«А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Учебно-методический комплекс под редакцией профессора Пятибратова А.П. Москва, 2009 УДК 004 ББК 32.973.202 П 994 ...»

Различают аналоговые и цифровые линии связи, в которых используются различные типы промежуточной аппаратуры. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, имеющих непрерывный диапазон значений. В высокоскоростных аналоговых каналах реализуется техника частотного мультиплексирования, когда неОпределение сколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов мультиплексируют в один высокоскоростной канал. В цифровых каналах связи, где информационные сигналы прямоугольной формы имеют конечное число состояний, промежуточная аппаратура улучшает форму сигналов и восстанавливает период их следования. Она обеспечивает образование высокоскоростных цифровых каналов, работая по принципу временного мультиплексирования каналов, когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени высокоскоростного канала.

При передаче дискретных компьютерных данных по цифровым линиям связи протокол физического уровня определен, так как параметры передаваемых линией информационных сигналов стандартизованы, а при передаче по аналоговым линиям – не определен, поскольку информационные сигналы имеют произвольную форму и к способу представления единиц и нулей аппаратурой передачи данных никаких требований не предъявляется.

В сетях связи нашли применение следующие режимы передачи информации:

• симплексные, когда передатчик и приемник связываются одним каналом связи, по которому информация передается только в одном направлении (это характерно для телевизионных сетей связи);

• полудуплексные, когда два узла связи соединены также одним каналом, по которому информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (это характерно для информационно-справочных, запрос-ответных систем);

• дуплексные, когда два узла связи соединены двумя каналами (прямым каналом связи и обратным), по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях. Дуплексные каналы применяются в системах с решающей и информационной обратной связью.

Коммутируемые и выделенные каналы связи. В ТСС различают выделенные (некоммутируемые) каналы связи и с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

Определение При использовании выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи, поддержка большого объема трафика. Из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только при условии достаточно полной загрузки каналов.

Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика). Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (на установление связи между абонентами), возможность блокировки из-за занятости отдельных участков линии связи, более низкое качество связи, большая стоимость при значительном объеме трафика.

4.7. Передача дискретных данных на физическом уровне Исходная информация, которую необходимо передавать по линии связи, может быть либо дискретной (выходные данные компьютеров), либо аналоговой (речь, телевизионное изображение).

Передача дискретных данных базируется на использовании двух типов физического кодирования:

а) аналоговой модуляции, когда кодирование осуществляется за счет изменения параметров синусоидального несущего сигнала;

б) цифрового кодирования путем изменения уровней последовательности прямоугольных информационных импульсов.

Аналоговая модуляция приводит к спектру результирующего сигнала гораздо меньшей ширины, чем при цифровом кодировании, при той же скорости передачи информации, однако для ее реализации требуется более сложная и дорогая аппаратура.

В настоящее время исходные данные, имеющие аналоговую форму, все чаще передаются по каналам связи в дискретном виде (в виде последовательности единиц и нулей), т. е. осуществляется дискретная модуляция аналоговых сигналов.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Аналоговая модуляция. Применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый пользователям телефонных сетей. По этому каналу передаются сигналы с частотой от 300 до 3400 Гц, т. е.

его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая полоса вполне достаточна для Определение передачи речи с приемлемым качеством. Ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Перед передачей дискретных данных на передающей стороне с помощью модулятора-демодулятора (модема) осуществляется модуляция несущей синусоиды исходной последовательности двоичных цифр. Обратное преобразование (демодуляция) выполняется принимающим модемом.

Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму, или три метода аналоговой модуляции:

• амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов: например, при передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля – малой, или сигнал несущей вообще отсутствует;

• частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний: например, при передаче нуля – низкая, а при передаче единицы – высокая;

• фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180°.

В чистом виде амплитудная модуляция на практике используется редко из-за низкой помехоустойчивости. Частотная модуляция не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или бит/с. Повышение скорости передачи данных обеспечивается использованием комбинированных способов модуляции, чаще амплитудной в сочетании с фазовой.

Аналоговый способ передачи дискретных данных обеспечивает широкополосную передачу путем использования в одном канале сигналов различных несущих частот. Это гарантирует взаимодействие большого количества абонентов (каждая пара абонентов работает на своей частоте).

Цифровое кодирование. При цифровом кодировании дискретной информации используются два вида кодов:

а) потенциальные коды, когда для представления информационных единиц и нулей применяется только значение потенциала сигнала, а его перепады во внимание не принимаются;

б) импульсные коды, когда двоичные данные представляются либо импульсами определенной полярности, либо перепадами потенциала определенного направления.

К способам цифрового кодирования дискретной информации при использовании прямоугольных импульсов для представления двоичных сигналов предъявляются такие требования:

• обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;

• обеспечение наименьшей ширины спектра результирующего сигнала при одной и той же битовой скорости (так как более узкий спектр сигналов позволяет на лиХарактеристика компьютерных сетей нии с одной и той же полосой пропускания добиваться более высокой скорости передачи данных);

• возможность распознавания ошибок в передаваемых данных;

• относительно низкая стоимость реализации.

Средствами физического уровня осуществляется только распознавание искаженных данных (обнаружение ошибок), что позволяет экономить время, так как приемник, не ожидая полного помещения принимаемого кадра в буфер, сразу его отбраковывает при распознавании ошибочных бит в кадре. Более сложная операция – коррекция искаженных данных – выполняется протоколами более высокого уровня: канального, сетевого, транспортного или прикладного.

Синхронизация передатчика и приемника необходима для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент следует осуществлять считывание поступающих данных. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение и поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных. Проблема синхронизации легко решается при передаче информации на небольшие расстояния (между блоками внутри компьютера, между компьютером и принтером) путем использования отдельной тактирующей линии связи: информация считывается только в момент прихода очередного тактового импульса. В компьютерных сетях отказываются от использования тактирующих импульсов по двум причинам: ради экономии проводников в дорогостоящих кабелях и из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях (на больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигналов может привести к рассинхронизации тактовых импульсов в тактирующей линии и информационных импульсов в основной линии, вследствие чего бит данных будет либо пропущен, либо считан повторно).

В настоящее время синхронизация передатчика и приемника в сетях достигается применением самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней информационного сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита.

Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.

Указанные требования к способам цифрового кодирования дискретной информации являются в определенной степени взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже способов кодирования имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с другими.

Самосинхронизирующие коды. Наиболее распространенными являются следующие СК:

• потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ – Non Return to Zero);

• биполярный импульсный код (RZ-код);

• манчестерский код;

• биполярный код с поочередной инверсией уровня.

На рис. 32 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Рис. 32. Схемы кодирования сообщения с помощью самосинхронизирующих кодов NRZ-код RZ-код Манчестерский код Биполярный код с поочередной иверсией уровня Для характеристики и сравнительной оценки СК используются такие показатели:

• уровень (качество) синхронизации;

• надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;

• требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;

• сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.

NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью реализации. Такое название он получил потому, что при передаче серий одноименных битов (единиц или нулей) сигнал не возвращается к нулю в течение такта, как это имеет место в других способах кодирования. Уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество Определение синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линий).

Для NRZ-кода имеют место соотношения где V1 – скорость изменения уровня сигнала в линии связи (бод);

V2 – пропускная способность линии связи (бит/с).

Кроме того, что этот код не обладает свойством самосинхронизации, у него есть и другой серьезный недостаток: наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных серий единиц или нулей. Вследствие этого код NRZ в чистом виде в сетях не используется. Применяются его различные модификации, в которых устраняют плохую самосинхронизацию кода и наличие постоянной составляющей.

RZ-код, или биполярный импульсный 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. Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится Определение половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение V1 = 2V2.

Спектр у RZ-кода шире, чем у потенциальных кодов. Из-за слишком широкого спектра он используется редко.

Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов – двойное изменение. Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль – обОпределение ратным перепадом. Соотношение скоростей для этого кода такое:

Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных. Его полоса пропускания уже, чем у RZ-кода (в среднем в полтора раза). В отличие от биполярного импульсного кода, где для передачи данных используются три уровня сигнала (что иногда весьма нежелательно, например, в оптических кабелях устойчиво распознаются только два состояния – свет и темнота), в манчестерском коде – два уровня.

