Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерно-технологическая академия
Д. А. БЕСПАЛОВ
М. Ю. ПОЛЕНОВ
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2021
1
Содержание
2
УДК 004.7(075.8)
ББК 32.973Я73
Б534
Печатается по решению кафедры вычислительной техники
Института компьютерных технологий и информационной безопасности
Южного федерального университета
(протокол № 7 от 31 марта 2021 г.)
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Таганрогского института
им. А. П. Чехова (филиала) Ростовского государственного
экономического университета (РИНХ) В. И. Божич
кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник
НИИ Робототехники и процессов управления ЮФУ Е. Ю. Косенко
Беспалов, Д. А.
Б534 Методы и средства передачи данных в автоматизированных систе-
мах : учебное пособие / Д. А. Беспалов, М. Ю. Поленов ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 180 с.
ISBN 978-5-9275-3955-0
Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения,
обучающихся по направлению магистратуры 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника». Также может быть полезно студентам и магистрантам, обучающимся по смежным специальностям. Учебное пособие раскрывает суть методов и средств организации информационного обмена между
элементами автоматизированных и информационных систем, показывает современные подходы и технологии построения и использования компьютерных сетей различного масштаба, методов преобразования данных и способов
защиты информации.
Учебное пособие разработано на кафедре вычислительной техники
ИКТИБ ЮФУ.
УДК 004.7(075.8)
ББК 32.973Я73
ISBN 978-5-9275-3955-0
© Южный федеральный университет, 2021
© Беспалов Д. А., Поленов М. Ю., 2021
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2021
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………
5
1. ОСНОВЫ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ……………………
6
1.1. Назначение систем передачи данных ………………………….
6
1.2. Роль передачи данных в автоматизированных системах ……..
7
1.3. Основные понятия и определения ……………………………..
8
1.4. Сетевые операционные системы автоматизированных систем
16
1.5. Возможные архитектуры распределенных автоматизирован-
ных систем …………………………………………………………...
20
1.6. Модель взаимодействия открытых систем ……………………
29
2. КОДИРОВАНИЕ И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ ……………
35
2.1. Основные понятия и определения кодирования данных в се-
тях связи ……………………………………………………………..
35
2.2. Классификация кодов и их параметры ………………………...
36
2.3. Аналоговая модуляция …………………………………………
44
2.4. Цифровое кодирование данных ………………………………..
46
3. ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В КАНАЛАХ СВЯЗИ
50
3.1. Каналы передачи данных ………………………………………
50
3.2. Помехи в каналах передачи данных …………………………...
50
3.3. Понятие об искажениях дискретных сигналов ………………..
52
3.4. Классификация искажений и причины их появления ………...
53
3.5. Кодеры и декодеры сигналов …………………………………..
55
4. ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ В АВ-
ТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ …………………………….
65
4.1. Понятие компьютерных сетей передачи данных ……………..
65
4.2. Топологии сетей передачи данных в распределенных инфор-
мационных системах ………………………………………………..
69
4.3. Методы коммутации и доступа к моноканалу ………………...
75
4.4. Основные сетевые протоколы автоматизированных и интел-
лектуальных систем …………………………………………………
83
4.5. Протоколы маршрутизации ……………………………………
95
4.6. Протоколы верхнего уровня …………………………………...
121
Содержание
4
5. ЗАЩИТА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕ-
ТЯХ …………………………………………………………………….
137
5.1. Методы защиты данных на стороне клиента ………………….
137
5.2. Методы защиты данных на стороне сервера ………………….
143
5.3. Методы защиты соединения для передачи данных …………..
149
5.4. Защищенный протокол передачи гипертекста HTTPS ……….
153
5.5. Криптографические протоколы безопасной связи SSL, TLS ...
155
6. ШИФРОВАНИЕ ДАННЫХ ……………………………………….
162
6.1. Алгоритм асимметричного шифрования RSA ………………..
162
6.2. Цифровая подпись ……………………………………………...
167
6.3. Криптографические алгоритмы без ключей …………………..
169
6.4. Криптографические алгоритмы с одним ключом …………….
170
6.5. Криптографические алгоритмы с двумя ключами ……………
175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………..
177
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………….
178
1.2. Роль передачи данных в автоматизированных системах
5
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире мы используем все более сложные и распределенные в пространстве вычислительные системы и комплексы. Их усложнение и рост выполняемых функций обусловлены не только ростом производительности конечных вычислительных элементов, но и возможностью
выполнять функции на расстоянии, обмениваться данными и служебной
информацией, возможностью синхронизироваться в реальном времени.
Причем все это выполняется с учетом современных требований к защищенности данных и приватности сообщений.
В данном учебном пособии приводится материал, который может
быть использован для изучения основ систем передачи данных, методов
кодирования и представления информации в информационных системах,
способов организации процесса передачи данных в различных каналах
связи и в сетях, основ применения компьютерных сетей для построения
распределенных вычислительных систем, способов построения защищенных каналов связи и защиты сообщений методами шифрования.
