Методы коммутации и коммуникационное оборудование

Существует модификация  техники TDM, называемая статистическим разделением канала во времени (Statistical TDM, STDM). Эта техника разработана специально для того, чтобы с помощью временно свободных тайм-слотов одного канала можно было увеличить пропускную способность остальных. Для решения этой задачи каждый байт данных дополняется полем адреса небольшой длины, например в 4 или 5 бит, что позволяет мультиплексировать 16 или 32 канала. Однако техника STDM не нашла широкого применения и используется в основном в нестандартном оборудовании подключения терминалов к мэйнфреймам. Развитием идей статистического мультиплексирования стала технология асинхронного режима передачи - АТМ, которая вобрала в себя лучшие черты техники коммутации каналов и пакетов.

Сети TDM могут поддерживать либо режим динамической коммутации, либо режим постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима. Так, например, основным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе технологии TDM, является динамическая коммутация, но они поддерживают также  и постоянную коммутацию, предоставляя своим абонентам службу выделенных каналов.

Существует аппаратура, которая  поддерживает только режим постоянной коммутации. К ней относится оборудование типа Т1/Е1, а также высокоскоростное оборудование SDH. Такое оборудование используется для построения первичных сетей, основной функцией которых является создание выделенных каналов между коммутаторами, поддерживающими динамическую коммутацию.

Сегодня практически все  данные - голос, изображение, компьютерные данные - передаются в цифровой форме. Поэтому выделенные каналы TDM-технологии, которые обеспечивают нижний уровень  для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, телевизионных  и компьютерных.

Общие свойства сетей с коммутацией  каналов

Сети с коммутацией  каналов обладают несколькими важными  общими свойствами независимо от того, какой тип мультиплексирования  в них используется.

Сети с динамической коммутацией  требуют предварительной процедуры  установления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес  вызываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает  их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизируется от одного коммутатора к другому  и в конце концов достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемого выходного канала уже исчерпана. Для FDM-коммутатора емкость выходного канала равна количеству частотных полос этого канала, а для TDM-коммутатора - количеству тайм-слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором - абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов.

Если соединение может  быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM-сетях  или же фиксированная пропускная способность в TDM-сетях. Эти величины остаются неизменными в течение  всего периода соединения. Гарантированная  пропускная способность сети после  установления соединения является важным свойством, необходимым для таких  приложений, как передача голоса, изображения  или управления объектами в реальном масштабе времени. Однако динамически  изменять пропускную способность канала по требованию абонента сети с коммутацией  каналов не могут, что делает их неэффективными в условиях пульсирующего трафика.

Недостатком сетей с коммутацией  каналов является невозможность  применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей.

Сети с коммутацией  каналов хорошо приспособлены для  коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет  данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией  каналов добавляют минимум служебной  информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную  позицию каждого бита потока в  качестве его адреса назначения в  коммутаторах сети.

Обеспечение дуплексного режима работы на основе технологий FDM, TDM и WDM

В зависимости от направления  возможной передачи данных способы  передачи данных по линии связи делятся  на следующие типы:

• симплексный - передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;
• полудуплексный - передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени. Примером такой передачи служит технология Ethernet;
• дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.

Дуплексный режим - наиболее универсальный и производительный способ работы канала. Самым простым  вариантом организации дуплексного  режима является использование двух независимых физических каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых технологиях, например Fast Ethernet или АТМ.

Иногда такое простое  решение оказывается недоступным  или неэффективным. Чаще всего это  происходит в тех случаях, когда  для дуплексного обмена данными  имеется всего один физический канал, а организация второго связана  с большими затратами. Например, при  обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только один физический канал связи с АТС - двухпроводная линия, и приобретать второй вряд ли целесообразно. В таких случаях дуплексный режим работы организуется на основе разделения канала на два логических подканала с помощью техники FDM или TDM.

Модемы для организации  дуплексного режима работы на двухпроводной  линии применяют технику FDM. Модемы, использующие частотную модуляцию, работают на четырех частотах: две  частоты - для кодирования единиц и нулей в одном направлении, а остальные две частоты - для  передачи данных в обратном направлении.

При цифровом кодировании  дуплексный режим на двухпроводной  линии организуется с помощью  техники TDM. Часть тайм-слотов используется для передачи данных в одном направлении, а часть - для передачи в другом направлении. Обычно тайм-слоты противоположных направлений чередуются, из-за чего такой способ иногда называют «пинг-понговой» передачей. TDM-разделение линии характерно, например, для цифровых сетей с интеграцией услуг (ISDN) на абонентских двухпроводных окончаниях.

