Для теории информации базовыми понятиями являются: информация, канал связи, шум, кодирование. Способы измерения информации и ее количество являются важными составляющими для всех областей сетей связей и телекоммуникаций.
Информация - нематериальная сущность, при помощи которой с любой точностью можно описывать реальные (материальные), виртуальные (возможные) и понятийные сущности. Информация - противоположность неопределенности.
Канал связи - это среда передачи информации, которая характеризуется в первую очередь максимально возможной для нее скоростью передачи данных (емкостью канала связи).
Шум - это помехи в канале связи при передаче информации.
Кодирование - преобразование дискретной информации одним из следующих способов: шифрование, сжатие, защита от шума.
Зависимость пропускной способности канала, обладающего определенной полосой пропускания, от отношения сигнала к шумуисследовал американский инженер и математик Клод Шеннон. Теорема Шеннона ограничивает предельную пропускную способность канала I с заданной полосой пропускания F и отношением "сигнал / шум" в канале S/N (формула получена в предположении белого гауссова шума):
| I = F log2 (1 + N/S) | (1.1) |
Для стандартного телефонного канала F = 3 КГц, N/S = 30 дБ, следовательно, теоретический предел для публичной коммутируемой телефонной сети равен примерно 30 Кбит/с. Ослабление для телефонных скрученных пар составляет около 15 дБ/км, дополнительные ограничения возникают из-за перекрестных наводок в многожильном кабеле. Стандартные проводные линии связи имеют ослабление 6 дБ/км на частоте 800 Гц, или 10 дБ/км на частоте 1600 Гц. С самого начала развития телефонии проводная система и оборудование проектировалось исходя из возможностей человеческого уха и голосового аппарата. По этой причине все традиционные системы телефонии имели полосу пропускания 3-3,5 КГц.
Из теоремы Шеннона следует, что при нулевом уровне шума можно получить сколь угодно высокую скорость передачи при сколь угодно низкой полосе пропускания канала.
Следует иметь в виду, что реальная пропускная способность для конкретного пользователя определяется не только полосой пропускания канала, но и его загруженностью трафиком других клиентов.
Передача данных уже на самых ранних этапах использовала цифровые подходы (например, коды Бодо). Понятно, что когда информация предназначена непосредственно для человека, она должна быть соответствующим образом преобразована. Это прежде всего относится к передаче голоса. По каналам связи передаются, как правило, модулированные сигналы. Несущая частота передачи, (например, при трансляции по радиоканалу) на порядок превосходит частоты голосового сигнала. Модуляция позволяет решить проблему согласования частот. Но следует иметь в виду, что модуляция используется не только в радиоканалах. Современные цифровые методы передачи также немыслимы без применения модуляции.
Существует множество различных видов модуляции. Исторически первыми появились аналоговые способы модуляции: амплитудная, частотная, фазовая и различные их комбинации. Это было связано с технологической простотой их реализации. Цифровые методы стали использоваться лишь около 50 лет назад.
Для преобразования частот используется перемножение сигналов, на практике выполняемое с помощью смесителей или гетеродинов. Системы передачи данных с амплитудной или частотной модуляцией являются аналоговыми системами и по этой причине весьма чувствительны к шумам на входе приемника.
Применение цифровых методов пересылки информации увеличивает вероятность корректной доставки. Если для аналоговой передачи требуется отношение "сигнал / шум" на уровне 40-60 дБ, то при цифровой передаче достаточно 10-12 дБ.
Выбор типа модуляции зависит от стоящей задачи и от характеристик канала (полосы пропускания, ослабления сигнала и т.д.). Частотная модуляция менее чувствительна к амплитудным флуктуациям сигнала. Ослабление сигнала может варьироваться во времени из-за изменений в транспортной среде, что довольно типично для коммутируемых телефонных сетей. В любом случае на передающей стороне необходим модулятор, а на принимающей — демодулятор. Так как обмен обычно двунаправлен, эти устройства объединяются в одном приборе, который называется модемом.
