Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и сети передачи информации. Учебное пособие.pdf
X
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1.1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СИСТЕМ СВЯЗИ
- •1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
- •1.3. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
- •2. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
- •2.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
- •2.3. ВИДЫ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ (ШПС)И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
- •2.4. ФОРМИРОВАНИЕ ШПС
- •2.6. СИНХРОНИЗАЦИЯ ПРИ ПРИЕМЕ ШПС
- •2.5. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ШПС
- •2.7. ПРИМЕНЕНИЕ ШПС
- •3. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
- •3.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МНОГОКАНАЛЬНОЙ СВЯЗИ И СПОСОБЫ УПЛОТНЕНИЯ ЛИНИЙ СВЯЗИ
- •3.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ
- •3.3. ФАЗОВОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ
- •3.4. ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ
- •3.5. ВРЕМЕННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ
- •3.6. АСИНХРОННО-АДРЕСНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
- •3.7. КОМБИНАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ
- •4. СИНХРОНИЗАЦИЯ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ
- •4.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ СИНХРОНИЗАЦИИ
- •4.2. УСТРОЙСТВА ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ
- •4.3. ТАКТОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ
- •4.4. ЦИКЛОВАЯ И КАДРОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИИ
- •4.5. ВЛИЯНИЕ ТОЧНОСТИ ОЦЕНКИ СИНХРОПАРАМЕТРОВ НА КАЧЕСТВО РАБОТЫ СИСТЕМ СВЯЗИ
- •5. МОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
- •5.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯМ ОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
- •6. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ
- •6.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ
- •6.2. ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
- •7. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИСИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
- •7.1. ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
- •7.2. СЖАТИЕ ДАННЫХ
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

оконечного оборудования, вычислительной техники и терминалов, под-
Территориальная (межрегиональная) сеть обмена данными с
Региональные сети обмена данными с
ключенных к узлам сети.
При рассмотрении крупномасштабных сетей обычно рассматривают
иерархическую структуру (пример такой сети приведен на рис. 6.3), которая
отображает значимость и выполняемые функции различных частей сети.
1-й уровень
сосредоточенными функциями коммутации
2-й уровень
распределенными и комбинированными
функциями коммутации
3-й уровень
Локальные сети обмена данными
(широкополосная общая шина-
моноканал)
4-й уровень
ГВМ
Т
а
)
Рис. 6.3. Общая структура крупномасштабной сети:
способы подключения через локальные (а); региональные (б) и
непосредственно к территориальной сети обмена данными (в)
Важнейшей категорией, характеризующей связь абонентов в сети,
является топология. Топологией сети принято считать совокупность
элементов и связей между ними, «очищенных» от всех свойств, кроме
свойств существования и связности. Обычно топология задается графом
G(A, N), где A − множество вершин графа, т.е. элементов сети (пользова-
тели, узлы коммутации и т.п.), а N − множество его ребер, соответствующих линиям связи. Каждое ребро имеет длину, которая эквивалентна «стоимости» его использования, например, ее геометрической длине,
пропускной способности, общей загрузке и т.п. В тех случаях, когда
учитываются направления ребер, задается ориентированный граф (орг-
ГВМ
в)
Т
Т
б
)
ГВМ
101

