Лекция 5. Сетевые технологии передачи информации.

В настоящее время процесс управления невозможно представить без оперативного обмена разнообразной информацией. Современный уровень развития средств связи предоставляет широкие возможности организации такого информационного взаимодействия.

Под системой телекоммуникаций понимается комплекс средств и каналов связи, работающих по определенным принципам (физическим, организационным, технологическим и пр.) и предназначенных для передачи информации на большие расстояния.

Имеются следующие виды телекоммуникационных систем: телеграфная связь; телефонная связь; радиосвязь; спутниковая связь; компьютерные сети.

При организации компьютерной сети любого уровня приходится объединять большое число различных ЭВМ. Чтобы такое объединение происходило по возможности легко, т.е. разные типы компьютеров и сетей могли быть соединены между собой и эффективно обмениваться информацией, Международной организацией по стандартизации (ISO) была разработана базовая модель взаимодействия открытых систем (OSI — Open System Interconnection). На сегодняшний день эта модель является международным стандартом для передачи данных.

В данной модели для описания взаимодействующих систем используется так называемый метод иерархической декомпозиции. Это означает разбиение сложной системы на уровни, связанные односторонней функциональной зависимостью.

Таким образом, в рамках данной модели каждая так называемая «открытая система», под которой понимается любая система от отдельного компьютера до глобальной сети, состоит из семи уровней: прикладной, представительский, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический.

Каждый из этих уровней отвечает за выполнение своего собственного круга задач и функций.

В данной модели определены следующие понятия: протокол; интерфейс; услуга. Под протоколом понимается стандарт, определяющий правила взаимодействия друг с другом одинаковых уровней двух абонентов сети. Так, например, стандарт Х.400 (электронная почта) является протоколом прикладного уровня, а стандарт V.42 (помехоустойчивое кодирование) — это протокол канального уровня.

Протокол определяет список команд, которыми могут обмениваться программы, порядок передачи этих команд, правила взаимной проверки, размеры передаваемых блоков данных (пакетов, кадров).

Интерфейсом называются правила, определяющие взаимодействие соседних уровней одной системы. Кроме того, говорится, что нижележащий уровень предоставляет следующему за ним ровню слугу. Так, например, сетевой уровень предоставляет транспортному уровню услугу связи. Транспортный уровень, в свою очередь, предоставляет услугу транспорта для организа­ции сеанса связи на следующем, сеансовом, уровне.

Современные системы передачи информации – это вычислительные сети. Совокупность всех абонентов вычислительной сети называют абонентской сетью. Средства связи и передачи данных образуют сеть передачи данных (рис. 2).

	- оконечное оборудование данных абонентов сети
	- узлы коммутации сети передачи данных
	- концентраторы

Рис. 2. Структурная схема сети ЭВМ.

Сеть передачи данных состоит из множества территориально рассредоточенных узлов коммутации, соединенных друг с другом и с абонентами сети при помощи различных каналов связи.

Узел коммутации представляет собой комплекс технических и программных средств, обеспечивающих коммутацию каналов, сообщений или пакетов. При этом термин коммутация означает процедуру распреде­ления информации, при которой поток данных, поступающих в узел по одним каналам связи, передается из узла по другим каналам связи с учетом требуемого маршрута передачи.

Концентратор в сети передачи данных представляет собой устройство, объединяющее нагрузку нескольких каналов передачи данных для последую­щей передачи по меньшему числу каналов. Использование концентраторов позволяет снизить затраты на организацию каналов связи, обеспечиваю­щих подключение абонентов к сети передачи данных.

Канал связи является совокупностью технических средств и среды рас­пространения, обеспечивающей передачу сообщения любого вида от источника к получателю при помощи сигналов электросвязи.

Структура сети ЭВМ, построенная но принци­пу организации обмена информацией через узлы коммутации сети переда­чи данных, предполагает, что абоненты сети не имеют между собой пря­мых (выделенных) каналов связи, а соединяется с ближайшим узлом ком­мутации и через него (и другие промежуточные узлы) с любым другим абонентом данной или даже другой сети ЭВМ.

