Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5

ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ СВЯЗИ

Почему нельзя передавать данные по телефонным каналам без модемов? Каким

образом в xDSL-технологии удается передавать данные по кабелям связи городской

телефонной сети общего пользования со скоростью в десятки раз выше, чем это осу-

ществлялось посредством телефонных модемов? Как удается совместить по скоро-

сти передачи цифровые каналы европейской и американской систем уплотнения?

Можно ли дополнительно повысить скорость передачи сигналов по оптическим лини-

ям? Что означает "интегральное обслуживание" в цифровых сетях? Почему в высоко-

скоростных сетях передачи данных ослаблены мероприятия по защите от ошибок?

Чем вызвано существенное уменьшение длины блока в сетях АТМ? На эти и другие во-

просы Вы найдете ответы в данном разделе.

5.1. Общая характеристика глобальных сетей

Глобальные компьютерные сети служат для объединения территори-

ально рассредоточенных компьютеров, находящихся на значительном уда-

лении друг от друга, либо в различных городах и странах. Хронологически

они появились раньше локальных. Глобальные сети очень многое унаследо-

вали от других, гораздо более старых и распространенных сетей связи - те-

лефонных. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие

расстояния обходится очень дорого, то в первых глобальных сетях использо-

вались уже существующие каналы, изначально предназначенные для других

целей. В течение многих лет глобальные сети строились на основе телефон-

ных каналов тональной частоты, позволяющих в каждый момент времени

вести передачу только одного разговора в аналоговой форме.

Прогресс глобальных компьютерных сетей во многом определялся

прогрессом телефонных сетей. С конца 60-х годов ХХ века в телефонных се-

тях стала все чаще применяться передача речи в цифровой форме, что при-

вело к появлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих АТС

и позволяющих одновременно передавать по парам проводов десятки и сот-

ни разговоров. Была разработана специальная технология плезиохронной

цифровой иерархии PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Технология

PDH поддерживала скорости до 140 Мбит/с. Для реализации этой техноло-

гии были созданы цифровые системы передачи данных, базирующиеся на

Компьютерные сети

350

многоканальных системах передачи - аппаратуре уплотнения линий связи с

импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Сеть, состоящая из многоканальных

систем передачи на основе типовых физических линий и каналов, сетевых

узлов распределения и коммутации сигналов и предназначенная для достав-

ки сообщений между ее любыми абонентами, называется первичной сетью.

Первичная сеть является фундаментом, на котором строятся национальные

системы телекоммуникации. Первичная сеть "Укртелеком" состоит из маги-

стральных и зоновых линий связи. Магистральные линии связывают об-

ласти, крупные города и стыкуются с международными линиями. Зоновый

уровень обеспечивает внутриобласную связь и имеет выход на магистраль-

ные линии. В современных первичных сетях используются цифровые систем

передачи, а в качестве линий связи применяются электрические и оптиче-

ские кабели, а также тракты радиорелейной и спутниковой связи.

Наличие такой инфраструктуры способствовало появлению глобаль-

ных цифровых сетей, представляющих собой совокупность узлов коммута-

ции и высокоскоростных цифровых каналов связи, расположенных на терри-

тории региона (области, страны, континента или всего земного шара), и

предназначенных для обеспечения услуг связи большому количеству або-

нентов, расположенных в пределах региона. Глобальные цифровые сети на-

зывают также территориальными или региональными сетями. Англоязыч-

ное название глобальной сети – Wide Area Networks, WAN.

Типичными абонентами глобальной сети являются локальные сети

предприятий и корпораций, расположенных в разных городах страны, кото-

рым требуется взаимный обмен информацией. Пользоваться услугами сети

могут и отдельные компьютеры. Крупные компьютеры класса мейнфрейм

обычно обеспечивают доступ к корпоративным данным, в то время как пер-

сональные ЭВМ используются для доступа к корпоративным данным и пуб-

личной информации Интернет. Глобальные сети характеризуются очень вы-

сокой стоимостью, которая обусловлена стоимостью линейных сооружений

и узлов коммутации и распределения информации.