Манчестерский код широко применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

Биполярный код с поочередной инверсией уровня (код AMI) является одной из модификаций кода NRZ. В нем используются три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный. Единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным. Для кодирования нуля используется нулевой потенциал. Код обладает хорошими синхрониОпределение зирующими свойствами при передаче серий единиц, так как потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. При передаче серий нулей синхронизация отсутствует. Код AMI сравнительно прост При передаче различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а следовательно, и к более высокой пропускной способности линии.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Заметим, что улучшенные потенциальные коды (модернизированные манчестерский код и код AMI) обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, например в FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Дискретная модуляция аналоговых сигналов. Как уже отмечалось, одной из тенденций развития современных компьютерных сетей является их цифровизация, т. е.

передача в цифровой форме сигналов любой природы. Источниками этих сигналов могут быть компьютеры (для дискретных данных) или такие устройства, как телефоны, видеокамеры, видео- и звуковоспроизводящая аппаратура (для аналоговых данных). До недавнего времени (до появления цифровых сетей связи) в территориальных сетях все типы данных передавались в аналоговой форме, причем дискретные по своему характеру компьютерные данные с помощью модемов преобразовывались в аналоговую форму.

Однако передача информации в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принимаемых данных, если имело место их существенное искажение при передаче.

Поэтому на смену аналоговой технике записи и передаче звука и изображения пришла цифровая техника, которая использует дискретную модуляцию аналоговых сигналов.

Дискретная модуляция основана на дискретизации непрерывных сигналов как по амплитуде, так и по времени. Одним из широко распространенных методов преобразования аналоговых сигналов в цифровые является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х. Ривсом (США).

При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование (рис. 33).

Рис. 33. Преобразование аналогового сигнала в 8-элементный цифровой код Первый этап – отображение. Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ). Выполнение этапа базируется на теории отображения Найквиста-Котельникова, основное положение которой гласит: если аналоговый сигнал отображается (т. е. представляется в виде последовательности ее дискретных по времени значений) на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше частоты самой высокой гармоники спектра исходного непрерывного сигнала, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала. В аналоговой телефонии для передачи голоса выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточен для качественной передачи всех основных гармоник собеседников. Поэтому в цифровых сетях, где для передачи голоса реализуется метод ИКМ, принята частота отображения, равная 8000 Гц (это больше 6800 Гц, что обеспечивает некоторый запас качества).

На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ – сигнала представляется квантованным уровнем.

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256шаговом квантовании) двоичный код. На рис. 33 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантованному сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8-элементными кодами – 64 Кбит/с. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На приемной стороне с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется обратное преобразование, т. е. производится демодуляция оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстановление исходной непрерывной функции времени.

В современных цифровых сетях связи используются и другие методы дискретной модуляции, позволяющие представить замеры голоса в более компактной форме, например, в виде последовательности 4-разряных чисел. Используется и такая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

Цифровые методы записи, воспроизведения и передачи аналоговой информации обеспечивают возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. С этой целью применяются те же методы контроля, что и для компьютерных данных (см. п. 4.9).

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде предъявляет жесткие требования к синхронизации приемника. В случае несоблюдения синхронности исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажениям голоса или передаваемого изображения. Если кадры с замерами голоса (или другой аналоговой величины) будут прибывать синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако в компьютерных сетях кадры могут задерживаться как в конечных узлах, так и в промежуточных коммутационных устройствах (мостах, коммутаторах, маршрутизаторах), что негативно сказывается на качестве передачи голоса. Поэтому для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов используются специальные цифровые сети (ISDN, ATM, сети цифрового телевидения), хотя для передачи внутрикорпоративных телефонных разговоров и сегодня применяются сети Frame Relay, поскольку задержки передачи кадров в них находятся в допустимых пределах.

Асинхронная и синхронная передачи. Синхронизация между приемником и передатчиком в основном обеспечивается средствами физического уровня (на этом уровне единицей информации является бит и средства этого уровня поддерживают побитовую синхронизацию) и канального уровня (на этом уровне единицей информации является кадр и средства этого уровня поддерживают покадровую синхронизацию). При покадровой синхронизации приемник обязан обеспечить распознавание начала первого байта поступившего кадра, границ полей кадра и признака окончания кадра.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы При плохом качестве линии связи кроме побитовой и покадровой синхронизации для повышения надежности передачи данных используются дополнительные средства синхронизации на уровне байт, и тогда такой режим работы называется асинхронным или стартстопным. Его использование объясняется еще и тем, что в составе компьютера есть устройства, которые генерируют байты в случайные моменты времени (например, клавиатура, с которой вводятся данные в компьютер).

В асинхронном режиме передача осуществляется небольшими блоками фиксированной длины (обычно байтами). Каждый байт обрамляется двумя сигналами – стартбит и стопбит. Синхронизация приемника обеспечивается сигналом стартбит. Асинхронным такой режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен относительно побитовых тактов предыдущего байта. Асинхронный режим применяется в системах с невысокими скоростями передачи данных.

В синхронном режиме пользовательские данные передаются покадрово, причем каждый кадр обрамляется байтами синхронизации (старт-стопные биты для каждого байта отсутствуют). Байт синхронизации – это заранее оговоренный 8-разрядный двоичный код, который оповещает приемник о приходе очередного кадра данных. При передаче длинных кадров может произойти рассинхронизация приемника, и тогда используются самосинхронизирующие коды.

4.8. Передача дискретных данных на канальном уровне Протоколы канального уровня обеспечивают передачу пакетов данных адресату, причем каждый пакет оформляется в кадр собственного формата (отдельные поля кадра заполняются адресом назначения и контрольной суммой для выявления искаженных кадров). Доставка кадров данных осуществляется в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или близкой технологией. Например, это односегментные сети Ethernet или многосегментные сети Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных мостами и коммутаторами. В более сложных структурах сетей задача передачи кадров между узлами осуществляется с помощью протоколов сетевого уровня.

Протоколы, работающие на канальном уровне, обеспечивают передачу данных [20]:

• в асинхронном и синхронном режимах;

• с предварительным установлением соединения и без предварительного установления соединения (дейтаграммную);

• с обнаружением искаженных данных и без обнаружения;

• с обнаружением потерянных данных и без обнаружения;

• с восстановлением искаженных и потерянных данных и без восстановления;

• с поддержкой динамической компрессии данных и без поддержки.

Многие из этих свойств и возможностей характерны и для протоколов более высоких уровней.

Асинхронные протоколы канального уровня оперируют со стандартными наборами символов (ASCII или EBCDIC) или кадрами, концевик которых содержит контрольную сумму для обнаружения искаженных кадров.

Синхронные протоколы канального уровня бывают двух типов:

• символьно-ориентированные (байт-ориентированные), используемые для передачи в основном текстовых файлов;

• бит-ориентированные, применяемые при передаче как двоичных, так и символьных данных, т. е. являющиеся более универсальными протоколами.

Методы синхронизации бит в обоих типах протоколов одни и те же. Главное различие между ними – в методе синхронизации символов и кадров.

Большинство синхронных протоколов допускают использование в кадре поля данных переменной длины с указанием максимального его значения. Есть протоколы с кадрами фиксированной длины, например, 53 байта в протоколе АТМ.

Протоколами канального уровня (с участием протоколов более высоких уровней) реализуются два способа связи между отправителем и получателем данных: без установления логического соединения между ними и с предварительным установлением логического соединения.

Способ связи без установления логического соединения характеризуется следующим:

• он используется в сетях с коммутацией пакетов, причем каждый пакет рассматривается как индивидуальный объект, независимая единица передачи информации;

• пакеты от отправителя можно передавать в произвольные моменты, а также одновременно множеству адресатов по различным маршрутам;

• перед передачей данных сквозная связь между отправителем и получателем заранее не устанавливается, не требуется также синхронизация аппаратуры связи на передающем и приемном пунктах;

• из-за занятости отдельных участков маршрута может осуществляться буферизация пактов в промежуточных узлах связи (такой способ не гарантирует доставку пакета);

• передача сигнала к отправителю от адресата, подтверждающего получение информации, не производится.

Это один из первых и простейших способов обмена данными в коммуникационной технологии. Он широко используется в дейтаграммных сетях, в которых реализуются дейтаграммные протоколы информационного обмена.

Способ связи (или режим связи), ориентированный на логическое соединение, относится к более поздней технологии. Он обеспечивает более высокий уровень сервиса по сравнению с дейтаграммной связью.