раф). Для задания графа используют аналитический, геометрический и
матричный способы [37].
Широкое применение получили следующие виды сетевых топологий: иерархическая топология, шина, звезда, кольцевая и ячеистая топологии [36, 40].
Иерархическая топология. Сетевая иерархическая топология (древовидная) в настоящее время является одной из самых распространенных.
Программное обеспечение для управления сетью является относительно
простым, а сама топология обеспечивает своего рода точку концентрации
для управления и диагностирования ошибок (рис. 6.4, а). В большинстве
случаев сетью управляет узел на самом высоком уровне иерархии. Однако
практический интерес представляет распределенный подход к иерархической сети, при котором в системе подчиненных узлов определяются такие, которые обеспечивают непосредственное управление устройствами,
находящимися ниже в иерархии. Это уменьшает нагрузку на центральный
узел. Иерархическая топология обладает трудноразрешимыми проблемами. В некоторых случаях самое верхнее устройство, обычно универсальная ЭВМ, управляет всем сетевым трафиком. Это может создать не только
«узкие места» (с точки зрения пропускной способности), но и проблемы
надежности, так как отказ такого узла полностью нарушает функционирование всей сети, если только в качестве резерва не предусмотрена другая
ЭВМ.
Шинная топология. Шинная, или горизонтальная топология показана на рис. 6.4, б. Она нашла широкое распространение в локальных сетях. Это обусловлено относительно простым для управления трафиком
между ЭВМ, поскольку шина допускает, чтобы каждое сообщение принималось всеми станциями (одна единственная станция работает в широковещательном режиме на несколько станций). Главный недостаток такой
архитектуры связан с тем фактом, что для обслуживания всех устройств
сети обычно имеется один канал передачи данных. Следовательно, в случае отказа канала погибает вся сеть. В некоторых системах предусматривается полное резервирование на случай потери основного канала. В других используются переключатели для обхода отказавших узлов. Дополнительным недостатком сети с данной топологией является существование
трудностей локализации отказов с точностью до отдельного компонента
(узла, терминала), подключенного к шине. Отсутствие точек концентрации делает проблему различения неисправностей трудноразрешимой.
Звездообразная топология. Это одна из наиболее распространенных
архитектур. В сетях с такой топологией вся информационная нагрузка
исходит из центрального узла звезды (рис. 6.4, в). Центральный узел, как
правило, представляющий собой ЭВМ, полностью управляет устройствами, подсоединенными к нему. Следовательно, звездная топология вполне
аналогична иерархической топологии, за исключением того, что она име-
102

ет ограниченные возможности распределенной обработки. Центральный
C
E
B
G
F
A
D
A
B C D
F E
G
узел отвечает за маршрутизацию трафика через себя в другие компоненты. Он также отвечает за локализацию неисправности, которая является
относительно простой в звездообразной сети, поскольку решение проблемы обусловлено возможностью локализации линии. Подобно иерархической структуре, звездообразная сеть также подвержена проблемам, связанным с центральным узлом.
Кольцевая топология. Кольцевая топология названа вследствие
кругового характера распространения данных (рис. 6.4, г). В большинстве
случаев данные распространяются только в одном направлении, причем
только одна станция принимает сигнал и передает ее следующей станции
в кольце. Достоинством кольцевой топологии является то, что перегрузки,
характерные для иерархической и звездообразной конфигураций, здесь
достаточно редки. Логическая организация кольцевой сети является относительно простой. Каждый компонент способен выполнять простую задачу приема данных, посылки их в устройство, подсоединен к нему или в
кольцо к следующей промежуточной станции.
а)
A
б)
B
G
A
F
в) г)
C
B
C
D
E
E
D
H
G
д)
F
A
F
B
C
D
E
Рис. 6.4. Виды сетевых топологий
103

Однако, как и все сети, кольцевая сеть имеет свои недостатки. Основная проблема – наличие только одного канала, соединяющего все компоненты в кольцо. Если отказывает канал между двумя узлами, наступает
отказ всей сети. Поэтому при разработке систем с такой архитектурой на
случай отказа канала предусматриваются резервные каналы. В некоторых
случаях встраиваются переключатели, которые автоматически изменяют
маршрут прохождения данных в обход отказавшего узла, что исключает
отказ всей сети.
Ячеистая топология. Ячеистая топология нашла применение в по-
следние несколько лет. Ее привлекательность заключается в относительной устойчивости к перегрузкам и отказам. Благодаря множественности
путей трафик может быть направлен в обход отказавших или занятых узлов (рис. 6.4, д). Несмотря на то, что данный подход отмечается сложностью и дороговизной (протоколы ячеистых сетей могут быть достаточно
сложными с точки зрения логики, чтобы обеспечить эти характеристики),
некоторые пользователи предпочитают ячеистые сети сетям других типов
вследствие их высокой надежности.
6.1.2. Методы коммутации в сетях связи
Коммутируемые сети связи получили широкое распространение, так
как по сравнению с некоммутируемыми сетями они являются более экономичными. В них для передачи информации в любом направлении требуется меньшее количество каналов. Некоммутируемая сеть для передачи
информации в любом направлении должна быть полносвязной. Различают
три основных метода коммутации в сетях связи: коммутация каналов,
коммутация сообщений, коммутация пакетов [36, 38].
Коммутация каналов. Процесс обслуживания в узлах коммутации
каналов включает следующие стадии:
а) сигнализация для установления соединения между источником и
адресатом;
б) обмен информацией по установленному соединению;
в) сигнализация для разрыва установленного соединения.
Таким образом, канал выделяется для обеспечения связи в одном направлении на длительный период. Основным недостатком метода является
его низкая эффективность использования, если сообщение короткое, так
как в основном время затрачивается на организацию необходимого соединения. В периоды организации физического соединения и в периоды естественных пауз между сообщениями канал простаивает.
Коммутация сообщений. В системе с коммутацией сообщений абонент передает информацию на ближайший узел коммутации сообщений, к
которому он подключен. Затем эта информация передается поэтапно от
узла к узлу до тех пор, пока не поступит на узел коммутации, к которому
104

