Лекция 4. Телекоммуникационные системы.1. Классификация телекоммуникационных систем.2. Спутниковые сети связи.3. Коммутация в сетях.4. Маршрутизация пакетов в сетях.5. Защита от ошибок в сетях.
Контрольно-оценочное средство – тестовые задания
1. Классификация телекоммуникационных сетей (ТКС).Под телекоммуникационными системами (ТС) принято понимать структуры и средства, предназначенные для передачи больших объёмов информации (как правило, в цифровой форме) посредством специально проложенных линий связи или радиоэфира. При этом предполагается обслуживание значительного количества пользователей систем (от нескольких тысяч). Телекоммуникационные системы включают такие структуры передачи информации, как телевещание (коллективное, кабельное, спутниковое, сотовое), телефонные сети общего пользования (ТфОП), сотовые системы связи (в том числе макро- и микро- сотовые), системы персонального вызова, спутниковые системы связи и навигационное оборудование, волоконные сети передачи информации.Следует отметить, что основным требованием к системам связи является отсутствие факта прерывания связи, но допускается некоторое ухудшение качества передаваемого сообщения и ожидание установления связи.Типы телекоммуникационных системПо назначению телекоммуникационные системы группируются следующим образом:- системы телевещания;- системы связи (в т.ч. персонального вызова);- компьютерные сети.По типу используемой среды передачи информации:- кабельные (традиционные медные);- оптоволоконные;- эфирные;- спутниковые.По способу передачи информации:- аналоговые;- цифровые.Системы связи подразделяются по мобильности на:- стационарные (традиционные абонентские линии);- подвижные.Подвижные системы связи подразделяются по принципу охвата зоны обслуживания:- на микросотовые - DECT;- сотовые - NMT-450, D-AMPS, GSM, CDMA;- транкинговые (макросотовые, зоновые) – TETRA, SmarTrunk;- спутниковые.Системы телевещания (ТВ) по способу доставки сигнала и зоне охвата подразделяются на:- сети телевизионного приёма;- «кабельные» (систем коллективного телевизионного приёма (СКТП));- технологии беспроводного высокоскоростного распределения мультимедийной информации MMDS , MVDS и LMDS;- спутниковые. Основная функция ТКС, или территориальных сетей связи, заключается в обеспечении оперативного и надежного обмена информацией между абонентами сети. Общепринятое название информации, которой обмениваются, - сообщение. Главные показатели эффективности функционирования ТКС – верность и время доставки информации. Они зависят от ряда факторов: структуры сети связи, пропускной способности каналов связи, способов соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами, протоколов информационного обмена, методов доступа абонентов к передающей среде, методов маршрутизации пакетов и др.Характерные особенности ТКС:• Разнотипность каналов связи – от проводных каналов тональной частоты до оптоволоконных и спутниковых каналов;• Ограниченность пропускной способности и числа каналов связи между удаленными абонентами.Таким образом, ТКС – это географически распределенная сеть, объединяющая в себе функции сетей передачи данных (СПД), телефонных сетей и предназначенная для передачи сообщений с различными вероятностно-временными характеристиками.Коротко рассмотрим типы сетей и каналов связи.В ТКС используются сети связи – телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые. В качестве линий связи применяются: кабельные телефонные линии связи (на основе витой пары или коаксиального кабеля), волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) или световоды, радиорелейные и радиолинии.Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Основные их преимущества:• высокая пропускная способность (сотни мегабит в секунду);• нечувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие собственных электромагнитных излучений;• низкая трудоемкость прокладки оптического кабеля;• искро-, взрыво-, и пожарная безопасность;• повышенная устойчивость к агрессивным средам;• небольшая удельная масса (отношение погонной массы к полосе пропускания);• возможность применения в различных областях (магистрали коллективного доступа, системы связи ЭВМ с периферийными устройствами локальных сетей и др.).Недостатки волоконно-оптических линий связи:• передача сигналов осуществляется только в одном направлении;• подключение к световоду дополнительных ЭВМ значительно ослабляет сигнал;• высокая стоимость высокоскоростных модемов;• необходимость в преобразователях электрических сигналов в световые сигналы и обратно.