ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

С.А. ПЕСКОВА, А. В. КУЗИН, А. Н. ВОЛКОВ

Сети и телекоммуникации

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника»

Москва 2006

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СЕТЯХ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ

1.1. Классификация информационно-вычислительных сетей. Локальные, городские и глобальные сети

            Коммуникационная сеть — система, состоящая из объектов, называемых пунктами (узлами) сети и осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления некоторого продукта, а также линий передачи (связей, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами. В качестве продукта могут фигурировать информация, энергия, масса. Соответственно различают группы сетей информационных, энергетических, вещественных. В группах сетей возможно разделение на подгруппы. Так, среди вещественных сетей могут быть выделены сети транспортные, водопроводные, производственные и др.

            Информационно-вычислительная сеть (ИВС) — коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования является информация, а узлами сети служит вычислительное оборудование. Компонентами ИВС могут быть ЭВМ и периферийные устройства, являющиеся источниками и приемниками данных, передаваемых по сети. Эти компоненты составляют оконечное оборудование данных. В качестве оконечного оборудования данных могут выступать ЭВМ, принтеры, плоттеры и другое вычислительное, измерительное и исполнительное оборудование автоматических и автоматизированных систем. Собственно пересылка данных происходит с помощью сред и средств, объединяемых термином среда передачи данных.

            ИВС классифицируются по ряду признаков. В зависимости от расстояний между связываемыми узлами различают вычислительные сети:

            территориальные — охватывающие значительное географическое пространство. Среди территориальных сетей можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы; региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей — WAN (Wide Area Network);

            локальные (ЛВС) — охватывающие ограниченную территорию (обычно в пределах удаленности станций не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже — на 1...2 км). Локальные сети обозначают LAN (Local Area Network);

            корпоративные (масштаба предприятия) — представляют собой совокупность связанных между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или нескольких близко расположенных зданиях.

            Среди глобальных сетей следует выделить единственную в своем роде глобальную сеть Интернет и реализованную в ней информационную службу WWW (World Wide Web, переводится на русский язык как Всемирная паутина).

            В зависимости от сложности различают интегрированные сети, не интегрированные сети и подсети. Интегрированная вычислительная сеть (интерсеть) представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями. Обычно интерсети приспособлены для различных видов связи: телефонии, электронной почты, передачи видеоинформации, цифровых данных и т.п. В этом случае они называются сетями интегрального обслуживания.

            В зависимости от топологии соединений узлов различают сети шинной (магистральной), кольцевой, звездной, ячеистой, комбинированной и произвольной структуры.

            В зависимости от способа управления различают сети: клиент-сервер, или сети с выделенным сервером. В них выделяется один или несколько узлов (серверов), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети клиент-сервер различаются по характеру распределения функций между серверами, т.е. по типам серверов (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям получается сеть распределенных вычислений;

            Одноранговые — в них все узлы равноправны. Поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером— объект, предоставляющий эти услуги, каждый узел в одно ранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.

            В зависимости от того, одинаковые или неодинаковые ЭВМ применяют в сети, различают сети однотипных ЭВМ — однородные и разнотипных ЭВМ — неоднородные (гетерогенные).

            В зависимости от прав собственности на сети последние могут быть сетями общего пользования (public) или частными (private). Среди сетей общего пользования выделяют телефонные сети и сети передачи данных.

            Сети также различают в зависимости от используемых в них протоколов и по способам коммутации.

            Протоколы — это набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков сети при передаче данных. Другими словами, протокол — это совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию всеми участниками процесса информационного обмена.

            Поскольку информационный обмен — процесс многофункциональный, то протоколы делятся на уровни. К каждому уровню относится группа родственных функций. Для правильного взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой. Этим целям служат унификация и стандартизация в области телекоммуникаций и вычислительных сетей.

            Унификация и стандартизация протоколов выполняются рядом международных организаций, что наряду с разнообразием типов сетей породило большое число различных протоколов. Наиболее широко распространенными являются протоколы, разработанные и применяемые в глобальной сети Интернет, протоколы открытых систем Международной организации по стандартизации (ISO — International Standard Organization), протоколы Международного телекоммуникационного союза (ITU — International Telecommunication Union, ранее называвшегося CCITT) и протоколы Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers).

            Протоколы сети Internet объединяют под названием ТСР/IP. Протоколы ISO являются семиуровневыми и известны как npomoколы базовой эталонной модели взаимосвязи открытых систем.

1.2. Основные характеристики и классификация ЭВМ

            Электронные вычислительные машины являются центральными элементами обработки данных в информационно-вычислительных сетях. Параметры ЭВМ играют определяющую роль в эффективности функционирования сети. Эффективность — это свойство системы выполнять поставленную цель в заданных условиях использования и с определенным качеством. Вычислительные машины могут быть классифицированы по размерам и вычислительной мощности, называемой еще — производительностью, измеряемой в МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) — миллионах операций в секунду над числами с фиксированной запятой (точкой). Для операций над числами, представленными в форме с плавающей точкой, единица измерения производительности МФлоПС (MFloPS — Mega Floating point operation Per Second).

            Поскольку компьютеры выполняют самые разные задачи, оценки производительности в МИПС и МФлоПС получаются не достаточно точными, поэтому для персональных компьютеров вместо производительности указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. Например, тактовый генератор с частотой 100 МГц обеспечивает выполнение 20 млн. коротких простейших машинных операций (сложение, вычитание, пересылка информации) в секунду, а с частотой 1000 МГц— 200 млн. операций в секунду.

            По этим двум признакам ЭВМ делят на классы: микро ЭВМ, малые ЭВМ, большие ЭВМ и суперЭВМ. Основные характеристики классов современных ЭВМ, или компьютеров, приведены в табл. 1.1.

            Микро ЭВМ многочисленны и разнообразны (см. приложение 1). Много пользовательские микро компьютеры оборудованы несколькими видеотерминалами и функционируют в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них одновременно нескольким пользователям (многопользовательский режим, режим с разделением времени).

            Персональные компьютеры (ПК) — однопользовательские ЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения. Характеристики некоторых наиболее популярных микропроцессоров, на которых выполнены ПК, приведены в приложениях 1, 4, 5.

            Рабочие станции (work station) представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные на определенном виде работ — графических, инженерных, издательских и т.п.             Специализированные ЭВМ в отличие от универсальных призваны решать определенный, достаточно узкий круг задач с меньшими затратами оборудования и поэтому имеют более простую архитектуру и низкую стоимость.

            Серверы (от server) — многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

            Сетевые компьютеры (network computer) — упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнении определенного вида работ, таких как организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты, защита сети от несанкционированного доступа и т.д.

            Персональные компьютеры универсальны и общедоступны ввиду их малой стоимости, автономности эксплуатации, отсутствия специальных требований к условиям окружающей среды. Они обеспечивают адаптируемость архитектуры к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту, обладают высокими показателями ожидаемой надежности работы — более 5000 ч наработки на отказ.

            Широко известны компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation):

            IBM PC ХТ (Personal Computer eXtended Technology);

            IBM PC АТ (Personal Computer Advanced Technology) на микропроцессорах (МП) 80286 (16-разрядные, т.е. длина разрядной сетки, или длина машинного слова, равна 16 битам);

            IBM PS/2 8030 — PS/2 8080 (Personal System, все, кроме PS/2 8080, — 16-разрядные, PS/2 8080 — 32-разрядная);

IBM PC на МП 80386 и 80486 (32-разрядные);

            IBM PC на МП Pentium — Pentium 4 (64-разрядные).      

            Персональные компьютеры выпускаются и другими фирмами: американскими — Apple (Macintosh), Compaq Computer, Hewlet Packard, Dell, DEC (Digital Equipment Corporation), а также фирмами Великобритании — Spectrum, Amstard, Франции — Micral, Италии — Olivetty, Японии — Toshiba, Panasonic, Partner.

            В настоящее время широкое распространение (более 80%) получили появившиеся в 1981 г. ПК фирмы IBM и их аналоги. Второе место занимают ПК фирмы Apple (Macintosh). Из всего мирового парка компьютеров количество ПК составляет более 90%. В приложениях 2, 4, 6 приведены основные усредненные характеристики современных ПК IBM PC и быстродействующих процессоров.

            Промышленность стран СНГ выпускала Apple-совместимые ПК (диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1 — ДВК-4 на основе «Электроники МС-1201», «Электроники 85», «Электроники 32» и т.п.), а также IBM PC-совместимые (ЕС 1840 — ЕС 1842, ЕС 1845, ЕС 1849, ЕС 1861, «Искра 1030», «Истра 4816», «Нейрон И9.66» и т.д.).

            Малые ЭВМ (другое название мини-ЭВМ) надежны, недороги и удобны в эксплуатации. Они применяются в качестве вычислительных комплексов, управляющих технологическими процессами, в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, моделирования несложных объектов, а также в системах искусственного интеллекта.

            Характеристики современных мини-компьютеров и наиболее мощных из них — суперминикомпьютеров таковы: производительность — до 1000 MIPS; емкость основной памяти (оперативной и кэш-памяти) — до 8000 Мбайт; емкость дисковой памяти — до 1000 Гбайт; разрядность — 32, 64 и 128; число поддерживаемых пользователей — 16 ... 1024.

            Первыми мини-компьютерами являлись компьютеры PDP-11 фирмы DEC (США), ставшие прототипами отечественных мини ЭВМ — системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, СМ 2, СМ 3, СМ 4, СМ 1400, СМ 1700 и др. Семейство мини-компьютеров PDP-11 объединяет: модели от VАХ-11 до VАХ-3600; мощные модели мини-компьютеров класса 8000 (VAX-8250, VAX-8820); суперминикомпьютеры класса 9000 (VAX-9410, VАХ-9430) и др.

            Характеристики моделей VAX: производительность — 10...1000 MIPS; количество процессоров — 1 ... 32; емкость основной памяти — 512 Мбайт...2 Гбайт; емкость дисковой памяти — 50... 500 Гбайт; число каналов ввода — вывода — до 64.

            Существуют также мини-компьютеры: однопроцессорные IBM 4381, фирмы Хьюлет Паккард HP 9000; многопроцессорные Wang VS 7320, АТ & Т ЗВ 4000; суперминикомпьютеры HS 4000, не уступающие по своим параметрам большим ЭВМ.

            К большим ЭВМ относятся компьютеры, которые имеют основные характеристики, указанные в соответствующей графе табл. 1.1, и поддерживают обслуживание от 16 до 1000 пользователей.

            Большие ЭВМ иначе называются мэйнфреймами (main — главный, основной; frame — стойка, корпус), поскольку они выполняют роль главной ЭВМ вычислительного центра. Применяются большие ЭВМ для решения научно-технических задач, в вычислительных сетях (ВС) с пакетной обработкой информации, для работы с большими базами данных, для управления ВС и их ресурсами, а также в качестве больших серверов ВС — так называемых серверов-мэйнфреймов.

            Первыми появились машины фирмы IBM. Архитектура и программное обеспечение моделей IBM 360 и IBM 370 стали прототипами отечественной единой системы больших машин ЕС ЭВМ. С 1990 г. выпускаются 18 моделей компьютеров семейства IBM ES/9000 (ES — Enterprise System — система предприятий). Младшая модель ES/9221 model 120 имеет оперативную память емкостью 256 Мбайт, производительность — десятки MIPS и 12 каналов ввода — вывода. Старшая модель ES/9221 model 900 имеет 6 векторных процессоров, оперативную память емкостью 9 Гбайт, производительность — тысячи MIPS и 256 каналов ввода — вывода, использующих волоконно-оптический (нередко пишут и говорят оптоволоконный) кабель.

            С 1997 г. большие компьютеры трансформировались в малогабаритные мэйнфреймы семейства S/390, включающие 14 моделей машин с емкостью оперативной памяти до 16 Гбайт, с  быстродействием от 50 до 500 MIPS (у десятипроцессорной машины). Для повышения производительности и других характеристик систем возможно объединение до 32 машин S/390 в кластеры (от cluster) по технологии S/390 Parallel Sysplex, создающее, по существу, суперкомпьютер. Семейство S/390 получило ; широкое распространение в мире, в том числе в России. На отечественных предприятиях выполняется сборка моделей семейства

S/390.

            В 1999 г. была разработана система больших ЭВМ средней производительности AS/400, состоящая из 12 моделей самых популярных в мире «бизнес компьютеров». Их популярность объясняется хорошим соотношением производительность/цена, высокой надежностью (вероятность безотказной работы составляет 0,9994) и хорошим программным обеспечением.

            Также получили распространение и большие ЭВМ семейства М 1800 корпорации Fujitsu (Япония) и Millennium 400 и 500 фирмы Amdahl, являющейся дочерним предприятием указанной корпорации. Семейство состоит из пяти моделей: 20, 30, 45, 65, 85. Модели 45, 65 и 85 — многопроцессорные компьютеры с четырьмя, шестью и восемью процессорами соответственно; модель 85 имеет основную память емкостью 2 Гбайт и 256 каналов ввода— вывода. Фирма Amdahl с 1999 г. выпускает двенадцати и процессорные модели Millennium 700 и 800 производительностью соответственно 685 и 1000 MIPS.

            Фирма Comparex (Германия) выпускала большие ЭВМ моделей 8/8х, 8/9х, 9/8хх, 9/9хх, 99/ххх, содержащие до восьми процессоров, имеющие оперативную память до 8 Гбайт и производительность от 20 до 385 MIPS. Сейчас они поставляются как системы сэконд-хэнд.

            В настоящее время выпускаются машины М2000 и С2000 производительностью до 990 и 870 MIPS, с объемом оперативной памяти до 8000 и 16 000 Мбайт, средним временем наработки на отказ 12 лет.    Для этих машин характерны малые габариты (один или два шкафа) и небольшая потребляемая мощность (восьми процессорная модель М2000 потребляет 50 кВ А, в то время как восьмипроцессорная модель 99/ххх — 171 кВ А и требует водяного охлаждения). На предприятиях России используется большое количество машин фирмы Comparex.

            На мэйнфремах в мире сейчас находится около 70% компьютерной информации; только в США установлены сотни тысяч больших компьютеров.

            СуперЭВМ — это мощные многопроцессорные компьютеры производительностью от сотен миллионов до десятков миллиардов операций в секунду (см. приложение 7). Характеристики типового суперкомпьютера 2001 г. Высоко параллельная многопроцессорная вычислительная система производительностью около 100000 MFloPS; емкость оперативной памяти — 10 Гбайт; емкость дисковой памяти — 1... 10 Тбайт 1 терабайт (Тбайт) = 1000 гигабайт (Гбайт)); разрядность 64... 128 бит. Для сбалансированности ресурсов ЭВМ необходимо, чтобы на каждый MFloPS производительности процессора приходилось не менее 1 Мбайт оперативной памяти.

            Выпущенный в 1972 г. суперкомпьютер ILLIAC IV имел производительность 20 MFloPS. Затем фирма Cray Research выпустила суперЭВМ Cray 1 производительностью 160 MFloPS с оперативной памятью емкостью 64 Мбайт.

            В 1996 г. фирмой Intel была создана суперЭВМ Sandia. Впервые в мире производительность компьютера достигла уровня 1060 MFloPS. За 1 ч 40 мин было выполнено 6,4∙ 10¹⁵ операций над числами с плавающей запятой. Машина Sandia размещалась в 57

шкафах, содержавших более 7000 процессоров Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц, и имела оперативную память 454 Гбайт. Современный вариант этого суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFloPS, оперативную память 573 Гбайт, дисковую память 2250 Гбайт и размещается в 86 шкафах общей площадью 160 м². Масса такого компьютера около 45 т, пиковое потребление энергии 850 кВт.

            Фирма IBM недавно объявила о разработке новой суперЭВМ, которая будет содержать более миллиона микропроцессоров Pentium III и обладать быстродействием 10¹⁵ операций в секунду.

            Суперкомпьютер SX-5 фирмы NEC Corporation (Япония) состоит из 512 процессоров, имеет производительность 4 10¹² FloPS, обеспечивает скорость передачи информации 32 Мбайт/с.

            Архитектура всех этих высокопроизводительных ЭВМ отличается от традиционной однопроцессорной фон-неймановской архитектуры с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (ОКОД или скалярные процессоры — рис. 1.1, а) и называется архитектурой массового параллелизма. СуперЭВМ создаются в виде высоко параллельных многопроцессорных вычислительных систем, имеющих по принятой классификации три разновидности структур:

            магистральные (другое название конвейерные), у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. Это системы с многократным потоком команд и одиночным потоком данных (МКОД, или MISD — Multiple Instruction Single Data, — рис. 1.1, б). Например, отечественные суперЭВМ «Эльбрус 3,4» имеют модифицированную параллельно-конвейерную структуру MMISD;

векторные, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными. Это системы с однократным потоком команд и многократным потоком данных (ОКМД, или SIMD — Single Instruction Multiple Data, — рис, 1.1, в). Параллельно-векторная модификация структуры, иначе MSIMD, в суперкомпьютере Cray 2;

            матричные, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных — многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД, или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data, — рис. 1.1, г).Структуру MIMD имеет, например, суперкомпьютер BSP фирмы Burrought.

            В современных суперЭВМ, например в машинах фирм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi, чаще всего применяется MSIMD-структура как наиболее эффективная. 

            В мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ производительностью в несколько десятков тысяч MFloPS, выпущенных фирмами Cray Research, Control Data, NEC, Fujitsu, Siemens.

            В СССР, позже в России были выпущены суперЭВМ «Электроника СС БИС», ЕС 1119, ЕС 1195 (производительностью 50 MFloPS), ЕС 1191.01 (производительностью 500 MFloPS), ЕС 1191.10, «Эльбрус-l, -2, -3» (производительность 10000 MFloPS, оперативная память 2304 Мбайт, разрядность 64 и 128 бит). Разрабатывается суперЭВМ «Эльбрус-3Б» производительностью 20000 MFloPS.

            В периодически обновляемой таблице ТОР500 (www.top500.org) сведены показатели 500 суперкомпьютеров различных производителей. Часть этой таблицы приведена в приложении 3. Суммарная мощность этих наиболее производительных компьютеров составляет менее 0,1 % от суммарной вычислительной мощности всех . компьютеров мира.

            В таблице ТОР500 не приводятся показатели введенной в 2001 г. в Межведомственном суперкомпьютерном центре, расположенном в здании Президиума РАН, самой мощной отечественной суперЭВМ МВС-1000М. Это объясняется тем, что оформление ввода в таблицу ТОР500 сопряжено с необходимостью определенных затрат и хлопот. Машина МВС-1000М по производительности (1 TFloPS) соответствует суперкомпьютерам, занимающим 30...40-е места в таблице ТОР500. Машина создавалась в НИИ «Квант» при участии ученых Института прикладной математики РАН, МГУ, МИФИ и других организаций. МВС-1000М включает в себя 1000 процессоров Pentium III-1,2 ГГц и занимает 18 стоек. Машина загружена круглосуточно, даже перегружена, поэтому основная проблема — расстановка приоритетов в очереди. МВС1000М — многопользовательская система, одновременно решающая несколько десятков задач. На переднем плане обработки выполняются небольшие задачи, объемная же задача обрабатывается в фоновом режиме. Примерно четверть мощности затрачивается на малые задачи, но с высоким приоритетом, остальные три четверти — на объемные задачи в фоновом режиме. На каждом из этих двух уровней также есть своя иерархия.       Используется МВС1000М в режиме удаленного доступа пользователей к вычислительным ресурсам по сети Интернет.

            На смену отдельным независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер. Структура кластерных ВС удобна тем, что можно регулировать необходимую производительность системы путем подключения к кластеру с помощью специальных интерфейсов обычных серийных серверов в нужном для достижения требуемой мощности количестве. Кластеризация позволяет довольно просто управлять группой серверов как одной системой. При этом обеспечивается доступ любого сервера как к оперативной, так и к внешней памяти. Программное обеспечение для кластерных систем уже выпускается, например компонент Cluster Server операционной системы MS Windows NT/2000 Enterprise. Другое название компонента — Wolfpack, он обеспечивает управление кластером, диагностирует сбои программы или отказ сервера и автоматически переключает поток вычислений на другие работоспособные серверы. Фирма IBM представила кластер серверов RS/6000, а также кластерную систему ASCI White общей производительностью 12,5 TFloPS, содержащую 8192 микропроцессора IBM Power 3, основную память емкостью 6 Тбайт, дисковую память емкостью 160 Тбайт. Фирмы Dell и SunMicrosystem также участвуют в разработках кластеров. Стоимость кластерных систем значительно ниже по сравнению с локальными суперкомпьютерами той же производительности.

            Однако потребности общества в вычислительных ресурсах полностью не удается удовлетворить. Многие сложные вычислительные задачи удается решать на современных ЭВМ и рабочих станциях, объединенных в единую локальную сеть. Работы по совершенствованию элементной базы и архитектуры ЭВМ с целью повышения их производительности и объема памяти продолжают вестись учеными в лабораториях предприятий — производителей компьютерной техники.

1.3. Программные и аппаратные средства ИВС

            Вычислительная сеть — это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов, основными элементами которого являются: компьютеры; коммуникационное оборудование; операционные системы; сетевые приложения.

            В основе любой сети лежит стандартизованная аппаратная платформа. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов — от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.

            Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Изучение принципов работы коммуникационного оборудования требует знакомства с большим количеством протоколов, используемых как в локальных, так и глобальных сетях. Третьей составляющей, образующей программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети видно учитывать, насколько просто данная ОС может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.

            Последней составляющей сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.

1.4. Сети одно ранговые и типа клиент-сервер

            Локальные, глобальные и территориальные сети могут быть одно ранговыми сетями типа клиент-сервер (они также называются сетями с выделенным сервером) или смешанными (в которых используются как одно ранговые технологии, так и технологии с выделенным сервером).

            Компьютеры в одноранговых сетях могут выступать как в роли клиентов, так и в роли серверов. Так как все компьютеры в этом типе сетей равноправны, одно ранговые сети не имеют централизованного управления разделением ресурсов. Любой из компьютеров может разделять свои ресурсы с любым компьютером в той же сети. Одно ранговые взаимоотношения также означают, что ни один компьютер не имеет ни высшего приоритета на доступ, ни повышенной ответственности за предоставление ресурсов в совместное пользование.

            Каждый пользователь в одно ранговой сети является одновременно сетевым администратором. Это означает, что он управляет доступом к ресурсам, расположенным на его компьютере, и может дать всем остальным пользователям неограниченный либо ограниченный доступ к локальным ресурсам, а может не дать вообще никакого доступа. Каждый пользователь также решает, дать другим пользователям доступ просто по их запросу или защитить эти ресурсы паролем.

            Основной проблемой в одно ранговых сетях является безопасность, так как отсутствуют средства обеспечения безопасности в масштабе сети. При этом отдельные ресурсы отдельных компьютеров могут быть защищены системой паролей, и только те пользователи, которые знают пароль, могут получить доступ к ресурсам.

            Этот тип сети может быть работоспособным в малых сетях, но также требует, чтобы пользователи знали и помнили различные пароли для каждого разделенного ресурса в сети. С ростом количества пользователей и ресурсов одно ранговая сеть становится неработоспособной. Это происходит не потому, что сеть не может функционировать правильно, а потому, что пользователи не в состоянии справиться со сложностью сети.

            К тому же большинство одно ранговых сетей состоит из набора типичных персональных компьютеров, связанных общим сетевым носителем. Эти типы компьютеров не были созданы для работы в качестве сетевых серверов, поэтому производительность сети может упасть, когда много пользователей попытаются одно временно получить доступ к ресурсам какого-то одного компьютера. Кроме того, пользователь, к чьей машине происходит доступ по сети, сталкивается с падением производительности в то время, когда компьютер выполняет затребованные сетевые службы. Например, если к компьютеру пользователя подключен принтер, к которому осуществляется доступ по сети, компьютер станет замедлять свою работу каждый раз, когда другие пользователи будут посылать задание на этот принтер. Это может раздражать того, кто работает на данной машине.

            В одно ранговой сети также трудно организовать хранение и учет данных. Когда каждый сетевой компьютер может служить сервером, пользователям трудно отслеживать, на какой машине лежит интересующая их информация. Децентрализованная природа такого типа сети делает поиск ресурсов чрезвычайно сложным с ростом числа узлов, на которых должна происходить проверка.

            Децентрализация также затрудняет процедуру резервного копирования данных — вместо копирования централизованного хранилища данных требуется осуществлять резервное копирование на каждом сетевом компьютере, чтобы защитить разделенные данные.

            Однако одноранговые сети имеют серьезные преимущества перед сетями с выделенным сервером, особенно для малых организаций и сетей. Одно ранговые сети являются наиболее легким и дешевым типом сетей для установки. Большинство одно ранговых сетей требует наличия на компьютерах сетевой карты и сетевого носителя (кабеля). Как только компьютеры оказываются соединены, пользователи немедленно могут начинать предоставление ресурсов и информации в совместное пользование.

            Преимущества одно ранговых сетей:

            легкость в установке и настройке;

            независимость отдельных машин от выделенного сервера;

            возможность для пользователя контролировать свои собственные ресурсы;

            сравнительная дешевизна в приобретении и эксплуатации; отсутствие необходимости в дополнительном программном обеспечении, кроме операционной системы;

            отсутствие необходимости иметь отдельного человека в качестве выделенного администратора сети.

            Недостатки одно ранговых сетей:

            необходимость помнить столько паролей, сколько имеется разделенных ресурсов;

            необходимость производить резервное копирование отдельно на каждом компьютере, чтобы защитить все совместные данные;

            падение производительности при доступе к разделенному ресурсу на компьютере, где этот ресурс расположен;

            отсутствие централизованной организационной схемы для поиска и управления доступом к данным.

            Сети с выделенным сервером, или сети типа клиент-сервер, опираются на специализированные компьютеры, называемые серверами, которые представляют собой централизованные хранилища сетевых ресурсов и централизованно обеспечивают безопасность и управление доступом. В отличие от сетей с выделенным сервером одно ранговые сети не имеют централизованного обеспечения безопасности и управления. Сервер представляет собой сочетание специализированного программного обеспечения и оборудования, которое предоставляет службы в сети для остальных клиентских компьютеров (рабочих станций) или других процессов.

            В рамках одной локальной сети могут использоваться несколько выделенных серверов. По своему функциональному назначению различают несколько типов серверов: файловый, печати, коммуникационный, приложений, базы данных и т.д.

            Файловый сервер — это компьютер, который выполняет функции управления локальной сетью, отвечает за коммуникационные связи, хранит файлы, разделяемые в сети, и предоставляет доступ к совместно используемому дисковому пространству.

            Сервер печати — это компьютер, программа или специальное устройство, обеспечивающее доступ станциям сети к центральному разделяемому принтеру. Запросы на печать поступают от каждой рабочей станции к серверу печати, который разделяет их на индивидуальные задания принтеру, создает очередь печати. Задания обычно обрабатываются в порядке их поступления. В функции сервера печати входит также

управление принтером.

Коммуникационный сервер (сервер удаленного доступа — Access Server) позволяет работать с различными протоколами (правилами передачи информации в сети) и дает возможность станциям разделять модем или узел связи с большой ЭВМ. Это обеспечивает получение информации, хранящейся в сети, практически с любого места, где есть телефон, модем или компьютер.

            Довольно часто сервер совмещает функции коммуникационного сервера и сервера приложений.

            Сервер приложений выполняет одну или несколько прикладных задач, которые запускают пользователи со своих терминалов, включенных в данную сеть. Принцип действия сервера приложений такой же, как у многотерминальной системы (системы совместной обработки). Задача пользователя выполняется непосредственно на сервере приложений, по низкоскоростной телефонной линии на удаленный компьютер (терминал) передается только изображение экрана терминала пользователя, а обратно — только информация о нажимаемых пользователем клавишах. Поэтому нагрузка по передаче информации (например, при работе с базами данных) ложится на высокоскоростной кабель сети, к которой подключен сервер приложений.

            Сервер базы данных — это специализированная программа или компьютер, обеспечивающие станции записями из базы данных. При использовании обычного файлового сервера все данные из базы передаются через сеть в пользовательский компьютер так, чтобы он мог выбрать информацию, необходимую работающей прикладной программе. В отличие от этого сервер базы данных сам выбирает необходимые данные и посылает через сеть только информацию, запрашиваемую программой пользователя (эта программа производит обработку информации и представляет ее пользователю). Таким образом, в подобных системах, называемых системами клиент-сервер, совмещаются преимущества систем совместной и распределенной обработки.

            Технология клиент-сервер является реализацией распределенной обработки данных. С точки зрения баз данных под распределенной обработкой понимается выполнение операций с базами данных на одной машине, а приложений — на другой. В системе клиент-сервер обработка данных разделена между компьютером клиентом и компьютером-сервером, связь между которыми происходит по сети. Основная функция компьютера-клиента состоит в выполнении приложения (интерфейса с пользователем и логики представления) и осуществлении связи с сервером, когда этого требует приложение. Компьютер-клиент может быть как простой машиной типа персонального компьютера, так и мощной рабочей станцией с многозадачной и многопользовательской операционной системой типа UNIX. Таким образом, выбор компьютера, операционной системы, оперативной и дисковой памяти, другого оборудования определяется требованиями приложения. Главная функция компьютера-сервера заключается в обслуживании потребностей клиента. Связь с клиентом, анализ и выполнение запроса к базе данных, включая возврат клиенту результата запроса (набора строк из базы данных), управление одновременным доступом к базе данных многих пользователей, перенаправление запросов к другим серверам сети, обеспечение защиты— таковы некоторые основные функции. компьютера-сервера.

            К рассмотренным выше серверам можно добавить сервер электронной почты и факс-сервер. Главной их характеристикой является степень защиты конфиденциальной информации от не санкционированного доступа.

            Один выделенный компьютер в сети может одновременно выполнять функции файлового сервера, сервера печати, приложений и т.д. Имеются следующие причины для реализации сети с выделенным сервером: централизованное управление сетевыми ресурсами путем использования сетевой безопасности; управление посредством установки и настройки сервера. Серверные компьютеры обычно имеют более быстрый центральный процессор, больший объем оперативной памяти, большие жесткие диски и дополнительные периферийные устройства (например, накопители на магнитной ленте и приводы компакт-дисков) по сравнению с клиентскими машинами. Серверы также ориентированы на то, чтобы обрабатывать многочисленные запросы на разделяемые ресурсы быстро и эффективно. Серверы обычно выделены для обслуживания сетевых запросов клиентов. В дополнение физическая безопасность — доступ к самой машине — является ключевым компонентом сетевой безопасности. Поэтому важно, чтобы серверы располагались в специальном помещении с контролируемым доступом, отделенном от помещений с общим доступом.

            Сети с выделенным сервером также предоставляют централизованную проверку учетных записей пользователей и паролей. Например, Windows NT использует доменную концепцию для управления пользователями, группами и машинами и для контроля над доступом к сетевым ресурсам. Прежде чем пользователь сможет получить доступ к сетевым ресурсам, он должен сообщить свое регистрационное имя и пароль контроллеру домена — серверу, который проверяет имена учетных записей и пароли в базе данных с такой информацией. Контроллер домена позволит доступ к определенным ресурсам только в случае допустимой комбинации регистрационного имени и пароля. Изменять связанную с безопасностью информацию в базе данных контроллера домена может только сетевой администратор. Этот подход обеспечивает централизованную безопасность и позволяет управлять ресурсами с изменяющейся степенью контроля в зависимости от их важности и расположения.

            В отличие от одноранговой модели сеть с выделенным сервером обычно требует только один пароль для доступа к самой сети, что уменьшает количество паролей, которые пользователь должен помнить. Кроме того, сетевые ресурсы типа файлов и принтеров легче найти, потому что они расположены на определенном сервере, а не на чьей-то машине в сети. Концентрация сетевых ресурсов на небольшом количестве серверов также упрощает резервное копирование и поддержку данных.

            Сети с выделенным сервером лучше масштабируются по сравнению с одноранговыми сетями. С ростом размера одно ранговые сети сильно замедляют свою работу и становятся неуправляемыми. Сети с выделенным сервером, наоборот, могут обслуживать от единиц до десятков тысяч пользователей и географически распределенных ресурсов. Другими словами, сеть с выделенным сервером может расширяться с ростом использующей ее организации.

            Сеть с выделенным сервером также имеет недостатки, первым из которых является необходимость дополнительных расходов на такую сеть. Сеть с выделенным сервером требует наличия одного или нескольких более мощных и, следовательно, более дорогих компьютеров для запуска специального (и тоже дорогого) серверного программного обеспечения. Вдобавок, для обслуживания серверного программного обеспечения нужны квалифицированные специалисты. Подготовка персонала для овладения необходимыми для обслуживания сети с выделенным сервером навыками или наем на работу подготовленных сетевых администраторов также увеличивают стоимость такой сети.

            Есть и другие негативные аспекты сетей с выделенным сервером. Централизация ресурсов и управления упрощает доступ, контроль и объединение ресурсов, но при этом приводит к появлению узла, которое может вызвать неполадки во всей сети. Если сервер вышел из строя, не работает вся сеть. В сетях с несколькими серверами потеря одного сервера означает потерю всех ресурсов, связанных с этим сервером. Если неисправный сервер является единственным источником информации о правах доступа определенной части пользователей, эти пользователи не смогут получить доступ к сети.

            Преимущества сетей с выделенным сервером:

            обеспечение централизованного управления учетными записями пользователей, безопасностью и доступом, что упрощает сетевое администрирование;

            использование более мощного серверного оборудования обусловливает более эффективный доступ к сетевым ресурсам;

            пользователям для входа в сеть нужно помнить только один пароль, что позволяет им получить доступ ко всем ресурсам, к которым они имеют права.

            Недостатки сетей с выделенным сервером:

неисправность сервера может сделать сеть неработоспособной, что в лучшем случае означает потерю сетевых ресурсов;

            сети требуют квалифицированного персонала для сопровождения сложного специализированного программного обеспечения, что увеличивает общую стоимость сети;

            стоимость также увеличивается благодаря потребности в выделенном оборудовании и специализированном программном обеспечении.