подключен абонент – получатель сообщения. На каждом транзитном участке выполняются следующие основные операции:
а) прием сообщения с проверкой на наличие ошибок и при положительном результате отправка сообщения в накопительное устройство принимающего узла;
б) хранение в накопительном устройстве сообщений до момента выдачи на передачу;
в) передача сообщений в соответствии с протоколом обслуживания
(например: в порядке поступления, в обратном порядке, с учетом приоритетов и т.п.) следующему узлу в направлении адресата.
Сообщения могут быть произвольной длины и кроме информационной части снабжаются заголовком, содержащим информацию, обеспечивающую его передачу по сети (например, адрес получателя).
Достоинством данного метода является более эффективное использование каналов благодаря исключению простоя каналов в периоды пауз
между сообщениями и пауз при организации физического соединения.
Коммутация пакетов. В основу метода коммутации пакетов заложен
такой же принцип, как при коммутации сообщений, т.е. передача с промежуточным накоплением (хранением). Разница лишь в том, что сообщения,
превышающие определенную длину, передаются не целиком, а делятся на
несколько равных частей строго определенного размера, которые называются пакетами. В сетях с коммутацией пакетов возможно обслуживание
либо ориентированное на соединение (виртуальные каналы), либо без
соединений (дейтаграммы). Передача по виртуальным каналам является
передачей с промежуточным хранением, при которой во время инициирования сеанса выбирается некоторый конкретный путь, который сохраняется в течение сеанса. Это аналогично коммутации каналов в том смысле,
что используется фиксированный путь, но он является виртуальным в том
смысле, что его пропускная способность используется только тогда, когда
это необходимо. При дейтаграммной передаче для каждого пакета выбирается определенный путь по сети на основе текущей информации, поступающей из посещаемых ими узлов. В оконечном пункте из пакетов
собирается сообщение и после этого передается адресату.
Пакеты, оформленные в кадровую структуру для передачи по каналу
связи, состоят из заголовка (имеющего всю необходимую служебную информацию для продвижения к адресату: адрес, номер, приоритет и т. д.),
основной части и проверочных символов. Такой метод коммутации позволяет снизить задержки при передаче сообщений, уменьшить объем памяти
на центрах коммутации.
Следует отметить, что наиболее критичными ко времени задержки
являются пакеты речевых сообщений. Эти пакеты при превышении допустимого времени задержки вообще удаляются и не учитываются при
105

приеме. Вот почему, например, в пакетной радиосети DARPA (США) данные передаются со скоростью 100, а речевые сообщения – 400 Кбит/с.
При гибридной коммутации используются режимы коммутации каналов и коммутации пакетов. При этом каналы трактов передачи могут
жестко закрепляться за информационными потоками, использоваться различными потоками в случае их незанятости или же использоваться различными потоками с заполнением пауз. Возможны варианты адаптивной
коммутации, которая использует ранее рассмотренные методы в зависимости от свойств трафика (информационной нагрузки).
6.2. ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
6.2.1. Общая характеристика, назначение и область применения
эталонной модели взаимодействия открытых систем
Начиная с первых попыток создания сетей, стала очевидной необходимость стандартизации на международном уровне функциональной среды. Для этого Международной организацией стандартов была разработана
базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС)
или OSI (Open Systems Interconnection) [36, 39, 40]. В этой модели определена общая структура сети в виде совокупности систем, связанных между
собой физическими средствами соединения. В ней описывается функциональная среда, расположенная между процессами и физическими средствами соединения. В ЭМВОС такая функциональная среда именуется областью взаимодействия открытых систем.
Под открытыми системами понимаются ЭВМ или их совокупность,
программное обеспечение, внешние устройства, терминалы, средства передачи данных и персонал операторов. Понятие «открытая» предполагает взаимодействие всех входящих в сеть систем.
ЭМВОС предполагает три уровня абстрагирования сети: архитектура, спецификация услуг и спецификация протоколов (рис. 6.5).
Архитектура – это общее описание рассматриваемой сети. Основным элементом архитектуры является система, представляющая собой
автономную совокупность средств, образующих семь подсистем, расположенных в иерархическом порядке друг над другом и предоставляющих
определенные услуги.
Другим важным элементом архитектуры является уровень, который
образуется подсистемами всех систем, имеющими одинаковые номера.
При передаче информации в сети каждый уровень одной системы взаимодействует только с одноименным уровнем другой. Взаимодействие одноименных уровней обеспечивается нижестоящими уровнями [36]. Например, подсистемы 7-го уровня взаимодействуют между собой через подсистемы 6-го уровня, а 6-го уровня – через подсистемы 5-го и т.д.
106

