Средства передачи данных и связи

Для оперативной передачи информации в ЭИС используют системы автоматизированной передачи информации. Совокупность всех средств, служащих для передачи информации называют системой передачи информации (СПИ). На рис. 6.3.1. представлена обобщенная схема автоматизированной системы передачи информации.

Помехи

Сообщение

Сигнал+помеха

Сообщение

ИИ

КС

ПР

ДМ

ПИ

НКС

ДКС

Рис. 6.3.1. Структурная схема СПИ

Источник (ИИ) и потребитель (ПИ) информации являются абонентами системы передачи. Лицентами могут быть ЭВМ, системы хранения информации, различного рода датчики и исполнительные устройства, а также люди. В составе структуры СПИ можно выделить: канал передачи (канал связи), передатчик информации, приемник информации.

Передатчик (П) служит для преобразования поступающего от абонента сообщения в сигнал, передаваемый по каналу связи (КС); приемник (ПР) – для обратного преобразования сигнала в сообщение, поступающее абоненту. Модулятор (М) служит для преобразования дискретного сигнала в непрерывный, а демодулятор (ДМ) – для преобразования непрерывного сигнала в дискретный. НКС – непрерывный канал связи, ДКС – дискретный канал связи.

В идеальном случае при передаче должно быть однозначное соответствие между передаваемым и получаемым сообщениями. Однако, под действием помех, возникающих в канале связи, в приемнике и передатчике, это соответствие может быть нарушено, и тогда говорят о недостоверной передаче информации.

Основными качественными показателями СПИ являются:

¨ пропускная способность,

¨ достоверность,

¨ надежность работы.

Пропускная способность системы передачи информации – наибольшее теоретически достижимое количество информации, которое может быть передано по системе за единицу времени. Пропускная способность системы обусловливается скоростью преобразования информации в передатчике и приемнике и допустимой скоростью передачи информации по каналу связи, определяемой физическими свойствами канала связи и сигнала.

Достоверность передачи информации – передача информации без ее искажения.

Надежность канала связи – полное и правильное выполнение системой всех своих функций.

Скорость передачи дискретной информации по каналу связи измеряется в бодах. Один бод – это такая скорость, когда передается один бит в секунду (1 бод = 1 бит/с; 1 Кбод = 10³ бет/с; 1Мбод=10⁶ бит/с).

Каналы связи (КС) являются общим звеном любой системы передачи информации. По физической природе каналы связи делятся следующим образом:

¨ акустические – передают звуковой сигнал;

¨ оптические – передают световой сигнал;

¨ электрические – передают электрический сигнал.

Электрические каналы связи могут быть проводные и беспроводные (или радиоканалы).

По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые и дискретные. По аналоговым каналам передается информация, представленная в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины. По дискретным каналам передается информация, представленная в виде дискретных (цифровых, импульсных) сигналов той или иной физической природы.

В системах административно-управленческой связи чаще всего используются электрические проводные каналы связи. По пропускной способности их можно классифицировать на виды:

¨ низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бод; это дискретные (телеграфные) каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;

¨ среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) линии связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бод, а в новых стандартах до 33600 бод;

¨ высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации выше 36000 бод; по этим каналам связи можно передавать и дискретную, и аналоговую информацию.

Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных каналах обычно являются группы либо параллельных проводов, либо скрученных проводов, называемых витая пара (скручивание проводов уменьшает влияние внешних помех).

В широкополосных КС используются коаксиальные кабели, оптоволоконные кабели, радиоволноводы. К широкополосным относятся и беспроводные радиоканалы связи. Возможности широкополосных каналов связи огромны. Например, по одному каналу-радиволноводу для миллиметровых волн можно одновременно организовать несколько тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных, при этом скорость передачи может составлять несколько миллионов бод. Не меньше возможности и у волоконно-оптических каналов.

