Передача данных в цифровых сетях.

Особенности цифровых сетей.

Система электрической связи является универсальным средством взаимодействия между людьми в их деятельности и между частями любого прикладного процесса. Множество пользователей, независимо от их места расположения и интеллектуального уровня, могут об­мениваться информацией, представив ее в виде, удобном для транспор­тировки средствами электрической связи.

Средства телекоммуникаций сегодня развиваются очень быстро. И этому способствуют многие факторы, начиная с совершенствования технологии изготовления радиоэлектронных компонентов и кончая тес­ным союзом техники связи и вычислительной техники. Слияние средств телекоммуникаций со средствами обработки и хранения информации со­здает техническую основу информационного общества, призванного многократно увеличить интеллектуальные возможности человека. Ин­формационные системы, ядром которых являются сети связи, играют в современном обществе важную роль. Они создают возможность в реальном масштабе времени обмениваться информацией любого объема, содержания потребителям, находящимся в различных точках мирового пространства.

Сложные информационные комплексы, рассредоточенные в прост­ранстве, требуют не менее сложной системы объединения их сетью связи и не менее сложных правил взаимодействия отдельных элементов меж­ду собой.

Общение может происходить между разными по уровню в техничес­кой иерархии системами, находящимися друг от друга на различных расстояниях, но оно должно быть таким же простым и удобным, как общение людей, сидящих за одним столом, или человека с ЭВМ, си­дящего за ее пультом. Такое становится возможным в случае, если пра­вильно определены пути взаимодействия удаленных объектов, пред­усмотрены наличие нужного объема техники, возможность использова­ния, при необходимости, резерва, разработаны стандартные процедуры взаимодействия.

Сложными стали системы; сложными становятся и сети. Они при­ближаются к пределу сложности системы, созданных человеком. По­нять общую идею, принципы организации и функционирования сети достаточно просто. Однако, чтобы глубоко прочувствовать все тонкости технические детали, все механизмы взаимодействия элементов между собой, требуется затрата значительных усилий.

Реализация с помощью таких систем многофункционального сеп-виса (голос, данные, графика, подвижные и неподвижные изображения^ требует наличия систем передачи с широкой гаммой скоростей, систем коммутации, приспособленных к любому виду трафика, гибкой системы управления как техническими средствами и структурой сети, так и орга­низационно-административными функциями.

Система телекоммуникаций, наполненная компьютерным содержа­нием и обслуживающая компьютерные окончания, требует квалифи­цированного, качественного и логически строгого программного обес­печения. Стандартизация, логическая стройность построения, совме­стимость процедур обмена являются обязательными условиями для нормального функционирования современных информационных си­стем.

В наибольшей степени этим требованиям отвечают цифровые сети, построенные на основе волоконно-оптических, радиорелейных и спут­никовых линий связи, систем передачи синхронной цифровой иерархии (SDH) и систем цифровой коммутации. Интегральные цифровые сети (Integrated Digital Network — IDN) обеспечивают возможность в едином форме передавать дискретные (телеграф, передача данных) и аналоговые (голос, видеоизображения) сообщения. Унификация методов передачи и коммутации позволяют упростить технические средства, а свойства современных линий связи передавать сигналы с огромными скоростями обеспечивают адаптацию систем связи к любому трафику.

Новые методы коммутации (FR, ATM и др. ) и их комбинации по­зволяют в рамках единой сети предоставить пользователям не только услуги и одного вида связи, но и мультимедиа услуги. Появляются ин­тегральные сервисные сети связи (Integrated Service Digital Network -ISDJV) как средство транспортировки любого вида информации уни­версальным образом.

Сложность систем, с одной стороны, и многообразие производителей телекоммуникационной, компьютерной техники и потребителей, с дру­гой, определили необходимость стандартизации и строгой регламента­ции процедур обмена, логических действий при взаимосвязи их между собой. Это привело в начале 80-х годов к появлению международного стандарта и рекомендаций, которым должны были следовать все про­изводители и потребители телекоммуникационной техники. Системы связи, работающие с соблюдением установленных стандартов и ре­комендаций, стали открытыми для взаимосвязи с аналогичными им сисхемами. Появилась Эталонная модель взаимосвязи (взаимодействия) открытых систем - ЭМ ВОС. Это модель ISO/OSI - International Standart Organization/Open System Inter-connection или модель МОС/ВОС -Международная организация по стандартизации/взаимодействие от­крытых систем.

В настоящее время модель МОС/ВОС получила всемирное призна­ние и служит концептуальной, терминологической и методологической основой при описании любой системы связи. Она отвечает на вопрос: "Как взаимодействуют системы?" безотносительно к их реальному ис­полнению и местоположению.

ЭМ ВОС определяет логическую структуру системы связи и является основой стандартизации процедур взаимодействия на всех стадиях работы в штатных и нештатных ситуациях. Она не является застывшей конструкцией, догмой, постоянно развивается и совершенствуется, на ее основе разрабатывают национальные базовые стандарты, которые в совокупности определяют Государственный профиль стандартов - ГПС ВОС. Последний помогает решать задачи интеграции средств вычис­лительной техники и техники связи, являющихся основой любой ин­формационной системы.