Глобальные сети используются преимущественно как транзитная

транспортная система, обеспечивающая доставку сообщений между або-

нентами сети. Такие сети предоставляют в основном услуги трех нижних

уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI. Однако, в

последнее время количество услуг верхнего уровня, предоставляемыми гло-

бальными сетями, постоянно растет. Сюда в первую очередь относится дос-

туп к гипертекстовой информации, широковещательная рассылка видео- и

аудиоинформации и др. В результате глобальные и локальные сети посте-

пенно сближаются за счет взаимопроникновения технологий разных уровней

– от транспортных до прикладных.

При создании высокоскоростных сетей передачи данных, речи, видео и

Раздел 5. Глобальные сети связи

351

мультимедиа в территориальных и крупных корпоративных сетях все чаще

применяются выделенные цифровые каналы первичной сети связи, создан-

ные на основе новых коммуникационных технологий, таких как цифровая

синхронная иерархия SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и технология

плотного волнового мультиплексирования DWDM (Dense Wave Division

Multiplexing). SDH расширила диапазон скоростей цифровых каналов до 10

Гбит/с, а технология спектрального мультиплексирования DWDM позволила

организовать на оптических линиях связи цифровые каналы со скоростью до

сотен гигабит в секунду.

Высокоскоростные цифровые каналы непосредственно соединяют

маршрутизаторы, размещаемые на границе локальных сетей отделений

предприятий и корпораций. Преимуществом выделенных каналов является

гарантированная пропускная способность и минимальная временная задерж-

ка. Однако компьютерные сети многих предприятий не в состоянии на 100%

загрузить выделяемые им дорогостоящие каналы и владельцы сетей факти-

чески оплачивают неиспользуемое время.

Проблема недозагрузки каналов может быть устранена путем разделе-

ния пропускной способности цифровых каналов первичной сети за счет

коммутации каналов или коммутации пакетов. Коммутация каналов была

реализована в цифровых сетях интегрального обслуживания ISDN

(Integrated Services Digital Network), а коммутация пакетов – в сетях с

ретрансляцией кадров Frame Relay и асинхронных сетях передачи сообще-

ний АТМ (Asynchronous Transfer Mode).

5.2. Аналоговые телефонные сети

5.2.1. Структура и особенности построения сети

Первые телефонные сети были аналоговыми, так как в них абонент-

ское устройство (телефонный аппарат) преобразовывало звуковые колеба-

ния, являющиеся аналоговыми сигналами, в колебания электрического тока.

В настоящее время в телефонных сетях все чаще применяется передача ре-

чевых сообщений в цифровой форме с последующим мультиплексированием

пользовательских каналов по времени.

Типичная структура аналоговой телефонной сети показана на рисунке

5.1. Сеть состоит из узлов коммутации, роль которых выполняют автомати-

ческие телефонные станции АТС. В пределах одного населенного пункта

АТС соединяются между собой по принципу "каждый с каждым" посредст-

вом кабельных линий. Линии связи между АТС получили название соеди-

Компьютерные сети

352

нительные линии (СЛ). Соединительные линии являются четырехпровод-

ными. Телефонные аппараты, расположенные в окрестности одной из АТС,

подключаются к ней с помощью двухпроводных линий, называемых або-

нентскими линиями (АЛ).

Рисунок 5.1 – Структура аналоговой телефонной сети

Отличительной особенностью коммутируемой телефонной сети явля-

ется обязательная процедура предварительного установления соединения

между абонентскими устройствами. Эта процедура выполняется на основе

протокола сигнализации, который регламентирует посылку управляющих

сигналов установления соединения. Управляющие сигналы в аналоговых те-

лефонных сетях передаются по тем же линиям, что и разговорные токи.

В общем случае процедура установления соединения включает сле-

дующие действия.

1. Посылка телефонным аппаратом (ТА) на собственную оконечную

АТС сигнала запроса вызова (замыкание шлейфа абонентской линии). АТС

отыскивает свободный линейный искатель и посылает вызывающему ТА не-

прерывный зуммер – сигнал приглашение набора номера, а в случае отсутст-

вия свободного искателя АТС выдает в АЛ сигнал "Занято" (короткие гуд-

ки).

2. Получив сигнал разрешения к набору, ТА передает на свой комму-

Раздел 5. Глобальные сети связи

353

тационный узел номер вызываемого абонента. Номер абонента состоит из

группы десятичных цифр. Первые (2 или 3) цифры обозначают номер АТС, в

которую включен вызываемый абонент, а последующие (3 или 4) – номер

абонентского ТА. Передача номера в АТС с импульсным набором осуществ-

ляется путем размыкания и замыкания шлейфа АЛ с частотой 10 Гц. Коли-

чество размыканий линии соответствует цифре номера. В АТС с тональным

набором каждая цифра номера передается комбинацией двух гармонических

сигналов тонального диапазона.

