Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004
.pdfАсинхронные цифровые сети передачи данных. Эти сети появились исторически первыми, что определялось попыткой объединения разнородной цифровой техники. Примером такой сети может служить комбинированная сеть передачи телеграфных сообщений и среднескоростной передачи данных. В асинхронных сетях, как правило, не согласованы скорости работы и методы синхронизации оконечного оборудования данных (ООД), способы разделения каналов и другие факторы. Для разрешения указанных противоречий все элементы сети дополняются цифровыми устройствами, обеспечивающими прозрачный асинхронный ввод (ПАВ), при котором не предъявляется каких-либо требований к временным характеристикам передаваемого сигнала. ПАВ является прозрачным по отношению к длительности тактовых интервалов передаваемых сигналов, что обеспечивает возможность синхронного
истартстопного режимов работы и передачу дискретных сигналов
слюбой скоростью, не превышающей допустимую.
Широкое применение асинхронных сетей с ПАВ ограничивается следующими недостатками.
1.Наличие краевых искажений при использовании соответствующих методов сопряжения: наложения (МН), скользящего индекса с подтверждением (СИП) и др.
2.Степень краевых искажений при ПАВ зависит от того, насколько скорость работы синхронных устройств превышает скорость работы ООД. Самый экономичный из способов ПАВ требует не менее чем трехкратного превышения скорости цифрового потока над скоростью передачи данных.
3.Ограничения на величину краевых искажений вынуждают выбирать еще более высокие скорости цифровых потоков.
Другой способ построения асинхронных сетей с непрозрачным асинхронным вводом (НАВ) предполагает ограниченный набор скоростей передачи и единый метод синхронного временного разделения каналов. В таких сетях налагаются определенные требования на временные параметры сигналов, поступающих от ООД, при этом разница между скоростями вводимого сигнала данных и цифрового потока пренебрежимо мала. Сеть ПД-КК с НАВ по сравнению
сПАВ характеризуется значительно лучшим использованием пропускной способности, возможностью высокоскоростной передачи данных и непрозрачностью в отношении скоростей и способов коммутации. В сети с НАВ краевые искажения практически отсутст-
вуют. Следовательно, сети ПД-КК с НАВ имеют определенные преимущества по сравнению с асинхронными сетями с ПАВ.
Синхронные цифровые сети передачи данных с коммутацией каналов. Цифровая синхронная сеть ПД-КК предъявляет жесткие требования к системам синхронизации. Возможны два варианта обеспечения синхронизации всех элементов сети.
1.В сети действует единый источник синхронизации, на частоту
ифазу которого настраиваются тактовые генераторы коммутационных узлов.
2.Общая синхронизация достигается путем взаимной автоподстройки частот тактовых генераторов, расположенных в УК. Синхронизация на местных участках сети осуществляется в соответствии с синхросигналами, передаваемыми каждым УК к подключенным мультиплексорам и отдельным АП. В нашей стране рекомендуется первый вариант или метод принудительной синхро-
низации. Источник синхросигнала, нестабильность которого порядка Ю"10 располагается на одном из УК. Ведомые генераторы в остальных УК осуществляют коррекцию своих частот путем сравнения числа тактовых интервалов, поступившего из линии сигнала и вырабатываемого местным тактовым генератором, за определенный промежуток времени. Результаты сравнения служат корректирующим сигналом для управления частотой местного тактового генератора.
Цифровые синхронные сети ПД-КК обеспечивают следующие характеристики:
-передачу данных в широком диапазоне скоростей (до 48 Кбит/с);
-вероятность ошибки на бит между любой парой АП без применения устройств защиты от ошибок (УЗО), не хуже чем Ю- 5 ;
-время установления соединения не более 1с при использовании наземных каналов;
-прозрачность передачи по отношению к битам, первичным кодам, алгоритмам и форматам;
-синхронизацию сети по кодовым элементам, а в случае необходимости и по кодовым комбинациям (знакам).
Таким образом, цифровые синхронные сети ПД-КК имеют существенные преимущества перед традиционными сетями, используемыми для передачи данных: высокие показатели верности, малое время установления соединения, широкий набор услуг.
Однако имеются определенные недостатки, например, сложность создания системы синхронизации и обеспечения живучести сети при выходе из строя тактовых генераторов. Общим недостатком всех сетей с КК является низкое использование пропускной способности канала связи в целом по сети. Указанные недостатки частично устраняются в сетях с КС и КП.