Развитие информационных технологий, успехи в создании волокон­но-оптических линий связи и сверхбольших интегральных схем с боль­шой памятью и огромным быстродействием привели к разработке новых телекоммуникационных технологий. К ним можно отнести появление локальных вычислительных сетей, средств их объединения через гло­бальные сети (технологии SMDS, Frame Relay и др.). появление цифро­вых сетей с интеграцией обслуживания (ЦСИО) и широкополосных се­тей с интегральным сервисом (Ш-ЦСИО), асинхронного метода пере­дачи (ATM), систем синхронной цифровой иерархии (SDH). Рассмотрим некоторые из них.

Локальные сети: общие понятия, стандарты, методы доступа.

Первые локальные сети появились в 1975 г. (Ethernet). На сегодня они получили широкое распространение, имеют много разновидностей подкреплены стандартами и занимают видное место в телекоммуникаци­онных технологиях .

В отличие от глобальных распределенных (территориальных) сетей это сети, занимающие незначительные территории, что и заложено в их названии: Local Area Network (LAN). Это сразу же накладывает от­печаток и на конфигурацию сети, и на способ распределения информа­ции. Локальные сети как правило, – сети с селекцией информации, использующие общий канал, построенный простейшим образом (линейная или кольцевая структура). Территориальные сети, как правило, - сети с маршрутизацией, изменением направлений передачи в узлах сети (узло­вые), со сложной топологией (полносвязная, решетчатая, радиально-узловая иерархическая структура).

Из-за небольшого объема локальные сети представляются пользова­телям как единый объект, неделимый технический комплекс, являю­щийся предметом купли-продажи в целом: оборудование, линейное хо­зяйство, контрольно-измерительная техника, ЗИП и пр.

Таким образом, по внешним признакам локальная сеть - это комп­лекс технических средств, обеспечивающих обмен информацией на не­большой территории, использующий простейшие структуры и осущест­вляющий распределение информации методом ее селекции.

Локальные сети имеют специфические внутренние свойства, выте­кающие из внешних: высокая скорость передачи (от 1 до 500 Мбит/с и выше) и малая вероятность ошибки (10'⁸ против 10'³-10"⁵ для больших сетей). Они используют простейшие из известных топологических струк­тур: линейную, кольцевую, радиальную, древовидную. Особенностью является то, что все абонентские системы работают в одной и той же физической среде, т.е. по групповому каналу.

В качестве физической среды в локальных сетях (ЛС) применяются:

кабель парной скрутки с экранированными или неэкранированными жилами. Обладает преимуществом по стоимости, но имеет низкую про­пускную способность (от 1 до 16 Мбит/с);

коаксиальный кабель, он обладает большой помехоустойчивостью, но не достаточной пропускной способностью (до 20 Мбит/с);

волоконно-оптический кабель, дорогой, имеет большую помехо­защищенность и пропускную способность (до 500 Мбит/с и выше).

Абонентские системы АС подключаемые к среде передачи (рис. 1), состоят из терминального оборудования ТО, рабочей станции PC и блока доступа к среде БД. В зависимости от способа подклю­чения БД к среде различают моноканал и циклический канал. Моноканал (рис. 1, а), или параллельное подключение БД к среде, предусмат­ривает широковещательную передачу от любой АС ко всем остальным. Информация буферируется всеми PC, но используется той, которой она предназначена (чужая информация стирается). Это шинная или древо­видная топология. Простота управления доступом и легкость нара­щивания сети по территории - основные преимущества такой орга­низации локальной сети. Если в качестве моноканала используется фи­зическая цепь (пара проводов, коаксиальная пара и др.), то она на­гружается по концам на согласованную нагрузку. Возможна организация широковещательной передачи по частотному моноканалу с исполь­зованием двухполосной системы передачи.

Рис. 1.

Циклический канал (рис. 1, б) предусматривает последовательное подключение БД к среде. Информация распространяется от одной PC к другой, буферируется каждой станцией и выдается на ТО или от­правляется дальше в соответствии с ситуацией (своя — чужая).

Циклические кольца имеют различную организацию (рис. 2). В простом циклическом кольце (рис. 2, а) информация распространя­ется в одну сторону. Это крупный недостаток такой организации, так как отказ одного из сегментов или БД приводит к гибели сети. Вариант двойного циклического кольца (рис. 2, б) предусматривает переда­чу информации в разные стороны. В случае отказа одного из сегмен­тов замыканием встречных каналов в одном из БД двойное кольцо превращается в простое и продолжает работать до устранения не­исправности. Лучевое циклическое кольцо (рис. 2, в) предусмат­ривает наличие центрального коммутатора ЦК и в случае нарушений в каком-либо луче или БД данная АС со своим лучом времен­но исключается из конфигурации. Логическое циклическое кольцо (рис. 2, г) обеспечивает работу физической шины по алгоритму циклического кольца, передавая управление от одной крайней PC к дру­гой.

