ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В СЕТЯХ

3.1 Виды связи и режимы работы сетей передачи сообщений

Первоначальными видами сообщений могут быть голос, изображения, текст, данные. Для передачи звука традиционно используется телефон, изображений - телевидение, текста - телеграф (телетайп), данных - вычислительные сети. Передача документов (текста) может быть кодовой или факсимильной. Для передачи в единой среде звука, изображений и данных применяют сети, называемые сетями интегрального обслуживания.

Кодовая передача сообщений между накопителями, находящимися в узлах информационной сети, называется телетекстом (в отличие от телекса - телетайпной связи), а факсимильная связь называется телефаксом. Виды телетекса: электронная почта (E-mail) - обмен сообщениями между двумя пользователями сети, обмен файлами, "доска объявлений" и телеконференции - широковещательная передача сообщений.

Установление соединения между отправителем и получателем с возможностью обмена сообщениями без заметных временных задержек характеризует режим работы on-line ("на линии"). При существенных задержках с запоминанием информации в промежуточных узлах имеем режим off-line ("вне линии").

Связь может быть односторонней (симплексной), с попеременной передачей информации в обоих направлениях (полудуплексной) или одновременной в обоих направлениях (дуплексной).

3.2 Протоколы

Протоколы - это набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков сети при передаче данных. Другими словами, протокол - это совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участниками процесса информационного обмена.

Поскольку информационный обмен - процесс многофункциональный, то протоколы делятся на уровни. К каждому уровню относится группа родственных функций. Для правильного взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой. Этим целям служат унификация и стандартизация в области телекоммуникаций и вычислительных сетей.

Унификация и стандартизация протоколов выполняются рядом международных организаций, что наряду с разнообразием типов сетей породило большое число различных протоколов. Наиболее широко распространенными являются протоколы, разработанные для сети ARPANET и применяемые в глобальной сети Internet, протоколы открытых систем Международной организации по стандартизации (ISO -Intrenational Standard Organization), протоколы Международного телекоммуникационного союза (International Telecommunication Union -ITU, ранее называвшегося CCITT) и протоколы Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers). Протоколы сети Internet объединяют под названием TCP/IP. Протоколы ISO являются семиуровневыми и известны как протоколы базовой эталонной модели взаимосвязи открытых систем - ЭМВОС).

3.3 Эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС)

Базовая ЭМВОС - это модель, принятая ISO для описания общих принципов взаимодействия информационных систем. ЭМВОС признана всеми международными организациями как основа для стандартизации протоколов информационных сетей.

В ЭМВОС информационная сеть рассматривается как совокупность функций, которые делятся на группы, называемые уровнями. Разделение на уровни позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет модернизацию средств по мере развития техники.

ЭМВОС содержит семь уровней. Ниже приведены их номера, названия и выполняемые функции.

7-й уровень - прикладной (Application): включает средства управления прикладными процессами; эти процессы могут объединяться для выполнения поставленных заданий, обмениваться между собой данными. Другими словами, на этом уровне определяются и оформляются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети. Уровень включает, например, такие средства для взаимодействия прикладных программ, как прием и хранение пакетов в "почтовых ящиках" (mail-box).

6-й уровень - представительный (Presentation): реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование). Например, на этом уровне выделенные для передачи данные преобразуются из кода ЕBCDIC в ASCII и т.п.

5-й уровень - сеансовый (Session): предназначен для организации и синхронизации диалога, ведущегося объектами (станциями) cети. На этом уровне определяются тип связи (дуплекс или полудуплекс), начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответаами взаимодействующих партнеров.

4-й уровень - транспортный (Transport): предназначен для управления сквозными каналами в сети передачи данных; на этом уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами (в отличие от следующего сетевого уровня, на котором обеспечивается передача данных через промежуточные компоненты сети). К функциям транспортного уровня относятся мультиплексирование и демультиплексирование (сборка-разборка пакетов), обнаружение и устранение ошибок в передаче данных, реализация заказанного уровня услуг (например, заказанной скорости и надежности передачи).

3-й уровень - сетевой (Network): на этом уровне происходит формирование пакетов по правилам тех промежуточных сетей, через которые проходит исходный пакет, и маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты. Другими словами, маршрутизация сводится к образованию логических каналов. Логическим каналом называется виртуальное соединение двух или более объектов сетевого уровня, при котором возможен обмен данными между этими объектами. Понятию логического канала необязательно соответствие некоего физического соединения линий передачи данных между связываемыми пунктами. Это понятие введено для абстрагирования от физической реализации соединения. Еще одной важной функцией сетевого уровня после маршрутизации является контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок, отрицательно влияющих на работу сети.

