1 Лекция 2 Телекоммуникационные системы Основные сведения Содержание 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах 2. Коммутация в сетях 3. Маршрутизация. - презентация

1 1 Лекция 2 Телекоммуникационные системы Основные сведения Содержание 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах 2. Коммутация в сетях 3. Маршрутизация пакетов в сетях 4. Защита от ошибок в сетях

2 2 Два корня компьютерных сетей Вычислительная и телекоммуникационная технологии Эволюция телекоммуникаций Эволюция вычислительной техники Эволюция компьютерных сетей Эволюция компьютерных сетей на стыке вычислительной техники и телекоммуникационных технологий

3 3 Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах Основная функция телекоммуникационных систем (ТКС), или территориальных сетей связи (ТСС), заключается в организации оперативного и надежного обмена информацией между абонентами, а также в сокращении затрат на передачу данных. Понятие «территориальная» означает, что сеть связи распределена на значительной территории. Она создается в интересах всего государства, учреждения, предприятия или фирмы, имеющих отделения по району, области или по всей стране. Главный показатель эффективности функционирования телекоммуникационных систем время доставки информации. Он зависит от ряда факторов: структуры сети связи, пропускной способности линий связи, способов соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами, протоколов информационного обмена, методов доступа абонентов к передающей среде, методов маршрутизации пакетов и др.

4 4 Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах Характерные особенности территориальных сетей связи: разнотипность каналов связи от проводных каналов тональной частоты (телефона) до оптоволоконных и спутниковых; ограниченность числа каналов связи между удаленными абонентами, по которым необходимо обеспечить обмен данными, телефонную связь, видеосвязь, обмен факсимильными сообщениями; наличие такого критически важного ресурса, как пропускная способность каналов связи. Следовательно, территориальная сеть связи (ТСС) это географически распределенная сеть, объединяющая в себе функции традиционных сетей передачи данных (СПД), телефонных сетей и предназначенная для передачи трафика различной природы, с разными вероятностно-временными характеристиками.

5 5 Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах Типы сетей, линий и каналов связи. В ТВС используются сети связи телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые. В качестве линий связи применяются: кабельные (телефонные линии, витая пара, коаксиальный кабель, волоконно-оптические линии), радиорелейные и радиолинии. Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды (т.е. волоконно-оптические линии). Основные их преимущества: высокая пропускная способность (сотни мегабит в секунду); нечувствительность к внешним полям и отсутствие собственных излучений; низкая трудоемкость прокладки оптического кабеля; искра-, взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к агрессивным средам; небольшая удельная масса; различные области применения. Недостатки: передача сигналов осуществляется только в одном направлении; подключение дополнительных ЭВМ значительно ослабляет сигнал; необходимые для световодов высокоскоростные модемы дороги; световоды, соединяющие ЭВМ, должны снабжаться преобразователями электрических сигналов в световые и обратно.

6 6 Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах В телекоммуникационных систем нашли применение следующие типы каналов связи: симплексные, когда передатчик и приемник связываются одним каналом связи, по которому информация передается только в одном направлении (это характерно для ТВ сетей связи); полудуплексные, когда два узла связи соединены также одним каналом, по которому информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (это характерно для информационно-справочных, запросно-ответных систем); дуплексные, 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.

7 7 Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах Коммутируемые и выделенные каналы связи. В сетях (ТКС, ТСС) различают выделенные (некоммутируемые) каналы связи и каналы с коммутацией на время передачи по ним информации. При использовании выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи, поддержка большого объема трафика. Из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только при условии достаточно полной загрузки каналов. Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость. Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (установление связи между абонентами), возможность блокировки из-за занятости отдельных участков линии связи, более низкое качество связи, большая стоимость при значительном объеме трафика.

8 8 Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах Аналоговое и цифровое кодирование цифровых данных. Пересылка данных от одного узла сети к другому осуществляется последовательной передачей всех битов сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты передаются в виде аналоговых или цифровых электрических сигналов. Аналоговыми называются сигналы, которые могут представлять бесчисленное количество значений некоторой величины в пределах ограниченного диапазона. Цифровые (дискретные) сигналы могут иметь одно значение 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 двух и много- уровневый дискретный сигнал. Аналоговые сигналы менее чувствительны к искажению, обусловленному затуханием в передающей среде, зато кодирование и декодирование данных проще осуществляется для цифровых сигналов.

