Аверянов Основы современной информатики 2007

лов идет очень большое количество передач. Существует два типа уплотнения: частотное и временное. В традиционных линиях связи, как правило, используется частотное уплотнение.

Сущность частотного уплотнения для трех абонентов представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Частотное уплотнение телефонных каналов

Передаваемый сигнал на входе в магистральную линию «смешивается» с так называемой несущей (более высокой) частотой и одновременно с другими сигналами (которые передаются на других «несущих» частотах) распространяется по магистралям. На выходе передаваемые сигналы выделяются из несущих частот и по индивидуальным линиям доставляются абоненту.

Процедура на входе в магистральные линии связана с различного вида модуляцией несущих частот, а обратное преобразование на выходе из магистральных линий, соответственно, с демодуляцией.

Модуляция несущей – изменение ее амплитуды, частоты, фазы или комбинации этих характеристик в соответствие с передаваемым сигналом.

Использование описанных средств связи для передачи данных, т.е. замена абонента-человека на техническое устройство (ЭВМ),

121

требует включения в эту систему дополнительных устройств, адаптирующих информационные СОД к передаче по каналу связи.

Рис. 4.3. Типовая схема передачи данных: а – блок-схема системы передачи данных; б – реальная система передачи данных

На рис. 4.3, а представлена структурная схема передачи данных, а на рис. 4.3, б – реальные физические устройства, которые могут быть включены в канал.

На рис. 4.3, а приведены традиционно используемые сокращения для обозначения устройств систем передачи данных (СПД):

ООД – оконечное оборудование данных, в качестве которого может выступать персональный компьютер, большой компьютер, терминал и т.п. В литературе часто употребляется международный термин DTE (Data Terminal Equipment);

АКД – аппаратура канала данных, которую иногда называют аппаратурой передачи данных (АПД), функции которой состоят в обеспечении возможности передачи информации по каналу определенного типа, эти устройства, как правило, называются модемами

(модулятор-демодулятор); DCE (Data Communications Equipment) –

международный термин, используемый для обозначения этого устройства.

Канал передачи включает описанную выше структуру, если используется коммутируемая телефонная сеть общего назначения.

122

Интерфейс между каналами передачи и АКД в отечественной практике называется «стык 1» (С1), а интерфейс между ООД и АКД «стык 2» (С2).

В зависимости от типа передачи различают аналоговые (традиционно используемые, имеющие длительную историю развития) и цифровые каналы (систем ИКМ, ISDN* и др.), являющиеся битовым трактом с цифровым импульсным сигналом на выходе и входе канала. Цифровые каналы отличаются рядом преимуществ перед аналоговыми, поэтому вновь создаваемые системы передачи данных стараются строить на основе цифровых каналов. Следует отметить, что цифровые каналы весьма успешно применяются не только для передачи данных, но и в средствах бытовой связи (звук, изображение и т.д.), при этом аналоговые сигналы кодируются в цифровые перед передачей в канал.

Термины «аналоговый» и «цифровой» соответствуют непрерывным и дискретным процессам и используются при обсуждении коммуникационных систем в различных контекстах – данных, сигналов и передачи.

Аналоговые данные представляются физической величиной, которая может изменяться в непрерывном диапазоне значений. Величина прямо пропорциональна данным или является их функцией.

Цифровые данные принимают дискретные значения – текст, целые числа, двоичные данные.

Аналоговый сигнал – непрерывно изменяющаяся электромагнитная волна, распространяющаяся в различных средах.

Цифровой сигнал – дискретный (разрывной) сигнал, такой, как последовательность импульсов напряжения.

Возможны четыре вида передачи данных:

цифровые данные – цифровой сигнал, используется наиболее простое оборудование;

аналоговые данные – цифровой сигнал, необходимо преобразование аналоговых данных в цифровую форму, что позволяет использовать современное (высокоэффективное) оборудование передачи данных;

цифровые данные – аналоговый сигнал, необходимость преобразования связана с тем, что через некоторые среды (оптоволокно,

* ISDN – Integrated Services Digital Network.

123

беспроводные среды) может распространяться только аналоговый сигнал;

аналоговые данные – аналоговый сигнал, традиционная передача, аналоговые данные легко преобразуются в аналоговый сигнал.

Среди преимуществ цифровой передачи необходимо отметить следующие.

Быстрое развитие цифровых систем и уменьшение цены и размеров оборудования, цены и размеры аналогового оборудования остаются на прежнем уровне. Обслуживание цифровых систем намного дешевле аналоговых.

Использование повторителей (в цифровых системах) вместо аналоговых усилителей позволяет передавать данные на большие расстояния по менее качественным линиям (нет накопления шумов) – сохранение целостности данных.

