Телекоммуникационные системы. Коммутация и маршрутизация пакетов в сетях. Методы защиты от ошибок

Телекоммуникационная система (ТКС), представляет собой совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие АС.

Основная функция телекоммуникационных систем (ТКС), или систем передачи данных (СПД), в условиях функционирования ТВС заключается в организации оперативного и надежного обмена информацией между абонен­тами, а также сокращении затрат на передачу данных. Главный показатель эффективности ТКС - время доставки информации - зависит от ряда факто­ров: структуры сети связи, пропускной способности линий связи, способов соединения каналов связи, протоколов информационного обмена, методов доступа абонентов к передающей среде, методов маршрутизации пакетов.

В ТКС нашли применение следующие типы каналов связи:

• симплексные, когда передатчик и приемник связываются одной линией связи, по которой информация передается только в одном направлении;

• полудуплексные, когда два узла связи соединены также одной линией, по которой информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном;

• дуплексные, когда два узла связи соединены двумя линиями, по которым информация одновременно пере­дается в противоположных направлениях.

Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму или три метода модуляции:

• амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний в соответствии с последовательностью пе­редаваемых информационных битов;

• частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов меняется только частота несущей синусоидальных колебаний;

• фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний.

Цифровое кодирование цифровых данных выполняется напрямую, путем изменения уровней сигналов, несущих информацию.

Коммутация пакетов

Телефонная коммутация является жизненно важным элементом связи абонентских систем между собой и с центрами управления, обработки и хранения информации в сетях. Узлы сети подключаются к некоторому коммутирующему оборудованию, избегая таким образом необходимости создания специальных линий связи.

Коммутация пакетов: обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени реакции на запрос для всех пользователей, сглаживание асимметричных потоков между многими пользователями, обеспечение мультиплексирования возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассредоточение коммутаторов сети.

При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи разбиваются на короткие пакеты фиксированной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информацией: коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении, информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежу­точных узлах связи и в пункте назначения. Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие одному и тому же сообщению, могут передаваться одновременно по различным маршрутам в составе дейтаграмм. Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется центрами коммутации пакетов (ЦКП) с помощью компьютеров. Длительное хранение пакетов в ЦКК не предполагается, поэтому пакеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется перво­начальное сообщение.

Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплексирование с помощью разделения времени использования одного и того же канала мно­гими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом. Коммутация пакетов и мультиплексирование обеспечивают сглажива­ние асимметричных потоков в каналах связи.

В настоящее время пакетная коммутация является основной для пере­дачи данных.

Маршрутизация пакетов в сетях

Сущность, цели и способы маршрутизации. Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к получателю. Она имеет смысл в сетях, где не только необходим, но и возможен выбор оптимального или приемлемого маршрута. В современных сетях со смешанной топологией (звездно-кольцевой, звездно-шинной, многосегментной) реально стоит и решается задача выбора маршрута для передачи кадров, для чего используются соответствующие средства, например маршрутизаторы.

Алгоритм маршрутизации - это правило назначения вы­ходной линии связи данного узла связи ТКС для передачи паке­та, базирующегося на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса отправителя и получателя), и информации о заг­рузке этого узла (длина очередей пакетов) и, возможно, ТКС в целом.

Основные цели маршрутизации заключаются в обеспечении:

• минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к по­лучателю;

• максимальной пропускной способности сети, что достигается, в част­ности, нивелировкой загрузки линий связи ТКС;

• максимальной защиты пакета от угроз безопасности содержащейся в нем информации;

• надежности доставки пакета адресату;

• минимальной стоимости передачи пакета адресату.

Различают следующие способы маршрутизации.

1. Централизованная маршрутизация - выбор маршрута для каждого пакета осу­ществляется в центре управления сетью, а узлы сети связи только восприни­мают и реализуют результаты решения задачи маршрутизации. Такое управ­ление маршрутизацией уязвимо к отказам центрального узла и не отличает­ся высокой гибкостью.