В ТКС используются три разновидности каналов связи:• симплексный, когда передатчик и приемник связаны одним каналом, по которому информация передается только в одном направлении (в телевизионной и радиовещательной сетях);• полудуплексный, когда два узла связи соединены также одним каналом, по которому информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (в информационно-справочных и запросно-ответных системах);• дуплексный, когда два узла связи соединены двумя каналами (прямым и обратным), по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях. Дуплексные каналы применяются в системах с решающей и информационной обратной связью.В ТКС различают также выделенные (некоммутируемые) и коммутируемые на время передачи информации каналы связи.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 (расписания). Из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается 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.Используется аналоговый и цифровой методы кодирования данных.Пересылка данных от одного узла ТКС к другому осуществляется последовательной передачей битов сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты передаются в виде аналоговых или цифровых электрических сигналов. Аналоговыми называют сигналы, параметры которых могут иметь бесчисленное множество значений в пределах ограниченного диапазона. Цифровые сигналы могут иметь одно или конечный набор значений.При работе с аналоговыми сигналами для передачи закодированных данных используется аналоговый несущий сигнал синусоидальной формы, а при работе с цифровыми сигналами – двухуровневый дискретный сигнал. Аналоговые сигналы менее чувствительны к искажению, обусловленному затуханием в передающей среде, зато кодирование и декодирование данных проще осуществляется для цифровых сигналов.Аналоговое кодирование применяется при передаче цифровых данных по телефонным (аналоговым) линиям связи, изначально ориентированным на передачу акустических сигналов (речи). Перед передачей цифровые данные, поступающие из ЭВМ, преобразуются в аналоговую форму с помощью модулятора-демодулятора (модема), обеспечивающего цифро-аналоговый интерфейс.Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму или три метода модуляции.Цифровое кодирование данных выполняется напрямую, путем изменения уровней сигналов, несущих информацию. Например, если в ЭВМ цифровые данные представляются сигналами уровней: 5 В – для кода «1» и 0,2 – для кода «0», то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно в +12 В и в -12 В. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью асинхронных последовательных адаптеров при передаче цифровых данных от одного компьютера к другому на небольшие расстояния. Цифровой способ передачи является узкополосным, цифровые данные передаются на единой частоте.
2. Спутниковые сети связиПоявление спутниковых сетей связи вызвало такую же революцию в передаче информации, как изобретение телефона.Первый спутник связи был запущен в 1958 г., а в 1965 г. запущен первый коммерческий спутник связи (оба - в США). Эти спутники были пассивными, позже на спутниках стали устанавливать усилители и приемопередающую аппаратуру.Для управления передачей данных между спутником и наземными системами используются следующие способы:1. Обычное мультиплексирование - с частотным разделением и временным разделением. В первом случае весь частотный спектр радиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между пользователями для передачи любого графика.Издержки такого способа: при нерегулярном ведении передач подканалы используются нерационально; значительная часть исходной полосы пропускания канала используется в качестве разделительной полосы для предотвращения нежелательного влияния подканалов друг на друга. Во втором случае весь временной спектр делится между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются предоставленными временными квантами (слотами). Здесь также возможно простаивание канала из-за нерегулярного его использования.2. Обычная дисциплина “первичный / вторичный” с использованием методов и средств опроса/выбора. В качестве первичного органа, реализующего такую дисциплину управления спутниковой связью, чаще выступает одна из наземных РТС, а реже - спутник. Цикл опроса и выбора занимает значительное время, особенно при наличии в сети большого количества АС. Поэтому время реакции на запрос пользователя может оказаться для него неприемлемым.3. Дисциплина управления типа “первичный / вторичный” без опроса, с реализацией метода множественного доступа с квантованием времени. Здесь слоты назначаются первичной системой, называемой эталонной. Принимая запросы от других РТС, эталонная станция в зависимости от характера графика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям конкретных слотов для передачи кадров. Такой метод широко используется в коммерческих спутниковых сетях.4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерно, что все пользователи имеют равное право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал. В начале 70-х годов Н.