Большая пропускная способность дает возможность более полно использовать пропускную способность оптоволокна и спутниковых средств связи. Временное разделение оказывается более эффективным, чем частотное.

Используется интеграция, когда при обработке аналоговой и цифровой информации по цифровым технологиям все сигналы имеют одинаковую форму (вид). Это позволяет сэкономить на оборудовании и трудозатратах при интеграции: голос, видео, цифровые данные.

Термин «модем» (DCE) применяется в настоящие время (в связи с распространением цифровых каналов) достаточно широко, при этом необязательно подразумевается какая-либо модуляция, а просто называются определенные операции преобразования сигналов, поступающих от DTE для их дальнейшей передачи по используемому каналу.

Существует очень много разновидностей модемов, отличающихся:

по области применения – для коммутируемых и выделенных каналов, для цифровых систем передачи (CSV/DSU), для сотовых систем связи, радиорелейных и т.п.;

по конструкции – внутренние (вставляемые в разъемы компьютера) и внешние, портативные, групповые и т.п.;

по методу передачи – асинхронные, синхронные, синхронноасинхронные.

124

Асинхронный метод передачи (или стартстопный) – посимвольный режим передачи с контролем начала и конца символа, имеет низкую скорость и малую эффективность. Синхронный метод передачи осуществляет объединение большого количества символов или байт в отдельные блоки – кадры, которые передаются без задержек между восьмибитными элементами.

Очень важной характеристикой канала передачи являются режимы его работы в зависимости от направления возможной передачи данных:

симплексный – передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;

полудуплексный – передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени (технология Ethernet);

дуплексный – передача ведется одновременно в двух направлениях.

Дуплексный режим – наиболее универсальный и производительный. Самым простым вариантом организации дуплекcного режима является использование двух независимых функциональных каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, т.е. передает данные в одном направлении. Такая организация дуплексного режима применяется во многих сетевых технологиях (Fast Ethernet, ATM и т.п.).

В заключение обсуждения способов передачи данных по физическим линиям несколько слов о повышении эффективности использования среды передачи данных.

Существует два основных способа повышения эффективности. Первый, о котором упоминалось выше, – уплотнение информации, или в современной терминологии мультиплексирование, – функция, позволяющая двум или более источникам данных совместно использовать общую среду передачи данных таким образом,

что каждый получает собственный канал передачи данных. Традиционным считается частотное мультиплексирование, о ко-

тором достаточно подробно говорилось выше, – разделение системы передачи на два или более канала путем разделения всей доступной полосы частот на более узкие полосы, каждая из которых образует отдельный канал.

125

Второй тип – временное мультиплексирование, интенсивное внедрение которого связано с современным развитием систем передачи на два или более канала путем поочередного подключения общей линии к разным информационным каналам. Распространению временного мультиплексирования способствовало значительное увеличение пропускной способности каналов, поскольку чем выше пропускная способность канала, тем больше эффективность временного мультиплексирования.

Различают синхронное временное мультиплексирование – методика временного мультиплексирования, когда порядок выделения временных интервалов жестко задан, в отличие от статистического (асинхронного) временного мультиплексирования, при котором временные интервалы, на которые общая линия выделяется устройством, а также порядок их выделения не определены заранее (определяется динамически).

Второй способ повышения эффективности использования среды передачи данных – компрессия или сжатие данных, заключающееся в уменьшении количества битов, требуемых для представления данного объема информации. Это позволяет увеличить объем информации передаваемой по линии, сократить сеанс связи, кроме этого кодирование информации, связанное с компрессией, повышает информационную безопасность.

4.3. Понятие подхода открытых систем, проблемы стандартизации, многоуровневый подход, стек протоколов

Применение метода открытых систем в настоящее время является основной тенденцией в области информационных технологий и средств вычислительной техники, поддерживающих эти технологии. Идеологию открытых систем реализуют в своих разработках все ведущие фирмы-поставщики средств вычислительной техники, передачи информации, программного обеспечения и разработчики прикладных программных систем. Их результативность на рынке информационных технологий и систем определяется в значительной степени реализацией стандартов открытых систем.

Потребность в развитии открытых систем возникла давно. Это связано, в частности, с растущим использованием разнообразных

126

аппаратных платформ, использующих приложения, предназначенные для решения все более широкого диапазона задач.

Внедрение гетерогенных систем и желание разделять между такими системами информацию привело к необходимости их совместной работы. Кроме того, совместимые компьютеры сулили переносимость программ с платформы* на платформу.

Потребность в применении возможностей открытых систем исходит не только от пользователей. В таких системах заинтересованы также разработчики, озабоченные необходимостью сокращать расходы и время переноса своих приложений на различные платформы. В них заинтересованы как производители, старающиеся разрабатывать новые платформы, на которых можно выполнять широкий диапазон приложений, так и международные стандартизирующие организации, которым необходимо своевременно разрабатывать стандарты, отвечающие требованиям промышленности.

