1573

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

В.Н. Морозов

СИСТЕМЫ

ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие

Омск

СибАДИ

2014

УДК 004.77 ББК 32.973 М 80

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор С.Н. Чуканов; кандидат технических наук, доцент В.Г. Осипов

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия.

Морозов В.Н.

М80 Системы передачи информации: учебное пособие / В.Н. Морозов. –

Омск: СибАДИ, 2014. – 152 с.

Рассматривается архитектура построения систем передачи информации (СПИ) как распределенной системы передачи и преобразования данных. Основное внимание уделено структуре построения различных СПИ, принципам и протоколам, которые позволяют функционировать такой архитектуре как коммуникационной системе. Для всех рассматриваемых СПИ приводятся способы обеспечения конфиденциальности и целостности передаваемых данных. Пособие предназначено для студентов направления подготовки 090303.65 «Информационная безопасность автоматизированных систем» и 090900.62 «Информационная безопасность», профиль «Безопасность автоматизированных систем».

Табл. 8 . Ил. 35 . Библиогр.: 16 назв.

© ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ……….……………………………………………………......................4

1.Основные свойства систем передачи информации .........................................5

1.1.Структура и состав систем передачи информации …….........................5

1.2.Классификация систем передачи информации ………….......................6

1.3.Модуляция в системах передачи информации …………........................9

1.4.Технические характеристики и показатели СПИ …..…........................15

Вопросы для самоконтроля ……………………………….....................21

2.Аналоговые системы передачи информации .............................…..............23

2.1.Спектр модулированных колебаний …………………..........................23

2.2.Модемная связь .………………………………………….......................24

2.3.Мультиплексирование линий связи …………………..….....................28

2.4.Цифровая обработка аналоговых сигналов .……………......................32

2.5.Использование ЦОС для борьбы с эхом в СПИ ………........................33

2.6.Вокодеры .……………………..…………………………........................35 Вопросы для самоконтроля …………..…………..……….....................39

3.Технологии цифровой передачи информации ………….………................40

3.1.Цифровое кодирование ………………………………..…......................40

3.2.Логическое кодирование и избыточные коды .…..………....................46

3.3.Помехоустойчивое кодирование информации ……..…........................48

3.4.Компрессия данных ……………………………….………....................54

Вопросы для самоконтроля ……………………………….....................58

4.Передача информации по телефонным сетям .………………..…................59

4.1.Структура телефонных сетей общего пользования .…….....................59

4.2.Цифровые сети с интегрированным сервисом (ISDN) ........................ 64

4.3.Передачи данных по технологии АDSL …………….…........................67 Вопросы для самоконтроля …………..………………….......................69

5.Беспроводные системы передачи информации …...………………...............71

5.1.Радиорелейная связь ..………………………………..….…....................71

5.2.Космические системы связи ………………………………....................77

5.3.Системы спутниковой навигации …………………….…......................81

5.4.Сотовые системы радиотелефонной связи ….……..…..…...................91

5.5.Системы транкинговой связи …………..…….…….………..................97 Вопросы для самоконтроля …………..………………….....................104

6.Передача информации в вычислительных сетях …………..……..............105

6.1.Вычислительные сети как распределенные системы передачи информации .………………………………….......................105

6.2.Стек коммуникационных протоколов TCP/IP ….……........................114

6.3.Распределенная информационная система WWW...…........................123

6.4.Электронная почта ..…………………………………..….....................129

6.5.Системы мультимедийных коммуникаций …………….....................134

6.6.Защищенные виртуальные каналы связи …..……………...................143

Вопросы для самоконтроля ………………………………...................149 Библиографический список …………..…....…………………..…........................150

3

ВВЕДЕНИЕ

Новые сетевые технологии, возникшие в результате интеграции средств вычислительных сетей и электросвязи, – основа современных локальных и глобальных коммуникационных систем.

При постоянно возрастающем потоке информации все более актуальными ставятся не просто задачи передачи данных в таких системах, а обеспечение максимально быстрого, надежного и безопасного информационного обмена между абонентами сетей: автоматизированных систем предприятий, банковских систем, информационных систем государственных структур и отдельных пользователей Интернет.

Данное пособие рассматривает систему передачи информации (СПИ) как единую архитектуру построения программно-аппаратных средств независимо от используемой среды передачи данных и вида сетевых технологий, обеспечивающих связь абонентов. Основное внимание уделено структуре построения различных СПИ, принципам и протоколам, которые позволяют функционировать такой архитектуре как коммуникационной системе. Как необходимый инструмент организации защищенной связи абонентов для всех рассматриваемых СПИ приводятся способы обеспечения конфиденциальности и целостности передаваемых данных: логическое кодирование, скремблирование, туннелирование, шифрование.

Изучение данного пособия поможет читателю понять:

– как осуществлять сбор, обработку информации с применением современных информационных технологий;

–как применять знания о системах электрической связи для решения задач по созданию защищенных телекоммуникационных систем;

–как анализировать тенденции развития систем и сетей связи, внедрения новых служб и услуг связи.

4

1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

1.1. Структура и состав систем передачи информации

Сегодня трудно себе представить прогресс в различных областях науки, промышленности, бизнеса или деятельности государственных учреждений без использования передовых информационнокоммуникационных технологий. Информационно-коммуникационные технологии являются важным звеном в решении задач управления, обработки и защиты информации на основе использования электрон- но-вычислительной техники и различных средств связи. Совокупность средств, служащих для передачи, преобразования и приема информации, образует основной сегмент информационнокоммуникационных технологий – системы передачи информации (СПИ). Информация в линиях связи, устройствах и средствах СПИ отображается в виде сигналов, представляющих собой изменяющуюся какую-либо физическую величину, например, электрический ток в проводнике, энергию электромагнитных или акустических волн и т.п. [2]. Совокупность средств, предназначенных для передачи сигна-

ла от одного источника информации к получателю, образует ка-

нал связи. Типичная структура СПИ, обеспечивающая передачу информационных сообщений, представлена на рис. 1.1.

