Сети и телекоммуникации
.pdfД.А.МЕЛЬНИКОВ
СИСТЕМЫ И СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
МОСКВА
2013
Мельников Д.А.
Системы и сети передачи данных: учебник / Д.А. Мельников. — М. …
2013.
Настоящий учебник предназначен для студентов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, обучающихся по направлениям 230100 «Информатика и вычислительная техника», 090900 «Информационная безопасность» (ИБ) и 230700 «Прикладная информатика», а также специальностям 090301 «Компьютерная безопасность», 090303 «Информационная безопасность автоматизированных систем» и 090305 «Информационно-аналитические системы безопасности». Он посвящен основам организации систем электросвязи (телекоммуникациям) и современных сетей передачи данных. Он включает следующие разделы: телекоммуникации; организация открытых компьютерных (инфор- мационно-технологических) сетей, включая локальные; сети с ретрансляцией кадров и асинхронным режимом доставки и сети с многопротокольной коммутацией пакетов на основе маркеров потока. Учебник будет полезен аспирантам и практическим работникам, занимающимся вопросами анализа, синтеза и оптимизации автоматизированных систем обработки данных и управления и открытых (прикладных) информационно-технологических сетей и систем, включая информационно-аналитические системы обеспечения безопасности.
Рецензенты:
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
|
стр. |
ОГЛАВЛЕНИЕ .............................................................................................................. |
3 |
ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................... |
9 |
ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................... |
11 |
РАЗДЕЛ I. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ ...................................................................... |
15 |
Глава 1. Организации по стандартизации в области телекоммуникаций .….. |
15 |
Введение………………………….......................................................... |
15 |
Организации по стандартизации в области телекоммуникаций …... |
15 |
Глава 2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем ……..………. |
19 |
Общие положения .................................................................................. |
19 |
Описание уровней ЭМВОС................................................................... |
21 |
Глава 3. Общие понятия о передаче информации.............................................. |
26 |
Основные определения ......................................................................... |
26 |
Общее определение уровней передачи ................................................ |
28 |
Параметры первичных сигналов .......................................................... |
29 |
Обобщенная структурная схема систем электросвязи ....................... |
34 |
Современные виды электросвязи ……………………………………. 35 |
|
Глава 4. Основные сведения о сетях электросвязи........................................... |
37 |
Основные определения ......................................................................... |
37 |
Сети передачи индивидуальных сообщений ...................................... |
38 |
Сети передачи массовых сообщений ................................................... |
41 |
Глава 5. Линии связи ............................................................................................ |
43 |
Кабельные и воздушные линии связи на основе металлических |
|
проводников ........................................................................................... |
43 |
Проблема электромагнитной совместимости ..................................... |
47 |
Волоконно-оптические линии связи .................................................... |
50 |
Кабельные системы ............................................................................... |
53 |
Радиолинии ……………………………………………………………. 54 |
|
Глава 6. Методы модуляции и кодирования ...................................................... |
57 |
Методы модуляции в системах и сетях связи ..................................... |
57 |
Кодирование в системах связи ............................................................. |
65 |
