Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

1. Распределенные системы обработки данных

НИХ уровней изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наи­ более развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок - с помощью пред­ варительного установления логического соединения, контроля доставки сооб­ щений по контрольным суммам , контроля упорядоченной доставки пакетов с использованием их циклической нумерации, использование механизма таймаута и т. п.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и вьппе, реали­ зуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых ОС. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Протоколы нижних четьфех уровней обобщенно называют сетевым транс­ портом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают задачу транспортировки сообщений с заданньп^ уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три верх­ них уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

Сеансовый уровень. Сеансовый уровень (Session layer) позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завер­ шать соединение, назьшаемое сеансом. На этом уровне выполняются такие функции, как распознавание имен и защита, необходимые для связи двух прило­ жений в сети, обеспечивает управление диалогом между взаимодействующи­ ми процессами, т. е. регулируется, какая из сторон осуществляет передачу, когда, как долго и т. д.

Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательски­ ми заданиями посредством расстановки в потоке данных контрольных точек (checkpoints). Таким образом, в случае сетевой ошибки, потребуется заново передать только данные, следующие за последней контрольной точкой.

На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном про­ токоле.

Представительный уровень. Представительный уровень (Presentation layer) определяет форму обмена данными между сетевыми компьютерами. Этот уровень является переводчиком. На компьютере-отправителе данные, поступившие от прикладного уровня, переводятся в общепонятный промежу­ точный формат. На компьютере-получателе на этом уровне происходит пере­ вод из промежуточного формата в тот, который используется прикладным уров­ нем данного компьютера, т. е. представительный уровень имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содер­ жания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы.

30

1.3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Представительный уровень отвечает за преобразование протоколов, транслящпо данных, замену или преобразование применяемого набора символов (ко­ довой таблицы) и расширение графических команд. Представительный уро­ вень, кроме того, управляет сжатием данных для уменьшения передаваемых битов.

На этом уровне может вьшолняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Зесш'е Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека ТСРЯР.

На представительном уровне работает утилита, называемая редиректором (redirector). Ее назначение ~ переадресовать операции ввода/вывода к ресур­ сам сервера.

Прикладной уровень. Прикладной уровень (Application layer) - самый верхний уровень модели - представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения. В действительности - это набор разнообраз­ ных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким, как файлы, принтеры или гипертекстовые Webстраницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Нижележащие уровни поддерживают задачи, решаемые на прикладном уров­ не. Этот уровень управляет общим доступом к данным и обработкой ошибок.

Существует очень большое разнообразие служб прикладного уровня. В ка­ честве примера приведем несколько наиболее распространенных реализаций файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, FTP и TFTP, входящие в стек ТСРЯР.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни. Функции всех уровней мо­ дели OSI можно разбить на две группы: функции, зависящие от конкретной технической реализации сети и функции, ориентированные на работу с прило­ жениями.

Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реа­ лизацией сети и используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физическо­ го и канального уровней во всех узлах сети.

Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый - ориен­ тированы на приложения и мало зависят от технических особенностей постро­ ения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни бьшо измене­ ния в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию 100VGAnyLAN не потребует никаких изменений в программных средствах, реали­ зующих функции прикладного, представительного и сеансового уровней.

31

1. Распределенные системы обработки данных

Транспортный уровень является промежуточным, он скрьюает все детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транс­ портировки сообщений.

Профили стандартов открытых систем

Идеи, заложенные в модели OSI, получили широкое международное призна­ ние. В различных странах и регионах создаются организации, которые прово­ дят работы, связанные с созданием сетей, реализующих эту модель. Приме­ рами таких учреждений являются ассоциация европейских производителей компьютеров, организация OSIone.

Поставщики, производители и организации по стандартизации проводят ра­ боты по определению подмножеств стандартов взаимодействия открытых си­ стем, предназначенных для конкретных нужд пользователей. Эти подмноже­ ства называют функциональными профилями.

Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих моделей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов мо­ гут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, службами, поддерживаемыми на верхних уровнях, и прочими параметрами.

Интеграция компонентов в открытой системе должна следовать профилям стандартов на интерфейсы этих компонент.

Профили представляют собой набор согласованных стандартов интерфей­ сов компонентов на каждом уровне системы (как было показано вьппе на при­ мере системы обработки данных) и обеспечивают их совместимость.