2-й уровень - канальный (Link, уровень звена данных): предоставляет услуги по обмену данными между логическими объектами предыдущего сетевого уровня и выполняет функции, связанные с формированием и передачей кадров, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на следующем, физическом уровне. Кадром называется пакет канального уровня, поскольку пакет на предыдущих уровнях может состоять из одного или многих кадров.

1-й уровень - физический (Physical): предоставляет механические, электрические, функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разъединения логических соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функции передачи битов данных через физические среды. Именно на физическом уровне осуществляются представление информации в виде электрических или оптических сигналов, преобразования формы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных.

В конкретных случаях может возникать потребность в реализации лишь части названных функций, тогда соответственно в сети имеется лишь часть уровней. Так, в простых (неразветвленных) ЛВС отпадает необходимость в средствах сетевого и транспортного уровней. В то же время сложность функций канального уровня делает целесообразным его разделение в ЛВС на два подуровня: управление доступом к каналу (МАС - Medium Access Control) и управление логическим каналом (LLC - Logical Link Control). К подуровню LLC в отличие от подуровня МАС относится часть функций канального уровня, не связанных с особенностями передающей среды.

Передача данных через разветвленные сети происходит при использовании инкапсуляции/декапсуляции порций данных. Так, сообщение, пришедшее на транспортный уровень, делится на сегменты, которые получают заголовки и передаются на сетевой уровень. Сегментом обычно называют пакет транспортного уровня. Сетевой уровень организует передачу данных через промежуточные сети. Для этого сегмент может быть разделен на части (пакеты), если сеть не поддерживает передачу сегментов целиком. Пакет снабжается своим сетевым заголовком (т.е. происходит инкапсуляция). При передаче между узлами промежуточной ЛВС требуется инкапсуляция пакетов в кадры с возможной разбивкой пакета. Приемник декапсулирует сегменты и восстанавливает исходное сообщение.

Основные элементы сети передачи данных (СПД)

Среда передачи данных - совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (т.е. сетевого оборудования, не входящего в станции данных), предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя.

Линия передачи данных - средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, световод.

Характеристиками линий передачи данных являются зависимости затухания сигнала от частоты и расстояния. Затухание принято оценивать в децибелах, 1 дБ = 10*lg(P1/P2), где Р1 и Р2 - мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно.

При заданной длине можно говорить о полосе пропускания (полосе частот) линии. Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации. Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости. Бодовая скорость измеряется в бодах, т.е. числом изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная - числом битов информации, переданных в единицу времени. Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии.

Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число градаций модулируемого параметра несущей равно 2^N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с.

Максимально возможная информационная скорость V связана с полосой пропускания F канала связи формулой Хартли-Шеннона (предполагается, что одно изменение величины сигнала приходится на log₂k бит, где k - число возможных дискретных значений сигнала)

V = 2*F*log₂k бит/с,

так как V = log₂k/t, где t - длительность переходных процессов, приблизительно равная 3*Т_В, а Т_В = 1/(2*p *F), k = 1+A, где A - отношение сигнал/помеха.

Канал (канал связи) - средства односторонней передачи данных. Примером канала может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

Канал передачи данных - средства двустороннего обмена данными, включающие аппаратуру конца данных (узел) и линию передачи данных.

Составные элементы СПД. Это совокупность аппаратных средств для представления информации в закодированной форме и преобразования ее с целью эффективного распространения сиг­налов по физической среде связи (ФСС) (каналу связи). В соот­ветствии с приведенным определением канал передачи данных можно представить состоящим из двух основных частей: аппаратуры передачи данных и физической среды связи, через которую передается информация. Варианты структур канала передачи данных показаны на рис. 4, а—в.

Сетевой тракт передачи данных. Это совокупность парал­лельно включенных каналов связи, организованных в линии раз­личного типа с помощью аппаратуры частотного или временного уплотнения, устройств преобразования сигналов, модемов и уст­ройств повышения достоверности передачи информации.