1.5. Способы коммутации

            Назначение любой сети — обеспечение обмена данными (информацией) между абонентами. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

            Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами информационной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами.

            Различают следующие способы коммутации данных:

коммутация каналов — осуществляется соединение двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто;

            коммутация сообщений — характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целостности; вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физических участков, и между участками возможна буферизация сообщения;

            коммутация пакетов — сообщение передается по виртуальному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и после ее завершения освобождается для передачи других пакетов.

            Коммутация каналов может быть пространственной и временной.

            Пространственный коммутатор размера N × M представляет собой сетку (матрицу), в которой N входов подключены к горизонтальным шинам, а М выходов — к вертикальным (рис. 1.2).

            В узлах сетки имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки может быть открыто не более чем по одному элементу. Если N< М, то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа как минимум с одним выходом; в противном случае коммутатор называется блокирующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из выходов. Обычно применяются коммутаторы с равным числом входов и выходов

N × N.

            Недостаток рассмотренной схемы — большое число коммутирующих элементов в квадратной матрице, равное N² . Для устранения этого недостатка применяют многоступенчатые коммутаторы.

            Временной коммутатор строится на основе буферной памяти, запись производится в ее ячейки последовательным опросом входов, а коммутация осуществляется благодаря записи данных на выходы из нужных ячеек памяти. При этом происходит задержка на время одного цикла «запись — чтение». В настоящее время преимущественно используются временная или смешанная коммутация.

            При коммутации сообщений осуществляется передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.

            Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение хранится в транзитном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты.

            Количество транзитных компьютеров стараются по возможности уменьшать. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров обычно уменьшается до двух. Например, пользователь передает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать сообщение серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используются несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть невозможен в данный момент из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

            Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, кроме того, использование дисков предполагает наличие специализированных компьютеров в качестве коммутаторов, что удорожает сеть.

            Во многих случаях коммутация пакетов оказывается наиболее эффективной. Во-первых, ускоряется передача данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети; во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения. Кроме того, ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим объемом буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

            Любой пакет состоит из трех обязательных компонентов: заголовка, данных, информации для проверки ошибок передачи.

            Заголовок содержит:

            адрес источника, идентифицирующий компьютер-отправитель;

            адрес места назначения, идентифицирующий компьютер-получатель;

            инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте данных;

            информацию компьютеру-получателю о том, как объединить передаваемый пакет с остальными, чтобы получить данные в исходном виде.

            В зависимости от типа сети размер поля данных составляет от 512 байтов до 4 Кбайт. Так как обычно размер исходных данных гораздо больше 4 Кбайт, для помещения в пакет их необходимо . разбивать на мелкие блоки. При передаче объемного файла может потребоваться много пакетов.

            Информация для проверки ошибок обеспечивает корректность передачи. Эта информация называется циклическим избыточным кодом, который представляет собой число, получаемое в результате математических преобразований над пакетом с исходной информацией. Когда пакет достигает места назначения, эти преобразования повторяются.   Если результат совпадает с циклическим избыточный кодом, значит, пакет принят без ошибок. В противном случае необходимо повторить передачу пакета, поскольку при передаче данные изменились.

            В сетях коммутации пакетов различают два режима работы— виртуальных каналов (другое название — связь с установлением соединения) и дейтаграммный (связь без установления соединения).

            В режиме виртуальных каналов пакеты одного сообщения передаются в естественном порядке по устанавливаемому маршруту. При этом в отличие от коммутации каналов линии связи могут разделяться многими сообщениями, когда попеременно по каналу передаются пакеты разных сообщений (это так называемый режим временного мультиплексирования, или TDM — Типе Division Method). Эти пакеты могут задерживаться в промежуточных буферах. Предусматривается контроль правильности передачи данных путем посылки от получателя к отправителю подтверждающего сообщения. Этот контроль возможен как во всех промежуточных узлах маршрута, так и только в конечном узле. Он может осуществляться стартстопным способом, при котором отправитель не передает следующий пакет до тех пор, пока не получит подтверждения о правильной передаче предыдущего пакета, или способом передачи в окне. Окно может включать N пакетов, при этом возможны задержки в получении подтверждений на протяжении окна. Так, если произошла ошибка при передаче, т.е. отправитель получает сигнал об ошибке в передаче пакета с номером Х то нужна повторная передача, которая начинается с пакета Х

            В дейтаграммном режиме сообщение делится на дейтаграммы. Дейтаграмма — это часть информации, передаваемая независимо от других частей одного и того же сообщения в вычислительных сетях с коммутацией пакетов. Дейтаграммы одного и того же сообщения могут передаваться в сети по разным маршрутам и поступать к адресату в произвольной последовательности, что может послужить причиной блокировок сети. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен, и надежность связи обеспечивается лишь контролем на оконечном узле.

            Блокировкой сети в дейтаграммном режиме называется такая ситуация, когда в буферную память узла вычислительной сети поступило столько пакетов разных сообщений, что эта память оказалась полностью занятой. Следовательно, она не может принимать другие пакеты и освободиться от уже принятых, так как это возможно только после поступления всех дейтаграмм сообщения.

1.6. Топология сетей

            При организации компьютерной сети в первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, т.е. топологию. Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам — физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют станциями, или узлами сети.

            Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

            Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой.     Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи. Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.

            Существуют четыре основных типа топологии: шина (bus), кольцо (ring), звезда (star) и ячеистая топология (mesh). Другие топологии обычно являются комбинацией двух и более главных типов. Выбор типа физической топологии для сети является одним из первых шагов планирования сети. Он основывается на множестве факторов, в число которых входят цена, расстояния, вопросы безопасности, предполагаемая сетевая операционная система, а также возможность использования для новой сети существующего оборудования, проводки и т.п.

            Физическая топология шина, именуемая также линейной шиной (linear bus), состоит из единственного кабеля, к которому присоединены все компьютеры сегмента (рис. 1.3). Сообщения посылаются по линии всем подключенным станциям вне зависимости от того, кто является получателем. Каждый компьютер проверяет каждый пакет в проводе, чтобы определить получателя пакета. Если пакет предназначен для другой станции, компьютер

отвергает его. Соответственно, компьютер получает и обрабатывает любой пакет на шине, адресованный ему.

            Главный кабель шины, называемый магистралью (backbone), имеет на обоих концах заглушки (terminator) для предотвращения отражения сигнала. Без правильно установленных заглушек работа шины будет ненадежной или вообще невозможной.

            Шинная топология представляет собой быстрейший и простейший способ установки сети. Она требует меньше оборудования и кабелей, чем другие топологии, и ее легче настраивать. Это хороший способ быстрого построения временной сети и, как правило, лучший выбор для малых сетей (не более 10 компьютеров).

            Имеется несколько недостатков, о которых надо знать при решении вопроса об использовании шинной топологии для сети. Неполадки станции или другого компонента сети трудно изолировать. Кроме того, неполадки в магистральном кабеле могут привести к выходу из строя всей сети.

            Топология кольцо обычно используется в сетях Token Ring и FDDI (волоконно-оптических). В физической топологии кольцо линия передачи данных фактически образует логическое кольцо, к которому подключены все компьютеры сети (рис. 1.4). В отличие от шинной топологии, которая использует конкурентную схему, чтобы позволить станциям получать доступ к сетевому носителю, доступ к носителю в кольце осуществляется посредством логических знаков — маркеров (token), которые пускаются по кругу от станции к станции, давая им возможность переслать пакет, если это нужно. Это дает каждому компьютеру в сети равную возможность получить доступ к носителю и, следовательно, переслать по нему данные. Компьютер может посылать данные только тогда, когда владеет маркером.

            Так как каждый компьютер при этой топологии является частью кольца, он имеет возможность пересылать любые полученные им пакеты данных, адресованные другой станции. Получающаяся регенерация делает сигнал сильным и позволяет избежать необходимости применения повторителей. Так как кольцо формирует бесконечный цикл, заглушки не требуются. Кольцевая топология относительно легка для установки и настройки, требует минимального аппаратного обеспечения.

            Топология физического кольца имеет несколько недостатков. Как и в случае линейной шины, неполадки на одной станции могут привести к отказу всей сети. Поддерживать логическое кольцо трудно, особенно в больших сетях. Кроме того, в случае необходимости

настройки и переконфигурации любой части сети приходится временно отключать всю сеть.

            Кольцевая топология дает всем компьютерам равные возможности доступа к сетевому носителю.

            В топологии звезда все компьютеры в сети соединены друг с другом с помощью центрального концентратора (рис. 1.5). Все данные, которые посылает станция, направляются прямо на концентратор, который затем пересылает пакет в направлении получателя. Как и при шинной топологии, компьютер в сети типа звезда может пытаться послать данные в любой момент. Однако на деле только один компьютер может в конкретный момент времени производить посылку. Если две станции посылают сигналы на концентратор точно в одно и то же время, обе посылки окажутся неудачными и каждому компьютеру придется подождать случайный период времени, прежде чем снова пытаться получить доступ к носителю. Сети с топологией звезда обычно лучше масштабируются, чем с топологией другого типа. 

            Главное преимущество внедрения топологии звезда заключается в том, что в отличие от линейной шины неполадки на одной станции не выведут из строя всю сеть. В сетях с этой топологией проще находить обрывы кабеля и прочие неисправности. Кроме того, наличие центрального концентратора облегчает добавление нового компьютера и реконфигурацию сети. 

            Топологии звезда присущи несколько недостатков. Во-первых, при этом типе конфигурации больше расход кабеля, чем в большинстве других сетей, вследствие наличия отдельных линий, соединяющих каждый компьютер с концентратором. Кроме того, центральный концентратор выполняет большинство функций сети, так что выход из строя одного этого устройства отключает всю сеть.

            Я ч е и с тая топология предусматривает соединение всех компьютеров попарно (рис. 1.6). Сети ячеистой топологии используют значительно большее количество кабеля, чем сети любой другой топологии, что делает их дороже. Кроме того, такие сети значительно сложнее устанавливать. Однако ячеистая топология обладает устойчивостью к сбоям (fault tolerance), которая заключается в способности сети работать при наличии повреждений. В сети с поврежденным сегментом это означает обход сегмента.

            Каждый компьютер имеет много возможностей соединения с другим компьютером по сети, так что отдельный обрыв кабеля не приводит к потере соединения между любыми двумя компьютерами.

            Многие организации используют комбинации главных сетевых топологий, получая так называемые смешанные сети.

            Смешанная топология звезда на шине (star bus), показанная на рис. 1.7, объединяет топологии шина и звезда. Преимущество этой топологии заключается в том, что никакие неполадки на отдельном компьютере или в сегменте не могут вывести из строя всю сеть. В случае неисправности отдельного концентратора не смогут взаимодействовать по сети только те компьютеры, которые присоединены к этому концентратору, а остальные компьютеры эта проблема не затронет.

            Топология звезда на кольце (star ring) известна также под названием Star-wired Ring, поскольку сам концентратор выполнен

как кольцо. Сеть топологии звезда на кольце внешне идентична сети топологии звезда, но на самом деле концентратор соединен проводами как логическое кольцо (рис. 1.8). Эта топология популярна для сетей Token Ring, поскольку легче в реализации, чем физическое кольцо, но дает возможность посылать маркеры внутри концентратора так же, как и в случае физического кольца. Почти так же, как при топологии, кольцо, компьютеры имеют равный доступ к сетевому носителю за счет посылки маркеров. Повреждение отдельного компьютера не может привести к остановке всей сети, но если выходит из строя концентратор, то кольцо, которым он управляет, отключается.

            Реализовать настоящую ячеистую топологию в крупных сетях непросто, для этого, как правило, требуются время и значительные материальные затраты. Применение сети гибридной ячеистой топологии (hybrid mesh) может позволить получить некоторые из существенных преимуществ сети настоящей ячеистой топологии без большого расхода кабеля. В большинстве крупных организаций критически важные данные хранятся не на всех компьютерах сети, а на сетевых серверах. Компании, которые хотят обеспечить защиту от сбоев для своих сетей на уровне кабелей, могут ограничиться только компьютерами с критически важными данными. Это означает, что ячеистая топология будет существовать только на части сети (рис. 1.9), обеспечивая защиту от сбоев для серверов с важной информацией, но не добавляя защиты для отдельных клиентов сети. Сеть гибридной ячеистой топологии стоит меньше, чем сеть, полностью построенная на ячеистой топологии, но не столь защищена от сбоев.

            Физическая структуризация сети полезна во многих отношениях, однако в ряде случаев, обычно относящихся к сетям большого и среднего размеров, невозможно обойтись без логической структуризации сети. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети.

            Сегментом сети называется часть сети с общим пространством доступа к среде передачи данных и обнаружения коллизий. Под коллизией понимается отказ в доступе к среде передачи данных из-за совпадения во времени моментов генерации заявок на ее использование, поступающих от различных станций сети.

            Основные недостатки сети на одной разделяемой среде начинают проявляться при превышении некоторого порогового количества узлов, подключенных к разделяемой среде.        Даже та доля пропускной способности разделяемой среды, которая должна в среднем доставаться одному узлу (например, 10/N Мбит/с для сети Ethernet c N компьютерами), очень часто узлу не достается. Причина заключается в случайном характере метода доступа к среде, используемом во всех технологиях локальных сетей.

            Локальные сети, состоящие из одного или двух серверов и небольшого количества рабочих станций, объединяются в корпоративные системы — сложные, высоко критичные среды, состоящие из множества серверов различных типов, а также многочисленных рабочих групп, нуждающихся в связи друг с другом. В такой среде несегментированная сеть способна привести к снижению производительности, уменьшению надежности и ухудшению безопасности сети.

            Обычно крупные сети имеют высокоскоростную магистраль, но если, например, весь сетевой трафик направляется туда, то он может легко исчерпать доступную пропускную способность, сведя на нет все преимущества в производительности, которые организация могла бы извлечь при другом подходе. Ввиду того что рабочие станции взаимодействуют в основном с локальными серверами, имеет смысл сегментировать сеть в соответствии с рабочими группами, в которых большая часть трафика не выходит за пределы локального сегмента. Такой подход позволяет разным группам выделить разную пропускную способность. Например, разработчикам и инженерам выделяется их собственный сегмент на 10 Мбит/с, пользователям из отдела маркетинга — другой сегмент меньшего объема.

            Сегментирование повышает также и надежность сети за счет локализации проблем в данном сегменте.        Например, если разработчики выведут из строя свой собственный сегмент сети, то на других пользователях это никак не скажется.

            Сегментирование предполагает, что пакеты не выходят за пределы текущего сегмента (принимаются только узлами сегмента). Для передачи информации из одного сегмента в другой (объединения сегментов) используют специальные устройства: маршрутизаторы, коммутируемые концентраторы (коммутаторы), мосты (см. под разд. 1.9).

            В качестве примера несовпадения физической и логической топологии рассмотрим сеть на рис. 1.3. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина.          Предположим, что доступ к шине происходит не по алгоритму случайного доступа, применяемому в технологии Ethernet, а путем передачи маркера в кольцевом порядке: от компьютера 1 компьютеру 2, от компьютера 2 компьютеру 3 и т.д. Здесь порядок передачи маркера уже не повторяет физические связи, а определяется логическим конфигурированием драйверов сетевых адаптеров. Ничто не мешает настроить сетевые адаптеры и их драйверы так, чтобы компьютеры образовали кольцо в другом порядке, например 2, 1, 3... При этом физическая структура сети никак не изменяется.

1.7. Многоуровневые ИВС

            Основу компьютерной сети составляет соединение различного оборудования, поэтому одной из наиболее острых проблем является проблема совместимости. Без соблюдения всеми производителями общепринятых правил (стандартов) создания сетевого оборудования построение сетей в целом было бы невозможно. В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем, ставшая своего рода универсальным языком сетевых специалистов.

            Открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, операционная система, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.

            Под термином «спецификация» в вычислительной технике понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Понятно, что не всякая спецификация является стандартом. В свою очередь, под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.

            Использование при разработке систем открытых спецификаций позволяет третьим сторонам разрабатывать для этих систем различные аппаратные или программные средства расширения и модификации, а также создавать программно-аппаратные комплексы из продуктов разных производителей.

            Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей, которая разбивается на несколько более простых задач-модулей. Процедура разбиения (декомпозиции) включает в себя четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу, и интерфейсов между ними. В результате достигается логическое упрощение задачи, а также появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы.

            При декомпозиции часто используют многоуровневый подход. Он заключается в следующем. Все множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерархию, т.е. имеются вышележащие и нижележащие уровни (рис. 1.10). Множество модулей,

составляющих каждый уровень, сформировано таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. какая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой замены.

            Средства сетевого взаимодействия также могут быть представлены в виде иерархически организованного множества модулей. При этом модули нижнего уровня могут, например, решать все вопросы, связанные с надежной передачей электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, пользуясь для этого средствами упомянутого нижележащего уровня. А на верхнем уровне работают модули, предоставляющие пользователям доступ к различным службам — файловой, печати и т.п.

            Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что для организации обмена сообщениями между двумя компьютерами необходимо принять множество соглашений для всех уровней, начиная от самого низкого уровня передачи бит и до самого высокого уровня, реализующего сервис для пользователей сети.

            Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

            Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений, которые называются интерфейсом. Таким образом, протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы определяют правила взаимодействия модулей соседних уровней в одном узле.

            Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней как правило, чисто программными средствами. На эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек, в частности тот факт, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.

            Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами — концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т.д. В общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую, а через различные коммуникационные устройства. В зависимости от типа устройства в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.

1.8. Эталонная модель взаимосвязи открытых систем

            Уровни эталонной модели. В начале 80-х гг. прошлого века ряд международных организаций по стандартизации — ISO, ITU и некоторые другие — разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Она называется моделью взаимодействия открытых систем, или моделью OSI (Open System Interconnection). Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Она была разработана на основе большого опыта, полученного при создании компьютерных сетей, в основном глобальных, в 70-е гг. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

            В модели OSI (рис. 1.11) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.

            Физический уровень (physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель. или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

            Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

            В некоторых сетях линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, и физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (data link layer) является проверка доступности среды передачи. Другая задача данного уровня— реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами. Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность

бит в начало и конец каждого кадра для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует.

            К типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI.

            В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

            В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи.

            Для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня — сетевой и транспортный.

            Сетевой уровень (network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей.

            На сетевом уровне сам термин «сеть» наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимают совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.

            Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня. Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, каждый. раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

            Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

            Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие «номер сети». В этом случае адрес получателя состоит из старшей части — номера сети и младшей — номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину «сеть» на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть — это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

            Транспортный уровень (transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека — прикладному и сеансовому— передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными: протоколами через общий транспортный протокол, а главное— способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

            Сеансовый уровень (session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. На практике не многие приложения используют сеансовый уровень и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют, в одном протоколе.

            Представительный уровень (presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне могут выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека ТСР/IP.

            Прикладной уровень (application layer) — это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

            Сете зависимые и сете независимые уровни. Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

            Три нижних уровня — физический, канальный и сетевой— являются сете зависимыми, т.е. протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровней во всех узлах сети.

            Три верхних уровня — прикладной, представительный и сеансовый — ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию 100VG AnyLAN не потребует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции прикладного, представительного и сеансового уровней.

            Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений. Компьютер с установленной на нем сетевой ОС взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют опосредовано через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа коммуникационное устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор).

            В модели OSI различаются два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения (connection-oriented) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать некоторые параметры протокола, которые они будут использовать при обмене данными. После завершения диалога они должны разорвать это соединение.

            В протоколах без предварительного, установления соединения (connectionless) отправитель просто передает сообщение, когда оно готово. При взаимодействии компьютеров используются протоколы обоих типов.

            Модель OSI подразумевает открытость средств взаимодействия  устройств, связанных в вычислительную сеть. Здесь под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.

            Это дает следующие преимущества:

            возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;

           возможность безболезненной замены отдельных компонентов, сети другими, более совершенными, что      позволяет сети развиваться с минимальными затратами;

          возможность легкого сопряжения одной сети с другой;

          простота освоения и обслуживания сети.

            Примером открытой системы является международная сеть Интернет. Эта сеть развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке ее стандартов принимали участие тысячи специалистов — пользователей этой сети из различных университетов, научных организаций и фирм-производителей вычислительной аппаратуры и программного обеспечения, работающих в разных странах.

            Стандартные стеки коммуникационных протоколов. Важнейшим направлением стандартизации в области вычислительных сетей является стандартизация коммуникационных протоколов. В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наиболее популярными являются стеки ТСР/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, DECnet, SNA и OSI. Все эти стеки, кроме SNA на нижних уровнях (физическом и канальном), используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам. Эти протоколы часто не соответствуют рекомендуемому моделью OSI разбиению на уровни. В частности, функции сеансового и представительного уровней, как правило, объединены с функциями прикладного уровня. Такое несоответствие связано с тем, что модель OSI появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.

            Следует четко различать модель OSI и стек OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов. В отличие от других стеков протоколов стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, протоколы глобальных сетей, Х.25 и ISDN, т.е. использует разработанные вне стека протоколы нижних уровней, как и все другие стеки. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реализованы различными производителями, но распространены пока мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы. К ним относятся протокол передачи файлов РТАМ, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы Х.500, электронной почты Х.400 и ряд других.

            Стек OSI — международный, не зависящий от производителей стандарт. Его поддерживает правительство США в своей программе GOSIP, в соответствии с которой все компьютерные сети, установленные в правительственных учреждениях США после 1990 г., должны или непосредственно поддерживать стек OSI, или обеспечивать средства для перехода на этот стек в будущем.

            Стек ТСР/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Интернет, а также в, огромном числе корпоративных сетей.

            Стек ТСР/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных — протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, PPP, протоколы территориальных сетей Х.25 и ISDN.

            Основными протоколами стека, давшими ему название, являются протоколы IP и TCP. Эти протоколы в терминологии модели OSI относятся к сетевому и транспортному уровням соответственно.

IP обеспечивает продвижение пакета по составной сети, а TCP гарантирует надежность его доставки.

            За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек ТСР/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладного уровня. К ним относятся такие популярные протоколы, как протокол пересылки файлов FTP, протокол эмуляции терминала Telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Интернет, гипертекстовые сервисы службы WWW и многие другие.

            В табл. 1.2 показано соответствие некоторых, наиболее популярных протоколов уровням модели OSI. Часто это соответствие весьма условно, так как модель OSI — это только руководство к действию, причем достаточно общее, а конкретные протоколы разрабатывались для решения специфических задач, причем многие из них появились до разработки модели OSI. В большинстве случаев разработчики стеков отдавали предпочтение скорости работы сети в ущерб модульности — ни один стек, кроме стека OSI, не разбит на семь уровней. Чаще всего в стеке явно выделяются три-четыре уровня: сетевых адаптеров, в котором реализуются протоколы физического и канального уровней, сетевой, транспортный и уровень служб, вбирающий в себя функции сеансового, представительного и прикладного уровней.

            Более подробно протоколы рассмотрены в подразд. 8.3.2.

1.9. Сетевые компоненты

            Существует множество сетевых устройств, которые возможно использовать для создания, сегментирования и усовершенствования сети. Основными из них являются сетевые адаптеры, повторители, усилители, концентраторы, мосты, маршрутизаторы и шлюзы.

            Сетевые адаптеры (карты), или NIC (Network Interface Card), являются теми устройствами, которые физически соединяют компьютер с сетью. Прежде чем выполнить такое соединение, надо правильно установить и настроить сетевой адаптер. Простота или сложность этой установки и настройки зависит от типа сетевого адаптера, который предполагается использовать. Для некоторых конфигураций достаточно просто вставить адаптер в подходящий слот материнской платы компьютера. Автоматически конфигурирующиеся адаптеры, а также адаптеры, отвечающие стандарту «plug and play» («вставь и работай»), автоматически производят свою настройку. Если сетевой адаптер не отвечает стандарту «plug and play», требуется настроить его запрос на прерывание IRQ (Interrupt ReQuest) и адрес ввода — вывода (input — output address). IRQ представляет собой логическую коммуникационную линию, которую устройство использует для связи с процессором. Адрес ввода— вывода — это трехзначное шестнадцатеричное число, которое идентифицирует коммуникационный канал между аппаратными устройствами и центральным процессором. Чтобы сетевой адаптер функционировал правильно, должны быть правильно настроены как IRQ, так и адрес ввода — вывода.

            Сигнал при перемещении по сети ослабевает. Чтобы противодействовать этому ослаблению, можно использовать повторители и/или усилители, которые усиливают сигналы, проходящие через них по сети.

            Обычно плата адаптера использует адреса портов ввода — вывода, которые выбираются перемычками или переключателями на плате. Прежде чем выбрать значения адресов адаптера, необходимо убедиться, что в данном компьютере эти адреса свободны, иначе возможны конфликты. Кроме того, адаптер, -как правило, применяет одно из аппаратных прерываний компьютера. Номер канала прерывания, используемого адаптером, чаще всего выбирается перемычками или переключателями. Прежде чем выбрать номер прерывания необходимо убедиться, что оно не использовалось другими устройствами. Иногда адаптер работает в режиме прямого доступа к памяти (ПДП, или DMA — Direct Memory Access). Номер канала ПДП выбирается перемычками или переключателями таким образом, чтобы не было конфликтов с другими устройствами компьютера. Информацию о свободных адресах, номерах каналов прерывания и ПДП можно получить из тестовых программ.

            В последнее время появились адаптеры, в которых выбор адресов и каналов прерываний и ПДП производится не переключателями, а с помощью специальной программы установки (jumperless адаптеры), что гораздо удобнее. При запуске программы пользователю предлагается установить конфигурацию аппаратуры с помощью простого меню: выбрать адреса ввода — вывода, номер канала прерывания, ПДП, адреса, загрузочного ППЗУ и тип используемого внешнего разъема (тип среды передачи). Эта же программа позволяет произвести самотестирование адаптера.

            Повторители (repeater) используются в сетях с цифровым сигналом для борьбы с его ослаблением. Они обеспечивают надежную передачу данных на большие расстояния, нежели обычно позволяет тип носителя. Когда повторитель получает ослабленный входящий сигнал, он очищает его, увеличивает мощность сигнала и посылает его следующему сегменту.

            Усилители (amplifier), хоть и имеют сходное назначение, применяются для увеличения дальности передачи в сетях, использующих аналоговый сигнал. Аналоговые сигналы могут переносить одновременно и голос, и данные — носитель делится на несколько каналов, так что разные частоты могут передаваться параллельно.

            Концентратор (hub) представляет собой сетевое устройство, служащее в качестве центральной точки соединения в сетевой конфигурации звезда (star). Он также может быть использован для соединения сетевых сегментов. Существуют три основных типа концентраторов: пассивные (passive), активные (active) и интеллектуальные (intelligent).         Пассивные концентраторы, не требующие электроэнергии, действуют просто как физическая точка соединения, ничего не добавляя к проходящему сигналу. Активные концентраторы требуют энергии, которую они используют для восстановления и усиления сигнала, проходящего через них.       Интеллектуальные концентраторы могут предоставлять такие сервисы, как переключение пакетов (packet switching) и перенаправление трафика (traffic routing).

            Напомним, что переключение пакетов позволяет не поддерживать постоянный физический канал между двумя устройствами. Информация при этом способе коммутации делится на части, называющиеся пакетами, и каждый пакет передается отдельно по свободным в данный момент каналам связи. При этом каждый пакет может проходить по своему маршруту. Перенаправление трафика осуществляется при перегрузках и отказах оборудования.

Мост (bridge) представляет собой устройство, используемое для соединения сетевых сегментов. Он функционирует в первую очередь как повторитель, может получать данные из любого сегмента, однако более разборчив в передаче этих сигналов, чем повторитель. Если получатель пакета находится в том же физическом сегменте, что и мост, то мост знает, что этот пакет достиг цели и, таким образом, больше не нужен. Если же получатель находится в другом физическом сегменте, мост знает, что пакет надо переслать. Эта обработка помогает уменьшить загрузку сети. Например, сегмент не получает сообщений, не относящихся к нему.

            Мосты могут соединять сегменты, которые используют разные типы носителей (кабелей), а также сети с разными схемами доступа к носителю, например сеть Ethernet и сеть Token Ring. Примером таких устройств являются мосты трансляторы (translating bridge), которые осуществляют преобразование различных форм информации в единый вид, позволяя связывать сети разных типов. Другой специальный тип моста — прозрачный (transparent bridge), или интеллектуальный, мост (learning bridge) — периодически «изучает», куда направлять получаемые им пакеты. Он делает это посредством непрерывного построения специальных таблиц, добавляя в них по мере необходимости новые элементы.

            Недостатком мостов является то, что они передают данные дольше, чем повторители, так как проверяют адрес сетевой карты получателя для каждого пакета. Они также сложнее в управлении и дороже, нежели повторители.

            Маршрутизатор (router) представляет собой сетевое коммуникационное устройство, которое может связывать два и более сетевых сегментов (или подсетей). Маршрутизатор функционирует подобно мосту, но для фильтрации трафика он использует не адрес сетевой карты компьютера, а информацию о сетевом адресе, передаваемую в относящейся к сетевому уровню части пакета. После получения этой информации об адресе маршрутизатор использует таблицу маршрутизации (routing table), содержащую сетевые адреса, чтобы определить, куда направить пакет. Он делает это посредством сравнения сетевого адреса в пакете с элементами в таблице маршрутизации. Если совпадение найдено, пакет направляется по указанному маршруту, если же совпадение не найдено, пакет обычно отбрасывается.

            Маршрут по умолчанию (default route) используется в том случае, если не подходит ни один из других маршрутов. Требуемый маршрут сначала ищется в таблицах. Если он не находится, пакет посылается в узел, специально выбранный для данного случая. Маршруты по умолчанию, используются обычно тогда, когда маршрутизатор имеет ограниченный объем памяти или по какой-то иной причине не имеет полной таблицы маршрутизации. Маршрут по умолчанию может помочь реализовать связь даже при ошибках в маршрутной таблице, однако для региональных сетей с ограниченной пропускной способностью такое решение может иметь серьезные последствия. Например, из-за такого рода ошибки пакеты внутри локальной сети могут пересылаться через сеть другой страны.

            Существуют два типа маршрутизирующих устройств: статические и динамические. Статические маршрутизаторы (static router) используют таблицы маршрутизации, которые должен создавать и вручную обновлять сетевой администратор. Динамические маршрутизаторы (dynamic router) создают и обновляют свои собственные таблицы маршрутизации. Они используют информацию, найденную на своих собственных сегментах, а также полученную от других динамических маршрутизаторов. Динамические маршрутизаторы всегда содержат свежую информацию о возможных маршрутах по сети, а также информацию об узких местах и задержках в прохождении пакетов. Эта информация позволяет им определить наиболее эффективный путь, доступный в данный момент для перенаправления пакетов данных к их получателям.

            Поскольку маршрутизаторы могут осуществлять интеллектуальный выбор пути и отфильтровывать пакеты, которые им не нужно получать, они помогают уменьшить загрузку сети, сохранить ресурсы и увеличить пропускную способность. Кроме того, они повышают надежность доставки данных, так как могут выбрать для пакетов альтернативный путь, если маршрут по умолчанию недоступен.

            Термин «маршрутизатор» (router) может обозначать устройство электронной аппаратуры, сконструированное специально для маршрутизации. Он также может означать компьютер (обеспеченный таблицей маршрутизации), подключенный к другим сегментам сети с помощью нескольких сетевых карт и, следовательно, способный выполнять функции маршрутизации между связанными сегментами.

            Маршрутизаторы превосходят мосты в способности фильтровать и направлять пакеты данных по сети и в отличие от мостов могут отключить пересылку широковещательных сообщений, что уменьшает сетевой широковещательный трафик.

            Другое важное преимущество маршрутизатора как соединительного устройства заключается в том, что, поскольку он работает на сетевом уровне, он может соединять сети, использующие различную сетевую архитектуру, методы доступа к устройствам или протоколы. Например, маршрутизатор может соединять подсеть Ethernet и сегмент Token Ring.

            Он может связывать несколько небольших сетей, использующих различные протоколы, если эти протоколы поддерживают маршрутизацию.

            Маршрутизаторы по сравнению с повторителями дороже и сложнее в управлении. У них меньшая пропускная способность, чем у мостов, так как они должны производить дополнительную обработку пакетов данных. Кроме того, динамические маршрутизаторы могут добавлять излишний трафик в сети, поскольку для обновления таблиц маршрутизации постоянно обмениваются сообщениями.

            Английский термин «brouter» (мост маршрутизатор) представляет собой комбинацию слов «bridge» (мост) и «router» (маршрутизатор). Из этого можно сделать вывод, что мост маршрутизатор сочетает функции моста и маршрутизатора. Когда мост маршрутизатор получает пакет данных, он проверяет, послан пакет с использованием маршрутизируемого протокола или нет. Если это пакет маршрутизируемого протокола, мост маршрутизатор выполняет функции маршрутизатора, посылая при необходимости пакет получателю вне локального сегмента. Если же пакет содержит не маршрутизируемый протокол, мост маршрутизатор выполняет функции моста, используя адрес сетевой карты для поиска получателя на локальном сегменте. Для выполнения этих двух функций мост маршрутизатор может поддерживать как таблицы маршрутизации, так и таблицы мостов.

            Шлюз (gateway) представляет собой устройство для осуществления связи между двумя или несколькими сетевыми сегментами. В качестве шлюза обычно выступает выделенный компьютер, на котором запущено программное обеспечение шлюза и производятся преобразования, позволяющие взаимодействовать несходным системам в сети. Например, при использовании шлюза персональные компьютеры на базе Intel-совместимых процессоров на одном сегменте могут связываться и разделять ресурсы с компьютерами Macintosh.

            Другой функцией шлюзов является преобразование протоколов. Шлюз может получить сообщение IPX/SPX, направленное клиенту, использующему другой протокол, например ТСР/IP, на удаленном сетевом сегменте. После того как шлюз определяет, что получателем сообщения является станция ТСР/IP, он преобразует данные-сообщения в протокол ТСР/IP. В этом состоит его отличие от моста, который просто пересылает сообщение, используя один протокол внутри формата данных другого протокола; преобразование при необходимости происходит у получателя. Почтовые шлюзы производят сходные операции по преобразованию почтовых сообщений и других почтовых передач из родного формата приложения электронной почты в более универсальный почтовый протокол, например SMTP, который может быть затем использован для направления сообщения в Интернет.