Абрамсон из Гавайского университета предложил метод эффективного соперничества за канал между некоординируемыми пользователями, названный системой ALOHA. Существует несколько вариантов этой системы: система, реализующая метод случайного доступа (случайная ALOHA); равноранговая приоритетная слотовая система (слотовая ALOHA) и др.К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:• большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи. Например, один из используемых в настоящее время коммерческих спутников имеет 10 транспондеров (приёмопередающее устройство, посылающее сигнал в ответ на принятый сигнал), каждый из которых может передавать 48 Мбит/с;• обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;• независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого графика);• возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических линиях связи и коммуникационных устройствах.Недостатки спутниковых сетей связи:• необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных, на предотвращение возможности перехвата данных “чужими” станциями;• наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и земной системой приема. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных протоколов, а также временем ответа;• возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;• подверженность сигналов на участках Земля — спутник и спутник -Земля влиянию различных атмосферных явлений.Для решения проблем с распределением частот в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц и размещением спутников на орбите необходимо активное сотрудничество многих стран, использующих технику спутниковой связи.Системы спутникового телевидения получили новое развитие в направлении создания недорогих установок индивидуального прие¬ма программ спутникового телевидения. Трансляция программ те¬левидения через системы спутникового телевизионного вещания (СТВ) оказалась экономически выгодной для небольших территории. Для прямой трансляции телевизионных программ используют ге¬остационарные спутники. Спутни¬ки для передачи телевизионных программ делятся на:- спутники дальней связи для теле¬фонной связи, передачи информации и передачи телевизионных про¬грамм;- спутники перераспределения телевизионных программ, на¬пример, на кабельные сети;- спутники для передачи программ те¬левидения и радиовещания непосредственно на индивидуальные при¬емники, ТВ-спутники: в английском обозначении DBS (спутник прямого вещания), в немецком обозначении SDE (спутник прямого приема).
Системы телевещанияСети телевизионного приёма, исторически - самые первые ТС, доставляют сигнал к потребителю посредством ретрансляторов (релейных линий связи), охватывающих территорию России (густонаселенные регионы). Расстояние между ретрансляторами составляет порядка 40-80 км.На современном этапе развитие техники коллективного телевизионного приёма связано с созданием систем кабельного телевидения (СКТ), каждая из которых может обслуживать до нескольких десятков тысяч абонентов. Использование таких систем позволяет решать вопросы обеспечения качественной доставки программ в районах со сложными условиями приёма, а также обеспечить передачу абонентам дополнительной информации - телетекстовой информации, каналы спутникового вещания.Системы коллективного телевизионного приёма в зависимости от объёма охватываемых абонентов разделяют следующим образом:- системы коллективного телевизионного приёма;- крупные системы коллективного телевизионного приёма;- системы кабельного телевидения.
Системы подвижной связиСотовые системы подвижной связи (СПС), сети персонального радиовызова (СПР) и системы спутниковой связи предназначены для передачи данных и обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью. Передача данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, посколь¬ку, кроме телефонных, он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различ¬ного рода графическую информацию и пр. Увеличение объема информации требует сокращения времени на ее передачу и получение, в следствие чего наблюдается устой¬чивый рост производства мобильных средств радиосвязи (пейджеров, сотовых радиотелефо¬нов, спутниковых пользовательских терминалов).