Kandaurova_N_Vychislitelnye_sistemy_seti_i_telekommunikatsii
.pdfЛекция № 13. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
ВКОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ
13.1.Основные сведения о телекоммуникационных системах
Основная функция телекоммуникационных систем (ТС), или территориальных сетей связи (ТСС), в условиях функционирования ТКС заключается в организации оперативного и надежного обмена информацией между абонентами, а также в сокращении затрат на передачу данных [6, 10, 16, 17, 18, 23, 31]. Главный показатель эффективности функционирования ТС
– время доставки информации. Он зависит от ряда факторов: структуры сети связи, пропускной способности линий связи, способов соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами, протоколов информационного обмена, методов доступа абонентов к передающей ср еде, методов маршрутизации пакетов и др.
Понятие «территориальная» означает, что сеть связи распределена на значительной территории. Она создается в интересах страны, федерального округа, края, области, а также учреждения, предприятия, фирмы, имеющих отделения на значительной территории.
Характерные особенности ТСС:
разнотипность каналов связи;
ограниченность числа каналов связи между удаленными абонентами;
ограниченность пропускной способности каналов связи. Следовательно, ТСС – это географически распределенная сеть,
объединяющая в себе функции традиционных сетей передачи данных (СПД), телефонных сетей и предназначенная для передачи трафика различной природы, с разными вероятностно-временными характеристиками.
Типы сетей, линий и каналов связи. В ТС используются сети связи – телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые. В качестве линий связи применяются: кабельные (обычные телефонные линии связи, витая пара, коаксиальный кабель, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), или световоды), радиорелейные и радиолинии.
Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Основные их преимущества: высокая пропускная способность ; нечувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие собственных электромагнитных излучений; низкая трудоемкость прокладки оптического кабеля; искро-, взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к агрессивным средам; небольшая удельная масса; различные области применения.
Недостатки ВОЛС: передача сигналов осуществляется только в одном направлении; подключение к световоду дополнительных компьютеров значительно ослабляет сигнал; высокоскоростные модемы для световодов дорогие; световоды, соединяющие компьютеры, должны снабжаться преобразователями электрических сигналов в световые и обратно.
В ТС нашли применение следующие типы каналов связи:
170
симплексные, по которым информация передается только в одном направлении;
полудуплексные, по которым информация передается попеременно в противоположных направлениях;
дуплексные, по которым информация одновременно передается в
противоположных направлениях.
Коммутируемые и выделенные каналы связи. В ТС (ТСС)
различают выделенные (некоммутируемые) каналы связи и с коммутацией на время передачи информации по этим каналам. В выделенных каналах связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно с оединена между собой. Коммутируемые каналы связи создаются только на время передачи фиксированного объема информации.
Аналоговое и цифровое кодирование цифровых данных. Физически информационные биты передаются в виде аналоговых или цифровых электрических сигналов. Аналоговые сигналы представляют бесчисленное количество значений некоторой величины. Цифровые (дискретные) сигналы могут иметь одно значение или конечный набор значений.
Аналоговое кодирование применяется при передаче цифровых данных по телефонным (аналоговым) линиям связи. Перед передачей цифровые данные из компьютеров преобразуются в аналоговую форму с помощью модулятора-демодулятора (модема).
Возможны три метода модуляции:
амплитудная модуляция, когда изменяется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний: при передаче «1» амплитуда большая, при передаче «0» – малая;
частотная модуляция, когда изменяется только частота несущей синусоидальных колебаний: при передаче «1» – высокая, при передаче «0» – низкая;
фазовая модуляция, когда изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала «1» к сигналу
«0» или наоборот фаза меняется на 180°.
Наибольшее распространение получили частотная и амплитудная модуляции. Обратное преобразование (демодуляция) осуществляется принимающим модемом.
Аналоговый способ передачи цифровых данных обеспечивает широкополосную передачу путем использования в одном канале сигналов различных несущих частот различных абонентов.
Цифровое кодирование цифровых данных выполняется путем изменения уровней сигналов, несущих информацию.
Например, если в компьютере цифровые данные представляются сигналами уровней 5 В – для кода «1» и 0,2 В – для кода «0», то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно в
+12 В и в –12 В.
171
Синхронизация элементов ТС – это часть протокола связи. В
процессе синхронизации связи обеспечивается синхронная работа аппаратуры приемника и передатчика, при которой приемник осуществляет выборку поступающих информационных битов строго в моменты их прихода. В зависимости от способов решения проблемы синхронизации различают синхронную передачу, асинхронную передачу и передачу с автоподстройкой.
