Сети и телекоммуникации

В В Е Д Е Н И Е

Современный стремительный прогресс в области информационных тех-

нологий (ИТ) был предопределен объединением двух научно-технических на-

правлений — электросвязи (телекоммуникаций) и вычислительной техники.

Именно объединение вычислительной техники и связи повлекло за собой создание многих новых научно-технических направлений в области телеком-

муникаций и информатики. И главное среди них — цифровая обработка сигна-

лов, позволившая интегрировать различные виды и услуги связи в одной циф-

ровой сети и полностью автоматизировать процессы информационного обмена на базе специализированных ЭВМ.

Под ИТС обычно понимается территориально распределенная система коллективного использования средств связи и вычислительных ресурсов, обес-

печивающая повышение эффективности функционирования линий передачи информации и вычислительных средств при решении сложных задач обработ-

ки, хранения и передачи информации.

Средства передачи данных в ИТС представляют собой самостоятельную подсистему (сеть) специализированных аппаратно-программных комплексов

(ЭВМ), функцией которой является транспортировка информации между раз-

личного рода компьютерами, осуществляющими обработку информации и предоставляющими пользователям разнообразные услуги по организации вы-

числительных работ на ЭВМ, доступу к информационно-поисковым системам

(базам данных), сбору, обработке и накоплению информации и т.п.

В данном учебнике представлены ЭМВОС, основные понятия и опреде-

ления систем передачи информации и их организация (системы с частотным,

временным уплотнением и др.), основы теории кодирования и модуляции, ос-

новные помехоустойчивые коды, включая сигнально-кодовые конструкции

«последней мили», современные системы проводной и радиосвязи, волоконно-

оптические и спутниковые системы, цифровая обработка аналоговых сигналов,

12

телевизионные системы. Особое внимание уделено системам мобильной ра-

диосвязи: профессиональным и сотовым, включая системы с кодовым разделе-

нием каналов (CDMA — Code Division Multiple Access).

Специфика и эффективность работы ИТС в значительной степени опре-

деляются особенностями (протоколами) организации в сети информационного обмена, к которой подключены вычислительные машины и персональные ком-

пьютеры пользователей.

Современные ведомственные (корпоративные) информационные сети и системы создаются на основе ЛВС, которые прошли стремительный путь сво-

его развития. Первые ЛВС были рассчитаны на скорость передачи от 1…5

Мбит/сек, а современные ЛВС достигли скорости передачи до десятков Гбит/сек. В настоящее время активно развиваются беспроводные локальные системы передачи данных.

Основные тенденции развития систем передачи информации связаны с широким внедрением сетевой архитектуры в повседневную деятельность лю-

дей, ростом объемов передаваемой информации, возникновением новых про-

блемно ориентированных служб, требующих для своей реализации каналы свя-

зи с пропускной способностью до 108 бит/с, интеграцией различных служб в пределах одной СПД, организацией высокоскоростных (до 109 бит/с) каналов на основе волоконно-оптических, спутниковых и радиорелейных линий связи,

повсеместным переходом на цифровые методы и средства передачи информа-

ции.

Наиболее полно упомянутые тенденции реализуются в концепции созда-

ния цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО; ISDN — Integrated Services Digital Networks), развивающихся в направлении от узкополосных к широкополосным. Именно от внедрения последних ожидается наибольший эффект в области передачи информации, поскольку при этом будет создан про-

тотип СПД, глобальной в отношении интеграции видов служб и географиче-

ского расположения пользователей.

13

Ретрансляция кадров (Frame Relay — FR) — метод синхронной доставки сообщений в СПД с коммутацией пакетов. Первоначально разработка стандар-

та FR была ориентирована на ЦСИО, однако позже стало ясно, что FR приме-

нима в качестве коммуникационного стандарта и в других широкомасштабных ИТС. К числу еѐ достоинств, прежде всего, необходимо отнести: малое время задержки, простой формат кадров, содержащих минимум управляющей ин-

формации, независимость от протоколов верхних уровней ЭМВОС и др.

Под широкополосной ЦСИО (ШЦCИО, B-ISDN — Broadband Integrated Services Digital Network) понимается такая сеть интегрального обслуживания, в

которой доступ пользователей обеспечивается к относительно широкополос-

ным службам (высокоскоростной передачи данных, различным видеослужбам и др.).

Асинхронный режим доставки (Asynchronous Transfer Mode, ATM), вы-

бранный ITU-T в качестве основы для ШЦСИО, определяется как «обеспечи-

вающий большой диапазон скоростей и малую задержку метод уплотнения и коммутации сообщений, представленных в форме последовательности пакетов,

поддерживающей любую службу, независимо от того, ориентирована она на режим без установления соединения или с установлением соединения».

Всемирная Интернет-сеть также претерпевает значительные качествен-

ные изменения и фактически становится прототипом ИТС, глобальной в отно-

шении доставки любых видов сообщений (данные, речь, видео, анимация и др.)