            Хотя шлюзы имеют много преимуществ, нужно учитывать несколько факторов при принятии решения об использовании шлюзов в сети. Шлюзы сложны в установке и настройке. Они также дороже других коммуникационных устройств. Вследствие лишнего этапа обработки, связанного с процессом преобразования, шлюзы работают медленнее, чем маршрутизаторы и подобные устройства.

Глава2.ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КАЧЕСТВО СЕТЕЙ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КАНАЛОВ

2.1. Показатели качества ИВС

            Согласно Серии Международных Стандартов ISO 9000 качество — это совокупность свойств системы, позволяющих отвечать потребностям и ожиданиям потребителя.

            Основные показатели качества информационно-вычислительных сетей:

            полнота выполняемых функций — сеть должна обеспечивать выполнение всех предусмотренных для нее функций по доступу ко всем ресурсам, по совместной работе узлов и по реализации всех протоколов и стандартов работы;

            производительность — среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени;

            пропускная способность — важная характеристика производительности сети, определяемая объемом данных, передаваемых через сеть (или ее звено — сегмент) за единицу времени. Часто используется другое название — скорость передачи данных;

            надежность — важная техническая характеристика сети, чаще всего определяемая средним временем наработки на отказ;

            достоверность результатной информации — важная потребительская характеристика сети;

            безопасность — важнейшая характеристика, поскольку современные сети имеют дело с конфиденциальной информацией. Способность сети защитить информацию от несанкционированного доступа и определяет степень ее безопасности;

            прозрачность — еще одна потребительская характеристика сети, означающая невидимость особенностей ее внутренней архитектуры для пользователя. Он должен иметь возможность обращаться к ресурсам сети как к локальным ресурсам своего собственного компьютера;

            масштабируемость — возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности;

            универсальность — возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования программного обеспечения от разных производителей;

            эффективность — возможность выполнения сетью возложенных на нее функций с меньшими затратами оборудования, времени или средств по сравнению с прототипами либо с другими типами сетей.

            Рассмотрим часть этих показателей подробнее.

2.2. Производительность ЭВМ, вычислительных систем и сетей

2.2.1. Производительность ЭВМ и ее оценка

            Производительность ИВС зависит от времени выполнения запроса пользователя t_вып.3П , затрачиваемого на обработку информации и определяемого производительностью ЭВМ и ВС как элементов сети.

            Определение производительности ЭВМ, измеряемой в МИПС (MIPS) — миллионах операций в секунду над числами с фиксированной запятой (точкой) и в МФлоПС (MFloPS) для операций над числами, представленными в форме с плавающей точкой, было дано в под разд. 1.2. С 1946 г., когда появилась первая супер ЭВМ ENIAC, и до сего времени производительность наиболее мощных машин увеличивалась в десять раз за каждое пятилетие. В приложениях 1 и 2 указана производительность некоторых типов современных ЭВМ. На рис. 2.1 в координатах производительность — емкость памяти приведены требования к ЭВМ для решения различных задач. Производительность рассчитана исходя из требования 15-минутного решения задачи, указаны типы современных ЭВМ, включая суперЭВМ.

            Таким образом, производительность — это показатель эффективности ЭВМ или ВС, для оценки которого используются некоторые характеристики скорости работы системы. Она измеряется иногда числом наиболее повторяющихся либо средних по длительности операций в секунду (опер./с). Значения производительности изменяются от сотен операций в секунду у персональных компьютеров, микро ЭВМ и микропроцессоров до 10¹³ операций в секунду и более у суперЭВМ.

            Производительность зависит не только от самой ЭВМ, но и от особенностей обрабатываемой информации, таких как разрядность слов, форма представления чисел (с плавающей или фиксированной точкой), частоты повторения различных операций в общем потоке выполняемых программ и др. Поэтому производительность ЭВМ оценивается с помощью тестовых наборов задач, предварительно выявляя процентное содержание команд различного типа. В 70-х гг. ХХ в. были разработаны усредненные наборы операций — смеси Гибсона для разных типов задач (экономических, технических, математических и т.д.), в которые разные команды входили в определенном процентном отношении. По смесям Гибсона

можно определять среднее быстродействие компьютера для этих типов задач.

            Фирмы-изготовители для определения быстродействия своих изделий разработали более новые тестовые наборы: в 1992 г. для микропроцессоров фирмы Intel — показатель iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance), в 1ф96 г. — показатель 1СОМР2.0, ориентированный на 32-битные OC и мультимедийные технологии. Разработаны специализированные тесты для конкретных областей применения ЭВМ: Winstone 97-Business для офисной группы задач; варианты тестов WinBench 97 для других видов задач.

            Значения производительности могут использоваться для ориентировочной оценки реальной производительности при решении конкретных задач. Иногда производительность удобно оценивать числом выполняемых команд в минуту, числом выполняемых заданий в день и т.д.

            Оценки производительности для ЭВМ, выполняющих самые разные задания, будут весьма неточными. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения определенного числа тактов.

            Пример 2.1. Частота тактового генератора микропроцессора равна 100 МГц. Чему равна производительность ПК (при отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличения внутренней частоты)?

            Решение. У микропроцессоров короткие машинные операции (простые сложение и вычитание, пересылки информации и др.) выполняются обычно за 5 машинных тактов. В нашем случае один такт равен 1/100 МГц = 1/100∙10⁶ Гц = 10^-8 с; время выполнения одной операции составит 5∙ 10^-8 с. За одну секунду могут выполняться 1/(5∙10^-8) = 20 ∙10⁶ операций, т.е. 20 млн. операций. Следовательно, производительность ПК на базе данного микропроцессора равна 20 млн. опер./с.

            Производительность ЭВМ на базе микропроцессора с тактовой частотой 1000 МГц будет равна 200 млн. коротких операций в секунду.

            Рассмотрим метод оценки производительности и загрузки многопроцессорной потоковой машины с параллельной обработкой данных. В таких машинах любой алгоритм вычислительного процесса разбивается на группы независимых операций, последовательно обрабатываемых машиной. Число операций, находящихся в одной такой группе, определяет величину параллелизма вычислительного процесса n на данном этапе или шаге вычисления. Условием полной загрузки многопроцессорных машин должно быть выполнение на каждом шаге вычисления неравенства N < n, где N — число процессоров.

            Это только нижняя оценка требуемого неравенства, которое должно быть уточнено: N необходимо умножить на С — максимально возможное число операций в каждом процессоре, которые должны в них одновременно выполняться для обеспечения полной загрузки ЭВМ. Фактически должна быть учтена глубина конвейеризации по каждому параллельно работающему процессору. В этом случае неравенство принимает вид: NC < n. Поэтому предельные возможности по загрузке разрабатываемой ЭВМ можно оценить следующим образом: если NC < n, то загрузка полная; если NC > n, то загрузка пропорциональна отношению N/nC.

            Для архитектуры ЭВМ типа МКМД с коммутационной матрицей, представленной на рис. 2.2, условие полной загрузки будет выражаться так:

где N_пр N_K1, N_K2, N_ап — число параллельно работающих процессоров, коммутаторов и модулей ассоциативной памяти в одном канале; C_пр C _K1, C _K2, С_ап— соответствующие им значения глубины конвейеризации.

            Для простоты будем считать, что пропускные способности коммутаторов, процессоров и ассоциативной памяти согласованы, равны и все устройства работают с одним и тем же темпом П. Тогда максимальная производительность системы будет равна ПК_К где N_K — число параллельно работающих коммутаторов. Произведение NC определяет число операций, над которыми вычислительная система потока данных должна работать одновременно, чтобы была обеспечена ее 100%-ная загрузка.

            Из приведенных соотношений видно, что чем меньше значение NC, тем более эффективно будет работать многопроцессорная ЭВМ или многомашинный комплекс при малом параллелизме задачи. В ЭВМ традиционной архитектуры ОКОД с увеличением значений N и n возможности человека как программиста резко

снижаются (начиная с N 3). Именно поэтому пользователи машин с коммутационной матрицей (connection mashine), имеющей в своем составе более 64 тыс.элементарных процессоров, сообщают об их только 10%-ной средней загрузке при решении ориентированных на эту машину задач. Кроме того, в традиционных  машинах параллелизм выявляется человеком или процессором на небольшом участке программы, в лучшем случае в десяток команд. Поэтому средний параллелизм выполнения скалярных операций для машин архитектуры ОКОД, таких, например, как суперЭВМ «Эльбрус-2», не превышает 2 — 3, а для векторных конвейерных машин типа Cray он не более 10.

            Основным звеном, сдерживающим производительность машины потока данных, является ассоциативная память (АП). АП выполняет несколько команд в зависимости от кода операции. Ключом поиска — дескриптором — является код, состоящий из номера команды, индекса, итераций и активации. При реализации памяти на интегральных схемах БИК-МОП-структуры с разрешающей способностью технологического процесса 0,7 мкм период темпа работы не превышает 10 нс. Модуль такого порядка можно  реализовать объемом в 32 тыс. ключей. Из ста модулей такой памяти можно получить достаточный объем ассоциативной памяти— более 3¹⁰ слов. С таким темпом могут справиться два — четыре  транспьютера, в каждом из которых могут обрабатываться два пакета одновременно в конвейерном режиме. Четыре коммутатора обеспечат необходимый темп работы.

2.2.2. Производительность вычислительных систем и ее оценка

            Для повышения производительности многопроцессорной вычислительной системы (ВС) с массовым параллелизмом необходимо иметь возможность программировать в структуре универсальной многопроцессорной ВС архитектуру виртуальной проблемно ориентированной ВС, соответствующей решаемой задаче. Причем программирование архитектуры виртуального компьютера должно выполняться с таким расчетом, чтобы степень адекватности его архитектуры А структуре решаемой задачи была близка к единице (А = 1), коэффициент согласованности параллельно работающих процессоров L был близок к единице (L = 1) и коэффициент обменов D был минимальным, что достигается за счет максимального сближения структур графов решаемой задачи G* и ее компьютерной модели G.

            На рис. 2.3 приведена фрейм-архитектура параллельной много процессорной ВС (суперкомпьютера с массовым параллелизмом), основанная на аппаратно-программных подсистемах, которые дают

пользователю возможность как до начала решения задачи, так и в процессе ее решения быстро программировать и настраивать архитектуру ВС с целью получения виртуальной архитектуры, адекватной структуре решаемой задачи.

            Параллельная многопроцессорная ВС с программируемой архитектурой отличается следующим: обеспечивает производительность, близкую к пиковой, на любом классе решаемых задач;

            дает возможность программировать архитектуру, включая прямые каналы коммуникаций, наборы макро операций, внутренний язык высокого уровня и структуру распределенной памяти;

            обеспечивает практически линейный рост производительности пропорционально числу параллельно функционирующих супер транспьютеров;

            может работать как в режиме решения одной сложной задачи с использованием всех вычислительных ресурсов, так и в режиме разделения аппаратных ресурсов между несколькими пользователями;

            обеспечивает за счет модульной конструкции масштабируемость суперкомпьютера.

            Реальная производительность Q многопроцессорной ВС существенно зависит от коэффициентов А, D, L, общего числа процессоров N и числа процессоров n, используемых в ВС для моделирования системы, а также от производительности каждого процессора q:

            Реальная производительность ВС растет с увеличением и, А, L и с уменьшением D. Наибольшая производительность ВС до производительности от числа достигается в случае, когда для решения задачи используются все процессоры (n = N), степень адекватности максимальна (А = 1), согласованность процессоров максимальна (L = 1) и операции обмена между процессорами ВС отсутствуют (D = 0). При этом достигается пиковая производительность ВС Q_p = qN, которая растет линейно в зависимости от числа процессоров N. Если коэффициент адекватности А < 1 и коэффициент L < 1, а коэффициент обменов между процессорами достаточно высок (D > 0), реальная производительность Q является нелинейной функцией числа процессоров N.

            На рис. 2.4 представлены зависимости пиковой производительности о и реальной производительности Q от числа процессоров N в ВС и значений коэффициентов А, L и D при n = 1. Если степень адекватности А близка к единице, реальная производительность Q растет достаточно быстро с увеличением числа процессоров N, но замедляет свой рост и даже уменьшается с увеличением объема операций обменов D и с уменьшением коэффициента согласованности L. В том же случае, когда степень адекватности существенно меньше единицы (А «1), реальная производительность Q при росте числа процессоров N быстро достигает максимума, а затем начинает уменьшаться. При больших значениях D и малых значениях L максимум производительности Q достигается при малом числе процессоров N, а при дальнейшем росте N реальная производительность многопроцессорной ВС быстро уменьшается.

2.2.3. Производительность и пропускная способность ИВС

            Одним из основных свойств сетей ЭВМ является потенциально высокая производительность, обеспечиваемая возможностью распараллеливания вычислительного процесса между несколькими компьютерами ВС сети. Эту возможность не всегда удается реализовать, и загрузка вычислительных мощностей получается далеко не всегда полной.

            Производительность ИВС, иначе называемая вычислительной мощностью, определяется тремя характеристиками:

            временем реакции сети на запрос пользователя;

            пропускной способностью сети; задержкой передачи.

            Время реакции сети t_{реак.ЗП} определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя (ЗП) к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос. Оно складывается из следующих составляющих:

            времени подготовки запроса на компьютере пользователя t_{подг. ЗП;}

            времени передачи запроса через сегменты сети и промежуточное телекоммуникационное оборудование от пользователя к узлу сети, ответственному за его исполнение t_{перед.ЗП;}

            времени выполнения (обработки) запроса в этом узле t_вып.ЗП;

            времени передачи пользователю ответа на запрос t_{перед.отв;}

времени обработки полученного от сервера ответа на компьютере пользователя t_{обраб.отв.}

Таким образом,

            Время реакции зависит от типа службы, к которой обращается пользователь, от того, какой пользователь и к какому узлу обращается, а также от состояния элементов сети на данный момент, а именно: от загруженности сервера и сегментов, коммутаторов и маршрутизаторов, через которые проходит запрос, и др. Поэтому на практике используется оценка времени реакции сети, усредненная по пользователям, серверам, времени суток, от которого зависит загрузка сети. Эти сетевые составляющие времени реакции дают возможность оценить производительность отдельных элементов сети и выявить «узкие» места с целью модернизации сети для повышения общей производительности.

            Значительную часть времени реакции составляет время передачи информации по телекоммуникациям сети, от длительности которого и зависит пропускная способность. Пропускная способность определяет скорость выполнения внутренних операций сети по передаче пакетов данных между узлами сети через коммутационные устройства и характеризует качество выполнения одной из основных функций сети — транспортировки сообщений. По этой причине при анализе производительности сети эта характеристика чаще используется, чем время реакции.

            Пропускная способность, называемая в некоторых литературных источниках скоростью передачи данных, измеряется в бодах либо в пакетах в секунду и характеризует эффективность передачи данных. Например, скорость передачи данных по кабельным линиям связи ЛВС — от 10 Мбит/с, по телефонным каналам связи глобальных сетей — всего 1200 бит/с.

            Используются три понятия пропускной способности — средняя, мгновенная и максимальная. Средняя пропускная способность вычисляется делением объема переданных данных на время их передачи за длительный интервал времени (час, день, неделя). Мгновенная пропускная способность — средняя пропускная способность за очень маленький интервал (10 мс или 1 с). Максимальная пропускная способность — это наибольшая мгновенная пропускная способность, зафиксированная за время наблюдения.

            Средняя пропускная способность отдельного элемента или всей сети позволяет оценить работу сети за большой промежуток времени, в течение которого пики и спады интенсивности трафика компенсируют друг друга. С целью повышения пропускной способности сети ЭВМ применяется метод конвейерной обработки информации, при котором команды и/или данные, заранее выбранные из общей памяти («опережающая выборка»), размещаются в промежуточном запоминающем устройстве (ЗУ) — кэш-памяти (от cach — карман). Кэш-память (или просто кэш) — быстродействующее ЗУ в одном кристалле с микропроцессором либо внешнее по отношению к нему, представляет собой высокоскоростной буфер между процессором и низкоскоростной внешней памятью (ВЗУ). Емкость кэш-памяти, например, у процессора типа Ridge System 32 равна 4 Кбайт, или сокращенно 4К, а время доступа к ней t_дост = 120 нс.

            В кэше помимо команд и данных размещают и командные циклы с водящими в них командами переходов. Это позволяет избегать большого числа циклов ожидания при работе с памятью через системную шину, что характерно для сетей ЭВМ.

            Обращение к памяти считается удачным, если необходимая информация уже находится в кэше. При емкости кэша 4К и длине строки 4 байта вероятность удачного обращения Р_удач= 80%, при удвоении строки Р_удач= 85%, при следующем удвоении длины строки кэша Р_удач повышается лишь до 87%.

            Полная производительность памяти зависит от среднего времени доступа к памяти t_дост.cр, которое определяется временем доступа к кэшу t_{дост.кэш}, вероятностью удачных обращений Р_удач и временем обращения к основной памяти, происходящего при неудачном обращении к кэшу:

            Пример 2.2. Рассчитать среднее время доступа процессора с кэш-памятью при вероятности удачных обращений 80%, времени доступа к кэш-памяти 120 нс, вероятности обращения к основной памяти 20 % и времени доступа к ней 600 нс.

            Применение кэш-памяти высвобождает часть пропускной способности, что будет показано в примере 2.3.

            Пропускная способность сети обозначается W (иногда С) и измеряется в мегабайтах в секунду (Мбайт/с) либо в бодах:

где K — коэффициент использования шины; С_n— объем пересылаемой информации, байт; Т_ц — длительность цикла, с; n — число циклов на одну пересылку.

            Пример 2.3. При каждом обращении к памяти пересыпаются 4 байта, на что затрачивается 3 синхроцикла длительностью 60 нс. У микропроцессора без кэша К = 82%, а у микропроцессора МС68020 фирмы Моторола, содержащего кэш, К= 65 % за счет того, что Р_удач= 100%. Рассчитать необходимую пропускную способность системной шины в том и другом случае.

            Решение. W_{без кэш} = 0,82 4/(60∙10^-9∙ 3) = 18,22∙ 10⁶ байт/с = = 18,22 Мбайт/с;

            W_{с кэш} = 0,65∙4/(60∙10^-9∙ 3) = 14,44∙ 10⁶ байт/с = 14,44 Мбайт/с.

            Высвобожденная благодаря наличию кэш-памяти часть пропускной

способности шины может быть использована процессором или другим устройством системы.

            По значению максимальной пропускной способности можно оценить возможность сети справляться с пиковыми нагрузками, например, утром, когда производятся регистрация пользователей сети и обращение к разделяемым файлам и базам данных. Связь между максимально возможной пропускной способностью и полосой пропускания линии вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон:

где С — максимально возможная пропускная способность линии, бит/с; F — ширина полосы пропускания линии, Гц; P_с — мощность сигнала; P_ш — мощность шума.

            Подробно о ширине полосы пропускания линии связи говорится в гл. 4 и 5.

            Максимально возможную пропускную способность линии связи без учета шума можно определить и по формуле, полученной Найквистом:

где М — число различимых состояний информационного параметра. Отсюда следует, что если сигнал может иметь два состояния (О и 1), то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи.

            Пример 2.4. Соотношение между мощностями сигнала и шума равно 100, что типично для линий связи. Мощность передатчика увеличили вдвое. На сколько увеличится максимально возможная полоса пропускания?

            Решение. Применим формулу Шеннона (2.1). Будем считать, что первоначально множитель log₂(1 + 100) соответствует 100 %. После увеличения Р_c вдвое log₂(1 + 200) соответствует 115%. Это означает, что из-за логарифмической зависимости от отношения сигнал/шум пропускная способность увеличится всего на 15%.

            Пропускная способность может измеряться между двумя узлами или точками сети, например между компьютером пользователя и сервером, между входным и выходным портами маршрутизатора. Общая пропускная способность любого составного пути сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов маршрута, поскольку пакеты передаются различными элементами сети последовательно. Поэтому для повышения пропускной способности составного пути необходимо выявить самые медленные элементы. Обычно это маршрутизатор, так как если средняя интенсивность передаваемого по составному пути трафика будет превосходить среднюю пропускную способность самого медленного элемента пути, очередь пакетов к этому элементу будет нарастать, пока не заполнится буферная память элемента, после чего пакеты будут отбрасываться и теряться. Общая пропускная способность сети характеризует качество сети в целом и определяется как среднее количество информации, переданной между всеми узлами сети в единицу времени.

            Задержка передачи — это задержка между моментом поступления пакета на вход какого-нибудь сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе данного устройства. Эта характеристика производительности отличается от времени реакции сети тем, что включает в себя только время этапов сетевой обработки данных без учета задержек обработки данных компьютерами сети. Практически задержка не превышает сотен миллисекунд, реже — нескольких секунд, и не влияет на качество файловой службы, служб электронной почты и печати с точки зрения пользователя. Однако такие задержки пакетов, переносящих изображение или речь, приводят к снижению качества предоставляемой пользователю информации из-за возникновения дрожания изображения, эффекта эха, неразборчивости слов и т.п.

            Задержка передачи и пропускная способность являются независимыми характеристиками, поэтому несмотря на высокую пропускную способность сеть может вносить значительные задержки при передаче каждого пакета.

            Пример 2.5. Канал связи образован геостационарным спутником на высоте h = 36 000 км. Определить задержку передачи t_зад.

            Решение. Скорость распространения сигнала равна скорости распространения радиоволн v = 300 000 км/с. Расстояние, которое проходит сигнал, равно удвоенной высоте спутника, т.е. 2 h. Отсюда t_зад = 2h/v = = 72000 км/300000 км/с = 0,24 с.

            Отметим, что пропускная способность рассматриваемого канала может быть весьма высокой, например 2 Мбит/с.

            Пример 2.6. Оценить и сравнить задержки в передаче данных в сетях с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов. Объем тестового сообщения С = 200 Кбайт, расстояние между отправителем и получателем l = 5000 км. Пропускная способность линии связи W= 2 Мбит/с. Скорость распространения сигнала v = 200 000 км/с. Путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов, каждый из которых вносит задержку коммутации t_{зад.ком}= 20 мс (рис. 2.5). (Эта задержка у реальных коммутаторов может иметь большой разброс — от долей до тысяч миллисекунд.) Исходное сообщение разбивается на пакеты объемом С_пак = 1 Кбайт (всего 200 пакетов). Доля служебной информации, расположенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10%. Интервал между отправкой пакетов t_м.пак= 1 мс.

            Решение. В сети с коммутацией каналов время задержки передачи данных t_зад.к.к  складывается из времени распространения сигнала t_распр и времени передачи сообщения по сети t_перед:

            В такой же сети, но с коммутацией пакетов, при передаче этого же сообщения возникает задержка в исходном узле сети, связанная с передачей заголовков пакетов:

            Потери времени в исходном узле за счет интервалов между пакетами

            Всего в исходном узле из-за пакетирования сообщения возникает задержка

            Помимо того, возникает задержка, вносимая десятью коммутаторами:

Задержка буферизации пакета при прохождении информации через коммутатор:

            Таким образом, задержка, вносимая десятью коммутаторами на буферизацию t_буф, составит 40 мс.

            Общая задержка на коммутаторах

            t_ком= t_10ком+t_буф = 200 мс + 40 мс = 240 мс.

            В результате дополнительная задержка в сети, созданная коммутацией пакетов:

            t_зад.к.п = t_исх.уз + t_ком = 280 мс + 240 мс = 520 мс.

            Эта дополнительная задержка соизмерима с временем задержки передачи данных в сети с коммутацией каналов t_зад.к.к= 825 мс и может считаться существенной.

2.2.4. Методы повышения производительности ИВС

            Путь повышения производительности компьютеров увеличением быстродействия элементной базы — интегральных микросхем — практически исчерпал свои возможности, натолкнувшись на теоретический предел 10⁹...10¹⁰ опер./с. Дальнейшее продвижение в этом направлении требует открытия новых физических принципов обработки информации. Второй путь, в основе которого лежит распараллеливание процесса обработки информации на всех уровнях решения задачи, широко использовался на всех этапах развития вычислительных средств.

            К методам распараллеливания относятся:

            переход от последовательного счета к параллельному;

            параллельная работа основных устройств ЭВМ;

            введение пакетного режима работы и режима разделения времени;

            мультиплексный режим обработки данных;

            конвейерный режим;

            многопроцессорные (см. рис. 2.2) и многомашинные комплексы;

            режим управления потоками данных и др.

            Второй путь не исчерпал себя и должен получить дальнейшее успешное развитие в перспективных ЭВМ и особенно в суперЭВМ.

            Производительность компьютера как элемента ИВС может быть повышена за счет освобождения его от функций управления сложной сетью (на что, согласно статистике, затрачивается до 75 % его времени), путем введения в сеть связных процессоров. Целесообразность применения связного процессора совместно с высокопроизводительной основной ЭВМ очевидна, поскольку управление сложной системой телеобработки данных, а тем более сетью, требует обработки большого числа обращений в режиме реального времени, что связано с прерыванием вычислений и обработкой этих прерываний. Связной процессор выполняет почти все функции управления сетью, высвобождая дорогостоящее время основной ЭВМ.

            В настоящее время используются следующие способы повышения производительности при создании ЛВС:

            применение высокоскоростных технологий передачи данных;

            сегментация структуры сети;

            применение технологии коммутации кадров.

            Технология передачи данных Ethernet 10Base обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с. Современные высокоскоростные технологии, например, Fast Ethernet 100Base и Gigabit Ethernet 1000Base позволяют при применении хороших каналов связи повысить скорость передачи соответственно в 100 и 1000 раз.

            Удаление из трафика ненужных составляющих понижает его интенсивность и благоприятствует передаче действительно важной информации, чем повышает производительность сети. В сети выделяются группы пользователей, более интенсивно обменивающихся данными, решающих однородные задачи. Разместив разные рабочие группы в отдельных сегментах сети, можно увеличить производительность сети.             Сегментация может быть осуществлена путем установки мостов, коммутаторов и маршрутизаторов, тогда интенсивный обмен будет проходить внутри одного сегмента, интенсивность межсегментного трафика уменьшится и количество коллизий в сети снизится.

            Совместное применение в сегментированной ЛВС коммутаторов, маршрутизаторов технологии коммутации кадров (пакетов) снижает интенсивность внутрисегментного трафика. Интеллектуальные коммутаторы и маршрутизаторы определяют порт назначения кадра на основании адреса, включенного в кадр, и посылают его, не дублируя по всем направлениям, а лишь в нужный сегмент.

            Повышение производительности корпоративных и территориальных сетей достигается применением технологии Frame Relay (FR). В сетях FR протокол обмена канального уровня LAP-F, описывающий взаимодействие соседних узлов, имеет два режима: основной и управляющий. В основном режиме кадры передаются без преобразования и контроля, как в обычных коммутаторах, чем достигается высокая производительность, тем более, что не требуется подтверждения передачи.

            Существенный вклад в повышение производительности корпоративных сетевых технологий вносит сетевая операционная система. Лидирующее место занимает высокопроизводительная, защищенная и надежная ОС Windows Server 2000, применяемая в качестве интегрированной платформы для корпоративных информационных сетей любого масштаба. В качестве сервера ОС использует сервер баз данных Microsoft SQL Server (Structured Query Language — язык структурированных запросов), обеспечивающий более высокую производительность по сравнению с другими типами серверов системы — сервером электронной почты Microsoft Exchenge Server и сервером удаленного доступа Remote Access Server.

2.3. Эффективность сети ЭВМ и системы телекоммуникаций

2.3.1. Эффективность неоднородной сети ЭВМ

Для решения больших задач, характеризующихся многообразием форм и уровней параллелизма, высокопроизводительные вычислительные системы класса суперЭВМ объединяют в единый комплекс путем построения локальных сетей с помощью различных стандартных каналов. При этом основными факторами, ограничивающими производительность комплекса, являются потери на неэффективный обмен между подсистемами и простои части оборудования из-за неоптимального распределения работ. Эта не оптимальность возникает в результате несоответствия форм параллелизма программных и аппаратных средств и неадекватного динамического планирования.

            Решением указанных проблем может быть построение вычислительной сети из сильно связанных вычислительных модулей и устройств, каждое из которых имеет свою форму параллелизма, при одновременном согласовании форм параллелизма прикладных задач и аппаратных средств и улучшении статического и динамического планирования суперсистемы в целом. Для обеспечения этих условий в сеть следует включить аппаратно-программную подсистему, выполняющую анализ, подготовку и распределение работ между вычислительными подсистемами.

            ИВС может включать от одной до восьми основных ЭВМ, каждая из которых содержит уни процессор и мультипроцессор из 8 ... 512 микропроцессоров. Считая, что длительность такта уни процессора равна 4 нс, производительность уни процессора можно оценить в 16 ... 128 ГФлоПС. При производительности микропроцессора 300 МФлоПС производительность мультипроцессора составит 2,4... 153,6 ГФлоПС.

            На перспективной элементной базе производительность одного мультипроцессора может составить 8 ТФлоПС, одного унипроцессора — 4 ТФлоПС, одной ЭВМ — 12 ТФлоПС, а всей вычислительной сети — до 100 ТФлоПС.

2.3.2. Критерий эффективности Т-системы

            Оценка эффективности телекоммуникационных систем (Т-систем) должна охватывать все стороны деятельности компонентов системы на всех этапах ее создания и развития и иметь конкретное выражение в единицах системных величин. Разнородный контингент пользователей, составляющий социально-финансовую базу Т-системы (государственные структуры и ведомства, банковские и биржевые структуры), должен оплатить как ее создание, так и услуги. Это реально только в том случае, если полезность Т-системы для пользователей будет адекватной и достаточной. Учитывая разнообразие состава, требований и возможностей потенциальных пользователей, это достижимо только при условии, что Т-система будет обладать соответствующими свойствами и ресурсами.

            Критерий эффективности Э основан на главном понятии экономики и социологии «капитал». Современные определения капитала ограничиваются констатацией факта: капитал — это стоимость, приносящая дополнительную стоимость (деньги). Это определение выбрано как рабочий инструмент для оценки эффективности Т-системы. Критерий эффективности учитывает ряд особенностей, присущих системам телекоммуникаций России.

            1. Т-система накладывается на действующие сети связи — общегражданские и ведомственные.

             2. Действующая общая сеть связи изначально дотационная, ее технический уровень и возможности низки, а повышение тарифов с целью замены оборудования и развития (масштабирования) вызовет ответную реакцию —отказ от услуг и перегрузку ведомственных сетей. В то же время путь ведомственной дифференциации и автономизации телекоммуникаций (отдельно для силовых структур, транспорта, топливно-энергетического комплекса, госструктур) потребует больших ресурсов при низкой отдаче, т.е. приведет к снижению эффективности. Единственный реальный путь — привлечение коммерческих кредитов и инвестиций. Это возможно только при условии, что Т-система будет приносить доход и даст вкладчикам оправдывающий выигрыш, а вклады вместе с процентами будут возвращены в приемлемые сроки.

            3. Т-система России должна быть интегрирована в мировую;

систему, для этого она не должна уступать ей в техническом совершенстве и социальных возможностях.

            4. Расходная часть включает: расходы на техническую эксплуатацию, зарплату персоналу, налоги и нормативные отчисления, уплату процентов за инвестиции и кредиты; расходы на расширение Т-системы, возвращение вкладов инвесторам и кредиторам.

            5. Начиная с некоторого этапа Т-система становится прибыльной, часть прибыли направляется на дальнейшее развитие системы. Кредиты должны поступать и после создания стартового капитала

до тех пор, пока прибыль не станет достаточной, чтобы прекратить кредитование и возвратить долги.

            Обосновать критерий эффективности и способ ее оценки, удовлетворяющие перечисленным свойствам системы, весьма непросто, поскольку приходится преодолевать ряд различных препятствий в каждом конкретном случае. Процесс создания и действия Т-системы можно представить в виде цепочки, приведенной на рис. 2.6. Этот процесс циклически повторяется до замены системы. Цепочку можно упростить, как показано на рис. 2.7. Эта замкнутая цепочка отражает обратную связь в процессе создания и эксплуатации системы. Позиции 1, 2 — социальные, 3 — экономическая, 4, 5 — технические. Для оценки эффективности в принципе может быть использована каждая из пяти позиций. Рассмотрим подробнее позицию 4, так как она отражает все остальные, причем знания о содержании остальных позиций и оценки их эффективности не требуются.

             Развивающаяся Т-система состоит из материальных и интеллектуальных средств: зданий, сооружений, технического оснащения, программ. В совокупности все это и создает соответствующий . комплекс услуг. В любой момент времени можно установить состав системы и определить состав и качество реализуемых ею услуг. Система имеет цену, иначе говоря, капитал, размер которого К отражает технический уровень системы и ее экономику. От капитала зависят уровень и рост потребностей П, спрос и его увеличение С, финансирование Ф. Рост капитала выражается скалярной функцией времени:

К=К(П, С, Ф).

            Обычно К измеряется и вычисляется непосредственно, знания П, С, Ф не потребуется, нужно только знать состав действующей или проектируемой системы.

            Возможность развития системы определяется ростом капитала, что и приводит к увеличению услуг, затрат, стимулированию потребностей и росту спроса. Увеличение К в n раз отражает развитие системы. При n = 1 имеем критерий самоокупаемости: капитал определяется вложенными ресурсами (после оплаты долгов); это критерий для плановой экономики.

            При n = 2 (темп удвоения капитала) получаем критерий для рыночной экономики. Критерий «темп удвоения капитала» может быть как прогнозным (тогда он вычисляется путем математического моделирования), так и оперативным (тогда капитал непосредственно измеряется).

            Для Т-систем как одинарного, так и двойного применения, в качестве критерия оценки эффективности системы для владельца можно выбрать любое значение n, но n = 2 (темп удвоения капитала) наиболее удобен. Критерий применим к каждому подциклу жизненного цикла, подциклы создают свой «капитал» — материальный и интеллектуальный. Входные данные модели соответствуют компоненту «потребность» структурной цепочки, выходные данные — эффекту G; с учетом затрат на подцикл определяется его «капитал». Основой модели здесь является структурно-функциональная схема жизненного цикла.