ИИ УПИ КОА ППА

ПИ УПИ КОА ППА

Каналы абонентов

Рис. 1.1. Обобщенная схема системы передачи информации

5

Для элементов СПИ на рисунке приняты следующие обозначе-

ния:

ИИ – источник информации; УПИ – устройства преобразования информации;

КОА – каналообразующая аппаратура; ППА – приемопередающая аппаратура; ПИ – получатель информации.

Сигнал от источника информации, который может быть в виде акустических волн говорящего, токовых посылок текстового сообщения, сформированного в цепях персонального компьютера (ПК) или любого терминального оборудования, например, банковского автомата, поступает на устройства преобразования информации УПИ. Современные устройства преобразования выполняют различные функции: модуляцию – демодуляцию сигналов, сжатие, шифрование информационных сообщений и многое другое, необходимое для обеспечения качественной передачи данных и защиты их от несанкционированного воздействия и перехвата. Преобразованные сигналы с УПИ принимаются каналообразующей аппаратурой КОА, объединяющей сигналы с разных каналов в один составной, то есть мультиплексируются для дальнейшей передачи по одной линии связи. Составной канал обычно называют уплотненным каналом. Кроме мультиплексирования в многоканальных СПИ предусматривается коммутация каналов. Коммутация в КОА определяет порядок представления и распределения каналов между источниками и получателями информации, которые в СПИ являются абонентами. Среду передачи информации образуют различные проводные и кабельные линии связи или эфир, если имеются в виду беспроводные соединения между приемной и передающей аппаратурой.

1.2. Классификация систем передачи информации

Системы передачи информации классифицируются в зависимости от используемых ими линий связи и способов представления информации в них [2]. В зависимости от среды передачи данных линии связи делят на проводные (воздушные), кабельные (медные и во- локонно-оптические), радиолинии наземной, спутниковой и космической связи. Проводные линии связи представляют собой отдельные провода, проложенные между столбами и висящие в воздухе.

6

Такие линии связи использовались с XIX столетия для передачи телефонных и телеграфных сигналов. В настоящее время проводные линии используются редко.

Кабель конструктивно состоит из нескольких изолированных проводников, объединенных в общую оболочку, которая может включать металлическую оплетку, используемую в качестве экрана, и защитное покрытие из полимерных материалов от механических и климатических воздействий. Для присоединения кабеля к различным устройствам СПИ используются разные специальные для каждого типа кабеля разъемы. Наибольшее распространение для средств связи нашли кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели, а также волоконно-оптические кабели.

Наземная и космическая радиосвязь организовывается с по-

мощью передатчика и приемника в широком диапазоне частот электромагнитных волн. В соответствии с регламентом радиосвязи Меж-

дународного союза по электросвязи ITU (International Telecommunications Union) весь спектр радиоволн разбит на диапазоны, представленные в таблице. Эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.

Участок радиовещательного диапазона от 150 кГц до 30 МГц,

так называемые диапазоны длинных, средних и коротких волн (ДВ, СВ и KB), обеспечивают дальнюю связь при невысокой скорости передачи данных. Радиосистемы передачи, в которых используется рассеяние волн на неоднородностях ионосферы, называют ионосфер-

ными системами передачи на декаметровых волнах (ДКВ). Ио-

носферные системы на ДКВ не позволяют организовать большого числа каналов, обычно количество каналов не превышает одного, двух телефонных или нескольких телеграфных. Диапазоны частот более 300 МГц более пригодны для организации многоканальной связи. Сигналы этих диапазонов уже не отражаются ионосферой Земли, и устойчивая радиосвязь между передатчиком и приемником возможна только в пределах прямой видимости. Эти диапазоны частот используются для радиорелейной, сотовой, спутниковой связи и многих других специальных видов связи.

7

Взависимости от способов представления информации все СПИ делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых системах сигнал имеет непрерывный диапазон значений. Примером таких систем могут служить автоматические телефонные станции (АТС), радиотелевизионная аппаратура прошлого века, мобильные системы радиосвязи первых поколений.

Вцифровых системах связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. Состояние сигналов представляется обычно

вформе длительности импульсов прямоугольной формы или последовательности их следования в линиях связи. С помощью таких сигналов передаются как компьютерные данные, так и оцифрованные

8

речь и изображение. В цифровых системах связи используется промежуточная аппаратура, которая улучшает форму импульсов и обеспечивает их синхронизацию с исходной последовательностью их следования.

1.3. Модуляция в системах передачи информации

Внастоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму – речь, телевизионное изображение, – передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией или кодированием. Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых по линии связи, называется физическим или линейным кодированием. Из теории информации известно утверждение, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. В соответствии с этим прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но является хорошо предсказуемым.

Большинство способов кодирования используют изменение ка- кого-либо параметра периодического сигнала – частоты, амплитуды

ифазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, на-

зывают несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида. Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации – биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести несколько бит информации. Коли-

чество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud).

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования – на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется

9

за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием.

Аналоговая модуляция

Аналоговая модуляция для передачи дискретных данных по каналам связи применяется в различных СПИ. Типичным представителем таких каналов связи является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, что оказалось достаточным для приемлемого качества передачи речи. Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор). В модемах информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты [2].

Рис.1.2. Основные способы аналоговой модуляции

Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. 1.2.

10