Вопрос 4. Разновидности сигналов электросвязи, протоколы, интерфейс. Понятие открытых систем.

Общепринято следующее содержательное толкование термину электросвязь. Связь представляет собой процесс передачи сообщений от источника к получателю.

Сообщением называют совокупность сведений о состоянии какого-либо материального объекта. Источник и получатель сообщений разделены некоторой средой, в которой источник образует возмущения, отображающие сообщение и воспринимаемые получателем.

Физическая реальность, изменения которой в пространстве и во времени отображают передаваемое сообщение, называется сигналом. Например, при разговоре источником сообщений является голосовой аппарат человека, в качестве сигнала выступает изменяющееся в пространстве и во времени воздушное давление - акустические волны; получателем служит человеческое ухо.

В современном обществе для передачи различного рода сообщений широко используются электрические сигналы - электромагнитные колебания, изменения параметров которых отображают передаваемые сообщения.

Электрические сигналы имеют ряд преимуществ перед сигналами другой физической природы - они могут передаваться на большие расстояния, их форму можно преобразовывать сравнительно простыми техническими средствами, скорость их распространения близка к скорости света.

Передача, излучение и прием сообщений по электромагнитным системам называется электросвязью.

Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Информационный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах.

Непрерывный сигнал часто называют аналоговым.

Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения. Рассмотрим графическую модель, отображающую принципиальные отличия формирования аналогового и дискретного сигналов (рис. 4.1.).

Рис. 4.1. Разновидности дискретных сигналов и их отличия по виду формирования от аналогового сигнала:

а) - дискретный по времени;

б) - дискретный по уровню;

в) - дискретный по времени и по уровню;

г) - цифровой двоичный сигнал.

Аналоговым сигналом в системах передачи называется непрерывный электрический или оптический сигналы F_н(t), параметры которого (амплитуда, частота или фаза) изменяются по закону непрерывной функции времени источника информации, например, речевого сообщения, подвижного или неподвижного изображения и т. д. Непрерывные сигналы могут принимать любые значения (бесконечное множество) в некоторых пределах.

Дискретные сигналы - состоят из отдельных элементов, принимающих конечное число различных значений. Аналоговые дискретные сигналы F_д(t) можно получить из непрерывных F_н(t), используя дискретизацию по времени (через интервал Т_д), квантование по амплитуде, или их одновременно.

Цифровой сигнал F_ц(t) формируется в виде группы импульсов в двоичной системе счисления, соответствующих амплитуде квантованного по уровню и дискретного по времени аналогового сигнала, при этом наличие электрического импульса соответствует "1" в двоичной системе счисления, а отсутствие - "0".

Основным преимуществом цифровых сигналов является высокая помехозащищенность, так как при наличии шумов и искажений при их передаче достаточно зарегистрировать на приеме наличие или отсутствие импульсов.

Преобразование непрерывного сигнала в цифровой может осуществляться при помощи импульсно - кодовой модуляции, дельта - модуляции, дифференциальной импульсно - кодовой модуляции (ИКМ, ДМ, ДИКМ) и их модификаций.

Таким образом, для получения цифрового сигнала принципиально необходимо произвести три основные операции над непрерывным сигналом: дискретизацию по времени, квантование по уровню и кодирование.

Передача профессиональной информации вследствие сетевого взаимодействия абонентов телекоммуникационной системы реализуется на основе многоуровневого подхода. При этом все множество функциональных модулей разбивается на уровни, образующие иерархию, то есть имеются вышележащие и нижележащие уровни. Преимуществом многоуровневого подхода является возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы. Модули нижнего уровня могут, например, обеспечивать надежную передачу электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, используя средства нижележащих уровней. На верх­нем уровне функционируют модули, обеспечивающие пользователям доступ к различным службам.

В процессе обмена сообщениями между двумя участниками необходимо организовать согласованную работу соответствующих уровней иерархии и принять различные соглашения. Например, оба участника должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, установить методы контроля достоверности и т. д.

Соглашения должны быть приняты для всех уровней: от самого низкого - уровня передачи единичных элементов до самого высоко­го, реализующего сервис для пользователей сети.

На рис. 2.17 изображена модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями.

Рис. 4.2. Взаимодействие двух узлов при передаче сообщения по телекоммуникационной системе

Процедуру взаимодействия этих узлов можно описать в виде набора правил взаимодействия соответствующих уровней обеих участвующих сторон.

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты одноименных уровней разных узлов (систем), называются протоколами.

Модули соседних уровней одного узла также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами, которые называются интерфейсом.

