АСУ Компьютерно-телекоммуникационные сетевые аналоговые каналы передачи данных

Протокол представляет собой набор правил и методом  взаимодействия объектов вычислительной сети, регламентирующий основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия, обеспечивающие корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети. Выполнением протокольных процедур управляют специальные программы, реже аппаратные средства.

Международной организацией по стандартизации (ISO— International Organisation for Standardization) разработана система стандартных протоколов модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection— OSI), которую также называют эталонной семиуровневой моделью открытых систем.

Открытая система  — система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с разработанными стандартами.

Модель OSI содержит общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктом и служит основой для разработчиков совместимого сетевого оборудования. Эти рекомендации должны быть реализованы как в технических, так и в программных средствах вычислительных сетей. Для обеспечения упорядочения функций управления и протоколов вычислительной сети вводятся функциональные уровни. В общем случае сеть включает семь функциональных уровней.

4.7 Стандартные стеки коммуникационных протоколов

Использование в сети того или иного стека коммуникационных протоколов во многом определяет лицо сети и ее характеристики. В небольших  сетях может использоваться исключительно  один стек. В крупных корпоративных  сетях, объединяющих различные сети, параллельно используются, как правило, несколько стеков.

В коммуникационном оборудовании реализуются протоколы нижних уровней, которые в большей степени  стандартизованы, чем протоколы  верхних уровней, и это является предпосылкой для успешной совместной работы оборудования различных производителей. Перечень протоколов, поддерживаемых тем или иным коммуникационным устройством, является одной из наиболее важных характеристик этого устройства.

Компьютеры реализуют  коммуникационные протоколы в виде соответствующих программных элементов  сетевой операционной системы, например, протоколы канального уровня, как  правило, выполнены в виде драйверов  сетевых адаптеров, а протоколы  верхних уровней в виде серверных  и клиентских компонент сетевых  сервисов.

На нижних уровнях - физическом и канальном - практически во всех стеках используются одни и те же протоколы. Это хорошо стандартизованные протоколы  Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру.

Из-за своей сложности  протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их более  подходящими для мощных машин, а  не для сетей персональных компьютеров.

В качестве основного протокола  сетевого уровня в стеке используется протокол Internet Protocol (IP), который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому стек TCP/IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи.

Протокол блоков сообщений  сервера SMB (Server Message Block) выполняет функции сеансового, представительного и прикладного уровней. SMB реализует файловый сервис, сервис печати и сервис передачи сообщений между приложениями.

 

5. Аналоговые каналы передачи данных

Типичным и наиболее распространенным типом аналоговых каналов являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной  частоты). В каналах тональной  частоты полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц, что соответствует спектру  человеческой речи.

Для передачи дискретной информации по каналам тональной  частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналоговых линий. Кроме того, в случае непосредственной передачи двоичных сигналов по телефонному  каналу с полосой пропускания 0,3...3,4 кГц скорость передачи не превысит 3 кбит/с.

Согласование параметров сигналов и среды при использовании  аналоговых каналов осуществляется с помощью воплощения сигнала, выражающего  передаваемое сообщение, в некотором  процессе, называемом переносчиком и  приспособленном к реализации в  данной среде.

При приеме сообщения предусматривается  обратная процедура извлечения полезного  сигнала из переносчика, называемая демодуляцией. Модуляция и демодуляция выполняются в устройстве, называемом модемом.

5.1 Модемы

Модем - устройство преобразования электрических сигналов, представляющих передаваемые данные, при взаимодействии аппаратуры окончания канала данных и линий связи. Слово "модем" образовано из частей слов "модуляция" и "демодуляция", что подчеркивает способы согласования параметров сигналов и линий связи - сигнал, подаваемый в линию связи, модулируется, а  при приеме данных из линии сигналы  подвергаются обратному преобразованию (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Связь узлов сети с помощью модемов

Модем выполняет функции  аппаратуры окончания канала данных. В качестве оконечного оборудования обычно выступает компьютер, в котором  имеется приемопередатчик - микросхема UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Приемопередатчик подключается к модему через один из последовательных портов компьютера и последовательный интерфейс RS-232С, в котором обеспечивается скорость не ниже 9,6 кбит/с на расстоянии до 15 м.