Сети передачи данных с коммутацией сообщений. В сетях передачи данных с коммутацией сообщений (сетях ПД-КС) сообщение, кроме данных, содержит служебные признаки, в том числе адрес получателя, категорию сообщения и т. д.
ВЦКС служебная часть анализируется, и сообщение передается
вследующий ЦКС в соответствии с выбранным направлением. Сообщение ставится в очередь и находится в памяти ЦКС, пока все сообщения, находящиеся в очереди перед ним, не будут переданы. Сообщения между ЦКС передаются с более высокими скоростями, чем на абонентском участке, однако задержки в сети с КС зависят не от времени передачи по каналу связи, а от времени нахождения сообщения в очереди ЦКС. Это время зависит от нагрузки сети, производительности ЦКС и ряда других факторов.
Переменное и значительное время доставки сообщений через сеть КС является одной из основных особенностей сетей ПД-КС. В силу этого обстоятельства отсутствует возможность работы в реальном масштабе времени и невозможность режима диалога. Другой особенностью сети ПД-КС является то, что за доставку сообщения отвечают непосредственно технические средства сети, а не пользователи, так как у отправителя нет прямой связи с получателем.
В ЦКС сетей ПД-КС для управления всеми процессами приема и передачи, а также выполнения ряда дополнительных функций используются ЭВМ.
При объединении большого числа АП в составе сети ПД-КС она должна иметь иерархическую структуру, содержащую несколько уровней. На рис. 6 приведен фрагмент участка сети ПД-КС, состоящий из четырех уровней.
На верхнем уровне располагаются междугородные МЦКС, на следующем - зоновые ЗЦКС, далее - низовые центры НЦКС и концентраторы КЦ и на самом нижнем уровне - АП.
Связь МЦКС между собой осуществляется по полносвязной схеме, скорости передачи 4800 бит/с и выше. Непосредственно к МЦКС могут подключаться крупные вычислительные центры коллективного
использования ВЦКП. Зоновые центры ЗЦКС для обеспечения живучести и повышения надежности сети в целом подключаются не менее чем к двум МЦКС. Скорость передачи от ЗЦКС к МЦКС обычно 2400 или 4800 бит/с. По радиальным направлениям к ЗЦКС подключаются НЦКС и КЦ для более эффективного использования каналов на нижних уровнях сети. Скорости передачи составляет 1200 или 2400 бит/с. Абонентские пункты (АП) подключаются, как правило, к НЦКС и КЦ и передают данные со скоростями 50... 1200 бит/с. При более высокоскоростной передаче АП может непосредственно включаться в ЗЦКС.
Всетях ПД-КС возникает необходимость выбора пути передачи информации, для которого среднее время задержки сообщения является минимальным. В сетях ПД-КК также решается задача выбора оптимального пути передачи, однако, она решается для данного сообщения один раз.
Всетях ПД-КС оптимальный путь должен выбираться в каждом ЦКС с учетом состояния других ЦКС, расположенных на направлении передачи.
Сообщение, передаваемое по сети ПД-КС, представляется в определенной форме, регламентирующей его предельный объем, состав и расположение служебной и информационной частей.
Форматом сообщения называется определенная последовательность элементов сообщения, имеющих строго заданное назначение.
Иногда добавляют и другие признаки - например, начало заголовка, конец сообщения, конец передачи и т. п.
Признаки (специальные кодовые комбинации), разделяющие различные части сообщения называются определителями.
В настоящее время разработано большое количество различных форматов. Например, формат сообщений в телеграфной сети задается рекомендацией Р-31 МСЭ-Т и имеет следующие признаки:
«начало сообщения» - ЗЦЗЦ; «конец сообщения» - НННН;
«начало текста» - ВК, ВК, ПС (ВК - возврат каретки, ПС - перевод строки);
«начало справочной части» - «/».
Адресная часть заголовка включает в себя следующие элементы: порядковый номер сообщения на данном УК для контроля про-
хождения сообщения по УК; определитель формата сообщения, который задает вид формата; категория срочности сообщения;
определитель адреса, задающий способ адресации (циркулярное, многоадресное, сокращенный адрес и т. п.);
адрес получателя.