2.3.3. Оценка эффективности Т-системы

            Критерий «темп удвоения капитала» позволяет от начала разработки и творческого замысла до конца завершения жизненного цикла системы, используя оценку эффективности, целенаправленно направлять усилия на создание и развитие системы, поддержание ее работоспособности. Жизненный цикл завершается, когда система перестает приносить прибыль: темп удвоения равен нулю, период удвоения уходит в бесконечность. Тогда систему нужно заменять другой, более совершенной в смысле удовлетворения потребностей и, следовательно, приносящей прибыль.

            На основании этого критерия можно оценивать не только стратегические, но и любые оперативные решения: стоит ли разрабатывать свою технику или лучше закупить наилучшую зарубежную; готовить ли кадры самим или заказывать программы подготовки в учебных заведениях, инвестируя их; как устанавливать приоритеты; как формировать тарифы; какие и на какой период вводить льготы; в каком направлении развивать состав услуг; как определить, справляется ли руководство корпорации со своими функциями; целесообразно ли интегрироваться с ведомственными системами телекоммуникации; принимать ли инвестиции или брать кредиты и т.д. Оценка эффективности по критерию «темп удвоения капитала» действует как стимул, на ее основании можно принимать решения как на один день, даже на один час (например, допустима ли часовая профилактика с выключением системы?), так и на десятилетия (строить новую трассу телекоммуникации световодной или ограничиться кабельной?).

          Одним из важнейших свойств рассматриваемого критерия эффективности является его универсальность, единство критерия для всех изделий, подсистем и системы в целом, для каждого рабочего, инженера, должностного лица и всего персонала. Сотрудник должен приносить прибыль, в системотехнике это называется «доброжелательной эксплуатацией». Коммерческая оценка полезности по критерию эффективности соответствует реальности и выражается через прибыль П, иными словами эффективность Э и полезность в коммерческом смысле тождественны, хотя по содержанию они отличаются: полезность — тактическая оценка, строго ситуационная, эффективность — оперативно-стратегическая оценка. В дифференциальной форме Э(t) — это оперативная оценка, в интегральной форме Э(0, Т) — стратегическая (Т — время передачи информации, время создания системы и др.). Необходимы обе формы, так как приходится принимать как оперативные управленческие, так и стратегические решения; иначе может оказаться, например, что в погоне за текущей прибылью будет утеряна перспектива развития системы. Поэтому серьезные решения должны опираться на распределение эффективности во времени, прогнозируемое на определенный обозримый период.

            Прибыль есть разность между доходной и расходной частью бюджета системы, обе части монотонны и зависят от соотношения между качеством обслуживания и темпом развития. Эти факторы альтернативны. Действительно, на коротком интервале и при ограниченном капитале максимальную. прибыль дает вклад капитала в сферу обслуживания, на достаточно длинном же интервале выгоднее (эффективнее) отвлечь часть капитала на развитие. Весь вопрос стратегической эффективности в оптимальном определении этой части и в направлении ее использования. Это не означает характерную для коммерческих систем погоню за максимумом прогнозной стратегической эффективности, выражаемой формулой

            Необходимо одновременно обеспечить выполнение ограничения

иначе коммерческая система может разрушиться (обанкротиться). Здесь Э^* — эффективность системы без отвлечения части капитала на вклад в совершенствование Т-системы.

            Теория эффективности предлагает два пути оценки значения критерия, удовлетворяющего рассмотренным требованиям и свойствам. При первом пути вводятся показатели качества Q — совокупность положительных (с позиции подсистемы, пользователей, владельца) свойств системы. Отрицательное свойство может быть заменено на обратное ему положительное. Показатели качества являются системными инвариантами, функционально независимыми и имеющими различные размерности. Это неупорядоченное дискретное множество:

где i — множество всех переменных, от которых зависит эффективность. Q_i определены на различных измеримых множествах, каждый из показателей качества — упорядоченное множество (непрерывное, дискретное, булево):

            Качество системы есть частично упорядоченное множество показателей качества компонентов сети Q_k:

где f_i — отображение прямого (декартова) произведения U ×Q, а U — упорядочивающее множество, т.е. множество, вносящее в заданное неупорядоченное множество отношение порядка.

            Эффект G есть упорядоченное множество:

где ψ — отображение; Т — множество моментов времени (вполне упорядоченное множество).

            Эффективность есть вполне упорядоченное множество

где f_i — отображения; Н, Н₁ — упорядочивающие множества; W ресурс, израсходованный на интервале Т.

            Единицы измерения введенных величин определяют исходя из назначения и свойств системы, на что и ориентирован первый путь, в сущности ситуационный.

            Второй путь ориентирован на целенаправленность и перспективу: критерий эффективности вводится как положительное упорядоченное множество — на основе целевой функции системы и к сферы ее применения. Затем вводятся одно или несколько промежуточных множеств, взаимно отображаемых и вполне упорядоченных. В эти множества осуществляется сжатое отображение свойств и параметров системы. Для свойств, не имеющих принятых единиц измерения, вводятся условные топологические шкалы. В результате последовательного отображения свойства характеризуются (совместно) эффективностью по установленному критерию. Достоинством этого варианта является то, что применение упорядочивающих множеств исключается.

            Наиболее рационально совместно использовать оба пути, ситуационно их комбинируя на основании отечественного и мирового опыта создания, развития и эксплуатации Т-систем. Промежуточные множества вводят поэтапно в соответствии с развитием системы (следуя второму пути), показатели качества и упорядочивающие множества вводят с учетом принятого критерия и тоже поэтапно (следуя первому пути). Такое сочетание позволяет сохранить критерий эффективности в течение всего жизненного цикла системы и учесть все неизбежно изменяющиеся свойства системы и социума.

            Пример 2.7. Рассмотрим результаты оценки эффективности телекоммуникационных систем «Росуником». В полном объеме оценить Э Т-систем (включая базовый комплекс) невозможно ввиду нестабильности экономической обстановки. Отдельные объекты с учетом проектной загрузки имеют следующую прогнозную эффективность (разбросы региональные и зависят от последовательности ввода объектов):

            спутниковые линии — 0,33...0,2 год^-1 (период удвоения капитала 3...5 лет);

            волоконно-оптические линии — 0,2 ...0,1 год^-1 (период удвоения капитала 5...10 лет);

            сотовая радиосвязь — 0,5...0,33 год^-1 (период удвоения капитала 2...3 года);

            коммутационные узлы — 0,25 ... 0,17 год^-1 (период удвоения капитала 4...6 лет);

            телепорты — 0,17 ...0,1 год^-1 (период удвоения капитала 6... 10 лет);

            абонентские комплекты пользователей — 1... 0,5 год^-1 (период удвоения капитала 1... 2 года).

            Эти оценки коммерческие и не учитывают положительных социальных последствий, связанных с повышением производительности общественного труда.

2.4. Надежность информационно-вычислительных систем и сетей

2.4.1. Показатели надежности

            Надежность — свойство программной организации структуры системы и функционального взаимодействия между ее ресурсами, при которых обеспечивается безотказное функционирование системы в течение заданного времени при сохранении заданных параметров аппаратуры передачи данных и собственно ЭВМ (ГОСТ 27.003 — 83).

            Отказ — это такое нарушение работоспособности, когда для ее восстановления требуются определенные действия обслуживающего персонала по ремонту, замене и регулировке неисправного элемента, узла, устройства, ЭВМ. С надежностью взаимосвязано понятие живучесть — способность программной настройки . структуры и организации функционального взаимодействия между ее компонентами, при которых отказы или восстановления любых элементарных машин не нарушают процесса выполнения параллельных программ сложных задач, а увеличивают или уменьшают время их реализации. Под элементарной машиной понимается ЭВМ, дополненная системным устройством.

            Для характеристики качества функционирования ВС в теории надежности разработаны набор интервальных, интегральных и точечных показателей надежности, а также методы их расчета. Показатели надежности имеют вероятностный характер и основываются на значениях л-характеристик — интенсивностей отказов составляющих систему элементов.

            Невосстанавливаемые системы (например, бортовые ЭВМ ракет), поведение которых существенно лишь до первого отказа, характеризуются следующими количественными показателями надежности: интенсивность отказов λ(t); частота отказов f(t); вероятность безотказной работы Р(t); вероятность отказа Q(t); наработка до отказа Т_ο.

            Интенсивность отказов λ (t) — один из наиболее удобных количественных показателей надежности изделий электроники, к которым относятся аппаратные средства ЭВМ и систем. Изменение λ (t) во времени у большинства изделий электронной техники имеет существенно нелинейный характер (рис. 2.8), тем не менее на большом по времени участке работы интенсивность отказов изделия обычно мало изменяется и принимается в практических расчетах постоянной. Значения λ -характеристик для элементов ЭВМ берут из их технической документации и стандартов либо получают путем сбора статистики отказов при проведении испытаний или во время эксплуатации.

            λ -характеристика, оставаясь постоянной во времени на основном участке работы, существенно зависит от условий эксплуатации

— климатических, механических и радиационных воздействий, нестабильности источников питания и электрической нагрузки и т.п. Таким образом,

где λ₀ — интенсивность отказов изделия при нормальных (лабораторных) условиях эксплуатации; а_i — поправочный коэффициент i-го эксплуатационного фактора.

            Вероятность безотказной работы за время гарантированного срока службы персональной ЭВМ равна 0,999. Увеличение числа взаимодействующих компьютеров снижает показатели надежности, и система на десяти однотипных компьютерах может обеспечить вероятность безотказной работы, равную лишь 0,99.

            На практике часто используется интегральная характеристика надежности наработка до отказа Т_o (иначе — наработка на отказ, время до возникновения первого отказа, mean time between failure— среднее время между отказами). Она представляет собой математическое ожидание случайного момента времени τ, в который происходит отказ (ГОСТ 27.410 — 83), т.е.

            Иногда время наработки обозначается Т_Н и под ним подразумевается среднее значение длительности непрерывной работы :, аппаратуры между двумя отказами:

где Т_i — время безотказной (исправной) работы между i-м и (i+ 1)-м отказами; n — общее число отказов за время сбора статистики отказов. На практике для аппаратуры передачи данных массового применения необходимо, чтобы время наработки на отказ составляло не менее 5000 ч.

            Восстанавливаемые системы, эксплуатация которых допускает многократный ремонт для устранения возникающих отказов, характеризуются следующими количественными показателями надежности: параметры потока отказов составляющих элементов ω(t) и потока восстановлений элементов μ(t); функция готовности K_r(t) коэффициент готовности K_r; среднее время работы между двумя отказами t_ср; среднее время восстановления t_в.

            Если в процессе функционирования невосстанавливаемого изделия возможен ремонт отдельных его элементов при сохранении работоспособности изделия в целом за счет резерва или если ожидаемая (потенциальная) надежность функционирования восстанавливаемого изделия оценивается в интервале времени до первого отказа восстанавливаемого изделия в целом, то такие изделия характеризуются следующими количественными показателями надежности: вероятность безотказной работы P(t); вероятность отказа Q(t); наработка до отказа Т_ο; параметры потока отказов составляющих элементов ω(t) и потока восстановлений элементов μ(t).

            Для восстанавливаемых систем точечный (локальный) показатель надежности параметр потока отказов составляющих элементов ω(t) — это удельная вероятность появления хотя бы одного отказа в единицу времени:

где П_ο(t) — поток отказов, т.е. последовательность отказов, наступающих в случайные моменты времени.

            Точечный (локальный) показатель надежности параметр потока восстановлений μ(t) — это удельная вероятность хотя бы одного восстановления в единицу времени:

где П_В(t) — поток восстановлений, т.е. последовательность восстановлений, наступающих в случайные моменты времени.

            В теории надежности наиболее важные для практики результаты получены для простейших потоков отказов (восстановлений). Простейший поток — это поток, при котором события потока удовлетворяют одновременно условиям стационарности, ординарности и отсутствия последействия.

            Для практических расчетов важна связь между параметром ω(t) восстанавливаемого изделия и λ(t) того же изделия, рассматриваемого как невосстанавливаемое, т.е. функционирующее до первого отказа. Известно, что

где f(t) = λ(t)Р(t) — частота отказов восстанавливаемого изделия. Решение этого дифференциального уравнения для простейшего потока отказов восстанавливаемого изделия дает ω(t) =λ(τ). Если на практике в большинстве случаев предполагается, что λ(t) = = λ = const, то ω(t) = λ, т.е. численно параметр потока отказов восстанавливаемого изделия равен интенсивности отказов соответствующего невосстанавливаемого изделия.

            На практике параметр потока восстановлений изделия находят так:

где Т_В — эмпирическое (опытное) значение среднего времени восстановления (ремонта) изделия бригадой обслуживания системы.

            Среднее время восстановления — это среднее время простоя, вызванного отысканием и устранением отказа.

2.4.2. Коэффициент готовности восстанавливаемой системы

            Точечный (локальный) показатель восстанавливаемого изделия функция готовности К_r(t) определяется как вероятность того, что в произвольный момент времени t изделие оказывается в работоспособном (исправном) состоянии:

где Р_i(t) и Р_j(t) — вероятности нахождения системы в момент времени t соответственно в i-м исправном и j-м отказовом состояниях; N+ 1 — общее число состояний изделия; k — число исправных состояний изделия.

            Предел функции готовности при t →∞ называется коэффициентом готовности K_r (ГОСТ 27.002 — 83). Он служит интегральным (комплексным) показателем надежности восстанавливаемого изделия:

            Для учета простоев, обусловленных техническим обслуживанием, а также времени, затраченного на ремонт за определенный период эксплуатации, применяется комплексный коэффициент технического использования

где Т_П— время простоя системы, обусловленное выполнением планового технического обслуживания и ремонта (время профилактики), пересчитанное на один отказ.

            Для пользователей коэффициент готовности в наибольшей степени выражает понятие надежности сложных информационных

систем.

            Для аппаратуры передачи данных массового применения необходимо, чтобы коэффициент готовности каналов передачи данных без резервирования находился в пределах 0,9 ... 0,98. Для аппаратуры передачи данных (АПД), применяемой в АСУ, K_r должен быть не менее 0,99, что означает примерно 3,5 сут простоя в год,

для некоторых специализированных ВС — не менее 0,9999 («четыре девятки»).     Классификация систем по уровню надежности приведена в табл. 2.1.

            Названия типов систем, употребляемые в зарубежной литературе, происходят от английских слов conventional — обычный; high — высокий, availability — пригодность; fault — неисправность, resilient — эластичный; tolerant — терпимый.

            Что касается надежности сети, то она чаще всего характеризуется средним временем наработки на отказ.

2.4.3. Обеспечение отказоустойчивости аппаратуры ИВС

            Сетевые операционные системы (ОС) обладают свойствами обеспечения отказоустойчивости благодаря применению аппаратных и программных средств. Наиболее развиты в этом отношении распространенные ОС локальных вычислительных сетей Microsoft LAN Manager 2.2 OS/2; IBM OS/2 LAN Server 3.0; версии Novell NetWare 2.2, 3.11, 4.0, SFT Ш 3.11 (System Fault Tolerance — система, устойчивая к ошибкам); LANtastic; UNIX; Banyan VINES 5.50 (VIrtual NEtworking Systems — глобальная сетевая ОС и сеть); Ваnуаn VINES for UNIX. Охарактеризуем кратко средства защиты данных от последствий отказов аппаратуры, применяемые в этих системах в разных сочетаниях.

            Дублирование файловой системы FAT (File Allocation Table— таблица размещения файлов). FAT является одним из самых чувствительных файлов на жестком диске, поэтому сетевая ОС хранит резервную копию FAT и в случае выхода из строя одной из копий использует уцелевшую копию, помечая поврежденные секторы испорченного файла и создавая новую копию в другом месте.

            Копирование при сбоях носителя. Жесткие диски обычно используются круглосуточно в течение всей недели, что приводит к возникновению на их поверхности дефектов, которые обнаруживаются системой. Размещение файлов на дефектных дорожках не допускается; файлы записываются в другой доступный сектор.

            Зеркальное отображение дисков (disk mirroring; от mirror — зеркало). Это дублирование информации на двух накопителях. Если один диск отказывает, выполняется автоматическое переключение на другой без потери данных и прерывания работы.

            В сети Интернет все происходящее в процессе передачи и обработки данных на одном компьютере дублируется на другом мощном компьютере. Таких машин-дублеров может быть несколько, так как в каждой стране свои требования. Если информация будет повреждена на одном из сайтов, теоретически ее можно будет восстановить, что потребует определенных временных и финансовых затрат.

            Дуплексированне дисков. Это дублирование аппаратуры контроллеров, блоков питания, кабелей и жестких дисков. Если какой-то из этих компонентов или даже половина указанной системы откажет, другая часть системы будет продолжать функционировать и работа сети не прервется.

            Дублирование файлов (file replication). Это режим дублирования на сервере выбранных администратором сети важных файлов через определенные промежутки времени.

            Отслеживание транзакций (transaction tracking). При вводе новой записи в базу данных в момент выхода из строя системы база может быть повреждена, что зачастую остается незамеченным. При применении отслеживания транзакций каждая совокупность операций по изменению базы данных рассматривается как одна транзакция, в результате чего сетевая ОС не обновляет базу данных до тех пор, пока транзакция не завершится.

            Наблюдение за работой UPS (Uninterruptible Power Supply— бесперебойный источник питания). Это процесс, при котором UPS посылает, обычно через порт RS-232С, сигналы серверу о переключении питания сервера на UPS.

            Сервер в свою очередь рассылает всем пользователям сообщение о том, что он закончит работу через N минут. По истечении этого времени, когда аккумуляторные батареи UPS достигают уровня истощения, сервер закрывает все файлы, записывает все, данные из оперативной памяти на диск и самостоятельно отключается.

            Автоматическое подключение (auto-reconnection). Это свойство автоматического восстановления связи с рабочими станциями после временной потери питания сервером.

            Восстановление и очистка удаленных файлов. Сетевые ОС предоставляют возможность восстановить удаленные с сервера файлы, а также очистить сервер (Purge) так, чтобы нельзя было, если это необходимо, файлы восстановить.

            Отказоустойчивость является важной, но не единственной частью обеспечения такого показателя качества, как безопасность сети, которая будет рассмотрена в под разд. 2.6.

2.5. Достоверность функционирования информационно-вычислительной системы

            Так как сеть представляет собой информационную систему, то с точки зрения потребителя более важной, чем надежность, характеристикой является достоверность ее результантной информации. Существуют технологии, обеспечивающие высокую достоверность функционирования системы даже при низкой надежности составляющих ее элементов, например введение избыточности путем резервирования аппаратуры и применения корректирующих (исправляющих) кодов, а также применение средств автоматического контроля передачи данных, средств автоматического контроля и диагностики и др. Поэтому можно сказать, что надежность ИВС — это не самоцель, а средство обеспечения достоверной информации на ее выходе.

            Достоверность функционирования информационно-вычислительной системы — свойство системы, обусловливающее безошибочность производимых ею передачи и преобразований данных и характеризуемое закономерностями появления ошибок из-за сбоев.

            Сбоем называют кратковременное самоустраняющееся нарушение нормального функционирования ЭВМ или ВС вследствие кратковременного воздействия на некоторый элемент (или элементы) внешних помех, из-за кратковременного нарушения контактов и т.п. После сбоя машина или система длительное время может работать нормально.

            Сбой сопровождается искажением данных, поэтому, если не устранить последствий сбоя, задача может оказаться неправильно решенной из-за искажений в данных, промежуточных результатах или в самой программе. Под достоверностью данных понимается их безошибочность, измеряемая вероятностью появления ошибок в данных. Недостоверность данных может не повлиять на объем данных, а может даже увеличить его в отличие от недостоверности информации, всегда уменьшающей ее количество.

            Достоверность функционирования ИВС полностью определяется и измеряется достоверностью ее результатной информации.

            Один из основных показателей достоверности информации— показатель корректируемости информационной системы Т_и т.е. среднее время исправления (коррекции) информации. Оно представляет собой математическое ожидание времени, затрачиваемого на идентификацию и исправление ошибки.

            Комплексными показателями достоверности информации являются коэффициенты информационной готовности и информационного технического использования.            Коэффициент информационной готовности К_ИГ — это вероятность того, что информационная система окажется способной к преобразованию информации в произвольный момент времени периода Т_раб, который планировался для этого преобразования, т.е. того, что в данный момент времени система не будет находиться в состоянии внепланового обслуживания, вызванного устранением отказа или идентификацией и коррекцией ошибки:

            Коэффициент информационного технического использования К_ти кроме параметров, от которых зависит К_иГ (T_раб, Т_в и Т_и), учитывает еще время контроля Т_к и время профилактического обслуживания Т_пф.

            Достоверность (верность) передачи данных количественно оценивается вероятностью ошибочного приема единичных элементов  и вероятностью кодовой комбинации

и вероятностью кодовой комбинации

где n_ош и N_ош — число ошибочно принятых соответственно единичных элементов и кодовых комбинаций; n и N_п — число переданных соответственно единичных элементов и кодовых комбинаций.

            На практике в связи с ограниченным числом n и N_п вместо вероятностей P_о и P_КК используют коэффициент ошибки по элементам К_о =n_ош /n коэффициент ошибки по кодовым комбинациям K_кк = N_ош/N_п.

            Коэффициент К_о нормируется для телефонных каналов рекомендацией V53 международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ). Его значения зависят от типа канала и скорости модуляции (табл. 2.2).

            Некоммутируемый канал, или выделенная линия, представляет собой отдельное постоянное соединение между двумя пунктами, которое осуществляется посредством телефонной разводки. Линия называется выделенной, поскольку соединение активно в

течение всех 24 ч в сутки и вычислительные процессы не соревнуются за полосу пропускания этой линии.

            Коэффициент ошибки по кодовым комбинациям К_KK независимо от типа канала и скорости передачи должен быть не более 1∙10^-6.

            С целью оценки совокупного влияния на работу системы рассмотренных выше отдельных показателей надежности и достоверности введен комплексный коэффициент эксплуатационной надежности (комплексный коэффициент использования)

где n, т, k — соответственно число отказов, сбоев и профилактических обслуживаний за рассматриваемый период; t_i — интервал времени работы системы между (i — 1)-м и i-м нарушениями функционирования системы из-за отказов или сбоев; τ_в.сr— время восстановления достоверности информации после r-го сбоя (время, потраченное на повторный пуск программы, части программы, команды и т.д.); τ_к— суммарное машинное время, затраченное в рассматриваемый период пользователями на контроль достоверности (из-за двойного просчета, контрольных вариантов и т.д.); τ_пфs — время, затраченное на s-е профилактическое обслуживание; τ_в.оj — время восстановления j-го отказа.

            Из приведенного выражения видно, что для сокращения потерь от сбоев и отказов, порождающих ошибки в передаваемых и обрабатываемых данных, надо предотвращать распространение ошибки в информационно-вычислительном процессе, так как в противном случае существенно усложнятся и удлинятся процедуры проверки правильности работы программы, определения и устранения искажений в программе, данных и промежуточных результатах. Для этого необходимо обнаруживать появление ошибки в выполняемых преобразованиях информации возможно ближе к моменту ее возникновения.

            Для указанной цели в ВС существует система автоматического контроля и диагностики, сочетающая программные и аппаратные средства. При появлении ошибки она немедленно приостанавливает работу ВС, производит диагностику характера ошибки с тем, чтобы в случае сбоя автоматически восстанавливались достоверность информации и выполнение программы и при этом был минимален повторяемый участок программы, а в случае отказа обслуживающий персонал извещался о необходимости ремонта. Наличие системы автоматического контроля и диагностики освобождает пользователя от забот о контроле достоверности и снижает связанные с этим временные потери (τ_к).

          Обнаружение ошибок должно вестись непрерывно и не должно заметно снижать быстродействие, поэтому эта функция возлагается на быстродействующие аппаратные средства контроля, позволяющие совместить во времени выполнение основных и контрольных операций. Для выполнения же коррекции ошибок и диагностики используются программные средства в виде корректирующих и диагностических программ.

            В приложении 8 приведены требования к специализированным компьютерам сети ЭВМ системы ПРО США с элементами космического базирования. Одно из основных требований предъявляется к показателю надежности — среднему времени наработки на отказ.

            Одним из способов проверки достоверности информации в информационных сетях является ее контроль. При контроле выявляется наличие или отсутствие ошибок в информации. При обнаружении ошибки принимаются меры для определения ее места (локализации) и идентификации (определения типа ошибки— одиночная или пакетная), а также для ее устранения (исправления, коррекции). Реализация помехоустойчивых кодов подробно освещена в гл. 6.

            Существуют разнообразные по назначению, способу реализации и степени выявления ошибок методы контроля достоверности информации, классификация которых и достигаемые ими цели подробно описаны в приложении 9.

2.6. Безопасность сетей

2.6.1. Методы управления безопасностью сетей

            Информационная безопасность сетей ЭВМ — одна из основных проблем XXI в., так как хищение, сознательное искажение и уничтожение информации могут привести к катастрофическим последствиям вплоть до человеческих жертв. Так, террористы, атаковавшие Всемирный торговый центр в Нью-Йорке и Пентагон в Вашингтоне в 2002 г. предварительно вывели из строя компьютерную систему управления безопасностью, тем самым разрушив систему информационного обеспечения безопасности США. Компьютерные коммерческие преступления приводят к потерям сотен миллионов долларов. Только в США за 1996 — 1999 гг. эти потери достигли 626 млн. долларов. Мировой годовой ущерб от несанкционированного доступа к информации составил в 1999 г. около 0,5 млрд. долларов. Ежегодно эта цифра увеличивается в полтора раза. Свыше 10 млрд. долларов составил ущерб, нанесенный вирусом «I love you», распространенным по электронной почте в 1999 г. К серьезным моральным потерям приводит хищение конфиденциальной информации.

            Безопасность (security) информационно-вычислительной системы — это ее способность защитить данные от не санкционированного доступа с целью ее раскрытия, изменения или разрушения, т.е. обеспечить конфиденциальность и целостность информации.

            Архитектура сети, включающая аппаратное обеспечение, является одним из факторов, влияющих на ее безопасность, т.е. некоторые виды сетей безопаснее других. Методы защиты сетей разного типа приведены в табл. 2.3.

2.6.2. Виды угроз информации

           В 2000 г. Совет безопасности РФ обсудил текст Доктрины информационной безопасности РФ, который затем был подписан Президентом РФ В.В. Путиным. С принятием этого документа получила более прочную основу информациология — наука об информации. Положения Доктрины отражают интересы России и соответствуют глобально-космическим проблемам человечества. В Доктрине в числе видов угроз информационной безопасности названы следующие:

            угрозы безопасности информационных и телекоммуникационных средств и систем как уже развернутых, так и создаваемых на территории России;

            дезорганизация и разрушение системы накопления и сохранения информации, включая архивную на машинных носителях;

            манипулирование информацией — дезинформация, сокрытие или ее искажение;

            несанкционированный доступ к информации, находящейся в банках и базах данных;

            разработка и распространение программ, нарушающих нормальное функционирование информационно-телекоммуникационных систем, в том числе систем защиты информации;

            воздействие на парольно-ключевые системы защиты автоматизированных систем обработки и передачи информации;

            утечка информации по техническим каналам;

            внедрение в технические средства обработки, хранения и передачи информации электронных устройств для перехвата информации в сетях передачи данных и по каналам связи, дешифрирование этой информации и навязывание ложной;

            вирусное заражение информационных ресурсов по каналам сети Интернет и другие виды угроз.

            В сетях сообщения передаются по линиям связи, зачастую проходящим через общедоступные помещения, в которых могут быть установлены средства прослушивания линий. Оставленные без присмотра персональные компьютеры также могут являться уязвимым местом информационно-вычислительной сети. Если сеть имеет выходы в глобальные сети общего пользования, то появляется

угроза взлома защиты сети от неавторизованных пользователей.

            Главная цель защиты информации — контроль за доступом к ней. К просмотру, созданию, изменению или удалению данных должен допускаться ограниченный круг лиц, обладающих для этого полномочиями.

            В связи с этим служба безопасности должна обеспечивать выполнение следующих требований: 

            конфиденциальность (confidenttiality) сохранения и передачи данных;

            целостность (integrity) и точность хранимой информации и обрабатывающих ее программ;

            доступность систем, данных и служб для тех, кто имеет право доступа.

            Угрозы, иначе говоря, опасности, не имеют четко выраженной природы, но практически каждый вид опасностей имеет некоторые последствия, нарушающие выполнение вышеназванных трех требований. В табл. 2.4 показаны угрозы требованиям защиты сетей (в таблице они расположены по алфавиту).

            Рассмотрим кратко весь спектр возможных угроз безопасности сетей.

            Аппаратные сбои описаны в под разд. 2.4; для оценки их влияния на работоспособность сети используется время наработки на отказ Т_о.

            Когда вирусы только начали появляться, некоторые из них специализировались на конкретных жертвах, например, вирус Anticad уничтожал файл с именем ACAD.ЕХЕ, которое является названием главной программы системы AutoCAD (Computer-Aided Design — средства автоматизированного проектирования, САПР). Источниками вирусного заражения могут быть только съемные носители информации и системы телекоммуникаций. Системы телекоммуникаций могут служить поставщиками вируса при их подключении к ПК через модемы и сетевые карты.

По степени воздействия вирусы подразделяют на опасные и неопасные, по способу заражения — резидентные и нерезидентные, в зависимости от среды обитания — на сетевые, файловые, файловые загрузочные, загрузочные и документальные, по алгоритму функционирования — на невидимки, репликаторы, паразитические, «троянские кони», мутирующие, само шифрующиеся и отдыхающие.

            Убытки от разрушения информации, вызванного вирусами, исчисляются миллиардами долларов. Так, в январе 2003 г. в сети Интернет в Юго-Восточной Азии появился вирус Helkern, разославший зараженную программу на 80 тыс. серверов сети. Сотни Интернет компаний разорились, убытки превысили 10 млрд. долларов.

            Для обнаружения и удаления вирусов разработаны различные программы — детекторы, доктора, ревизоры, вакцины, фильтры.

            Следует отметить, что в настоящее время в армии и военно-морском флоте США ведутся исследования возможностей применения вирусов в военных целях.

            Диверсия (sabotage) проявляется в форме физического или логического повреждения. Последнее выражается в изменении внутренних или внешних меток и использовании программного обеспечения, которое меняет содержание файла. В сети Интернет с целью физической защиты все корневые DNS-серверы (Domain Name System — служба имен в сети Интернет) помещены в строжайше охраняемые помещения и имеют независимое энергообеспечение.

            Излучение (emanations), т.е. испускание электромагнитных сигналов, представляет одну из наиболее сложных проблем для компьютерной защиты. Кабели и подключаемые с их помощью устройства (компьютеры, периферийные устройства, модемы, переходники, усилители и распределительные коробки) излучают определенные сигналы. С помощью чувствительной антенны и приемника можно на расстоянии прочесть данные даже при низком уровне излучения. Фирма AT&T — главный поставщик секретной связи правительства США — использует микросхему Clipper (ножницы), которая снабжена кодирующей программой, применяемой для шифровки телефонных разговоров, электронной почты и компьютерных данных. Clipper имеет «черный ход», позволяющий правительственным органам знакомиться с содержанием объекта кодирования.

            Кража информации, по-другому утечка данных (data leakage), заключается в тайном копировании информации и выносе ее за пределы организации.

            Логическая бомба (logik bomb) никак себя не проявляет, но при определенном заданном событии изменяет алгоритм работы компьютерной программы и может использоваться для хищений.

            Пример 2.8. Для повышения на 1% своего заработка программист добавил к программе начисления зарплаты следующий псевдокод:

            Такое изменение может оставаться незамеченным годами. Логическая бомба может применяться для удаления файлов.

            Пример 2.9. Для уничтожения рабочей таблицы, содержащей автоматически выполняемый макрос, в него включен псевдокод:

            @ЕСЛИ (СЕГОДНЯ → @ДАТА (2003,1,5), СТЕРЕТЬ ТАБЛИЦУ, НИЧЕГО НЕ ДЕЛАТЬ).

            Мошенничество (fraud) — это любое использование информационной системы с целью обмана организации или получения ее ресурсов. Ревизоры обращают внимание на такие подозрительные вещи, как слишком высокие или низкие значения, слишком редкие, частые или нерегулярные операции, выполняющиеся в неподходящее время неподходящими людьми и в неподходящем месте. Существуют программы, позволяющие выявить мошенника и установить наблюдение за его несанкционированными действиями с накоплением соответствующей информации.

            Небрежность (bumbling), по мнению некоторых экспертов, является причиной 50 ... 60 % ежегодных компьютерных потерь. Небрежность — это ошибки, оплошность человека или его некомпетентность.

            Неправильная маршрутизация связана с выводом информации по неправильному адресу вследствие совпадения номера узла сети и принтера при ошибках ввода, например VАХ! вместо VAX1.

            Неточная или устаревшая информация может рассматриваться как недоброкачественная и приводить к ошибкам в базах данных. Лучший способ, гарантирующий правильность занесения информации в базу данных, — ввод информации дважды двумя разными сотрудниками. Программа сравнит полученные файлы, выявит расхождения, которые будут вручную подправлены редактором.

            Ошибки программирования (bugs, от bug — жук) совершаются в среднем по одной на 50...100 строк не выверенного исходного кода, т.е. программист, который пишет 5000 строк кода в год, одновременно создает 50...100 ошибок. Процесс удаления ошибок — отладка (debugging) — позволяет избавиться от многих из них.

            Перегрузка системы приводит к тому, что работа сети замедляется, а безопасность сети подвергается риску. Например, при замедлении работы сети некоторые программисты пытаются зарегистрироваться одновременно на двух машинах, чтобы заниматься написанием кода на одной из них, а работой (к примеру, компиляцией программы) — на другой. Для осуществления этого администратор сети должен разрешить регистрацию одновременно на нескольких машинах, после чего возможно подключение к сети кого-то другого, использующего пароль программиста.

            Перехват (wiretapping — подслушивание телефонных разговоров) может выполняться как с использованием зажимов типа  «крокодил», так и путем наблюдения за излучением или спутниковыми передачами с помощью антенн.