Учебное пособие дает всю необходимую систему знаний в области
сетевых технологий, построения распределенных вычислительных систем,
методов эксплуатации каналов связи, методов защиты передачи данных.
Глава 1. Основы систем передачи данных
6
ГЛАВА 1
ОСНОВЫ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
В данной главе будут рассмотрены назначение систем передачи в
общем плане и роль процесса передачи данных в автоматизированных и
информационных системах. Также в данной главе будут описаны детали
процесса передачи данных, рассмотрены основные понятия сетевых операционных систем, автоматизированных и информационных систем, показаны некоторые детали архитектуры распределенных систем. Весь материал приведен в контексте современной модели открытых систем OSI/ISO.
1.1. Назначение систем передачи данных
Современные автоматизированные системы (АС) не могут работать
полностью в автономном режиме – всегда присутствует необходимость обмениваться данными между несколькими элементами, выполнять удаленное конфигурирование (настройку) системы, снимать показания датчиков,
защищать данные и так далее [1, 2].
В современные автоматизированные системы входят устройства различной сложности: компьютерные системы, сети, периферийное оборудование, «умные» и пассивные датчики, различное оборудование для сбора и обработки данных и так далее. Между ними настроено и используется множество каналов связи: датчики соединяются проводными и беспроводными каналами, аналоговыми и цифровыми линиями связи, устройства вставляются
в «слоты» других устройств, прокладываются сети, применяются удаленные
подключения к серверам, организуются «виртуальные» сети для «виртуальных» машин и серверов и тому подобные коммуникации.
Для трансляции и накопления информации служат системы передачи данных различного уровня и сложности, работающие как на программном, так и на аппаратном уровнях. Таким образом мы будем называть
системой передачи данных совокупность средств для формирования пакетов данных и передачи их между узлами АС [3].
Конечно, мы должны учитывать, что различные уровни АС и различные типы АС соединяются различными каналами связи, в каждом из
1.2. Роль передачи данных в автоматизированных системах
7
которых может действовать один или несколько отдельных протоколов обмена данными, методов представления информации на аналоговом или
цифровом уровнях.
Кроме того, актуальным будет рассмотрение и способов защиты ин-
формации при ее хранении и передаче.
1.2. Роль передачи данных в автоматизированных системах
В этой связи можно выделить отдельную роль систем передачи дан-
ных в современных автоматизированных системах потому, что в современном мире распределенных вычислений и распределенных систем хранения
данных невозможно эффективно работать с обособленными системами,
неподключенными к другим внешним устройствам различного характера.
Передача данных и защита каналов связи ‒ это один из ключевых
моментов построения современных АС [4]. Каналы связи и протоколы обмена «закладываются» сразу в момент проектирования АС.
Мы будем рассматривать системы передачи данных в АС именно в
иерархической форме:
1) на уровне взаимодействия отдельных элементов АС типа датчиков
или исполнительных устройств мы будем учитывать необходимость внедрения цифровых и аналоговых линий связи, реализующих частные протоколы
обмена между «активными» устройствами типа микропроцессоров и микроконтроллеров, например: RS232, CAN, USB, I2C, 1WARE и так далее;
2) на уровне взаимодействия блоков сбора данных и передачи инфор-
мации в компьютерных системах мы будем рассматривать более «высокоуровневые» протоколы обмена, например: USB, PCI, PCI-E;
3) на уровне взаимодействия компьютерных блоков АС мы будем
рассматривать сетевое взаимодействие в локальных и глобальных сетях,
например, Ethernet, TCP/IP, UDP, HTTP/HTTPS и так далее.
На каждом «узле» распределенной автоматизированной системы
происходит прием, обработка, хранение и подготовка к передаче на другую
«удаленную» часть АС, т.е. эти узлы служат как бы «перевалочными пунктами» для пакетов данных, т.е. системы передачи информации здесь играют ключевую роль [5].
Рассмотрим далее основные понятия и определения для систем передачи данных в современных распределенных АС.
Глава 1. Основы систем передачи данных
8
1.3. Основные понятия и определения
Под техническими средствами передачи данных будем понимать
собой физические элементы для сбора, соединения и трансляции данных
между удаленными узлами системы. Эти средства обычно представляются
сетевыми адаптерами (сетевыми картами или микрочипами), сетевой средой передачи данных, модуляторами/демодуляторами, двоичными манипуляторами, антенными блоками и так далее.
Сетевой адаптер в общем – это специализированное устройство,
при помощи которого можно подключить локальный компьютер или другое оборудование к сети. Фактически, адаптер позволяет создать новую сетевую рабочую станцию. Для конечного «датчика» мы тоже можем определить это понятие, имея в виду его микрочип или часть вычислительного
ядра, ответственные за реализацию протокола сетевого взаимодействия.
В ранних моделях микропроцессоров и микроконтроллеров таких
модулей не было, поэтому приходилось их реализовывать вручную, т.е. на
программном уровне с использованием языков типа Ассемблера и обычных (стандартных) портов ввода-вывода микросхемы.
