Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист

Статистический TDM-мультиплексор допускает очереди заявок на своих входах и, следовательно, необходимость наличия буферной памяти (в отличие от MX при СВУ).

Рассмотрим работу гипотетического статистического 4-ка- нального мультиплексора (см. рис. 2.19). Пусть максимальная скорость (производительность) каждого из 4 входных каналов составляет 100 бит/с, а входные данные представляются 8-битными символами в обкладках «старт» и «стоп» битов. В процессе мультиплексирования биты «старт» и «стоп» сбрасываются, а два дополнительных бита – поле идентификатора – добавляются к таймслотам в мультиплексном канале (т.е. выходном канале), что приводит к общей длине 10 бит для тайм-слота (8+2).

Из-за нерегулярности входных потоков средняя скорость по каждому из низкоскоростных каналов меньше 100 бит/с. Мультиплексный канал работает на скорости 200 бит/с. Таким образом, полоса пропускания мультиплексного канала в два раза меньше суммарной емкости 4 низкоскоростных каналов. Это связано с тем, что в STDM-мультиплексоре (в отличие от СВУ) выравнивание скоростей происходит не по максимальной производительности, а по средней. Каждый символ, прибывающий на мультиплексор, размещается (преобразуется) в соответствующем таймслоте, содержащем 10 бит.

В условиях, представленных на рис. 2.19, средняя битовая скорость по первому каналу равна 40 бит/с, по второму – 50 бит/с, по третьему – 40 бит/с, по четвертому – 30 бит/с. В итоге средняя битовая скорость на выходе мультиплексора равна 160 бит/с.

Загруженность мультиплексного канала составляет 80 % (на анализируемом временном отрезке заполнены 16 слотов из 20).

Эффективность кода равна 80 %: каждый тайм-слот содержит двухбитовый идентификатор, вследствие чего в тайм-слоте полезная информация составляет 8 бит из 10, а средняя выходная скорость 160 бит/с. При этом эффективность использования сети, т.е. загруженность, умноженная на эффективность кода, составля-

ет 0,8·0,8 = 0,64, т.е. 64 %.

61

2.6.МСПИ с кодовым разделением каналов (СDMA)

Вмногоканальных широкополосных системах связи (МСПИ) для управления совместным использованием ресурса связи большим числом пользователей (т.е. общей полосой частот линии связи или радиолиний связи), как правило, применяются разновидности метода расширения спектра. Этот метод уплотнения лежит и в основе множественного доступа с кодовым разделением – CDMA.

Рассмотрим метод прямой последовательности – метод DSSS (Direct Sequencing Spread-Spectrum).

Система связи называется системой с расширенным спектром в следующих случаях: используемая (фактически) канальная

полоса частот (FSS) значительно шире минимальной (F), необходимой для передачи данных со скоростью R; расширение спектра производится с помощью расширяющего (в частности, кодового) сигнала, который не зависит от передаваемой информации; восстановление исходных данных приемником (сужение спектра) осуществляется путем сопоставления полученного сигнала и синхронизированной копии расширяющего сигнала.

На рис. 2.20 представлены спектры исходного и шумоподобного DSSS-сигналов.

Рис. 2.20. Спектры исходного и шумоподобного DSSS-сигналов

62

Втехнологии CDM каждый передатчик из N заменяет каждый бит исходного потока данных на CDM-символ – кодовую последовательность длиной 11, 16, 32, 64 и т.д. бит (называемых «чипами»). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика. Отметим, что теоретически считается, что все передатчики транслируют сигналы на одной и той же частоте f, в об-

ласти (пространстве) S и во время t, но с разными кодами Ci. Как правило, если для замены «1» в исходном потоке данных используют некий CDI 1-код, то для замены «0» применяют тот же код, но инвертированный.