Основное преимущество СПС: подвижная связь позволяет абоненту полу¬чать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых сетей; благодаря прогрессу в технологии производства средств связи созданы малогабаритные уни¬версальные абонентские терминалы (AT). Системы подвижной связи представляют потребителям возможность выхода в те¬лефонную сеть общего пользования (ТфОП), передачу компьютерных данных.К сетям подвижной связи относятся: сети сотовой подвиж¬ной связи (ССПС); сети транкинговой связи (СТС); сети персонального радиовызова (СПР); сети персональной спутниковой (мобильной) связи.Сети сотовой подвижной связиСреди современных телекоммуникационных средств наиболее стремительно развива¬ются сети сотовой радиотелефонной связи. Их внедрение позволило решить проблему эко¬номичного использования выделенной полосы радиочастот путем передачи сообщений на одних и тех же частотах, но в разных зонах (сотах) и увеличить пропускную способность телекоммуникационных се¬тей. Свое название они получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания делится на ячейки (соты).Система сотовой связи - это сложная и гибкая техническая система, допускающая большое разнообразие по вариантам конфигурации и набору выполняемых функций. Она может обеспечивать передачу речи и других видов информации. Для передачи речи, в свою очередь, может быть реали¬зована обычная двухсторонняя и многосторонняя телефонная связь (конференцсвязь - с уча¬стием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая почта. При организации обычного телефонного разговора возможны режимы автодозвона, ожидания вызова, переад¬ресации (условной или безусловной) вызова и пр.Современные технологии позволяют обеспечить абонентам ССС высокое качество речевых сообщений, надежность и конфиденциальность связи, миниатюр¬ность радиотелефонов, защиту от несанкционированного доступа.Сети транкинговой связиСети транкинговой связи в некоторой степени близки к сотовым: это также сети на¬земной радиотелефонной подвижной связи, обеспечивающие мобильность абонентов в пределах достаточно большой зоны обслуживания. Основ¬ное отличие состоит в том, что СТС проще по принципам построения и предоставляют або¬нентам меньший набор услуг, но за счет этого они дешевле сотовых. СТС имеют значительно меньшую емкость, чем сотовые, и принципиально ориентированы на ведомственную (корпоративную) мо¬бильную связь. Основное применение СТС - корпоративная (служебная, ведомственная) связь, на¬пример, оперативная связь пожарной службы с числом выходов (каналов) «в город», значи¬тельно меньшим числа абонентов системы. Если использовать аналогию с сотовой связью, то в простейшем случае СТС - это од¬на ячейка сотовой системы, но при несколько специфическом (узком) наборе услуг. Сотовая сеть всегда строится в виде множества ячеек, замыкающихся на общий центр коммутации (ЦК), с передачей обслуживания из ячейки в ячейку по мере перемещения абонента. В СТС, заведомо идущей на функционирование с ограниченной емкостью, обычно стремятся предельно увеличить зону действия. Практически, радиус ячейки СТС может достигать 40-50 км и более. Отсюда вытекает большая по сравнению с сотовой связью мощность передатчи¬ка, больший расход энергии источника питания, большие габариты и масса абонентского оборудования.Общей тенденцией развития профессиональных систем подвижной радиосвязи являет¬ся переход от аналоговых стандартов к единым международным цифровым стандартам, обеспечивающим конфиденциальность и повышенное качество связи, более эффективное использование частотного диапазона, роуминг для всех абонентов и возможность передачи данных с высокой скоростью.Сети персонального радиовызоваСети персонального радиовызова (СПР), или пейджинговые сети (paging - вызов), - это сети односторонней мобильной связи, обеспечивающие передачу коротких сообщений из центра системы (с пейджингового терминала) на миниатюрные абонентские приемники (пейджеры).В простейшем случае СПР (сети персонального радиовызова) состоит из пейджингового терминала (ПТ), базовой стан¬ции (БС) и пейджеров. Терминал, включающий пульт оператора и контроллер системы, вы¬полняет все функции управления системой. БС состоит из радиопередатчика и антенно-фидерного устройства, и обеспечивает передачу пейджинговых сигналов на всю зону дейст¬вия системы, радиус которой может составлять до 100 км. Пейджеры осуществляют прием тех сообщений, которые им адресованы. В более сложных случаях СПР может иметь не¬сколько радиопередатчиков, по возможности равномерно распределенных в пределах зоны действия, что позволяет более надежно обеспечить связью всю зону.