Справочная часть заголовка содержит: адрес отправителя;
исходящий номер сообщения, позволяющий отличить данное сообщение от всех других;
дата и время ввода сообщения в сеть.
Справочная часть позволяет осуществить запрос о повторении сообщения, поиск сообщения в архиве, определить время доставки сообщения и время нахождения сообщения в сети и т. п.
Вид формата, зависящий от задач, решаемых сетью, обычно определяется на этапе проектирования после выбора структуры сети и комплекса технических средств.
Время задержки сообщения в сетях ПД-КК определяется временем установления соединения и временем передачи данных и при отсутствии повторных вызовов является величиной постоянной и сравнительно небольшой. В сетях ПД-КС, особенно при большом числе переприемов, время задержки существенно больше и может изменяться в широких пределах.
Для передачи сообщений большого объема требуются значительные объемы памяти ЦКС, особенно в крупномасштабных сетях ПД-КС. Имеется еще ряд серьезных недостатков сетей ПД-КС, например, при возникновении ошибки требуется повторная передача полного сообщения, большие массивы данных в большей степени подвержены воздействию помех, чем короткие, и т. д.
Главное достоинство метода КС - высокая эффективность использования пропускной способности канала. Применение КС в основном ограничивается телеграфными сетями. В сетях ПД этот принцип используется для организации дополнительных видов обслуживания.
Сети передачи данных с коммутацией пакетов. Сети передачи данных с коммутацией пакетов (сети ПД-КП) появились в конце 60-х годов. При коммутации пакетов сообщения делятся на пакеты, передающиеся по сети с высокой скоростью, малой вероятностью ошибки и небольшой задержкой.
При этом более эффективно используются удаленные вычислительные ресурсы, пропускные способности каналов связи и производительности коммутационных систем.
Первые сети ПД-КП являлись ведомственными, например ARPANET (США), NPL (Великобритания) и др. Обеспечение связи между ЭВМ - функциональная основная особенность сетей ПД-КП в отличие от сетей ПД-КК и ПД-КС, предназначенных для обмена информацией между людьми.
При разработке сетей ПД-КП общего пользования применены принципы ведомственных сетей: режим диалога между ЭВМ, передача коротких массивов данных с высокими скоростями, широкое применение принципов ВРК. Создание таких сетей началось в 70-х годах.
Пакетом называется последовательность двоичных символов, состоящая из данных (информационной части), сигналов управления соединением и поля контроля ошибок, которые располагаются в определенном формате. Пакеты обычно имеют длину порядка 1000 бит и образуются путем разделения более длинного сообщения на части.
Метод промежуточного накопления информации в центрах коммутации, применяемый в сетях ПД-КС и ПД-КП, определяет ряд общих свойств у обоих видов сетей. Главное отличие сетей ПД-КП заключается в том, что относительно короткие пакеты записываются в оперативную память с временем выборки, не превышающим несколько миллисекунд. Поэтому перезапись и ожидание в очереди не приводят к существенной задержке пакетов.
Основной особенностью сетей ПД-КП является высокая степень использования связных ресурсов за счет временного разделения канального и коммутационного оборудования между многими пользователями и высокоскоростной передачи небольших по размеру пакетов.
В рекомендации МСЭ-Т Х.2 сети ПД-КП предлагается строить на основе виртуального режима коммутации пакетов (КП-В) и режима датаграмм (КП-Д).
Структура сети передачи данных общего пользования с коммутацией пакетов. На рис. 7 представлен фрагмент сети ПД-КП, включающий четыре уровня. На верхнем уровне располагаются междугородные центры коммутации пакетов МЦКП, на третьем уровне - зоновые центры ЗЦКП, на втором - концентраторы КЦ и на первом - оборудование пользователей, которое может включать АП стартстопного, синхронного и пакетного типов, ПЭВМ и вычислительные центры, оборудованные процессорами телеобработки (ПТ).
Рис. 7. Фрагмент сети ПД-КП
В состав сети ПД-КП входят шлюзы - специальные устройства, через которые взаимодействуют с сетью ПД-КП другие сети (ПД-КП, ПД-КК, ТГОП, ТФОП и др.).
Основным протоколом взаимодействия сети ПД-КП является рекомендация Х.25 МСЭ-Т (МККТТ). Этот протокол определяет процедуры взаимодействия между пакетными ООД (оконечное оборудование данных) и АКД (аппаратура окончания канала данных).