Для определенности рассмотрения интерфейсов компонент и проведения необходимых анализов их реализуемости можно использовать модель среды открытых систем MUSIC, разработанную центральным агентством по компь­ ютерам и телекоммуникациям (ССТА) Великобритании. Эта модель является базовой фирмы Digital Equipment для построения открьггых систем. Модель MUSIC включает пять групп компонентов, из которых строятся открытые сис­ темы:

•управлеьше (Management) - функции системной администрации, безопас­ ности, управления ресурсами;

•конфигурация, сетевое управление;

•пользовательский интерфейс (User Interface) - интерфейс пользователя с прикладными программами и со средой разработки приложений;

•системные интерфейсы для программ (Service Interface for Programs) - интерфейсы между прикладньп^ш программами и между прикладными програм­ мами и ОС, в частности API (Application Programs Interface);

•форматы информации и данных;

•интерфейсы коммуникаций.

Европейская рабочая группа по открытым системам (EWOS) предложила шесть профилей стандартов:

32

2. о с н о в ы ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Даны основные понятия о системе передачи данных, каналах связи и их основных характеристиках, о формах представления сигналов в дискретном и непрерывном каналах связи Значительное внимание уделено методам защиты информации и слсатия при ее передаче по каналам связи Рассмотрены основные методы и технологии передачи данных на канальном уровне, в том числе по телефонным каналам связи В качестве примера технических средств телекоммуникаций рассмотрены основные связные интерфейсы и модемы , их характеристики и параметры

2.1. Понятие системы передачи данных

Для передачи информации используют некоторый материальный носитель - сигнал. Различают статические и динамические сигналы. Статические сиг­ налы в основном предназначены для передачи информацрш во времени, т. е. для хранения информации с последующим ее использованием, динамические сигналы - для передачи информации в пространстве. Любой сигнал неразрыв­ но связан с определенной материальной системой, называемой системой свя­ зи или системой передачи информации (рис. 2.1).

Будем считать, что с источником информации связано определенное мно­ жество сообщений. Генерация некоторого сообщения заключается в случай­ ном выборе одного сообщения из множества возможных. Какое это конкретно

Источник -> Передатчик -> \ Линия связи [- > Приемник -> Получатель i

/ \

Источник помех

Рис. 2.1. Система передачи информации

34

2.1. Понятие системы передачи данных

будет сообщение, заранее неизвестно, по крайней мере тому, для кого оно пред­ назначается. Известно лишь, что сообщение принадлежит определенному множеству.

Множества возможных сообщений бывают различных типов:

•конечные множества символов;

•конечные наборы детерминированных функций времени;

*• бесконечные множества значений некоторой непрерьгоной физической ве­ личины.

Сообщение, принадлежащее конечному множеству возможных значений, называется дискретным, а сообщение, выбираемое из бесконечного множе­ ства - непрерывным.

Передатчик преобразует сообщение в передаваемый ст^нал. В передат­ чике каждое из возможных сообщений на входе преобразуется в одно из воз­ можных значений сигнала на выходе по строго определенному правилу. Прави­ ла, по которым осуществляется преобразование сообщеьшя в сигнал, разные в зависимости от типов сообщений и сигналов (модулящы, кодирование, манипу­ ляция).

Линия связи - собственно физическая среда (medium), по которой переда­ ются сигналы. Одна и та же линия связи может служить одновременно для реализащш одного или нескольких каналов связи (многоканальная связь).

Канал (канал связи) - средства односторонней передачи данных. Приме­ ром канала может служить полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информащм. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода раз­ деления линии передачи данных:

временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM - Time Division Method), при котором каждому каналу выделяется неко­ торый квант времени, частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

Принимаемый сигнал на выходе канала связи отличается от входного пере­ даваемого сигнала из-за наложения помехи на полезный сигнал. Приемник осуществляет восстановление переданного источником информащ1И сообще­ ния по принятому сигналу. Данная операция возможна, если известно правило преобразования сообщения в сигнал. На основании этого правила вырабатыва­ ется правило обратного преобразования сигнала в сообщение (демодулящы, декодирование). Это правило позволяет в конечном счете выбрать приемной стороне сообщение из известного множества возможных сообщений, в идеаль­ ном случае полностью совпадающее с переданным сообщением.