и географического (пространственного) расположения пользователей. Одной из проблем развития Интернет-сети является нехватка адресов сетевого уровня,

которая в настоящее время постепенно решается путѐм ввода новой 16-байто-

вой системы адресации. Примерный диапазон адресов этой системы составляет

2128 ≈ 1040.

Однако переход к новой системе адресации выявил другую проблему:

значительный рост времени обработки заголовков пакетов сетевого уровня, в

состав которых входят 16-байтовые адреса. Такой рост существенно снижает

14

качество предоставляемых услуг в Интернет-сети (в частности, при доставке сообщений, «чувствительных» к колебаниям задержки, связанной с коммутаци-

ей и анализом заголовков таких сообщений). Для решения этой проблемы был предложен способ коммутации на основе маркеров (меток) потока данных.

Парадигмой доставки данных в MPLS-системах является то, что после

«приписки» пакета сетевого уровня к FEC-классу (эквивалентному классу дос-

тавки, Forwarding Equivalence Class — FEC) все последующие маршрутизато-

ры больше не обрабатывают заголовок пакета сетевого уровня. Вся доставка осуществляется на основе маркеров. Аббревиатура «MPLS» означает «Multiprotocol Label Switching» — многопротокольная коммутация на основе марке-

ров потока. Термин «многопротокольный» (multiprotocol) означает, что этот вариант способа коммутации пакетов приемлем для любого протокола сетевого уровня.

Раздел I « Т Е Л Е К О М М У Н И К А Ц И И »

Глава 1 Организации по стандартизации в области телекоммуникаций

Введение

Телекоммуникации являются одной из наиболее быстро развивающихся областей современной науки и техники. Жизнь современного общества уже не-

возможно представить без тех достижений, которые были сделаны в этой от-

расли за немногим более ста лет развития. Отличительная особенность нашего времени — непрерывно возрастающая потребность в передаче потоков инфор-

мации на большие расстояния. Это обусловлено многими причинами, и в пер-

вую очередь тем, что связь стала одним из самых мощных рычагов управления экономикой страны.

Одновременно, претерпевая значительные изменения, становясь много-

сторонней и всеобъемлющей, электросвязь каждой страны становится все более интегрированной в мировое телекоммуникационное пространство.

В настоящем разделе систематизированы основные сведения о современ-

ном состоянии и перспективах развития систем телекоммуникаций: линиях свя-

зи, системах передачи и системах коммутации, представляющие физический уровень эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) Меж-

дународной организации стандартизации.

Организации по стандартизации в области телекоммуникаций

Организации по стандартизации в области телекоммуникаций — это ор-

ганизации, цель деятельности которых заключается в создании единых между-

народных стандартов. Отсутствие единых стандартов приводит к несовмести-

мости оборудования различных производителей и, как следствие, невозможно-

сти организации международной связи. Организации по стандартизации обес-

печивают условия для обсуждения прогрессивных технологий, утверждают ре-

16

зультаты этих обсуждений в виде официальных стандартов, а также обеспечи-

вают распространение утвержденных стандартов.

Порядок работы организаций по стандартизации при принятии стандар-

тов может отличаться. Однако он схож в том, что производится несколько эта-

пов разработки и обсуждения новых технологий, разработки проектов стандар-

тов, голосования по всем или некоторым аспектам этих стандартов и, наконец,

официального выпуска завершенных стандартов.

Наиболее известными организациями по стандартизации являются сле-

дующие:

Международная организация по стандартизации (МОС) (International

Standart Organization — ISO) — является автором стандартов в различных об-

ластях деятельности, включая стандарты по телекоммуникациям. Членами ISO

являются национальные организации стандартизации. Участие в ISO является добровольным. Наиболее известным стандартом ISO в области телекоммуника-

ций является эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Телекоммуникационный сектор стандартизации Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union — ITU-T) — специализированный орган ООН, с 1993

года преемник Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique — CCITT) — международная организация, разрабатывающая стандарты в области связи. Кроме МСЭ-Т в состав МСЭ входят Сектор радиосвязи МСЭ-Р

(Radiocommunication Sector — ITU-R) и Сектор развития электросвязи (Telecommunication Development Sector — ITU-D). Стандарты ITU-T охватывают практически всю область телекоммуникаций.

Институт Инженеров по Электротехнике и Электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers — IEEE) — профессиональная организация,

разрабатывающая стандарты для сетей. Стандарты локальных сетей LAN явля-

ются наиболее известными стандартами IEEE по телекоммуникациям.

17

Европейский институт стандартизации электросвязи (European Telecommunications Standard Institute — ETSI). Определяет единую техническую политику в области телекоммуникаций для стран — членов Европейского со-

общества. Наиболее известным стандартом ETSI является стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи GSM.

Европейская конференция администраций почт и электросвязи (Conference of European Posts and Telegraphs — CEPT).