Передаваемый сигнал характеризуется большим числом параметров — частотой, фазой, амплитудой, параметрами, определяющими его пространственное распространение, уровнем шума и т.д. В случае использования широкополосного сигнала, который представляет собой суперпозицию определенного числа синусоидальных составляющих, число параметров пропорционально возрастает. Чем больше таких параметров анализируется принимающей стороной одновременно, тем большее отношение "сигнал/шум" может быть достигнуто.
Будущее за системами, анализирующими всю совокупность параметров входного сигнала. Современные мощные и относительно дешевые сигнальные процессоры создают технологическую базу для этого.
Впервые импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была применена для голосового сигнала в 1937 году Алеком Ривсом. Это было сделано для преодоления проблемы накопления искажений и шумов в процессе ретрансляции аналоговых сигналов. Тогда впервые было использовано стробирование (дискретизация) с частотой 8кГц при 8-битовом аналого-цифровом преобразовании (АЦП). В то время еще не существовало эффективных технологических средств для реализации такой схемы.
Цифровая связь берет свое начало в 1970-х годах. Именно в это время начинается разработка больших интегральных схем оптоэлектроники. В процессе разработки ISDN-системы решались следующие проблемы.
Требовалось создать систему, способную предоставить клиенту канал с пропускной способностью 64 Кбит/с (8 бит*8 КГц). При этом предполагалось использовать существующую проводную сеть с полосой пропускания 4 КГц. Данное ограничение не является абсолютным, но расширение полосы канала и спектра сигнала в сторону высоких частот неизбежно приводит к увеличению ослабления этой части спектра из-за омического сопротивления проводов и к увеличению перекрестных наводок между соседними скрученными парами. Замена проводов оптическим волокном, безусловно, решает проблему, но заметно удорожает систему (да и нельзя не учитывать, что провода уже существуют). Кроме того провода позволяли подвести питание к терминальному оборудованию, например к телефонному аппарату.
Интерфейс клиента должен был предоставлять определенный спектр услуг. В частности, такой интерфейс должен позволять подключение нескольких независимых телефонных аппаратов, факсов или ЭВМ, использующих общую телефонную линию. Решение не должно было ограничивать клиенту возможность использования нескольких каналов, например двух 64 Кбит/с (В-каналы) и одного сигнального с полосой 16 Кбит/с (D-канал ISDN).
В 1984 году CCITT опубликовало рекомендации для стандартов интерфейсов и услуг ISDN. Впервые услуги ISDN стали доступны благодаря усилиям British Telecom в июне 1985 года. В 1986 году принят стандарт Х.21. К 1988 году такие услуги стали доступны в 60 городах Великобритании. С этого времени система ISDN стала признанным международным стандартом цифровой телефонной и факсимильной связи. При этом пользователи продолжали пользоваться двухпроводными аналоговыми телефонными аппаратами.
С 1985 года Международный телекоммуникационный союз (ITU) начал обсуждать возможность создания широкополосной версии ISDN. Сначала речь шла о полосе 45-53 Мбит/c (вместо 1,544 Мбит/с). Такой стандарт был создан в июне 1989 года. Базовыми частотами передачи, помимо упомянутых выше, были признаны 155 Мбит/с (STM-1), 622 Мбит/с (STM-4) и 2,4 Гбит/c (STS-48C).
На физическом уровне в ISDN используется кодово-импульсная модуляция с частотой стробирования 8 кГц, что превосходит ограничение теоремы Котельникова = 2*3,3 КГц, где 3,3 КГц — полоса пропускания канала для традиционной телефонной сети. (Tеорема Котельникова требует, чтобы частота дискретизации сигнала всегда превосходила полосу обрабатываемого сигнала более чем в два раза).
