Мультиплексирование в двух словах. Мультиплексирование в сетях передачи данных Что такое мультиплексирование

Мультиплексирование

Компьютерные сети Лекция №2 6 сем.

Сравнение коммутации каналов и коммутации пакетов

Сравнение способов коммутации

В информационных технологиях и связи, мультиплекси́рование - это уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.

В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью - медный или оптический кабель, радиоканал.

В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один.

Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором .

Задача мультиплексирования - образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Задача демультиплексирования - разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.

Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов.

Как известно, человеческая речь может быть адекватно передана частотами в диапазоне от 300 до 3400 Гц, т. е. необходимый частотный интервал составляет 3100 Гц. Однако при мультиплексировании нескольких голосовых каналов каждому из них выделяется диапазон в 4000 Гц, чтобы они не перекрывались. Частота каждого канала увеличивается каждая на свою величину, кратную 4 кГц, затем каналы комбинируются. В результате каналы разносятся по всему спектру частот данной линии. Каналы отделены друг от друга так называемыми защитными интервалами (см. Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1.
При частотном мультиплексировании весь частотный диапазон разбивается на несколько каналов. Чтобы каналы не перекрывались, они отделены друг от друга защитными интервалами.

Схемы мультиплексирования FDM в достаточной мере стандартизованы. Наибольшее распространение получил стандарт, согласно которому двенадцать голосовых каналов шириной 4000 Гц мультиплексируются в диапазоне частот от 60 до 108 кГц. Такой блок называется группой. Диапазон с 12 до 60 кГц используется иногда для другой группы.

Разновидностью технологии частотного мультиплексирования, используемой в случае оптических линий связи, является мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Физически мультиплексирование осуществляется следующим образом: несколько волокон подводится к призме (или чаще дифракционной решетке), световые пучки пропускаются через призму и попадают в общее волокно. На противоположном конце пучки разделяются с помощью другой призмы. Если каждый подводимый пучок ограничен своим частотным диапазоном, то они не будут перекрываться. Оптические системы полностью пассивны и, как результат, более надежны.

В волоконно-оптических системах связи и передачи информации используются различные методы и технологии передачи и обработки сигналов, в том числе технологии временного (TDM) и спектрального (DWDM) мультиплексирования и демультиплексирования. В настоящей статье кратко излагаются принципы построения и основы традиционных систем передачи информации, использующих TDM-технологии, их эволюция, возможности и ограничения, а также приводятся общие сравнения с системами, использующими технологии WDM-мультиплексирования.

Временное мультиплексирование

Уникальные возможности оптических волокон передавать на огромные расстояния сигналы в суперширокой полосе частот, с одной стороны, и растущая потребность в повышении информационной емкости каналов связи, с другой, обусловили необходимость разработки методов мультиплексирования (уплотнения) информационных каналов и создания мультиплексных систем.

Первым методом мультиплексирования, который сразу же стал применяться в волоконно-оптических системах и сетях связи, явился метод временного мультиплексирования.

При временном мультиплексировании каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую, отводится определенный интервал времени для передачи информации. То есть в первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одного информационного канала, во второй - другого и т. д. Таким образом, информация каждого канала передается с помощью одного источника излучения по очереди, последовательно. Каждому каналу отводится свой временной интервал или временное окно. Длительность этого временного окна определяется различными факторами, главными из которых являются скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи. Прибором, устанавливающим очередность и временной интервал передачи информации на входе линии, является временной мультиплексор. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, который преобразует оптический сигнал в электрический, определяет номер канала, то есть идентифицирует его, и направляет информацию соответствующему пользователю. Таким образом, мультиплексирование и демультиплексирование осуществляются только электронными средствами с помощью электрических сигналов управления. На рис. 1 показана схема передачи сигнала по ВОЛС с временным мультиплексированием.

Рис. 1.

Использование технологии TDM в настоящее время обеспечило ввод в широкую эксплуатацию одноканальных (по оптической несущей) волоконно-оптических линий передачи (один источник - одно волокно - один фотоприемник) со скоростями передачи 10 Гбит/с. ВОЛС с такими скоростями передачи постепенно замещают линии со скоростями 2,5 Гбит/с. В стадии практической реализации находится сейчас ВОЛС следующего поколения с информационной емкостью канала 40 Гбит/с, исследуются возможности создания TDM-систем на скорости передачи 100 Гбит/с.

Скорости в 10 Гбит/с, на наш взгляд, представляют некоторую поворотную точку в TDM-технологиях. Ниже этой скорости характеристики большинства существующих волоконно-оптических трактов практически не влияют на качество передачи информации; при превышении скоростей передачи 10 Гбит/с эти характеристики должны уже более тщательно проверяться и корректироваться.

Прежде всего необходимо учитывать хроматическую дисперсию волокна - зависимость скорости распространения света от длины волны оптического излучения, обусловленную, в свою очередь, соответствующей зависимостью коэффициента преломления света в оптическом волокне от длины волны.

Дисперсия приводит к уширению оптических импульсов в волокне, и при скоростях передачи информации 10 Гбит/с (стандарт ОС-192) ее влияние на ограничение в скорости передачи проявляется уже в 16 раз сильнее, нежели при скоростях в 2,5 Гбит/с (стандарт ОС-48). Методы, которые позволяют компенсировать хроматическую дисперсию в уже проложенных оптических волокнах, в принципе разработаны, но они неизбежно приводят к возрастанию потерь в системе, ее существенному усложнению и повышению стоимости. Для стандартного одномодового волокна (типа G.652) максимальное расстояние, на которое можно передавать информацию со скоростью 10 Гбит/с с помощью стандартных источников излучения и без применения специальных мер компенсации дисперсии и коррекции сигнала, ограничивается пределами 50ё 75 км.

