Сети передачи данных

Классификация сетей передачи данных. Сети передачи дан­ных (ПД) появились в начале 1960-х годов. Это обусловлено двумя основными причинами:

произошел качественный скачок в развитии вычислительной тех­ники, в результате которого количественный рост мощности и быстродействия ЭВМ позволил обслуживать многочисленных уда­ленных пользователей практически в режиме реального времени;

быстрым проникновение средств вычислительной техники в тех­нику связи, что позволило автоматизировать процессы обработки, передачи, приема и распределения сообщений в сетях связи.

Основной задачей, появившейся в то время, являлась проблема организации связи между удаленным терминалом пользователя и мощной ЭВМ, а также создание распределенных вычислительных систем.

По сравнению с традиционными телеграфными сетями к сетям ПД предъявляются более жесткие требования по верности, скоро­сти передачи и надежности.

Вторичная сеть ПД - это совокупность аппаратных и программ­ных средств для ПД между ЭВМ, а также между пользователями и ЭВМ.

Поскольку сеть ПД является основой, ядром для создания ин­формационно-вычислительных сетей (ИВС), она иногда называется базовой сетью ПД.

Действующие и разрабатываемые сети ПД существенно разли­чаются по структуре, принципам функционирования, техническим средствам и ряду других признаков.

Классификация сетей ПД приведена на рис. 5.

Рис. 5. Классификация сетей передачи данных

На начальном этапе для передачи данных использовались тра­диционные сети.

Это, прежде всего, организация сети ПД с использованием те­лефонной сети общего пользования (ТФОП). Основным достоинст­вом этой сети является ее широкая разветвленность. Однако ТФОП не в полной мере отвечает требованиям ПД по следующим основ­ным причинам:

аналоговый способ передачи сообщений;

невысокая скорость передачи (< 2400 бит/с);

значительное время установления соединения; частые отказы в установлении соединения;

специфические помехи, в основном импульсные, при невысоком допустимом уровне полезного сигнала.

Использование сетей AT и «Телекс» для ПД, также сопряжено с рядом недостатков:

низкая скорость передачи ≤ 200 бит/с;

низкая верность - вероятность ошибки на знак 10^-3;

строго фиксированный первичный код - МТК-2 и режим работы (стартстопный).

Цифровые сети передачи данных с коммутацией каналов. Общим отличительным признаком цифровых сетей ПД является применение цифровых систем передачи (ЦСП) на всех участках сети, начиная от абонентских и кончая магистральными линиями, и электронных станций.

Цифровые сети ПД по сравнению с традиционными сетями ха­рактеризуются высокой верностью, большими скоростями переда­чи, малым временем установления соединения и высокой надежностью. Вероятность ошибки на знак в этих сетях ≤10^-6...10^-7 скорость передачи по высокоскоростным каналам ПД - десятки, сотни Кбит/с и десятки Мбит/с. Благодаря цифровым системам коммутации сокращается время установления соединения до не­скольких секунд и меньше. Надежность в цифровых сетях обеспе­чивается за счет более высокой надежности ее элементов: реализации ЦСП на БИС, резервирования оборудования систем коммутации, а также благодаря гибкой системе управления сетью на базе ЭВМ. Эта система позволяет оперативно управлять сетью ПД, эффективно контролировать ее состояние, а в случае выхода из строя отдельных участков сети быстро находить обходные пути.

Применение в цифровых сетях ПД управляющих систем позво­ляет ввести большой набор новых услуг, например, организацию закрытых групп пользователей, прямой и сокращенный вызов, идентификацию вызываемого абонента.

Сети передачи данных с коммутацией каналов (ПД-КК) можно разделить на два класса: асинхронные и синхронные. В асинхрон­ных сетях отсутствует единая синхронизация, отдельные системы передачи и коммутационные станции имеют самостоятельные тактовые генераторы.

В синхронных сетях прохождение всех процессов (передачи и коммутации) во времени определяется единым тактовым синхро­сигналом от единого источника.

Асинхронные цифровые сети передачи данных. Эти сети появились исторически первыми, что определялось попыткой объе­динения разнородной цифровой техники. Примером такой сети может служить комбинированная сеть передачи телеграфных со­общений и среднескоростной передачи данных. В асинхронных сетях, как правило, не согласованы скорости работы и методы синхронизации оконечного оборудования данных (ООД), способы разделения каналов и другие факторы. Для разрешения указанных противоречий все элементы сети дополняются цифровыми устрой­ствами, обеспечивающими прозрачный асинхронный ввод (ПАВ), при котором не предъявляется каких-либо требований к временным характеристикам передаваемого сигнала. ПАВ является прозрач­ным по отношению к длительности тактовых интервалов переда­ваемых сигналов, что обеспечивает возможность синхронного и стартстопного режимов работы и передачу дискретных сигналов с любой скоростью, не превышающей допустимую.

