заголовок также дает возможность мультиплексирования различных виртуальных соединений в одном цифровом тракте. Ошибка в заголовке может привести к неправильной маршрутизации. Это обуславливает эффект размножения ошибок: один искаженный бит в заголовке может привести и к утрате пакета, и к его доставке не по адресу. С целью уменьшения эффекта размножения ошибок из-за неправильной маршрутизации предполагается в заголовке пакета ATM обеспечить обнаружение ошибок и их исправление. Из-за ограниченных функций, выполняемых заголовком пакета ATM, его обработка считается достаточно простой процедурой и может осуществляться на очень высоких скоростях, что обеспечивает малую задержку пакетов ATM в очередях буферных устройств коммутаторов ATM. С целью уменьшения размеров внутренних буферов в узлах коммутации и ограничения времени задержек длина информационного поля ячейки выбрана относительно небольшой. Малые размеры информационного поля позволяют получить небольшие значения времени задержки на пакетизацию, что по совокупности с относительно небольшими размерами буферных устройств узлов коммутации, обеспечивающих незначительные задержки и колебания задержки, харак-теризуют временную прозрачность сетей ATM для служб, функционирующих в реальном масштабе времени.

В виду выше сказанное, следует отметить, что идея создания ШЦСИО на технологии ATM возникла как принципиально новая парадигма построения сетей связи: вместо стандартных и многочисленных сетей телефонной, телеграфной, факсимильной связи и сетей передачи данных, каждая из которых рассчитана только на обеспечение одного вида связи тем или иным способом переноса информации. Предполагается построить единую цифровую сеть на базе широкого использования волоконно-оптических линий связи и единого метода транспортирования по сети всех видов информации с помощью технологии асинхронного режима переноса пакетов фиксированной длины.

Благодаря технологии ATM все коммутационное оборудование становится однородным, решающим для всех видов информации одну задачу – задачу быстрой коммутации фиксированных пакетов, получивших название ячеек, и асинхронного временного разделения ресурсов, при котором множество виртуальных соединений с различными скоростями асинхронно мультиплексируются в едином физическом канале связи – цифровом тракте.

Сеть ATM, способная транспортировать единым методом все виды информации, позволяет обеспечить:

− высокую гибкость и адаптацию сети к изменению уровня требований поль-зователей к Объему, скорости, качеству доставки информации и к появлению требований на предоставление новых услуг, требующих наличия у сети интел-лекта;

− повышение эффективности использования сетевых ресурсов за счет статис-тического мультиплексирования множества источников с пачечным трафиком;

− снижение общих затрат на проектирование, строительство и эксплуатацию такой сети.

Однако следует сказать, что ничего не дается даром. Основной проблемой, которая возникает в сетях ATM, является проблема удовлетворения требований различных служб к временной и семантической прозрачности сети и их адаптация к единому методу переноса.

Вопросы для самопроверки

1.Как происходит обмен данными между узлом сети и пользователем по стандарту Х.25.

2. Типовой формат кадра по Х.25.

3. Что такое виртуальный и постоянный виртуальный канал передачи данных.

4 Асинхронный режим доставки и асинхронный режим переноса.

5.В чем заключается перспектива использования технологии АТМ для сетей будущего.

Лекция 15. Узлы сети пакетной коммутации, организация доступа к сетям пакетной коммутации в монопольном и пакетном режимах.

Глобальная сеть Internet - самая крупная и единственная в своем роде сеть в мире. Среди глобальных сетей она занимает уникальное положение. Правильнее ее рассматривать как объединение многих сетей, сохраняющих самостоятельное значение. Действительно, Internet не имеет ни четко выраженного владельца, ни национальной принадлежности. Любая сеть может иметь связь с Internet и, следовательно, рассматриваться как ее часть, если в ней используются принятые для Internet протоколы TCP/IP или имеются конверторы в протоколы TCP/IP. Практически все сети национального и регионального масштабов имеют выход в Internet. Типичная территориальная (национальная) сеть имеет иерархическую структуру.

Верхний уровень - федеральные узлы, связанные между собой магистральными каналами связи. Магистральные каналы физически организуются на ВОЛС или на спутниковых каналах связи. Средний уровень - региональные узлы, образующие региональные сети. Они связаны с федеральными узлами и, возможно, между собой выделенными высоко- или среднескоростными каналами, такими, как каналы Т1, Е1, B-ISDN или радиорелейные линии. Нижний уровень - местные узлы (серверы доступа), связанные с региональными узлами преимущественно коммутируемыми или

выделенными телефонными каналами связи, хотя заметна тенденция

к переходу к высоко- и среднескоростным каналам. Именно к местным узлам подключаются локальные сети малых и средних предприятий, а также компьютеры отдельных пользователей. Корпоративные сети крупных предприятий соединяются с региональными узлами выделенными высоко- или среднескоростными каналами. Иерархическая архитектура Internet может иметь структуру представленную на рис.47. Внутри каждой автономной системы (AS) используется некоторый единый внутренний протокол маршрутизации. Между AS маршрутизация подчиняется внешним протоколам.