Рис. 2.

Звездообразная топология, единственная из всех, предусматривает наличие узла коммутации - главной станции. Через нее обеспечивается подключение любой пары АС. Она же берет на себя проблему марш­рутизации и локализации неисправностей. Крупным недостатком звез­дообразной топологии является выход из строя всей сети при отказе главной станции.

Иногда используется еще решетчатая топология (ячеистая), являю­щаяся разновидностью полносвязной структуры и обладающая высокой живучестью.

Так же, как и в больших сетях, в локальных сетях предпочтение отдается семиуровневой организации систем. Однако из-за специ­фики ЛС ее АОС отличается от аналогичной для территориальных се­тей. Прежде всего, из-за малой вероятности ошибки и большой ско­рости передачи отпадает необходимость в услугах канального уровня по повышению верности передачи. Остается лишь проблема уп­равления звеном данных. Затем при простых топологических струк­турах нет необходимости вводить процедуру маршрутизации, т.е. не нужен сетевой уровень. Зато появляется проблема селекции инфор­мации, проблема множественного доступа к физической среде. Вот почему в АОС локальных сетей в чистом виде отсутствуют каналь­ный и сетевой уровни (рис. 3). Можно считать, что канальный уровень условно разбивается на два подуровня: У2А - управ­ление доступом к среде УДС (Medium Access Control Protocol - MAC) иУ2Б - управление логическим каналом УЛК (Logical Link Control -LLC).

Рис. 3.

Разбиение канального уровня на два подуровня УДС/УЛК (MAC/ LLC) имеет ряд преимуществ. Во-первых, это дает возможность осуще­ствлять разные варианты селективного доступа к среде. В этом смысле различают широкополосные и однополосные локальные сети (ШЛС и ОЛС). Широкополосные локальные сети используют в групповом канале аналоговый сигнал, а в качестве блока доступа к среде применяются модемы. Для образования нескольких каналов в одной физической среде применяется способ частотной селекции. Однополосные локальные сети используют в групповом канале цифровой сигнал. Применяется временной способ селекции или множественный доступ, обеспе­чиваемый протокольными соглашениями. На практике чаще применяются ОЛС.

Во-вторых, учитывая, что рабочие станции в локальных сетях явля­ются равноправными партнерами, такое разделение позволяет реали­зовать децентрализованный алгоритм управления, являющийся более простым.

В-третьих, оно обеспечивает лучшую совместимость локальной сети с территориальной, так как УЛК (LLC) является подмножеством базо­вого множества протокола HDLC.

В-четвертых, это обеспечивает гибкий интерфейс ввода-вывода ин­формации, так как УЛК (LLC) не зависит от конкретного метода доступа к среде, а УДС (MAC) - от протокола взаимодействия (разделение функций).

Из-за отсутствия сетевого уровня в ЛС не находят широкого при­менения методы КК и КП-В, зато успехом пользуются методы КС и особенно КП-Д. Все остальные уровни АОС для локальной сети, в основном, сохраняют те же функции, что и для территориальной сети.

Стандарты физического уровня ЛС не отличаются от аналогичных стандартов в больших сетях. В частности, в цифровых ОЛС применяется протокол, построенный на основе Рекомендации Х.21 МС (рис. 4). Все остальные стандарты, связанные с двумя новыми уровнями У2А и У2Б, разработаны созданным при Институте инженеров по элект­ротехнике и радиоэлектронике (ИИЭР - IEEE) комитетом 802 (IEEE 802 LAN Standarts Comitees). Этот комплекс стандартов включает в се­бя два общих стандарта 802.1 и 802.2 и четыре специальных: 802.3 802.4, 802.5 и 802.6. Международная организация по стандарти­зации (МОС - ISO) принимает стандарты IEEE 802 под названием ISO 8802.

Стандарт ISO 8802. 1 описывает соотношения между всеми осталь­ными стандартами серии 8802 и ЭМ ВОС для территориальной сети. Стандарт ISO 8802.2 рассматривает общие для всех ЛС функции управления логическим каналом, функции уровня У2Б. Они не зависят от типа применяемых физических средств соединения и топологии сети, определяя лишь структуру информационных единиц (кадров) и протокол обмена ими. Остальные стандарты определяют специфику топологии и метода доступа к среде. Они относятся к подуровню У2А.

Стандарт ISO 8802.3 определяет метод случайного доступа в конфигурации типа шина или дерево, стандарт ISO 8802.4 - маркерный метод доступа в шинной топологии типа логическое кольцо, стан­дарт ISO 8802.5 - маркерный метод доступа в топологии типа простое, двойное или лучевое кольцо, стандарт ISO 8802.6 - информационную сеть большого города, в которой применяется сложный моноканал с двумя параллельными общими каналами (двойная шина).

Рис. 4