Преимуществами построения сетей ЭВМ с использованием узлов ком­мутации сети передачи данных являются: значительное сокращение общего количества каналов связи и их протя­женности из-за отсутствия необходимости организации прямых каналов между различными абонентами сети; высокая степень использования пропускной способности каналов свя­зи за счет использования одних и тех же каналов для передачи различных видов информации между абонентами сети; возможность унификации технических решений по программно-техни­ческим средствам обмена для различных абонентов сети, включая созда­ние узлов интегрального обслуживания, способных осуществлять комму­тацию информационных потоков, содержащих сигналы данных, голоса, телефакса и видео.

В настоящее время в сетях передачи данных применяются три метода коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов.

При коммутации каналов в сети создается непосредственное соедине­ние путем создания сквозного канала передачи данных (без промежуточ­ного накопления информации при передаче). Физический смысл коммутации каналов заключается в том, что до момента начала передачи информации в сети через узлы коммутации устанавливается непосредственное электрическое соединение между абонентом-отправителем и получателем сообщения. Такое соедине­ние устанавливается путем посылки отправителем специального со­общения-вызова, которое содержит номер (адрес) вызываемого або­нента, и при прохождении по сети занимает каналы связи на всем пути последующей передачи сообщения. Очевидно, что при коммутации каналов все составные части формируемого сквозного канала связи должны быть свободными. Если на каком-либо участке сети не будет обеспечено прохождение вызова (например, нет свободных каналов между узлами коммутации, составляющими путь передачи сообщения), то вызывающий абонент получает отказ в установлении соединения и для сети его вызов считается потерянным Для осуществления передачи сообщения абонент-отправитель должен вызов повторить

После установления соединения абонент-отправитель получает сооб­щение о том, что он может начинать передачу данных. Принципиальной особенностью коммутации каналов является то, что все каналы, занятые при установлении соединения, используются в процессе передачи данных одновременно и освобождаются только после завершения передачи дан­ных между абонентами. Типичным примером сети с коммутацией каналов является сеть теле­фонной связи.

При коммутации сообщений производится прием и накопление сооб­щения в узле коммутации, а затем осуществляется его последующая пере­дача. Из этого определения следует основное отличие коммутации сооб­щений от коммутации каналов, которое заключается в том, что при комму­тации сообщений происходит промежуточное хранение сообщений в уз­лах коммутации и производится их обработка (определение приоритета сообщения, размножение для многоадресной рассылки, запись сообщения и архив и т.п.). Для обработки сообщений они должны иметь принятый в сети формат, то есть однотипное расположение отдельных элементов со­общения. Сообщение от абонента сначала поступает в узел коммутации сети, к которому подключен данный абонент. Далее в узле производится обработ­ка сообщения и определяется направление его дальнейшей передачи с учетом адреса. Если все каналы в выбранном направлении передачи заняты, то сообщение ожидает в очереди момента освобождения нужного канала. После достижения сообщением узла сети, к которому подключен абонент-получатель, сообщение выдается ему в полном объеме по каналу связи между этим узлом и абонентом. Таким образом, сообщение при прохождении по сети в любой момент времени занимает лишь один канал связи.

Коммутация пакетов определяется как разновидность коммутации со­общений, при которой сообщения разбиваются на части, называемые па­кетами, и передаются, принимаются и накапливаются в виде таких пакетов данных.

Эти пакеты нумеруются и снабжаются адресами, что позволяем передавать их по сети одновременно и независимо друг от друга.

Передача данных реализуется отправкой и приемом сигналов. Сигналом называется форма представления информации с помощью физической величины, изменение одного или нескольких параметров которой отображает изменение информации. Параметры сигналов являются функциями времени S(t), причем и аргумент и функция могут принимать непрерывные и дискретные значения.

Непрерывный по уровню сигнал непрерывного времени называется аналоговым сигналом. Посредством квантования (дискретизации) по уровню и по времени (рис. 3) такой сигнал преобразовывается в цифровой сигнал. Возможность такого преобразования без потери информации, содержащейся в исходном сигнале, основывается на теореме В.А.Котельникова, которая формулируется следующим образом: сигнал S(t) не имеющий спектральных составляющих с частотой выше ω_в = 2π/f_в, однозначно определяется своими мгновенными значениями (отсчетами), взятыми через интервалы времени Δt = π/ω_в = 1/2f_в.