Рис. 47 – Структура сети Интернет

Основные сервисы телекоммуникационных технологий.

Основными услугами предоставляемыми телекоммуникационными технологиями являются:

- электронная почта;

- передача файлов;

- телеконференции;

- справочные службы (доски объявлений);

- видеоконференции;

- доступ к информационным ресурсам (информационным базам)

сетевых серверов;

- мобильная сотовая связь;

- компьютерная телефония.

Специфика телекоммуникаций проявляется прежде всего в прикладных прото-колах. Среди них наиболее известны протоколы, связанные с Internet, и протоколы ISO-IP (ISO 8473), относящиеся к семиуровневой модели ЭМВОС открытых систем. К прикладным протоколам Internet относятся следующие: Telnet - протокол эмуляции терминала, или, другими словами, протокол реализации дистанционного управления используется для подключения клиента к серверу при их размещении на разных компьютерах, пользователь через свой терминал имеет доступ к компьютеру-серверу; FTP - протокол файлового обмена (реализуется режим удаленного узла), клиент может запрашивать и получать файлы с сервера, адрес которого указан в запросе;

HTTP (Hypertext Transmission Protocol) - протокол для связи WWW-серверов и WWW-клиентов; NFS - сетевая файловая система, обеспечивающая доступ к файлам всех UNIX-машин локальной сети, т.е. файловые системы узлов выглядят для пользователя как единая файловая система; SMTP, IMAP, POP3 - протоколы электронной почты.

Указанные протоколы реализуются с помощью соответствующего программного обеспечения. Для Telnet, FTP, SMTP на серверной стороне выделены фиксиро-ванные номера протокольных портов.

В семиуровневой модели ISO (ЭМВОС) используются аналогичные протоколы. Так, протокол VT соответствует протоколу Telnet, FTAM - FTP, MOTIS - SMTP, CMIP - SNMP, протокол RDA (Remote Database Access) предназначен для доступа к удаленным базам данных.

Электронная почта.

Электронная почта (E-mail) - средство обмена сообщениями по электронным коммуникациям (в режиме off-line). Можно пересылать текстовые сообщения и архивированные файлы. В последних могут содержаться данные (например, тексты программ, графические данные) в различных форматах. В случае архивирования изображений возникает проблема выбора форматов кодирования. Функции клиента - составление, отправление, архивирование сообщений.

Разработан ряд альтернативных протоколов электронной почты для прикладного уровня. Наиболее популярны среди них протоколы SMTP в стеке протоколов TCP/IP и Х.400 в модели ISO. Расширение числа возможных кодировок и форматов данных по сравнению с SMTP сделано в MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions). На их базе разработано программное обеспечение E-mail, способное работать в обоих протоколах. Оно включает программы почтовых серверов и клиентов. Применение MIME упрощает пересылку графических и звуковых файлов, реализацию шифрования и электронной подписи.

На ЭВМ пользователя должна быть установлена программа-клиент, поддер-живающая названные выше функции создания, передачи и приема сообщений. На почтовом сервере, выделяемом в корпоративной или локальной сети, организуется промежуточное хранение поступающих сообщений. Связь индивидуальных пользователей с почтовым сервером осуществляется по протоколам IMAP или POP3. Для индивидуального пользователя, общающегося с другими абонентами по телефонной сети общего пользования, такое промежуточное хранение возможно в собственном компьютере, но тогда требуется либо круглосуточное включение компьютера, либо предварительная договоренность о времени связи.

В территориальных сетях почтовые сообщения проходят через ряд проме-жуточных федеральных или региональных узлов. В таких узлах устанавливается программное обеспечение (так называемый агент передачи сообщений), выполняющее функции сортировки и маршрутизации сообщений.

Примерами программных систем электронной почты, выполняющих все от-меченные функции E-mail, могут служить Lotus cc: mail, Microsoft Mail или Outlook Express. Они позволяют адресовать сообщения индивидуальному пользователю; на доску объявлений; на последовательный просмотр несколькими исполнителями с возможностями коррекции сообщения; поиск сообщений, пришедших в почтовый сервер, по контексту, по адресу,по времени отправки. В сетях Netware на почтовом сервере можно использовать программное обеспечение MHS фирмы Novell, а клиентскими программами могут быть Mapi или Vim. В настоящее время при разработке многих программных систем предусматривается интерфейс со средствами электронной почты, клиентские программы E-mail стараются включать в Web-браузеры сети Internet, а также в такие прикладные программные системы, как АСУ, САПР, системы документооборота.