Системы с обратной связью ................................................................. |
83 |
Глава 7. Сигнально-кодовые конструкции ........................................................ |
85 |
Скорость передачи ................................................................................. |
85 |
Согласование модуляции и кодирования ............................................ |
90 |
Сигнально-кодовые конструкции Унгербоека ……………………... |
94 |
Сигнально-кодовые конструкции «последней мили» ……………… 97 |
|
Глава 8. Системы передачи ................................................................................. |
101 |
Основы теории многоканальной передачи сообщений ..................... |
101 |
Частотное разделение сигналов ........................................................... |
103 |
|
4 |
|
|
Временное разделение сигналов ……………………...……………... 107 |
|
|
̀ |
|
|
Разделение сигналов по форме ……………………………….……… 110 |
|
|
Комбинационное разделение сигналов ……………………………... 112 |
|
|
Синхронизация в сетях ……………………………………………….. 114 |
|
|
Обеспечение дальности связи ……………………………………….. 117 |
|
Глава 9. |
Аналоговые системы передачи ............................................................ |
120 |
|
Двусторонняя передача сигналов ……………………………………. 120 |
|
|
Каналы связи ………………………………………………………….. 122 |
|
|
Формирование стандартных групповых сигналов …………………. 126 |
|
|
Основные узлы систем передачи ……………………………………. 129 |
|
|
Методы организации двусторонних трактов ……………………….. 130 |
|
Глава 10. |
Цифровые системы передачи. Плезиохронная цифровая иерархия |
131 |
|
Особенности построения цифровых систем передачи (ЦСП) …….. |
131 |
|
Иерархии цифровых систем передачи ………………………………. 132 |
|
|
Европейская плезиохронная цифровая иерархия …………………... 134 |
|
Глава 11. |
Цифровые системы передачи. Синхронная цифровая иерархия ...... |
143 |
|
Недостатки ПЦИ …………………………………………………….... 143 |
|
|
Организация СЦИ.................................................................................. |
144 |
|
Принцип контейнерных перевозок ………………………………….. |
145 |
|
Функциональные слои сети СЦИ …………………….……………… 146 |
|
|
Аппаратура оперативного переключения …………………………... 156 |
|
|
Иерархическая трехуровневая структура сети СЦИ ……………….. 157 |
|
|
Надежность и живучесть сетей СЦИ ………………………………... 159 |
|
Глава 12. |
Системы радиосвязи .............................................................................. |
167 |
|
Радиолинии и системы передачи сообщений с радиоканалами ....... |
167 |
|
Радиопередающие устройства ……………………………………….. 168 |
|
|
Радиоприѐмные устройства ………………………………………….. 169 |
|
|
Антенны и фидеры …………………………………………………… 171 |
|
|
Радиорелейные системы передачи …………………………………... 178 |
|
|
Тропосферные радиорелейные системы передачи …………………. 181 |
|
|
Радиосистемы передачи на декаметровых волнах …………………. 181 |
|
|
Радиосистемы, использующие ионосферное рассеяние радиоволн |
|
|
и отражение от следов метеоров …………………………………….. 182 |
|
|
Спутниковые системы связи …………………………………………. 183 |
|
Глава 13. |
Цифровая обработка аналоговых сигналов......................................... |
188 |
|
Дискретизация сигнала во времени ..................................................... |
189 |
|
Квантование мгновенных значений сигнала ……………………….. 190 |
|
|
Кодирование и декодирование сигналов ……………………………. 193 |
|
|
Методы разностного квантования аналоговых сигналов ………….. 195 |
|
|
Параметрическое компандирование речевых сигналов …………… 197 |
|
Глава 14. |
Телевизионные системы ....................................................................... |
200 |
|
Общие принципы телевещания ............................................................ |
200 |
|
Жидкокристаллические дисплеи (мониторы и телевизоры) ………. |
204 |
|
Характеристики существующих телевизионных систем …………... 210 |
|
|
Цифровое телевидение ……………………………………………….. 211 |
|
5 |
|
Глава 15. Системы подвижной радиосвязи .......................................................... |
213 |
Профессиональные системы подвижной радиосвязи …………….... 213
Сотовые системы ……………………………………………………... 216
Системы беспроводных телефонов ………………………………….. 221
Глава 16. Системы сотовой радиосвязи ............................................................... |
