Основы передачи дискретных сообщений

• Введение
• 1. Разработка структуры сети передачи данных
• 2. Выбор типа доступа
• 2.1 Уровни модели OSI
• 2.2 Технологии доступа
• 3. Выбор оборудования
• 4. Стоимостные показатели
• Вывод
• Список используемых источников

К современным средствам связи относятся электрические и оптические средства — проводная — факсимильная, волоконно-оптическая, беспроводная — радиотелеграф, радиорелейная, спутниковая, пейджинговая, сотовая мобильная связь, интернет-телефония, спутниковое цифровое телевидение.

Проводные линии связи:

Проводные линии электросвязи делятся на кабельные, воздушные и оптоволоконные.

Факсимильная связь:

Факсимильная (или фототелеграфная) связь — это электрический способ передачи графической информации — неподвижного изображения текста или таблиц, чертежей, схем, графиков, фотографий и т. п. Осуществляется при помощи факсимильных аппаратов: телефаксов и каналов электросвязи (главным образом телефонных).

Оптоволоконные линии связи:

В качестве проводных линий связи используются в основном телефонные линии и телевизионные кабели. Наиболее развитой является телефонная проводная связь. Но ей присущи серьезные недостатки: подверженность помехам, затухание сигналов при передаче их на значительные расстояния и низкая пропускная способность. Всех этих недостатков лишены оптоволоконные линии — вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам («оптическому волокну»).

Оптическое волокно считается самой совершенной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния — широко распространенного и недорогого материала, в отличие от меди. Оптическое волокно очень компактное и легкое, оно имеет диаметр всего около 100 мкм.

Беспроводные системы связи:

Беспроводные системы связи осуществляются по радиоканалам.

В 1930;е гг. были освоены метровые, а в 40-е — дециметровые и сантиметровые волны, распространяющиеся прямолинейно, не огибая земной поверхности (т.е. в пределах прямой видимости), что ограничивает прямую связь на этих волнах расстоянием в 40−50 км в равнинной местности, а в горных районах — в несколько сотен километров. Поскольку ширина диапазонов частот, соответствующих этим длинам волн, — от 30 Мгц до 30 Ггц — в 1000 раз превышает ширину всех диапазонов частот ниже 30 Мгц (волны длиннее 10 м), они могут передавать огромные потоки информации и осуществлять многоканальную связь. В то же время ограниченная дальность распространения и возможность получения острой направленности с антенной несложной конструкции позволяют использовать одни и те же длины волн во множестве пунктов без взаимных помех.

Радиорелейные линии связи:

Радиорелейная связь первоначально применялась для организации многоканальных линий телефонной связи, в которых сообщения передавались с помощью аналогового электрического сигнала.

Спутниковая связь и навигация:

Космическая или спутниковая связь по существу является разновидностью радиорелейной связи и отличается тем, что ее ретрансляторы находятся не на поверхности Земли, а на спутниках в космическом пространстве.

Мобильная сотовая связь:

Связь называют мобильной, если источник информации либо ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Радиосвязь с момента возникновения была мобильной. Первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами — кораблями.

сеть дискретное сообщение передача

1. Разработка структуры сети передачи данных

Предприятие — техникум ФГБОУ ВПО РГУПС. Оно занимается подготовкой среднего профессионального звена студентов по различным специальностям. Потребность техники учебного заведения довольно высока так как новый стандарт обучения предполагает большое количество часов обучения владением компьютером и различными АРМами. Так же помимо потребности техники в учебном процессе, необходима компьютерная техника для администрации и прочих отделов техникума.

Совокупность компьютерной техники:

— 3 учебных класса — 15 компьютеров в каждом;

— Администрация — 8 компьютеров;

— ВЦ — 4 компьютера;

— Другие отделы — 10 компьютеров.

Помимо вычислительной техники для нормального взаимодействия персонал необходима локальная сеть. В техникуме РГУПС, из-за разрозненности корпусов и необходимой информационной безопасности, 3 локальные сети.

2. Выбор типа доступа

В современных условиях труда наверное не осталось ни одного мало-мальски крупного предприятия не подключенного с сети Интернет. Это обусловлено различными факторами. В современном мире существуют различные технологии подключения к этой сети.