Функциональное назначение каждой из указанных частей ка­нала и тракта передачи данных определяет их техническое испол­нение. Конструктивно аппаратура передачи данных (АПД) соединяется с линией связи через специальные аппаратные средства (интерфейсы связи), которые выполняются на основе стандартных решений, требований и рекомендаций. Международные стандарты, опреде­ляющие соединение АПД с физической средой, называют рекомендациями серии Х (MKKТT), в частности Х.21 и Х.21 бис. В нашей стране интерфейсы связи называются СТЫКами, обозначаются заглавными буквами С с номером, стоящим справа: С1, С2, СЗ, С4. СТЫК С1 определяет структуру, состав и логику взаимодействия соединительных цепей между АПД и физической средой связи ФСС (рис. 1.20, а). Он также устанавливает параметры передачи (скорости, тип капала связи и др.) СТЫК С2 определяет параметры цепей обмена данными между оконечным оборудованием данных ООД и АПД при последовательном вводе/выводе данных той или иной абонентской системой (АС). В абонентской системе (АС) обмен и передача между отдельными устройствами (оконечными абонентами) (ОА) осуществляется па­раллельным образом, т. е. сигналы передаются одновременно по целой группе соединительных линий (цепей), на которые также имеются стандартные интерфейсы (стандарт ИРПР—интерфейс-радиальный параллельный). При подключении абонентской си­стемы к каналу передачи данных, во-первых, необходимо обеспе­чить сопряжение, которое выполняется с помощью адаптеров (А) через ИРПР, а во-вторых, сопряжение адаптера с каналом передачи данных и при необходимости в случае передачи на значительное

Рисунок 4 - Структура канала передачи данных

Работу канала передачи данных можно организовать различ­ным образом: передавать данные только в одном направлении (симплексный СДД) (рис. 4, в), менять направления передачи (полудуплексный СПД) (рис. 4, б) и, используя две линии, ввести одновременную передачу в двух направлениях (дуплексный СПД), рис. 4. а.

Как видно из рис. 4, а—в основными компонентами канала передачи данных являются: адресат—получатель 0,4; с устройством приема ПР информации и отправитель ОЛ, с передатчиком ПК, кодер К₀ и декодер ДК. В схеме можно выделить так называемый непрерывный канал связи НКС, в который входят линии связи, приемный ДМ и передающий М модемы.

Непрерывный канал характеризуется полосой пропускания , уровнем шумов Р_ш, затуханием и другими параметрами. При подключении к передатчику кодера, декодера и устройств защиты от ошибок, на основе непрерывного канала, образуется дискретный канал (ДКС).

Для установления физической и логической связей источника с системой передачи информации необходимо организовать сопряжение, которое осуществляется по принципу согласования скорости выбора сообщений источником и скорости их передачи по каналу связи. При этом главным согласующим принципом источника сообщений с каналом связи (это в равной мере относится к приемнику и абоненту) является согласование всех эле­ментов системы передачи информации по применяемым кодам и способам кодирования.

Под кодированием в общем случае понимается процесс представления сообщений с помощью специальных элементов в соответствии с набором правил, позволяющих эффективно реали­зовать передачу, обработку информации и другие информацион­ные процессы.

Как известно из теории информации, для непрерывного канала важнейшей характеристикой является его пропускная способ­ность, которую можно подсчитать следующим образом:

,

где -полоса пропускания канала;

Р_с, Р_ш -мощности сигнала и шума.

Из формулы следует, что имеют место два пути увеличения пропускной способности каналов: увеличение полосы пропускания канала связи, увеличение соотношения сигнал/шум.

В ИС применяют методы, реализующие каждый из указанных путей. В частности, если требуется обеспечить высокие скорости передачи сообщений, в качестве непрерывного канала применяют высокочастотные коаксиальные кабели или оптико-волоконные линии, имеющие сравнительно низкий уровень шумов и позволяю­щие передавать большое число импульсных посылок в единицу времени.

В непрерывном канале также для эффективного протекания / процессов передачи информации производятся модуляция, демодуляция, фильтрация и другие преобразования сигналов.

Непрерывный канал не позволяет обеспечить возросшие требования к процессам передачи информации, предъявляемые к информационным сетям. Решение проблемы – в применении дискретной передачи информации и ее кодирование помехоустойчивости.

По природе физической среды передачи данных (ПД) различают каналы передачи данных на оптических линиях связи, проводных (медных) линиях связи и беспроводные. В свою очередь, медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами, а беспроводные - радио- и инфракрасными каналами.