Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

                                                                                                                                                        

 

 

Лекция 1. Архитектура и топология сетей связи. Методы коммутации

 

Телекоммуникации являются основой  развития общества. Постоянно растущий спрос как  на обычные телефонные услуги,  так и на новые виды услуг связи, включая услуги Интернет, предъявляет новые требования к современным сетям связи и качеству предоставляемых услуг. С другой стороны, совершенствование телекоммуникационного оборудования и развитие на его основе современных сетей связи приводит к усложнению процесса построения и значительным затратам на создание таких сетей.

Развитие телекоммуникационных технологий привело в последние годы к  серьезным изменениям в понимании  сущности, методов построения и путей  развития современных цифровых сетей  связи. Важнейшими тенденциями развития становятся процессы конвергенции и интеграции современных компьютерных и традиционных сетей связи и появление инфокоммуникационных сетей, начиная от корпоративных и заканчивая сетями национального и глобального масштаба.

Новые сетевые технологии не только открывают новые возможности в построении современных сетей, но и требуют специального изучения и применения их на качественно новом уровне.

Современная информационная сеть представляет собой одну из сложнейший кибернетических  систем, которые создавал человек. Эта  сеть объединяет сотни миллионов различных источников и потребителей информации, которыми могут являться как простейшие сигнальные устройства, отдельные люди, так и мощные вычислительные комплексы, предприятия и объекты, разбросанные на большой территории и даже находящиеся в космосе.

Пользователи (абоненты) являются источниками  и потребителями информации и  создающими потоки сообщений различного вида и назначения. Для обмена этими сообщениями используется сеть электросвязи, с помощью которой предоставляются услуги связи.

(Показать обобщенную схему сети  связи)

Информация и сообщения в  сетях связи

 Поскольку основным сырьем  для сетей электросвязи является  информация, то коротко остановимся  на том, что следует понимать  под термином «информация».

Понятие информации имеет много аспектов, в связи с чем существует много различных подходов к ее определению и оценкам.

1. Толковый словарь Ожегова  -Информация – это сообщение, осведомление о чем-либо –
2. Философы разделяют информацию на информацию о конкретном объекте  и абстрактную информацию.

Информация о конкретном объекте характеризует отдельные параметры каждого объекта и, как правило, может быть задана значениями по отдельным признакам.

Абстрактная информация включает в себя понятия, законы и, как правило, выражается соотношениями Совокупность этих понятий составляет тезаурус, который отражает знание некоторого приемника (Человека) о внешнем мире.

3. Мне нравится определение Информация – это нарушенное однообразие.
4. Инженеры дают свое определение информации . Например,

Информация –это сведения, являющиеся объектом хранения, передачи, преобразования –академик Харкевич

Информация- это содержание связи между материальными объектами, проявляющееся в изменении состояния этих объектов  Словарь терминов по информатике за 1971 г.

Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов . Информатика, 2001, Симонович.

По крайней мере, подобно веществу и энергии, информацию можно собирать, обрабатывать, хранить и изменять ее формы, что собственно и делает инфотелекоммуникационная система , т.е. преобразовывает сообщения в электрические сигнала различной формы, производит обработку этих сигналов, хранит их, передает от одного объекта другому. И т.д.

При передаче сигналов между объектами  используются каналы связи, к которых  эти сигналы циркулируют, создавая так называемый трафик. Т.е. трафик представляет поток сообщений (информации) по каналу связи в специальным образом закодированном виде.

  

Вернемся к обобщенной схеме  сети электросвязи.

Основные понятия сетей связи

 Традиционно телекоммуникационные сети подразделяют на телефонные сети и сети передачи данных (Компьютерные).

Телефонные сети можно подразделить на проводные сети связи общего пользования ТФОП,  корпоративные-ведомственные, беспроводные сети, мобильные (сотовые и транкинговые), спутниковые.

Компьютерные сети чаще всего делят по территориальному признаку: локальные, глобальные и городские

К локальным сетям-Local Area Networks (LAN) –относят сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории в радиусе 1-2 км. Обычно эта система принадлежит одной организации. Из-за небольших расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных линий связи, которые позволяют достигать высоких скоростей обмена данными 10-100-1000 Мбит/с

 

Глобальные сети-Wide Area Networks (WAN) –объединяют территориально рассосредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. В глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные для телефонной или телеграфной связи. Из-за низких скоростей в таких линиях (десятки Кбит/с) набор предоставляемых услуг обычно ограничивается передачей файлов в фоновом режиме –электронная почта и пр.

Городские сети или сети мегаполисов –Metropolitan Frea Networks (MAN) – в настоящее время являются менее распространенным типом сетей. Они предназначены для обслуживания крупного города. Эти сети занимают промежуточное расположение. Используют цифровые магистральные линии связи, чаще всего оптоволоконные со скоростями до 45 Мбит/с.  С внедрением новых технологий SDH, ATM  скорости и объем услуг существенно увеличиваются.

Методы Коммутации

 

Любые сети поддерживают некоторый  способ коммутации своих абонентов  между собой, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети (схема организации сети связи)

Существует 3 принципиально различные  схемы коммутации абонентов в  сетях:

-  Коммутация каналов (circuit switching)- используется в телефонных сетях

• коммутация пакетов (packet switching)- используется в компьютерных сетях
• коммутация сообщений (message switching)

Внешне схемы сетей одинаковые.