Особенности организации обмена данными с установлением логического соединения:

• перед передачей информации между взаимодействующими абонентами (отправителем и получателем) устанавливается логический (виртуальный) канал, причем технология создания (установления) канала такова: отправитель посылает запрос на соединение удаленному адресату через ряд промежуточных узлов связи;

адресат, получив этот запрос, в случае «согласия» на установление логического канала посылает отправителю сигнал подтверждения; после получения сигнала подтверждения отправителем начинается обмен данными с управлением потоком, сегментацией и исправлением ошибок;

• после завершения обмена данными адресат посылает пакет подтверждения этого события отправителю (клиенту – инициатору установления логического канала), который воспринимается как сигнал для разъединения канала. Следовательно, при использовании этого способа связи выделяются три этапа: установление канала, обмен данными, разъединение канала.

Связь с установлением логического канала применяется в виртуальных сетях, где используются протоколы информационного обмена типа виртуального соединения. Такая связь может быть многоканальной, и тогда каждая пара взаимодействующих абонентов, обмениваясь данными по своему виртуальному каналу, воспринимает его как выделенный канал, в распоряжение которого представлены все ресурсы связи. В действительВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ности эти ресурсы распределяются между всеми одновременно работающими виртуальными каналами данной линии связи.

При передаче по виртуальному каналу длинных сообщений они разбиваются на одинаковые части (пакеты), которые отправляются в канал в порядке размещения в сообщении. Это избавляет от необходимости снабжать каждый пакет служебной информацией в полном объеме, с тем чтобы превратить его в независимую единицу передачи информации, как это имеет место в дейтаграммных сетях. Кроме того, передача пакетов в их естественной последовательности, определяемой порядком размещения в сообщении, существенно облегчает задачу формирования первоначального сообщения из принимаемых пакетов на приемном пункте.

Первый из рассмотренных способов организации обмена данными в сетях отличается простотой в реализации и сравнительно небольшими накладными расходами. При малой загруженности линий связи сети он позволяет существенно сократить время на передачу длинного сообщения. Кроме того, он удобен при рассылке информации по многим адресам.

В загруженных сетях реализация такого способа может привести к значительным задержкам пакетов в промежуточных узлах связи и даже к потере отдельных пакетов, что негативно отражается на надежности доставки информации адресатам. Второй способ, напротив, характеризуется высокими накладными расходами, однако он представляет абонентам существенно большие удобства, обеспечивает требуемую оперативность в обмене данными (в идеальном случае переполнение соединений в промежуточных узлах связи полностью исключается) и гарантированную надежность доставки информации абонентам.

Таким образом, каждый из режимов связи имеет свои особенности, а значит и области применения.

Режим «с соединением» целесообразно использовать для тех применений, где взаимодействие имеет долговременный характер, конфигурация взаимодействующих объектов постоянна, а поток данных не имеет больших пауз. Протоколы с установлением соединения обладают рядом дополнительных свойств, например способностью обнаруживать и восстанавливать искаженные кадры. Для обнаружения искаженных кадров используется ряд методов, в частности методы, основанные на циклических избыточных кодах, которые выявляют многократные ошибки. Восстановление кадров основано на использовании метода повторной передачи кадров (подробнее об этом см. в п. 4.9).

Режим «без соединения» больше подходит там, где взаимодействие имеет кратковременный характер, при котором объем передаваемых данных невелик, а интервалы между передачами значительны (относительно скорости передачи). Кроме того, его целесообразно использовать в системах с повышенными требованиями к надежности доставки данных адресату, так как эти требования можно удовлетворить путем тиражирования данных и передачи адресату по разным маршрутам.

Повышение полезной скорости передачи данных, т. е. сокращение времени на их передачу, достигается применением динамической компрессией (сжатием) данных на основе различных алгоритмов. Коэффициент сжатия зависит от типа данных и применяемых алгоритмов компрессии. Он может колебаться от 1:2 до 1:8.

4.9. Обеспечение достоверности передачи информации Проблема обеспечения безошибочности (достоверности) передачи информации в сетях имеет очень большое значение. Если при передаче обычной телеграммы возникает в тексте ошибка или при разговоре по телефону слышен треск, то в большинстве случаев ошибки и искажения легко обнаруживаются по смыслу. Но при передаче данных одна ошибка (искажение одного бита) на тысячу переданных сигналов может серьезно отразиться на качестве информации.

Существует множество методов обеспечения достоверности передачи информации (методов защиты от ошибок), отличающихся по используемым для их реализации средствам, по затратам времени на их применение на передающем и приемном пунктах, по затратам дополнительного времени на передачу фиксированного объема данных (оно обусловлено изменением объема трафика пользователя при реализации данного метода), по степени обеспечения достоверности передачи информации. Практическое воплощение методов состоит из двух частей – программной и аппаратной. Соотношение между ними может быть самым различным, вплоть до почти полного отсутствия одной из частей. Чем больше удельный вес аппаратных средств по сравнению с программными, тем при прочих равных условиях сложнее оборудование, реализующее метод, и меньше затрат времени на его реализацию, и наоборот.

Выделяют две основные причины возникновения ошибок при передаче информации в сетях:

– сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение неблагоприятных объективных событий в сети (например, коллизий при использовании метода случайного доступа в сеть). Как правило, система передачи данных готова к такого рода проявлениям и устраняет их с помощью планово предусмотренных средств;

– помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явлениями. Помехи – это электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее распространенными являются флуктуационные (случайные) помехи. Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через различные промежутки времени. Примерами таких помех могут быть атмосферные и индустриальные помехи, которые обычно проявляются в виде одиночных импульсов малой длительности и большой амплитуды. Возможны и сосредоточенные помехи в виде синусоидальных колебаний. К ним относятся сигналы от посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты. Встречаются и смешанные помехи. В приемнике помехи могут настолько ослабить информационный сигнал, что он либо вообще не будет обнаружен, либо искажен так, что «единица» может перейти в «нуль» и наоборот.

Трудности борьбы с помехами заключаются в беспорядочности, нерегулярности и в структурном сходстве помех с информационными сигналами. Поэтому защита информации от ошибок и вредного влияния помех имеет большое практическое значение и является одной из серьезных проблем современной теории и техники связи.

Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые методы, помехоустойчивое кодирование и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью.

Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод, реализующий принцип Вердана, и метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока.

Суть мажоритарного метода, давно используемого в телеграфии, состоит в следующем. Каждое сообщение ограниченной длины передается несколько раз, чаще всего три раза. Принимаемые сообщения запоминаются, а потом производится их поразрядное сравнение. Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методом «два из трех». Например, кодовая комбинация 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.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Другой групповой метод, также не требующий перекодирования информации, предполагает передачу 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. В противном случае на передающую сторону передается сигнал с требованием повторной передачи блока. В современных ТКС такой метод получил самое широкое распространение.

Помехоустойчивое (избыточное) кодирование, предполагающее разработку и использование корректирующих (помехоустойчивых) кодов, применяется не только в ТКС, но и в ЭВМ для защиты от ошибок при передаче информации между устройствами машины. Оно позволяет получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение – в обеспечении малой вероятности искажений передаваемой информации, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети.

Существует довольно большое количество различных помехоустойчивых кодов, отличающихся друг от друга по ряду показателей и. прежде всего по своим корректирующим возможностям.

К числу наиболее важных показателей корректирующих кодов относятся:

значность кода, или длина кодовой комбинации, включающей информационные символы (m) и проверочные, или контрольные символы (К). Обычно значность кода n есть сумма m+К;

избыточность кода Кизб, выражаемая отношением числа контрольных символов в кодовой комбинации к значности кода;

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.

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. Например, корректирующий код, обнаруживающий и исправляющий одиночные ошибки, эффективен лишь при условии, что ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает некоторой величины. Он оказывается непригодным, если ошибки появляются группами. При выборе кода надо стремиться, чтобы он имел меньшую избыточность. Чем больше коэффициент Кизб, тем менее эффективно используется пропускная способность канала связи и больше затрачивается времени на передачу информации, но зато выше помехоустойчивость системы.

В качестве примера рассмотрим порядок кодирования информации (формирования кодовой комбинации для ее передачи адресату) и декодирования (выявления и исправления ошибок в принятой кодовой комбинации и выделения из нее информационных символов, т. е. информации пользователя) при использовании одного из популярных корректирующих кодов – кода Хэмминга, обнаруживающего и исправляющего одиночные ошибки.