Широкое применение асинхронных сетей с ПАВ ограничивается следующими недостатками.

1. Наличие краевых искажений при использовании соответст­вующих методов сопряжения: наложения (МН), скользящего индек­са с подтверждением (СИП) и др.

2. Степень краевых искажений при ПАВ зависит от того, насколь­ко скорость работы синхронных устройств превышает скорость работы ООД. Самый экономичный из способов ПАВ требует не менее чем трехкратного превышения скорости цифрового потока над скоростью передачи данных.

3. Ограничения на величину краевых искажений вынуждают вы­бирать еще более высокие скорости цифровых потоков.

Другой способ построения асинхронных сетей с непрозрачным асинхронным вводом (НАВ) предполагает ограниченный набор скоростей передачи и единый метод синхронного временного раз­деления каналов. В таких сетях налагаются определенные требова­ния на временные параметры сигналов, поступающих от ООД, при этом разница между скоростями вводимого сигнала данных и циф­рового потока пренебрежимо мала. Сеть ПД-КК с НАВ по сравнению с ПАВ характеризуется значительно лучшим использованием про­пускной способности, возможностью высокоскоростной передачи данных и непрозрачностью в отношении скоростей и способов коммутации. В сети с НАВ краевые искажения практически отсутствуют. Следовательно, сети ПД-КК с НАВ имеют определенные преимущества по сравнению с асинхронными сетями с ПАВ.

Синхронные цифровые сети передачи данных с коммута­цией каналов. Цифровая синхронная сеть ПД-КК предъявляет жесткие требования к системам синхронизации. Возможны два варианта обеспечения синхронизации всех элементов сети.

1. В сети действует единый источник синхронизации, на частоту и фазу которого настраиваются тактовые генераторы коммутацион­ных узлов.

2. Общая синхронизация достигается путем взаимной автопод­стройки частот тактовых генераторов, расположенных в УК. Син­хронизация на местных участках сети осуществляется в соответствии с синхросигналами, передаваемыми каждым УК к подключенным мультиплексорам и отдельным АП. В нашей стране рекомендуется первый вариант или метод принудительной синхро­низации. Источник синхросигнала, нестабильность которого порядка 10^-5 располагается на одном из УК. Ведомые генераторы в осталь­ных УК осуществляют коррекцию своих частот путем сравнения числа тактовых интервалов, поступившего из линии сигнала и вы­рабатываемого местным тактовым генератором, за определенный промежуток времени. Результаты сравнения служат корректирую­щим сигналом для управления частотой местного тактового генера­тора.

Цифровые синхронные сети ПД-КК обеспечивают следующие характеристики:

- передачу данных в широком диапазоне скоростей (до 48 Кбит/с);

- вероятность ошибки на бит между любой парой АП без приме­нения устройств защиты от ошибок (УЗО), не хуже чем 10^-5;

- время установления соединения не более 1с при использова­нии наземных каналов;

- прозрачность передачи по отношению к битам, первичным ко­дам, алгоритмам и форматам;

- синхронизацию сети по кодовым элементам, а в случае необ­ходимости и по кодовым комбинациям (знакам).

Таким образом, цифровые синхронные сети ПД-КК имеют суще­ственные преимущества перед традиционными сетями, используе­мыми для передачи данных: высокие показатели верности, малое время установления соединения, широкий набор услуг.

Однако имеются определенные недостатки, например, слож­ность создания системы синхронизации и обеспечения живучести сети при выходе из строя тактовых генераторов. Общим недостат­ком всех сетей с КК является низкое использование пропускной способности канала связи в целом по сети. Указанные недостатки частично устраняются в сетях с КС и КП.

Сети передачи данных с коммутацией сообщений. В сетях передачи данных с коммутацией сообщений (сетях ПД-КС) сообще­ние, кроме данных, содержит служебные признаки, в том числе адрес получателя, категорию сообщения и т. д.