Модем объединяет в себе два устройства модулятор и демодулятор и выполняет следующие функции:

¨ при передаче – преобразование (модуляцию) широкополосных импульсов (цифрового кода) в полосные аналоговые сигналы (амплитудно-, частотно- или фазомодулированные);

¨ при приеме – фильтрацию принятого сигнала от помех и детектирование, т.е. обратное преобразование (демодуляцию) узкополосного аналогового сигнала в цифровой код.

Следует особо отметить, что телефонный канал связи является более узкополосным, нежели телеграфный, но скорость передачи данных по нему выше ввиду обязательного наличия специального устройства согласования – модема.

Благодаря фильтрации сигнала повышается помехоустойчивость, что, в свою очередь, позволяет увеличивать пропускную способность системы. Модемы, выпускаемые промышленностью, различаются:

¨ конструкцией – автономные и встраиваемые в аппаратуру;

¨ интерфейсом с КС – контактные и бесконтактные (аудио);

¨ назначением – для разных каналов связи и систем (например, для систем передачи данных – модемы, для систем передачи факсов – факс-модемы);

¨ скоростью передачи – существует стандарт скоростей (шкала) передачи данных, соответствующий стандарту протоколов (алгоритмов управления) для телефонных КС; он включает следующие скорости (в бодах): 300, 600, 1200, 2400, 4800, 12000, 14400, 16800, 19200, 28800, 33600.

Ранее модемы выпускались каждый на определенную скорость работы; современные модемы более универсальны: некоторые из них могут работать как с коммутируемыми, так и с некоммутируемыми КС; поддерживают почти всю шкалу названных скоростей; имеют режимы модема и факс-модема.

Системы передачи информации весьма разнообразны; их можно классифицировать по целому ряду признаков, таких, как назначение, способ соединения, способ передачи, вид канала связи и т.д. (рис. 6.3.2).

В СПИ документированной информации передача ведется с "документа на документ". У передающего абонента информация может либо автоматически считываться с заранее сформированного документа, либо (при ручном вводе) параллельно регистрироваться на первичный документ, у принимающего абонента предусмотрена обязательная регистрация поступающей информации, исключая случаи непосредственного ее ввода в вычислительную систему, где она и запоминается (создается электронный документ).

Системы административно-управленческой связи

СПИ недокументированной информации

СПИ с документированием информации при приеме

СПИ документированной информации

Телефонная связь

Телеграфная связь

Радиотелефонная связь

Дейтефонная связь

Видеотелефонная связь

Факсимильную связь

Радиопоисковая связь

Рис. 6.3.2. Классификация систем административно-управленческой связи

В СПИ недокументированной информации не предусматривается обязательная регистрация информации на документ ни у передающего, ни у принимающего абонента, хотя при желании такая регистрация может быть выполнена с привлечением дополнительных технических средств.

В СПИ с документированием информации при приеме обязательное документирование информации на передающем конце не предусматривается. Информация передается непосредственно от автоматических датчиков, счетчиков, установленных на алогических агрегатах и другом производственном оборудовании, полуавтоматических устройств ввода информации, пультов ввода и т.п. Регистрация сообщения на документ обязательна лишь у принимающего абонента.

Телефонная связь – самый распространенный вид оперативной административно-управленческой связи. Абонентами сети телефонной связи являются как физические лица, так и предприятия. Телефонная связь играет важную роль в фирмах, офисах и т. п. Так, для большинства фирм телефон является своеобразной визитной карточкой, поскольку первые контакты со смежниками и заказчиками чаще всего осуществляются по телефону. Удобство соединения и сервисные возможности телефона, а они во многом определяются офисной АТС, формируют первое впечатление о солидности фирмы, а это немаловажно. Сервисные услуги, которые предоставляет или может предоставлять своим абонентам система телефонной связи в настоящее время составляют более 600 наименований.

В последние годы получила широкое применение радиотелефонная связь, которая позволяет деловому человеку свободно передвигаться и в то же время быть уверенным, что в любое время в любом месте ему обеспечена связь. Радиотелефонные системы могут быть региональными и местными (офисными).

Все большее применение находит видеотелефонная связь, позволяющие не только слышать, но и видеть собеседника.