227 |
Пан-Европейский стандарт GSM ……………………………………. |
227 |
Сотовые системы связи с кодовым разделением каналов …………. 232 |
|
РАЗДЕЛ II. ОТКРЫТЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И СИСТЕМЫ .................... |
245 |
Глава 17. Общие характеристики организации открытых ИТС………….…... |
245 |
Структура и топология ИТС ................................................................. |
245 |
Зачем нужны сети? ................................................................................ |
248 |
Характеристики ИТС ............................................................................. |
250 |
Требования к организации ИТС ........................................................... |
251 |
Процессы ……………………………………………………………… 252 |
|
Многоуровневая организация управления ИТС ……………………. 253 |
|
Интерфейсы …………………………………………………………… 257 Структура сообщений ………………………………………………... 257 Протоколы …………………………………………………………….. 259
Распределение функций по системам ……………………………….. 262
Глава 18. |
Методы коммутации и передачи данных в ИТС ................................ |
265 |
|
Коммутация каналов, сообщений и пакетов ....................................... |
265 |
|
Дейтаграммы и виртуальные каналы………………………………... |
268 |
|
Базовые средства передачи данных …………………………………. 270 |
|
Глава 19. |
Организация управления потоками данных в ИТС ............................ |
272 |
|
Способы адресации ............................................................................... |
272 |
|
Маршрутизация пакетов……................................................................ |
276 |
|
Управление потоками ............................................................................ |
283 |
|
Защита от перегрузок ............................................................................ |
288 |
Глава 20. Протоколы и интерфейсы управления каналами и сетью передачи данных ……...…………………………………………………….……. 291
Протоколы физического уровня …………………………………….. 291
Интерфейс Х.21 ……………………………………………………….. 294
Протоколы канального уровня ………………………………………. 295 Протокол канального уровня HDLC ………………………………… 300
Протокол Х.25 ………………………………………………………… 305
Глава 21. |
Транспортная служба ИТС ................................................................... |
311 |
|
Транспортный протокол ……………………………………………… 313 |
|
|
Структура сообщений ………………………………………………... 314 |
|
|
Процедуры транспортного интерфейса ……………………………... 314 |
|
|
Функционирование транспортной службы …………………………. 316 |
|
Глава 22. |
Протоколы высокого уровня в ИТС………………………………… 320 |
|
|
Протокол виртуального терминала ...................................................... |
322 |
Передача файлов ……………………………………………………… 326
Удаленный ввод заданий …………………………………………….. 327
6
Распределенная обработка …………………………………...……..... 328
Электронная почта ……………………………………………………. 330
Протоколы обработки графической информации ………………….. 331
Глава 23. |
Административное управление ИТС ................................................... |
334 |
|
Функции .................................................................................................. |
334 |
|
Организация ........................................................................................... |
337 |
РАЗДЕЛ III. ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В |
|
|
|
ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ……………............. |
339 |
Глава 24. |
Принципы построения ЛВС ………..................................................... |
339 |
Глава 25. |
Моноканалы ........................................................................................... |
348 |
|
Каналы передачи данных ...................................................................... |
348 |
|
Организация моноканалов …………………………………………… 352 |
|
|
Свободный доступ с проверкой столкновений ……………………... 353 |
|
|
Устойчивость моноканала со свободным доступом ……………….. 357 |
|
Синхронный свободный доступ с проверкой столкновений ………. 359 Свободный доступ с проверкой несущей …………………………… 360
Эстафетный доступ …………………………………………………… 362
Управление информационным каналом …………………………….. 364
Глава 26. Адаптеры ………………………………………………………….…... 366 Приемопередатчики ………………………………………………….. 367