Интернет работает на протоколе TCPIP. На самом деле это целое семейство протоколов, таких как IP, TCP, UPD и других прикладных служб. Самое важное, что данный протокол является открытым — он обеспечивает связь в любых комбинациях устройств независимо от того, насколько они отличаются на физическом уровне.

Открытые коммуникации возможны только при четком согласовании всех функций, необходимых для взаимодействия и обмена данными между двумя конечными системами. Две системы могут взаимодействовать только в том случае, если они договорятся о том, как будет устроено взаимодействие. Иначе говоря, они должны следовать общим правилам получения данных от приложения и их упаковки для передачи по сети.

Для упрощения открытого взаимодействия компьютерных систем в 1978/1979 году, Международная организация по стандартизации разработала эталонную модель взаимодействия открытых систем (OSI, Open System Interconnection). Модель OSI устанавливает глобальный стандарт, определяющий состав функциональных уровней при открытом взаимодействии между компьютерами.

2.1 Уровни модели OSI

В литературе наиболее часто принято начинать описание уровней модели OSI с 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Модель OSI заканчивается 1-м уровнем — физическим, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:

— тип передающей среды (медный кабель, оптоволокно, радиоэфир и др.);

— тип модуляции сигнала;

— сигнальные уровни логических дискретных состояний (нуля и единицы).

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже — вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню с некоторой долей условности соответствует свой операнд — логически неделимый элемент данных, которым на отдельном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов: на физическом уровне мельчайшая единица — бит, на канальном уровне информация объединена в кадры, на сетевом — в пакеты (датаграммы), на транспортном — в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объединённых для передачи — кадр, пакет, датаграмма — считается сообщением. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней.

К базовым сетевым технологиям относятся физический и канальный уровни.

Прикладной уровень:

Прикладной уровень — верхний уровень модели, обеспечивающий взаимодействие пользовательских приложений с сетью:

— позволяет приложениям использовать сетевые службы:

§ удалённый доступ к файлам и базам данных;

§ пересылка электронной почты.

— отвечает за передачу служебной информации;

— предоставляет приложениям информацию об ошибках;

— формирует запросы к уровню представления.

Протоколы прикладного уровня: RDP, HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, XMPP, OSCAR, SIP, TELNET и другие.

Уровень представления:

Представительский уровень обеспечивает преобразование протоколов и шифрование/дешифрование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразуются в формат приложений. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень представлений обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой.

Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Протоколы уровня представления: AFP, ICA, LPP, NCP, NDR, XDR, X.25 PAD.

Сеансовый уровень:

Сеансовый уровень модели обеспечивает поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений.

Режим сеанса может быть дуплексный или полудуплексный.

Протоколы сеансового уровня: ADSP, ASP, H.245), ISO-SP, L2TP, NetBIOS, PAP, PPTP, RPC, RTCP, SMPP, SCP, ZIP, SDP.

Транспортный уровень:

Транспортный уровень модели предназначен для обеспечения надёжной передачи данных от отправителя к получателю. При этом уровень надёжности может варьироваться в широких пределах. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных. Например, UDP ограничивается контролем целостности данных в рамках одной датаграммы и не исключает возможности потери пакета целиком или дублирования пакетов, нарушения порядка получения пакетов данных; TCP обеспечивает надёжную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления или дублирования, может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и, наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.

Протоколы транспортного уровня: ATP, CUDP, DCCP, FCP, IL, NBF, NCP, SCTP, SPX, SST, TCP, UDP.

Сетевой уровень:

Сетевой уровень модели предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства условно называют устройствами третьего уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6, IPX (протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2), CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec. Протоколы маршрутизации — RIP, OSPF.

Канальный уровень:

Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, он упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.

Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на два подуровня: MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие устройства. Эти устройства используют адресацию второго уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы канального уровня: ARCnet, ATM, Controller Area Network (CAN), Ecoлnet, Ethernet, Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS), Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, High-Level Data Link Control (HDLC), и др.

В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой. Это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС.

Физический уровень:

Физический уровень — нижний уровень модели, который определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства (компьютера) к другому. Осуществляют передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов.

На том уровне также работают концентраторы, повторители сигнала и медиаконверторы.