Каждая из схем коммутации имеет  свои преимущества и недостатки, по долгосрочным прогнозам специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Как сети с коммутацией пакетов, так и с коммутацией каналов  можно разделить  на 2 класса –  на сети с постоянной коммутацией (режим выделенных (dedicated) линий или арендуемых (leased) линий

 и сети с динамической  коммутацией- (на время сеанса связи)

Коммутация каналов подразумевает  образование непрерывного составного физического канала из последовательно  соединенных отдельных канальных  участков для прямой передачи данных между ними. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой- коммутаторами. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал ( Показать на схеме).

Коммутаторы, а также соединяющие  их каналы должны обеспечивать одновременную  передачу данных нескольких абонентских  каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования  абонентских каналов.

Общие свойства сетей с коммутацией  каналов

-необходимость предварительной  процедуры установки соединения  между абонентами.

      - возможность отказа в соединении, если линия занята на том или ином участке.

• гарантированная пропускная способность после установки соединения
• невозможность изменять пропускную способность по требованию абонента
• неэффективность использования каналов (при передаче речи на 60% канал не занят передачей полезной информацией).

 

Коммутация пакетов- это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для передачи компьютерного трафика. Его особенность, что он пульсирующий. Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной может составлять 1:50 или 1:100.

 

Сообщение разделено на пакеты

К каждому пакету добавлена адресная информация

 

 

При коммутации пакетов все передаваемые сообщения разбиваются на исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Пакеты могут иметь как постоянную, так и переменную длину, но в узких пределах – от нескольких байт до нескольких килобайт.

Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который нужен для сборки пакетов в узле назначения. Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от оконечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу до конечного узла назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов  тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета.

Сеть с коммутацией пакетов  замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как  их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее

.

 Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов.

 Описанный выше режим передачи  пакетов предполагает независимую  маршрутизацию каждого пакета. Такой  режим называется дейтаграммным. При его сипользованиикоммутатор может изменить маршрут какого-либо пакета в зависимости от состояния сети.

Существует и другой  режим  работы сети- передача пакетов по виртуальному каналу (virtual circuit / virtual channel). В этом случае перед тем как передавать пакеты , должен быть установлен виртуальный канал –единственный маршрут, соединяющий эти узлы.

Виртуальный канал может быть динамическим или постоянным.

 При  динамическом режиме канал устанавливается  при передаче в сеть специального  пакета – запроса на установление соединения. Этот пакет проходит через коммутаторы и «прокладывает» виртуальный канал. Это означает, что коммутаторы запоминают маршрут для данного соединения  и все пакеты отправляют по проложенному маршруту. Коммутаторы распознают принадлежность пакета к виртуальному каналу по специальной метке – номеру виртуального канала, и не анализируют адреса конечных узлов, как это делается при дейтаграммном методе. Пакеты проходят без задержки и значительно быстрее.

 

Постоянные виртуальные  каналы создаются администраторами сети путем ручной настройки коммутаторов.

Пропускная способность сетей с коммутацией пакетов определяется:

-во-первых,  временем формирования пакетов,  добавкой к ним заголовков  и другой служебной информации

-во-вторых, временем буферизации  пакетов и временем коммутации ( ожиданием в очереди и перемещением  в выходной порт.)

Проведем грубую оценку задержки в  передаче данных на простейшем примере. Требуется передать тестовое сообщение  объемом 200 Кбайт на расстояние 5000 км по линии связи с пропускной способностью 2 Мбит/с. Время распространения по линии составляет примерно 25 мс. (5000: 200000 км/с). Время передачи сообщения 200*8: 2048=800мс. Итого 825 мс

Дополнительное время при передаче пакетов. Пусть будет 10 коммутаторов. Исходное сообщение разбивается  на пакеты в 1 Кбайт. Всего 200 пакетов. Задержка в исходном узле определяется добавкой к пакетам служебной информации, например, 10% от исходной. Т.Е. дополнительная задержка за счет этого будет составлять 80 мс. Если интервал между пакетами принять равным 1 мс, то возникнет задержка еще на 200 мс.

Каждый из коммутаторов вносит задержку с большим диапазоном разброса – от долей до тысяч мс. Примем , среднюю цифру 20 мс. Задержка на буферизацию пакета длиной 1 Кбайт при пропускной способности канала 2 Мбит/с составит 4 мс. Тогда общая задержка, вносимая 10 коммутаторами , составит 240 мс. Таким образом, дополнительная задержка 200+80+240=520 мс. Т.е задержка в сети с коммутацией пакетов чуть ли не вдвое выше, чем с коммутацией каналов.

Неопределенная пропускная способность в сети с коммутацией  пакетов – это плата за общую  эффективность при некотором ущемлении интересов отдельных абонентов.

На эффективность существенно  влияют размеры пакетов, которые  передает сеть. Слишком большие пакеты приближают работу к сети с коммутацией  каналов, поэтому эффективность  падает.. Слишком маленькие пакеты увеличивают долю служебной информации, так как заголовок для каждого пакета фиксированной длины.