В СПР (сети персонального радиовызова) могут передаваться сообщения четырех типов: тональные, цифровые, буквенно-цифровые, речевые. Тональные сообщения были единственным типом сообщений в ранних моделях пейджеров. Цифровое сообщение может содержать номер телефона, по ко¬торому следует позвонить. Наиболее распространена передача текстового сообщения длиной до 100-200 символов. Сообще¬ние отображается на дисплее пейджера, который может иметь от одной до восьми строк, до 12-20 символов в строке, длинные сообщения отображаются по частям. Передача речевых сообщений широкого распространения пока не получила. Вызов абонента, т.е. адресация со¬общения, может осуществляться одним из трех способов: индивидуально, нескольким абонентам (общий вызов) или группе абонентов (групповой вызов (ГВ)). В первом случае вызов адресуется конкретному абоненту по его индивидуальному номеру, во втором - нескольким абонентам с последовательной передачей их индивидуальных номеров, в третьем - вызов адресуется одновременно группе абонентов по общему групповому номеру. Сообщения, подлежащие передаче, также вводятся в систему одним из трех способов: голосом через телефонную сеть и оператора пейджинговой связи; через телефонную сеть с тональным набором - сообщение набирается на клавиатуре телефонного аппарата и проходит сразу на пейджинговый терминал, минуя оператора; с компьютера (через телефонную сеть) с набором сообщения на компьютере и выходом непосредственно на ПТ.К недостаткам пейджинговой связи следует отнести передачу сообщения вне реального времени: сообщение передается не в момент его выдачи отправителем, а в порядке очереди с анало¬гичными сообщениями других отправителей; практически задержка от момента получе¬ния сообщения до его передачи в эфир невелика - обычно она не превышает нескольких ми¬нут. Следует иметь так же в виду, что в случае передачи сообщения на пейджер, находящийся на момент передачи в «теневой» зоне, сообщение будет потеряно (не получено абонентом).Кроме сообщений, предназначенных конкретным абонентам или группам абонентов, в пейджинговых системах обычно организуется своеобразный общий информационный канал, содержащий оперативную информацию о биржевых новостях, погоде, обстановке на дорогах и т.п. В пейджерах, как правило, предусматривается ряд дополнительных услуг: часы, кален¬дарь, возможность регулировки типа и громкости звукового сигнала, сохранение в памяти полученных ранее сообщений с возможностью их повторного чтения и др.Сети персонального радиовызова предоставляют услуги удобного и относительно де¬шевого вида мобильной связи, но с существенными ограничениями: связь односторонняя, не в реальном времени и только в виде коротких сообщений. СПР получили в мире довольно широкое распространение - в целом, того же порядка, что и сети сотовой связи, хотя их распространенность в разных странах существенно различается.Сети мобильной спутниковой связиНаряду со ставшими уже общедоступными системы подвижной связи (персонального радиовызова и сото¬выми), все более активно развиваются сети спутниковой связи. Актуальными являются следующие области применения мобильной спутниковой связи:- расширение сотовых сетей;- использование спутниковой связи в районах, где развертывание СПС нецелесообразно, например, из-за низкой плот¬ности населения;- использование спутниковой связи в дополнение к существующей сотовой, например, для обеспечения роуминга при несовместимости стан¬дартов, или в каких-либо чрезвычайных ситуациях;- стационарная беспроводная связь в районах с малой плотностью населения при отсутствии СПС и проводной связи;- при передаче информации в глобальном масштабе (акваториях Мирового океана, местах разрывов на¬земной инфраструктуры и т.д.).В частности, при удалении абонента за пределы зоны обслуживания местных сотовых сетей спутниковая связь играет ключевую роль, поскольку она не имеет ограничений по при¬вязке абонента к конкретной местности. Во многих регионах мира спрос на услуги подвижной связи может быть эффективно удовлетворен только с помощью спутниковых систем.Спутниковая связь достаточно органично сочетается с сотовой. Прак¬тически во всех СПСС предусматривается довольно высокая степень интеграции с сотовой связью; в частности, кроме AT, предназначенных для спутниковых систем, предполагается создание двухрежимных терминалов, предназначенных для работы в спутниковой системе и в каком-либо из сотовых стандартов.Для абонента пользование спутниковым терминалом не требует специальных знаний. Набор номера производится пользователем с помощью клавиа¬туры, как и при пользовании обычным телефоном. Система автоматически выделяет свобод¬ный канал и закрепляет его за собеседниками на время разговора. Как правило, используется уплотнение (временное, частное или кодовое), хорошо зарекомендовавшее себя в многока¬нальной связи.