            Электронный пиггибекинг (от piggy — свинка, поросенок и backing — примыкать сзади) подразумевает получение доступа после того, как другой пользователь, введя пароль и подключившись к системе, некорректно завершил сеанс работы и не отключился от сети. При этом может использоваться либо оставленный без присмотра основной терминал, либо нелегально подключенный к тому же кабелю дополнительный.

            Подлог (forgery) — это противозаконное изготовление документов или записей с намерением их использования вместо действительных, официальных.

            Потайной ход (back door) — это дополнительный способ проникновения в систему, часто преднамеренно создаваемый разработчиком сети, хотя он может возникнуть и случайно.

Лазейка (Угар door) — разновидность потайного хода. Это вспомогательные средства, используемые программистами при создании, тестировании и поддержке комплексных программ, которые позволяют в нужный момент обойти защиту или ловушку, предусмотренную программой.

            Препятствование использованию (denial of use) — новый вид компьютерного преступления, заключающийся в «засорении» системы ненужными данными, «забивании» портов, выводе на экран бессвязной информации, изменении имен файлов, стирании ключевых программных файлов или захвате системных ресурсов, который замедляет работу системы.

            Различные версии одной и той же программы необходимо отслеживать, иначе возможен запуск не той версии или редактирование не той версии файла. Для решения проблемы отслеживания, обновления версий и удаления старых используется программное обеспечение управления версиями Reference Point либо утилита Whereis.

            Самозванство (impersonation) — это использование пароля пользователя, т.е. кода доступа другого человека для проникновения в систему в целях изучения данных, использования программ или отведенного пользователю машинного времени. Пароль, позволяя аутентифицировать (от authentically — подлинно) пользователя, играет одну из самых важных ролей при регистрации пользователя в сети. Применение устройств для предоставления доступа по биометрическим характеристикам уменьшает возможность несанкционированного доступа, но такое применение не всегда возможно.

            «Сбор мусора» (scavenging), или подсматривание (browsing), означает восстановление с помощью соответствующих утилит файлов, удаленных с гибких и жестких дисков и магнитных лент,  Параметры потока данных, в том числе любой незашифрованный текст, могут быть считаны с помощью сетевых анализаторов — программ, перехватывающих текст, таких как LAN Analyzer, Network Analyzer, Protokol Analyzer, WAN Analyzer и десятки других. Анализатор запускается на подключенной к сети рабочей станции; в случае же сети Token Ring отслеживать весь поток информации может любой пользователь. Обнаружить работающие анализаторы практически невозможно.

            Во многих больших вычислительных системах имеется утилита SUPERZAP, позволяющая оператору запускать, останавливать или модифицировать засбоившую процедуру. Суперзаппинг (superzapping) — это несанкционированное использование утилит, подобных утилите SUPERZAP, для модификации, уничтожения, копирования, вскрытия, вставки, применения или запрещения применения машинных данных. Обнаружить суперзаппинг программными средствами практически невозможно.

            «Троянские кони» (troyan horse) — это программы, которые вместо выполнения действий, для которых они якобы предназначены, на самом деле выполняют другие, в том числе изменение баз данных, запись в платежные ведомости, уничтожение файлов, отправку электронной почты. Удаление «троянского коня», написанного опытным программистом, весьма трудоемко. Многие компьютерные вирусы являются потомками «троянских коней».

            Умышленное повреждение данных или программ — это злонамеренное разрушение информации, которое может быть совершено недовольным служащим путем размагничивания машинных носителей.

            Хищение (embezzlement) — один из самых старых и распространенных видов компьютерных преступлений, когда кража денег или ресурсов производится самими сотрудниками, например когда суммы, полученные в результате округления в сторону уменьшения, направляются на собственный счет программиста.

2.6.3. Методы защиты информации в сетях

            Операционные системы локальных информационно-вычислительных сетей обладают некоторыми свойствами (рассмотрены в под разд. 2.4 и 2.5), повышающими безопасность ЛВС.

            Повышение безопасности данных достигается также разбиением структуры сети на подсети, так как при подключении пользователей к различным физическим сегментам сети можно запретить доступ определенных пользователей к ресурсам других сегментов, установив различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах.           Такой способ защиты называется установлением брандмауэра, или сетевого экрана. Этот экран располагается между защищаемым внутренним сегментом сети и внешней сетью или другими сегментами внутренней сети Интернет и контролирует, а также выборочно фильтрует трафик.

            Брандмауэры выполняются в виде аппаратного или программного комплекса, записанного в коммутирующее устройство или на сервер доступа (другие названия: сервер-шлюз, прокси-сервер, хост-компьютер). Межсетевой экран переписывает реализуемый стек протокола ТСР/IP, и поэтому нарушить его работу искажением протоколов внешней сети невозможно.

            Еще одно средство защиты информации — криптографической закрытие информации или шифрование (encryption, от crippling— деформация). Это мощная алгоритмическая техника кодирования. Зашифрованные с помощью преобразования данные могут быть прочитаны только с использованием? специального ключа деформации. Криптозащита снижает опасность несанкционированного доступа, обеспечивая конфиденциальность, аутентификацию, целостность и управление доступом (access control) системы управления данными.

            В работе сети шифрование выполняется на одном из четырех уровней модели OSI (рис. 2.9).

            При шифровании на канальном уровне, или уровне управления линией передачи данных (уровень 2), отправитель шифрует информацию только один раз, затем передает по линии связи. При переходе с одной линии связи на другую данные расшифровываются, а затем снова зашифровываются, на что затрачивается много времени, поэтому скорость передачи и производительность

сети снижаются. Кроме того, в каждом узле данные некоторое время находятся в незащищенном виде.

            Опасность утечки информации и снижение производительности сети исключены при шифровании на транспортном уровне (уровень 4). Еще эффективнее этот метод тогда, когда протокол поддержки уровня 4 выполнен в виде аппаратного обеспечения, а не реализуется программой, работающей в главном узле, с которого можно получить ключ и метод шифровки.

            Шифрование на прикладном уровне, или уровне приложений (уровень 7), мало зависит от нижележащих уровней и совсем не зависит от их протоколов. При таком подходе необходимо обеспечить одновременную работу соответствующего программного обеспечения.

            Один из подходов к шифрованию данных был в 1977 г. предложен IBM и отражен в стандарте шифрования данных DES (Data Encryption Standard). В нем используется единый 56-битовый секретный ключ. На основе стандарта DES было разработано много различных продуктов. Тогда же был создан метод шифрования RSA (от фамилий авторов: Ривест, Шамир и Адлеман), применяемый не только для шифрования, но и для аутентификации. В системах с повышенной степенью защиты данных RSA обычно используется вместе с DES. Широко применяются предназначенные для использования в сетях протокол аутентификации Kerberos, протокол цифровой подписи DSS (Digital Signature Standard) и стандарт Х9.9.

            Для оценки степени защиты информации от несанкционированного доступа в руководящих документах Гостехкомиссии Pocсии «Автоматизированные системы. Защита от несанкционированного доступа к информации» и «Показатели защищенности от несанкционированного доступа к информации», изданных в 1998 г., рекомендовано использовать показатели: Р_а — вероятность. попадания информации абоненту, которому она не предназначена; Р_с — вероятность не прохождения сигнала тревоги. При оптимизации систем защиты информации вместо вероятностей Р_а и Р_с удобнее использовать коэффициенты K_а = Р_а/ Р_обр и  К_с =Р_с/Р_обр, где Р_обр — вероятность появления несанкционированного обращения. Коэффициенты К_а и К_с — это условные вероятности событий при появлении несанкционированного обращения. Определены пять классов конфиденциальности информации и для первых четырех рекомендованы значения показателей Р_а и Р_с:

2.7. Примеры действующих сетей и систем телекоммуникаций

            С целью удовлетворения геоэкономических, политических и социальных потребностей России, решения общенациональной комплексной проблемы информатизации страны создается единая телекоммуникационная система. В качестве исходного пункта ее создания и развития использован проект «Росуником», соответствующий мировой практике, существующим стандартам и формирующий социально-техническую базу для интеграции в мировую систему телекоммуникации. Системные проекты «Росуником»

создаются в соответствии с Распоряжением Президента Российской Федерации от 26 апреля 1993 г. № 298-рп. Цель создания системы — обеспечение доступа органов государственной власти и управления, народно-хозяйственных и деловых структур и населения страны к отечественным и международным информационным ресурсам мирового телекоммуникационного пространства.

            Система строится так, чтобы обеспечивалась возможность дополнять существующие и разрабатываемые системы связи, охватывая с различной плотностью значительную часть территории страны. Построение системы ориентировано на цифровые методы передачи информации. Предусматриваются разнообразные услуги телефонных служб, служб передачи данных, включая доступ к удаленным информационным и вычислительным ресурсам. Типовым вариантом обслуживания является доведение цифрового потока  от любого абонента до любого другого абонента через цифровой канал с пропускной способностью 64 Кбит/с. На начальных этапах не исключается применение линий связи с аналоговой передачей.

            Подсистемы различных регионов связываются между собой от одного типового регионального телекоммуникационного центра (РТЦ) к другому РТЦ через магистральные линии связи с помощью спутниковых каналов, волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и металлических кабельных линий связи (рис. 2.10). Ведомственные сети подключаются к системе также через магистральные линии связи. Городские и сельские местные сети каждого региона связаны со своим РТЦ, а также непосредственно между собой. Архитектура системы и соответствующий базовый протокольный профиль сформированы на архитектуре и отобранных протоколах взаимодействия сети Интернет. Связь, названная на рис. 2.10 транковой (от trunk — телефонный канал), — это связь по телефонным каналам.

            Для телекоммуникационной системы глобальный характер имеет система спутниковой связи, опорная сеть которой показана на (рис. 2.11). Здесь уместно отметить достижения отечественной космической техники, благодаря которым срок жизни спутника связи повышен с четырех до двенадцати лет.

            Базовый комплекс систем «Росуником» охватывает 14 регионов России и рассчитан на суммарную монтировочную емкость сети связи 220 тыс. номеров (рис. 2.12). Основными структурными элементами базового комплекса (БК) являются главный телекоммуникационный центр (ГТЦ), созданный на базе Московской городской телефонной сети (МГТС); типовой региональный телекоммуникационный центр (РТЦ); центр междугородной магистральной связи (ЦММС); магистральные линии спутниковой связи с ведомственными системами, для которой используется вынесенная земная станция спутниковой связи в Дубне с антенной диаметром 12 м, передающая информацию в ГТЦ по радиорелейной линии (РРЛ) Дубна — Останкино. ГТЦ связан с РТЦ в Санкт Петербурге через арендуемые ВОЛС и имеет выход в западные страны через Хельсинки также с использованием ВОЛС. Схема ГТЦ БК в обобщенном виде приведена на рис. 2.13.

            Другим примером может служить общеизвестная сеть Интернет, развившаяся из локальных ИВС на базе персональных компьютеров преподавателей и студентов университетов США до глобальных масштабов. В этой огромной сети есть 13 главных станций — мощных компьютеров, называемых корневыми DNS-серверами, которые расположены по всему миру — от США до Японии. Еще имеются DNS-серверы меньшей мощности — «старшие» в своих городах и странах. В России один из таких DNS-серверов расположен в институте им. Курчатова в Москве. Он ведает всеми адресами, заканчивающимися буквами «ru» (Russia) и «su» (Soviet Union). Всего серверов, обслуживающих зону «ru», шесть, три из них находятся в России, по одному — в Швеции, Франции и Голландии. Линии связи могут быть как обычными телефонными

(по ним связываются с сетью с помощью модемов), так и волоконно-оптическими, радиорелейными и космическими.

            Распределенная информационно-вычислительная сеть Министерства юстиции РФ (РИВА юстиции РФ) (рис. 2.14) включает локальные вычислительные системы, расположенные в административных центрах субъектов федерации и Минюсте и соединенные каналами спутниковой связи. В основу построения двухуровневой сети положена модель коллектива пользователей, обеспечивающая работу информационно-поисковой системы правовой информации и обслуживающая широкий круг потребителей, в том числе и население. Отличием первых уровней от вторых является пространственная удаленность элементов сети друг от друга и различная организация каналов передачи данных между ними. В сети объединены однородные ЭЗМ. Такие сети называются однородными. В данном случае используются недорогие персональные компьютеры. Объем хранимой и обрабатываемой информации в этой информационно-поисковой системе определяется количеством документов и законодательных актов РФ, СССР, СНГ, равным примерно 65 тыс. Объем передаваемой в единый центр и обратно на места информации составляет 200... 300 Гбайт ежедневно.

            Еще один пример — сеть Интернет Новосибирского научного центра (СИ ННЦ), созданная в 1996 г. в Сибирском отделении РАН и объединяющая существующие локальные сети 20 институтов и организаций ННЦ с помощью кабельных каналов, арендованных телефонных каналов и радиорелейного канала. СИ ННЦ соединяется с российской и глобальной сетями Интернет посредством канала спутниковой связи.

            Пример зарубежной сети — сеть ЭВМ с элементами космического базирования системы ПРО (противоракетной обороны) США, географически разнесенная в нескольких уровнях, объединяющая сотни специализированных высокопроизводительных, высоконадежных компьютеров, обрабатывающих большие потоки информации от датчиков, которые предназначены для обнаружения подготовки к старту боевых ракет противника (см. приложение 8).

            Глобальная информационная сеть Вьетнама (ГИС Вьетнама) (рис. 2.15) смешанной конфигурации объединила существовавшие локальные и корпоративные сети страны в единую систему. В 2000 г. число абонентов составляло 100 тыс., а к 2002 г. — уже 500 тыс.

            Громадное значение имеет организация связи с морскими судами. Ежедневно в море находятся около 25 тыс. больших (водоизмещением более 200 т) судов и более миллиона моряков и пассажиров. Необходима передача информации для управления судами, метеорологических прогнозов и т.д. Особо важна радиосвязь для обеспечения безопасности кораблей и экипажей. Ежегодно в море происходят несколько сотен аварий, причем несколько десятков судов пропадает бесследно, не успев даже передать сигнал бедствия. В 1975 г. в рамках Межправительственной морской консультативной организации (ИМКО), входящей в ООН, были приняты Конвенция и Эксплуатационное соглашение о создании Международной организации морской спутниковой связи «Инмарсат» (сокращенно от International Maritime Satellite — международный морской спутник). Для спасения терпящих бедствие на море было принято решение использовать низколетящие (на высоте 800... 1000 км) спутники, «слушающие» в диапазоне 406...406,1 МГц сигналы с плавающих аварийных радиобуев. Координаты места аварии определяются с их помощью с точностью до 2 ...4 км.

            Позже Минморфлотом было заключено соглашение с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА, США) о проведении работ по системе «Инмарсат» с участием Канады, Франции, Норвегии и Англии. Совместный проект получил название «Коспас — Сарсат». «Коспас» (космическая система поиска аварийных судов и самолетов)— российская часть проекта, «Сарсат» (Sarsat — Search and rescue satellite — спутниковый поиск и спасение) — часть проекта, выполняемая совместно США, Канадой и Францией. В 1982 г. был запущен спутник «Космос-1383», оснащенный аппаратурой, позволяющей по сигналам радиобуев определять местонахождение потерпевших аварию судов и самолетов этих стран.

            Кроме того, организация «Инмарсат» предоставляет судам специальные каналы спутниковой радиосвязи: телефон, телетайп, фототелеграф (передача данных с судна со скоростями 2,4 и 56 Убит/с). Сигналы радиосвязи кораблей поступают на три специальных геостационарных космических ретранслятора.             Ретрансляторы связаны с одиннадцатью эксплуатационными земными станциями, три из которых — Саутберн (США) для Атлантического океана, Ямагучи (Япония) для Индийского и Ибараки (Япония) для Тихого — являются координирующими, распределяющими телефонные каналы в своей зоне между другими земными станциями.

ГЛАВА.3 АНАЛОГОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

3.1. Классификация каналов связи

            Данные, изначально имеющие аналоговую, т.е. непрерывную форму, такие, как речь, фотографические и телевизионные изображения, телеметрическая информация, в последнее время все чаще передаются по каналам связи в дискретном виде. Для преобразования непрерывного сигнала в дискретную форму производится дискретная модуляция, называемая также кодированием.

            Применяются два типа кодирования данных. Первый — на основе непрерывного синусоидального несущего сигнала — называется аналоговой модуляцией, или просто модуляцией. Кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй тип кодирования называется цифровым кодированием и осуществляется на основе последовательности прямоугольных импульсов. Эти способы кодирования различаются шириной спектра передаваемого сигнала и сложностью аппаратуры для их реализации.

            В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и цифровые. Промежуточная аппаратура используется на линиях большой протяженности и решает две задачи: улучшение качества сигнала и создание составного канала связи между двумя абонентами. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, т.е. сигналов, которые имеют непрерывный диапазон значений. Такие линии традиционно применялись в телефонных сетях с узкой полосой частот, представителем которых является канал тональной частоты. Аналоговые линии используются для связи друг с другом телефонных станций, для создания высоко скоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов. При аналоговом подходе для уплотнения низкоскоростных каналов абонентов в общий высокоскоростной канал обычно используется техника разделения частот, иначе — частотного мультиплексирования— FDM (Frequency Division Multiplexing). FDM — это разбиение средств передачи на два и более каналов путем разделения полосы частот канала на узкие под полосы, каждая из которых образует отдельный канал в одной и той же физической среде (см. под разд. 3.5, 3.6).

            Современные телекоммуникационные системы и сети явились синтезом развития двух исходно независимых сетей — электросвязи (телефонной, телеграфной, телетайпной и радиосвязи) и вычислительных. Логика развития систем связи требовала применения цифровых систем передачи данных, а также вычислительных средств для решения задач маршрутизации, управления трафиком, сигнализации. В свою очередь, логика развития вычислительной техники требовала, все большего применения средств связи между периферийными устройствами и отдельными ЭВМ. Достигнутое в результате этих двух встречных движений совмещение техники связи с вычислительной техникой позволило усовершенствовать технологию обслуживания телефонной клиентуры и повысить эффективность отрасли связи, а также полнее использовать ресурсы вычислительных центров, вычислительных систем и сетей путем перераспределения их ресурсов и распараллеливания между ними задач и информационных потоков.

            Многие сети общего пользования традиционных операторов являются в основном аналоговыми. Сети связи, создаваемые новыми операторами, — цифровые, что вызывает необходимость внедрения современных служб и гарантирует перспективность этих сетей. В то же время существующие аналоговые сети активно используются для передачи информации как в аналоговой форме (телефония, радиотелефония, радиовещание и телевидение), так и для передачи дискретных (цифровых) данных. Носителем информации в телекоммуникационных каналах являются электрические сигналы (непрерывные, называемые аналоговыми, и дискретные или цифровые) и электромагнитные колебания — волны, шкала которых показана на рис. 3.1.

            Линия связи (ЛС) — это физическая среда, по которой передаются информационные сигналы. В одной линии связи может быть организовано несколько каналов связи (КС) путем временного, частотного, кодового и других видов разделения. В этом случае говорят о логических (виртуальных) каналах. Когда канал монополизирует линию связи,. то он называется физическим каналом, если совпадает с линией связи. Канал связи может быть аналоговым

или цифровым; в линии как в физической среде могут быть образованы каналы связи разного типа. Классификация каналов связи приведена в табл. 3.1.

3.2. Этапы развития электрической связи

            Старейший вид электрической связи — телеграфная связь по проводам, или проводная связь, — возникла в, 1836 г., когда ученый П.Л. Шиллинг в Петербурге с помощью провода, уложенного в подземных массивных стеклянных трубах, соединил два изобретенных им в 1832 г. телеграфных аппарата, которые находились в разных зданиях.

            В 1837 г. американский изобретатель С. Морзе предложил пригодную для эксплуатации конструкцию электромагнитного телеграфного аппарата, кодирующего буквы телеграфным кодом в виде сочетаний коротких и длинных сигналов — точки и тире. Этот аппарат был использован на телеграфной линии Вашингтон - Балтимор.

            Первый буквопечатающий телеграфный аппарат — телетайп— разработал в 1840 г. академик Петербургской академии наук Б.С. Якоби. К концу XIX в. дальность телеграфной связи по проводам достигала уже тысяч километров.

            Изобретение в 1895 г. радио А.С. Поповым сделало возможным организацию телеграфной связи без проводов на значительное расстояние (беспроводная связь).

            Первый телефон был изобретен А. Беллом (США) еще в 1876 г. Однако с помощью двух таких телефонов можно было организовать связь на незначительное расстояние. Сочетание трансформатора с изобретенным в 1878 г. микрофоном позволило резко увеличить дальность телефонной связи. Так, испытания аппаратуры около Выборга обеспечили связь на расстоянии до 30 км. На основе теоретических исследований английского физика О. Хевисайда в 1893 г. была разработана система включения катушек индуктивности в кабельную цепь, вследствие чего дальность телефонирования была увеличена в четыре раза.

            Система равномерно распределенного увеличения индуктивности цепи путем наложения на медную проволоку сплошного слоя железной проволоки или ленты (1902 г.) позволила увеличить дальность телефонирования еще в два раза. Применение изобретенной в 1904 г. электронной лампы в качестве основного элемента телефонного усилителя дало возможность довести дальность телефонирования до 1000 км по кабельным цепям и до 2500 км по цепям подвесных воздушных линий. Впоследствии ограничение дальности телефонирования было снято.

            Использование электронных ламп для радиосвязи позволило М.А. Бонч-Бруевичу в 1919 г. создать первый радиотелефонный передатчик.

            Современная комбинированная проводно-беспроводная телеграфная, телефонная и радиосвязь позволяет передавать сообщения на любое расстояние.

3.3. Структура системы аппаратуры передачи данных и типы сетей связи

            Обобщенная структурная схема аппаратуры передачи данных (АПД, или DCE — DataCircuit terminating Equipment) приведена на рис. 3.2. Источник и потребитель информации в АПД непосредственно не входят — они являются абонентами системы передачи. Я Абонентами могут быть компьютеры, маршрутизаторы ЛВС, системы хранения информации, телефонные аппараты, пейджеры, различного рода датчики и исполнительные устройства, а также люди. Аппаратура передачи дискретных компьютерных данных по аналоговым и цифровым линиям связи существенно отличается, так как в первом случае линия связи предназначена для передачи сигналов произвольной формы и не предъявляет никаких требований к способу представления логических нулей и единиц аппаратурой, а во втором — все параметры передаваемых линией импульсов стандартизованы, т.е. на цифровых линиях связи протокол физического уровня определен, а на аналоговых линиях —нет.

            Основную часть сетей электросвязи составляет телефонная сеть. Телеграфные сети — абонентские и общего пользования, а также различные сети передачи данных (ЛВС, корпоративные специализированные) существенно уступают по количеству абонентов и объему передаваемых сообщений. Так, в 1988 г. в мире количество терминалов сети связи (телетайпы, пункты передачи данных, терминалы справочной связи и т.п.) составляло не более 1% от количества телефонов. Телефонная связь позволяет объединить процессы автоматизации средств связи с процессами самообслуживания клиентов, поскольку вызывающий абонент, набирая номер вызываемого абонента, не нуждается в обслуживании персоналом связи. Важно и то, что телефон обеспечивает живой диалог людей.

            Мировая телефонная сеть объединяет свыше 670 млн. абонентов, она является величайшим автоматом, созданным человеком. Первым роботом связи, действующим в телефонной сети, стали «говорящие часы». Мобильная связь обеспечивает телефонную связь с подвижными объектами, для чего в сети телерадиовещания выделены необходимые интервалы (диапазоны) радиочастот.

            Телефонные каналы связи используют для выхода в Интернет большинство индивидуальных пользователей ПК. Эти каналы предназначены для передачи аудиоинформации в дуплексном режиме, когда информация передается одновременно в обоих направлениях. Дуплексный режим — наиболее универсальный и производительный способ работы канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых физических каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых передает информацию в данном направлении — работает в симплексном режиме. Такой принцип лежит в основе реализации многих сетевых технологий, например Fast Ethernet или АТМ.

            В волоконно-оптических кабелях при использовании одного оптического волокна для организации дуплексного режима работы применяется передача данных в одном направлении с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном — другой длины волны. Такая технология для оптических кабелей получила название разделение по длине волны, или WDM (Wave Division Multi plexing).

            Коммутируемый канал формируется между пунктами отправления и назначения в начале сеанса связи как непосредственное последовательное физическое соединение отдельных участков каналов — сегментов — с помощью коммутационных устройств. Время создания такого канала большое, что является его недостатком. Кроме того, образованный канал недоступен для посторонних абонентов. Эта монополизация подканалов взаимодействующими абонентами снижает общую пропускную способность сети. Достоинство метода коммутации каналов — возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени.

            Для модемного доступа к сети Интернет важным параметром является скорость этого доступа, которая для телефонных каналов невелика — от 19 до 56 Кбит/с. Для доступа по выделенным телефонным линиям, используемым небольшими ЛВС, эта скорость находится в пределах от 64 Кбит/с до 2 Мбит/с и лишь для солидных сетей, использующих волоконно-оптические и спутниковые каналы связи, пропускная способность превышает 2 Мбит/с. Выделенный канал — это канал с фиксированной полосой пропускания, постоянно соединяющий двух абонентов. Абонентами могут быть как отдельные устройства — компьютеры или терминалы, так и целые сети.

            В настоящее время в мире эксплуатируются сети вещания, отличающиеся друг от друга техническими средствами и способами обслуживания. В России работают и экстенсивно и автономно развиваются сети звукового вещания, включающие 1,5 тыс. радиостанций, но каждая из сетей используется для передачи только нескольких программ.

            Радиоволны обычно разделяют на диапазоны (рис. 3.3), каждому  из которых соответствует своя полоса частот (длина волны λ = с/f  где с 300000 км/с — скорость распространения радиоволн; f частота радиоволны).

            Сеть радиовещания в рабочем диапазоне длинных и средних . волн с амплитудной модуляцией (ДВ — АМ и СВ — АМ, подробнее см. под разд. 3.7) обеспечивает возможность радиоприема общероссийских и местных программ ценой высокой мощности радиопередатчиков, использования тысяч радиоцентров синхронного вещания, многомиллионного парка радиоприемников. Однако качество звуковых передач эфирного вещания оставляет желать лучшего ввиду нестабильных условий распространения радиоволн и помех соседних радиостанций. Особенно низкое качество звукового вещания в сети на коротких волнах. Сеть ультра короткого частотно-модулированного вещания (УКВ — ЧМ, см. под разд. 3.9) обеспечивает качество вещания, сопоставимое с качеством звукового сопровождения в телевидении. Развитие сети требует существенных затрат на новые радиопередающие средства. Эксплуатация станции УКВ — ЧМ в 2,5 ... 3 раза экономичнее эфирного радиовещания, что видно из табл. 3.2. Однако в России не планируется полный охват населения многопрограммным УКВ ЧМ-вещанием, поскольку это потребовало бы ввода большого количества технических средств. Наиболее эффективна сеть телевизионного вещания. В каждой области есть телецентр и телевизионные передачи могут смотреть 93% населения страны. Сеть включает почти 7000 передающих телевизионных станций, сотни тысяч километров каналов радиорелейных и кабельных линий и несколько систем космического телевещания для трансляции телепрограмм.

            Радиорелейные линии связи (РЛС) применяются для междугородной телефонной и телеграфной связи и для передачи программ радио и телевидения на большие расстояния. РЛС образуется цепочкой маломощных приемно-передающих радиостанций, располагающихся на расстоянии 40... 60 км одна от другой, последовательно принимающих, усиливающих и передающих далее сигналы от одного конца линии к другому (подробнее см. под разд. 3.11).

3.4. Спектры частот сигналов электрической связи и ширина полосы частот аналоговых каналов

            Первые каналы проводной электрической связи предназначались для передачи телеграфных сигналов, создаваемых замыканием и размыканием с помощью ключа электрической цепи постоянного тока в телеграфном аппарате. При передаче последовательности так называемых точек возникают однополярные (униполярные) импульсы ЭДС (рис. 3.4, а), причем длительность импульсов равна длительности интервала между ними. Такая последовательность называется меандром. Так как последовательность импульсов есть периодическая функция времени, а из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы гармонических колебаний, то эту последовательность можно представить в виде ряда Фурье, т.е. разложить на гармонические составляющие и просуммировать их:

            Импульсы на рис. 3.4, а соответствуют однополюсному телеграфированию. Если из этой последовательности импульсов вычесть постоянную составляющую А₀, то получим последовательность биполярных импульсов (рис. 3.4, б), соответствующую двух полюсному телеграфированию постоянным током. Математическое выражение данной последовательности

            Следовательно, вместо батареи постоянного тока и ключа можно использовать генератор постоянного тока и ряд генераторов синусоидальных колебаний с более высокими частотами — гармонических составляющих (рис. 3.5). Амплитуда каждого синусоидального колебания изменяется обратно пропорционально частоте, поэтому можно учитывать лишь конечное число первых составляющих, например только три из них — 1, 3 и 5-ю. При этом на нагрузке получаются не прямоугольные импульсы тока, а имеющие форму, показанную на рис. 3.6. Это не приводит к существенному ухудшению качества телеграфной передачи, так как электромагнит реле приемного аппарата срабатывает при токе, соответствующем лишь части импульса (например, на рис. 3.6 эта часть от 0,1Iдо 0,9I). Поэтому при телеграфировании постоянным током считается достаточной ширина волосы пропускания частот (или просто полоса частот) примерно 0... 100 Гц, что при частоте f₀ = = 20 Гц (f₀  = 1/2τ) соответствует передаче 5-й гармоники включительно, а при f₀  = 33 Гц — 3-й гармоники включительно.

            Предыдущие выкладки, достаточные для того, чтобы приблизительно определить ширину , полосы частот, необходимую при телеграфировании постоянным током, справедливы лишь при продолжительной периодической

посылке импульсов, соответствующих точкам. В действительности же импульсы, соответствующие точкам, чередуются с импульсами, соответствующими тире, и, следовательно, периодичность нарушается.

            Здесь уместно провести параллель между сигналами телеграфного кода и сигналами логических 0 и 1: можно кодировать 1 наличием сигнала, (униполярный код). Можно кодировать логические 0 и 1 разнополярными сигналами (биполярный код).

            Цифровые коды «без возврата к нулю» и «с возвратом к нулю»

также аналогичны телеграфному. Особенности передачи информации в цифровых каналах рассмотрены в гл. 4.

            Телефонные линии связи являются наиболее разветвленными и широко используемыми для организации как аналоговых, так и цифровых каналов передачи информации. По ним осуществляется передача звуковых (тональных) сообщений — речи, а также факсимильных сообщений; они являются основой построения информационно-справочных систем, систем электронной почты и вычислительных сетей. Ввиду высокой актуальности использования для развития ИВС телефонных линий, первоначально созданных только для передачи речевых сообщений, рассмотрим их более подробно.

            Речь состоит из сочетания звуков, отличающихся друг от друга по высоте (тону) и по силе. Произносимые звуки обладают различной мощностью, например, шепоту в среднем соответствует мощность 10^-9 Дж/с, нормальному разговору — 10^-5 Дж/с и крику — 10^-3 Дж/с.

            Телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который передается по аналоговой абонентской линии в автоматическую телефонную станцию (АТС). Огибающая фонограммы речевого сообщения показана на рис. 3.7.             Фонограмма, получаемая на выходе микрофона, будет представлять собой зависящий от высоты, тембра и силы голоса аналоговый электрический сигнал в форме колебаний звуковой частоты, спектр которых лежит в пределах от 80 Гц до 3,3 кГц (рис. 3.8). Качество звука определяется еще и тем, что к основному тону добавляются тона различных частот большей или меньшей силы; эти дополнительные тона (обертоны) определяют тембр

звука. Область частот речи, пения и музыки лежит в пределах, воспринимаемых ухом человека, — в среднем от 16 Гц до 20 кГц. Поэтому требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот абонентской линии ∆f должна быть не уже спектра частот передаваемого речевого сообщения и составлять примерно 3,22 кГц (∆f = f_max — f_min= 3,3 кГц — 0,08 кГц = 3,22 кГц), а не 1,2 кГц. Для передачи музыкальных программ по городской трансляционной радиосети полоса частот линии должна быть еще шире, не менее 7,886 кГц — от 16 Гц (нота до субконтроктавы) до 7902,13 Гц (нота си пятой октавы, см. приложение 10). Для качественной трансляции музыкальных звуков необходима передача не только основных тонов, но и обертонов, поэтому полоса частот линии расширена до 16 кГц. При звуковом вещании по проводам или без проводов стремятся передать спектр частот от 50 Гц до 10 кГц, но иногда ограничиваются более узким спектром частот. На практике

в качестве средней расчетной частоты принимается частота 800 или 1000 Гц.

            Продолжительная передача какого-нибудь звука аналогична двухполюсной передаче точек при телеграфировании постоянным током. Фактически же при телефонирование звуки меняются, что аналогично телеграфированию при перваче различных комбинаций импульсов. Чередование звуков при передаче речи (несколько раз в секунду) происходит гораздо медленнее, чем изменение комбинаций импульсов в телеграфии (10 раз в секунду и более). Отсюда следует вывод, что при передаче речи можно с еще большим основанием пользоваться рядом Фурье, т.е. рассматривать процесс передачи речи, пения и музыки как установившийся периодический процесс.