Письма в E-mail состоят из заголовка и тела (текста). В заголовке указывается кому предназначено письмо, от кого оно поступило, кому посланы копии, дата отправки, указатель ключа, по которому пользователь может определить ключ для декодирования текста. В протоколе IMAP (Internet Message Access Protocol) сначала клиенту передается заголовок, а текст остается на сервере, затем пользователь при желании может получить и весь текст. В протоколе POP3 при обращении к почтовому серверу на клиентский узел переписывается все сообщение. На рис.48 в качестве примера приведена структура почтовой системы UUPC.

Файловый обмен

Файловый обмен - доступ к файлам, распределенным по различным компьютерам. В сети Internet на прикладном уровне используется протокол FTP. Доступ возможен в режимах off-line и on-line. В режиме off-line посылается запрос к FTP-серверу, сервер формирует и посылает ответ на запрос. В режиме on-line осуществляется интерактивный просмотр каталогов FTP-cервера, выбор и передача нужных файлов. На ЭВМ пользователя нужен FTP-клиент.

Доступ к базам данных, удаленных ЭВМ с эмуляцией удаленной машины, на ЭВМ пользователя выполняется с помощью протокола Telnet.

Рис.48 – Схема файлового обмена

Протокол файлового обмена FTP. При запросе файла по протоколу FTP пользователь должен знать, где находится нужный ему файл. Для этого удобно воспользоваться другой информационной системой сети Internet, называемой Archie. Обращаясь к клиенту Archie по команде archie <имя файла>, пользователь получает в ответ адрес сервера, имя директории и размер файла. Далее можно обращаться к FTP-клиенту: ftp[<параметры>]-[<имя сервера>]. (1) Как обычно, квадратные скобки в записи команд означают необязательные части. Параметры используются только при отладке FTP. В качестве имени сервера указывается IP-имя или IP-адрес удаленного компьютера.

В большинстве серверов Internet для входа по FTP-команде нужны предвари-тельная регистрация пользователя и указание пароля. Однако это не требуется при обращениях к общедоступным (анонимным) серверам. Такие серверы создают и обслуживают организации, заинтересованные в распространении информации определенного вида. После выполнения команды (1) FTP-клиент переходит в командный режим. Примеры субкоманд, которые могут выполняться в командном режиме (ниже удаленный компьютер обозначен S, локальный компьютер - T ): open [<имя S>] - устанавливает связь с удаленным компьютером; close [<имя S>] - разрывает связь с удаленным компьютером, оставаясь в командном режиме;

quit - то же, что и close, но с выходом из командного режима (из ftp);

cd [<имя каталога в S>] - выбор каталога на сервере;

get [<имя файла в S>[<имя файла в T >]] - перепись файла с S на T;

mget [<имена файлов в S>] - то же, что и get, но нескольких файлов;

put [<имя файла в Т>[<имя файла в S>]] - обратная перепись

(допускается не во всех случаях);

mput <имена файлов в S> - то же, что и put, но более одного файла;

user <имя/пароль> - идентификация пользователя на сервере.

Пример последовательности команд при работе по протоколу FTP :

ftp> cd pub - переход в каталог pub;

ftp> ascii - установка передачи текста в коде ASSCII (если binary, то

двоичные данные);

ftp> get aaa aaa.txt - перепись файла ааа в компьютер пользователя

под именем aaa.txt;

ftp> quit - конец.

Каждый обмен порождает два процесса. Управляющий (командный) процесс инициирован во время всего сеанса связи и осуществляется через протокол Тelnet, а процесс передачи файла - только на время передачи. Номера протокольных пор-тов сервера 20 и 21, у клиента могут быть различные номера портов, в том числе несколько одновременно. Для одновременного обслуживания нескольких клиентов создаются копии программного обеспечения FTP-процессов в сервере и у клиентов.

Протокол эмуляции терминала Telnet.

С помощью этого протокола пользователь сети Internet может работать на удаленном компьютере. Связь устанавливается при обращении к Telnet-программе командой telnet: <имя базы данных или системы каталогов> или <имя удаленного компьютера S> После установления связи все, что пользователь набирает на клавиатуре своего компьютера, передается в S, а содержимое экрана S отображается на экране пользователя. Для возвращения в свой компьютер (т.е. в командный режим клиентской программы Тelnet) нужно нажать соответствующую клавишу (Ctrl-). Примерами команд в клиентской программе могут служить: установление связи (open), возвращение в командный режим (close), завершение работы (quit). Передача сообщений при работе с Telnet осуществляется с помощью средств FTP.

Telnet должен иметь возможность работать в условиях разных аппаратных платформ клиента и сервера. Это требование выполняется через промежу-точный виртуальный терминал (аналогично SQL сервису в ODBC). В терминале зафиксирована интерпретация различных символов управления, поскольку их разновидностей не так уж много. Необходимо предусматривать выход из блокировок, возникающих, например, вследствие зацикливания процесса на сервере; он осуществляется очисткой серверного буфера. Схема Telnet - процесса представлена на рис. 49.

Рис. 49 – Схема Telnet - процесса