На первых этапах создания гигабитных ВОЛС с целью подавления дисперсии в качестве источников излучения было предложено применять узкополосные полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения, близкой (но не равной) длине волны, на которой в волокне имеет место нулевая дисперсия. Это должно было бы позволить также избежать четырехволнового смешения в волокне, приводящего к перекрестным помехам в ВОЛС. Однако оказалось, что при прямой модуляции лазеров по току питания кроме амплитудной происходит и частотная модуляция, то есть изменяется длина волны излучения лазера. Это явление, известное как “чирпинг”, приводит к достаточно сильному разбросу генерируемых импульсов по спектральному составу оптического излучения и, следовательно, к проявлению таких нежелательных эффектов, как упомянутые выше четырехволновое смешение и хроматическая дисперсия.

Но даже если и удается каким-либо способом компенсировать хроматическую дисперсию волокна на скоростях передачи c 10 Гбит/с и более, начинает проявляться поляризационно-модовая дисперсия (ПМД), которая также приводит к ограничению скорости передачи информации в линии. ПМД есть следствие различия скоростей распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, распространяющихся в одномодовом волокне, которое, в свою очередь, может быть вызвано целым рядом факторов, влияющих на величину двулучепреломления волокна и на взаимодействие (или смешение) мод.

Кроме этого, разработка TDM-систем, обеспечивающих дальнейшее (за пределы 10 Гбит/с) повышение скорости передачи информации, также требует разработки и применения новых сверхбыстрых электронных систем модуляции, коммутации и приема лазерного излучения в ВОЛС. Подобные проблемы неизбежно возникают и при создании систем коррекции ошибок в ВОЛС с такими скоростями.

Таким образом, можно сказать, что TDM-технологи, даже при значительном усовершенствовании, могут быть практически использованы в ВОЛС со скоростями передачи информации в десятки Гбит/с, при этом также остается открытым вопрос экономической целесообразности таких решений. Для создания более широкополосных ВОЛС необходимо было либо прокладывать новые волоконно-оптические линии, либо искать новые решения, позволяющие мультиплексировать отдельные TDM-каналы и передавать их по одному волокну одновременно.

Спектральное мультиплексирование

Таким решением явилась разработка технологии спектрального мультиплексирования (DWDM), которые позволяют увеличивать скорости передачи информации в ВОЛС за счет одновременной передачи по волокну нескольких TDM-каналов на различных длинах волн.

Оптическая схема построения ВОЛС, использующая DWDM-технологии, приведена на рис. 2. В схеме имеется набор оптических передатчиков, излучающих на длинах волн l n на одном конце линии, и набор соответствующих фотоприемников на другом. На каждой из этих длин волн l n может независимо передаваться один из TDM-сигналов системы, таким образом обеспечивается одновременная передача всех TDM-каналов. Необходимыми элементами таких ВОЛС являются волоконно-оптические усилители, мультиплексоры, демультиплексоры, блоки ввода-вывода оптических каналов (или мультиплексоры с устройствами ввода-вывода), коммутаторы и, естественно, волоконно-оптические кабели. Каждый из этих элементов является важным для правильного функционирования системы в целом, характеристики каждого должны быть тщательно определены и заданы.

а - Мультиплексоры с устройством ввода-вывода
b - Оптические усилители
c - Оптические переключатели
Рис. 2.

Критерии выбора компонентов для DWDM-систем определяются рядом достаточно жестких требований, главным из которых является требование о том, что все каналы должны иметь равную пропускную способность по всему оптическому пути прохождения и обработки сигналов.

Это означает, что оптические источники, мультиплексоры, демультиплексоры, оптические усилители и само волокно должны иметь характеристики, полностью обеспечивающие реализацию заданных параметров создаваемой локальной сети. Поэтому оптические характеристики пассивных и активных компонентов локальной сети, такие, как вносимые и обратные потери, дисперсия, поляризационные эффекты и пр. должны тщательно измеряться и контролироваться в зависимости от длины волны в пределах спектральной полосы DWDM-системы. Как правило, DWDM-системы содержат значительно больше сложных устройств и элементов по сравнению с системами, работающими на одной длине волны, и поэтому контроль их параметров осуществлять значительно сложнее. К таким устройствам и элементам относятся мультиплексоры и демультиплексоры, узкополосные фильтры, получаемые методами тонкопленочной технологии, сплавные биконические разветвители, устройства ввода-вывода на основе волноводных дифракционных решеток, объемные брэгговские фильтры и брэгговские фильтры на основе дифракционных решеток.

В дополнение к этому должно быть точно установлено и учтено волоконно-оптических усилителей на качество и целостность спектра оптических сигналов и, наконец, должны быть учтены и сведены к минимуму эффекты взаимодействия спектральных каналов между собой, с тем чтобы свести к минимуму перекрестные помехи, которые могут привести к искажению информации в различных элементах сети.

Таким образом, даже на первый взгляд видно, что системы связи, использующие DWDM-технологии, являются более сложными и дорогими по сравнению с существующими одноканальными ВОЛС. Однако, если учесть, что значительную часть стоимости строительства новых ВОЛС и сетей связи составляет стоимость оптического кабеля и его прокладки, то сравнительный анализ показывает, что применение DWDM-технологии позволяет существенно снизить затраты в расчете на 1 бит информации, т. е. сеть становится более дешевой. Кроме того, появляется возможность более гибкого маркетинга информационными каналами: можно будет приобретать или брать в аренду не только кабель или волокно, но и отдельную длину волны. Таким образом, DWDM-технологии способны обеспечить возможности многократного расширения полосы передаваемых частот в сети без ее капитальной реконструкции и прокладки нового кабеля. В настоящее время в мире уже практически реализованы и функционируют DWDM-системы с 64 спектральными каналами, на стадии завершения разработки находятся системы на 128 спектральных каналов. В 2001 году первые DWDM-системы уже появились и в России.