Рис. 3. Принципиальная схема преобразования аналогового сигнала в цифровой.

При передаче аналогового сигнала нужно определять абсолютные значения амплитуды, частоты или фазы несущего сигнала, что с учетом помех в канале связи реали­зовать существенно сложнее, чем распознавать двоичные сигналы в цифровых системах. Кроме того, все виды информации (речь, данные, изображение) в цифровых системах представлены в единой цифровой форме, что позволяет передавать, коммутировать и обрабатывать их едиными методами и техническими средствами.

Особенностью цифровой передачи информации является также временное уплотнение каналов для построения многоканальных систем передачи (мультиплексирование с временным разделение каналов).

При передаче сформированных двоичных ИКМ-последовательностей они подвергаются перекодированию для оптимизации передач по линии связи.

Дело в том, что поток бит, полученный в результате кван­тования и двоичного кодирования, оптимален только с позиций уменьше­ния ошибок квантования, но практически непригоден для передачи по каналу связи, так как осложняет выделение сигналов синхронизации.

Линейный код, то есть код для передачи в линию связи, должен имен,: минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ограни­ченную плотность на низких частотах;

минимально возможные длины блоков повторяющихся символов («1» или «О»);

дискретную составляющую спектра для информации о тактовой частоте передаваемых двоичных сигналов.

Существует большое количество линейных кодов, так или иначе удовлетворяющих поставленным выше требованиям. Число уровней линейного кода может быть 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирование). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (0, +1) и двухполярным (+1, -1); трехуровневое — однополярным (0, +1, +2) или двухполярным (-1, 0, +1). Например, оптические линии требуют однополярных методов кодирования, а электрические используют как однополярные, так и двухполярыые методы кодирования

Продолжительность занятия канала рассчитывается по формуле

Т = ]М/b_опт[∙t, с

где М – длина сообщения, символов;

b_опт – оптимальная длина блока, символов;

t – продолжительность передачи одного блока информации, с;

]М/b_опт[ - функция округления в большую сторону.

Оптимальная длина блока информации, обеспечивающая максимальное значение эффективной скорости передачи данных, зависит от вероятности искажения бита и протокола передачи данных

, (1)

где n_c – объем служебной информации на каждый передаваемый блок, символов;

r – количество двоичных разрядов, используемых для кодирования полезной и служебной информации, бит;

р – вероятность ошибки (искажения) двоичного разряда (бита) при передаче по каналу связи.

Количество символов служебной информации на каждый передаваемый блок включает символы контрольного кода (n_д) и подтверждения от принимающей стороны (n_п): n_c = n_д + n_п. Значение натурального логарифма в формуле(1)приведено в таблице

x	ln(x)
0,9999	-0,0001
0,99999	-0,00001
0,999999	-0,000001
0,9999999	-0,0000001

Продолжительность передачи одного блока информации с количеством символов равным b_опт можно рассчитать по формуле

где V - скорость передачи данных, бит/с;

n_з – количество символов защищенной информации.

Важнейшим условием надежного функционирования АСУ является обеспечение высокой достоверности информации на всех этапах решения задачи. Ошибки в информации могут возникнуть на этапах ее регистрации, подготовки, передачи и обработки. Значитель­ная доля ошибок вносится оператором при подготовке данных. При передаче данных во каналам связи возможно их искажение под действием помех. Искажение данных возможно также в результате сбо­ев и отказов устройств ЭВМ. Для обеспечения достоверности используются различные методы контроля и защиты информации от искажения.

Программно-логические методы контроля, корректирующие ко­ды и системы с обратной связью являются основными методами широко используемыми в АСУ для обнаружения и исправления ошибок на этих этапах.

Ряд методов, основанных на использовании избыточной информации построен на том, что к защищаемый данным (знаку, числу, группе чисел) добавляются избыточные данные (контрольная комбинация), полученные путем преобразования исходных данных по определенным правилам. Любая операция передачи (обработки) данных предусматривает вычисление контрольной комбинации на передающем конце (для чисел, участвующих в операции), переда­чу данных вместе с контрольным кодом, вычисление контрольной комбинации на принимающем аппарате и сравнение ее с принятой комбинацией.