Схема ИКМ входного (Авх) сигнала показана на рис. 1.1. Совокупность представленных модулей обычно называется кодеком (кодер-декодер). Блок Sample&hold ("устройство выборки и хранения") служит для формирования последовательности импульсов с амплитудой, равной мгновенному значению уровня входного сигнала в момент прихода строб-импульса.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) имеет логарифмическую характеристику и конвертирует амплитуду импульса на выходе Sample&hold в 8-битовый код в Европе и в 7-битовый — в США и Японии. Этот код передается в интерфейс ISDN и далее в сеть. Получатель воспринимает коды через цифровой интерфейс, осуществляет преобразование 8-битовых кодов в 12-битовые. При этом понятно, что не всякие коды будут возможны (преобразование носит экспоненциальный характер). Полученные 12-битовые коды передаются на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Полученный ступенчатый сигнал сглаживается выходным фильтром и передается на устройство воспроизведения. Даже из этой достаточно общей схемы видно, что в процессе прямого (АЦП) и обратного (ЦАП) преобразований вносятся неизбежные искажения. Источником ошибок служит каждый из показанных на рисунке блоков. Но главным источником искажений является АЦП, так как здесь непрерывный спектр аналоговых значений замещается рядом дискретных уровней, которые больше или меньше реального значения в среднем на половину дискрета преобразования (1/256). Эти искажения называются шумом дискретизации.
Рис. 1.1. Схема импульсно-кодовой модуляции
При разумных предположениях (биполярность сигнала (+V -V), однородность распределения уровня сигнала в рабочем диапазоне, ошибка квантования будет не более S/2, где S — шаг квантования, и т.д.) [S/N]db = 10 log10(22n) = 6n (N — шум квантования — при этом равен S2/12). Это означает, что при 2n уровнях квантования и при условии, что входной сигнал может варьироваться во всем рабочем диапазоне АЦП, отношение "сигнал/шум" (S/N), связанное с самим процессом квантования, будет равно 6n (при n = 8 оно составит 48 дБ). Отсюда следует известное значение относительного расстояния между уровнями квантования, равное 6 дБ. Все вышесказанное справедливо только для преобразования голоса.
Прогресс последних лет в области повышения пропускной способности каналов в заметной мере связан с развитием технологии передачи цифровых данных. Здесь нужно решить проблемы синхронизации, эффективного кодирования и надежной передачи. Чем шире импульс, тем большую энергию он несет, тем лучше отношение "сигнал/шум", но тем ниже и предельная скорость передачи. Раньше каждому двоичному разряду соответствовал импульс или перепад в кодовой последовательности. Сегодня перепад возникает лишь при смене последовательности нулей на последовательность единиц или наоборот.
Цифровой метод передачи имеет целый ряд преимуществ перед аналоговым:
Высокая надежность. Если шум ниже входного порога, его влияние не ощущается, кроме того, всегда возможна повторная посылка кода. Здесь можно избежать ухудшения отношения "сигнал/шум" в ретрансляторах.
Отсутствие зависимости от источника информации (звук, изображение или цифровые данные).
Возможность шифрования, что повышает безопасность передачи.
Независимость от времени. Можно передавать не тогда, когда информация возникла, а когда готов канал.
На рис. 1.2 представлена уже не последовательность импульсов, а последовательность переходов из одного состояния в другое. При этом уровень +V соответствует логической <1>, а -V — логическому <0>.
Переключение из состояния <0> в состояние <1> и наоборот (бод) уже не соответствует передаче одного бита.
Теоретически число нулей или единиц, следующих подряд, не лимитировано. По этой причине на принимающей стороне рано или поздно возникает проблема синхронизации временных шкал передатчика и приемника.
Для решения этой проблемы существует два метода передачи данных: синхронный и асинхронный. Асинхронный метод используется для относительно низкоскоростных каналов передачи и автономного оборудования. Синхронный метод применяется в скоростных каналах и базируется на пересылке синхронизующего тактового сигнала по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными. При наличии синхронизации приемника и передатчика можно допустить более длинные последовательности нулей или единиц, что способствует повышению пропускной способности.