В ЦКС служебная часть анализируется, и сообщение передается в следующий ЦКС в соответствии с выбранным направлением. Сообщение ставится в очередь и находится в памяти ЦКС, пока все сообщения, находящиеся в очереди перед ним, не будут переданы. Сообщения между ЦКС передаются с более высокими скоростями, чем на абонентском участке, однако задержки в сети с КС зависят не от времени передачи по каналу связи, а от времени нахождения сообщения в очереди ЦКС. Это время зависит от нагрузки сети, производительности ЦКС и ряда других факторов.

Переменное и значительное время доставки сообщений через сеть КС является одной из основных особенностей сетей ПД-КС. В силу этого обстоятельства отсутствует возможность работы в реальном масштабе времени и невозможность режима диалога. Другой особенностью сети ПД-КС является то, что за доставку сообщения отвечают непосредственно технические средства сети, а не пользователи, так как у отправителя нет прямой связи с полу­чателем.

В ЦКС сетей ПД-КС для управления всеми процессами приема и передачи, а также выполнения ряда дополнительных функций используются ЭВМ.

При объединении большого числа АП в составе сети ПД-КС она должна иметь иерархическую структуру, содержащую несколько уровней. На рис. 6 приведен фрагмент участка сети ПД-КС, состоя­щий из четырех уровней.

На верхнем уровне располагаются междугородные МЦКС, на следующем - зоновые ЗЦКС, далее - низовые центры НЦКС и концентраторы КЦ и на самом нижнем уровне - АП. Связь МЦКС между собой осуществляется по полносвязной схеме, скорости передачи 4800 бит/с и выше. Непосредственно к МЦКС могут подключаться крупные вычислительные центры коллективного

Рис. 6. Фрагмент сети ПД-КС

использования ВЦКП. Зоновые центры ЗЦКС для обеспечения живучести и повышения надежности сети в целом подключаются не менее чем к двум МЦКС. Скорость передачи от ЗЦКС к МЦКС обыч­но 2400 или 4800 бит/с. По радиальным направлениям к ЗЦКС подключаются НЦКС и КЦ для более эффективного использования каналов на нижних уровнях сети. Скорости передачи составляет 1200 или 2400 бит/с. Абонентские пункты (АП) подключаются, как правило, к НЦКС и КЦ и передают данные со скоростями 50...1200 бит/с. При более высокоскоростной передаче АП может непосред­ственно включаться в ЗЦКС.

В сетях ПД-КС возникает необходимость выбора пути передачи информации, для которого среднее время задержки сообщения является минимальным. В сетях ПД-КК также решается задача выбора оптимального пути передачи, однако, она решается для данного сообщения один раз.

В сетях ПД-КС оптимальный путь должен выбираться в каждом ЦКС с учетом состояния других ЦКС, расположенных на направле­нии передачи.

Сообщение, передаваемое по сети ПД-КС, представляется в оп­ределенной форме, регламентирующей его предельный объем, состав и расположение служебной и информационной частей.

Форматом сообщения называется определенная последова­тельность элементов сообщения, имеющих строго заданное назна­чение.

Иногда добавляют и другие признаки - например, начало заго­ловка, конец сообщения, конец передачи и т. п.

Признаки (специальные кодовые комбинации), разделяющие различные части сообщения называются определителями.

В настоящее время разработано большое количество различных форматов. Например, формат сообщений в телеграфной сети задается рекомендацией F-31 МСЭ-Т и имеет следующие признаки:

«начало сообщения» - ЗЦЗЦ;

«конец сообщения» - НННН;

«начало текста» - ВК, ВК, ПС (ВК - возврат каретки, ПС - пере­вод строки);

«начало справочной части» - «/».

Адресная часть заголовка включает в себя следующие элементы:

порядковый номер сообщения на данном УК для контроля про­хождения сообщения по УК;

определитель формата сообщения, который задает вид формата;

категория срочности сообщения;

определитель адреса, задающий способ адресации (циркуляр­ное, многоадресное, сокращенный адрес и т. п.);

адрес получателя.

Справочная часть заголовка содержит:

адрес отправителя;

исходящий номер сообщения, позволяющий отличить данное сообщение от всех других;

дата и время ввода сообщения в сеть.

Справочная часть позволяет осуществить запрос о повторении сообщения, поиск сообщения в архиве, определить время доставки сообщения и время нахождения сообщения в сети и т. п.

Вид формата, зависящий от задач, решаемых сетью, обычно оп­ределяется на этапе проектирования после выбора структуры сети и комплекса технических средств.

Время задержки сообщения в сетях ПД-КК определяется време­нем установления соединения и временем передачи данных и при отсутствии повторных вызовов является величиной постоянной и сравнительно небольшой. В сетях ПД-КС, особенно при большом числе переприемов, время задержки существенно больше и может изменяться в широких пределах.