Синхронная передача требует дополнительной линии связи для передачи синхронизирующих импульсов (СИ) стабильной частоты. Каждый СИ подстраивает приемник. Выдача битов данных в линию связи передатчиком и выборка информационных сигналов приемником производятся в моменты появления СИ.
Асинхронная передача не требует дополнительной линии связи. Передача данных осуществляется небольшими блоками (байтами). Синхронизация приемника достигается тем, что перед каждым передаваемым байтом посылается старт-бит, а после него – стоп-бит.
Передача с автоподстройкой, также не требует дополнительной линии связи. Синхронизация достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения уровней сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника.
Наиболее распространены СК: NRZ-код, RZ-код, манчестерский код и биполярный код с поочередной инверсией уровня. На рисунке 13.1 представлены графики кодирования сообщения 0101100 с помощью СК.
Рисунок 13.1 – Графики кодирования сообщения с помощью СК
172
NRZ-код (код без возвращения к нулю) отличается простотой кодирования и низкой стоимостью реализации. Невысокое качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых одноименных битов, т.к. уровень сигнала остается неизменным.
RZ-код (код с возвращением к нулю) отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Хорошие свойствами синхронизации, стоимость реализации высокая.
Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов – двойное изменение. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами.
Биполярный код с поочередной инверсией уровня обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий «1». При передаче «0» синхронизация отсутствует. Прост в реализации.
Спутниковые сети связи. Для управления передачей данных между спутником и наземными радиотелеметрическими станциями (РТС) используются следующие способы.
1. Обычное мультиплексирование – с частотным и временным разделением. В первом случае весь частотный спектр радиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между пользователями для передачи трафика. Во втором случае весь временной спектр делится между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются предоставленными временными квантами (слотами).
2. Обычная дисциплина «первичный/вторичный» с использованием методов и средств опроса/выбора. В качестве первичного органа, реализующего такую дисциплину управления спутниковой связью, чаще выступает одна из наземных РТС. Цикл опроса и выбора занимает значительное время, особенно при наличии в сети большого количества АС.
3. Дисциплина управления типа «первичный/вторичный» без опроса с реализацией метода множественного доступа с квантованием времени (ТДМА). Здесь слоты назначаются первичной РТС, называемой эталонной. Принимая запросы от других РТС, эталонная станция в зависимости от характера трафика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям конкретных слотов для передачи кадров.
4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерным является то, что все пользователи имеют равное право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал.
К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся:
большая пропускная способность в гигагерцовом диапазоне частот;
обеспечение связи между станциями на очень больших расстояниях;
независимость стоимости передачи информации от расстояния между абонентами;
возможность построения сети без физически реализованных
173
коммутационных устройств. Недостатки спутниковых сетей связи:
необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных;
наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из -за больших расстояний между спутником и РТС;
возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;
подверженность сигналов влиянию различных атмосферных явлений.
13.2.Коммутация в компьютерных сетях
Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая телефонная сеть.
Существуют следующие методы коммутации [6, 10, 16, 17, 18, 23, 31]:
коммутация цепей (каналов);
коммутация с промежуточным хранением, разделяемая на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.
Коммутация цепей. При коммутации цепей (каналов) между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи занята вызываемая сторона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и абонент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.
Недостатки метода коммутации цепей:
длительное время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков;
необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного устройства;
отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;
возможность монополизации канала одним источником информации;
наращивание функций и возможностей сети ограниченно;
не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи.
174
Преимущества метода коммутации цепей:
отлаженность технологии коммутации цепей;
возможность работы в диалоговом режиме и реальном масштабе времени;
обеспечение битовой прозрачности и прозрачности по времени независимо от числа ЦКК между абонентами;
довольно широкая область применения.
Коммутация с промежуточным хранением. До начала передачи информации, сквозной канал между отправителем и получателем не устанавливается. Отправитель набором номера связывается с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор на базе компьютера. Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения.
Коммутация сообщений. Технология коммутации сообщений относится к технологии типа «запомнить-послать». Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение «главныйподчиненный». Коммутатор-компьютер в ЦКС выполняет регистрацию и выбор при управлении потоками. Данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для различных типов потоков. Сообщение целиком сохраняет свою целостность в процессе его прохождения до пункта назначения.