В волоконно-оптических кабелях  при использовании одного оптического  волокна для организации дуплексного  режима работы применяется передача данных в одном направлении с  помощью светового пучка одной  длины волны, а в обратном - другой длины волны. Такая техника относится к методу FDM, однако для оптических кабелей она получила название разделения по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM применяется и для повышения скорости передачи данных в одном направлении, обычно используя от 2 до 16 каналов.

 

 

 

 

1. Коммуникационное оборудование

 

На сегодняшний день в  мире существует более 130 миллионов  компьютеров и более 80 % из них  объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей  в офисах до глобальных сетей типа Internet, FidoNet, FREEnet и т.д. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, E–Mail писем, электронных конференций и т.д.) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм производителей работающих под разным программным обеспечением.

Такие огромные потенциальные  возможности, которые несет в  себе вычислительная сеть и тот новый  потенциальный подъем, который при  этом испытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорение  производственного процесса не дают нам право игнорировать и не применять  их на практике.

Зачастую возникает необходимость  в разработке принципиального решения  вопроса по организации ИВС (информационно–вычислительной сети) на базе уже существующего  компьютерного парка и программного комплекса, отвечающей современным  научно–техническим требованиям с  учетом возрастающих потребностей и  возможностью дальнейшего постепенного развития сети в связи с появлением новых технических и программных  решений.

Понятие локальная вычислительная сеть – ЛВС (англ. LAN – Local Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связанны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодаря такому соединению пользователь может взаимодействовать с другими рабочими станциями, подключенными к этой ЛВС.

Существует два основных типа сетей: одноранговые и сети на основе сервера. В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного (англ. dedicated) сервера. Как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер; иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Все пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступным по сети. На сегодняшний день одноранговые сети бесперспективны, поэтому в данной работе они не рассматриваются. Если к сети подключено более 10 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей использует выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом, и именно они будут рассмотрены в этой работе. Существуют и комбинированные типы сетей, совмещающие лучшие качества одноранговых сетей и сетей на основе сервера.

В производственной практики ЛВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему  объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных  рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные  средства и информацию. Рабочие места  сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему. Рассмотрим преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде внутрипроизводственной вычислительной сети.

 

Разделение ресурсов позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такими как печатающие устройства, внешние устройства хранения информации, модемы и т.д. со всех подключенных рабочих станций.

Разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.

Разделение программных  средств предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств.

При разделении ресурсов процессора возможно использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть. Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не “набрасываются” моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции.

Многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, обычно заранее установленных на сервере приложения (англ. Application Server).

Все ЛВС работают в одном  стандарте принятом для компьютерных сетей – в стандарте Open Systems Interconnection (OSI).

Базовая модель OSI (Open System Interconnection).

Для того чтобы взаимодействовать, люди используют общий язык. Если они  не могут разговаривать друг с  другом непосредственно, они применяют  соответствующие вспомогательные  средства для передачи сообщений. Похожие  механизмы используются для передачи сообщений от отправителя к получателю.

Для того чтобы привести в движение процесс передачи информации через линии связи, необходимы машины с одинаковым кодированием данных и  непосредственное соединение между  ними. Для единого представления данных в линиях связи, по которым передается информация, сформирована Международная организация по стандартизации (англ. ISO – International Standards Organization).

ISO предназначена для разработки модели международного коммуникационного протокола, в рамках которой можно разрабатывать международные стандарты. Для наглядного пояснения разделим ее на семь уровней.

Международная организация  по стандартизации (англ. ISO) разработала  базовую модель взаимодействия открытых систем OSI (англ. Open Systems Interconnection) в 1984 году. Эта модель является международным стандартом для передачи данных.

Модель содержит семь отдельных  уровней:

Уровень № 1 : физический – битовые протоколы передачи информации;

Уровень № 2 : канальный – формирование кадров, управление доступом к среде;

Уровень № 3 : сетевой – маршрутизация, управление потоками данных;

Уровень № 4 : транспортный – обеспечение взаимодействия удаленных процессов;

Уровень № 5 : сеансовый – поддержка диалога между удаленными процессами;

Уровень № 6 : представления данных – интерпретация передаваемых данных;

Уровень № 7 : прикладной – пользовательское управление данными.

Основная идея этой модели заключается в том, что каждому  уровню отводится конкретная роль, в том числе и транспортной среде. Благодаря этому общая  задача передачи данных разделяется  на отдельные легко обозримые  задачи. Необходимые соглашения для  связи одного уровня с выше– и нижерасположенными называют протоколом.