Для передачи сообщений большого объема требуются значи­тельные объемы памяти ЦКС, особенно в крупномасштабных сетях ПД-КС. Имеется еще ряд серьезных недостатков сетей ПД-КС, например, при возникновении ошибки требуется повторная переда­ча полного сообщения, большие массивы данных в большей степе­ни подвержены воздействию помех, чем короткие, и т. д.

Главное достоинство метода КС - высокая эффективность ис­пользования пропускной способности канала. Применение КС в основном ограничивается телеграфными сетями. В сетях ПД этот принцип используется для организации дополнительных видов обслуживания.

Сети передачи данных с коммутацией пакетов. Сети переда­чи данных с коммутацией пакетов (сети ПД-КП) появились в конце 60-х годов. При коммутации пакетов сообщения делятся на пакеты, передающиеся по сети с высокой скоростью, малой вероятностью ошибки и небольшой задержкой.

При этом более эффективно используются удаленные вычисли­тельные ресурсы, пропускные способности каналов связи и произ­водительности коммутационных систем.

Первые сети ПД-КП являлись ведомственными, например ARPANET (США), NPL (Великобритания) и др. Обеспечение связи между ЭВМ - функциональная основная особенность сетей ПД-КП в отличие от сетей ПД-КК и ПД-КС, предназначенных для обмена информацией между людьми.

При разработке сетей ПД-КП общего пользования применены принципы ведомственных сетей: режим диалога между ЭВМ, переда­ча коротких массивов данных с высокими скоростями, широкое при­менение принципов ВРК. Создание таких сетей началось в 70-х годах.

Пакетом называется последовательность двоичных символов, состоящая из данных (информационной части), сигналов управле­ния соединением и поля контроля ошибок, которые располагаются в определенном формате. Пакеты обычно имеют длину порядка 1000 бит и образуются путем разделения более длинного сообще­ния на части.

Метод промежуточного накопления информации в центрах ком­мутации, применяемый в сетях ПД-КС и ПД-КП, определяет ряд общих свойств у обоих видов сетей. Главное отличие сетей ПД-КП заключается в том, что относительно короткие пакеты записывают­ся в оперативную память с временем выборки, не превышающим несколько миллисекунд. Поэтому перезапись и ожидание в очереди не приводят к существенной задержке пакетов.

Основной особенностью сетей ПД-КП является высокая степень использования связных ресурсов за счет временного разделения канального и коммутационного оборудования между многими поль­зователями и высокоскоростной передачи небольших по размеру пакетов.

В рекомендации МСЭ-Т Х.2 сети ПД-КП предлагается строить на основе виртуального режима коммутации пакетов (КП-В) и режи­ма датаграмм (КП-Д).

Структура сети передачи данных общего пользования с ком­мутацией пакетов. На рис. 7 представлен фрагмент сети ПД-КП, включающий четыре уровня. На верхнем уровне располагаются междугородные центры коммутации пакетов МЦКП, на третьем уров­не - зоновые центры ЗЦКП, на втором - концентраторы КЦ и на первом - оборудование пользователей, которое может включать АП стартстопного, синхронного и пакетного типов, ПЭВМ и вычислитель­ные центры, оборудованные процессорами телеобработки (ПТ).

Рис. 7. Фрагмент сети ПД-КП

В состав сети ПД-КП входят шлюзы - специальные устройства, через которые взаимодействуют с сетью ПД-КП другие сети (ПД-КП, ПД-КК, ТГОП, ТФОП и др.).

Основным протоколом взаимодействия сети ПД-КП является ре­комендация Х.25 МСЭ-Т (МККТТ). Этот протокол определяет проце­дуры взаимодействия между пакетными ООД (оконечное оборудование данных) и АКД (аппаратура окончания канала данных).

В сетях ПД-КП обеспечивается эффективное использование связных и вычислительных ресурсов на основе мульплексирования каналов, контроля потоков и маршрутизации. По сравнению с сетя­ми ПД-КК и ПД-КС существенно повышается производительность, надежность и верность передачи, значительно сокращается время доставки сообщения.

Например, в действующих сетях ПД-КД среднее время доставки составляет от долей секунды до секунд, при увеличении скорости передачи между ЦКП время доставки сообщения можно довести до нескольких миллисекунд. Экономичесие показатели сети ПД-КП превосходят показатели сетей с КК и КС.