3. По первым цифрам номера АТС выбирает нужную СЛ, соединяю-

щую ее с оконечной станцией вызываемого абонента. Затем АТС проверяет

занятость вызываемого абонента. Если абонент свободен, ему посылается

сигнал вызова ("Звонок"). Этот же сигнал транслируется вызывающему або-

ненту. После снятия вызываемым абонентом микротелефонной трубки, по-

дача сигналов вызова прекращается. Наступает фаза передачи информаци-

онных сигналов, в процессе которой вызывающий и вызываемый ТА обме-

ниваются голосовыми сообщениями. Передача сообщений между телефон-

ными аппаратами осуществляется в дуплексном режиме.

4. Разрыв соединения осуществляется по инициативе одного из теле-

фонных абонентов, который кладет трубку ТА в предназначенное для нее

место, воздействуя тем самым на контакты рычажного переключателя. При

этом происходит размыкание шлейфа абонентской линии. Искатели теле-

фонной станции, участвовавшие в данном соединении, возвращаются в ис-

ходное состояние.

Для более эффективного использования пропускной способности ли-

ний связи осуществляют их уплотнение. В аналоговых телефонных сетях

применяется аппаратура уплотнения с частотным разделением каналов

(ЧРК). В зарубежной литература частотное разделение каналов называют

частотным мультиплексированием FDM (Frequency Division Multiplexing).

Напомним, что под каналом связи понимается тракт передачи сигналов, об-

разованный аппаратурой уплотнения путем использования части ресурсов

линии связи. В качестве ресурсов линии используется ее полоса пропускания

(в системах с частотным разделением каналов) либо время ее занятия (в сис-

темах с временным разделением). Аппаратура уплотнения с ЧРК образует

иерархию каналов, включающую стандартный канал тональной частоты (ТЧ)

с полосой пропускания 0,3…3,4 кГц; первичный широкополосный канал

(ПШК) с полосой пропускания 48 кГц и каналы более высокой ступени ие-

рархии. Параметры этих каналов приведены в п.2.1.4

Компьютерные сети

354

5.2.2. Компьютерные сети на основе аналоговых модемов

В аналоговых телефонных сетях составной канал между абонентами

имеет полосу пропускания от 300 до 3400 Гц. Цифровые данные представ-

ляются импульсами постоянного тока, спектр которых начинается с нулевой

частоты (постоянной составляющей), т.е. телефонный канал является "не-

прозрачным" для цифровых сигналов. Для возможности передачи двоичных

импульсов постоянного тока по такому каналу необходимо перенести их

спектр в полосу прозрачности канала. Как известно, перенос спектра осуще-

ствляется с помощью процедуры модуляции, в результате которой выполня-

ется умножение спектра исходного сигнала на частоту вспомогательного ге-

нератора. Область расположения спектра модулированного сигнала опреде-

ляется частотой вспомогательного генератора, которая называется несущей.

Для восстановления спектра исходного сигнала на приемной стороне выпол-

няется процедура демодуляции. Реализация этих процедур осуществляется в

модеме, содержащем в своем составе Модулятор и ДЕМодулятор. Кроме

модуляции и демодуляции модем обеспечивает побитную и поблочную син-

хронизацию, процедуру установления соединения, электрическое сопряже-

ние с линией или каналом связи. В отечественной литературе модем получил

название "Устройство преобразования сигналов", сокращенно – УПС. Цепи

сопряжения модема носят название "стык". Стандартными интерфейсами

сопряжения модема с компьютером и телефонной линией связи являются

соответственно стык С2 (аналогичный американский стандарт RS-232C) и

стык С1. Схема построения компьютерной сети на основе коммутируемой

телефонной сети общего пользования (ТФОП) показана на рисунке 5.2.

Для телефонной сети модемы являются терминальными устройствами,

которые, как и телефоны, выполняют стандартную процедуру вызова або-

Рисунок 5.2 – Компьютерная сеть на основе модемов

Раздел 5. Глобальные сети связи

355

нента путем замыкания/размыкания шлейфа линии связи. Максимальная

скорость, обеспечиваемая современными модемами на канале тональной

частоты, равна 56 кбит/с. Скорость передачи данных ограничивается не

только за счет малой ширины полосы пропускания канала тональной часто-

ты, но и по причине относительно высокого уровня помех в канале связи.