Аналоговый сигнал (АС)

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.

Пример АС - гармонический сигнал: s(t) = A·cos(ω·t + φ).

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в цифровую систему для обработки невозможно, так как на любом интервале времени он может иметь бесконечное множество значений, и для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому очень часто необходимо преобразовывать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретный сигнал

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени t i (где i - индекс). Обычно промежутки времени между последовательными отсчётами (Δt i = t i − t i−1) постоянны; в таком случае, Δt называется интервалом дискретизации . Сами же значения сигнала x(t) в моменты измерения, то есть x i = x(t i), называются отсчётами.

Квантованный сигнал

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N−1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчёты сигнала сравниваются с уровнями квантования, и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log 2 (N).

Цифровой сигнал

Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. Квантование является частным случаем дискретизации, когда дискретизация происходит по одинаковой величине, называемой квантом. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Последовательность таких чисел и будет являться цифровым сигналом.

4. Аналоговые сигналы. Способы частотного уплотнения при передаче;

Аналоговый сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Мультиплексирование (уплотнение) - объединение нескольких меньших по ёмкости входных каналов связи в один канал большей ёмкости для передачи по одному выходному каналу связи. При реализации такого объединения телефонных каналов одной из основных задач является устранение взаимного влияния соседних каналов. Существует 2 метода мультиплексирования:

мультиплексирование с частотным разделением каналов (частотное мультиплексирование / уплотнение);
мультиплексирование с временным разделением каналов (временное мультиплексирование / уплотнение).

При частотном мультиплексировании полоса частот выходного канала делится на некоторое число полос (подканалов) n , соответствующих по ширине основной полосе стандартного телефонного канала 4 кГц. Например, на рис.1 показана такая группа из четырех каналов с полосой 4 кГц, отведенной под каждый канал, и частотами, сдвинутыми на 60 кГц в результате амплитудной модуляции.

Несущий сигнал - сигнал, один или несколько параметров которого подлежат изменению в процессе модуляции.

Боковая полоса частот - дополнительная полоса частот, возникающих при модуляции несущего колебания. Боковые полосы располагаются слева и справа от несущей, полностью повторяя спектр исходного сигнала.

Для формирования канальных групп используется процедура ОБП-ПН - модулирования несущей и поднесущей по амплитуде с подавлением одной боковой полосы (левой или правой) и подавлением несущей . Схема формирования канальных групп может быть разной. Стандарт ССITТ рекомендует следующую систему группирования:

1. основная канальная группа (первичная группа) - 12 стандартных телефонных каналов;

2. основная супергруппа (вторичная группа) - 5 канальных групп (5 * 12 = 60 каналов);

3. мастергруппа (третичная группа) - 5 супергрупп (60 * 5 = 300 каналов) или 10 супергрупп (60 * 10 = 600 каналов), или 16 супергрупп (60 * 16 = 960 каналов);

4. мультимастергруппа (четвертичная группа).

Формирование основной канальной группы показано на рис.2, где используется двухступенчатая схема:

1. на первой формируется группа из трёх (правых) каналов ОБП (одной боковой полосы) - путём модуляции поднесущих 12, 16, 20 кГц;

2. на второй - канальная группа из двенадцати (левых) каналов ОБП - путём модуляции поднесущих 84, 96, 108, 120 кГц. В результате формируется канальная группа с шириной полосы 48 кГц (60 - 108 кГц), которая используется при модуляции 5 несущих (420, 468, 516, 564, 612 кГц) при формировании супергруппы с шириной полосы 240 кГц (312 - 552 кГц) и т.д.

5. Дискретная модуляция. Теорема Котельникова;

Модуляция - это процесс преобразования одного или нескольких информационных параметров несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями информационного сигнала.

В результате модуляции сигналы переносятся в область более высоких частот.

Использование модуляции позволяет:

согласовать параметры сигнала с параметрами линии;
повысить помехоустойчивость сигналов;
увеличить дальность передачи сигналов;
организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).

Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах .

Основные способы дискретной модуляции :

Первичный сигнал – (а)

1 . Дискретная амплитудная модуляция

2 . Дискретно-частотная модуляция

3 . Однократная относительно фазовая модуляция (отсутствие переворота фазы относительно предыдущего элемента на 180 о).

4. Дискретная фазовая модуляция (переворот фазы в 0)

Часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Теорема Котельникова о квантовании сигналов по времени (для чисто дискретных сигналов):

Сигнал S(t) с ограниченным спектром (ограниченной частотой сигнала), не имеющий спектральных составляющих с частотами выше круговой частоты ω В = 2πf В однозначно определяется своими мгновенными значениями, взятыми через промежутки времени ∆t = π/ ω В = 1/2f В.

6. Импульсно кодовая модуляция. Основные идеи. Циклы. Скорости передачи;

АИМ – амплитудно-импульсный модулятор.

ТГ – Тактовый генератор.

ИЦС – импульс цикловой синхронизации.

8 бит*24 канала + 1 = 193 бит.

(125 мкс/24)*(192/193)=5,18 мкс – на один канал.

Сверхциклы состоят из 12 циклов (1,5 мс). 1544 Кбита (64*24+1 ИЦС) – на один цикл.

Импульсно-кодовая модуляция используется для оцифровки аналоговых сигналов. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение ИКМ.

Принцип АЦП на основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) включает дискретизация во времени, квантование по уровню (амплитуде) и кодирование.

Первичный сигнал представлен своими отсчетами в определенные моменты времени. Такое представление не приводит к потере информации, если сигнал ограничен по спектру.