Однако это бывает не всегда, вследствие искажения принятого сигнала воз­ можна ошибка при восстановлении сообщения.

Получатель в системах передачи информации - это либо непосредственно человек, либо технические средства, связанные с человеком.

35

2. Основы телекоммуникации

Типы линий связи

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, т. е. набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных различают следуюыще линии связи:

•проводные (воздушные);

•кабельные (медные и волоконно-оптические);

•радиоканалы наземной и спутниковой связи;

•инфракрасные лучи.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между стол­ бами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передают те­ лефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используют и для передачи компьютерных данных. Скоростные ка­ чества и помехозащищенность этих линий оставляют желать лучшего. Сегод­ ня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: элек­ трической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатичес­ кой. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими бы­ стро вьшолнять присоединение к нему различного оборудования. В системах телекоммуникации и компьютерных сетях применяют три основных типа кабе­ ля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара изготовляется в двух вариантах: в экранированном (STP - SMel-ded Twisted Pair) - когда пара медных проводов обертьгоается в изоляционный экран, и неэкранированном (UTP - UnsMelded Twisted Pair) - когда изоляционная обер­ тка каждой пары отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние вне­ шних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутрен­ ней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и об­ ластями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для ка­ бельного телевидения и т. п. Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5...60 микрон) волокон, по которым распространяются све­ товые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля, он обеспечивает пере­ дачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и вьппе) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от вне­ шних помех.

36

2,1. Понятие системы передачи данных

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью пе­ редатчика и приемника радиоволн. Существует много типов радиоканалов, от­ личающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью свя­ зи. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модулящ1и (AM - Amplitude Modulation) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными явля­ ются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для ко­ торых характерна частотная модуляция (FM - Frequency Modulation), а также на диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчи­ вой связи необходимо наличие прямой видимости между передатчиком и при­ емником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется.

Инфракрасное излучение. Инфракрасные беспроводные сети использу­ ют для передачи данных инфракрасные лучи. В подобных системах необходи­ мо генерировать очень сильный сигнал, так как в противном случае значитель­ ное влияние будут оказывать другие источники.

Сети на рассеянном инфракрасном излучении. При этой технологии сигналы, отражаясь от стен и потолка, в конце концов достигают приемника. Эффективная область ограничивается примерно 30 м. Скорость передачи не­ велика (так как все сигналы отраженные).

Сети на отраженном инфракрасном излучении. В таких сетях опти­ ческие трансиверы, расположенные рядом с компьютером, передают сигналы в определенное место, из которого они транслируются соответствующему ком­ пьютеру.

Широкополосные оптические сети. Эти инфракрасные беспроводные сети предоставляют широкополосные услуги магистрали, соответствуют жес­ тким требованиям мультимедийной среды и практически не уступают кабель­ ным сетям. Хотя скорость и удобство использования инфракрасных сетей очень пррггягательны, возникают трудности при передаче сигналов на расстояние более 10 м. К тому же такие сети подвержены помехам со стороны сильных источ­ ников света, которые есть в большинстве помещений.

В компьютерных сетях в настоящее время применяют практически все опи­ санные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. На них сегодня строят как магистрали круп­ ных территориальных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой является также витая пара, которая характеризует­ ся отличным соотношением качества к стоимости и простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на рас­ стояниях до 100 м от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь ис­ пользуют чаще всего в случаях, когда кабельные связи применить нель­ зя - например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети.

37

2. Основы телекоммуникации

Математические модели сигналов

Для передачи информации в качестве сигналов используют различные фи­ зические процессы или объекты, характеризующиеся большим числом пара­ метров. Однако не все параметры этих процессов существенны с точки зрения передачи информации. Поэтому часто применяют приближенное представле­ ние физического процесса, используемого для передачи информации -л^од^ль

сигнала.

Различают следующие параметры сигнала: структурные, идентифицирую­ щие, информативные.

Структурные параметры определяют число степеней свободы сигнала. Идентифицирующие параметры служат для выделения полезного сигнала среди других сигналов, не предназначенных для данного адресата. Информа­ тивные используют для кодирования передаваемой информации.