            Телевизионная передача, т.е. передача движущихся изображений, отличается значительно большей скоростью изменения информации, чем передача по фототелеграфу. Упрощенная схема устройства для телевизионной монохромной (черно-белой) передачи приведена на рис. 3.9. Для преобразования световой энергии в электромагнитную (передающая часть), а затем электромагнитной в световую (приемная часть) применяются передающая и приемная электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Электроны в слое МС создают электрический ток в цепи, и на резисторе А возникает напряжение. Оно управляет передатчиком Пер, от которого электромагнитная энергия через усилитель Ус распространяется к приемнику Пр. В нем энергия преобразуется в сигнал, имеющий форму первоначального сигнала, который воздействует на управляющую сетку приемной ЭЛТ и меняет интенсивность пучка электронов

сформированного и отклоняемого по строкам подобно тому, как это происходит в передающей ЭЛТ. В следующий отрезок времени пучок электронов; как и в передающей ЭЛТ, пробегает по следующей строке и т.д. Таким образом, пучок проходит по всему передаваемому изображению, которое появляется на экране приемной ЭЛТ. Для передачи цветных изображений применяются ЭЛТ с трехслойными пластинами и экранами, а также с тремя электронными пушками и сетками (для красного, синего и зеленого составляющих цветов). Плоские жидкокристаллические экраны мониторов устроены иначе, чем приемная ЭЛТ, но принцип синхронной развертки и воспроизведения изображения подобен рассмотренному выше. На рис. 3.10 показаны передаваемое и принятое изображения на экранах ЭЛТ и импульсы тока в цепи передающей ЭЛТ. Как видно, на экране приемной трубки изображение воспроизведено не полностью, так как выбрано слишком большое расстояние между строками. Чтобы точнее воспроизвести такое сравнительно несложное изображение, следовало бы взять строк по крайней мере в три-четыре раза больше, т.е. увеличить скорость движения пучка электронов. Для того чтобы возможно точнее передать самое сложное изображение, в России принято разделять его на 625 строк и передавать 25 изображений (кадров) в секунду. Следовательно, одна строка на экране создается пучком электронов в течение 1/(625 25) = 64 10 ~ с.

            Пример 3.1. Рассчитать ширину спектра телевизионного сигнала при передаче без преобразования частот.

            Решение. Если для простоты считать экран квадратным, то и вертикальный размер изображения должен соответствовать 625 строкам, т.е.

все изображение можно разбить на 625² квадратиков, которые принято называть точками или пикселами. Пиксел — одна точка изображения, минимальный адресуемый элемент двумерного растрового изображения. В самом сложном рисунке точки могут отличаться друг от друга по оттенку (полутоновое изображение), и все оттенки будут переданы в виде соответствующих по амплитуде импульсов тока. Считая для простоты, что чередуются только черные и белые точки, получим, что в одной строке будет 625/2 импульсов тока, соответствующих белым точкам, и столько же промежутков между этими импульсами, соответствующих черным точкам. Следовательно, ширина каждого импульса тока будет равна 2∙ 64∙10^-6/625 = 0,205∙10^-6 с. Это соответствует частоте повторения импульсов f = 1/(2 ∙0,205∙10^-6) = 2,44∙ 10⁶ Гц.

            Вместе с тем могут встречаться и более простые изображения, например верхняя половина кадра белая, нижняя — черная. В этом случае импульс тока будет продолжаться в течение времени, равного всего 1/(2∙ 25) = 2∙10^-2 с, т.е. частота будет равна 25 Гц.           Практически импульс может быть и короче, чем 0,205∙10^-6 с, т.е. высшая частота первоначального спектра телевизионной передачи может быть больше 2,44∙10⁶ Гц. Как следует из рис. 3.8, она может достигать 4 МГц.

            Такую широкую полосу частот можно передать по коаксиальной цепи с перенесением (преобразованием, см. под разд. 3.6) всей полосы в область более высоких частот — порядка 1 ... 10 МГц, что и делается в настоящее время в кабельном телевидении.

            Беспроводная телевизионная передача на большие расстояния (более 50... 60 км) осуществляется в области очень высоких частот (дециметровые волны, частоты от 300 МГц до 3 ГГц).

3.5. Схемы местной и дальней связи

            Связь на небольшое расстояние, т.е. местная (городская или пригородная) связь, может быть осуществлена непосредственно, без преобразования частот. Организуют ее по схеме, показанной на рис. 3.11. На телефонных станциях ТС1 и ТС2, а также в узле связи У сосредоточены все приборы для соединения двух телефонных аппаратов ТА1 и ТА2; ими управляет сам абонент (в случае

автоматических станций) или телефонистки (в случае ручных станций). В крупных городах число районных АТС достигает десятков, а число абонентов на всей телефонной сети может исчисляться миллионами. В установлении одной телефонной связи между двумя абонентами может участвовать одновременно большое число приборов.

            Такая схема местной связи носит название POTS (Primitive Old Telephone System — простая старая телефонная система). Она состоит из двух частей: магистральной системы связи и сети доступа абонентов к ней. Простой вариант доступа абонентов к магистральной системе — использование абонентского аналогового канала связи. АТС является элементом магистральной системы, и большинство телефонных аппаратов подключаются к ней именно посредством аналогового канала. Снятие телефонной трубки вызывает возникновение сигнала «on-hook» («снята с крючка»; у первых телефонных аппаратов трубка вешалась на крючок), сообщающего АТС о вызове. Если станция не занята, набирается номер нужного телефонного аппарата, который передается в АТС. По завершении разговора при опускании трубки формируется сигнал «on-hook». Такой порядок вызова называется «in band» (в объединении), так как передача сигналов вызова и речи происходит по одному и тому же каналу.

            Электрическую связь между двумя абонентами на значительное расстояние (дальняя связь) можно осуществлять как по проводам, так и без проводов (рис. 3.12). Соединение первого абонента A1 с междугородной телефонной станцией МТС1 осуществляется так же, как и двух абонентов друг с другом на рис. 3.11. На междугородной станции происходит преобразование частот сигнала из звукового диапазона в диапазон более высоких частот методом модуляции (см. под разд. 3.6 и 3.9).

            Энергия сигналов, распространяясь по проводам, уменьшается вследствие потерь в проводах и изоляции. Это явление называется затуханием. Оно определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Обычно при эксплуатации линии основная частота передаваемого сигнала, т.е. та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность, известна; знание затухания на этой частоте позволяет приближенно оценить искажения сигналов, передаваемых по этой линии. Знание затухания нескольких гармоник передаваемого сигнала позволяет более точно оценить его искажения при прохождении по линии связи. Затухание измеряется в децибелах (дБ, в честь одного из изобретателей телефона А. Белла) на метр и вычисляется по формуле

где Р_вых и P_вх — мощность сигнала соответственно на выходе и на входе линии. Например, кабель длиной 100 м категории 5 (на витой паре) для частоты 100 МГц обладает затуханием не ниже — 23,6 дБ. Кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, сигналы которых имеют основные гармоники на частоте примерно 100 МГц. Для низкоскоростной передачи используется кабель категории 3, поэтому для него определяется затухание на частоте 10 МГц, которое имеет значение не ниже — 0,115 дБ/м.

            Для устранения влияния затухания на ослабление энергии сигнала на определенном расстоянии друг от друга устанавливают усилители (см. под разд. 3.7). Так как по паре проводов осуществляют многократную связь, а именно несколько (от 24 и выше) одновременных передач на близких частотах (уплотнение канала), то усилители увеличивают энергию всех этих передач. По одной коаксиальной цепи одновременно организуется несколько сот телефонных связей.

            На междугородной станции МТС2 другого города происходит обратное преобразование частот — демодуляция — получение сигналов первоначального спектра частот, соответствующего, например, телефонному разговору. Соединение МТС2 с абонентом А2 осуществляется так же, как и на рис. 3.11.

            В случае передачи без проводов преобразование частот осуществляется на передающей радиостанции РС1. Благодаря уплотнению каналов возможна передача от 600 до 1000 одновременных телефонных разговоров. На приемной радиостанции PC2 происходит обратное преобразование частот из диапазона радиоволн в звуковой диапазон — демодуляция. Соединение PC2 с абонентом; А2 устанавливается аналогично соединению МТС2 с А2.

            По схеме, аналогичной показанной на рис. 3.12, осуществляются все виды связи на большое расстояние — телеграфная, теле сонная, факсимильная, фототелеграфная, передача вещательных и телевизионных программ — с некоторыми различиями в преобразовании частот.

3.6. Преобразование частоты для осуществления многократной связи уплотнением каналов— модуляция и демодуляция

            Для того чтобы осуществить по паре проводов или по беспроводной линии одновременно несколько телефонных или других (радиовещательных, телеграфных, факсимильных, телевизионных) передач, необходимо придать свою особенность каждой передаче. Эта особенность придается каждой передаче путем преобразования частот: первоначальный спектр частот каждой передачи переносится в разные полосы более высоких частот. Для этого всю аппаратуру включают параллельно в одну двухпроводную цепь, смешивают все полученные спектры более высоких частот и передают в направлении от передатчика информации к приемнику. На приемном конце необходимо сначала отделить различные спектры друг от друга с помощью электрических фильтров, а затем сделать обратное преобразование частот и получить первоначальные спектры.         Электрические фильтры разделяют передаваемые одновременно по цепи из двух проводов или по радиолинии телефонные разговоры или несколько других передач — телеграфных, вещательных, телевизионных, передач данных. По своей схеме электрический фильтр является четырехполюсником, пропускающим токи : в определенной полосе частот и не пропускающим токи с частотами, находящимися вне этой полосы. В зависимости от пропускаемого спектра частот фильтры разделяются на фильтры нижних частот, пропускающие токи с частотами сигнала от 0 до f_с фильтры верхних частот, пропускающие токи с частотами от f_c до ∞ голосовые фильтры, пропускающие токи в полосе частот от f_c1 до  f_c2, и много полосовые, имеющие несколько полос пропускания. Преобразование частот электрическими методами называется модуляцией, обратное преобразование частот — получение первоначальных спектров — называется демодуляцией. Устройства, осуществляющие преобразование частот, называются модемами (модулятор — демодулятор). Электрические фильтры устанавливаются не только на приемном конце линии, но и на передающем, для того чтобы токи от одного передающего аппарата не замыкались через другие передающие аппараты, включенные в это же время. Полоса пропускания частот каждого фильтра соответствует полосе частот бранной передачи. Ширина полосы канала должна быть не уже, чем ширина

спектра всех передаваемых на разных частотах информационных сигналов.

            Схема многократного телефонирования и телеграфирования по проводам показана на рис. 3.13. Цифрами 1, 2, ..., n обозначены номера аппаратов, модуляторов, демодуляторов, фильтров или, что то же самое, — номера связей.

            Перенесение полосы частот из одной области относительно низких частот в другую область более высоких частот можно осуществить несколькими способами. Если к генератору с ЭДС е = Есоsωt подключить какую-нибудь электрическую систему, например двух проводную цепь из проводов с комплексным сопротивлением z = |Z| (exp(jψ), где — ψ начальный фазовый угол, то ток на входе в эту систему

            Ток i можно изменять путем изменения амплитуды тока I_m,

угловой частоты в или разности фаз φ. В соответствии с этим методы преобразования частот подразделяются на амплитудную, фазовую и частотную модуляции (АМ, ФМ и ЧМ, рис. 3.14), а также двойную модуляцию, представляющую собой сочетание первых трех методов. Рассмотрим эти виды модуляции.

3.7. Амплитудная модуляция

            Из рис. 3.4 видно, что при телеграфировании постоянным током в цепи имеет место последовательность импульсов тока. Для случая посылки последовательности точек на основе выражения (3.1) и учитывая, что I₀ = Е/К где R — сопротивление цепи, можно записать:

где Ω — определенное значение угловой частоты. Если теперь допустить, что I₀ изменяется по закону косинуса (I₀ = I_0mcosωot; телеграфирование переменным током), т.е. вместо генератора постоянного тока в цепь включен генератор переменного тока с угловой частотой ω>>Ω, то предыдущее выражение примет вид

            Примем за 100 % амплитуду I_0m/2 первой гармоники — колебаний с угловой частотой ω, тогда амплитуды колебаний с угловыми частотами (ω — Ω) и (ω + Ω ) будут равны 63,5%, с угловыми частотами (ω — 3Ω) и (ω + 3Ω) — 21,0% и т.д. Таким образом, если при телеграфировании постоянным током (в данном случае периодическим замыканием и размыканием ключа) имеет место спектр частот от 0 до kΩ, то при манипулировании (т.е. при периодическом замыкании и размыкании ключа с угловой частотой Ω) в цепи с незатухающими колебаниями с угловой частотой ω получается спектр угловых частот от ω — kΩ до в + kΩ. Этот спектр условно показан на рис. 3.15. Сигналы, соответствующие спектру частот при манипулировании незатухающих колебаний в зависимости от времени, показаны на рис. 3.16, а. Практически достаточно передать токи не всего спектра частот, получающегося при манипулировании, а лишь часть их, например токи с угловыми частотами от (ω — Ω) до (ω + 7Ω). Токи, с угловыми частотами, лежащими вне этой полосы, имеют небольшие значения и поэтому отфильтровываются с помощью электрических фильтров.

            Так как реально при телеграфировании спектр частот сплошной, то промежутки между угловыми частотами (ω — 7Ω ), (ω + 5Ω), (ω — 3Ω), ω, (ω + 3Ω), (ω+5Ω) и (ω +7Ω ) также заполнены составляющими синусоидальными колебаниями.

            Амплитудная модуляция отличается от манипулирования тем, что цепь не прерывается, а ток или напряжение с угловой частотой в изменяются по амплитуде в соответствии с колебаниями напряжения низкой (информационной, модулирующей) угловой частоты Q. Это можно представить себе так, как будто вместо ключа в цепь включено сопротивление, меняющееся по определенному закону с угловой частотой Ω.

            Пусть ЭДС генератора изменяется по закону е = Ecosωt. При спокойном состоянии модулятор имеет сопротивление r₀ и, следовательно, в цепи протекает ток i₀ = Есоsωt/(R + r₀), где R — сопротивление цепи без сопротивления модулятора. Предположим, что сопротивление модулятора r_m изменяется также по закону косинуса, но с более низкой частотой Ω, т.е. r_m = r₀ — rcosΩt, где r < г₀. Тогда ток в цепи

i = EcosΩt/(R+ г₀ — rcosΩt).

Введя обозначение Q = R₀+ r₀ получим

i = Е/R₀(1 — mcosΩt)^-1 cosωt,

            Таким образом, имеем выражение для колебаний с угловыми частотами ω — Ω и ω + Ω . Угловая частота ω называется несущей, а угловые частоты (ω — Ω ) и (ω + Ω ) — нижней и верхней боковыми. Колебания тока в цепи при спокойном состоянии модулятора (r_m = r₀) показаны на рис. 3.16, б, а колебания модулированного тока при r_m = г₀ — rcosΩt — на рис. 3.16, в.

            Перейдем теперь к рассмотрению амплитудной модуляции при телефонирование. Фактически при телефонирование амплитуды токов с угловой частотой в изменяются в соответствии с изменением напряжения составляющих спектра угловых частот от Ω₁ до Ω₂. Поэтому в результате модуляции получаются не две боковые частоты, как при телеграфировании переменным током, а две полосы боковых угловых частот: от (ω — Ω_n) до (ω — Ω₁) и от (ω +Ω₁) до (ω +Ω_n). На рис. 3.16, г показаны условно эти полосы частот. Ширина каждой из них равна ширине телефонного спектра. Передавать можно только нижнюю или верхнюю полосу частот без несущей частоты ω. Для того чтобы отделить полосы частот, применяют электрические фильтры, а для подавления несущей частоты — специальную схему модулятора. Огибающая на рис. 3.16, в соответствует закону изменения тока модулирующей частоты Ω. Если модулировать токами не одной частоты, а полосы частот, то огибающая будет сложнее, например, такая, как на рис. 3.16, д.

            При распространении электромагнитной энергии по проводам или без проводов имеют место потери и, следовательно, энергия в месте приема становится во много раз меньше энергии передатчика. В приемнике приходится энергию усиливать. Но вместе с полезными сигналами усиливаются и всевозможные помехи (атмосферные, промышленные и др.), которые будут накладываться на сигналы и дополнительно их модулировать по амплитуде, искажая их форму.

            В случае проводной связи существуют эффективные методы борьбы с помехами, например, путем установки промежуточных усилителей, что дает возможность не допускать снижения напряжения и тока полезного сигнала до уровня помех. В телефонии считают, что отношение сигнал/помеха (U_c/U_n) должно быть не меньше 100... 110. Следовательно, в тех точках цепи, где полезный сигнал еще не уменьшился до напряжения (тока, мощности) помех, необходимо устанавливать промежуточные усилители.

            В случае радиосвязи этот метод борьбы с помехами применять нельзя. Между двумя оконечными радиостанциями — передающей и приемной — можно было бы установить промежуточные приемопередающие станции, что иногда и делается, но это стоит очень дорого.     Приходится поэтому значительно повышать мощность передатчика, чтобы в месте нахождения приемника, отстоящего на определенном расстоянии, напряжение (напряженность электромагнитного поля) полезного сигнала было бы все-таки значительно выше напряжения помех.

            Для борьбы с помехами в беспроводной связи стремятся использовать другие виды модуляции: фазовую и частотную. С этой же целью указанные виды модуляции применяются при частотном телеграфировании по проводам.

3.8. Фазовая модуляция

            В современных модемах часто используется фазовая модуляция — ФМ, или PSK (Phase Shift Keying).

            Пусть в выражении (3.2) фаза φ в зависимости от времени меняется по закону:

            Таким образом, при М_ф< <1 состав ФМ-колебаний соответствует составу АМ-колебаний, т.е. ФМ-колебание состоит из колебания несущей частоты и колебаний двух боковых частот.

            Учтя функции Бесселя первого рода k-го порядка J_k(М_ф) и проделав преобразования, приходим к выражению вида

            На рис. 3.17 показаны функции Бесселя первого рода в зависимости от индекса фазовой модуляции. Из него следует, что при М_ф < 1 решающее значение имеют J₀ и J₁ (J₂ ≤ 0,1), поэтому при малых индексах фазовой модуляции (М_ф «1) в выражении (3.4) можно оставить лишь два первых члена:

            Из кривых на рис. 3.17 и выражения (3.4) видно, что при любых М_ф энергия распределена по отдельным составляющим сложного колебания при малых значениях M_ф она сосредоточена, главным образом, в составляющих с угловыми частотами ω и ω ± Ω, а при больших значениях M_ф — в большем числе составляющих с высшими угловыми частотами.            Это значит, что чем больше индекс фазовой модуляции, тем шире спектр частот при модуляции.

            Таким образом, преимущество фазовой модуляции по сравнению с амплитудной состоит в том, что мощность сигнала при фазовой модуляции не меняется. Это делает передачу менее подверженной помехам, чем при амплитудной модуляции, при которой мощность меняется в широких пределах. Кроме того, постоянство мощности облегчает условия работы аппаратуры, входящей в передатчик.

            Значительное расширение спектра частот при фазовой модуляции, наоборот, является недостатком, в особенности при многократном телефонирование и телеграфировании, поскольку для каждой передачи занимается более широкая полоса частот. Это обстоятельство указывает на то, что фазовую модуляцию с успехом можно применять на очень высоких частотах, так как с увеличением несущей угловой частоты а уменьшается относительная ширина полосы угловых частот передачи 2Ω/ω.

3.9. Частотная модуляция

            Наряду с фазовой, в модемах применяется и частотная модуляция — ЧМ, или FSK (Frequence Shift Keying). Ученым потребовалось 25 лет для разработки теории частотной модуляции и перехода от АМ к ЧМ. При ЧМ модулирующее напряжение вызывает, изменение частоты.

            В простейшем случае, когда модуляция осуществляется не спектром частот, а одной частотой, зависимость угловой частоты от времени можно записать в следующем виде:

            Произведение ω₀т = ∆ω является амплитудой отклонения угловой частоты от ω₀. Выражение (3.6) для угловой частоты а нельзя подставить в выражение (3.2), так как теперь а зависит от времени. Представим выражение (3.2) в следующем виде:

где М_ч— коэффициент частотного отклонения, часто называемый индексом частотной модуляции.

            Из сравнения выражений (3.3) и (3.7) следует, что формально фазовая и частотная модуляции не отличаются друг от друга, т.е. для нахождения тока при частотной модуляции можно использовать выражение (3.4), а при малых индексах частотной модуляции (М_ч«1) — выражение (3.5).

            Однако если индекс фазовой модуляции М_ф не зависит от модулирующей частоты, то индекс частотной модуляции М_ч= тω₀/Ω, наоборот, зависит от модулирующей угловой частоты Ω. Поэтому равенство М_ф =М_ч будет справедливо лишь при одной определенной модулирующей частоте. Из этого следует, что в случае изменения модулирующей угловой частоты Ω при фазовой модуляции число составляющих спектра частот и, следовательно, энергия их не меняются, а изменяется лишь ширина полосы частот. В том же случае при частотной модуляции происходит изменение числа составляющих и, следовательно, перераспределение энергии между ними (в соответствии с кривыми, показанными на рис. 3.17), ширина же полосы частот изменяется очень незначительно.

            Для сравнения на рис. 3.18 показаны спектры частот при ФМ и ЧМ для индекса фазовой модуляции М_{ф =} 4 и постоянной амплитуды модулирующего напряжения. Через F = Ω/2π обозначена модулирующая частота, кГц; при исходной частоте F = 4 кГц,

М_ф = М_ч= 4.

            Из рис. 3.16 видно, что при ФМ увеличение модулирующей . частоты приводит к резкому расширению полосы частот, а число составляющих полосы частот и их величины не меняются, так как не меняется индекс фазовой модуляции. При ЧМ полоса частот почти не меняется, но число составляющих уменьшается с увеличением модулирующей частоты и энергия между составляющими перераспределяется (чем меньше составляющих, тем больше энергии

сосредоточено в каждой из них), так как уменьшается индекс частотной модуляции. То обстоятельство, что при ЧМ в случае изменения модулирующей частоты ширина полосы частот остается почти неизменной, а при ФМ с увеличением модулирующей частоты ширина полосы резко увеличивается, свидетельствует о преимуществе ЧМ по сравнению с ФМ.

            Отклонение по фазе во время действия среднестатистической помехи составляет несколько процентов от отклонения при модуляции полезным информационным сигналом. Поэтому и искажающее действие помехи будет незначительно. Из этого следует, что с точки зрения защиты от помех необходимо выбирать большие значения индексов М_ч и М_ф или, что то же самое, расширять спектр частот. Расширение же спектра частот требует повышения несущей частоты ω₀, так как М_ч= тω₀/Ω.

            При передаче телеграфного или цифрового кода в простейшем случае значениям 1 и 0 бит данных соответствуют два значения частоты, например, 980 и 1180 Гц, как было принято в одном из первых протоколов обмена.

            В волоконно-оптических кабелях для уплотнения каналов также применяется частотная модуляция, получившая название WDM (см. под разд. 3.3). WDM служит и для повышения скорости передачи данных в одном направлении; обычно используются от двух до шестнадцати каналов.

            В заключение отметим, что на практике модуляция осуществляется не одним синусоидальным или косинусоидальным напряжением с угловой частотой Ω, а более сложным колебанием, содержащим полосу частот, включающую кроме несущей еще и поднесущую частоту. Поэтому как при ФМ, так и при ЧМ на рис 3.18 составляющих будет несравненно больше. Однако и в этом случае полоса частот при ФМ резко изменяется при увеличении ширины полосы модулирующего сигнала, а при ЧМ полоса частот остается почти неизменной. Методы модуляции при этом те же, что рассмотрены в приложении 11: AM — АМ, ЧМ — АМ, AM ЧМ и др. Из таблицы и формулы приложения 11 видно, что помехоустойчивость каналов с разделением частот неодинакова для разных методов модуляции.

3.10. Квадратурная амплитудная модуляция

            Так как при амплитудной модуляции защищенность сигнала от помех крайне низка, то применяют более помехоустойчивую, но и более сложную квадратурную амплитудную модуляцию (КАМ, или QAM — Quadrature Amplitude Modulation). Методы КАМ сочетают фазовую модуляцию с восемью значениями сдвига фазы и амплитудную модуляцию с четырьмя уровнями амплитуды. В модификациях КАМ из получающихся 32 возможных комбинаций используются не все, а лишь 6 или 7, остальные комбинации—

запрещенные. Избыточность кода и повышает его помехозащищенность. Для дуплексной передачи со скоростью 1200 или 2400 бит/с по коммутируемым телефонным сетям общего пользования и двух проводным двухточечным линиям рекомендациями МККТТ по стандартам V.22 и V.22бис (ГОСТ 20855 — 83) предусмотрено использовать частотное разделение полосы канала тональной частоты путем деления на два подканала. Несущая частота первого подканала (1200± 0,5) Гц, а второго — (2400± 1) Гц. При скорости передачи 2400 бит/с применяют 16-позиционную квадратурную амплитудную модуляцию со скоростью модуляции, равной 600 Бод в каждом квадратурном канале. При КАМ в такт с передаваемыми данными изменяются одновременно и фаза, и амплитуда сигнала (ФМ — АМ).

            Рекомендуемое сигнальное пространство для КАМ-сигналов показано на рис. 3.19, а и б, где U_x и U_y — напряжения в квадратурных каналах КАМ-модулятора. КАМ-сигналы изображают точками или векторами в двумерном пространстве на плоскости, образованной синфазной осью U_x и квадратурной осью U_y, повернутыми 

по отношению друг к другу на 90⁰ (находящимися в квадратуре). Такое представление позволяет наглядно отобразить амплитудно-фазовые параметры — модуляционный формат этого класса сигналов.

            Аналитически КАМ-сигналы описываются выражением

            Единичные элементы КАМ-сигналов представляют собой отрезки синусоид на интервалах то, отличающихся амплитудами и начальными фазами. Когда скорость модуляции становится свыше 1200 Бод, происходит существенное расширение спектра, что при ограниченной полосе частот и наличии неравномерности частотных характеристик каналов тональной частоты приводит к заметным искажениям дискретных сигналов. Для уменьшения влияния частотных искажений, особенно больших на краях полосы пропускания канала, спектр единичных элементов ограничивают, а сами элементы наделяют свойствами отчетности. На рис. 3.19, в изображен единичный элемент вида sinx/х, представляющий собой функцию g(t) = [sin(∆ωt/2)]/(∆ωt/2), ограниченную на интервале Nτ₀, где N — число гармонических составляющих. Этот элемент, используемый в современных системах передачи сообщений по каналам тональной частоты, удовлетворяет условию отчетности, т.е.

            Спектр такого сигнала G(ω) показан на рис. 3.19, г, где ∆ω = = 2π/τ₀ — эффективная полоса; ∆ω_p — полоса расфильтровки.

            В настоящее время в модемах применяются сигналы, в которых затухание за зоной расфильтровки составляет около 40...70 дБ, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 26557 — 85.

3.11. Методы импульсной модуляции

            В линиях беспроводной импульсной радиосвязи модулируется характеризующий импульс параметр: амплитуда, ширина импульса, частота повторений или фаза. Эти разные методы импульсной модуляции обозначаются соответственно АИМ (амплитудно-импульсная модуляция), ШИМ (широтно-импульсная), ЧИМ (частотно-импульсная) и ФИМ (фазоимпульсная). Последнюю иногда называют время-импульсной модуляцией, или ВИМ. На приемном конце обычно эти виды модуляции преобразуются в амплитудную модуляцию АМ и обозначаются АИМ — АМ, ШИМ АМ, ЧИМ — АМ, ФИМ — АМ. Применяются и разные сочетания этих методов с рассмотренными в предыдущих подразделах методами ЧМ и ФМ, например ШИМ — ЧМ, ШИМ — ФМ. Модуляция и демодуляция осуществляются модемами. Ширина полосы частот уже существующих аналоговых каналов и создаваемых в последнее время цифровых каналов должна быть достаточна для передачи импульсно-модулированных цифровых сообщений.

            Часто АИМ состоит из процессов дискретизации информации (рис. 3.20, а) и передачи модулированной полученными дискретными импульсами несущей частоты. Высота АИМ-сигналов соответствует

величине информационной выборки. Принятые АИМ сигналы демодулируются  и оцифровываются.             Устройство демодуляции на приемном конце должно быть засинхронизировано с модулятором на передающем конце.

            При ЧИМ колебания несущей частоты модулируются не по амплитуде, а по частоте, сигналы выглядят так, как показано на рис. 3.20, б. Частота несущей соответствует величине информационной выборки.

            При ШИМ каждая выборка дискретизированной последовательности импульсов на передающем конце создает импульсы, длительность (ширина) которых пропорциональна величине выборки (рис. 3.20, в). Эти импульсы переменной длительности, но с постоянным периодом дискретизации Т_Д используются затем для модуляции несущей частоты. Положение во времени одного фронта импульса остается постоянным, а положение другого меняется в соответствии со значением информации (на рис. 3.20, в стрелка указывает на изменение заднего фронта). При этом длительность каждого импульса пропорциональна мгновенному значению информации в момент появления подвижного фронта импульса. На выходе демодулятора несущей частоты, т.е. на выходе видео частотного канала (ВЧ), в приемном устройстве на фоне шумов получается ряд импульсов различной длительности. Импульсы на выходе ВЧ-канала имеют неидеально вертикальные фронты, так как время нарастания импульсов обратно пропорционально ширине полосы пропускания канала, выделенной для данной передачи. Для демодулирования этих импульсов принято прежде ограничивать их по уровню, обозначенному пунктирной линией, а затем усиливать и ограничивать части импульсов, лежащие выше этой линии так, чтобы «снять» шум в верхней части импульсов. Этим вызывается смещение сигналов во времени t_смещ.

            Время-импульсная модуляция (ВИМ) отличается от ШИМ лишь тем, что роль переменного во времени фронта импульса выполняет короткий импульс (рис. 3.20, г). Практически ВИМ осуществляется дифференцированием напряжения (см. рис. 3.20, в) до подачи его в передающее устройство. Таким образом, при ВИМ колебания несущей частоты включаются только на время посылки короткого импульса, благодаря чему достигается экономия энергии по сравнению с ШИМ.

            Во всех рассмотренных методах модуляции модулируемая величина изменялась непрерывно во всем своем диапазоне. Так как в телеметрии большинство подлежащих измерению величин изменяется непрерывно, то метод непрерывной модуляции и непрерывного получения данных и называется аналоговым методом.

3.12. Аналоговые модемы

            В настоящее время самыми распространенными модемами являются аналоговые, позволяющие осуществлять прямое и обратное преобразования сигналов к виду, принятому для использования в определенном канале связи. Первые модемы выполняли прямое преобразование широкополосных импульсных телеграфных и телетайпных сигналов в узкополосные аналоговые, поступающие в начало линии связи (прямое преобразование). Они же осуществляли на приемном конце линии связи обратное преобразование узкополосного аналогового сигнала в узкополосные импульсы телеграфного кода. Модулятор представляет собой нелинейный электрический колебательный контур, амплитуда, фаза или частота колебаний которого динамично изменяется путем изменения (управления) параметров электрорадиоэлементов — конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов. Иногда модуляторы включают в себя и кварцевый резонатор, позволяющий стабилизировать частоту колебаний.

            Демодулятор преобразует высокочастотный модулированный сигнал в ток или напряжение с частотой модуляции (низкой, например, звуковой). Схема демодулятора представляет собой дискриминатор, включающий активный низкочастотный полосовой нелинейный электрический фильтр с переменными параметрами, пропускающий токи в определенной полосе частот с малым затуханием и не пропускающий токи с частотами, находящимися вне этой полосы. Много полосовые фильтры нижних частот используются и для разделения передаваемых одновременно по двух проводной линии нескольких передач (телефонных, телеграфных, вещательных, телевизионных и др.).

            Преобразование в модемах данных и их передача выполняются в соответствии с протоколами передачи данных, регламентирующими каким должен быть формат данных, какой способ модуляции данных необходимо избрать с целью ускорения и защиты от помех их передачи, как выполнить соединение с каналом, как преодолеть действующие в канале шумы и обеспечить достоверность передачи. Стандарт МККТТ обычно включает в себя несколько протоколов обмена, редко — один. Для передачи данных по выделенным и коммутируемым аналоговым линиям используются модемы с аналоговой модуляцией сигнала.

            Модемы, работающие только в асинхронном режиме, поддерживают низкую скорость передачи данных. Так, модемы, работающие по стандарту V.23, обеспечивают скорость 1200 бит/с, по стандарту V.21 — 300 бит/с. Асинхронные модемы являются наиболее дешевыми средствами преобразования информации и неприхотливыми к качеству линии.

            Модемы, работающие только в синхронном режиме, дороже асинхронных и требуют более качественных линий передачи. Для выделенных каналов тональной частоты разработано много стандартов, поддерживающих дуплексный режим. Параметры некоторых из них приведены в табл. 3.3. Стандарт (шкала) скорости передачи данных соответствует стандарту протоколов МККТТ для телефонных каналов и ГОСТ 20855 — 83.

            Для асинхронно-синхронных модемов разработан ряд стандартов, часть из которых приведена в табл. 3.4.

            Начиная с протокола передачи V.22 bis используются сложные методы кодирования данных, при которых в каждый момент времени элемент данных представляется не двумя, а большим количеством значений модулируемого параметра сигнала. Скорость, передачи при этом повышается, но несколько ухудшается помехозащищенность сигналов.

            Наибольшее распространение в современных модемах получил протокол дуплексной передачи стандарта V.90. Он обеспечивает

прием данных со скоростью 56 Убит/с, а передачу — со скоростью до 33,6 Убит/с. Стандарт позволяет тестировать канал связи и определить оптимальный для него режим работы модемов, т.е. несущую частоту, полосу пропускания, скорость передачи, уровень передаваемого сигнала. Начальное соединение может осуществляться на минимальной скорости передачи 300 бит/с, которая характерна для линий самого низкого качества. Затем происходит идентификация модемов на обоих концах канала связи, определяется тип используемой модуляции и выбирается эффективная скорость передачи.

            Новый протокол V.92, не увеличивая скорости приема данных, поднимает максимальную скорость их передачи до 48 Убит/с. В него добавлена функция временного удержания соединения modem-on-hold (модем захвачен, занят), дающая ответ на телефонный вызов в момент, когда линия занята модемом, находящимся на связи. Линия не будет занята при работе в Интернете, и пользователь может ответить на телефонный вызов и вести разговор в течение 16 мин без разрыва модемной связи. Длительность времени разговора может быть изменена по разрешению Интернет-провайдера.

            Передача файлов по телефонным линиям осуществляется по специальным протоколам Xmodem, Ymodem, Zmodem и Kermit, регламентирующим дополнительно разбиение информации на блоки, использование корректирующих кодов, повторную пересылку неверно принятых блоков, восстановление передачи после обрыва и др. На телефонных линиях России самым распространенным и рекомендуемым является Zmodem.