Рис. 1.2. Передача цифровых кодов по передающей линии
Типичный кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым следует 8 битов данных. Завершается такой кадр одним или двумя стоп-битами. Стартовый бит имеет полярность, противоположную пассивному состоянию линии, и переводит приемник в активное состояние. Пример передачи такого кадра показан на рис. 1.3.
Начальный и стоп-биты на каждый байт данных снижают пропускную способность канала и по этой причине применяются только для низких скоростей обмена. Увеличение же длины блока данных приводит к ужесточению требований к точности синхронизации.
Рис. 1.3. Пример передачи кадра в асинхронном режиме
При использовании синхронного метода передачи необходимы специальные меры для выделения кадра в общем потоке данных. Для решения этой задачи нужна специальная сигнатура (последовательность сигналов). Если такая последовательность встречается внутри кадра, она видоизменяется путем ввода в нее двоичных нулей (bit stuffing). Синхронный приемник нуждается в синхронизирующем сигнале, передаваемом передатчиком. Обычно это реализуется путем введения определенного вида кодирования сигнала, например, биполярного кодирования. В этом случае используется три уровня сигнала: +V соответствует логической единице; -V — логическому нулю, а 0 вольт логическому нулю или единице. Другой разновидностью такого рода кодирования является использование манчестерского кода. В этой схеме логической единице и нулю соответствуют не уровни напряжения, а перепады.
1.2. Сети связи: основные понятия. Модель OSI
Сеть – это совокупность объектов, образуемых устройствами передачи и обработки данных. Международная организация по стандартизации определила вычислительную сеть как последовательную бит-ориентированную передачу информации между связанными друг с другом независимыми устройствами.
Сети обычно находится в частном ведении пользователя и занимают некоторую территорию и по территориальному признаку разделяются на:
Локальные вычислительные сети (ЛВС) или Local Area Network (LAN), расположенные в одном или нескольких близко расположенных зданиях. ЛВС обычно размещаются в рамках какой-либо организации (корпорации, учреждения), поэтому их называют корпоративными.
Распределенные компьютерные сети, глобальные или Wide Area Network (WAN), расположенные в разных зданиях, городах и странах, которые бывают территориальными, смешанными и глобальными. В зависимости от этого глобальные сети бывают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные. В качестве примеров распределенных сетей очень большого масштаба можно назвать: Internet, EUNET, Relcom, FIDO.
Сети делают возможным:
доступ к общим ресурсам (быстродействующая печать, диски большой емкости, backup-системы, информационные хранилища, серверы и т.д.);
децентрализацию вычислительного процесса, возможность создания распределенных вычислительных систем, повышение надежности систем за счет резервирования;
информационный обмен в издательствах, информационных агентствах, поисковых системах, между обычными людьми, разбросанными по всему миру, в системах сбора и обработки научных, метео- и геофизических данных и т.д.;
распределенное управление;
всемирные и локальные системы межличностного общения (почта, IСQ, SMS и пр.).
В сущности, сети – это системы мультиплексирования доступа к каналам и ресурсам.
В состав сети в общем случае включается следующие элементы:
сетевые компьютеры (оснащенные сетевым адаптером);
каналы связи (кабельные, спутниковые, телефонные, цифровые, волоконно-оптические, радиоканалы и др.);
различного рода преобразователи сигналов;
сетевое оборудование.
Различают два понятия сети: коммуникационная сеть и информационная сеть.
Коммуникационная сеть предназначена для передачи данных, также она выполняет задачи, связанные с преобразованием данных. Коммуникационные сети различаются по типу используемых физических средств соединения.
Информационная сеть предназначена для хранения информации и состоит из информационных систем. На базе коммуникационной сети может быть построена группа информационных сетей:
Под информационной системой следует понимать систему, которая является поставщиком или потребителем информации.
Компьютерная сеть состоит из информационных систем и каналов связи.