9 9 Физическая передача данных по линиям связи Кодирование

10 10 Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах Синхронизация элементов сети это часть протокола связи. В процессе синхронизации обеспечивается синхронная работа аппаратуры приемника и передатчика, при которой приемник осуществляет выборку поступающих информационных битов строго в моменты их прихода. Различают синхронную передачу, асинхронную передачу и передачу с автоподстройкой. Синхронная передача отличается наличием дополнительной линии связи (кроме основной) для передачи синхронизирующих импульсов (СИ) стабильной частоты. Выдача битов данных передатчиком и выборка сигналов приемником производятся в моменты появления СИ. Это надежно, но необходима дополнительная линия. Асинхронная передача не требует дополнительной линии. Передача осуществляется небольшими фиксированными блоками, а для синхронизации используется старт-бит. В передаче с автоподстройкой синхронизация достигается за счет использования самосинхронизирующихся кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения уровней сигнала в канале. Каждый переход используется для подстройки приемника.

11 11 Спутниковые сети связи (ССС). Космические аппараты (КА) связи запускаются на высоту км и находятся на геостационарной орбите, плоскость которой параллельна плоскости экватора. Три таких КА обеспечивают охват почти всей поверхности Земли. Взаимодействие между абонентами ССС осуществляется по цепи: АС-отправитель информации > передающая наземная станция >> спутник > приемная наземная станция >АС-получатель. Одна наземная станция обслуживает группу близлежащих АС. Для управления передачей данных между спутником и наземными станциями используются следующие способы. 1. Обычное мультиплексирование с частотным и временным разделением. 2. Обычная дисциплина «первичный/вторичный» с использованием или без использования методов и средств опроса/выбора. 3. Равноранговые дисциплины управления с равным правом доступа к каналу в условиях соперничества за канал. Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах

12 12 Телекоммуникационные системы 1. Основные сведения о телекоммуникационных системах Основные преимуществам спутниковых сетей связи: большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерц новых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи; обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках; независимость стоимости передачи информации от расстояния между абонентами; возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств. Недостатки спутниковых сетей связи: необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных; наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и стацией связи; возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах; подверженность сигналов влиянию различных атмосферных явлений.

13 13 Телекоммуникационные системы 2. Коммутация в сетях Коммутация является жизненно важным элементом связи абонентских систем (АС) между собой и с центрами управления, обработки и хранения информации в сетях. Узлы сети подключаются к некоторому коммутирующему оборудованию, избегая таким образом необходимости создания специальных линий связи. Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая телефонная сеть. Существуют следующие методы коммутации: коммутация цепей (каналов); коммутация с промежуточным хранением, разделяемая на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

14 14 Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов

15 15 Телекоммуникационные системы 2. Коммуникация в сетях Коммутация каналов (цепей). При коммутации каналов (цепей) между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Преимущества метода коммутации цепей: отработанность технологии коммутации цепей; работа в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени; обеспечение прозрачности независимо от числа соединений между АС; широкая область применения. Недостатки метода коммутации цепей: длительное время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков; необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости коммутационного устройства в цепочке прохождения сигнала; отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации; возможность монополизации канала одним источником информации; наращивание функций и возможностей сети ограниченно; не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи.

16 16 Коммутация каналов с мультиплексированием Коммутация каналов без мультиплексирования

17 17 Телекоммуникационные системы 2. Коммуникация в сетях Коммутация сообщений – ранний метод передачи данных (применяется в электронной почте, новостях). Технология - «запомнить и послать». Сообщение целиком сохраняет свою целостность в процессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назначения, а транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принимается. Преимущества метода: отсутствие необходимости в заблаговременном установлении канала; формирование маршрута из участков с различной пропускной способностью; реализация систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов; возможность сглаживания пиковых нагрузок запоминанием потоков; отсутствие потерь запросов на обслуживание. Недостатки: необходимость реализации серьезных требований к емкости памяти в узлах связи для приема больших сообщений; недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе времени при передаче данных; каналы используются менее эффективно по сравнению с др. методами.