В практике телекоммуникационных систем и сетей встречается несколько другое определение, не противоречащее рассмотренному: под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных программных и конструкторских средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системе или сети.

Кроме рассмотренных используется более узкое, чем интерфейс, понятие стык, которое обозначает совокупность соединительных цепей и правил взаимодействия различных устройств, определяющих тип и назначение соединительных цепей, порядок обмена, а также тип и форму сигналов, передаваемых по этим цепям.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы могут быть реализованы аппаратно и программно. Протоколы нижних уровней реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней, как правило, чисто программными средствами. Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами - концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т.д.

Связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую, а через различные коммуникационные устройства. В зависимости от типа устройства в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.

Из того, что протокол является соглашением, принятым двумя взаимодействующими объектами, в данном случае двумя работающими в сети компьютерами, совсем не следует, что он обязательно является стандартным. Но на практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты.

В начале 1980-х годов ряд международных организаций по стандартизации - ISO, ITU-T и другие разработали модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI).

Понятие открытых систем

Нормальное функционирование всемирной сети связи (ВСС) предусматривает обмен информацией в любых службах электросвязи, который должен осуществляться по определенным, заранее оговоренным правилам. Эти правила (стандарты) разрабатываются рядом международных организаций электросвязи. В 1978г. в Международной организации по стандартам (МОС) был создан подкомитет, задачей которого являлась разработка международных стандартов для взаимосвязи открытых систем (ВОС). Под термином «открытая система» подразумевается система, которая может взаимодействовать с любой другой, удовлетворяющей требованиям открытой системы. Открытой она является тогда, когда соответствует эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ВОС).

На рисунке 2.18а представлены основные элементы сети, на рисунке 2.18б – семиуровневая архитектура взаимодействия OSI.

а) б)

Рис. 4.3. Концептуальная схема информационной сети:

а – взаимодействие элементов системы;

б – уровни системы

Основные элементы сети – это абонентские системы (АС) и физическая среда для передачи информации. Абонентские системы, представляющие собой рабочие станции пользователей и устройства коллективного пользования, обеспечивают некоторый прикладной процесс-тот или иной вид обработки, доставки и отображения информации для нужд пользователей, например запрос и заказ товаров в торговом центре покупателей с домашнего персонального компьютера (ПК). Под физической средой здесь понимается совокупность цифровых каналов, позволяющих передавать биты информации.

Взаимодействие АС может иметь различный уровень иерархии преобразования информации при обмене. Характер взаимодействия регламентируется международным стандартом: семиуровневой моделью OSI (Open System Interconnection – взаимодействие открытых систем). Сеть, содержащая АС, которые удовлетворяют этой модели и таким образом являются открытыми системами, являются открытой системой.

Семиуровневая архитектура взаимодействия АС имеет следующие функции уровней, т.е. следующие протоколы взаимодействия АС при соединениях (протокол – свод правил и форматов, определяющих взаимодействие элементов). Первый уровень – физический, он обеспечивает интерфейс (стык, соединение) с физической средой. Седьмой уровень – прикладной, этот уровень обеспечивает интерфейс с прикладным процессом. Между ними уровни второй – шестой дают остальные этапы перехода от битов физической среды к прикладному процессу пользователя. Канальный (второй) уровень – формирование пакетов (кадров), сетевой (третий) уровень – сегментирование и объединение блоков. Нижние три уровня относятся к передаче и маршрутизации данных. Представительный (шестой) уровень согласует форму представления информации (изображение, распечатка, строка символов и т.д.). Сеансовый (пятый) уровень обеспечивает диалог прикладных процессов. Верхние три уровня обслуживают пользовательские приложения. Четвертый (транспортный) уровень – создает связь между нижней и верхней группами уровней: обеспечивает сквозной обмен информацией между системами. Физическую среду называют также нулевым уровнем.

Как правило, соединение между АТС разных типов сетей осуществляется на нижних уровнях. Соединения на верхних уровнях осуществляется для сетей, выполненных не по модели ОSI, а по другим стандартам.

Для связи сетей между собой применяют интерфейсные устройства следующих видов:

• повторители (усилители, регенераторы) увеличивают длину сетевого канала – действуют на нулевом уровне;

• коммутаторы – дают соединение на первом уровне;

• мосты – действуют на втором уровне;

• маршрутизаторы – действуют на третьем уровне;

• мосты/маршрутизаторы – в зависимости от характера соединяемых сетей выполняют функции моста или маршрутизатора;

• шлюзы – обеспечивают взаимодействие (соединение) сетей на верхних уровнях.