В этом коде контрольные символы занимают позиции, соответствующие значениям 20, 21, 22, 23 и т. д., т. е. позиции с номерами 1, 2, 4, 8 и т. д. (нумерация позиций кодовой комбинации – слева направо). Количество контрольных символов в кодовой комбинации должно быть таким, чтобы в процессе декодирования сформированное корректирующее число (в двоичной системе счисления) могло указать позицию кодовой комбинации с максимальным номером. Например, для пяти информационных разрядов потребуется четыре контрольных. В полученной кодовой комбинации позиция с наибольшим номером будет 9-ой, что записывается как 1001, т. е. требует четырех разрядов.

Значения контрольных символов при кодировании определяются путем контроля на четность количества единиц в информационных разрядах кодовой комбинации. Значение контрольного символа равно 0, если количество единиц будет четным, и равно при нечетном количестве единиц.

При определении значения 1-го контрольного символа, размещаемого на 1-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в младшем разряде, т. е.

проверяются позиции с нечетными номерами. При определении значения 2-го контрольного символа, размещаемого на 2-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции, двоичные изображения номеров которых содержат единицу во 2-м разряде, т. е. позиции с номерами 3, 6, 7, 10, 11 и т. д. Значение 3-го контрольного символа, размещаемого на 4-й позиции кодовой комбинации, определяется путем контроля на четность тех информационных позиций, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в 3-м разряде, т. е. позиции с номерами 5, 6, 7, 12 и т.

д. Аналогично устанавливаются значения и других контрольных символов.

В процессе декодирования формируется корректирующее число (КЧ), разрядность двоичного изображения которого устанавливается по указанному выше правилу.

Значения разрядов этого числа определяются по правилам, аналогичным тем, которые использовались для определения значений контрольных символов в процессе кодирования. Разница лишь в том, что при определении значений разрядов КЧ проверяются на четность не только информационные позиции, но и контрольные. Например, для определения значения младшего разряда КЧ, проверяются на четность те позиции кодовой комбинации, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в младшем разряде, т. е. позиции с нечетными номерами 1, 3, 5, 7 и т. д.

Значение корректирующего числа определяет номер позиции кодовой комбинации, в которой произошла ошибка. Для ее исправления необходимо значение кода в этой позиции изменить на противоположное (0 на 1 или 1 на 0). Если КЧ равно нулю, то это указывает на отсутствие ошибок в принятой кодовой комбинации. Процесс декодирования завершается выделением из кодовой комбинации информационных символов.

Заметим, что в ТКС корректирующие коды в основном применяются для обнаружения ошибок, исправление которых осуществляется путем повторной передачи искаженной информации. С этой целью в сетях используются системы передачи с обратной связью (наличие между абонентами дуплексной связи облегчает применение таких систем).

Системы передачи с обратной связью делятся на системы с решающей обратной связью и системы с информационной обратной связью.

Особенностью систем с решающей обратной связью (иначе: систем с перезапросом) является то, что решение о необходимости повторной передачи информации (сообщения, пакета) принимает приемник. Здесь обязательно применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной станции осуществляется проверка принимаемой информации. При обнаружении ошибки на передающую сторону по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по которому информация передается повторно. Канал обратной связи используется также для посылки сигнала подтверждения правильности приема, автоматически определяющего начало следующей передачи.

В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. Приемник, приняв информацию по прямому каналу и зафиксировав ее в своей памяти, передает ее в полном объеме по каналу Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы обратной связи передатчику, где переданная и возвращенная информация сравниваются. При совпадении передатчик посылает приемнику сигнал подтверждения, в противном случае происходит повторная передача всей информации. Таким образом, здесь решение о необходимости повторной передачи принимает передатчик.

Обе рассмотренные системы обеспечивают практически одинаковую достоверность, однако, в системах с решающей обратной связью пропускная способность каналов используется эффективнее, поэтому они получили большее распространение.

4.10. Маршрутизация пакетов в сетях Сущность, цели и способы маршрутизации. Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к получателю. Она имеет смысл в сетях, где не только необходим, но и возможен выбор оптимального или приемлемого маршрута. Речь идет, прежде всего, о сетях с произвольной (ячеистой) топологией, в которых реализуется коммутация пакетов. Однако в современных сетях со смешанной топологией (звездно-кольцевой, звездно-шинной, многосегментной) реально стоит и решается задача выбора маршрута для передачи кадров, для чего используются соответствующие средства, например, маршрутизаторы.

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 (методом) маршрутизации.

Алгоритм маршрутизации – это правило назначения выходной линии связи данного узла связи ТКС для передачи пакета, базирующееся на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса отправителя и получателя), и информации о загрузке этого узла (длина очередей пакетов) и, возможно, ТКС в Определение Основные цели маршрутизации заключаются в обеспечении:

• минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к получателю;

• максимальной пропускной способности сети, что достигается, в частности, нивелировкой загрузки линий связи ТКС;

• максимальной защиты пакета от угроз безопасности содержащейся в нем информации;

• 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. Такое управление маршрутизацией уязвимо к отказам центрального узла и не отличается высокой гибкостью.

2. Распределенная (децентрализованная) маршрутизация – выполняется, главным образом, в сетях с децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, которые располагают для этого соответствуюХарактеристика компьютерных сетей щими средствами. Распределенная маршрутизация сложнее централизованной, но отличается большей гибкостью.

3. Смешанная маршрутизация – характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. К ней относится, например, гибридная адаптивная маршрутизация (см. ниже).

Задача маршрутизации в сетях решается при условии, что кратчайший маршрут, обеспечивающий передачу пакета за минимальное время, зависит от топологии сети, пропускной способности линий связи, нагрузки на линии связи. Топология сети изменяется в результате отказов узлов и линий связи и отчасти при развитии ТКС (подключении новых узлов и линий связи). Пропускная способность линий связи определяется типом передающей среды и зависит от уровня шумов и параметров аппаратуры, обслуживающей линии. Наиболее динамичным фактором является нагрузка на линии связи, изменяющаяся довольно быстро и в трудно прогнозируемом направлении.

Для выбора оптимального маршрута каждый узел связи должен располагать информацией о состоянии ТКС в целом – всех остальных узлов и линий связи. Данные о текущей топологии сети и пропускной способности линий связи предоставляются узлам без затруднений. Однако нет способа для точного предсказания состояния нагрузки в сети. Поэтому при решении задачи маршрутизации могут использоваться данные о состоянии нагрузки, запаздывающие (из-за конечной скорости передачи информации) по отношению к моменту принятия решения о направлении передачи пакетов. Следовательно, во всех случаях алгоритмы маршрутизации выполняются в условиях неопределенности текущего и будущего состояний ТКС.

Эффективность алгоритмов маршрутизации оценивается следующими показателями:

• временем доставки пакетов адресату;

• нагрузкой на сеть, которая при реализации данного алгоритма создается потоками пакетов, распределяемыми по линиям и узлам сети. Количественная оценка нагрузки осуществляется длиной очередей пакетов в узлах;

• затратами ресурсов в узлах связи (временем работы коммуникационной ЭВМ, емкостью памяти).

Факторы, снижающие эффективность алгоритмов маршрутизации:

• передача пакета в узел связи, находящийся под высокой нагрузкой;

• передача пакета в направлении, не приводящем к минимальному времени его доставки;

• создание на сеть дополнительной нагрузки за счет передачи служебной информации, необходимой для реализации алгоритма.

Методы маршрутизации. Различают три вида маршрутизации – простую, фиксированную и адаптивную. Принципиальная разница между ними – в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при решении задачи выбора маршрута.

Простая маршрутизация – отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается ни изменение топологии сети, ни изменение ее состояния (нагрузки). Она не обеспечивает направленной передачи пакетов и имеет низкую эффективность. Ее преимущества – простота реализации алгоритма маршрутизации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя Определение отдельных ее элементов. Из этого вида некоторое практическое применение получили случайная и лавинная маршрутизации.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Случайная маршрутизация – характеризуется тем, что для передачи пакета из узла связи выбирается одно, случайно выбранное свободное направление. Пакет «блуждает» по сети и с конечной вероятностью когда-либо достигает адресата.

Естественно, что при этом не обеспечивается ни оптимальное время доставки пакета, ни эффективное использование пропускной способности сети.