Управление доступом и информационным каналом ………………. 369
Глава 27. Расширение и комплексирование …………………………………… 372
Способы расширения ………………………………………………… 372
Способы комплексирования …………………………………………. 376
Глава 28. Реализация………………………………………………………….….. 379 Сеть «Ethernet» ………………………………………………………... 379
Сеть «CambridgeRing» (CR, Кембриджское кольцо) ….…………… 382
Проект 802 стандарта ЛВС …………………………………………... 385 Стандарт ANSI FDDI …………………………………………………. 388
РАЗДЕЛ IV. СЕТИ С РЕТРАНСЛЯЦИЕЙ КАДРОВ ................................................ |
391 |
Глава 29. Организация информационного обмена и характеристика |
|
интерфейса «пользователь-сеть»…...…….......................................... |
391 |
Логическая характеристика FR-протокола ……..……………...…… 392 |
|
Процедурная характеристика FR-протокола ……………..……..….. 396 |
|
Управление доступом и защита от перегрузок….……………...…... |
396 |
Адресация в FR-сетях …………………………………….……..……. 399 |
|
Общая характеристика LMI ………………………………………….. 400 |
|
Логическая характеристика LMI …………………………………….. 401 Процедурная характеристика LMI …………………………………... 403 Процедурная характеристика LMI при возникновении ошибок ….. 410 Параметры для синхронизации процедур управления LMI ……….. 412
Глава 30. Организация коммутируемых виртуальных каналов и
7
характеристика интерфейса «сеть-сеть» …..…………………..….... 415
Интерфейс «сеть-сеть» …………………..……………..……….…… 415
Коммутируемые виртуальные каналы ………..............………..……. 421
Глава 31. Интеграция различных СПД на основе FR-сети …..…………..….... 438 Характеристика FR-протокола для интеграции сетей, функционирующихпо различным сетевым протоколам ……..…….. 439
Интеграция FR и Х.25 сетей …………………..............………..……. 446
Ретрансляция кадров и речевой трафик …………………………….. 448
РАЗДЕЛ V. СЕТИ С АСИНХРОННЫМ РЕЖИМОМ ДОСТАВКИ ………….. 454
Глава 32. Организация доставки сообщений в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания
(ATM — Asynchronous Transfer Mode) ………………...……………. 454
Широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания …... 454 Асинхронный режим доставки …………………………………...….. 455 Эталонная модель ШЦСИО ………………………………………….. 457 Процедурная и логическая характеристики протокола ATM ……... 459
Управление доступом ………………………………………………… 463
Идентификаторы виртуального пути и виртуального канала ……... 464
Служба приоритетов …………………………………………………. 466
Защита заголовка ячейки ATM (циклическая проверка) …………... 467 Принципы информационного обмена и синхронизация в ATM …... 468
РАЗДЕЛ VI. СЕТИ С МНОГОПРОТОКОЛЬНОЙ КОММУТАЦИЕЙ НА
ОСНОВЕ МАРКЕРОВ ПОТОКА .…………………………..………. 473
Глава 33. Концептуальные основы архитектуры многопротокольной коммутации на основе маркеров потока ……………………………. 473
Введение ………………………………...…………………………….. 473 Маркеры ……………………………………………………………..… 477 LSR-маршрутизаторы нисходящего и восходящего потоков……... 479 Промаркированный (помеченный) IP-пакет ………………………... 479 Назначение и распределение маркеров потока ……………………... 479 Атрибуты для процедуры привязки маркеров потока ……………... 480 Протоколы доставки (распределения) маркеров потока …………... 480 Незапрашиваемый или нисходящий поток по требованию ……….. 481 Режим сохранения маркера потока ………………………………….. 482 Набор маркеров потока ………………………………………………. 482 Запись о доставке маркера на следующий РУ ……………………… 484 Отображение входящего маркера …………………………………… 486 Отображение FEC-класса в совокупность NHLFE-записей ……….. 487
Замена маркеров ……………………………………………………… 487
Назначение и уникальность маркеров ………………………………. 488 LSP-маршрут, вход LSP-маршрута, выход LSP-маршрута ………... 490 «Выталкивание» на предпоследнем РУ ……………………………... 493 Следующий РУ LSP-маршрута ……………………………………… 496 Недействительные входящие маркеры потоков ……………………. 497 Управление LSP-маршрутом: регулируемое или независимое …… 497
Агрегирование ………………………………………………………… 499 Выбор маршрута ……………………………………………………… 502
8
Отсутствие исходящего маркера …………………………………….. 503
Времяжизни IP-пакета ……………………………………………….. 504
Контроль возникновения петлевого маршрута …………………….. 506 Кодирование маркеров потоков ……………………………………... 508 Процедура слияния маркеров потоков ……………………………… 512
Туннели и иерархия …………………………………………………... 519