            Современные модемы кроме собственно модулирования-демодулирования и процедур передачи информации обеспечивают и другие функции, такие, как автоматическое определение номера вызывающего абонента (АОН), приема и передача факсимильных сообщений (факс-модемы), автоответчик и электронный секретарь, оцифровка и восстановление голоса (voice-модемы) и др. Работой модема управляет специализированный микропроцессор, имеются оперативное и постоянное (иногда перепрограммируемое) запоминающие устройства, световая и звуковая сигнализация о режимах работы, характеристиках канала связи и о конфигурации модема.

            Существуют два класса модемов — Class 1 и Class 2. Модемы Class 1 называются программными (software) и работают под управлением Windows, из-за чего их иногда называют Win-модемами. Часть функций реализуется программой, выполняемой центральным процессором ПК, что удешевляет модем, но дополнительно нагружает компьютер. Модемы Class 2 называются аппаратными (hardware). Они дороже, но более эффективны при работе в многозадачных операционных системах. Hard-модемы просты . в настройке, не требуют ресурсов ПК и хорошо держат плохие телефонные линии.

            Еще два типа сверхсовременных модемов — AMR (Audio and Modem Riser Card) и CNR (Communication and Networking Riser Card) очень дешевы, но могут работать только с новейшими Intel чипсетами и с тональными набирателями номера. (Чипсет — это набор системных микросхем, обеспечивающих работу микропроцессора и других узлов ЭВМ.)

            Конструктивно модемы могут быть внутренними или внешними, т.е. выполненными соответственно в виде платы, вставляемой в слот системной платы компьютера, или в виде самостоятельного блока. Наиболее популярны в России модемы фирм ZyXEL и US Robotics. Многие типы модемов обеспечивают разнообразные сервисные услуги, например автоматические рассылку, прием и распечатку факсов, запись и прослушивание речевого сообщения, АОН и др.

3.13. Спектры частот, применяемые для электрической связи, и физическая среда каналов связи

            В низкоскоростных и среднескоростных каналах связи (КС) физической средой передачи информации обычно являются проводные линии связи, представляющие собой группы параллельных проводов либо скрученных попарно для уменьшения перекрестных наводок между проводниками («витая пара»). Неэкранированные кабели с витыми парами из медных проводов обозначаются UTP (Unshielded Twisted Pair — незащищенная скрученная пара).

           Проводная связь на небольшие расстояния (в черте города, в пригородах), как правило, организуется без преобразования частот. На большие расстояния, наоборот, все виды связи — телефонная, телеграфная, радиовещание, телевидение — организуются с преобразованием частот, что позволяет лучше использовать кабельные и воздушные линии связи.

          По воздушным цепям с медными проводами осуществляется до 16 телефонных связей одновременно. Для этого используется спектр частот примерно до 150 кГц. Ориентировочное распределение телефонных каналов (в канале укладывается спектр частот одного направления передачи) приведено на рис. 3.21. Стрелками показаны направления передачи. Это значит, что если организуется телефонная (дуплексная) связь, то каждая телефонная передача в одном направлении осуществляется по каждому каналу из группы каналов, отмеченных стрелкой справа налево, а второе (обратное) направление передачи происходит по каждому каналу из группы каналов, отмеченных стрелкой слева направо. Один канал занимает спектр частот 4 кГц, следовательно, для телефонной связи необходима полоса в 8 кГц. В одном телефонном канале (в полосе частот 4 кГц) можно организовать до 18 телеграфных связей.

         По кабельным цепям так называемой симметричной конструкции передаются частоты до 256 кГц. Эти кабели представляют собой два или четыре изолированных медных провода, скрученные в группы, объединенные в водонепроницаемой оболочке (например, свинцовой) и покрытые броней. Обозначаются они STP (Shielded Twisted Pair). Таким образом, для телефонирования по воздушным симметричным кабелям используются частоты, находящиеся в области длинных волн (см. рис. 3.3 и 3.8).   Коаксиальные кабельные линии используются не только для телефонирования, но и для других связей в полосе частот до 1 МГц и выше; полоса частот от 1 МГц обычно применяется для телевидения, хотя может быть использована и для организации телефонных каналов. Коаксиальные кабели обозначаются СС (Coaxial Cable). Конструкция коаксиального кабеля такова: полый цилиндр

обычно из цветного металла (медь, алюминий) содержит внутри себя сплошной цилиндрический провод обычно из меди, который центрируется внутри полого цилиндра с помощью изоляционного материала. Если считать, что на один телефонный канал требуется полоса частот порядка 4 кГц, то число телефонных каналов в полосе частот до 1 МГц будет примерно равно 240, а в полосе частот до 10 МГц — 2500. Таким образом, телефонная связь и телевидение по коаксиальным кабелям осуществляются не только в области ДВ и СВ, но и в области КВ (высшая частота 10 МГц соответствует длине волны примерно 30 м).

            При многократном телефонирование по проводам промежуточные усилительные пункты устанавливаются на расстоянии друг от друга примерно 300 км (воздушные цепи), 40 км (кабельные симметричные цепи) или 20 км (коаксиальные цепи).

            Для передачи информации на большие расстояния используются беспроводные радиоканалы. Границы диапазонов волн показаны на рис. 3.3.

            Каждый из диапазонов имеет ряд особенностей распространения. Радиоволны всех диапазонов, кроме радиоволн короче 3 ... 5 м, отражаются ионосферой, что обусловливает возможность передачи сигналов на очень большие расстояния, в сотни и тысячи раз превышающие дальность прямой видимости. Наиболее эффективно (при сравнительно небольших потерях энергии на поглощение) от ионосферы отражаются короткие радиоволны.           При распространении радиоволн вблизи земной поверхности происходит их поглощение, растущее с укорочением длины волны, поэтому наибольшая дальность радиосвязи может быть получена (при прочих равных условиях) на длинных волнах. На распространение ультракоротких радиоволн большое влияние оказывает состояние тропосферы, в которой происходят преломление, рассеяние и поглощение радиоволн. Последнее прежде всего относится к сантиметровым и миллиметровым волнам.

            В радиосвязи низкие (тональные) частоты не используются; иногда применяются лишь очень длинные волны, порядка 10 000 м (30 кГц). Чаще всего беспроводная связь осуществляется на СВ и КВ порядка 1000... 100 000 кГц (300 ... 3 м) и в области дециметровых волн (частоты от 300 МГц до 3 ГГц).

3.14. Комбинированная проводно-беспроводная электросвязь

            Направленное излучение энергии имеет решающее значение в случае организации многократной связи с помощью радиорелейных линий связи (РЛС) (см. под разд. 3.3). По такой линии можно передать относительно широкий спектр частот, включающий сотни полос, соответствующих телефонному спектру частот, и осуществить сотни телефонных разговоров одновременно. Это обусловлено тем, что несущая частота весьма высока (порядка нескольких гигагерц) и боковые полосы частот порядка 3...4 МГц, возникающие при модуляции, содержат крайние частоты, мало отличающиеся в процентном отношении от несущей частоты. Но в полосе частот 4 МГц укладывается 1000 телефонных каналов по 4 кГц. Схема связи по радиорелейным линиям показана на рис. 3.22.

          Законы распространения дециметровых волн аналогичны законам распространения световых волн, поэтому расстояние между передающей и приемной станциями определяется прямой видимостью, т.е. составляет 50 ... 60 км. На таком расстоянии друг от друга устанавливают приемопередающие станции подобно усилителям в проводной связи.

           Для организации многократной связи по РЛС может быть использована примерно такая же аппаратура, какая применяется для многократной телефонной связи по проводам. Нетрудно заметить, что вместо сотен телефонных передач можно организовать по РЛС передачу телевизионной программы, требующей примерно такого же спектра частот.

           РЛС работают в УКВ-диапазоне, что позволяет передавать сообщения, занимающие весьма широкую полосу частот (например, передавать одновременно сотни телефонных разговоров). Связь на УКВ устойчива и практически не зависит от времени года и суток, промышленные и атмосферные помехи в этом диапазоне ослаблены. Антенные устройства в УКВ-диапазоне получаются компактными и обладают большой направленностью. По количеству

и качеству одновременно передаваемых сообщений РЛС превосходят все другие виды линий связи, в том числе коаксиальные кабельные линии. Для увеличения пропускной способности на одной линии применяют несколько высокочастотных стволов, каждый из которых образуется цепочкой приемопередающей радиоаппаратуры и представляет собой, по существу, самостоятельную РЛС. Стволы работают на разных близких волнах на общие антенны, к которым они подключаются через разделительные электрические фильтры. Для многократного (многоканального) использования каждого ствола применяется аппаратура уплотнения, что позволяет по каждому стволу передавать 600... 1000 одновременных телефонных разговоров или высококачественную программу телевидения.

            Как было указано в под разд. 3.4, во многих случаях нельзя обойтись только проводной или радиосвязью (связь с движущимися объектами или связь через моря и океаны). В этих случаях комбинируют указанные виды дальней связи. Схема комбинированной дальней проводной и дальней радиосвязи приведена на рис. 3.23. Пунктирными линиями, исходящими из МТС1 и МТС2, показаны проводные цепи, соединяющие телефонные аппараты городских абонентов с МТС.

            По такой же схеме городские абоненты могут быть связаны и с самолетом, поездом, пароходом, на которых установлены передающие и приемные радиостанции.

ГЛАВА. 4.ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

4.1. Причины перевода сетей на цифровую технологию

            Первоначально для целей телефонии, радиовещания и телевидения были созданы аналоговые каналы, по которым сообщения передавались в непрерывной — аналоговой — форме. С возникновением цифровых вычислительных машин, пришедших на смену аналоговым (первая отечественная цифровая Малая вычислительная машина МЭСМ была создана под руководством академика Лебедева в 1950 г.), появилась потребность передавать сообщения и в цифровой форме. В этой же форме вполне логично было передавать алфавитно-цифровые данные, тексты, например, предварительно пронумеровав в двоичной системе символы — цифры, буквы и знаки.

            Информация, воплощенная и зафиксированная в некоторой материальной форме, называется сообщением, которое может быть непрерывным, т.е. аналоговым, или дискретным — кодированным (рис. 4.1). Передача аналоговых сигналов подробно рассмотрена в гл. 3. Аналоговые сигналы передаются по проводам и кабелям, но некоторые беспроводные сетевые технологии используют аналоговую радиопередачу. Для дискретного сообщения характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых в некоторые моменты — дискреты времени — формируются различные последовательности цифр, соответствующие уровню обрабатываемой физической величины. Преобразование непрерывного сообщения в дискретное называется кодированием, или дискретной модуляцией, которая в свою очередь подразделяется на два вида — аналоговую модуляцию (или просто модуляцию), подробно рассмотренную в гл. 3, и цифровое кодирование. При цифровом кодировании информация представляется в виде последовательности прямоугольных импульсов. Для передаваемой текстовой информации тем более характерна цифровая форма.

            Созданные ранее аналоговые каналы, рассмотренные в гл. 3, начиная с 70-х годов прошлого века стали использоваться для передачи информации и в дискретной форме. И цифровую, и аналоговую информацию можно передавать как по цифровым, так и по аналоговым каналам. При этом необходимо решать вопрос о соответствии ширины спектра сигнала и ширины полосы пропускания канала, чтобы избежать недопустимых искажений сигнала при прохождении его по линии связи.

            При проектировании новых, в том числе и ведомственных, сетей связи предпочтение отдается цифровым методам связи, что объясняется следующими причинами..

            возможностью цифровой передачи любых известных сигналов электросвязи;

возможностью контроля качества приема цифровых сигналов по единому показателю — характеристике цифровых ошибок, что позволяет выявить сигналы пониженного качества, требующие повторной передачи (для сигналов, допускающих пере запрос), и сигналы, требующие исправления без пере запроса (для сигналов в реальном масштабе времени) — см. гл. 6;

            существенным упрощением эксплуатации цифровых средств и повышением показателей надежности каналов и трактов, что обусловлено как упрощением диагностики неисправностей, так и возможностью восстановления каналов и трактов;

            возможностью использования для передачи цифровых сигналов любых широкополосных направляющих сред, в первую очередь оптических волокон и спутниковых каналов;

            существенным упрощением цифровой аппаратуры передачи данных по сравнению с аналоговой, поскольку цифровые сигналы

можно более эффективно и гибко обрабатывать и передавать, чем аналоговые;

            обеспечением конфиденциальности информационного обмена; переходом ведомственных сетей и сетей связи общего пользования развитых стран на цифровые средства передачи и коммутации с ориентацией в дальнейшем на цифровые сети интегрального обслуживания и, как результат, прекращением производства аналоговых средств связи.

4.2. Дискретная модуляция аналоговых сигналов

            Сообщения об изменениях каких-либо физических непрерывных величин (например, в системах дистанционного управления, телеметрии), направляемые для обработки на цифровую ЭВМ, предварительно преобразовываются в дискретную форму. Такое преобразование сообщения из аналоговой формы (рис. 4.2, а) в дискретную (рис. 4.2, б) называется квантованием, или дискретизацией, теорию которой разработал академик В.А. Котельников.

            Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора элементов, называемых дискретами по уровню ∆А, из которых в некоторые моменты — дискеты по времени ∆Т_д — формируются последовательности чисел, соответствующих уровням непрерывной величины. Такое преобразование сообщения из дискретной формы в цифровую называется оцифровкой.

            После проведенной дискретизации непрерывной функции в моменты времени, соответствующие очередному дискрету времени Т_д амплитуде сигнала приписывается значение, равное числу дискретов (квантов) по уровню ∆А, содержащемуся в абсолютном значении амплитуды А. Число дискретов подсчитывается двоичным счетчиком, и в результате получается двоичный цифровой код значения амплитуды сигнала в момент времени очередного дискрета. Образующаяся последовательность цифровых кодов посылается в канал связи. Такая оцифровка производится в течение времени преобразования ∆Т_д с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

            Схема простейшего АЦП последовательного счета приведена на рис. 4.3, а, временные диаграммы его функционирования — на рис. 4.3, б. Поступающие с генератора с частотой f_сч импульсы подсчитываются и-разрядным (в данном случае — четырехразрядным) счетчиком. Одновременно с этой же частотой цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) вырабатывает дискреты по уровню ∆А, которые подаются (подобно гирькам на чашу весов) на один из входов компаратора. На другой вход компаратора подается входное аналоговое напряжение, которое необходимо преобразовать в цифровую форму. Компаратор сравнивает два напряжения и вырабатывает сигнал в момент равенства их значений. При достижении суммой дискретов ∆А значения аналогового напряжения компаратор срабатывает, его сигнал прерывает поступление счетных импульсов на счетчик, счет останавливается и на счетчике оказывается зафиксированным n-разрядный двоичный цифровой код, соответствующий значению аналоговой величины на данном периоде квантования. Размеры квантов по времени и по уровню определяют погрешность преобразования. К ней добавляются погрешности, вызываемые разбросом параметров и деградацией элементов схемы, нестабильностью источника опорного питания ЦАП и климатических условий. По этим причинам наиболее качественные АЦП позволяют получить лишь двадцатиразрядный цифровой код.

            В системах дистанционного управления и в АСУ полученный по линии связи цифровой код должен быть преобразован в аналоговую форму, для чего он подается на ЦАП. Простейшая схема ЦАП (рис. 4.4) представляет собой матрицу весовых сопротивлений R_i, подключаемых с помощью управляемых разрядами кода ключей Z_i к источнику опорного питания U_оп в той или иной комбинации,

соответствующей значению кода. Полученное напряжение через операционный усилитель подается на выход.            Восстановленная таким образом непрерывная последовательность будет иметь форму, отличающуюся от исходной в допустимых пределах

(рис. 4.2, в). Подобный ЦАП, как уже говорилось, входит и в состав АЦП (см. рис. 4.3, а), в котором он вырабатывает ступенчатое напряжение U_ЦАП (см. рис. 4.3, б), представляющее собой нарастающую сумму дискретов (квантов) по уровню ∆А.

            Теперь рассмотрим вопрос о том, какова должна быть частота рис. 4.4. Схема четырехразрядного повторения выборок, т.е. часто ЦАП та дискретизации, чтобы обеспечить заданную точность оцифровки. Ответ дает теорема Котельникова: для того чтобы точно воспроизвести непрерывную временную последовательность по ее выборкам (по дискретной временной последовательности), частота дискретизации 1/Т_д должна более чем вдвое превышать наивысшую частоту f_max в этой непрерывной последовательности, т.е. Т_д≤ 1/2f_max.

            Наивысшая частота — это частота nf гармонической составляющей ряда Фурье с максимальным номером n_max, в который может быть разложена импульсная последовательность, полученная преобразованием исходной непрерывной последовательности после дискретизации (см. рис. 4.2, 6).

            На практике учитываются гармонические составляющие с первой по пятую. При выполнении условия этой теоремы погрешность преобразования на этапе квантования по времени отсутствует. Процесс квантования по уровню всегда связан с внесением некоторой погрешности ε_i, значение которой определяется неравенством — ∆А/2 ≤ε_i ≤ ∆А/2. Погрешность ε_i, называемая шумом квантования, однозначно определяется числом допустимых значений преобразуемой непрерывной функции А, т.е. разрядностью используемого цифрового кода. Следовательно, погрешность аналого-цифрового преобразования, обусловленная шумом квантования, при увеличении разрядности выходного кода может быть уменьшена до сколь угодно малой величины. Но в отличие от погрешности дискретизации по времени она принципиально присуща данному алгоритму и не может быть сведена к нулю выбором параметров устройства.

            Рассмотренные погрешности обусловлены самим алгоритмом аналого-цифрового преобразования. Кроме них в реальных АЦП возникают погрешности, связанные с не идеальностью используемой элементной базы, т.е. инструментальные погрешности.

            Разработаны разнообразные схемы АЦП и ЦАП, отличающиеся по функциональному составу и характеристикам. Такое многообразие устройств является следствием различия требований,

предъявляемых к преобразователям конкретными условиями их применения, которые не могут быть удовлетворены единым универсальным техническим решением. В табл. 4.1 перечислены ряд областей применения АЦП и требования, предъявляемые к ним реальными условиями работы.

            Оцифровывание голоса осуществляется аппаратурой выделенных цифровых линий технологии плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ, другое обозначение — PDH от Plesiochronic Digital Hierarchy; plesio — почти, т.е. почти синхронная). Аппаратура PDH оцифровывает голос с частотой 8 кГц и кодирует его с помощью импульсно-кодовой модуляции — PCM (Pulse Code Modulation), образуя цифровой поток данных 64 Кбит/с.

4.3. Спектры последовательностей цифровых сигналов

            Сравним спектры цифровых сигналов с рассмотренными в гл. 3 спектрами аналоговых сигналов.

            Информация в цифровой форме как входная для ЭВМ, так и после обработки, т.е. выходная от ЭВМ, передается по каналам связи. При цифровом кодировании передаваемых данных, когда двоичные коды представляются в форме последовательности прямоугольных импульсов, спектр результирующего импульсного сигнала получается гораздо шире, чем при применении аналоговой модуляции. Это не удивительно, если вспомнить, что описываемый функцией Бесселя спектр идеального импульса, имеющего бесконечно большую амплитуду и бесконечно малую длительность, имеет бесконечную ширину (рис. 4.5).

            Цифровые сигналы — прямоугольные импульсы идеальной формы, проходя по линиям связи, искажаются, и, в лучшем случае,

чае, принимают трапециевидную форму (рис. 4.6). Сигналы характеризуются амплитудой U_с длительностью τ_с периодом повторения Т, длительностью переднего и заднего фронтов τ_ф1 и τ_ф2. Скважность следования импульсных сигналов Q_с = Т/ τ_с при постоянстве длительности импульса может меняться в зависимости от частоты следования сигналов. Скважность тактовых импульсов и импульсов в цепях синхронизации обычно является постоянной величиной. Скважность последовательности информационных сигналов обычно равна 10.       У сигналов, показанных на рис. 4.6 и 4.7, скважность равна 2, так как Т= 2τ_с; последовательность этих сигналов (импульсов) есть периодическая функция времени. Периодическую функцию, если она имеет на протяжении периода конечное число экстремальных значений, т.е. если выполняется условие Дирихле, можно представить в виде ряда Фурье. Ее можно выразить с достаточной степенью приближенности в виде суммы постоянной составляющей U_с/2 и нечетных гармонических составляющих — простых синусоидальных колебаний электрического напряжения, отличающихся по частоте и амплитуде:

где f= 1/Т; n — нечетные целые числа. Из рис. 4.7 и формулы (4.1) видно, что основная энергия импульса S² сосредоточена в низкочастотной части спектра (гармоники первая — F, третья — 3F, пятая — 5F), так как амплитуда каждой составляющей уменьшается пропорционально ее частоте.

            В случае когда Q_с > 2, импульсную последовательность также можно представить в виде суммы синусоидальных составляющих, но выражение (4.1) при этом сильно усложняется, соотношения между гармониками изменяются. Доля высокочастотных гармоник увеличивается, и энергетический спектр сигналов с увеличением скважности расширяется (рис. 4.8).

            В том случае, когда нас не интересуют детали переходного процесса в течение короткого времени действия импульсов τ_с следующих через длительные интервалы периодов повторения T» τ_с («одиночные импульсы»), может применяться дискретный метод анализа с использованием математического аппарата решетчатых функций. Спектр составляющих таких сигналов весьма широк, его активная ширина ∆f_c » 1/Т. Удовлетворительный результат качественного спектрального разложения импульсных сигналов получается в случае, если активная ширина спектра импульса определяется тем диапазоном частот от f= 0 до некоторой верхней частоты F_в (численно равной ∆f_c), в котором сосредоточено 95% полной энергии импульса.

            Значения активной ширины спектра импульсов некоторых форм, вычисленные по указанному выше критерию, приведены в табл. 4.2. С целью упрощения принято равенство длительностей переднего и заднего фронтов: τ_ф1 = τ_ф2 = τ_ф. При заданной

длительности импульса τ_с активная ширина спектра может быть выбрана из этой таблицы.

            Если τ_ф/ τ_с > 0,2, то с достаточной степенью точности можно считать, что ∆f_c = (0,2...0,4)/τ_ф.

Из табл. 4.2 видно, что сигнал с большей крутизной переднего фронта характеризуется наличием в спектре более высокочастотных составляющих, так как активная ширина его спектра больше. Таким образом, полоса пропускания канала может оказаться недостаточной для неискаженной передачи одной последовательности импульсов, имеющих определенные форму, длительность, амплитуду и скважность, и достаточной для другой последовательности. Цифровые сигналы по сравнению с аналоговыми требуют более широкой полосы пропускания канала передачи. Но для реализации прямоугольных и подобных им импульсов требуется менее сложная и менее дорогостоящая аппаратура, чем для реализации синусоидальных импульсов.

            В цифровых каналах принятого в Европе стандарта DVB [это набор спецификаций, охватывающий кабельное DVB-С (cable), спутниковое DVB-S (sattelite) и наземное DVB-Т (terrestrial) цифровое телевизионное вещание применяется модуляция COFDM (Coded Orthogonal Frequensy-Division Multiplexing). Это вариант мультиплексирования посредством ортогональных несущих с предварительным кодированием сигнала. При применении модуляции OFDM весь диапазон канала вещания (в Европе он составляет 8 МГц) разбит на множество ортогональных под несущих. Ортогональность означает, что усредненное по времени произведение двух несущих равно нулю. Частоты под несущих

где f₀ — нижняя частота диапазона; n — номер под несущей (при n = 0 число под несущих N= 1); τ — временной интервал передачи одного символа. Поток данных разбивается на N субпотоков, несущая каждого из которых модулируется с гораздо меньшей скоростью. Разнос несущих по частоте — 1/τ.

            В соответствии с DVB в одном ТВ-канале шириной 8 МГц может быть до 8000 несущих, реально же задействовано 1705 (режим 2K COFDM или 6817 (режим 8К) несущих. Каждая несущая модулируется посредством 16 и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции КАМ (подобная КАМ применяется в аналоговых каналах — см. под разд. 3.10). Следовательно, на каждой несущей один модуляционный символ определяет от двух до шести бит.

            В соответствии с числом уровней модуляции исходный поток данных разбивается на n субпотоков — по числу бит в модуляционном символе. Для 16-КАМ таких субпотоков четыре. Демультиплексирование происходит побитно. Например, при модуляции 64-КАМ (n = 6) первый бит попадает в первый субпоток, шестой — в шестой, седьмой — снова в первый и т.д. На одной несущей OFDM передается один символ, поэтому в режиме 8К одновременно транслируются 48 групп по 126 символов на 48 126 = 6048 информационных несущих, а в режиме 2К — 12 групп по 126 символов на 1512 несущих. Одновременно передаваемые КАМ символы входят в OFDM-символ. Они распределяются по субканалам OFDM не последовательно, а перемежевываются по определенному закону. Поэтому, если OFDM-символ пропадает, его данные можно восстановить, поскольку биты одного кодированного пакета оказываются распределенными по многим, OFDM символам. Очевидно, что реализовать метод передачи OFDM «в лоб», т.е. использовать несколько тысяч генераторов модулируемых поднесущих, весьма проблематично, а на приемной стороне это и вовсе неразрешимая задача. Однако современные методы цифровой обработки сигнала позволяют существенно упростить ее решение за счет использования отработанных алгоритмов прямого и обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ и ОБПФ). Рассмотрим, как это происходит, на примере векторной диаграммы модуляции 16-КАМ (рис. 4.9) при передаче в DVB-Т. Каждая из 16 точек на этой диаграмме соответствует четырем битам символа и определяет амплитуды синфазного колебания (I, ось абсцисс) и квадратурного колебания (Q, ось ординат). Складываясь, эти колебания задают соответствующий OFDM-символу сигнал. Если принять математический аппарат комплексных чисел, ось квадратурных амплитуд будет

соответствовать оси мнимых чисел (Im), ось синфазных амплитуд — оси действительных чисел (Re). Тогда любой символ можно представить как комплексное число z = A_i + А_Q, или по формуле Эйлера z = Aexp(jφ).

            В DVB используют не сами z, а их значения, нормированные на среднюю амплитуду суммарного колебания при выбранном виде модуляции. При модуляции 16-КАМ. А_max = 3.

            Запишем в комплексном виде модулированный символом С_k(t) сигнал на k-й несущей без ее переноса в диапазон вещания:

            С учетом того, что сигнал изменяется дискретно, т.е. t = nТ, где Т — длительность дискретного интервала (или интервала дискретизации); n — номер отсчета, получим

Тогда общий сигнал OFDM-символа

            Математически вычисление энергии сигнала на k-й несущей аналогично вычислению дискретных значений функции по дискретным значениям амплитуд С» ее гармонических составляющих с частотами k/τ. Данную процедуру описывает ОБПФ

где N — число гармонических составляющих, в нашем примере— число несущих. Если длительность интервала дискретизации Т выразить как τ/N, выражение (4.2) станет аналогично ОБПФ (4.3). Алгоритмы как прямого, так и обратного БПФ и их аппаратная  реализация достаточно хорошо проработаны. Они наиболее эффективны при N вида 2^m . Поэтому в режиме 8К COFDM число: несущих условно принято равным 2¹³ = 8192, просто не все из них используются. Параметр 1/Т= N/τ — это так называемая системная тактовая частота; для полосы канала в 8 МГц она равна 64/7 МГц. При переходе к другому частотному плану, например с полосой ТВ-канала 7 или 6 МГц, достаточно изменить системную тактовую частоту, сохранив неизменной всю структуру обработки сигнала, а вместе с ней и основные функциональные устройства. Системная тактовая частота одинакова в режимах 2К и 8К, т.е. от числа несущих скорость передачи напрямую не зависит, изменяется только ее надежность.

            Таким образом, посредством ОБПФ из входного массива модуляционных символов численно формируется выходной OFDM символ. Временной интервал его передачи складывается из собственно времени передачи символа т и защитного интервала длительностью до τ/4, в течение которого повторно передается часть символа. Кроме 6048 информационных субканалов (в режиме 8К) он включает еще плотные сигналы, а также сведения о параметрах передачи, т.е. всего 6817 модулированных несущих. Плотные сигналы — это фиксированные псевдослучайные последовательности с точно известными значениями фаз и амплитуд сигналов. Часть пилотных сигналов (непрерывные сигналы) передается на фиксированных несущих в каждом OFDM-символе, другая часть (распределенные сигналы) случайным образом в произвольные моменты времени распределяется по спектральному диапазону передачи. Плотные сигналы предназначаются для синхронизации и оценки параметров канала передачи.

            Синтезировать в передатчике OFDM-символы недостаточно, необходимо еще сформировать радиосигнал в заданной частотной области с нижней частотой f₀. Перенос символа в необходимый диапазон — это его смещение на частоту f₀, что в комплексной форме эквивалентно умножению на комплексное (в виде квадратурных слагаемых) представление несущей f₀. При этом амплитуды перемножаются, а аргументы складываются. Выделяя действительную (синфазную) и мнимую (квадратурную) составляющие S(n) и умножая их соответственно на cos(2πf₀t) и sin(2πf₀t), после суммирования получают полный сигнал одного OFDM-символа.

            Гораздо сложнее, чем синтез сигнала в передатчике, осуществляются его прием, демультиплексирование и декодирование. Поэтому цифровой ТВ-приемник — достаточно сложный программно-аппаратный комплекс, и только достижения последних лет в области микросхем нано-технологий позволяют его делать недорогим при массовом выпуске.

4.4. Цифровое кодирование дискретной информации

            Способ представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим, или линейным, кодированием. На пропускную способность линии связи оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование, которое осуществляется до физического. В процессе логического кодирования исходные биты заменяются новой последовательностью бит, несущей ту же информацию. Это кодирование придает новые дополнительные свойства кодовым посылкам, например возможность обнаруживать и исправлять ошибки в принятых данных (этим вопросам посвящена гл. 6).

          В цифровых линиях связи передаваемые сигналы в форме прямоугольных импульсов имеют конечное число состояний, обычно два-три иногда четыре. Такими сигналами кодируются компьютерные данные, оцифрованная речь и изображения. Обычно за . один такт работы передающей аппаратуры каналов передается один элементарный сигнал — 1 бит. Промежуточная аппаратура каналов улучшает форму импульсов и восстанавливает длительность периода их следования. Она также осуществляет уплотнение низкоскоростных каналов абонентов в общий высокоскоростной канал, работая по принципу их разделения во времени, или так называемого временного мультиплексирования каналов TDM (от Типе Division Multi plexing), когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (квант, или таймслот) высокоскоростного канала. В сети Gigabit Ethernet за один такт передается больше 1 бит благодаря применению кода PAM5.

            Рис. 4.10 иллюстрирует способ кодирования, называемый биполярным импульсным кодированием: положительное напряжение— логический О, отрицательное — логическая 1. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными само синхронизирующими свойствами, но при передаче длинных последовательностей нулей или единиц в линии связи возникает постоянная составляющая сигналов. Кроме того, спектр у этого кода значительно шире, чем у потенциальных кодов, приведенных далее на рис. 4.11 — 4.13. Так, при передаче всех нулей или всех единиц частота основной гармоники, Гц, будет численно равна скорости передачи дискретных данных N, бит/с вдвое выше основной гармоники потенциального кода NRZ. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

            Поскольку большинство информационных сетей используют: узкополосную среду передачи, которая разрешает единовременную посылку только одного сигнала, то в таких сетях применяется способ кодирования, имеющий свойство самосинхронизации (selftiming). Один из видов самосинхронизирующихся кодов — манчестерский код, применяемый в сетях Ethernet: уровень сигнала изменяется по центру каждого бита, что позволяет принимающей ВС точно отметить границы бита (см. рис. 4.11). Логические 0 и 1 определяются, исходя из направления изменения полярности: нулю соответствует переход от положительного значения к отрицательному, единице — от отрицательного к положительному.

            В сетях Token Ring применяется разностное манчестерское копирование: уровень сигнала изменяется также по центру бита, но направление перехода не имеет значения, его наличие требуется только для синхронизации сигнала (см. рис. 4.12). Значение же логического сигнала определяется по наличию или отсутствию перехода в начале следования бита: нулю соответствует смена полярности, единице — отсутствие смены. Смена полярности в середине бита во внимание не принимается.

            Кодирование без возврата к нулю более эффективно, чем манчестерское и разностное манчестерское кодирование, — NRZ (Non-Return to Zero) за счет простоты реализации и большей помехозащищенности. Преимуществом этого кода (см. рис. 4.13) является то, что частота основной гармоники спектра сигналов достаточно низка и равна N/2. У сигналов, закодированных другими методами, например манчестерским кодом, основная гармоника имеет более высокую частоту.

            Недостатком кода NRZ является отсутствие самосинхронизации, поэтому при высоких скоростях обмена данный код не применяется. Другой недостаток проявляется при передаче длинных последовательностей 1 и 0. В этом случае низкочастотная составляющая приближается к нулю, поэтому в каналах, где нет непосредственного гальванического соединения между источником и приемником информации, код NRZ также не применяется. Однако разработаны модификации метода NRZ-кодирования, устраняющие указанные два недостатка.

Синхронизация цифровых сетей — основа их нормальной работы. При восстановлении сигнала важна не только его форма, но и

момент его детектирования приемником. Поэтому «часы» на любом из узлов транспортной сети, разнесенных порой на тысячи километров, должны работать синхронно, с точностью до пикосекунды. В цифровых каналах  иерархической многоуровневой сети с импульсно-кодовой модуляцией, использующих ПЦИ (PDH) и СЦИ (SDH) (см. под разд. 4.8), основной вид синхронизации — тактовая. Она определяет остальные виды синхронизации — по фреймам, по мультифреймам. Проблемы возникают, когда несколько простых ЛВС, каждая со своим источником тактовой сетевой синхронизации (ТСС), объединяются в сложную сеть передачи. В соответствии с руководящими материалами все системы ТСС классифицируются на четыре типа по интенсивности слипов — срывов тактовой частоты или по частоте проскальзывание в единицу времени. Типы ТСС: синхронный — слипов фактически нет; псевдосинхронный допускается один слип в течение 70 дней; плезиохронный — один слип за 17 ч и асинхронный — один слип за 7 с.