2. Распределенная маршрутизация - фун­кции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, кото­рые располагают для этого соответствующими средствами. Отличается большей гибкостью.

3. Смешанная маршрутизация характеризуется тем, что в ней в опре­деленном соотношении реализованы принципы централизованной и распре­деленной маршрутизации.

Методы маршрутизации. Различают три вида маршрутизации - про­стую, фиксированную и адаптивную.

Простая маршрутизация отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается ни изменение топологии сети, ни изменение ее состояния (нагрузки). Она не обеспечивает направленной передачи пакетов и имеет низ­кую эффективность.

Фиксированная маршрутизация характеризуется тем, что при выборе маршрута учитывается изменение топологии сети и не учитывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направление передачи выбирается по таблице маршрутов (каталогу), которая определяет кратчай­шие пути.

Адаптивная маршрутизация отличается тем, что принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения, как то­пологии, так и нагрузки сети.

Методы защиты от ошибок

Проблема обеспечения безошибочности (достоверности) передачиинформации в сетях имеет очень важное значение. При передаче данных одна ошибка (искажение одного бита) на тысячу переданных сигналов может серьезно отразиться на каче­стве информации.

Выделяют две основные причины возникновения ошибок при передаче информации в сетях: сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение неблагоп­риятных объективных событий в сети; помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явления­ми.

Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые методы, помехоустойчивое кодирование и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью.

1) Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод, реализующий принцип Вердана, и метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока.

Суть мажоритарного метода, давно состоит в следующем: каждое сообщение ограниченной длины пе­редается несколько раз, чаще всего три раза. Принимаемые сообщения за­поминаются, а потом производится их поразрядное сравнение. Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методом «два из трех».

Другой групповой метод, предполагает передачу данных блоками с количественной харак­теристикой блока. Такими характеристиками могут быть: число единиц или нулей в блоке, контрольная сумма передаваемых символов в блоке, ос­таток от деления контрольной суммы на постоянную величину и др. На при­емном пункте эта характеристика вновь подсчитывается и сравнивается с переданной по каналу связи.

2) Помехоустойчивое (избыточное) кодирование - обеспечение малой вероятности искажений переда­ваемой информации, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети. Существует довольно большое количество различных помехоустойчивых кодов, отличающихся друг от друга по ряду показателей и, прежде всего по своим корректирующим возможностям.

К числу наиболее важных показателей корректирующих кодов отно­сятся:

• значность кода, или длина кодовой комбинации, включающей информационные символы (т) и проверочные, или контрольные, символы (k). Обычно значность кода п есть сумма т+k;

• избыточность кода К _изб, выражаемая отношением числа контрольных символов в кодовой комбинации к значности кода;

• корректирующая способность кода К _кс, представляющая собой от­ношение числа кодовых комбинаций L, в которых ошибки были обна­ружены и исправлены, к общему числу переданных кодовых комбина­ций М.

При выборе кода надо стремиться, чтобы он имел меньшую избыточность. Чем больше коэф­фициент К _изб, тем менее эффективно используется пропускная способность канала связи и больше затрачивается времени на передачу информации, но зато выше помехоустойчивость системы. Корректирующие коды в основном применяются для обнаружения ошибок, исправление которых осуществляется путем повтор­ной передачи искаженной информации.

3) Системы передачи с обратной связью делятся на системы с решающей обратной связью и системы с информационной обратной связью.

Особенностью систем с решающей обратной связью является то, что решение о необходимости повторной передачи информации принимает приемник. Здесь обязательно применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной станции осуществляется проверка принимаемой информации. При об­наружении ошибки на передающую сторону по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по которому информация передается повтор­но.

В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. Приемник, приняв ин­формацию по прямому каналу и зафиксировав ее в своей памяти, передает ее в полном объеме по каналу обратной связи передатчику, где переданная и возвращенная информация сравнивается.