Недостатки метода коммутации сообщений:
необходимость наличия в узлах связи ѐмких буферных ЗУ;
ограниченность диалогового режима и реального масштаба времени;
выход из строя всей сети при отказе коммутатора;
низкая пропускная способность коммутатора сообщений;
каналы передачи данных используются не эффективно. Преимущества метода:
не нужно заблаговременно устанавливать сквозной канал связи;
формирование маршрута из участков с разной пропускной способностью;
реализация систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;
возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания потоков;
отсутствие потерь запросов на обслуживание.
Коммутация пакетов сочетает преимущества коммутации каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов сообщения перед началом передачи разбиваются на короткие пакеты фиксированной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информацией: коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении, информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения. Пакеты одного сообщения могут передаваться одновременно по различным маршрутам в
175
составе дейтаграмм. Пакеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется первоначальное сообщение.
Технология коммутации пакетов позволяет:
увеличить количество подключаемых станций;
легко подключать к коммутаторам дополнительные линии связи;
осуществлять альтернативную маршрутизацию;
существенно сократить время передачи пользовательских данных;
повысить пропускную способность сети.
Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплексирование с разделением времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом. Коммутация пакетов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асимметричных потоков в каналах связи. В настоящее время пакетная коммутация является основной для передачи данных.
Символьная коммутация (субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет собой разновидность пакетной коммутации. Она применяется в случае, когда пакет содержит информационные биты, принадлежащие различным пользователям.
При использовании символьной коммутации оптимальный размер пакета для конкретной передающей среды сохраняется с одновременным уменьшением времени задержки пакета в сети. Это достигается за счет приема от нескольких пользователей по небольшому количеству символов (информационных битов) и загрузки их в один пакет общего доступа.
Комбинированный метод коммутации основан на сочетании принципов коммутации сообщений, пакетов и символьной коммутации, он обеспечивает более эффективное управление разнородным трафиком.
13.3. Маршрутизация пакетов в компьютерных сетях
Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к получателю. Она имеет смысл в сетях с произвольной (ячеистой) топологией и со смешанной топологией (звездно-кольцевой, звездно-шинной). Для этого используются соответствующие средства – маршрутизаторы [6, 10, 16, 17, 18, 23, 31].
В виртуальных сетях задача маршрутизации при передаче сообщения, расчленяемого на пакеты, решается единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение между отправителем и получателем. В дейтаграммных сетях, где данные передаются в форме дейтаграмм, маршрутизация выполняется для каждого отдельного пакета.
Выбор маршрутов в узлах связи ТКС производится в соответствии с реализуемым алгоритмом маршрутизации.
176
Алгоритм маршрутизации – это правило назначения выходной линии связи узла связи ТКС для передачи пакета. Оно базируется на информации: в заголовке пакета (адреса); о загрузке узла (длины пакетов) и ТКС в целом.
Основные цели маршрутизации заключаются в обеспечении:
минимальной задержки пакета при его передаче;
максимальной пропускной способности сети;
максимальной защиты пакета от угроз безопасности;
надежности доставки пакета адресату;
минимальной стоимости передачи пакета адресату. Различают следующие способы маршрутизации.
1. Централизованная маршрутизация реализуется обычно в сетях с централизованным управлением. Выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, а узлы сети связи только воспринимают и реализуют результаты решения задачи маршрутизации.
2. Распределенная (децентрализованная) маршрутизация
выполняется главным образом в сетях с децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, которые располагают для этого соответствующими средствами.
3. Смешанная маршрутизация характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. К ней относится, например, гибридная адаптивная маршрутизация.
Для выбора оптимального маршрута каждый узел связи должен располагать информацией о состоянии ТКС, всех узлов и линий связи.
Эффективность алгоритмов маршрутизации оценивается:
временем доставки пакетов адресату;
нагрузкой на сеть (длиной очередей пакетов в узлах);
ресурсами в узлах связи (временем работы компьютера, емкостью ЗУ).
Факторы, снижающие эффективность алгоритмов маршрутизации:
передача пакета в узел связи, находящийся под высокой нагрузкой;
передача пакета в не оптимальном направлении;
дополнительная нагрузка за счет передачи служебной информации. Методы маршрутизации. Различают три вида маршрутизации –
простую, фиксированную и адаптивную.
Простая маршрутизация отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается изменение топологии сети и ее нагрузки. Из этого вида некоторое практическое применение получили случайная и лавинная маршрутизации.