3. Коммутация в сетяхТелефонная коммутация является жизненно важным элементом связи абонентских систем между собой и с центрами управления, об¬работки и хранения информации в сетях. Узлы сети подключаются к некоторому коммутирующему оборудованию, избегая, таким обра¬зом, необходимости создания специальных линий связи.Выделенная линия соединяет два конечных пункта по двухточечной схеме. В случае же многоточечного подключения або¬нентов к выделенной линии ее ресурсы используются в режиме разде¬ления. Организация связи в многоточечном режиме, обеспечивающем экономию на транспортных расходах, популярна в компьютерных сетях (особенно в ЛВС) из-за снижения затрат по сравнению с затра¬тами при большом количестве монопольно используемых связных ре¬сурсов в двухточечном режиме.Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в кото¬рой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая те¬лефонная сеть.Существуют следующие методы коммутации:• коммутация цепей (каналов);• коммутация с промежуточным хранением, в свою очередь, разде¬ляемая на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.Коммутация цепей. При коммутации цепей (каналов) между свя¬зываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по кана¬лу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанав¬ливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечива¬ется с помощью последовательного включения нескольких коммута¬ционных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое устройство резервирует за собой физическое соеди¬нение между одним входящим и одним исходящим каналами. Время установления сквозного канала связи обычно бывает боль¬шим из-за необходимости организации взаимодействия значительно¬го числа устройств коммутации. При исполь¬зовании метода коммутации цепей передача информации обеспечи¬вается двумя основными составляющими в расходной части ресур¬сов: ресурсами для организации вызова и ресурсами для поддержания в ЦКК коммутационных устройств или для организации распределе¬ния временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема передаваемой информации, а вторая — прямо пропорциональна ин¬тервалу времени, в течение которого происходит соединение.В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:• длительное время установления сквозного канала связи из-за воз¬можного ожидания освобождения отдельных его участков;• необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятос¬ти вызываемой стороны или какого-либо коммутационного уст¬ройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим сис¬тема, в которой реализуется метод коммутации цепей, относится к классу систем с потерей запросов на обслуживание);• отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;• возможность монополизации канала одним источником информа¬ции;• наращивание функций и возможностей сети ограниченно;• не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возмож¬ности по сглаживанию загрузки весьма ограниченны). Преимущества метода коммутации цепей:• отработанность технологии коммутации цепей (первое коммута¬ционное устройство появилось еще в конце XIXв.);• возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени;• обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по вре¬мени независимо от числа ЦКК между абонентами;• довольно широкая область применения (главным образом переда¬ча акустических сигналов).Отметим особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них ха¬рактерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной ка¬нал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызы¬вающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, постро¬енный 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, отно¬сятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является возможность согласования ско¬ростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реа¬лизуемых созданием буферных ЗУ в узлах связи. Наконец, для сетей 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—70-х гг. и до сих пор широко используется в некото¬рых областях (в электронной почте, электронных новостях, телекон¬ференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с проме¬жуточным хранением, технология коммутации сообщений относит¬ся к технологии типа «запомнить и послать». Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение «глав¬ный — подчиненный». Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в цен¬тре коммутации сообщений выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рас¬сматриваются 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. Высокоприори¬тетные 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, незави¬симо от его длины (разброс в длине сообщений может быть достаточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект в про¬цессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назна¬чения. Более того, транзитный узел не может начинать дальнейшую пере¬дачу части сообщения, если оно еще принимается. По своему влиянию на задержки это равноценно низкому уровню использования ресурсов сети.Недостатки метода коммутации сообщений:• необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах связи для приема больших сообще¬ний, 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 сравне¬нию с другими методами коммутации с промежуточным хранением. Преимущества метода:• отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала пере¬дачи данных) установлении сквозного канала связи между або¬нентами;• 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 пре¬имущества коммутации каналов и коммутации сообщений. Ее основные цели: обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени ре¬акции на запрос для всех пользователей, сглаживание асимметричных потоков между многими пользователями, обеспечение мультиплексиро¬вания возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассре¬доточение критических компонентов (коммутаторов) сети.При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи разбиваются на короткие пакеты фиксиро¬ванной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информаци¬ей: коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получате¬ля, номер пакета в сообщении, информация для контроля достоверно¬сти 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. Уп¬равление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществля¬ется центрами коммутации пакетов с помощью компьютеров. Длительное хранение пакетов в центре коммутации пакетов не предполагается, поэтому па¬кеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется первоначальное сообщение.В отличие от коммутации сообщений технология коммутации па¬кетов позволяет:• увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов;• легче преодолеть трудности, связанные с подключением к комму¬таторам дополнительных линий связи;• осуществлять альтернативную маршрутизацию (в обход повреж¬денных или занятых узлов связи и каналов), что создает повышен¬ные удобства для пользователей;• существенно сократить время на передачу пользовательских дан¬ных, повысить пропускную способность сети и повысить эффек¬тивность использования сетевых ресурсов.Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплек¬сирование (уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу) с помощью разделения времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Логика коммутации пакетов позволяет муль¬типлексировать многие пользовательские сеансы на один порт ком¬пьютера. Пользователь воспринимает порт как выделенный, в то время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом. Коммутация паке¬тов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асимметрич¬ных потоков в каналах связи.Стоимость организации вызова для пакетной коммутации ниже по сравнению с соответствующей характеристикой метода комму¬тации цепей. Но с увеличением объема передаваемой информации стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чем для коммутации цепей, что объясняется необходимос¬тью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации.В настоящее время пакетная коммутация является основной для передачи данных.