Вкачестве чиповых (расширяющих) кодовых последовательностей применяют последовательности с хорошими функциями

автокорреляции и взаимной корреляции Rавт.к(т), Rвз.к(т). К таким относятся последовательности Баркера, Уолша, последовательности максимальной длины, порожденные примитивным полиномом G(x); комплементарные коды (ССК) и другие (для разновидностей стандарта IEEE 802.11). Благодаря указанному свойству этих функций перечисленные выше кодовые последовательности являются самосинхронизирующимися (по циклу).

На практике CDMA является весьма сложной технологией, которая оперирует модулированными сигналами, например сигналами BPSK. Кроме того, узлы сети не синхронизированы между собой, а сигналы, которые приходят от удаленных на различные расстояния от приемника узлов, имеют разную мощность. Проблема синхронизации приемника и передатчика решается за счет передачи длинной последовательности определенного кода, называемого пилотным сигналом. Для того чтобы мощности всех передатчиков были примерно равны для базовой станции, в CDMA применяются специальные процедуры управления мощностью передатчика.

63

Контрольные вопросы

1.Охарактеризуйте технологию коммутации каналов.

2.Перечислите методы уплотнения каналов связи и дайте их краткую характеристику.

3.На каких принципах основано частотное уплотнение каналов связи?

4.На каких принципах основано волновое уплотнение каналов связи?

5.На каких принципах основано синхронное временное уплотнение?

6.На каких принципах основано асинхронное временное уплотнение?

7.На каких принципах основано кодовое уплотнение каналов

связи?

64

Глава 3. СЕТИ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ (СКП)

Для пользовательского трафика телекоммуникационных сетей и в меньшей мере для информационных промышленных сетей (МСТМ, РИУС, АСДУ, SCADA) (как правило, при передаче административного трафика) характерен значительный коэффициент пульсации.

Существует категория пользователей, потребности которой в передаче информации с различной скоростью еще более очевидны, – это пользователи компьютеров. Действительно, работа пользователя, который сканирует веб-ресурсы Интернета, очевидным образом порождает неравномерный трафик. При загрузке очередной страницы в компьютер скорость передачи данных резко возрастает, а после окончания загрузки падает практически до нуля.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети определяется как отношение пиковой скорости на какомлибо небольшом интервале времени к средней скорости обмена данными на длительном интервале времени и может достигать значений 100:1. Если для описанного сеанса организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время часть производительности сети останется закрепленной за данной парой абонентов и недоступна другим пользователям сети.

Технология коммутации пакетов была специально разработана для эффективной передачи неравномерного компьютерного трафика. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети данные разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами, кадрами или ячейками (рис. 3.1). Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адрес, необходимый для доставки пакета узлу назначения (это как идентификатор входного канала было заложено втехнологии статистического мультиплексирования– вариантАВУ).

65

Наличие адреса в каждом пакете является одним из важнейших свойств техники коммутации пакетов и организации сетевого обмена, так как каждый пакет может быть обработан коммутатором независимо от других пакетов информационного потока и доставлен любому абоненту сети.

Рис. 3.1. Разбиение потока данных на пакеты

При необходимости пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линий связи и с нефиксированной наперед заданной скоростью, как это делается в сетях с коммутацией каналов, а в том темпе, в котором их генерирует источник (указанные принципы наиболее явно проявляются в дейтаграммных сетях). Предполагается, что сеть с коммутацией пакетов в отличие от сети с коммутацией каналов всегда готова принять пакет от конечного узла.

Каждый пакет снабжается следующей служебной информацией (заголовком):

66

коды начала и окончания пакета;

адреса отправителя и получателя;

номер пакета в сообщении;

информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения.

Множество пакетов одного и того же сообщения может передаваться одновременно. Приемник в соответствии с заголовками пакетов выполняет сборку пакетов в исходное сообщение и отправляет его получателю. Благодаря возможности не накапливать сообщения целиком, в узлах коммутации не требуется внешних запоминающих устройств, следовательно, можно вполне ограничиться оперативной памятью, а в случае ее переполнения исполь-

зовать различные механизмы задержки передаваемых пакетов в местах их генерации.