В сетях ПД-КП обеспечивается эффективное использование связных и вычислительных ресурсов на основе мульплексирования каналов, контроля потоков и маршрутизации. По сравнению с сетями ПД-КК и ПД-КС существенно повышается производительность, надежность и верность передачи, значительно сокращается время доставки сообщения.
Например, в действующих сетях ПД-КД среднее время доставки составляет от долей секунды до секунд, при увеличении скорости передачи между ЦКП время доставки сообщения можно довести до нескольких миллисекунд. Экономичесие показатели сети ПД-КП превосходят показатели сетей с КК и КС.
Информационно-вычислительные сети. Сети ЭВМ
Структура информационно-вычислительной сети. Для создания крупномасштабных систем обработки данных вычислительные центры (ВЦ) и ЭВМ, обслуживающие отдельные предприятия и организации, объединяются с помощью средств передачи данных в информационно-вычислительные сети ИВС (рис. 8), где приняты такие обозначения: БД - банк данных; ГВМ - главная ЭВМ; ВЦКП - вычислительный центр коллективного пользования; ПЭВМ - персональная ЭВМ; АС - администратор сети; УМПД - удаленный ПТД - процессор телеобработки данных; УК - узел коммутации; ЦК - центр коммутации; МПД - мультиплексор ПД; ТВМ - терминальная ЭВМ; мультиплексор ПД.
В самом общем случае ИВС включает в себя три класса логических модулей:
модули обработки данных пользователя, обеспечивающие абоненту доступ к различным вычислительным ресурсам. Эти модули позволяют реализовать главную целевую функцию ИВС - обработку данных пользователя;
терминальные модули, обеспечивающие пользователю обращение к модулям обработки;
модули взаимодействия и соединения, обеспечивающие местное или удаленное взаимодействие терминальных модулей с модулями обработки данных, а также терминальных модулей между собой.
Перечисленным логическим модулям соответствуют определенные физические объекты в ИВС. Так модулям обработки данных соответствуют главные ЭВМ сети, собственно и создающие инфор- мационно-вычислительные ресурсы ИВС. Оконечные пункты или
Сеть ЭВМ - совокупность ЭВМ, объединенных базовой сетью ПД. Сеть ЭВМ включает в себя главные ЭВМ (ГВМ), банки данных (БД), вычислительные центры коллективного использования (ВЦКП), а также терминальные ЭВМ (ТВМ). Основная задача ТВМ - сопряжение терминалов с базовой сетью ПД. Эту функцию могут выполнять также ПТД (процессоры телеобработки данных) и УМПД (удаленные мультиплексоры ПД). Кроме того, терминалы могут подключаться даже к главным ЭВМ.
Терминальная сеть - совокупность терминалов и терминальных сетей ПД. Под терминалом понимаются устройства, с помощью которых абоненты осуществляют ввод/вывод данных. В качестве терминалов могут использоваться интеллектуальные терминалы (ПЭВМ) и АП (абонентские пункты). Для подключения терминалов к сети ЭВМ, кроме, естественно, каналов связи, применяются терминальные ЭВМ (ТВМ), УМПД (удаленные мультиплексоры ПД), ПТД (процессоры телеобработки данных).
Административная система обеспечивает контроль состояния ИВС и управление ее работой в изменяющихся условиях. Данная система включает специализированные ЭВМ, терминальное оборудование и программные средства, с помощью которых:
включается или выключается вся сеть или ее компоненты; контролируется работоспособность сети; устанавливается режим работы сети и ее компонентов;
устанавливается объем услуг, предоставляемых абонентам сети, и т. д.
Шлюзовые элементы ИВС обеспечивают совместимость как базовой сети ПД, так и всей ИВС с другими внешними сетями. Протоколы внешних ИВС могут отличаться от имеющихся протоколов. Поэтому шлюзы при необходимости обеспечивают преобразование и согласование интерфейсов, форматов, способов адресации и т. п. Шлюзы реализуются на специализированных ЭВМ.
ИВС можно условно разделить на два класса:
территориальные, т.е. имеющие большую площадь обслуживания;
локальные - размещающиеся, как правило, внутри одного здания.
Основные характеристики информационно-вычислительных сетей. Основными характеристиками ИВС являются: операционные возможности, производительность, время доставки сообщений, стоимость обработки данных.