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие виды сред передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Протоколы физического уровня: IEEE 802.15 (Bluetooth), IRDA, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, DSL, ISDN, SONET/SDH, 802.11 Wi-Fi, Etherloop, GлSM Um radio interface, ITU и ITU-T, TransferJet, ARINC 818, G. hn/G.9960.

Обобщенная информация об уровнях эталонной модели OSI представлена в таблице 1.

Таблица 1 — Обобщенная информация о модели OSI

Логическая и фактическая последовательность передачи управления в многоуровневой коммуникационной модели изображены на рисунке 1.

Рисунок 1 — логическая и фактическая последовательность передачи управления в многоуровневой коммуникационной модели

2.2 Технологии доступа

ARCNET — технология ЛВС, назначение которой аналогично назначению Ethernet или Token ring. ARCNET являлась первой технологией для создания сетей микрокомпьютеров и стала очень популярной в 1980;х при автоматизации учрежденческой деятельности. Предназначена для организации ЛВС в сетевой топологии «звезда» .

Основу коммуникационного оборудования составляет:

— коммутатор (switch);

— пассивный/активный концентратор.

Преимущество имеет коммутаторное оборудование, так как позволяет формировать сетевые домены. Активные хабы применяются при большом удалении рабочей станции (они восстанавливают форму сигнала и усиливают его). Пассивные — при маленьком. В сети применяется назначаемый принцип доступа рабочих станций, то есть право на передачу имеет станция, получившая от сервера так называемый программный маркер. То есть реализуется детерминированный сетевой трафик.

Преимущества подхода:

— Можно рассчитать точное время доставки пакета данных.

— Можно точно рассчитать пропускную способность сети.

Замечания: сообщения, передаваемые рабочими станциями образуют очередь на сервере. Если время обслуживания очереди значительно (более, чем в 2 раза) превышает максимальное время доставки пакета между двумя самыми удалёнными станциями, то считается, что пропускная способность сети достигла максимального предела. В этом случае дальнейшее наращивание сети невозможно и требуется установка второго сервера.

Предельные технические характеристики:

— Минимальное расстояние между рабочими станциями, подключенными к одному кабелю — 0,9 м.

— Максимальная длина сети по самому длинному маршруту — 6 км.

Ограничения связаны с аппаратной задержкой передачи информации при большом количестве коммутирующих элементов.

— Максимальное расстояние между пассивным концентратором и рабочей станцией — 30 м.

— Максимальное расстояние между активным и пассивным хабом — 30 м.

— Между активным хабом и активным хабом — 600 м.

Достоинства — низкая стоимость сетевого оборудования и возможность создания протяжённых сетей.

Недостатки - Невысокая скорость передачи данных.

После распространения Ethernet в качестве технологии для создания ЛВС, ARCNET нашла применение во встраиваемых системах.

Token Ring — технология локальной вычислительной сети (LAN) кольца с «маркёрным доступом» — протокол локальной сети, который находится на канальном уровне (DLL) модели OSI. Он использует специальный трёхбайтовый фрейм, названный маркёром, который перемещается вокруг кольца. Владение маркёром предоставляет право обладателю передавать информацию на носителе. Кадры кольцевой сети с маркёрным доступом перемещаются в цикле.

Станции на локальной вычислительной сети (LAN) Token Ring логически организованы в звездообразную топологию с данными, передаваемыми последовательно от одной кольцевой станции до другой с управляющим маркером, циркулирующим вокруг кольцевого доступа управления. Этот механизм передачи маркёра совместно использован ARCNET, маркёрной шиной, и FDDI, и имеет теоретические преимущества перед стохастическим CSMA/CD Ethernet.

FDDI (англ. Fiber Distributed Data Interface — Волоконно-оптический интерфейс передачи данных) — стандарт передачи данных в локальной сети, протянутой на расстоянии до 200 километров. Стандарт основан на протоколе Token Ring. Кроме большой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей.

В качестве среды передачи данных в FDDI рекомендуется использовать волоконно-оптический кабель, однако можно использовать и медный кабель, в таком случае используется сокращение CDDI (Copper Distributed Data Interface). В качестве топологии используется схема двойного кольца, при этом данные в кольцах циркулируют в разных направлениях. Одно кольцо считается основным, по нему передаётся информация в обычном состоянии; второе — вспомогательным, по нему данные передаются в случае обрыва на первом кольце. Для контроля за состоянием кольца используется сетевой маркер, как и в технологии Token Ring.