Обобщенная структурная схема модема с основными цепями стыка

изображена на рисунке 5.3.

Для подключения абонента к компьютерной сети ему могут быть пре-

доставлены коммутируемый или некоммутируемый (выделенный) канал свя-

зи. Коммутируемый канал имеет двухпроводное окончание и соединяет або-

нента с ближайшей коммутационной станцией двухпроводной абонентской

линией (АЛ), по которой сообщения могут передаваться в обоих направле-

ниях. Выделенные каналы оканчиваются в помещении абонента в виде 2-х

или 4-х проводной линии. В этом случае связь модема с каналом ТЧ осуще-

ствляется 2-х или 4-х проводной соединительной линией (СЛ).

Модем, подключенный к 2-х проводной линии, передает или принима-

ет данные по одной и той же паре проводов, а работающий с 4-х проводной

линией передает сообщение по одной паре, а принимает по другой. Многие

современные модемы могут работать с 2-х или 4-х проводным окончанием

канала. Для этого в их состав включается дифференциальная система (ДС),

обеспечивающая разделение направлений передачи, осуществляя переход с

двухпроводного окончания на 4-х проводное. Гальваническая развязка цепей

Рисунок 5.3 – Структурная схема модема с цепями сопряжения

Компьютерные сети

356

передающей и приемной частей и согласование с линией связи осуществля-

ется с помощью трансформаторов Тр.1 и Тр.2. На рисунке 5.3 показана схе-

ма подключения линейной части такого модема. При работе с 2-х провод-

ным каналом точки 1-2, 3-4 и 5-6, 7-8 соединяются перемычками, которые

удаляются при наличии 4-х проводного окончания.

Ввод и вывод данных, а также управление модемом осуществляется по

цепям стыка С2 (рекомендация МККТТ V.24). На рисунке показано соответ-

ствующее обозначение цепей стыка по американскому стандарту RS-232C.

Следует заметить, что почти все современные модемы имеют только цепи

стыка RS-232C. Это объясняется конструктивными особенностями модема,

состоящими в том, что собственно модем, устройство защиты от ошибок и

устройство автоматического вызова выполнены на одной печатной плате или

в одной микросхеме и все необходимые цепи сопряжения располагаются

внутри платы либо кристалла модема. Управление модемом осуществляется

не уровнями напряжений на цепях стыка, а путем подачи команд по линии

103 (TxD).

Временные диаграммы обмена сигналами по цепям стыка RS-232C/С2

изображены на рисунке 5.4.

Рассмотрим более подробно назначение основных цепей стыка и их

взаимодействие с блоками модема при двухпроводной схеме подключения

модема. При необходимости передачи данных вызывающее оконечное обо-

рудование данных (ООД) включает цепь DTR/108 "ООД готово" (Data

Terminal Ready). По этому сигналу устройство автоматического вызова мо-

дема (УАВ) переключает двухпроводную абонентскую линию с телефонного

Рисунок 5.4 – Временные диаграммы работы модема на стыке RS-232C/V.24

Раздел 5. Глобальные сети связи

357

аппарата (ТА) на вход модема. Завершение процесса переключения модем

индицирует включением цепи DSR/107 "АПД готова" (Data Set Ready). Затем

оконечное оборудование данных (ООД) по линии TD/103 "Передаваемые

данные" (Transmit Data) выдает команды на установление соединения (КУС)

с вызываемым устройством. Последовательность КУС включает команды

занятия линии, проверки наличия сигнала АТС о готовности к установлению

соединения, передачу номера вызываемого устройства. После завершения

передачи номера АТС устанавливает физическое соединение между устрой-

ствами и подает на вход вызываемого ООД сигнал вызова. Устройство авто-

матического вызова приемного модема регистрирует этот сигнал и включает

цепь RI/125 "Индикатор вызова" (Ring Indicator). Включение цепи RI/125 за-

ставляет модем "снять трубку" и выдать ответный аналоговый сигнал в або-

нентскую линию. После приема ответного сигнала удаленного модема вы-

зывающее ООД включает цепь RTS/105 "Запрос передачи" (Request To Send).