Под информационной системой следует понимать объект, способный осуществлять хранение, обработку или передачу информация. В состав информационной системы входят: компьютеры, программы, пользователи и другие составляющие, предназначенные для процесса обработки и передачи данных. В дальнейшем информационная система, предназначенная для решения задач пользователя, будет называться – рабочая станция (client). Рабочая станция в сети отличается от обычного персонального компьютера (ПК) наличием сетевой карты (сетевого адаптера), канала для передачи данных и сетевого программного обеспечения.
Под каналом связи следует понимать путь или средство, по которому передаются сигналы. Средство передачи сигналов называют абонентским, или физическим, каналом.
Каналы связи (data link) создаются по линиям связи при помощи сетевого оборудования и физических средств связи. Физические средства связи построены на основе витых пар, коаксиальных кабелей, оптических каналов или эфира. Между взаимодействующими информационными системами через физические каналы коммуникационной сети и узлы коммутации устанавливаются логические каналы.
Логический канал – это путь для передачи данных от одной системы к другой. Логический канал прокладывается по маршруту в одном или нескольких физических каналах. Логический канал можно охарактеризовать, как маршрут, проложенный через физические каналы и узлы коммутации.
Информация в сети передается блоками данных по процедурам обмена между объектами. Эти процедуры называют протоколами передачи данных.
Протокол – это совокупность правил, устанавливающих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами.
Загрузка сети характеризуется параметром, называемым трафиком. Трафик (traffic) – это поток сообщений в сети передачи данных. Под ним понимают количественное измерение в выбранных точках сети числа проходящих блоков данных и их длины, выраженное в битах в секунду.
Существенное влияние на характеристику сети оказывает метод доступа. Метод доступа – это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать канал связи и как управлять доступом к каналу связи (кабелю).
В сети все рабочие станции физически соединены между собою каналами связи по определенной структуре, называемой топологией. Топология – это описание физических соединений в сети, указывающее какие рабочие станции могут связываться между собой. Тип топологии определяет производительность, работоспособность и надежность эксплуатации рабочих станций, а также время обращения к файловому серверу. В зависимости от топологии сети используется тот или иной метод доступа.
Состав основных элементов в сети зависит от ее архитектуры. Архитектура – это концепция, определяющая взаимосвязь, структуру и функции взаимодействия рабочих станций в сети. Она предусматривает логическую, функциональную и физическую организацию технических и программных средств сети. Архитектура определяет принципы построения и функционирования аппаратного и программного обеспечения элементов сети.
В основном выделяют три вида архитектур: архитектура терминал – главный компьютер, архитектура клиент – сервер и одноранговая архитектура.
Современные сети можно классифицировать по различным признакам: по удаленности компьютеров, топологии, назначению, перечню предоставляемых услуг, принципам управления (централизованные и децентрализованные), методам коммутации, методам доступа, видам среды передачи, скоростям передачи данных и т. д.
Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI (Open System Interconnection). Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах при организации сеанса связи. Основными элементами модели являются уровни, прикладные процессы и физические средства соединения. На рис. 1.4 представлена структура базовой модели. Каждый уровень моделиOSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети. Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам. Если приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, то для обмена данными оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.
Рис. 1.4. Модель OSI
Модель OSI можно условно разделить на горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах, и вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.
Каждый уровень компьютера–отправителя взаимодействует с таким же уровнем компьютера-получателя, как будто он связан напрямую. Такая связь называется логической или виртуальной связью. В действительности взаимодействие осуществляется между смежными уровнями одного компьютера.
Итак, информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до компьютера–получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе.
В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API (Application Programming Interface).
Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) – это единица информации, передаваемая между станциями сети. При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети, как это показано на рис. 1.5, где Заг – заголовок пакета, Кон – конец пакета.
Рис. 1.5. Формирование пакета каждого уровня семиуровневой модели
На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.
Каждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает. Отдельные уровни модели OSIудобно рассматривать как группы программ, предназначенных для выполнения конкретных функций.
На рис. 1.6. приведено краткое описание функций всех уровней.
Рис. 1.6. Функции уровней
Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня, запрашивая в свою очередь, сервис у нижестоящего уровня.