Открытая система Открытая система
А В
7 Прикладной 7 Прикладной
6 Представительный Функции 6 Представительный
5 Сеансовый пользователей 5 Сеансовый
4 Транспортный 4 Транспортный
3 Сетевой 3 Сетевой
2 Канальный Функции сети 2 Канальный
1 Физический 1 Физический
7 Прикладной 7 Прикладной
6 Представительный 6 Представительный
5 Сеансовый 5 Сеансовый
Физическая среда
а)
С Е Т Ь
б)
Рис. 6.5. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
Спецификация услуг содержит детализированное описание услуг
каждого уровня, которые он предоставляет для вышестоящего уровня.
Прикладной уровень (7-й) предоставляет пользователю услуги, непосредственно связанные с выполнением информационно-вычислительных процессов: управление терминалами; файлами; заданиями; сетью; идентификация пользователей; электронная почта; телетекст; факс;
передача речи; прикладные задачи, например, редактирование текста,
изображения, обработка сообщений и т.д.
Представительный уровень (6-й) обеспечивает представление и
преобразование данных, подлежащих передаче между прикладными процессами, т.е. язык и формат представления. Его основными услугами являются: согласование между взаимодействующими процессами вида
представления данных; засекречивание данных, их сжатие и кодовое преобразование. Функцию сжатия можно выполнять и на других уровнях,
однако сжатие данных каждого сеанса имеет преимущество, так как различные сеансы обладают различной избыточностью своих сообщений
107

(примером является архивация файлов с целью уменьшения объема данных). Кодовое преобразование необходимо при несовместимости терминалов.
Сеансовый уровень (5-й) предназначен для организации и проведения диалога между прикладными процессами. Основные услуги: согласование параметров сеанса (скорость передачи); согласование режима работы (дуплекс, симплекс); обеспечение синхронизации, идентификация сеансов, завершение сеансов. Для многих сетей его функции связаны с правами доступа при инициировании сеансов в целях исключения несанкционированных пользователей.
Транспортный уровень (4-й) обеспечивает следующие услуги: на
передающей стороне сообщения разбиваются на пакеты, а на приемной
последние собираются в сообщения; если на сетевом уровне возникают
ошибки, то транспортный уровень обеспечивает надежную сквозную передачу для тех сеансов, для которых это необходимо; если маршрут передачи проходит по нескольким подсетям с несовместимыми сетевыми
уровнями, то транспортный уровень обеспечивает в так называемых
«шлюзах» изменение формы представления пакетов с тем, чтобы они могли быть приняты сетевым уровнем подсети, следующей на пути к адресату; регулирует пропускную способность сети; контролирует задержку передачи, обеспечивая требуемые приоритеты.
Сетевой уровень (3-й) в концептуальном плане является наиболее
сложным в уровневой иерархии, поскольку все процессы одного уровня
здесь должны действовать совместно. Он предназначен для выполнения
ретрансляции блоков данных через промежуточные системы, когда между
системами корреспондирующих процессов отсутствует прямое физическое соединение. Основными услугами сетевого уровня являются: маршрутизация, прокладка сетевых соединений, объединение канальных соединений в одно сетевое, упорядочивание блоков информации независимо
от пути их следования, управление трафиком. Под маршрутизацией понимают выбор маршрута, а именно последовательности линий передач,
соединяющих источник с адресатом. Управление трафиком (сетевой на-
грузкой) предполагает, прежде всего, ограничение входного потока данных с целью исключения перегрузки сети.
Канальный уровень (2-й) обеспечивает непосредственную передачу
данных по физическим соединениям с требуемой достоверностью. Основные его услуги: установление и ликвидация канальных соединений;
обнаружение и исправление ошибок; обеспечение прозрачности соединений; формирование порций данных определенного объема; кодирование
порций данных в составе кадра, с использованием помехоустойчивого
кода; управление потоком данных на уровне канала, с целью регулирования скорости передачи данных.
108