При передаче в линию каждый аналоговый сигнал дискретизируют, т.е. заменяют считываемыми с определенным шагом отсчетами. В промежутки между отсчетами одного сигнала вставляют отсчеты второго сигнала, в оставшиеся промежутки вставляют отсчеты третьего сигнала и т.д. В итоге образуется групповой сигнал в виде импульсов, модулированных по амплитуде (АИМ сигнал). Значения амплитуд импульсов ограничивают набором разрешенных уровней. Специальное устройство, называемое квантователем, подтягивает значение амплитуды каждого импульса до ближайшего разрешенного уровня. После этого становится возможным закодировать значение каждой амплитуды в двоичном коде в виде набора токовых и бестоковых посылок, т.е. в виде набора условных нулей и единиц. В результате кодирования в линию поступает импульсно-кодово-модулированный сигнал (ИКМ сигнал).

Таким образом:

Дискретизатор при передаче с определенным шагом считывает значения аналогового сигнала, т.е. производит его дискретизацию. Дискретизатор представлен на рисунке вращающимся против часовой стрелки подвижным электродом, касающимся поочередно в течение одного цикла трех неподвижных электродов. К каждому из неподвижных электродов подводится свой аналоговый сигнал.

Квантователь подтягивает значение отчета сигнала до ближайшего разрешенного уровня.

Кодер производит операцию кодирования, т.е. представление отсчетов сигнала в виде набора битов, условных нулей или единиц.

Дискретизатор можно рассматривать как прерыватель исходного сигнала x(t) . Генератор импульсов выдает на вход прерывателя некоторую последовательность импульсов, в результате чего входной сигнал x(t) преобразуется в последовательность дискретных выборок сигнала x(t) . Работа генераторов импульсов определяется устройством управления. В случае равномерной дискретизации частота импульсов, поступающих от генератора, является неизменной.

Существует также Европейская система ИКМ. Число каналов = 30 + 2 служебных (используется для синхронизации и сигнализации управления). 64*32=2048 Кбит – на один цикл. В этой системе нет импульса цикловой синхронизации (ИЦС) .

Американская система:

Европейская система:

7. Технология ISDN. Службы ISDN;

Основное назначение ISDN - передача данных со скоростью до 64 кбит/с по абонентской проводной линии и обеспечение интегрированных телекоммуникационных услуг (телефон, факс, и пр.). Использование для этой цели телефонных проводов имеет два преимущества: они уже существуют и могут использоваться для подачи питания на терминальное оборудование.

В стандартах ISDN определяются базовые типы каналов, из которых формируются различные пользовательские интерфейсы:

В большинстве случаев применяются каналы типов B и D .

Из указанных типов каналов формируются интерфейсы, наибольшее распространение получили следующие типы:

Интерфейс базового уровня (Basic Rate Interface, BRI ) - предоставляет для связи аппаратуры абонента и ISDN-станции два B-канала и один D-канал. Интерфейс базового уровня описывается формулой 2B+D.

Интерфейс первичного уровня (Primary Rate Interface, PRI) - используется для подключения к широкополосным магистралям, связывающим местные и центральные АТС или сетевые коммутаторы. Интерфейс первичного уровня объединяет:
для стандарта E1 (распространён в Европе) 30 В-каналов и один D-канал 30B+D. Элементарные каналы PRI могут использоваться как для передачи данных, так и для передачи оцифрованного телефонного сигнала.
для стандарта Т1 (распространен в Северной Америке и Японии, а также - в технологии DECT) 23 В-канала и один D-канал 23B+D.

ISDN работает на первых трех уровнях модели OSI (физический, канальный, сетевой). Из них канал B реализуется на первом уровне, канал D – на всех трех.

Службы, поддерживаемые ISDN:

Цифровые сети интегрального обслуживания(integrated Services Digital Network) МККТТ→ IEEE

Первый стандарт G. 705. Первые сети 1984 год.

1)Выделенные цифровые каналы неккомутированные

2) коммутированная телефонная сеть

3) сети передачи данных с коммутацией каналов

4) сеть передачи данных с коммутацией пакетов

5) сеть передачи данных с трансляцией кадров

6) средства контроля и управления сетью

8. Мультиплексирование сигналов. Обратная операция;

Мультиплексирование (англ. multiplexing, muxing)- это процесс уплотнение канала связи, другими словами, передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу связи, с использованием специального устройства, называемого мультиплексором MUX.

Демультиплексирование - разделение суммарного агрегированного потока на несколько составляющих его потоков.Демультиплексор (DMX) выполняет обратную функцию мультиплексора.

В настоящее время, для уплотнения канала связи, в основном используют:

Временное мультиплексирование - Эта технология предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал.
Частотное мультиплексирование - Основная идея состоит в выделении каждому соединению собственного диапазона частот в общей полосе пропускания линии связи. Мультиплексирование выполняется с помощь смесителя частот, а демультиплексирование – с помощью узкополосного фильтра, ширина которого равна ширине диапазона канала.
Волновое (спектральное) мультиплексирование - используется тот же принцип частотного разделения канала, но только в другой области электромагнитного спектра. Информационным сигналом является не электрический ток, а свет.
Множественный доступ с кодовым разделением - каждый канал имеет свой код, наложение которого на групповой сигнал позволяет выделить информацию конкретного канала.

9. Сети передачи данных на железной дороге;

СПД Линейн.предприятий

СПД дорожн.ур-я

СПД межрегион.

КИ-концетратор И-ии

ЛК-Линейный контр.