            В иерархической многоуровневой системе первичный эталонный генератор тактовых импульсов (ПЭГ) располагается в первом уровне иерархии. Его сигналы распределяются по всем синхронизируемым элементам дерева сети синхронизации до второго уровня иерархии, где они управляют вторичными задающими генераторами, которые в свою очередь управляют локальными источниками синхронизации третьего уровня иерархии (см. приложение 12). Эта схема управления часто называется схемой типа  «ведущий-ведомый» («master-slave»).

            ПЭГ строятся на основе хронирующих атомных источников тактовых импульсов (водородный или цезиевый эталон) с точностью поддержания частоты не хуже 10^-13...10^-12.     Сигналы ПЭГ, а также генераторов нижних уровней иерархии распространяются аппаратурой распределения сигнала синхронизации АРСС/SDU, обеспечивающей на практике от 16 до 520 интерфейсных выходов сигналов ТСС, которые по наземным линиям связи передаются для управления вторичными задающими генераторами (BЗГ ).

4.5. Цифровые модемы

            В рассмотренных в гл. 3 аналоговых методах модуляции взаимосвязь между шириной полосы канала и отношением сигнал/шум не так благоприятна, как в уравнении Шеннона (2.1). Только импульсно-кодовые методы модуляции, при которых информация представляется посредством кода из конечного числа символов, соответствующих конечному числу возможных значений информации в момент дискретизации, обеспечивают взаимосвязь между шириной полосы и отношением сигнал/шум в соответствии с уравнением (2.1). При этом ширина полосы частот уже существующих аналоговых каналов и создаваемых в последнее время цифровых каналов должна быть достаточна для передачи импульсно модулированных цифровых сообщений.

            Импульсное представление информации применялось с первых шагов электрической связи: телеграфные сообщения с самого начала представлялись в дискретной форме, так как в телеграфии использовалось кодирование — точки и тире в азбуке Морзе, телеграфный импульсный код Бодо.

            Для передачи импульсов цифровых кодов по линиям связи глобальных сетей так же, как и при передаче аналоговой информации, применяется модуляция несущей частоты. Модуляция и демодуляция осуществляются цифровыми модемами, входящими в состав аппаратуры передачи данных. Цифровые модемы было бы правильнее называть сетевыми адаптерами, так как классической модуляции-демодуляции несущей частоты, как в аналоговых модемах, они не осуществляют.

            Входные и выходные сигналы цифровых модемов представляют собой последовательности импульсных сигналов. Модемы не только кодируют и декодируют сообщения, но и синхронизируют передачу сигналов по линиям связи, проверяют правильность принятой информации, выполняют некоторые другие операции. На каждый вид передающей среды — коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель — рассчитаны свои типы модемов, так как каждый вид линии обладает своими электрическими параметрами. В соответствии с этим выпускаются кабельные, сотовые (для работы в линиях сотовой телефонной связи),  волоконно-оптические модемы, спутниковые радиомодемы для приема данных через спутниковую антенну. Для работы в сетях через систему электропитания компьютеров разрабатываются силовые модемы.

            Быстродействие модема (табл. 4.3) влияет на временные затраты на передачу сообщений, что видно из табл. 4.4.

            Модемы для организации дуплексного режима работы на двух проводной линии применяют технику частотного разделения каналов FDM (см. под разд. 3.1, 3.6). Они используют две частоты для кодирования нулей и единиц в одном направлении и другие две частоты для кодирования данных, предаваемых в обратном направлении. Этим технология FDM отличается от технологии временного разделения каналов TDM (Time Division Multiple).

            При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпроводной линии организуется с помощью техники разделения канала 

во времени. Разные части тайм-слотов используются для передачи поочередно в обоих направлениях. Такой способ, иногда, называемый «пинг-понговой» передачей, применяется на абонентских двухпроводных окончаниях в цифровых сетях ISDN. В локальных сетях вместо модема возможно использование сетевых адаптеров (сетевых карт), выполненных в виде плат расширения, устанавливаемых на материнской плате. Имеются адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов. Основные технические характеристики сетевых карт: разрядность (8, 16,, 32 и 64-битные); скорость передачи (10... 1000 Мбит/с); тип подключаемого кабеля; поддерживаемые стандарты передачи данных . (Ethernet, Token Ring и др.).

4.6. Типы цифровых каналов

            Для передачи по цифровым каналам аналогового сообщения в виде непрерывной последовательности данных (телеметрических, метеорологических, данных систем контроля и управления) ее предварительно оцифровывают (см. под разд. 4.2). Частота оцифровки обычно составляет около 8 кГц, через каждые 125 мкс значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом. Таким образом, скорость передачи данных равняется 64 Убит/с. Объединение нескольких базовых цифровых каналов в один — мультиплексирование — позволяет создавать более скоростные каналы. Простейший мультиплексированный канал обеспечивает скорость передачи 128 Кбит/с, более сложные каналы, например мультиплексирующие 32 базовых канала, обеспечивают пропускную способность 2048 Мбит/с. С помощью цифровых каналов к магистралям подключаются также офисные цифровые АТС.

            Цифровые абонентские каналы в режиме коммутации каналов используются в сети ISDN — наиболее распространенной цифровой сети с интеграцией услуг. По популярности сеть ISDN уступает лишь аналоговой телефонной сети. Адресация в ISDN организована так же, как и в телефонной сети, поскольку сеть создавалась для объединения существующих телефонных сетей с появляющимися сетями передачи данных. Поэтому сети ISDN позволяют объединять разнообразные виды сетей (видео-, аудиопередачи данных, передачи текстов, компьютерных данных и т.п.) со скоростями передачи информации 64 Кбит/с, 128 Кбит/с, 2 Мбит/с и 155 Мбит/с на широкополосных каналах связи.

            Заметим, что названием «ISDN» принято именовать и сеть, использующую технологию ISDN, и протокол, применяющий эту технологию.

            Активно развиваются и другие типы цифровых систем, из которых следует отметить модификации технологии цифровых абонентских линий DSL (Digital Subscriber Line). Для них используется термин «последняя миля», или «золотая миля», означающий расстояние, отделяющее потребителя от поставщика услуг. HDSL (High Bit Rate DSL) — высокоскоростной вариант абонентской линии ISDN.

            Конкуренцию ISDN и DSL могут составить цифровые магистрали с синхронно-цифровой иерархией SDN (Synchronous Digital Hierarchy). В системе SDN имеется иерархия скоростей передачи данных.

            Вот значения этой скорости, Мбит/с, для некоторых разновидностей SDN:

            Для магистралей SDN применяются волоконно-оптические линии связи и частично радиолинии.

            Сравним узкополосную локальную сеть, в которой сетевая среда способна передавать только один сигнал в любой момент времени, с широкополосной сетью, где среда передает несколько сигналов одновременно, используя для каждого из них свою частоту передачи. Примером широкополосной сети является кабельное телевидение. Подключив к телевизору кабель, можно выбирать любой из множества транслируемых каналов. Для подключения большого числа телевизоров в доме устанавливается устройство разветвления кабеля, подведенного к дому. Узкополосная сеть использует импульсы, передаваемые непосредственно в сетевую среду, для создания простого сигнала, в котором в закодированной форме представлены двоичные (бинарные, цифровые) данные. Некоторые характеристики ЛВС приведены в приложении 13.

            Узкополосные сети могут быть протянуты на меньшие расстояния, чем широкополосные, ввиду потерь мощности сигнала, связанных с электрическими помехами и другими факторами. Предельно допустимая длина отрезка кабеля узкополосной сети уменьшается пропорционально падению пропускной способности. Вот почему протоколы локальных вычислительных сетей, таких, как Ethernet, требуют строгого соблюдения правил монтажа этих сетей.

            В высокоскоростных (широкополосных) кабельных сетях используются беспроводные радиоканалы, а также проводные линии связи — кабели различных типов. Наиболее распространенные типы кабелей: UTP, STP и СС, рассмотренные в под разд. 3.13. В последнее время получают распространение волоконно-оптические кабели FOC (Fiber Optic Cable).

4.7. Принципы организации интерфейсов

            Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в ИВС при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов (ГОСТ 23633 — 79, ISO, IEEE). Иногда вместо термина «интерфейс» используется понятие «стык» — место соединения устройств передачи сигналов данных и унифицированных систем связи, входящих в системы передачи данных. Таким образом, интерфейс физически представляет собой много контактное кабельное соединение (набор проводов и разъемов) с четко определенными функциями и параметрами сигналов, передаваемых по каждому проводу, а также набор правил обмена, называемый протоколом обмена.

Интерфейс можно рассматривать как результат унификации связей и устройств сопряжения составных элементов ИВС. При этом выполняется принцип взаимозаменяемости, основанный на  способности устройств выполнять различные функции после установки и подключения без дополнительной конструкторской, доработки. Следствием унификации является взаимозаменяемость. Примером взаимозаменяемости может служить универсальная 

интерфейсная карта (или программируемый интерфейс), являющаяся базой ряда устройств ввода — вывода.

            Таким образом, интерфейс предназначен для унификации внутрисистемных и межсистемных связей и устройств сопряжения с целью эффективной реализации существующих и перспективных элементов ИВС.

            Одна из основных функций интерфейса заключается в обеспечении информационной совместимости между элементами сети, а именно согласованности взаимодействий функциональных элементов в соответствии с совокупностью логических условий. Логические условия определяют структуру и состав унифицированного набора линий связи, набор процедур по реализации взаимодействия и последовательность их выполнения для различных режимов функционирования, способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации и информации состояния, временные соотношения между управляющими сигналами, ограничения на их форму и взаимодействие.

            Условия информационной совместимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также основные технико-экономические показатели— пропускную способность, надежность работы интерфейса и объем аппаратных затрат на устройства сопряжения.

            Составными физическими элементами связей интерфейса являются электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Вся совокупность линий называется магистралью. Можно выделить две магистрали: информационную и управления каналом. По информационной магистрали передаются коды данных, адресов, команд и состояний устройств. Аналогичные наименования присваиваются соответствующим шинам интерфейса. Коды состояния описывают состояния сопрягаемых устройств или формируются в ответ на действия команд. Широко используются такие коды состояний, как «Занятость абонента», «Наличие ошибки», «Готовность к приему или передаче информации» и др.

            Магистраль управления информационным каналом делится на ряд шин. Шина управления обменом состоит из линий синхронизации передачи информации. В зависимости от принятого принципа обмена (асинхронного, синхронного) линий может быть от одной до трех.

            Асинхронная передача происходит при условии подтверждения принимающим информацию устройством готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных. При синхронной передаче темп выдачи и приема данных задается регулярной последовательностью сигналов. Линии шины управления обменом выполняются, как правило, двунаправленными.

            Шина передачи управления выполняет операции приоритетного занятия (захвата) магистрали информационного канала. Состав и конфигурация линий этой шины зависят от структуры управления интерфейсом. Различают децентрализованную и централизованную структуры управления. В интерфейсах, предназначенных для объединения только двух устройств (соединение типа «точка — точка»), эта шина отсутствует.

            Шина прерывания применяется в основном в машинных интерфейсах мини и микро ЭВМ и программно-модульных систем. Основная ее функция — идентификация устройства, запрашивающего сеанс обмена информацией. Идентификация состоит в определении контроллером (процессором) исходной информации о запрашиваемом устройстве. В качестве информации об устройстве используется адрес источника прерывания текущей программы либо адрес программы обслуживания прерывания (вектор прерывания).

            Шина специальных управляющих сигналов включает в себя линии, предназначенные для обеспечения работоспособности и повышения надежности устройства интерфейса. К этим линиям относятся линии питания, контроля источника питания, тактовых импульсов, защиты памяти, общего сброса, контроля информации и т.п.

            В соответствии с ГОСТ 26.016 — 81 структуры связей интерфейсов подразделяют на магистральную, радиальную, цепочечную и смешанную (комбинированную).

            Для обеспечения информационной совместимости интерфейс реализует ряд функций:

            селекцию (выбор) информационного канала;

            синхронизацию обмена информацией;

            координацию взаимодействия;

            буферное хранение информации;

            преобразование формы представления информации.

            Первые три функции выполняет канал управления, четвертую и пятую — информационный канал. Рассмотрим особенности реализации указанных функций в типовых интерфейсах, используемых в вычислительных сетях и локальных сетях массового применения.

            Управление операциями селекции выполняется централизованно и децентрализованно. При централизованном управлении возможны несколько вариантов реализации селекции. На рис. 4.14, а приведена схема временной селекции магистралей на основе генерации тактов. Магистраль предоставляется каждому  устройству — информационному блоку (ИБ) — через равные промежутки времени, определяемые скоростью работы генератора тактов. Моменты занятия магистрали определяются счетчиками, синхронно работающими в каждом из подключаемых устройств. Такое решение обеспечивает правило приоритетного обслуживания «первым пришел — последним обслуживается».

            На рис. 4.14, б приведена схема пространственной селекции на основе последовательного адресного сканирования источников запроса. Выбор источника запроса начинается по общему сигналу запроса и выполняется последовательно кодовой адресацией всех подключаемых устройств в соответствии с принятым правилом обслуживания. При обнаружении источника запроса устанавливается сигнал «Занято» и дальнейшая выдача контроллером адресов прекращается. По окончании обслуживания данного запроса возобновляется поиск следующего источника. Достоинство этого варианта — гибкость в реализации правил обслуживания, недостаток — низкое быстродействие. Этот вариант широко применяется в стандартных интерфейсах (ГОСТ 26.003 — 80).

            Схема последовательной (цепочечной) селекции показана на рис. 4.14, в. Такая селекция наиболее распространена в машинных интерфейсах как наиболее простая и достаточно быстродействующая.       Поиск источника запроса начинается по сигналу «Запрос». Идентификация наиболее приоритетного устройства выполняется сигналом «Подтверждение», который последовательно проходит через все устройства. Приоритетным в данном случае будет устройство, наиболее близко расположенное к контроллеру. При поступлении сигнала «Подтверждение» в устройство — источник запроса — дальнейшее его прохождение блокируется и устройством выдается сигнал «Занято».

            Отличие схемы селекции по выделенным линиям (рис. 4.14, г) заключается в том, что общие линии «Запрос» и «Подтверждение»

заменяются системой радиальных линий. Максимальное время занятия информационной магистрали при этой схеме меньше, чем при цепочечной структуре, так как сигналы по шинам запроса и подтверждения могут передаваться параллельно. Указанный вариант обладает также гибкостью установления дисциплины обслуживания, поскольку контроллер с помощью масок может устанавливать произвольные приоритет и порядок опроса. Однако это достигается за счет существенного увеличения числа линий и усложнения аппаратуры.

            При децентрализованном управлении также имеются варианты реализации селекции. В схемах децентрализованной пространственной селекции наличествуют замкнутые линии запроса и подтверждения. Вариант, показанный на рис. 4.15, а, отличается отсутствием линии «Занято» и замыканием общей линии «Запрос» с линией «Подтверждение».      Необходимым условием установления запроса любым устройством является отсутствие входного сигнала подтверждения. При выдаче запроса этот сигнал дизъюнктивно формируется на линии и трансформируется в сигнал «Подтверждение», который проходит до устройства, выставившего запрос и находящегося наиболее близко по отношению к участку замыкания.

            В варианте децентрализованной кольцевой структуры (рис. 4.15, б) используется одна линия, определяющая состояние занятости информационного канала по циркуляции в линии маркерного

импульса или серии импульсов. Устройство, запрашивающее шину,  не пропускает маркер к следующему устройству, в результате чего циркуляция импульсов прекращается. Эта структура широко распространена в интерфейсах локальных сетей. Достоинство кольцевой структуры — малое количество оборудования и линий связи, основной недостаток — низкая помехоустойчивость.

            Параллельное адресное сравнение (рис. 4.15, в), или децентрализованное кодовое управление (ДКУ), является одним из перспективных способов селекции для магистральных систем сопряжения. Сущность алгоритма ДКУ заключается в параллельном выделении приоритетного кода запроса с помощью поразрядного сравнения кодов приоритета в асинхронном режиме одновременно во всех устройствах интерфейса, выставивших запросы.

            Процессы передачи массива могут быть детерминированными и стохастическими. К детерминированным относятся процессы передачи массива слов фиксированной длины (от одного до нескольких тысяч слов за сеанс связи), к стохастическим — переменной длины. При детерминированных процессах используется синхронный способ сигнализации об окончании процесса взаимодействия, при стохастических — асинхронный. Синхронный способ применяется редко, в основном в интерфейсах, где фиксированная длина массива слов изменяется от 1 до 256 слов. Основное преимущество синхронного способа сигнализации — отсутствие в системе шин линии окончания сеанса связи.

            Асинхронный способ сигнализации при передаче массива слов наиболее распространен. Сигналы синхронизации могут выдаваться в произвольный момент времени отправителем (передатчиком) по информационной шине или по специально выделенным линиям управляющего канала.

            Интерфейсы разделяются на следующие основные классы (рис. 4.16): машинные, или системные; периферийные; мульти микропроцессорных систем; распределенных вычислительных систем; локальных и распределенных сетей.

            Машинные интерфейсы предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ и систем. В свою очередь они разделяются на три группы. Первая — интерфейсы ввода — вывода в (из) ЭВМ с разделенными информационными каналами к периферийному устройству (ПУ) и оперативному запоминающему устройству (ОЗУ), вторая — интерфейсы ЭВМ с объединенным информационным каналом к ПУ и ОЗУ. Такую архитектуру имеют некоторые классы персональных ЭВМ, мини и микро ЭВМ. К третьей группе относятся интерфейсы одноплатных ЭВМ с объединенным информационным каналом к ПУ и ОЗУ типа ОШ, ориентированные на внутри платное и внутрисхемное применение. Такие интерфейсы предназначены для организации сопряжения между составными компонентами микропроцессорных

комплектов БИС и составных функциональных узлов СБИЛ мини-ЭВМ (ОШ) и микро ЭВМ (Q-шина или QBUS). На рис. 4.17 приведена структура интерфейса типа «общая шина», а в табл. 4.5— система линий интерфейса «общая шина». Общая шина широко используется как внешняя магистраль микро ЭВМ; ее прототипом явилась магистраль UNIBUS фирмы DEC.

            На рис. 4.18 приведена схема машинных интерфейсов. Интерфейс ОЗУ и интерфейс процессор — канал являются внутренними, стандартизируются в рамках одного семейства ЭВМ и обладают наибольшим быстродействием. Через них информация передается параллельно словами или словами двойной длины, иногда полусловами. Через интерфейс ввода — вывода информация чаще всего передается байтами. Стандартизация этих трех интерфейсов дает возможность расширения вычислительного комплекса, в том числе его модернизации.

            Периферийные интерфейсы выполняют функции сопряжения с ПУ, измерительными приборами, исполнительными механизмами, аппаратурой передачи данных и внешними запоминающими устройствами (ВЗУ). Широкая номенклатура этих интерфейсов позволяет использовать разнообразную периферию. По функциональному назначению они делятся на интерфейсы радиальной и магистральной структур. Интерфейсы радиальной структуры обеспечивают схему сопряжения «точка — точка» и используются для сопряжения исполнительных механизмов ввода — вывода с контроллерами. К этим интерфейсам относятся системы сопряжения с параллельной передачей информации, предназначенные для подключения стандартной периферии, а также системы сопряжения для подключения устройств, размещенных на большом удалении друг от друга.

            Интерфейсы магистральной структуры, обеспечивающие схему «многоточечного» подключения, используются как самостоятельно, так и в качестве системотехнического дополнения, расширяющего функциональные возможности ЭВМ на уровне связи с объектом управления. К ним относятся магистральные интерфейсы программно-модульных систем типа КАМАК. Они обеспечивают сопряжение программируемых контроллеров и ЭВМ с широким спектром цифровых измерительных приборов, преобразователей информации, генераторов, датчиков, пультов оператора.

            Интерфейсы мульти микропроцессорных систем представляют собой магистральные системы сопряжения, ориентированные на объединение нескольких процессоров, модулей ОЗУ, контроллеров ВЗУ.

            Интерфейсы распределенных вычислительных с и с т е м (ВС) предназначены для интеграции средств обработки информации, размещенных на значительном расстоянии. К ним можно отнести внутри блочные и процессорно-независимые системы сопряжения. Отличием их от интерфейсов типа ОШ является техническая реализация функций селекции и координации, что позволяет подключать к ним один или несколько процессоров, как обычные ПУ. Этот класс интерфейсов отличают высокая пропускная способность и минимальное время доступа процессора к общему ОЗУ.

            Интерфейсы локальных и распределенных систем ориентированы на использование в системах различного функционального назначения. Обычно это системы сопряжения с бит последовательной передачей информации магистральной или кольцевой структуры. Интерфейсы этого класса в зависимости от назначения разделяют на группы интерфейсов малых локальных и локальных сетей (с длиной магистрали от десятков метров до нескольких километров), распределенных систем управления, территориально и географически распределенных сетей ЭВМ (с длиной линии более 10 км). На рис. 1.11 стрелками условно показаны межуровневые интерфейсные услуги ВС семиуровневой архитектуры (ГОСТ 23633 — 79). Две ВС объединяются между собой системой передачи данных.

            Физический уровень —. это средства связи (канал связи, линия, кабель и др.).

Канальный уровень, или уровень звена данных, включает в себя функциональные и процедурные средства передачи, протоколы обмена сигналами. На сетевом уровне выполняются функции маршрутизации, адресации, организации виртуальных соединений, адресации пакетов. На транспортном уровне выполняются функции адресации оконечных абонентов, установки соответствия между адресами и сетевыми именами абонентов, доставки данных от системы-источника к системе-адресату. Сеансовый уровень содержит средства организации взаимодействий между прикладными процессами.

            На представительном уровне, или уровне представления данных, выполняются функции преобразования синтаксиса и форматов данных, кодов изображений, графических и алфавитных данных, организации файлов, форматирование и компоновка данных.

            На прикладном уровне выполняются прикладные процессы, обеспечивающие обработку информации. Назначение этого уровня — обеспечивать смысловое содержание (семантику) процессов.

            По конструктивному исполнению интерфейсы можно разделить на четыре категории:

            межблочные, обеспечивающие взаимодействие компонентов на уровне прибора, автономного устройства, блока, стойки, шкафа;

            внутри блочные, обеспечивающие взаимодействие на уровне плат, субблоков;

            внутри платные, обеспечивающие взаимосвязь между интегральными схемами (СИС, БИС, СВИС) на печатной плате;

            внутри корпусные, обеспечивающие взаимодействие компонентов внутри интегральных схем.

            Межблочное сопряжение выполняется с использованием следующих конструктивных средств: коаксиального и волоконно-оптического кабеля, многожильного плоского кабеля, многожильного кабеля на основе витой пары проводов.

            Внутри блочное сопряжение печатных плат, субблоков выполняется печатным способом или накруткой витой пары проводов внутри блока, стойки, шкафа. Ряд интерфейсов может быть выполнен комбинацией внутри блочного и межблочного исполнений.

            Внутри платное сопряжение реализуется печатным способом, внутри корпусное — методами микроэлектронной технологии.

            Для реализации ввода — вывода данных в терминалах применяется оборудование DTE (Data Terminal Equipment), а также рассмотренная ранее аппаратура передачи данных — коммуникационное оборудование DCE (Distributed Computing Enviroment). Для подключения к передатчику сетевых устройств используется интерфейс AUI (Attachement Unit Interfase). Для передачи цветных телевизионных программ применяются видеостыки MII GBR и MII component standard (60 HZ).

            Примеры интерфейсов: параллельный интерфейс Centronics для: подключения принтера; высокоскоростной интерфейс HSSI (High-speed Serial Interface) — протокол ЛВС; последовательный интерфейс RS-232С для подключения мыши, модема и др.

            Интерфейс со стороны компьютера представляет собой контроллер периферийных устройств HSSI и программные средства; управления контроллером — драйвер. Наиболее распространенные последовательные интерфейсы периферийных устройств: RS. 232С, RS-422, RS-423. Технические характеристики этих интерфейсов приведены в приложении 14.

            В основе интерфейсов RS-232С и RS-422 лежит однопроводная несогласованная линия, по которой информация передается двуполярными посылками со скоростью до 20 кБод при длине линии не более 15 м и до 300 кБод при длине не более 600 м.

            Интерфейс RS-422 применяется также в симметричных дифференциальных линиях (витая пара, радиочастотный кабель), обладающих более высокими характеристиками, чем однопроводные линии.

            Аппаратура для физической реализации внешнего последовательного интерфейса ПУ включает в себя собственно линию последовательной передачи информации (одиночный проводник, витая пара, радиочастотный кабель, волоконно-оптический кабель) и контроллеры устройств, предназначенные для управления обменом информацией, сопряжения с линией передачи, контроля за передачей информации и состоянием устройств, участвующих в обмене, и самоконтроля.

            Системные интерфейсы или интерфейсы ЛВС, как правило многоуровневой архитектуры. На рис. 4.19, а показаны уровни системного интерфейса локальной сети iLNA фирмы Intel. Первый— физический уровень — реализуется аппаратно и состоит из последовательной линии связи и приемопередатчиков, передающих

информацию в коде Манчестер П. Второй уровень реализуется аппаратно программно и организует передачу пакетов сообщений от одного устройства сети к другому. На этом уровне выполняются: кадровая синхронизация, т.е. определение начальных и конечных точек сообщения; адресация, т.е. определение устройства, принимающего сообщение; обнаружение ошибок в информации; управление подключением устройств сети к физическому адресу (рис. 4.19. б, в, г). Транспортный уровень интерфейса реализуется программно и обеспечивает надежную передачу сообщений переменной длины, несмотря на то, что второй уровень передачи может терять отдельные пакеты из-за ошибок, столкновений, дублировать их или передавать в непоследовательном порядке. Одно временно транспортный уровень следит за тем, чтобы одно более «скоростное» устройство не «завалило» данными менее «скоростное», т.а. этот уровень интерфейса управляет потоками данных с учетом объема буферной памяти устройств.

4.8. Перспективы цифровизации взаимоувязанной сети связи

            Сеть общего пользования России, называемая взаимоувязанной сетью связи РФ (ВСС РФ), постепенно переводится на цифровые, технологии — претерпевает цифровизацию. До 1988 г. для цифровизации первичных сетей — собственных, ведомственных, местных сетей — во всех странах использовался разработанный MKKTT ряд цифровых систем передачи плезиохронной цифровой иерархии ПЦИ (PDH). Эти системы приняты во всем мире, в том числе и в России. Технология ПЦИ используется также для выделенных линий глобальных сетей, для чего служит аппаратура Tl, позволяющая в цифровом виде передавать, коммутировать и мультиплексировать данные 24 абонентов. Цифровые выделенные линии образуются путем постоянной коммутации в первичных сетях построенных по принципу разделения канала во времени (TDM— Tune Division Multiptexing).Мультиплексоры аппаратуры Тl осуществляют оцифровывание голоса. Четыре канала типа Tl объединяются в канал следующего уровня цифровой иерархии Т2, скорость передачи данных которого равна 6,312 Мбит/с. Объединение семи каналов Т2 дает канал Т3 со скоростью передачи 44,736 Мбит/с. Аппаратура Tl, Т2 и Т3 может взаимодействовать между собой, образуя иерархическую сеть с магистральными и периферийными каналами трех уровней скоростей.

            Номенклатура цифровых каналов передачи, которые должны предоставляться потребителям первичной сетью общего пользования в рамках ПЦИ, перечислена в табл. 4.6. Цифровые сигналы, потребителя должны соответствовать одному из классов, 

приведенных в этой таблице. В случае несоответствия сигналы должны быть преобразованы к соответствующей скорости передачи.

            Современные сети должны быть построены на цифровых системах передачи и коммутации и иметь гибкую, легко управляемую структуру. Должны обеспечиваться: возможность совместной работы аппаратуры различных фирм-изготовителей в сети одного оператора и удобство взаимодействия нескольких сетевых операторов; передача и переключение потоков информации разной мощности, ввод и выделение этих потоков в произвольных пунктах; контроль качества и тарификация в соответствии с действительным временем пользования связью и ее качеством, развитие служб, использующих как синхронный способ передачи STM (Synchronous Transfer Mode), так и асинхронный АТМ (Asynchronous Transfer Mode). Все эти требования практически не выполнимы в рамках ПЦИ.

            В связи с этим в 1988 г. МККТТ принял рекомендации по разработке нового семейства цифровых систем передачи синхронной цифровой иерархии СЦИ, или SDH (Synchronous Digital Hierarchy), в США это стандарт SONET.

            Системы передачи СЦИ, унифицированные для транспортировки цифровых групповых сигналов любого из подвариантов ПЦИ, обеспечивают скорости передачи, приведенные в табл. 4.6. Аппаратура систем передачи СЦИ по своему построению и функциям заметно отличается от аппаратуры ПЦИ, однако приспособлена для ввода групповых сигналов ПЦИ со скоростями 2048 и 139 264 Кбит/с.

            Системы передачи СЦИ рассчитываются на следующие виды сред передачи: оптические волокна для всех уровней; радиорелейные и спутниковые линии для первичного и субпервичного уровней. Длина регенерационного участка составляет 40 ... 60 км.

            Таким образом, основными средствами цифровизации первичной взаимоувязанной сети связи России в течение ближайших 10... 15 лет будут системы передачи СЦИ. В то же время с учетом состояния сети общего пользования России и современного состояния экономики в ряде случаев целесообразно и внедрение цифровых систем передачи плезиотронной иерархии.

            Для создания цифровой сети связи общего пользования России (ЦСС ОП) выполняется проект «50х50», предусматривающий цифровизацию магистральной первичной сети с привлечением иностранных инвесторов. Задача проекта «50 х 50» — в очень сжатые сроки построить современную цифровую сеть большой емкости с одновременным развитием местных и междугородных сетей.   Вначале планировалось построить 50 автоматических междугородных телефонных станции и до 50 тыс. км магистральных волоконно-оптических линий связи, отсюда и название проекта. Цифровая сеть создается поэтапно; предположительно к 2005 г. она будет предоставлять услуги 32 млн. абонентам, для чего предстоит ввести на местных сетях 33,4 млн. номеров цифровых АТС, построить 264 тыс. км межстанционных соединительных линий и 593 тыс. км абонентских линий. На междугородной сети к концу 2005 г. необходимо организовать 110 тыс. коммутируемых каналов и 88 цифровых АМТС. В дальнейшем общее количество абонентов должно возрасти до 62 млн. На внутри зональных сетях на 155 Мбит/с в качестве систем передачи намечено использование СЦИ на 155 и 622 Мбит/с, а также синхронных мультиплексоров ввода — вывода потоков по 2 Мбит/с. Определен порядок взаимодействия ЦСС ОП с существующей аналогово-цифровой сетью, другими сетями, в том числе радио подвижной связи.

            Началом создания цифровой сети России является сооружение АО международной и междугородной связи «Ростелеком» цифровой магистральной системы связи Москва — Хабаровск, одной из самых больших в мире: общая протяженность цифровой радиорелейной линии (ЦРРЛ) составит 8000 км. На магистрали будет 155 радиорелейных станций. Эта ЦРРЛ является частью. Транссибирской линии, входящей в Российскую Международную магистральную сеть. Позднее, когда будет построена система на базе волоконно-оптического кабеля, ЦРРЛ станет выполнять функции резервной линии. Линии ответвлений, строящиеся на основе волоконно-оптических кабелей (3165 км) и ЦРРЛ, должны соединить единой цифровой сетью 24 города. Пропускная способность ЦРРЛ составит 11 500 телефонных каналов с передачей шести сигналов STM-1 (155 Мбит/с). Центры международной коммутации (МЦК) располагаются в Москве, Хабаровске, Самаре, Екатеринбурге и Новосибирске. ЦРРЛ создается на базе СЦИ и будет действовать совместно с существующей аналоговой сетью.

            Рассмотренная ЦРРЛ — первый шаг для соединения северной, южной и восточной частей Российской Международной магистральной сети. Цифровая радиорелейная система (ЦРРС) будет иметь шесть МЦК и соединительные линии к МЦК и международным телефонным станциям городов по трассе РРЛ. Емкость ЦРРС определена, исходя из потребности в каналах, перспектив их загрузки на основе трафика, приведенного в табл. 4.7.

            Новая магистральная цифровая система будет соединяться с уже действующей северной ветвью — цифровой системой связи Дания — Россия (между Данией и Эстонией проложен морской подводный волоконно-оптический кабель, а между Эстонией, Москвой и Санкт-Петербургом — ЦРРЛ), а также с финляндско-российской ВОЛС, приходящей в Санкт-Петербург. На востоке линия Москва — Хабаровск будет соединяться с ВОЛС Хабаровск— Находка, через которую — с морской подводной системой Россия — Япония — Корея; на юге — с линией Москва — Новороссийск, через которую — с морской подводной системой Россия Украина — Турция — Италия.

            В отличие от многих сетей общего пользования традиционных операторов, которые являются в основном аналоговыми, ведомственные сети связи, создаваемые новыми операторами, — цифровые, что гарантирует их перспективность. Сети вводят поэтапно, чтобы на полученные от реализации услуг доходы наращивать их на новых территориях.

            В число новых операторов России входит компания «Маком-нет», построившая в тоннелях московского метрополитена цифровую сеть протяженностью 200 км на базе ВОЛС и аппаратуры СЦИ с цифровыми трактами 2 Мбит/с. Сеть имеет конфигурацию в виде двух базовых колец, на основе которых формируются дополнительные кольцевые структуры. Аналогичную сеть протяженностью 105 км в Санкт-Петербурге создала компания «Метроком». Компания «Раском» построила первую СЦИ-магистраль Санкт-Петербург — Москва протяженностью 680 км.   Оптические кабели при строительстве подвешивались к опорам контактной сети железной дороги, что позволило прокладывать в сутки до 20 км кабеля.

            Сооружение магистрали заняло около двух месяцев. Стоимость прокладки ВОЛС таким способом вдвое ниже, чем подземной, а время сооружения линии сокращается в 10 раз. Указанная линия проходит вдоль железной дороги, в то время как трасса АО «Ростелеком» — вдоль автомагистрали, поэтому они в смысле надежности дополняют друг друга.

            Положительный опыт работы указанных компаний позволит существенно снизить затраты времени и средств на дальнейшее развитие сети связи России.