Физический уровень (1-й) обеспечивает сопряжение систем со средой распространения сигналов передачи данных. Основными задачами
являются: установление и разрыв физического соединения (связи); преобразование дискретных сигналов в аналоговые и наоборот; диагностика
неисправностей канала (например, прекращение связи, отключение питания, потеря механического контакта и т.д.). Перечень услуг, предоставляемых на физическом уровне, определяется особенностями среды распространения сигналов.
Непосредственно физическая доставка информации от одного пункта
к другому реализуется протоколами 1…3-го уровней.
В соответствии с семиуровневой архитектурой и спецификацией услуг введена семиуровневая иерархия протоколов – спецификация прото-
колов.
Протокол – это совокупность правил и форматов, определяющих ме-
ханизм взаимодействия объектов одноименных уровней системы.
Интерфейс – это совокупность правил и форматов, определяющих
механизм взаимодействия объектов двух соседних (смежных) уровней
системы.
Спецификация протоколов состоит из двух групп: к первой относятся
протоколы прикладного, представительного и сеансового уровней (уровни, на которых обеспечивается подготовка информации к транспортировке), ко второй – протоколы транспортного, сетевого, канального и физического уровней (уровни, обеспечивающие транспортировку информации). На границе этих двух групп определен единый транспортный ин-
терфейс.
Главная задача транспортного протокола – полностью скрыть от вышестоящих протоколов характеристики используемых средств передачи
данных. Стандартизацией протоколов занимаются различные авторитетные международные организации.
6.2.2. Уровни моделей OSI и TCP/IP
Разработчики модели ЭМВОС предполагали, что сама модель и протоколы, разработанные в ее рамках, будут доминировать в среде передачи
данных, вытеснив со временем частные реализации протоколов и конкурирующие обобщенные модели, такие, как набор протоколов TCP/IP
(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol) [39]. Однако этого не произошло. Хотя в рамках модели OSI и были разработаны многие полезные
протоколы, в целом, семиуровневая модель не нашла широкого применения. Вместо нее стала доминировать как раз архитектура TCP/IP. Это обусловлено несколькими причинами. Важнейшей из них является та, что
ключевые протоколы TCP/IP совершенствовались и тестировались в то
время, когда сходные протоколы OSI находились лишь на этапе разработ-
109

ки. Когда встал вопрос о необходимости взаимодействия сетей, готовым к
Уровень
Физический
Физический
использованию был только набор TCP/IP. Другая причина успеха TCP/IP
заключается в том, что модель OSI является излишне сложной, все задачи
ее семи уровней реализуются при меньшем числе уровней TCP/IP.
TCP/IP – это концепция Internet, представляющая основу для разработки
широкого диапазона стандартов связи компьютеров.
На рисунке 6.6 показаны уровни архитектур TCP/IP и OSI с приблизи-
тельным соотношением функций, выполняемых в рамках обеих моделей.
OSI TCP/IP
приложений
Уровень
представления
Сеансовый
уровень
Транспортный
уровень
Сетевой
уровень
Канальный
уровень
уровень
Уровень
приложений
Транспортный
(межузловой)
уровень
Межсетевой
уровень
Уровень доступа
к сети
уровень
Рис. 6.6. Сравнение архитектур протоколов TCP/IP и OSI
Тем не менее, на основе архитектуры OSI получили применение информационные сети в соответствии со стандартом Х.25 МККТТ [39, 40].
Эти сети являются сетями передачи данных общего пользования, предоставляющими услуги трех нижних уровней OSI. Рекомендация МККТТ
Х.25 охватывает соединение терминалов передачи данных (компьютеров
и других систем и приборов пользователей) с сетью передачи данных.
Модель TCP/IP нашла применение прежде всего при построении компьютерных сетей связи.
В целом, для OSI характерна стандартизация на каждом уровне. Для
каждого уровня характерно наличие прежде всего трех элементов:
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