18 18 Телекоммуникационные системы 2. Коммуникация в сетях Коммутация пакетов сочетает в себе преимущества коммутации каналов и коммутации сообщений. Ее основные цели: обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени реакции на запрос для всех пользователей, сглаживание асимметричных потоков между пользователями, обеспечение мультиплексирования возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассредоточение критических компонентов сети. Данные разбиваются на короткие пакеты фиксированной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информацией: коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении, информация для контроля достоверности передаваемых данных. Независимые пакеты одного сообщения могут передаваться одновременно по различным маршрутам в составе дейтаграмм. Пакеты доставляются в пункт назначения, где из них формируется первоначальное сообщение. В отличие от коммутации сообщений коммутация пакетов позволяет: увеличить количество подключаемых станций; легче преодолеть трудности с подключением дополнительных линий связи; осуществлять альтернативную маршрутизацию, что создает повышенные удобства для пользователей; существенно сократить время на передачу данных, повысить пропускную способность и эффективность использования сетевых ресурсов. Сейчас пакетная коммутация является основной для передачи данных.

19 19 Коммутация пакетов Разбиение потока данных на пакеты Очереди в пакетном коммутаторе

20 20 Телекоммуникационные системы 2. Коммуникация в сетях Вывод по разделу Анализ рассмотренных коммутационных технологий позволяет сделать вывод о возможности разработки комбинированного метода коммутации, основанного на использовании в определенном сочетании принципов коммутации сообщений, пакетов и обеспечивающего более эффективное управление разнородным трафиком.

21 21 Телекоммуникационные системы 3. Маршрутизация пакетов в сетях Сущность, цели и способы маршрутизации. Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к получателю. Речь идет, прежде всего, о сетях с произвольной (ячеистой) топологией, в которых реализуется коммутация пакетов. Однако в современных сетях со смешанной топологией (звездно- кольцевой, звездно-шинной, многосегментной) реально стоит и решается задача выбора маршрута для передачи кадров, для чего используются соответствующие средства, например маршрутизаторы. В виртуальных сетях задача маршрутизации при передаче сообщения, расчленяемого на пакеты, решается единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение между отправителем и получателем. В дейтаграммных сетях, где данные передаются в форме дейтаграмм, маршрутизация выполняется для каждого отдельного пакета. Выбор маршрутов в узлах связи телекоммуникационных сетей производится в соответствии с реализуемым алгоритмом (методом) маршрутизации.

22 22 Маршрутизация Выбор маршрута Выбирается маршрут, обеспечивающий максимальную пропускную способность. На рис. – это машрут с пропускной способностью в 100 Мбит/сек

23 23 Методы продвижения пакетов

24 24 Телекоммуникационные системы 3. Маршрутизация пакетов в сетях Алгоритм маршрутизации это правило назначения выходной линии связи для передачи пакета, базирующееся на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса отправителя и получателя), информации о загрузке этого узла (длина очередей пакетов) и сети в целом. Основные цели маршрутизации заключаются в обеспечении: минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к получателю; максимальной пропускной способности сети; максимальной защиты пакета от угроз для содержащейся в нем информации; надежности доставки пакета адресату; минимальной стоимости передачи пакета адресату. Различают следующие способы маршрутизации: - централизованная маршрутизация; - распределенная (децентрализованная) маршрутизация; - смешанная маршрутизация

25 25 Телекоммуникационные системы 3. Маршрутизация пакетов в сетях 1. Централизованная маршрутизация реализуется в сетях с централизованным управлением. Выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, а узлы сети связи только воспринимают и реализуют результаты решения задачи маршрутизации. Такое управление маршрутизацией уязвимо к отказам центрального узла и не отличается высокой гибкостью. 2. Распределенная (децентрализованная) маршрутизация выполняется в сетях с децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, которые располагают для этого соответствующими средствами. Распределенная маршрутизация сложнее централизованной, но отличается большей гибкостью. 3. Смешанная маршрутизация характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. Задача маршрутизации в сетях решается при условии, что кратчайший маршрут, обеспечивающий передачу пакета за минимальное время, зависит от топологии сети, пропускной способности и нагрузки на линии связи.