Поскольку такое дублирование повышает надёжность системы, данный стандарт с успехом применяется в магистральных каналах связи.

Ethernet — пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3 Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990;х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet и Token ring.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:

— возможность работы в дуплексном режиме;

— низкая стоимость кабеля «витой пары» ;

— более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле (соединение точка-точка: обрыв кабеля лишает связи два узла. В коаксиале используется топология «шина», обрыв кабеля лишает связи весь сегмент);

— минимально допустимый радиус изгиба меньше;

— большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;

— возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

— гальваническая развязка трансформаторного типа. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC-адрес.

В зависимости от скорости передачи данных, и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех ниже перечисленных вариантах.

В этом разделе дано краткое описание всех официально существующих разновидностей. По некоторым причинам, в дополнение к основному стандарту многие производители рекомендуют пользоваться другими запатентованными носителями — например, для увеличения расстояния между точками сети используется волоконно-оптический кабель.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 — поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

В техникуме РГУПС используется технология Ethernet.

3. Выбор оборудования

Стандартные характеристики системного блока представлены в таблице 2 — характеристики системного блока.

Таблица 2 — характеристики системного блока.

Так же в дополнение к системному блоку прилагаются клавиатура мышка и экран.

Характеристики севера.

В качестве сервера в техникуме ФГБОУ ВПО РГУПС используются компьютер с характеристиками представленными в таблице 3 — характеристики сервера.

Таблица 3 — характеристики сервера.

Характеристики коммутатора:

— DES-1016A Неуправляемый коммутатор с 16 портами 10/100Base-TX

Логическая схема взаимодействия сети представлена на рисунке 2 — схема взаимодействия сети.

Рисунок 2 — схема взаимодействия сети.

Как видно из рисунка 2, в техникуме РГУПС применяется 2 сервера. Первый служит для распределения и фильтрации Интернет трафика, а второй отвечает за разделение сети компьютерных классов и других отделов техникума. Компьютерные классы же находятся в другой подсети, но сами между собой объединены.

Примерная схема размещения компьютеров, коммутаторов, серверов и линий сети изображена на рисунки 3.

Рисунок 3 — примерная схема расположения компьютеров, коммутаторов и серверов на 2 этаже техникума

4. Стоимостные показатели

Для расчета стоимостных показателей нужно знать: С_{каб. -} стоимость всего кабеля необходимого на прокладку сети; С_серв — стоимость сервера; С_{м -} стоимость монтажа; С_со — стоимость различного сетевого оборудования.

Стоимость приведенных в пункте 3 серверов равна 35 000 рублей за штуку, следовательно:

С_серв = 35 000 2 = 70 000 руб. (1)

Стоимость 305 метровой бухты кабеля — 2 700 рублей. Для прокладки сети понадобится 4 бухты кабеля:

С_каб. = 2 700 4 = 10 800 руб. (2)

Стоимость сетевого оборудования равна стоимости сетевых розеток, используемых в классах в количестве 45 шт. — 45 руб. за штуку и стоимости коммутаторов в количестве 4 шт. — 1300 руб. за штуку, а также пакета коннекторов RJ-45 стоимостью — 5500 руб.:

С_со = 45 45 +1300 4 +5500 = 12 750 руб. (3)

Стоимость прокладки кабеля 15 руб. за метр. Отсюда стоимость монтажа равна:

С_м = 1200 15 =18 000 руб. (4)

Общая стоимость затрат на прокладку сети равна:

С_общ = С_серв + С_каб. + С_со + С_м =

= 70 000 + 10 800 + 12 750 + 18 000 = 111 150 руб. (5)

Общая стоимость равна 111 150 руб.

Вывод

Для создания сети необходимо иметь оборудование (коммутаторы, оконечные устройства, сетевые розетки, сервер), линию (сеть из оптоволокна либо/и витой пары), а также специалиста для ее монтажа. Также для красивого внешнего вида и безопасности лучше применять кабель-каналы.

Список используемых источников

1. TCP/IP для профессионалов: Учебник / Под ред. Тим Паркер, Каранжит Сиян — Питер, 2004 г.

2. http://23awg.ru/index.