4. Маршрутизация пакетов в сетяхЗадача маршрутиза¬ции состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к полу¬чателю. Она имеет смысл в сетях, где не только необходим, но и воз¬можен выбор оптимального или приемлемого маршрута. Речь идет, прежде всего, о сетях с произвольной (ячеистой) топологией, в кото¬рых 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 сред¬ства, например маршрутизаторы.В виртуальных сетях задача маршрутизации при передаче сооб¬щения, расчленяемого на пакеты, решается единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение между отправителем и по¬лучателем. В дейтаграммных сетях (каждый пакет передается без ссылки на пакеты, которые идут до или после него), где данные передаются в форме дейтаграмм, маршрутизация выполняется для каждого отдельного пакета. Дейтаграммная сеть – пакетная коммутация
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, базирующе¬еся на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса от¬правителя и получателя), и информации о загрузке этого узла (длина очередей пакетов) и, возможно, ТКС в целом.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 содержащей¬ся 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 па¬кета осуществляется в центре управления сетью, а узлы сети связитолько воспринимают и реализуют результаты решения задачи мар¬шрутизации. Такое управление маршрутизацией уязвимо к отказам центрального узла и не отличается высокой гибкостью.2. Распределенная (децентрализованная) маршрутизация выпол¬няется главным образом в сетях с децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, которые располагают для этого соответствующими средства¬ми. 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, гиб¬ридная адаптивная маршрутизация (см. ниже).Задача маршрутизации в сетях решается при условии, что крат¬чайший маршрут, обеспечивающий передачу пакета за минимальное время, зависит от топологии сети, пропускной способности линий свя¬зи, нагрузки на линии связи. Топология сети изменяется в результате отказов узлов и линий связи и отчасти при развитии ТКС (подключе¬нии новых узлов и линий связи). Пропускная способность линий связи определяется типом передающей среды и зависит от уровня шумов и параметров аппаратуры, обслуживающей линии. Наиболее динамич¬ным фактором является нагрузка на линии связи, изменяющаяся до¬вольно быстро и в трудно прогнозируемом направлении.Для выбора оптимального маршрута каждый узел связи должен располагать информацией о состоянии ТКС в целом — всех осталь¬ных узлов и линий связи. Данные о текущей топологии сети и пропус¬кной способности линий связи предоставляются узлам без затрудне¬ний. Однако нет способа для точного предсказания состояния нагруз¬ки 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 услови¬ях неопределенности текущего и будущего состояний ТКС.Эффективность алгоритмов маршрутизации оценивается следу¬ющими показателями:• временем доставки пакетов адресату;• нагрузкой на сеть, которая при реализации данного алгоритма со¬здается потоками пакетов, распределяемыми по линиям и узлам сети. Количественная оценка нагрузки осуществляется длиной очередей пакетов в узлах;• затратами ресурсов в узлах связи (временем работы коммуника¬ционной 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 слу¬жебной 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 марш¬рута не учитывается ни изменение топологии сети, ни изменение ее состояния (нагрузки). Она не обеспечивает направленной передачи пакетов и имеет низкую эффективность. Ее преимущества — просто¬та реализации алгоритма маршрутизации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя отдельных ее элементов. Из этого вида некоторое практическое применение получили случайная и ла¬винная маршрутизации.Случайная маршрутизация характеризуется тем, что для переда¬чи пакета из узла связи выбирается одно, случайно выбранное, сво¬бодное направление. Пакет «блуждает» по сети и с конечной вероят¬ностью когда-либо достигает адресата. Естественно, что при этом не обеспечивается ни оптимальное время доставки пакета, ни эффектив¬ное использование пропускной способности сети.