26 26 Телекоммуникационные системы 3. Маршрутизация пакетов в сетях Методы маршрутизации - простая, фиксированная и адаптивная. Разница между ними в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при выборе маршрута. 1. Простая маршрутизация отличается тем, что при выборе марш- рута не учитывается ни изменение топологии сети, ни изменение ее нагрузки. Она не обеспечивает направленной передачи пакетов и имеет низкую эффективность. Ее преимущества - простота реализации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя отдельных ее элементов. Практическое применение получили: случайная маршрутизация - для передачи пакета выбирается одно случайное свободное направление. Пакет «блуждает» по сети и с конечной вероятностью достигает адресата. лавинная маршрутизация предусматривает передачу пакета из узла по всем свободным выходным линиям. Имеет место явление «размножения» пакета. Основное преимущество такого метода гарантированное обеспечение оптимального времени доставки пакета адресату. Метод может использоваться в незагруженных сетях, когда требования по минимизации времени и надежности доставки пакетов достаточно высоки.

27 27 Телекоммуникационные системы 3. Маршрутизация пакетов в сетях 2. Фиксированная маршрутизация - при выборе маршрута учитывает- ся изменение топологии сети и не учитывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направление передачи выбирается по таблице кратчайших маршрутов. Отсутствие адаптации к изменению нагрузки приводит к задержкам пакетов сети. Различают однопутевую и многопутевую фиксированные маршрутизации. Первая строится на основе единственного пути передачи пакетов между двумя абонентами, что сопряжено с неустойчивостью к отказам и перегрузкам, а вторая на основе нескольких возможных путей между двумя абонентами, из которых выбирается наиболее предпочтительный путь. Фиксированная маршрутизация применяется в сетях с мало изменяющейся топологией и установившимися потоками пакетов. 3. Адаптивная маршрутизация отличается тем, что принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения как топологии, так и нагрузки сети. Существуют несколько модифи- каций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, какая именно информация используется при выборе маршрута. Получили распрост- ранение локальная, распределенная, централизованная и гибридная адаптивная маршрутизация (смысл ясен из названия).

28 28 Телекоммуникационные системы 4. Защита от ошибок в сетях При передаче данных одна ошибка на тысячу переданных сигналов может серьезно отразиться на качестве информации. Существует множество методов обеспечения достоверности передачи информации (защиты от ошибок), отличающихся: по используемым средствам, по затратам времени на их применение, по степени обеспечения достоверности передачи информации. Практическое воплощение методов состоит из двух частей програм- мной и аппаратной. Соотношение между ними может быть самым различным, вплоть до почти полного отсутствия одной из частей. Основные причины возникновения ошибок при передаче в сетях: сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение неблагоприятных событий в сети. Система передачи данных готова к такому и устраняет их с помощью предусмотренных планом средств; помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явлениями.

29 29 Телекоммуникационные системы 4. Защита от ошибок в сетях Среди многочисленных методов зашиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые методы, помехоустойчивое кодирование и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью. Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод и метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока. Суть мажоритарного метода состоит в том, что каждое сообщение передается несколько раз (чаще три раза). Сообщения запоминаются и сравниваются, правильное выбирают по совпадению «2 из 3». Другой групповой метод, также не требующий перекодирования инфор- мации, предполагает передачу данных блоками с количественной характеристикой блока (число единиц или нулей, контрольная сумма символов и др.) На приемном пункте эта характеристика вновь подсчитывается и сравнивается с переданной по каналу связи. Если характеристики совпадают, считается, что блок не содержит ошибок. В противном случае на передающую сторону поступает сигнал с требованием повторной передачи блока. В современных ТВС такой метод получил самое широкое распространение.

30 30 Телекоммуникационные системы 4. Защита от ошибок в сетях Помехоустойчивое (избыточное) кодирование предполагает разработку и использование корректирующих (помехоустойчивых) кодов. Системы передачи с обратной связью делятся: на системы с решающей обратной связью и системы с информационной обратной связью. Особенностью систем с решающей обратной связью является то, что решение о необходимости повторной передачи информации принимает приемник. Применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной станции осуществляется проверка принимаемой информации. При обнаружении ошибки на передающую сторону по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по которому информация передается повторно. В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. Приемник, приняв информацию по прямому каналу и и запомнив, передает ее обратно, где она сравнивается. При совпадении передатчик посылает сигнал подтверждения, в противном случае происходит повторная передача всей информации, т.е. решение о передаче принимает передатчик.