Более высокая скорость (до 1000 кбит/с на расстояниях до 100 м) обеспечивается интерфейсом RS-422, в котором используются две витые пары проводов с согласующими сопротивлениями на концах, образующие сбалансированную линию.

5.2 Способы модуляции

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции  во избежание искажений, называемых качанием фронта, нужно выполнение условия v >> W , где v и W - соответственно несущая и модулирующая частоты. Соблюдение этого условия при стандартной несущей частоте 1700 Гц не может обеспечить информационные скорости выше 300 бит/с.  Поэтому в модемах применяют дополнительное преобразование частоты: сначала производят модуляцию несущей, имеющей повышенную частоту, затем с помощью фильтра выделяют спектр модулированного сигнала и с помощью преобразователя частоты переносят модулирующие колебания на промежуточную частоту.

Скорости передачи повышаются с помощью квадратурно-амплитудной или фазовой модуляции за счет того, что вместо двоичных модулирующих сигналов используются дискретные сигналы с большим числом возможных значений.

Частотная и фазовая  модуляции 

В сравнительно простых  модемах применяют частотную  модуляцию (FSK - Frequency Shift Keying) со скоростями передачи до 1200 бит/с .

Обычно для передачи сигнала об ошибке от приемника к  передатчику нужен канал обратной связи. При этом требования к скорости передачи данных по обратному каналу могут быть невысокими. Тогда в  полосе частот телефонного канала образуют обратный канал с ЧМ, по которому со скоростью 75 бит/сек  передают 1 частотой 390 Гц и 0 частотой 450 Гц.

Фазовая модуляция (PSK - Phase Shift Keying) двумя уровнями сигнала (1 и 0) осуществляется переключением между двумя несущими, сдвинутыми на полпериода друг относительно друга. Квадратурно-амплитудная модуляция

Квадратурно-амплитудная модуляция (QAM - Quadrature Amplitude Modulation, ее также называют квадратурно-импульсной) основана на передаче одним элементом модулированного сигнала n бит информации, где n = 4...8 (т.е. используются 16... 256 дискретных значений амплитуды). Однако для надежного различения этих значений амплитуды требуется малый уровень помех (отношение сигнал/помеха не менее 12 дБ при n = 4).

При меньших отношениях сигнал/помеха лучше применять фазовую  модуляцию с четырьмя или восемью  дискретными значениями фазы для  представления соответственно 2 или 3 бит информации.

5.3 Организация дуплексной связи

Для организации дуплексной связи используются следующие способы:

четырехпроводная линия связи - одна пара проводов для прямой и другая для обратной передачи;

частотное разделение - прямая и обратная передачи ведутся на разных частотах, т.е. полоса для каждого направления сужается более чем вдвое по сравнению с полосой симплексной связи;

эхо-компенсация - при установлении соединения с помощью посылки зондирующего сигнала определяются параметры (запаздывание и мощность) эха - отраженного собственного сигнала; в дальнейшем из принимаемого сигнала вычитается эхо собственного сигнала (рис.2.3).

Рис. 2.3. Эхо-компенсация

Многоканальная аппаратура.

 В многоканальной  аппаратуре одна (или несколько)  линия связи разделяется между  сообщениями по частоте или  времени. В широкополосных аналоговых  каналах используется частотное  разделение. Каналы группируются в первичные (полоса 60...108 кГц), вторичные (312...552 кГц), третичные (812...2044 кГц) и т.д. В группе первичных каналов помещаются 12 каналов тональной частоты, в группе вторичных каналов - пять первичных групп и т.д.

В современных телекоммуникационных технологиях большее распространение  получили цифровые каналы передачи данных.