АРМ-автом.раб.место

МПД –мультиплексор перед.данных

ПТД –процессор телеобр.данных

ГВЦ-головн.выч.центр

10. Модель ISO/OSI. Краткая характеристика уровней;

Попытались преодолеть препятствия связанные с неоднородностью сетей

Преимущества:

1) Появилась возможность деления сетевых операций на легкоуправляемые уровни с помощью специального протокола

2) изменения на одном уровне не действуют на другие уровни, что позволяет разрабатывать специализированные на определенных задачах, отдельных и ограниченных.

3) Оказалось возможным применять стандартные интерфейсы для интеграции оборудования от разных производителей

7) Прикладной уровень. Приложений пользователя. отвечает за идентификацию и условия доступности партнера по диалогу. достаточно ресурсов для взаимодействия www., шлюз электронной почты, smtp, электронный обмен данными, всевозможные утилиты, навигация в интернет, пакет системы, службы пересылки информации.

6) Представительный. Smtp. представление данных в различном виде jpeg, MIPI, IIF, quicktime, для управления аудиоданными. Кодировка.

5) Сеансовый. происходит разделение данных различных приложений и осуществляется управление диалогом взаимодействия системы в удаленном и полуудаленном режиме. возможно повторение не подтвержденных сегментов данных, осуществляется управление потоками передачи данных.

4) Транспортный. обеспечивается надежная доставка данных. путь определен маршрутизатором, и осуществляется соединение между конечными точками

3)сетевой. обеспечивает логическую адресацию. пути определяется маршрутизатором.

2) канальный. Формирование кадров. разбиение пакетов на байты или наоборот, и осуществление адресации на уровне mac-адресов. обнаруживаются ошибки, но не исправляются

1)физический. перемещение битов данных между устройствами. регулируется скорость в линиях передачи данных

11. Некоторые характеристики модемов;

Классификация по скорости передаваемых данных:

1)мало скоростные. 14400 б/с 2)среднескоростные 28400 б/с 3)высокоскоростные. больше 28 400 б/с

Классификация по исполнению:

1) внутренние модемы 2) внешняя 3) портативные

принципы работы модема:

передатчики, приемники, формирователь тактовой частоты

Функциональные возможности модема:

1) защита от ошибок, возникающих под воздействием помех

2) Статистика данных. протокол nm5 позволяет сжать информацию в 1,3 - 2 раз. BTLZ(British Telecom Lempel Ziv) до 4 раз сжимает.

3) интеллектуальное управление модемом

4) защита от нсд. автоматическое определение адреса абонента. список разрешенных и не разрешенных

5) синхронные модемы

6) измерение характеристик канала

7) отчет о состоянии связи

12. Моделирование среднего времени занятия канала по протоколам АП-70 и BSC;

b - Длина передаваемого полезного блока в символах.

nд - количество дополнительных символов

nп - длина блока подтверждения в символах

r - число двоичных разрядов для кодирования символов

p - вероятность не наложения двоичного разряда

v - скорость передачи по каналу в битах

t1 - время передачи полезной информации в одном блоке

t2 - среднее время передачи всего блока полезной служебной информации

ᶯ - коэффицент эффективной скорости передачи данных t1/t2=f(…)

1) номер блока один символ

2) Конец блока 1 символ

3) контрольная последовательность блоков один символ

nд=3 nз=3 nп=1 r=11

1) служебный заполнитель 1

2) синхронизация 2

3) начало текста 1

4) конец блока 1

	АП	BSC
P	b_опт	ᶯ_max	b_опт	ᶯ_max
10-4		0,64		0,81
10-6		0,72		0,98

5) контрольная последовательность блока 2 циклического входа. nд =8. nз - защищается полезная информация и конец блока nз=3

6) блок подтверждения 6 символов

13. Технология Х.25. Структура кадров;

Сеть с коммутацией пакетов или 4 служба SDM.

Существует несколько различных кадров

1) I - информационный

2) S - управляющие. подтверждение и повторные запросы. может определить для задержки передачи кадров

3) И - ненумерованные кадры для дополнительных функций управления(установка режимов, соединения, идентификации, тестирование, разъединение)

S и И поле информации не имеют

14. Локальные сети ЭВМ. Основные стандарты;

Любой способ соединения двух или более компьютеров с целью распределения ресурсов - средств хранения данных, принтеров и т.п. - можно назвать сетью.
Локальная сеть (LAN - local area network) представляет собой особый тип сети, объединяющей близко расположенные вычислительные системы, как правило, в пределах группы сотрудников или отдела фирмы. Эти компьютеры и другое оборудование соединены однотипными средствами коммуникаций - чаще всего проводом, хотя существуют и беспроводные локальные сети с инфракрасными или радиоволновыми линиями связи.
Сетевой трафик - поток информации, передаваемый по сети.
Пропускная способность линии связи или полоса пропускания - определяется, как количество информации, передаваемой в единицу времени.
Узел сети - вычислительное устройство, имеющее сетевой адрес.
Рабочая станция - компьютер подключенный к сети, являющийся универсальным узлом сети.
Сервер - Компьютер сети с более широкими функциями, чем рабочая станция, может быть принтсервер,0 обеспечивающий работу всех узлов сети с принтером, файлсервер, обеспечивающий общее хранение информации для узлов сети и т.д.
Сегмент сети - совокупность узлов сети, использующих общую разделяемую среду передачи.
Мост - средство объединения сегментов сети, частный случай коммутатора сети.
Сетевой адаптер - сетевая интерфейсная плата электрически подсоединяющая рабочую станцию к локальной сети.
Коммутатор - средство организации цепей передачи данных.

Для подключения большого числа рабочих станций кроме адаптерных плат применяют сетевые усилители и коммутаторы. Коммутатор, обладающий одновременно и функциями усилителя, называют активным концентратором.