Под термином среда передачи данных мы будем понимать физическую среду, в которой передаются данные, будь то простой медный кабель,
радиоволны, световые потоки. Среды передачи данных мы можем разделить на следующие виды:
1) проводная кабельная среда передачи данных;
2) беспроводная среда передачи данных.
Также мы можем выделить цифровые среды передачи данных и аналоговые. Цифровые каналы передачи данных используют специальные
протоколы для обмена структурированными пакетами данных (кадрами,
ячейками), а аналоговые используют аналоговое представление цифровых
данных при помощи методов модуляции или передают «сырые» данные,
без каких-либо протоколов.
Кабельная среда передачи данных подразумевает использование
кабелей или кабель-каналов различного типа (категории). Сейчас самыми
распространенными видами кабеля представляются следующие:
1) витая пара разных категорий;
2) коаксиальный кабель с разной степенью защиты;
3) оптический или оптоволоконный кабель.
1.3. Основные понятия и определения
9
Для беспроводной связи выделяют прямой радиоканал между
устройствами, беспроводные сети, bluetooth-соединение, спутниковую
связь и системы ближнего радиуса действия типа RFID, NFC и так далее.
Самый распространенный вариант проводного канала – это витая
пара. За рубежом такой кабель имеет название twisted pair и описывается
как сочетание двух или более пар скрученных медных проводников. Проводники заключены в единую изоляционную оболочку. Скрутка проводов
минимизирует перекрестные наводки и помехи, а оболочка защищает провода от физических повреждений и климатических воздействий.
На практике применяют два следующих типа витых пар:
1) неэкранированную витую пару (UTP);
2) экранированную витую пару (STP).
Разница между ними заключается в материале оболочки. Либо это
простая пластиковая оболочка, либо многослойный материал, внутри которого находится слой «экрана». Экран создается из тонких переплетенных
определенным образом медных проводников (своеобразная «земля»).
Коаксиальный кабель формируется двумя проводниками с общей
центральной жилой. Центральный провод такого кабеля, в свою очередь,
формируется просто из медного проводника или из многожильного провода. Именно центральный кабель служит для передачи данных. Он находится в центре кабеля и внутри пластикового изолированного слоя. Между
этим изолированным слоем и наружней, более плотной, оболочкой, также
расположен экран из переплетенных проводников.
На практике применяют следующие типы коаксиальных кабелей:
1) тонкий или thin coaxial cable;
2) толстый или thick coaxial cable.
Волоконно-оптический кабель (Fiber Optic) сейчас является основным типом кабелей для бытового применения или для формирования корпоративного интернет-соединения. Он производится из светопроводящего
стекла или же из отдельных пластиковых волокон с особыми характеристиками в плане отражения световых лучей, их преломления и поглощения.
Один из самых распространенных сейчас магистральных стандартов
носит название fiber distributed data interface или FDDI. По своему устройству – это высокоскоростной волоконно-оптический интерфейс для передачи данных. Позволяет соединять конечные точки сети на расстоянии
Глава 1. Основы систем передачи данных
10
до 200 км. Сеть FDDI может обеспечивать интернетом десятки тысяч поль-
зователей, причем интернет будет «самого высокого качества».
В классическом исполнении сеть FDDI подразумевает применение
оптоволоконного кабеля, однако реальности для формирования таких сетей
можно применять и медный кабель, но определенного качества. В таком
случае сеть FDDI будет уже называться по-другому: copper distributed data
interface или CDDI. Следует заметить, что для этого кабеля будет использоваться тот же подход к передаче данных.
Еще десять лет назад технология волоконно-оптического кабеля
была ненадежной и дорогостоящей из-за используемых материалов ‒ это
было «хрупкое» оптоволокно, которое было сложно монтировать, изгибать
и подвергать любым нагрузкам. Сейчас волоконо-оптический кабель по
удобству использования и по стоимости практически не отличается от витой пары, а в некоторых случаях более удобен и эффективен.
Когда необходимо построить сеть в труднодоступном месте или на
больших расстояниях, удачным вариантом является беспроводная среда
передачи данных.
Другим вариантом применения беспроводных соединений является
«временная» сеть, применяемая тогда, когда выполнять прокладку и монтирование кабелей просто экономически не целесообразно.
Кроме того, с развитием современных технологий WiFi и 3G/5G позволяют использовать беспроводные каналы связи в качестве основных “сетевых инфраструктур” как в бытовых, так и в промышленных условиях.
Для автоматизированных систем часто применяются методы беспроводной передачи данных, основанные на использовании следующих
физических явлений:
1) радиоволны с различной длиной;
2) инфракрасное излучение с разным спектром.
Современные системы беспроводной связи мы можем разделить на
следующие типы:
1) миниатюрные и индивидуальные приемопередатчики ‒ такие мо-
гут использоваться в каждом «активном» устройстве, датчике, блоке АС;
2) локальные беспроводные сети типа Zigbee, которые могут объеди-
нять десятки и сотни устройств в самоорганизующиеся сети, с «плавающим» числом узлов и подключенных устройств без единого центра;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]