5.4 Спутниковые каналы передачи данных

Спутники в системах связи могут находиться на геостационарных (высота 36 тысяч км) или низких орбитах. При геостационарных орбитах  заметны задержки на прохождение  сигналов (туда и обратно около 520 мс). Возможно покрытие поверхности  всего земного шара с помощью  четырех спутников. В низкоорбитальных системах обслуживание конкретного  пользователя происходит попеременно  разными спутниками. Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следовательно, нужно или больше наземных станций, или требуется межспутниковая связь, что естественно утяжеляет спутник. Число спутников также значительно больше (обычно несколько десятков)

Структура спутниковых  каналов передачи данных может быть проиллюстрирована на примере широкоизвестной системы VSAT (Very Small Aperture Terminal). Наземная часть системы представлена совокупностью комплексов, в состав каждого из них входят центральная станция (ЦС) и абонентские пункты (АП). Связь ЦС со спутником происходит по радиоканалу (пропускная способность 2 Мбит/с) через направленную антенну диаметром 1...3 м и приемопередающую аппаратуру. АП подключаются к ЦС по схеме "звезда" с помощью многоканальной аппаратуры (обычно это аппаратура Т1 или Е1, хотя возможна и связь через телефонные линии) или по радиоканалу через спутник. Те АП, которые соединяются по радиоканалу (это подвижные или труднодоступные объекты), имеют свои антенны, и для каждого АП выделяется своя частота. ЦС передает свои сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на частотах АП. Арендная плата за соединение "точка-точка" через VSAT cо скоростью 64 кбит/с составляет около 3900 долл. в месяц, что для больших расстояний дешевле, чем аренда выделенной наземной линии.

Примерами российских систем спутниковой связи с геостационарными орбитами могут служить системы  Инмарсат и Runnet. Так, в Runnet применяются геостационарные спутники "Радуга". Один из них, с точкой стояния 85 градусов в.д., охватывает почти всю территорию России. В качестве приемопередающей аппаратуры (ППА) используются станции "Кедр-М" или "Калинка", работающие в сантиметровом диапазоне волн (6,18...6,22 ГГц и 3,855...3,895 ГГц соответственно). Диаметр антенн 4,8 м. Структура ЦС представлена на рис. 2.7.

В планируемой фирмой LMI на 1998-2001 г.г. системе глобальной спутниковой связи предусматривается 4 геостационарных спутника. В России для этой системы будет установлено 26-30 наземных станций (оператор Ростелеком).

Примеры сетей с низкоорбитальными  спутниками - система глобальной спутниковой  телефонной связи "Глобалстар". 48 низкоорбитальных (высота 1400 км) спутников охватывают весь земной шар. Каждая станция (наземная) имеет одновременно связь с тремя спутниками. У спутника шесть сфокусированных лучей по 2800 дуплексных каналов каждый. Обеспечиваются телефонная связь для труднодоступных районов, навигационные услуги, определение местонахождения подвижных объектов. Терминал обойдется в 750 долл., минута разговора в 30-50 центов. Начало коммерческой эксплуатации намечено на 1999 г. Другая глобальная спутниковая сеть Iridium, имеющая и российский сегмент, включает 66 низкоорбитальных спутников, диапазон частот 1610-1626,5 МГц. В российской системе Глоснасс - 24 спутника.

В 1997 г. 30% международного трафика проходило по спутниковым каналам, 70% - по наземным линиям.

Рис. 2.7. Схема спутниковой связи

6. Локальные сети

Монтаж локальных компьютерных сетей и его функциональное назначение. 
Монтаж сетей (ЛВС) позволяет упорядочить это пространство, сделать его доступным и удобным в пользовании для каждого из сотрудников. В зависимости от предусмотренной конфигурации, выполненный монтаж локальных компьютерных сетей позволяет осуществлять обработку, хранение и передачу данных в пределах не только одного, но и нескольких зданий.

Профессиональный монтаж лвс обеспечивает каждому из сотрудников доступ к Интернету и локальным устройствам (сканерам, принтерам, факсам и т. д.). Помимо этого с помощью монтажа сети можно предоставить сотрудникам организации общий доступ к таким ресурсам, как программные сервисы или базы файлов. Доступ к информационным ресурсам при необходимости можно ограничивать, контролировать, т. е. управлять им в рамках производственных потребностей. Грамотно выполненный монтаж локальных сетей обеспечивает многоуровневую коммуникацию, которая не только не замедляет рабочий процесс, но и делает его более продуктивным.