Устройство, к которому можно присоединить максимум три станции, называют пассивным концентратором. Пассивный концентратор обычно используют как разветвитель. Он не нуждается в усилителе и применяется, если максимальное расстояние до рабочей станции не превышает нескольких метров.
Хаб - устройство, к которому подключаются кабели от множества коммуникационных устройств и узлов сети. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.

Концентратор - считается синонимом хаба, но может использоваться шире (соединять сети или сегменты сети, построенные по разным технологиям). Хабы (концентраторы ) и коммутирующие хабы (коммутаторы ) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей.
Маршрутизатор - устройство, выполняющее передачу пакетов между несколькими физическими интерфейсами. Узлы сети, пересылающие пакеты узлам другого интерфейса, посылают пакеты на адрес определенного порта маршрутизатора. В глобальных сетях маршрутизаторы называют шлюзами . В качестве шлюзов используются выделенные для этой цели компьютеры.

Трансиверы - устройства, повышающие уровень качества передачи данных по кабелю, отвечают за приём сигналов из сети и обнаружение конфликтов.
Рабочая группа - совокупность пользователей, объединенных одной общей задачей (например, разработкой проекта) и имеющая общее имя. В одной сети может быть организовано несколько рабочих групп, имеющих доступ ко всем сетевым ресурсам.
Клиент сети – программное обеспечение, позволяющее пользователю использовать общие ресурсы сети (папки, принтеры и т.д.). Клиент для сетей NetWare позволяет подключаться к серверам Novell NetWare. Клиент для сетей Microsoft позволяет использовать общие ресурсы компьютеров, работающих под управлением сетевых операционных систем.
Служба - дает возможность общего доступа к файлам, принтерам и другим ресурсам, а также автоматизирует архивацию файлов на сервере сети. В качестве примера можно привести службу доступа к файлам и принтерам сетей Microsoft.
Протокол – это набор конкретных правил обмена информацией между устройствами передачи данных. Существует множество различных протоколов. Чтобы два компьютера могли общаться между собой, они должны использовать одинаковый сетевой протокол.
Наиболее распространенным физическим сетевым протоколом для локальных сетей является Ethernet. В сети Ethernet узлы (рабочие станции) подсоединяются к концентратору. Это предотвращает влияние неисправности в одном узле на другие узлы сети. Все устройства локальной сети LAN способны общаться друг с другом непосредственно.
Локальные сети обеспечивают широкие возможности: они позволяют прозрачно распределять ресурсы (обычно это каталоги дисков и принтеры, а иногда адаптеры модемов и факсов), отсутствующие на рабочих станциях. Подсоединившись к таким ресурсам, вы можете распоряжаться ими как своими собственными. Для доступа к сетевым ресурсам применяется целый ряд аппаратных и программных компонентов.
Тот факт, что многие пользователи сети имеют доступ к одним и тем же ресурсам, упрощает распространение информации в пределах локальной сети без необходимости осваивать какие-либо новые методы передачи данных. Например, отпадает надобность в специальной программе передачи файлов. Вы просто копируете файл с локального жесткого диска на сетевой диск с помощью менеджера файлов Windows. Аналогично, чтобы воспользоваться сетевым принтером, не нужно никаких специальных инструментов. Вы просто печатаете на нем из того приложения, с которым работаете. Существуют особые сетевые программы, использующие локальные сети для передачи информации, такие как электронная почта, программы планирования, групповое программное обеспечение и приложения на основе баз данных клиент/сервер.

Сетевое программное обеспечение делится на три категории:

программное обеспечение управления сетевой платой;
программное обеспечение, выполняющее правила (или протокол) общения в сети;
программное обеспечение сетевой операционной системы.

Первый компонент может состоять из одной или нескольких небольших программ. Он отвечает за связь между сетевой платой и стеком протокола. Стек протоколов - это компонент, определяющий правила движения данных по сети и связывающий интерфейсную плату с сетевым клиентом.
Операционная система сетевого клиента отвечает за передачу и удовлетворение запросов на сетевые ресурсы. Сетевой клиент осуществляет связь с сетевой операционной системой. На файловом сервере работает особая операционная система, называемая сетевой ОС (NOS - network operating system). На вопрос о том, с какой операционной системой он работает, пользователь персонального компьютера чаще всего отвечает, называя ее по имени, например NetWare. Однако, если вы работаете с Windows for Workgroups и связаны с сервером NetWare, вы эксплуатируете две сетевые операционные системы, так как Windows for Workgroups также представляет собой сетевую операционную систему.

15. Технология Token Bus;

С тандарт IEEE 802.4 технологии Token Busописывает свойства сетей, известных за названием маркерная шина. С точки зрения правил предоставления доступу этот стандарт похож на Token Ring. Как физическая среда используется 75-омнийкабель. При необходимости построения сети типа дерева, а также для увеличения длины сети используются повторители. Сеть способна обеспечить пропускную способность до 10 Мбит/с при полосе пропускания кабеля 12 МГц.

Для доступа к сетевой среде станция должна получить пакет-маркер. Получив маркер, сетевое устройство может начать передачу данных, а завершив эту процедуру, устройство должно переслать маркер следующей сетевой станции. Передача маркера происходит до тех пор, пока он не достигнет младшей станции, после чего он возвращается к первой станции.

Станции получают доступ к шине в результате состязательной процедуры, названной “окно отзывов”. Окно отзывов являет собой часовой интервал, ровный по длительности одному системному такту, который в свою очередь равняется времени распространения сигнала по шине. Это время отсчитывается от момента окончания передачи кадру управления. В течение этого времени станция-инициатор ожидает отзыва от других станций. Любая станция сети, будучи владельцем маркера, может запустить этот процесс с помощью посылки кадра "поиск следующей станции".