Доставка данных о LDP-протоколе …………………………………. 525
Глава 34. Кодирование набора маркеров в MPLS-системах ………………….. 526
Набор маркеров ……………………………………………….………. 526
Фрагментация и определение маршрута с минимальным
MTU-значением ………………………………………….…………… 533
Доставка помеченных пакетов по PPP-соединениям ………………. 541 Доставка помеченных пакетов через ЛВС ………………………….. 544
Глава 35. Применение MPLS-коммутации в сетях с ретрансляцией кадров … 546 Специализированные свойства FR-коммутаторов …………………. 548
Вставка маркеров потока ………………………………………...…... 549
Обработка сообщений FR/LSR-коммутаторов ……………………... 550 Модуль MPLS-управления для FR-сетей……...……………………. 562 Процедуры распределения и обработки маркеров …………………. 564
Глава 36. Применение MPLS-коммутации в сетях с асинхронным режимом доставки ……………………………………………………………….. 574
Специализированные свойства ATM-коммутаторов ………………. 576 Модуль MPLS-управления для ATM-сетей ……………………….... 576 Гибридные коммутаторы …………….………………………………. 577 Использование VPI/VCI-идентификаторов …………………………. 578 Процедуры распределения и обработки маркеров …………………. 581
Процедуры вставки …………………………………………………… 590 Обработка TTL-значения …………………………………………….. 591
Функция обнаружения петлевых маршрутов: распределение маршрутных векторов ……………………………………………….. 593
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................... |
597 |
П Р Е Д И С Л О В И Е
Настоящий учебник предназначен для студентов государственных обра-
зовательных учреждений высшего профессионального образования, обучаю-
щихся по направлениям 230100 «Информатика и вычислительная техника», 090900 «Информационная безопасность» (ИБ) и 230700 «Прикладная инфор-
матика», а также специальностям 090301 «Компьютерная безопасность», 090303 «Информационная безопасность автоматизированных систем» и 090305 «Информационно-аналитические системы безопасности». Учебник будет поле-
зен аспирантам и практическим работникам, занимающимся вопросами анали-
за, синтеза и оптимизации автоматизированных систем обработки данных и управления, а также открытых (прикладных) информационно-технологических сетей и систем (ИТС), включая информационно-аналитические системы обес-
печения безопасности. Он включает шесть разделов.
Первый раздел посвящѐн телекоммуникационным системам. В нѐм рас-
смотрены международные организации по стандартизации, эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), основные понятия и определения систем передачи информации, основы теории кодирования и модуляции,
включая сигнально-кодовые конструкции «последней мили», современные сис-
темы проводной и радиосвязи, волоконно-оптические и спутниковые системы,
цифровая обработка аналоговых сигналов, телевизионные системы. Особое внимание уделено системам мобильной радиосвязи: профессиональным и со-
товым, включая системы с кодовым разделением каналов.
Во втором разделе представлены протоколы информационного обмена,
структура, характеристики и многоуровневая организация управления ИТС,
архитектура которых соответствует ЭМВОС Международной организации по стандартизации (МОС).
10
В третьем разделе рассматриваются концептуальные положения и стан-
дарты организации информационного обмена в локальных вычислительных систем (ЛВС), а также принципы объединения и комплексирования ЛВС.
В четвертом и пятом разделах обсуждаются новые способы доставки со-
общений в сетях передачи данных (СПД): ретрансляция кадров и асинхронный режим доставки. Показаны основные аспекты и проблемы функционирования,
реализации и стандартизации таких сетей.
Шестой раздел посвящѐн архитектуре многопротокольной коммутации на основе маркеров потока, которая получает всѐ большее и большее примене-
ние в современных сетях и системах передачи данных.
Автор благодарит А.А. Микрюкова, А.И. Баяндина и А.П. Дураковского за их организационно-методическую и практическую помощь при подготовке рукописи к изданию. Особую признательность автор выражает С.В. Кунегину за предоставленные материалы, которые автор использовал в данном учебнике.
При подготовке материала большую поддержку автору оказали С.В.
Баушев, С.В. Захаркин, В.Н. Иванов, А.М. Плотников, М.М. Тараскин и С.В.
Толочков. Их практические советы и замечания были с благодарностью приня-
ты и учтены.