Европейская ассоциация производителей ЭВМ (European Computer Manufactures Association — ECMA).

Американский Национальный Институт Стандартизации (American National Standards Institute — ANSI) — является координирующим органом добровольных групп по стандартизации в пределах США. ANSI является чле-

ном ISO. Широко известным стандартом ANSI по коммуникациям является

FDDI.

Ассоциация Телекоммуникационной Промышленности (Telecommunication Industrial Association — TIA) — одна из групп ANSI, выпускающая стан-

дарты по телекоммуникациям. Самыми известным стандартом TIA является стандарт сотовой системы мобильной радиосвязи США IS-54.

Ассоциация Электронной Промышленности (Electronic Industrial Association — EIA) — так же одна из групп ANSI.

Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission —

FCC) США. Правительственная организация США, занимающаяся регу-

лированием в отрасли связи, в том числе распределением спектра радиочастот.

Совет по Регулированию Работы сетей Интернет (Internet Activities Board — IAB) — Совет определяет основную политику в области глобальной сети Internet. Включает в себя два подкомитета: исследовательский — IRTF (Internet Research Task Force) и стандартизации — IETF (Internet Engineering Task Force). Стандарты IAB называются «Request for Comments» (RFC) (запрос для обсуждения).

18

Производители оборудования телекоммуникаций, заинтересованные в быстром продвижении некоторой конкретной технологии, также создают орга-

низации стандартизации в данной области. В качестве примера можно привести такие организации как Форум ATM, Форум Frame Relay, Альянс Gigabit Ethernet

и пр.

В нашей стране работы по стандартизации в области связи наряду с Фе-

деральным агентством по техническому регулированию и метрологии прово-

дят также Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федера-

ции, Государственная комиссия по радиочастотам Минкомсвязи РФ, Прави-

тельственная комиссия по федеральной связи и технологическим вопросам ин-

форматизации Минкомсвязи РФ.

Глава 2 Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Общие положения

В начале 80-х годов ISO признала необходимость создания модели сети,

на основе которой поставщики оборудования телекоммуникаций могли созда-

вать взаимодействующие друг с другом сети. В 1984 году такой стандарт был выпущен под названием «Эталонная модель взаимодействия открытых сис-

тем» (Open System Interconnecting — OSI) или OSI/ISO.

Эталонная модель OSI (ЭМВОС) стала основной моделью систем пере-

дачи сообщений, получившей название архитектура открытых систем. При рассмотрении конкретных прикладных информационных систем производится сравнение их архитектуры с ЭМВОС. Эта модель является наилучшим средст-

вом для изучения современной технологии связи.

ЭМВОС делит проблему передачи информации между абонентами на семь менее крупных и, следовательно, более легко решаемых задач (реали-

зуемых функций). Конкретизация каждой задачи производилась по принципу относительной автономности. Очевидно, автономная задача решается легче.

Каждой из семи областей проблемы передачи информации ставится в со-

ответствие один из уровней эталонной модели. Два самых низших уровня ЭМВОС реализуются аппаратным и программным обеспечением, остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением.

ЭМВОС описывает, каким образом информация проходит через среду передачи

(например, металлические провода) от прикладного процесса-источника (на-

пример, по передаче речи) до процесса-получателя.

Вкачестве примера связи типа OSI предположим, что Система А на рис.

2.1имеет информацию для отправки в Систему В. Прикладной процесс Сис-

темы А сообщается с Уровнем 7 Системы А (верхний уровень), который сооб-

щается с Уровнем 6 Системы А, который в свою очередь сообщается с Уровнем

5 Системы А, и так далее до Уровня 1 Системы А. Задача Уровня 1 - направлять

20

(а также принимать) информацию в передающую (физическую) среду. После того, как информация проходит через физическую среду и принимается Систе-

мой В, она поднимается через слои Системы В в обратном порядке (сначала Уровень 1, затем Уровень 2 и т.д.), пока она, наконец, не достигнет приклад-

ного процесса Системы В.

Передающая среда

Рис. 2.1. Многоуровневая организация взаимодействия систем

Каждый из уровней сообщается с выше- и нижележащими уровнями дан-

ной системы. Однако для выполнения присущих уровню задач необходимо со-

общение с соответствующим уровнем другой системы, т.е. главной задачей Уровня 1 Системы А является связь с Уровнем 1 Системы В; Уровень 2 Сис-

темы А сообщается с Уровнем 2 Системы В и т.д.

ЭМВОС исключает прямую связь между соответствующими уровнями разных систем. Следовательно, каждый уровень Системы А использует услуги,

предоставляемые ему смежными уровнями, чтобы осуществить связь с соответ-

ствующим ему уровнем Системы В. Нижележащий уровень называется источ-

ником услуг, а вышележащий — пользователем услуг. Взаимодействие уровней происходит в так называемой точке предоставления услуг. Взаимоотношения между смежными уровнями отдельной системы показаны на рис. 2.2.