Кроме этого используются следующие виды маршрутизации:Лавинная маршрутизация (или заполнение пакетами всех свобод¬ных выходных направлений) предусматривает передачу пакета из узла по всем свободным выходным линиям. Фиксированная маршрутизация характеризуется тем, что при выборе маршрута учитывается изменение топологии сети и не учи¬тывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направ¬ление передачи выбирается по таблице маршрутов (каталогу), кото¬рая определяет кратчайшие пути. Каталоги составляются в центре управления сетью. Они составляются заново при изменении тополо¬гии сети. Отсутствие адаптации к изменению нагрузки приводит к задержкам пакетов сети. Различают однопутевую и многопутевую фиксированные маршрутизации. Адаптивная маршрутизация отличается тем, что принятие реше¬ния о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом измене¬ния как топологии, так и нагрузки сети. Существуют несколько моди¬фикаций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, какая имен¬но информация используется при выборе маршрута. Получили распространение такие модификации, как локальная, распреде¬ленная, централизованная и гибридная адаптивные маршрутизации.
5. Защита от ошибок в сетяхПроблема обеспечения безошибочности (достоверности) передачи информации в сетях имеет очень большое значение. Если при переда¬че обычной телеграммы в тексте возникает ошибка или при разговоре по телефону слышен треск, то в большинстве случаев ошибки и иска¬жения легко обнаруживаются по смыслу. Но при передаче данных одна ошибка (искажение одного бита) на тысячу переданных сигналов мо¬жет серьезно отразиться на качестве информации.Существует множество методов обеспечения достоверности пе¬редачи 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 до¬полнительного времени на передачу фиксированного объема данных (оно обусловлено изменением объема трафика пользователя при реа¬лизации данного метода), по степени обеспечения достоверности пе¬редачи 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 пере¬даче информации в сетях:• сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение не¬благоприятных объективных событий в сети (например, коллизий при использовании метода случайного доступа в сеть). Как пра¬вило, система передачи данных готова к такого рода проявлениям и устраняет их с помощью предусмотренных планом средств;• помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явле¬ниями.Помехи — это электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее распро¬страненными являются флуктуационные (случайные) помехи. Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих слу¬чайную амплитуду и следующих друг за другом через различные промежутки времени. Примерами таких помех могут быть атмос¬ферные и индустриальные помехи, которые обычно проявляются в виде одиночных импульсов малой длительности и большой ампли¬туды. Возможны и сосредоточенные помехи в виде синусоидаль¬ных колебаний. К ним относятся сигналы от посторонних радио¬станций, излучения генераторов высокой частоты. Встречаются и смешанные помехи. В приемнике помехи могут настолько ослабить информационный сигнал, что он либо вообще не будет обнаружен, либо будет искажен так, что «единица» может перейти в «нуль», и наоборот.Трудности борьбы с помехами заключаются в беспорядочности, нерегулярности и в структурном сходстве помех с информационны¬ми сигналами. Поэтому защита информации от ошибок и вредного влияния помех имеет большое практическое значение и является од¬ной из серьезных проблем современной теории и техники связи.Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые методы, помехоустойчивое кодиро¬вание и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью.Из групповых методов получили широкое применение мажоритар¬ный метод, реализующий принцип Вердана, и метод передачи инфор¬мационными блоками с количественной характеристикой блока.Суть мажоритарного метода, давно и широко 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 срав¬нение. Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методом «два из трех».
Литература: 1. Телекоммуникационные системы и сети. Шувалов В., Издательство: Горячая линия-Телеком, 2013г.2. Отечественные телекоммуникационные системы, Шарипов Ю. К., Издательство: Логос, 2005г.3. Информатика: учебник / Б. В. Соболь – Изд. 4-е, дополн. и перераб. – ростов н/Д: Феникс, 2009. – 446с. (Высшее образование).