Определение Лавинная маршрутизация (или заполнение пакетами всех свободных выходных направлений) – предусматривает передачу пакета из узла по всем свободным выходным линиям. Поскольку это происходит в каждом узле, имеет место явление «размножения» пакета, что резко ухудшает использование пропускной способности сети. Значительное ослабление этого недостатка достигается путем уничтожения в каждом узле дубликатов (копий) пакета и продвижения по маршруту только одного пакета. Основное преимущество такого метода – гарантированное обеспечение оптимального времени доставки пакета адресату, так как из всех направлений, по которым передается пакет, хотя бы одно обеспечивает такое время. Метод может использоваться в незагруженных сетях, когда требования по минимизации времени и надежности доставки пакетов достаточно высоки.

Фиксированная маршрутизация – характеризуется тем, что при выборе маршрута учитывается изменение топологии сети и не учитывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направление передачи выбирается по таблице маршрутов (каталогу), которая определяет кратчайшие пути.

Каталоги составляются в центре управления сетью. Они составляются заново Определение при изменении топологии сети. Отсутствие адаптации к изменению нагрузки приводит к задержкам пакетов сети. Различают однопутевую и многопутевую фиксированные маршрутизации. Первая строится на основе единственного пути передачи пакетов между двумя абонентами, что сопряжено с неустойчивостью к отказам и перегрузкам, а вторая – на основе нескольких возможных путей между двумя абонентами, из которых выбирается предпочтительный путь. Фиксированная маршрутизация применяется в сетях с мало изменяющейся топологией и установившимися потоками пакетов.

Адаптивная маршрутизация – отличается тем, что принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения как топологии, так и нагрузки сети. Существует несколько модификаций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, какая именно информация используется при выборе маршрута. Получили распространение такие модификации – локальная, распределенная, централизованная и гибридная адаптивные Локальная адаптивная маршрутизация – основана на использовании информации, имеющейся в данном узле и включающей: таблицу маршрутов, которая определяет все направления передачи пакетов из этого узла; данные о состоянии выходных линий связи (работают или не работают); длину очереди пакетов, ожидающих передачи. Информация о состоянии других узлов связи Определение не используется. Таблица маршрутов определяет кратчайшие маршруты, обеспечивающие доставку пакета адресату за минимальное время. Преимущество такого метода состоит в том, что принятие решения о выборе маршрута производится с использованием самых последних данных о состоянии узла.

Недостаток метода в его «близорукости», поскольку выбор маршрута осуществляется без учета глобального состояния всей сети. Следовательно, всегда есть опасность передачи пакета по перегруженному маршруту.

Распределенная адаптивная маршрутизация – основана на использовании информации, указанной для локальной маршрутизации, и данных, получаемых от соседних узлов сети. В каждом узле формируется таблица маршрутов (каталог) ко всем узлам назначения, где указываются маршруты с минимальным временем задержки пакетов. До начала работы сети это время оцениваетОпределение ся, исходя из топологии сети. В процессе работы сети узлы периодически обмениваются с соседними узлами, так называемыми таблицами задержки, в которых указывается нагрузка (длина очереди пакетов) узла. После обмена таблицами задержки каждый узел перерассчитывает задержки и корректирует маршруты с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле. Обмен таблицами задержки может осуществляться не только периодически, но и асинхронно в случае резких изменений нагрузки или топологии сети. Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута существенно повышает эффективность алгоритмов маршрутизации, но это достигается за счет увеличения загрузки сети служебной информацией. Кроме того, сведения об изменении состояния узлов распространяются по сети сравнительно медленно, поэтому выбор маршрута производится по несколько устаревшим данным.

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 (длине очередей и работоспособности линий связи) и передает его в ЦМ. По этим данным в ЦМ для каждого узла составляется таблица маршрутов. Естественно, что передача сообщений в ЦМ, формирование и рассылка таблиц маршрутов – все это сопряжено с временными задержками, следовательно, с потерей эффективности такого метода, особенно при большой пульсации нагрузки в сети. Кроме того, есть опасность потери управления Гибридная адаптивная маршрутизация – основана на использовании таблиц маршрутов, рассылаемых ЦМ узлам сети, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Следовательно, здесь реализуются принципы централизованной и локальной маршрутизации. Гибридная маршрутизация компенсирует недостатки централизованной маршрутизации (маршруты, формируемые центром, являются несколько устаревшими) и локальной («близорукость» метода) и воспринимает их преимущества: маршруты центра соответствуют глобальному состоянию сети, а учет текущего состояния узла обеспечивает своевременность решения задачи.

4.11. Способы коммутации в ТКС В любой сети связи всегда применяется какой-либо способ коммутации, обеспечивающий с помощью коммутаторов доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети, каждый из которых соединяется с ближайшим коммутатором индивидуальной линией связи. В любой момент времени эта линия используется только одним абонентом, а между коммутаторами линии связи используются совместно многими абонентами.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Используются три принципиально различных способа коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов. Сети с коммутацией сообщений и коммутацией пакетов относятся к типу сетей с промежуточным хранением передаваемой информации. Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов разделяются, кроме того, на два класса – на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В сетях с динамической коммутацией соединение абонента с любым другим устанавливается сетью по инициативе абонента, продолжается определенное время (от нескольких секунд до нескольких часов) и завершается также по инициативе абонента по окончании обмена информацией. Такой режим работы поддерживают телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

В сетях с постоянной коммутацией соединение между взаимодействующими пользователями устанавливается персоналом сети на длительное время (несколько месяцев и более). Режим постоянной коммутации популярен в сетях технологии SDH, где создаются выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

Некоторые сети поддерживают оба режима работы, например сети X.25 и АТМ.

Коммутация каналов. При коммутации 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 составной 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.

Время установления сквозного канала связи обычно бывает большим из-за необходимости организации взаимодействия значительного числа устройств коммутации.

После установления такого канала ЦКК выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем информации. Следовательно, при использовании метода коммутации каналов передача информации обеспечивается двумя основными составляющими в расходной части ресурсов: ресурсами для организации вызова и ресурсами для поддержания в ЦКК коммутационных устройств или для организации распределения временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема передаваемой информации, а вторая – прямо пропорциональна интервалу времени, в течение которого происходит соединение.

Коммутаторы и соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов, поэтому они должны быть высокоскоростными и поддерживать одну из двух техник мультиплексирования абонентских каналов:

• технику частотного мультиплексирования (FDM), когда для разделения абонентских каналов используется модуляция высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным сигналом, порождаемым звуковыми колебаниями (частотное разделение характерно, таким образом, для аналоговой модуляции сигналов);

• технику мультиплексирования с разделением времени (TDM), когда аппаратура TDM-сетей (мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры) работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Временное разделение характерно для цифрового кодирования. Сети TDM требуют синхронной работы всего оборудования, поэтому такая техника мультиплексирования имеет и другое название – техника синхронного режима передачи (STM). В настоящее время практически все данные (голос, изображение, компьютерные данные) передаются в цифровой форме, поэтому выделенные каналы TDM-технологии, обеспечивающие нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, компьютерных, телевизионных.

В качестве недостатков метода коммутации каналов можно указать следующие:

большое 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 в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим система, в которой реализуется метод коммутации каналов, относится к классу систем с потерей запросов на обслуживание);

отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;

наращивание функций и возможностей сети ограничено;

не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузки весьма ограничены).

Преимущества метода коммутации каналов:

отработанность технологии коммутации каналов (первое коммутационное устройство появилось еще в конце XIX-го века);

возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени;

обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа ЦКК между абонентами;

гарантированная пропускная способность сети после установления соединения (это важно при передаче голоса, изображения, управления объектами в реальном масштабе времени);

довольно широкая область применения. Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является долговременным синхронный поток данных между взаимодействующими абонентами.

Коммутация с промежуточным хранением. Отметим особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них характерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной канал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызывающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, построенный на базе коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах связи предотвращает потерю передаваемой информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, относятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является возможность согласования скоростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реализуемых созданием буферных ЗУ в узлах связи. Наконец, для сеВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы тей с промежуточным хранением обязательным требованием является битовая прозрачность. Требование же временной прозрачности, как правило, ими не гарантируется.

