Презентация "Телекоммуникационные системы" по информатике – проект, доклад

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

Два корня компьютерных сетей Вычислительная и телекоммуникационная технологии

Эволюция компьютерных сетей на стыке вычислительной техники и телекоммуникационных технологий

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.

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.

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; ● искро-, взрыво- и пожаробезо-пасность; ● 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.

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.

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 рента-бельность 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.

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.

Физическая передача данных по линиям связи Кодирование

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 самосинхронизирующих 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.

Спутниковые сети связи (ССС). Космические аппараты (КА) связи запускаются на высоту 36 000 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.

Основные преимуществам спутниковых сетей связи: ● большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых 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.

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.

Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов

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.

Коммутация каналов

Коммутация каналов с мультиплексированием

Коммутация каналов без мультиплексирования

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.

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.

Коммутация пакетов

Разбиение потока данных на пакеты

Очереди в пакетном коммутаторе

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.

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.

Маршрутизация Выбор маршрута

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

Методы продвижения пакетов

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

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.

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.

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).

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.

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.

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.