Запить на подключение осуществляются путем отправления пакета установка следующей станции, в поле данных которого записывается адрес станции, которая спрашивает доступ к шине. Адрес следующей соседней станции меньше адреса станции-отправителя (маркер двигается в направлении убывания адресов). Обычно ссылается кадр с одним окном отзывов. При этом запить могут посылать станции с адресами не меньше, чем адрес ближайшего соседа. Если процесс инициирующий станцией с наименьшим номером, то ссылается пакет с двумя окнами отзывов, одно для станции с номером меньше, чем у предшественника, другое с адресом больше чем у предшественника. После этого станция ожидает ответа в течение одного такта. Если ответа нет, маркер передается следующей станции. Если же получен один ответ, инициирующее подключение станции с помощью пакета "установка следующей станции". При получении больше одного отзыва возникает конфликт, для решения которого ссылается пакет "разрешение конфликта с четырьмя окнами". Станции заносят свои запить в окна в соответствии с первыми двумя битами своего адреса. Если попытка развязать конфликт при этом не удалась, пакет отсылает повторно. В новой попытке принимают участие только станции, которые принимали участие в первом раунде, а для сравнения используются уже следующие две биты адреса. Процедура может завершиться подключениям одной из станций или исчерпанием числа попыток.

Станция может отключиться от сети в любое время, но это вызовет инициализацию системы и временное нарушение работы сети. Поэтому для отключения от сети станция должна дождаться получения маркера, после чего она посылает пакет типа "установка следующей станции", в поле данных которого находится адрес ее наследника. Если держатель маркера получит пакет, который показывает наличие в сети еще одного владельца маркера, он удаляет свой маркер и переходит в режим ожидания. Получив маркер, станция должна начать передачу данных или передать его следующей станции. После передачи маркера станция в течение одного цикла прослушивает сеть, чтобы убедиться в активности своего наследника. Если наследник не посылает ничего в продли секунды, станция повторяет передачу маркера. Если и это не помогает, то посылает пакет "кто следующий?" с адресом наследника в поле данных и тремя окнами отзывов. Если станция обнаруживает в поле данных адрес своего предшественника, она посылает кадр типа "установка следующей станции" по адресу отправителя. В отсутствии кадра "установка следующей станции" станция посылает такой пакет самой себе с двумя окнами для выявления активных сетевых устройств.

При выявлении потери маркера запускается процедура инициализации сети, при этом посылает пакет "требование маркера". Станция, которая послала запрос, прослушивает шину и при выявлении сетевой активности выбывает из соревнования (есть станция с больше, чем у нее адресом). В сети определенно 4 класса обслуживания (6, 4, 2, 0). Станция может передавать данные класса 6 в течение допустимого времени удерживания маркера THT (для класса 6). При N станций в сети максимальное время ожидания будет равняется THT*N. По завершении передачи данные классу 6 (или если они не передавались совсем) можно передавать данные класса 4. Аналогично определено время обращения маркера для классов 4, 2 и 0.

16. Технология Token Ring;

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

Станции на локальной вычислительной сети (LAN) Token Ring логически организованы в кольцевую топологию с данными, передаваемыми последовательно от одной кольцевой станции до другой с управляющим маркером, циркулирующим вокруг кольцевого доступа управления. Этот механизм передачи маркера совместно использован ARCNET, маркерношиной, и FDDI, и имеет теоретические преимущества перед стохастическим CSMA/CD Ethernet. Максимальный размер полезного блока данных (MTU) 4464 байта.

Передача маркера

Token Ring и IEEE 802.5 являются главными примерами сетей с передачей маркера. Сети с передачей маркера перемещают по сети небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максимального времени (по умолчанию - 10 мс).

Данная технология предлагает вариант решения проблемы коллизий, которая возникает при работе локальной сети. В технологии Ethernet такие коллизии возникают при одновременной передаче информации несколькими рабочими станциями, находящимися в пределах одного сегмента, то есть использующих общий физический канал данных.

Если у станции, владеющей маркером, имеется информация для передачи, она захватывает маркер, изменяет у него один бит (в результате чего маркер превращается в последовательность «начало блока данных»), дополняет информацией, которую он хочет передать, и отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер в сети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает «раннего освобождения маркера» - early token release), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать. Следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий. Если обеспечивается раннее высвобождение маркера, то новый маркер может быть выпущен после завершения передачи блока данных.

Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он окончательно удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения.

Сфера применения

В протяженных СПД емкости магистральных линий связи обычно значительно превышают емкости передач отдельных приложений. Это делается с целью одновременной передачи множества этих приложений. С целью повышения эффективности передающей среды и ее адаптации под множество разнородных приложений применяется передача одновременно сразу нескольких информационных сигналов в одном носителе – мультиплексирование. Другими словами.:д ля использования высокоскоростных характеристик, предоставляемых широкополосными каналами широко применяют так называемое мультиплексорное подключение.

Общее назначение мультиплексора – согласование большого числа низкоскоростных каналов с с меньшим (как правило одним) числом высокоскоростных.

С1 Свых Сi-пропускная способность каналов.

С2

1)Если Свх=Свых- то система называется мультиплексором.

2)Если Свх>Свых- то статический мультиплексор или концентратор.

3)Если Свх<Свых- то коммутатор.

Мультиплексирование с частотным уплотнением (FDM) при использовании каналов ГТС имеет хорошие характеристики по дальности связи, уступая временному уплотнению по скорости передачи данных.

Пример мультиплексора с частотным уплотнением – МЧУ.

При использовании данного МЧУ возможно использование полосы частот для передачи данных и речевых сообщений, а так же для передачи телеметрической информации.