Коммутация сообщений была преобладающим методом передачи данных в 60- гг. и до сих пор используется в некоторых областях (в электронной почте, электронных новостях, телеконференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с промежуточным хранением, технология коммутации сообщений относится к технологии типа «запомнить и послать». Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение «главный – подчиненный». Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в центре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рассматриваются интерактивный режим и работа в реальном масштабе времени, однако данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для различных типов потоков данных. Высокоприоритетные потоки задерживаются в очереди на обслуживание на более короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет обеспечить интерактивные прикладные задачи.

Важно отметить, что при коммутации сообщений сообщение, независимо от его длины (разброс в длине сообщений может быть достаточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект в процессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назначения. Более того, транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принимается. По своему влиянию на задержки это равноценно низкому уровню использования ресурсов сети.

Таким образом, коммутация сообщений предназначена для организации взаимодействия пользователей в режиме off-line, при котором не ожидается немедленной реакции на принятое сообщение.

Недостатки метода коммутации сообщений:

необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах связи для приема больших сообщений, что обусловливается сохранением их целостности;

недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе времени при передаче данных;

выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки данных (это характерно для структуры «главный – подчиненный»);

коммутатор сообщений является потенциально узким местом по пропускной способности;

каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хранением.

Преимущества метода:

отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала передачи данных) установлении сквозного канала связи между абонентами;

возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной способностью;

реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;

возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания низкоприоритетных потоков в периоды этих нагрузок;

отсутствие потерь запросов на обслуживание.

Коммутация пакетов, появившаяся в 70-х гг., сочетает в себе преимущества коммутации каналов и коммутации сообщений. Ее основные цели: обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени реакции на запрос для всех пользователей, сглаХарактеристика компьютерных сетей живание асимметричных потоков между многими пользователями, обеспечение мультиплексирования возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассредоточение критических компонентов (коммутаторов) сети.

При коммутации пакетов пользовательские данные (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. Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие одному и тому же сообщению, могут передаваться одновременно по различным маршрутам в составе дейтаграмм.

Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется центрами коммутации пакетов (ЦКП) с помощью компьютеров. Длительное хранение пакетов в ЦКП не предполагается, поэтому пакеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется первоначальное сообщение.

Описанный режим передачи пакетов, предполагающий независимую маршрутизацию каждого пакета, называется дейтаграммным.

В отличие от коммутации сообщений технология коммутации пакетов позволяет:

• увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов;

• легче преодолеть трудности, связанные с подключением к коммутаторам дополнительных линий связи;

• осуществить альтернативную маршрутизацию (в обход поврежденных или занятых узлов связи и каналов), что создает повышенные удобства для пользователей;

• существенно сократить время на передачу пользовательских данных, повысить пропускную способность сети и повысить эффективность использования сетевых Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплексирование с помощью разделения времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Логика коммутации пакетов позволяет мультиплексировать многие пользовательские сеансы на один порт компьютера. Пользователь восприниОпределение мает порт как выделенный, в то время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом, а такой режим работы – передачей пакетов по виртуальному каналу.

Коммутация пакетов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асимметричных потоков в каналах связи.

Стоимость организации вызова для пакетной коммутации ниже по сравнению с соответствующей характеристикой метода коммутации каналов. Но с увеличением объема передаваемой информации стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чем для коммутации каналов, что объясняется необходимостью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации.

В настоящее время пакетная коммутация является основной для передачи данных.

Символьная коммутация (иначе: субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет собой разновидность пакетной коммутации. Она применяется в случае, когда пакет содержит информационные биты, принадлежащие различным пользователям.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям. Первое из них – уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины, и второе – обеспечение повышения эффективности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличением длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка становится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффективность передачи). В сети с пакетной коммутацией максимально разрешенный размер пакета устанавливается на основе трех факторов: распределения длин пакетов, характеристики среды передачи (главным образом, скорости передачи) и стоимости. Для каждой передающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета.

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 бит) и загрузки их в один пакет общего доступа.

Анализ рассмотренных коммутационных технологий позволяет сделать вывод о возможности разработки комбинированного метода коммутации, основанного на использовании в определенном сочетании принципов коммутации сообщений, пакетов и символьной коммутации и обеспечивающего более эффективное управление разнородным трафиком.

4.12. Сети и технологии Х.25 и Frame Relay Ниже даются краткие сведения о наиболее распространенных телекоммуникационных системах, или территориальных сетях связи. К ним относятся Х.25, Frame Relay (FR), IP, ISDN, SDH, АТМ (сведения о сетях IP даются при рассмотрении глобальной сети Интернет). При этом обращается внимание на их «прогрессивность», т. е. возможность предоставления полного сервиса в настоящее время и степень актуальности в перспективе. Особенно важным преимуществом той или иной сетевой технологии является ее возможность наиболее полно использовать имеющуюся в распоряжении пользователя полосу пропускания канала связи и адаптироваться к качеству канала.

Сети и технологии Х.25. Сетями Х.25 называются сети, доступ к которым производится в соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ), первый вариант которой появился в 1976 г. Эта рекомендация описывает интерфейс доступа пользователя в сеть передачи данных, а также интерфейс взаимодействия с удаленным пользователем через систему передачи данных (СПД). Передача данных в сети Х.25 производится по протоколам, описанным в рекомендации Х.25. С момента выпуска первого варианта рекомендации Х.25 все стандарты были практически проверены, расширены и дополнены, и сегодня достигнут высокий уровень совместимости оборудования, выпускаемого различными фирмами для сетей Х.25.

Несмотря на появление новых интегральных технологий сетей связи, рассчитанных на высокоскоростные каналы связи, сети Х.25 все еще являются наиболее распространенными СПД. Это объясняется тем, что именно сети Х.25 с наибольшим основанием можно сравнить с телефонными сетями: установив соединение компьютера с ближайшим узлом сети Х.25, можно связаться с любым из многих тысяч пользователей сетей Х. по всему миру (для этого надо лишь знать его сетевой адрес) точно так же, как подняв трубку телефонного аппарата, подключенного к ближайшей АТС, можно соединиться практически с любым абонентом. Технология Х.25 особенно актуальна для России и друХарактеристика компьютерных сетей гих стран, где пока отсутствует развитая инфраструктура высокоскоростных первичных каналов связи.

На основе технологий Х.25 построено большинство эксплуатируемых в настоящее время СПД с коммутацией пакетов, предназначенных для организации и обеспечения надежной передачи данных в условиях разветвленных территориальных сетей на базе низко– и среднескоростных каналов. При этом за счет повторной передачи искаженных кадров между каждой парой соседних узлов сети обеспечивается достоверная и упорядоченная передача данных. Однако в сети с каналами низкого качества из-за повторных передач возникают нерегламентированные и непостоянные задержки передаваемых данных, поэтому передача трафика, чувствительного к задержкам (например, оцифрованного голоса) по сетям Х.25 с удовлетворительным качеством невозможна.

Рекомендация Х.25 описывает три уровня протоколов: физического, канального и сетевого. Они реализуют функции соответственно физического, канального, сетевого и частично транспортного уровней модели взаимодействия открытых систем (BOC – OSI).

Физический уровень, широко представленный в оборудовании массового спроса, описывает уровни сигналов и логику взаимодействия на уровне физического интерфейса.

Канальный уровень, также широко представленный в оборудовании (например, в модемах), отвечает за эффективную и надежную передачу данных в соединении «точкаточка», т. е. между соседними узлами сети Х.25. На этом уровне осуществляется защита от ошибок при передаче между соседними узлами, управление потоком данных и, кроме того, обеспечивается получение оптимального по скорости передачи режима в зависимости от протяженности канала между двумя точками (времени задержки в канале) и качества канала (вероятности искажения информации при передаче), что важно при оценке эффективности функционирования двухточечного соединения.

Для реализации указанных выше функций поток информации разбивается на кадры (frame), каждый из которых представляет собой организованную определенным образом последовательность битов. Кадр обрамляется «флагами» (уникальными последовательностями битов, являющимися разделителем между кадрами) и состоит из служебных полей (поля адреса, поля управления с циклическим номером кадра, поля проверочной последовательности кадра) и информационного поля для информационных кадров. Длину кадра можно менять при настройке параметров протокола к физическим характеристикам линии связи. Чем короче кадр, тем меньше вероятность его искажения при передаче. С другой стороны, если линия хорошего качества, то информацию лучше передавать более длинными кадрами, обеспечивающими уменьшение процента избыточной информации (флаги, служебные поля кадра).