Части одного и того же сообщения могут в одно и то же время находиться в различных каналах связи, более того, когда начало сообщения уже принято, его конец отправитель может еще даже не передавать в канал.

При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям:

–уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины;

–обеспечение повышения эффективности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличением длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка становится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффективность передачи).

В сети с пакетной коммутацией максимальный размер пакета устанавливается на основе 3 факторов:

1) распределение длин пакетов; 2) характеристика среды передачи (главным образом, ско-

рость передачи); 3) стоимость передачи.

Для каждой передающей среды выбирается свой оптималь-

ный размер пакета.

67

Процесс передачи данных в сети с КП можно представить

ввиде следующей последовательности операций:

вводимое в сеть сообщение разбивается на части – пакеты, содержащие адрес конечного пункта получателя;

в узле КП пакет запоминается в оперативной памяти (ОЗУ) и по адресу определяется канал, по которому он должен быть передан;

если этот канал связи с соседним узлом свободен, то пакет немедленно передается на соседний узел КП, в котором повторяется та же операция;

если канал связи с соседним узлом занят, то пакет может какое-то время храниться в ОЗУ до освобождения канала;

сохраняемые пакеты помещаются в очередь по направлению передачи, причем длина очереди не превышает 3–4 пакета; если длина очереди превышает допустимую, пакеты стираются из ОЗУ и их передача должна быть повторена.

Пакеты, относящиеся к одному сообщению, могут передаваться по разным маршрутам в зависимости от того, по какому из них в данный момент они с наименьшей задержкой могут пойти к адресату. В связи с тем что время прохождения по сети пакетов одного сообщения может быть различным (в зависимости от маршрута и задержки в узлах коммутации), порядок их перехода к получателю может не соответствовать порядку пакетов.

Одновременное использование каналов для данных, передаваемых между разными точками, также позволяет более рационально использовать ресурсы сети, когда в один момент времени мы передаем сразу несколько потоков данных, а не один, как это бывает в канальных сетях. Одним из механизмов, заметно расширяющих возможности пакетных сетей, является буферизация данных.

Буферизация решает несколько задач. Первая – проверка целостности данных. Так, узел КП, получив и сохранив в своем бу-

фере пакет, может проверить его целостность в соответствии с контрольной суммой, указанной в заголовке.

68

Вторая – согласование скоростей. Функция позволяет передавать данные по каналам с разной пропускной способностью. Если на узел КП приходят данные со скоростью, превышающей скорость линии, в которую должны уйти пакеты, он может использовать буфер для временного хранения поступающих данных. Также буфер может быть использован для хранения пакетов в том случае, если узлу КП не хватает мощности просмотреть все приходящие пакеты, просчитать контрольные суммы и обработать их в соответствии с заголовками.

УзламиКПобычноявляютсякоммутаторыимаршрутизаторы. Сетевой коммутатор (switch – переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых неизвестен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможно-

сти) обрабатывать данные, которые им не предназначались. Существует три способа коммутации. Каждый из них – это

комбинация таких параметров, как время ожидания и надежность передачи:

1)с промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает

внего кадр;

2)сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нем нет метода обнаружения ошибок;

3)бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуще-

69

ствляется после фильтрации фрагментов коллизий (первые 64 байта кадра анализируются на наличие ошибки и при ее отсутствии кадр обрабатывается в сквозном режиме).

Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Маршрутизатор (router) или роутер – специализированный сетевой компьютер, имеющий как минимум один сетевой интерфейс и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети, связывающий разнородные сети различных архитектур, принимающий решения о пересылке на основании информации о топологии сети и определенных правил, заданных администратором.

Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетных данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определенных правил с целью ограничения доступа, шифрование/расшифрование передаваемых данных и т.д.

Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей – маршрутов, в каждой из которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты, административное расстояние – степень доверия к источнику маршрута и некоторый вес записи – метрика. Метрики записей

70