С ростом номера уровня усложняются интерфейсные устройства. Эталонная модель ВОС – удобное средство для распараллеливания разработки для взаимосвязи открытых систем. Она определяет лишь концепцию построения и взаимосвязи стандартов между собой и может служить базой для стандартизации в различных сферах передачи, хранения и обработки информации.

Таблица. Функции, выполняемые уровнями систем

№ уровня	Наименование уровня	Функции, реализуемые уровнем
7	Прикладной	Представление или потребление информационных ресурсов. Управление прикладными программами
6	Представительный	Представление (интерпретация) смысла (значения) содержащейся в прикладных процессах информации
5	Сеансовый	Организация и проведение сеансов взаимодействия между прикладными процессами
4	Транспортный	Передача массивов информации, кодированных любым способом
3	Сетевой	Маршрутизация и коммутация информации, управление потоками данных
2	Канальный	Установление, поддержание и разъединение соединения
1	Физический	Физические, механические и функциональные характеристики каналов

Уровень 1 - физический (Physical layer) обеспечивает установ­ление соединения, поддержание и разъединения физических кана­лов для передачи электрических сигналов в виде единичных элементов (битов).

Примерами физических каналов являются коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой канал. На этом уровне определяются характеристики физических сред (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и т.д.) и электрических сигналов (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжений или токов, тип кодирования, скорость передачи и т.д.).

Здесь же оговариваются механические характеристики соедине­ний (типы разъемов и назначение контактов). Функции физического уровня реализуются во всех сетевых устройствах. В частности, со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом RS232. Иногда говорят, что физический уровень осуществляет организацию дискретного канала.

Уровень 2 - канальный (Data Link layer) в качестве одной из задач осуществляет проверку доступности среды передачи. Иными словами, одной из функций этого уровня является установление соединения, поддержание и разъединение канала передачи данных. Другой задачей канального уровня является повышение верности передачи на основе обнаружения и исправления ошибок. Для этого единичные элементы группируются в кадры (frames) и обеспечивается корректность передачи каждого кадра. Функция исправления ошибок на основе повторных передач в некоторых протоколах канального уровня отсутствует. Иногда протоколы канального уровня оказываются достаточными транспортными средствами и могут допускать работу прикладного уровня без привлечения средств сетевого и транспортного уровней.

Уровень 3 - сетевой (Network layer) предназначен для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, которые используют разные протоколы канального уровня. В данном случае под сетью понимается совокупность узлов или станций, объединенных одной из типовых топологий и использующих для передачи данных один из канальных протоколов. Доставка данных между сетями осуществляется сетевым уровнем и в том случае, когда структура межсетевых связей отличается от принятой в канальных протоколах.

Проблема выбора наилучшего пути доставки сообщений называется маршрутизацией и осуществляется маршрутизаторами. Маршрутизатор - это устройство, которое собирает сведения о топологии межсетевых соединений и на этой основе пересылает сообщения сетевого уровня в сеть назначения. Сообщения сетевого уровня называются пакетами (packets). На сетевом уровне определяются два вида протоколов. Сетевые протоколы (routed protocols) - осуществляют продвижение пакетов через сеть. Другой вид протоколов называется протоколами маршрутизации (routing protocols). Посредством этих протоколов в маршрутизаторах собирается информация о топологии межсетевых соединений.

Уровень 4 - транспортный (Transport layer) обеспечивает верхним уровням (прикладному и сеансовому) передачу данных с той степенью надежности, которая им необходима. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Выбор класса сервиса этого уровня определяется как степенью надежности, обеспечиваемой протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, так и надежностью транспортировки данных в сети на уровнях, расположенных ниже транспортного.

Протоколы нижних четырех уровней называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой.

Уровень 5 - сеансовый (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует какая из сторон является активной в данный момент, предоставляет средства синхронизации. Эти средства позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке. На практике сеансовый уровень редко реализуется в виде отдельных протоколов.

Уровень 6 - представительный (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой информации, не меняя ее содержания. Благодаря этому уровню, информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных для обеспечения секретности обмена данными сразу для всех служб.

Уровень 7 - прикладной (Application layer) - это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Прикладной уровень в качестве единицы данных использует сообщение (message).

Рассмотрение данной темы показывает сложность организационного и административного построения инфокоммуникационной сети с применением соответствующих протоколов передачи информации и технической организации семиуровневого разделения модулей обработки электрических сигналов при их передачи между абонентами сети связи.