Наконец, на сетевом уровне, определяющем специфику сетей Х.25, производится маршрутизация пакетов (на этом уровне информация также структурируется, т. е. разбивается на «порции», называемые «пакетами») и доведение информации от «точки входа в сеть» до «точки выхода» из нее. Структура пакета во многом аналогична структуре кадра. При передаче пакет помещается в поле данных информационного кадра (кадра канального уровня).

В сетях Х.25 реализуется метод «коммутации пакетов», в соответствии с которым перед передачей информации от одного абонента к другому между ними сначала устанавливается виртуальное (логическое) соединение, т. е. происходит обмен пакетами «запрос вызова» – «вызов принят», после чего производится обмен информацией. Виртуальные соединения могут быть как постоянными, так и коммутируемыми, когда соединение устанавливается под каждый сеанс обмена информацией. Число виртуальных соединений, которые могут одновременно поддерживаться на базе одного физического канала, зависит от конкретного типа оборудования, используемого для поддержания таких соединений.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Доступ пользователей к сети Х.25 осуществляется в одном из двух режимов – в пакетном или монопольном. Доступ с персонального компьютера (ПК) в сеть в пакетном режиме реализуется путем установления в ПК специальной платы, обеспечивающей обмен данными в соответствии со стандартом Х.25. Подключение ЛКС через сеть Х.25 осуществляется с помощью сетевых плат (например, производимых компаниями Microdyne, Newport Systems Solutions и др.) или для этого могут использоваться мостымаршрутизаторы удаленного доступа, включенные в виде отдаленных устройств и поддерживающие протокол Х.25. Преимущество таких устройств по сравнению с встроенными в компьютер платами (помимо большей производительности) состоит в том, что они не требуют установки специального программного обеспечения, а сопрягаются с ЛКС по стандартному интерфейсу локальной сети, что позволяет реализовать более гибкие и универсальные решения. Подключение пользовательского оборудования к сети в пакетном режиме удобно, когда требуется многопользовательский доступ к этому оборудованию через сеть.

Подключение к сети Х.25 в монопольном режиме производится по стандартам Х.3, Х.28, Х.29, которые определяют функционирование специальных устройств доступа в сеть – «сборщиков-разборщиков пакетов» – ПАД («packet assembler-dissasembler»). Эти устройства используются для доступа в сеть абонентов в асинхронном режиме обмена информацией, т. е. через последовательный порт компьютера (непосредственно или с применением модемов). ПАД обычно имеет несколько асинхронных портов и один синхронный порт (порт Х.25). ПАД накапливает поступающие по асинхронным портам данные, упаковывает их в пакеты и передает через порт Х.25. В разных сетях могут быть установлены различные значения параметров передачи по каналам Х.25 (длина кадра и пакета, система адресации и др.). Для обеспечения стыковки этих сетей была разработана рекомендация Х.75, определяющая правила согласования параметров при переходе из одной сети в другую. Сопряжение сетей обычно производится через ЦКП, в котором реализована поддержка шлюзовых функций.

Метод коммутации пакетов, лежащий в основе сетей Х.25, определяет основные преимущества таких сетей, а следовательно, и области их применения. Преимущества сетей Х.25 заключаются в следующем:

1. Сети Х.25 позволяют в режиме реального времени разделять один и тот же физический канал между несколькими абонентами. Благодаря этому во многих случаях оказывается экономически выгодней для передачи данных пользоваться сетью Х.25, производя оплату за каждый байт переданной информации, а не оплачивать время использования телефонной линии. Метод разделения физического канала между абонентами в сетях Х.25 называют еще логическим, или статистическим уплотнением (в отличие от временного разделения канала). При статистическом разделении канала нет строго регламентированной степени загрузки канала каждым абонентом в определенный момент времени. Эффективность использования статистического уплотнения зависит от статистических или вероятностных характеристик уплотняемых потоков информации. Имеется большой опыт эффективного использования сетей Х.25 для широкого спектра задач передачи данных, когда трафик в сети не является равномерным во времени: обмен сообщениями между пользователями, обращение большого числа пользователей к удаленной базе данных или к удаленному хосту электронной почты, связь локальных сетей (при скоростях обмена не более 128 Кбит/с), объединение удаленных кассовых аппаратов или банкоматов.

2. Сети Х.25 позволяют передавать оптимальным образом данные по выделенным и коммутируемым каналам телефонной сети общего пользования. Критериями оптимизации являются максимально возможные на этих каналах скорость и достоверность передачи данных.

3. В сетях Х.25 имеется механизм альтернативной маршрутизации, с помощью которого, помимо основного маршрута, задается ряд альтернативных (резервных) маршрутов, за счет чего значительно увеличивается надежность работы сети. Однако это означает, что между любыми двумя точками подключения пользователя к сети должно быть, по крайней мере, два различных маршрута.

При всех достоинствах сетевой технологии Х.25 у нее есть и свои довольно серьезные ограничения:

• невозможность передавать по сетям Х.25 такие виды информации, как голос и видеоинформация;

• существенное ограничение скорости передачи, основной причиной которого является наличие в таких сетях развитых механизмов коррекции ошибок. Эти механизмы требуют подтверждения информации между каждыми соседними узлами сети, что приводит к значительным задержкам распространения информации.

Поэтому технология Х.25 обычно применяется в сетях, использующих каналы связи со скоростью передачи не более 128 Кбит/с.

Указанные ограничения преодолены в технологии Frame Relay.

Сети и технологии Frame Relay (ретрансляция кадров). Сетью Frame Relay (в дальнейшем – FR) называется сеть коммутации кадров, в которой используется технология (протокол) передачи данных одноименного названия [40].

Протокол FR – это интерфейс доступа к сетям быстрой коммутации пакетов.

Он позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенОпределение Отличительные особенности протокола FR: малое время задержки при передаче информации через сеть, высокие скорости передачи, «высокая степень связности», эффективное использование полосы пропускания. По сетям FR возможна передача не только собственно данных, но и оцифрованного голоса.

Для оценки FR-сетей (как и АТМ-сетей) важным фактором является не столько высокая «физическая» скорость передачи данных (т. е. скорости «физических» каналов), сколько реализация методов статистического уплотнения информации, обеспечивающих существенное повышение информационной скорости передачи в условиях дефицита физической пропускной способности канала, а также наличие интерфейсов для эффективного подключения к сети различных типов оконечных пользовательских устройств.

Протокол FR выполняет функции первого, частичного второго и третьего уровней модели ВОС. Он позволяет устанавливать соединение между взаимодействующими узлами сети, что аналогично соединению по Х.25 в случае, когда используется постоянное виртуальное соединение (PVC). Внутри каждого физического канала может быть создана совокупность PVC (логических каналов), что и объясняет «высокую степень связности», обеспечиваемую протоколом FR. Что касается коммутируемых виртуальных соединений (SVC), то их использование в FR-сетях описывается специальными протоколами.

Сети FR могут выступать альтернативой сетей Х.25. Например, ЛКС могут подключаться к сети непосредственно по интерфейсу FR, и тогда FR-сеть выполняет те же функции по обеспечению взаимодействия удаленных ЛКС, что и сеть Х.25. В других случаях сеть FR выступает в качестве высокоскоростной магистрали для объединения ряда сетей Х.25. Такое решение легко реализуется, так как большинство современных устройств центров коммутации пакетов сетей Х.25 оборудованы портами FR.

В отличие от сетей Х.25, где на сетевом уровне обеспечивается гарантированная передача пакетов (в случае искажения при передаче какого-либо пакета происходит его Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы повторная передача), кадр FR не содержит переменных нумераций передаваемых и подтверждаемых кадров. При межузловом обмене информацией в сетях FR ошибочные кадры просто «выбрасываются», их повторная передача средствами FR не происходит. Для обеспечения гарантированной и упорядоченной передачи кадров необходимо использовать либо протоколы более высокого уровня (например, протокол ТСР/IР), либо дополнение к протоколу FR (например, Q.922).

Кадр FR-сети имеет минимальную избыточность, т. е. доля служебной информации в кадре по отношению к передаваемым данным пользователя минимальна. Это способствует сокращению времени на передачу фиксированного объема информации.