Разновидностью FDM является применяемое волновое мультиплексирование WDM , применяемое и опто-волоконных системах. Преимущественно используется область спектра от l=1.3 нм (230 Тгц) до 1.6 нм (188 Тгц). Для плотного волнового мультиплексирования используется область спектра 1530-1560 нм.

WDM широко применяется при так называеемом инверсном мультиплексировании когда широкополосный сигнал при передаче размещается в нескольких каналах с меньшей полосой пропускания.

Пример использования инверсного WDM мультиплексирования в протяженной ОЛС.

Мультиплексный сигнал, представленный множесвом длин волн лучше противостоит влиянию дисперсии и вносимому шуму оптических усилстелей EDFA в протяженной свутоволоконной линии.

Для получения больших скоростей передачи данных используются мультиплексоры с временным уплотнением используется посимвольная или побитная синхронизация. Рассмотрим на примере мультиплексора сВУ, объединяющего четыре направления A,B,C,D как реализуется тот и другой способ синхронизации.

Выходная посылка с МВУ в высокоскоростном канале для МВУ.

А)с посимвольной (побайтной, объектной) синхронизацией.

Тайм слоты

Б)с побитной синхронизацией.

В)При асинхронном (статическом) временным разделением каналов.

При посимвольной синхронизации – возможно большее сжатие, т.к. стартовые стеновые сигналы могут исключаться, а при побитовой синхронизации это невозможно и кроме того при побитовой синхронизации может привести к потере адресной информации и к потере всей последовательности из-за передачи по неправильным адресам, коды побитовая синхронизация реализуется проще. Поместив простой МВУ в синхронный модем можно получить многовходовый (многоканальный) модем. На аналоговый ТЛФ Модем с МВУ (модем / мульдекс) до 19200 бит/сек. Аналоговый широкополосный канал МВУ с чередованием битов и байтов со статистическим уплотнением до 64 кбит/сек.

С контролем ошибок протокол HDLC.

Скорость передачи через внутренний общий интерфейс между МВУ и модемом равна суммарной пропускной способности синхронных каналов данных например 9600 бит/сек=4 х 2400 бит/сек.

МСВУ (мультиплексоры статистического временного уплотнения) – динамически распределяют пропускную способность общего канала. Фиксированный формат кадра в современных системах не используется. Кадры общего канала могут меняться как по длине так и по составу данных из каналов данных. Каждая позиция в кадре выделяется каналу данных только тогда, когда в нем имеются данные для передачи. Если в какой-то промежуток времени активным является только один канал данных. Все позиции в кадре могут быть выделены этому каналу. Если активными являются все каналы одновременно, в действие вступает приоритетная система, не позволяющая какому-либо одному каналу захватить все позиции в кадре. К МСВУ можно подключить больше каналов данных, чем к МВУ с синхронным уплотнением и фиксированным кадром, поскольку уменьшаются расходы времени на пересылку пустых символов. МВУ с чередованием знаков и фиксированным кадром фактически сняты с производства. В настоящее время имеется широкий спектр МВВУ с возможностью подключения от 4/8 до нескольких сотен каналов.

Одним из преимуществ МСВУ является использование протоколов типа ARQ(ARQ – automatic reguest for retransmission) - автоматический запрос повторной передачи в общем канале: любой блок данных с искажениями в результате воздействия линейных помех должен быть передан повторно. Обычно используются дуплексные протоколы типа HDLC, используемого, например, на канальном уровне стека протоколов Х25..

Изготовители МСВУ обычно указывают число асинхронных каналов данных которые могут быть подключены при данной канальной скорости (бит/сек). Для приближенного расчета можно принять, что суммарная скорость асинхронных каналов может быть в 4 раза больше скорости передачи синхронного общего канала (но ни один из каналов данных не должен превышать скорости передачи по общему каналу!)

Пример приближеннного расчета количества асинхронных каналов. Общий канал – 9600 бит/сек. å Скорость асинхронных каналов 4 х 9600 = 38400 бит/сек., такая пропускная способность может обеспечить следующее число каналов а)восемь асинхронных по 4800 бит/сек, б)16 асинхронных по 2400 бит/сек, в)32 асинхронных по 1200 бит/сек.

Сначала статистическое мультиплексирование было использовано в сетях с протоколами Х.25,позже в сетях Frame Relay и ATM , речь о которых пойдет при рассмотрении технологий глобальных вычислительных сетей (ГВС).

Ниже в таблице приведены сравнительные характеристики синхронного и статистического мультиплексирования.

Как видно из таблицы, преимущества одного метода можно рассматривать в некоторой степени как недостатки другого.

Передача данных по широкополосным уплотненным каналам при большой удаленности ведется в соответствии со стандартами, регламентирующими скорость передачи данных.

В США и странах, придерживающихся аналогичных стандартов, применяются система Т1 (1.544 Мбит/сек) и Т3 (45 Мбит/сек). В Европе аналогом систем Т1 и Т3 является Е1 (2 Мбит/сек) и Е3 (34 Мбит/сек). Основная причина популярности цифровых линий в том, что они обеспечивают высокоскоростную передачу данных, практически на 99% свободную от ошибок. Цифровые линии доступны в различных формах, включая стандарты DDS (синхронное соединение точка-точка 2.4;4,8;9,6;56 кбит/сек).

Т1- самый распространенный вид цифровой линии. Использует две пары проводов с передачей данных на скорости 1.544 Мбит/сек. Т1 делит канал на 24 подканала и опрашивает каждый 8000 раз в секунду. При каждом обращении к каналу передаются 8 бит, скорость по подканалу – 64 кбит/сек.

Т3- Выделение линии Т-3 передают данные со скоростью от 6 до 45 мбит/сек. Наибольшая прпускная способность среди общедоступных сегодня линий. Может заменить несколько линий Т1.