Модулятор модема использует этот сигнал для разрешения выдачи аналого-

вого сигнала передатчика (несущей) в линию.

Через небольшую задержку модем переводит цепь CTS/106 "Готов к

передаче" (Clear To Send) из положения "Выключено" в состояние "Включе-

но". Длительность задержки 

включения цепи CTS/106 определяется типом

модема и находится в пределах от десятков до сотен миллисекунд. В течение

промежутка времени между включением цепей RTS и CTS аналоговые сиг-

налы поступают в линию связи. Структура этого сигнала зависит от типа мо-

дема и в большинстве случаев, как для асинхронных, так и для синхронных

модемов состоит из сплошных логических единиц. В некоторых типах мо-

демов применяются специальные синхронизирующие последовательности,

используемые как для целей синхронизации, так и для настройки корректора

частотных характеристик канала связи.

При обнаружении сигнала несущей частоты детектор уровня приемни-

ка удаленной станции переводит состояние цепи CD/109 "Детектор прини-

маемого сигнала канала данных" (Carrier Detected) из состояния "Выкл" (– 6

В) в положение "Вкл" (+6В). При этом между моментом обнаружения несу-

щей и включением цепи CD/109 вносится задержка (аналогично имеется за-

держка на выключение цепи CD/109).

Во внутренней схеме демодулятора состояния цепи CD/109 использу-

ется для разрешения выдачи потребителю по цепи RD/104 (Receive Data)

принимаемых данных. Во избежание ошибок цепь CD/109 блокирует выход

линии 104 при снижении уровня несущей ниже допустимого значения. За-

держка 

включения сигнала обнаружения несущей и разрешения цепи

приема данных обеспечивает защиту (при отсутствии несущей) от кратко-

временных выбросов помех в канале, которые могут вызвать появление

ложных сигналов в цепи приема данных RD/104. В современных модемах

Компьютерные сети

358

задержка включения / выключения цепи CD/109 находится в пределах

10…30 мс.

5.2.3. Архитектура модемов для телефонных сетей

Архитектура модемов для телефонных каналов связи регламентирует-

ся рекомендациями международного консультативного комитета по телефо-

нии и телеграфии - МККТТ, агл.CCITT (International Consultative Committee

for Telegraphy and Telephony) V.21…V.92. С 1994 г. этот комитет получил

название ITU-T (International Telecommunication Union) – международный

союз телекоммуникаций. На основе этих рекомендаций разрабатываются на-

циональные стандарты.

С целью обеспечения требуемой помехоустойчивости в системах пе-

редачи данных на канальном уровне применялись устройства защиты от

ошибок (УЗО), которые выполнялись в виде самостоятельных устройств, со-

единяемых с модемами стандартными цепями стыка. Для установления со-

единения на коммутируемых каналах совместно с модемами использовалось

устройство автоматического вызова (УАВ), которое также выполнялось в

виде автономного блока. Совокупность модема, вызывного устройства и

УЗО в отечественной литературе получило название "Аппаратура передачи

данных" (АПД). С появлением специализированных сверхбольших инте-

гральных схем (СБИС) аппаратура передачи данных стала выполняться в ви-

де нескольких микросхем, размещенных на плате в одном корпусе. Это уст-

ройство продолжали называть модемом, хотя, строго говоря, оно является

аппаратурой передачи данных. В настоящее время эти термины практически

повсеместно используются как синонимы.

Модемы, используемые для передачи данных по аналоговым каналам

связи, могут передавать сигналы в дуплексном и полудуплексном режимах,

синхронным или асинхронным способом. При передаче сигналов по теле-

фонной сети общего пользования канал связи разделяется на два одинаковых

подканала, используемые для дуплексной передачи, либо на основной и

вспомогательный подканалы – для полудуплексной. Вспомогательный под-

канал служит для асинхронной передачи сигналов обратной связи (квитиро-

вания), используемого для подтверждения правильности приема данных в

обратном направлении с приемной станции на передающую. Он занимает

более узкую полосу частот по сравнению с основным каналом, а стандартная

скорость передачи по нему установлена 75 бит/с.

Простейшим модемом для передачи данных по коммутируемому те-

лефонному каналу является Модем-300 (в отечественных стандартах – УПС-

0.3 ТФ), выполненный в соответствии с рекомендацией МККТТ V.21. В мо-