Кроме того, в сети FR может производиться маршрутизация своими средствами (без задействования механизмов маршрутизации по Х.25 или по протоколу IP), что значительно увеличивает скорость маршрутизации. Однако такой эффект достигается только при использовании каналов, качество которых соответствует требованиям технологии FR. В противном случае сравнительно много кадров будут передаваться с ошибкой, и потребуется повторная передача кадров, обеспечиваемая дополнительными средствами. Это снизит информационную скорость передачи информации и более эффективной в этом случае станет сеть Х.25.

Эффективность технологии FR достигается также использованием специфических механизмов, управляющих загрузкой сети. Эти механизмы обеспечивают практически гарантированное время доставки кадров через сеть и одновременно дают возможность сети адаптироваться к крайне неравномерным во времени типам трафика (например, к трафику ЛКС).

Стремительному развитию технологии FR и повышению ее эффективности способствует ряд факторов, в частности, улучшение качества каналов связи, использование современного многофункционального каналообразующего оборудования. К новому классу такого оборудования относятся мультимедийные пакетные коммутаторы (МПК).

Коммутаторы МПК, использующие технологию FR для транспортировки информации, совмещают несколько функций:

• статистическое уплотнение каналов передачи данных, при котором фиксированные промежутки времени в уплотняемом канале не предоставляются отдельно каждому каналу, как это имеет место при использовании метода временного уплотнения; информация каждого канала разбивается на отдельные блоки, к блоку прибавляются заголовок, содержащий идентификатор соответствующего канала, и хвост, что образует единицу передачи информации – кадр, с помощью которого могут передаваться все виды трафика. Основные преимущества такого уплотнения: динамическое распределение пропускной способности уплотненного канала связи в зависимости от активности в каналах передачи данных, возможность предоставления пропускной способности по требованию, возможность установки приоритетов для различных видов трафика;

• коммутация и передача различных видов трафика;

• управление потоком информации и установка приоритетов;

• поддержка функций телефонных станций. К функциям АТС, выполняемым МПК, относятся оцифровка и коммутация голоса, передача факсимильных сообщений.

Для технологии FR характерным является возможное увеличение задержки при передаче голоса по сравнению с обычной телефонной сетью. Устранить это явление можно путем установления более высокого приоритета для голосового трафика и применения фрагментации кадров.

Распространению технологии FR способствует также наличие стандартов, обеспечивающих совместимость сетей FR с другими сетями. Например, имеется стандарт IETF 1294 для преобразования пакетов TCP/IP в кадры FR. Есть стандарты, обеспечивающие совместимость FR с самыми высокопроизводительными и современными сетями – сетями АТМ. При «входе»в сеть АТМ длинные кадры FR разбиваются на короткие, размещаемые внутри АТМ-ячеек, а при «выходе» из сети АТМ из ячеек АТМ-сети извлекаются фрагменты кадров FR и из них собираются полные кадры FR.

В настоящее время за рубежом, особенно в США, наблюдается стремительное развитие сетей FR. За один 1996-й год число пользователей этих сетей выросло более чем в три раза. В начале 1997 г. около 1800 фирм США строили свои корпоративные сети на базе магистральных сетей FR. Наиболее распространенные способы доступа к сетям FR:

использование выделенных линий; через сети Х.25 по обычным коммутируемым телефонным линиям; через ISDN для передачи данных и голоса.

В России большинство сетей передачи данных общего пользования также предоставляют пользователям FR-сервис. Основная проблема с реализацией магистральной сети FR заключается в том, что те магистральные междугородние каналы, которые построены на базе телефонных линий (линий тональной частоты), не обеспечивают необходимое для сети FR качество передачи. Для построения сетей FR самые широкие возможности имеют те предприятия, решения которых основаны на базе оптоволоконных или спутниковых каналов связи.

Технология FR и в будущем сохранит свои преимущества и актуальность, поскольку она обеспечивает идеальный доступ к высокоскоростной магистральной АТМсети по низкоскоростным каналам связи. Эта технология в настоящее время является наиболее эффективной для приложений, связанных с интеграцией неравномерного (пульсирующего) трафика локальных сетей и чувствительной к задержке голосовой информации.

4.13. Сети и технологии ISDN и SDH Сети и технологии ISDN. Сети ISDN (Integrated Services Digital Network – цифровая сеть с интеграцией услуг) относятся к классу сетей, изначально предназначенных для передачи как данных, так и голоса. Это сети, обеспечивающие цифровое соединение между оконечными абонентами сети для предоставления широкого набора услуг, к которым пользователи получают доступ через ограниченное число стандартных многофункциональных интерфейсов.

В сетях ISDN используется цифровая технология, получающая все большее распространение, так как:

• цифровые устройства, используемые в ISDN, производятся на основе интегральных схем высокой интеграции; по сравнению с аналоговыми устройствами они отличаются большой надежностью и устойчивостью в работе и, кроме того, в производстве и эксплуатации, как правило, дешевле;

• цифровую технологию можно использовать для передачи любой информации по одному каналу (акустических сигналов, телевизионных видеоданных, факсимильных • цифровые методы преодолевают многие из ограничений передачи и хранения, которые присущи аналоговым технологиям.

В сетях ISDN при передаче аналогового сигнала осуществляется преобразование его в последовательность цифровых значений, а при приеме – обратное преобразование.

Аналоговый сигнал проявляется как постоянное изменение амплитуды во времени.

Например, при разговоре по телефону, который действует как преобразователь акустиВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ческих сигналов в электрические, механические колебания воздуха (чередование высокого и низкого давления) преобразуются в электрический сигнал с такой же характеристикой огибающей амплитуды. Однако непосредственная передача аналогового электрического сигнала по телефонной линии связи сопряжена с рядом недостатков: искажение сигнала вследствие его нелинейности, которая увеличивается усилителями, затухание сигнала при передаче через среду, подверженность влиянию шумов в канале и др.

В ISDN эти недостатки преодолимы. Здесь форма аналогового сигнала представляется в виде цифровых (двоичных) образов, цифровых значений, представляющих соответствующие значения амплитуды огибающей синусоидальных колебаний в точках, на дискретных уровнях. Цифровые сигналы также подвержены ослаблению и шумам при их прохождении через канал, однако на приемном пункте необходимо отмечать лишь наличие или отсутствие двоичного цифрового импульса, а не его абсолютное значение, которое важно в случае аналогового сигнала. Следовательно, цифровые сигналы принимаются надежнее, их можно полностью восстановить, прежде чем они из-за затухания станут ниже порогового значения.

Подключение пользовательского оборудования к сети ISDN производится на одной из двух стандартных скоростей [39]. Первая из них – «базовая» скорость (BRI – Basic Rate Interface), а вторая – «первичная» (PRI – Primary Rate Interface). При передаче информации по BRI в канале создаются три логических подканала, два из которых, называемые Вканалами, предназначены для передачи «полезной» информации пользователя (в частности, голоса). Каждый из В-каналов требует полосы пропускания 64 Кбит/с. Третий подканал, называемый D-каналом, требует такой же полосы пропускания и используется, прежде всего, для передачи служебной информации, которая определяет порядок обработки информации, передаваемой по В-каналам. Иногда D-канал используется для передачи полезной информации, его полоса пропускания равна 16 Кбит/с. Следовательно, общая полоса пропускания, т. е. скорость передачи, соответствующая интерфейсу BRI, составляет 144 Кбит/с.

Канал PRI имеет свою специфику в разных странах. В США, Канаде и Японии он состоит из двух В-каналов и одного D-канала, каждый из них имеет пропускную способность 64 Кбит/с, а общая пропускная способность PRI-канала равна 1536 Кбит/с (с учетом служебной информации). В Европе канал PRI занимает полосу пропускания 1920 Кбит/с.

Большая полоса пропускания каналов, необходимая для построения сетей ISDM, является основным препятствием на пути их распространения, особенно в странах со слабо развитой инфраструктурой высокоскоростных каналов связи. Однако существуют механизмы, позволяющие строить такие сети, более экономно используя полосу пропускания каналов связи. Один из таких механизмов позволяет уплотнять В-каналы, используемые для передачи голоса. При этом реализуется техника кодирования (преобразования акустических сигналов в цифровой код), получившая название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В настоящее время техника кодирования голоса шагнула далеко вперед, обеспечивая вполне приемлемое качество голосовой связи при гораздо меньшей полосе пропускания (в одном из практических случаев голосовая информация, передаваемая по каждому из В-каналов, сжимается и передается со скоростью 6,33 Кбит/с [20]).

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется различными методами. Один из них – импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).