Случайная маршрутизация характеризуется тем, что для передачи пакета из узла связи выбирается одно, случайно выбранное, свободное направление. Пакет с конечной вероятностью когда-либо достигает адресата.
177
Лавинная маршрутизация предусматривает передачу пакета из узла по всем свободным выходным линиям (размножения пакета). Из всех направлений хотя бы одно обеспечивает минимальное время.
Фиксированная маршрутизация – выбор маршрута учитывает изменение топологии сети и не учитывает изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направление передачи выбирается по таблице маршрутов, которая определяет кратчайшие пути. Таблицы составляются в центре управления сетью. Они составляются заново при изменении топологии сети.
Адаптивная маршрутизация – выбор маршрута пакетов осуществляется с учетом изменения топологии и нагрузки сети. Существуют несколько модификаций адаптивной маршрутизации: локальная, распределенная, централизованная и гибридная.
Локальная адаптивная маршрутизация основана на использовании:
таблицы маршрутов; данных о состоянии выходных линий связи; длины очереди пакетов. Информация о состоянии других узлов связи не используется.
Распределенная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации о локальной маршрутизации и данных от соседних узлов сети. В каждом узле формируется таблица маршрутов ко всем узлам назначения, где указываются маршруты с минимальным временем задержки пакетов.
Централизованная адаптивная маршрутизация характеризуется тем, что задача маршрутизации для каждого узла сети решается в центре маршрутизации (ЦМ). Каждый узел периодически формирует сообщение о своем состоянии и передает его в ЦМ. По этим данным в ЦМ для каждого узла составляется таблица маршрутов.
Гибридная адаптивная маршрутизация основана на использовании таблиц маршрутов, рассылаемых ЦМ узлам сети, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Здесь реализуются принципы централизованной и локальной маршрутизации.
13.4. Защита от ошибок в компьютерных сетях
Выделяют две причины возникновения ошибок при передаче информации в сетях [6, 10, 16, 17, 18, 23, 31]:
сбои в какой-то части оборудования сети;
помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными
явлениями.
Помехи возникают случайно в аппаратуре или попадают в нее извне. Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и интервалы. Примеры: атмосферные и индустриальные помехи; сигналы от радиостанций, генераторов высокой частоты.
178
Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три вида методов: групповые методы, помехоустойчивое кодирование и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью[4, 6, 22-24].
Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод и метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока.
Суть мажоритарного метода (два из трех) состоит в следующем. Каждое сообщение передается три раза. Принимаемые сообщения запоминаются, а потом производится их поразрядное сравнение. Суждение о правильности передачи методом (два из трех) выносится по совпадению поразрядно двух значений. Например, кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами, поэтому приемник принял такие комбинации: 10101, 01110, 01001. В результате проверки каждой позиции отдельно, правильной считается комбинация 01101.
Другой групповой метод – метод передачи данных блоками с количественной характеристикой блока. Такими характеристиками могут быть: число единиц или нулей в блоке, контрольная сумма передаваемых символов в блоке, остаток от деления контрольной суммы на постоянную величину и др. На приемном пункте эта характеристика вновь подсчитывается и сравнивается с переданной по каналу связи. Если характеристики совпадают, считается, что блок не содержит ошибок.
Помехоустойчивое (избыточное) кодирование предполагает использование корректирующих (помехоустойчивых) кодов, применяется в ТКС и в компьютерах для защиты от ошибок при передаче информации между устройствами компьютера.
Существует большое количество помехоустойчивых кодов, отличающихся по своим корректирующим возможностям.
Наиболее важные показатели корректирующих кодов:
значность кода (п – длина кодовой комбинации) включает информационные символы т и проверочные (контрольные) символы К. Обычно значность кода п есть сумма: п = т+К;
избыточность кода Кизб, выражаемая отношением числа контрольных символов в кодовой комбинации к значности кода: Кизб = К / п = К /(т+К), из этого следует: Кизб < 1 (относительная величина);
корректирующая способность кода Ккс, представляющая собой отношение числа кодовых комбинаций L, в которых ошибки были обнаружены и исправлены, к общему числу переданных кодовых
комбинаций М в фиксированном объеме информации: Ккс = L / М.
Выбор корректирующего кода для его использования в данной ТКС зависит от требований по достоверности передачи информации. Для правильного выбора кода необходимы статистические данные о закономерностях появления ошибок, их характере, численности и распределении во времени.
179