Пример. Пусть математическое описание сигнала задано вьфажением:

и возможные сообщения, выбираемые из множества С источником, преобразуются в передатчи­ ке в различные значения амплитуды Х синусоидального колебания.

Вэтом случае амгоппуца сигнала^является информативным параметром сигнала. По часто­ те/сигнала S обычно его выделяют среди других сигналов того же класса с другими значениями частоты. Таким образом, параметр/можно отнести к идентифицирующим параметрам. Число степеней свободы по информативному параметру сигнала S в общем случае зависит от време­ ни - параметра /, поэтому t следует рассматривать как структурный параметр сигнала.

Вслучае, если информативный параметр Хне зависит от структурного параметра /, то выб­ ранное значение амплитуды остается неизменным на всем протяжении сигнала, т.е. каждое воз­ можное сообщение сопоставляется с гармоническим колебанием бесконечной длительности и определенной амплитуды. Таким образом, в этом случае сигнал S по информативному парамет­ ру X имеет всего лишь одну степень свободы.

ЕслиХзависиг от параметра t в вьфажении S(t) = X(t) sin (2ii/? + ф), то сигнал S(t) в принципе имеет бесконечное число степеней свободы.

В качестве информативных можно использовать различные параметры, например/или ф , причем /может быть одновременно и информативным, и идентифицирующим параметром.

По информативным параметрам различают сигналы дискретные и непре­ рывные. Если множество возможных значений информативного параметра сигнала конечно или счетно, то сигнал называется дискретным по данному параметру. Если информативный параметр сигнала принимает континиум зна­ чений, то сигнал назьюается непрерывным по данному параметру.

Если информативный параметр не один, то сигнал может бьпъ дискретным по одному параметру и непрерывным по другому. Поэтому часто бывает удоб­ но пользоваться понятием «состояние сигнала», которое определяется тем, какие конкретные значения примут к информативных параметров по каждой степени свободы.

38

2.7. Понятие системы передачи данных

Число ВОЗМОЖНЫХ состояний сигнала

где т. - число возможных значений /-го параметра сигнала; п - число степе­ ней свободы сигнала.

Из выражения (2.2) ясно, что если число степеней свободы сигнала или, по крайней мере, один из сомножителей бесконечно большой, то и число состоя­ ний сигнала также будет бесконечно большим. Так как в передатчике происхо­ дит изменение значений информативных параметров сигнала и, следовательно, изменение состояния сигнала в соответствии с передаваемым сообщением, то информация, переносимая сигналом, заключается именно в его состоянии.

Таким образом для любой модели сигнала (дискретные значения или не­ прерывные процессы) сущность процесса передачи информации не меняется и состоит в следующем:

•в передатчике сообщения трансформируются в состояние сигнала;

•сигнал в канале искажается помехой, и состояние сигнала непредсказуемо изменяется;

•в приемнике по измененному состоянию сигнала принимается решение относительно переданного сообщения.

Отсюда ясно, что при восстановлении сообщения возможны ошибки, и оче­ видно, что вероятность возникновения ошибок будет тем меньше, чем суще­ ственней в некотором смысле различаются между собой состояния сигнала, кодирующие различш>1е сообщения. Следовательно, для того чтобы с помо­ щью математической модели сигнала исследовать помехоустойчивость, в ней должна быть определена степень различия между возможными состояниями сигнала. Одним из приемов, позволяющим делать это, является представление возможных состояний сигнала в виде точек в некотором абстрактном простран­ стве, в котором тем или иным способом определено расстояние между любы­ ми двумя точками, т. е. метрическое пространство. Как правило, в качестве модели сигнала используется метрическое линейное пространство^ которое называют пространством сигнала,

В пространстве сигнала точек должно быть не меньше, чем возможных

сообщений источника информации: М>С, где М- мощность множества про­ странства сигнала Х,С - мощность множества сообщений источника. Сигна­ лы, представляемые в пространствах, где М= С, обладают низкой устойчиво­ стью к помехам.

Для повышения помехоустойчивости процесса передачи информации ис­ пользуют сигналы с большим числом состояний, чем это необходимо для ко­ дирования всех возможных сообщений, т. е. Л/ > С. Тогда возникает вопрос: какие точки пространства сигнала сопоставлять возможным сообщениям ис­ точника информации? Чтобы ответить на этот вопрос, проведем анализ рабо­ ты прием1шка.

39