Ранняя концепция открытых систем вызвана стремлением пользователей к переносимости приложений. Этот этап связан с созданием компьютеров IBM 360 («360» расшифровывается как «третье поколение, 60-е гг.), обладающих единым набором команд и способных использовать одну и ту же операционную систему. Однако системы IBM 360 не были массовыми, и на большей части рынка их переносимость никак не сказывалась.

Следующая фаза в развитии концепции открытости связана с областью интерактивной компьютерной обработки и расширяющимся диапазоном, требующим переноса продуктов. В этот период

DEC разработал свои VAX-системы (VAX – Virtual Address Extension), работающие под управлением операционной системы VMS (Virtual Machines System). Каждый компьютер этой линии, вне зависимости от размера, мог исполнять один и тот же набор приложений.

И, наконец, окончательное оформление принципов открытых систем связано с взрывным развитием сетевых технологий, таких, как DEC net или Internet (TCP/IP), объединявших системы и локальные сети самых разных организаций. Когда сетевая обработка стала реальностью, пользователи начали обращать внимание на

* Платформа – программно-технические условия, в рамках которых работает (или не работает) данная прикладная программа.

127

совместимость и интеграцию как на необходимый атрибут открытых систем.

Одно из простейших определений открытой системы приводится в руководстве французской ассоциации пользователей UNIX (1992 г.).

Открытой называется система, которая состоит из компонентов, взаимодействующих друг с другом через стандартные интерфейсы. Общие свойства открытых систем:

1)расширяемость-масштабируемость – Extensibility/ scalability;

2)мобильность (переносимость на различные платформы) – portability;

3)интероперабельность (способность к взаимодействию с дру-

гими системами) – interoperability;

4)дружественность к пользователю, в том числе легкая управ-

ляемость – driveability.

Эти свойства, взятые по отдельности, использовались предыдущими поколениями информационных систем и средств вычислительной техники. Новый взгляд на открытые системы связан с распространением сетевых технологий и необходимостью рассматривать эти свойства в комплексе. Этот подход при построении распределенных СОД дает следующие преимущества:

возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;

возможность замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сетям развиваться с минимальными затратами;

возможность легкого взаимодействия сетей между собой; простота освоения и обслуживания.

Полезность стандартизации, справедливая для всех отраслей, в компьютерных сетях приобретает особое значение. Сеть – соединение большого количества очень разнообразного оборудования и организация взаимодействия между устройствами, проблема совместимости которых является одной из наиболее сложных.

Идеологическая основа стандартизации в распределенных СОД – многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Вся система передачи сообщений (данных) разбивается на иерархические уровни (принцип декомпозиции) и на ка-

128

ждом уровне применяются свои правила взаимодействия – протоколы. Протоколом в мире коммуникаций называют распределенные алгоритмы, определяющие, каким образом осуществляется обмен данными между физическими устройствами и логическими объектами. Аналогом многоуровневого подхода может служить организация почтовой связи (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Функциональные уровни системы почтовой связи

Теоретическую основу современных информационных систем определяет базовая эталонная модель открытых систем (OSI – Open System Interсonnection), разработанная международной организаци-

ей стандартов (ISO – International Standards Organization).

Иерархически набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Стек OSI (рис. 4.5) включает в себя следующее:

первый уровень – уровень приложений (Application Layer), отве-

чает за поддержку прикладного программного обеспечения пользователя (протокол FTP, Telnet и т.п.);

129

Прикладной уровень

Уровень представления

Сеансовый уровень

Транспортный уровень

Сетевой уровень

Физический уровень

Рис. 4.5. Стек протоколов OSI

второй уровень – уровень представления (Presentation Layer),

служит для преобразования данных из внутреннего формата компьютера в формат, приемлемый для компьютера абонента, с которым устанавливается связь (ситуация связи с неоднотипными ком-

пьютерами – IBM PC, Macintosh, DEC, NEXТ и т.п.);

третий уровень – сеансовый (Session Layer), обеспечивает ко-

ординацию связи между двумя прикладными программами (создание сеанса связи, управление передачей и приемом сообщений и завершение сеанса);

четвертый уровень – транспортный (Transport Layer), в функ-

ции которого входит разделение сообщения на пакеты (при необходимости) при передаче и сбор пакетов при приеме, контроль за правильностью их прохождения, согласование сетевых уровней различных, не совместимых между собой, сетей через специальные шлюзы;

пятый уровень – сетевой (Network Layer), выполняет функции переключения и маршрутизации пакетов, отвечает за адресацию и доставку пакетов;

130