Радиопоисковая связь предназначена для оперативного поиска и передачи информации сотрудникам – абонентам этой связи. Системы радиопоисковой связи бывают региональными и локальными. Локальные системы применяются на территории одного предприятия или организации и используют, как правило, низкочастотные радиоканалы, не создающие радиопомех вне этой территории. У низкочастотных радиопоисковых систем передача информации только односторонняя: от центрального пульта к абонентам. Региональные системы используют высокочастотные каналы, работающие в диапазоне нескольких десятков мегагерц, и охватывают значительно большие территории. Высокочастотные системы бывают двухсторонними (аналог радиотелефонной связи), но чаще всего односторонними, известными как пейджинговые системы.

Пейджинговая связь получила наибольшее распространение. Для передачи информации используется обычный телефон, а для приема – миниатюрный УКВ-приемник "пейджер". Каждому пейджеру соответствует отдельный телефонный номер, и для связи с ним нужно просто набрать этот номер и передать сообщение.

Пейджеры бывают тоновые, цифровые и текстовые.

Тоновый пейджер самый простой и дешевый, он только извещает абонента о вызове вибрационным, звуковым или световым сигналом. При этом тип оповещательного сигнала может условно кодировать одно из четырех заранее выбранных абонентом сообщений: позвонить в голосовой почтовый ящик, позвонить в офис, позвонить домой и т.п.

Цифровой пейджер более совершенный; он имеет дисплей (на 10-20 символов) и оперативную память (на 80 - 200 символов или 8-20 сообщений); на дисплей может быть передано цифровое сообщение (номер телефона, по которому нужно позвонить; время некоторого заранее обусловленного события; курс акций и т. п.).

Текстовый пейджер – самый совершенный. Модели текстовых пейджеров весьма разнообразны: многие из них выводят сообщение на дисплей на русском языке, некоторые – только на английском; они имеют часы, будильник, систему регистрации даты и времени поступления сообщения.

Телеграфная связь предназначена для передачи на расстояние по электрическим проводным каналам связи алфавитно-цифровой информации, как правило, для автоматизированного приема-передачи коротких текстовых документированных сообщений. Телеграф – один из старейших видов связи. Телеграфная связь имеет несколько разновидностей: собственно телеграфную связь, использующую для кодирования информации коды, предложенные Морзе ("азбуку Морзе"); телетайпную и дейтефонную связь. Следует заметить, что все виды телеграфной связи неуклонно вытесняются факсимильной связью.

В настоящее время в фирмах и на предприятиях применяют телетайпную связь, которая использует буквопечатающие телеграфные аппараты – телетайпы. Ввод информации в телетайп может осуществляться вручную с клавиатуры и автоматизированно с перфоленты. В принимающем аппарате информация также может регистрироваться на печатный документ и на перфоленту. Информация непосредственно по каналу связи может вводиться и в ПК. Все телетайпные аппараты являются обратимыми, т.е. могут работать и как передатчики, и как приемники информации. Скорость передачи информации у большинства телетайпов 50, 75 или 100 бод (400 – 800 знаков в мин). В качестве канала связи для телетайпной приемопередающей аппаратуры может служить как телеграфный, так и телефонный канал.

Передачу документированной текстовой информации по телефонным каналам часто называют дейтефонной связью.

Факсимильную связь раньше называли фототелеграфной связью. Назначение факсимильной связи – передача на расстояние информации в виде текстов, чертежей, рисунков, схем, фотоснимков и т.п. По существу, факсимильный способ передачи информации заключается в дистанционном копировании документов. В основу факсимильной связи положен метод передачи временной последовательности электрических сигналов, характеризующих яркость отдельных элементов передаваемого документа. Разложение передаваемого изображения на элементы называется разверткой, апросмотр и считывание этих элементов – сканированием. Для организации факсимильной связи используют чаще всего телефонные каналы, реже – телеграфные каналы и радиоканалы связи. Важное достоинство факсимильной связи – полная автоматизация передачи, включая считывание информации с документов. Скорость передачи информации довольно высокая: время передачи документа формата А4 в зависимости от типа аппарата составляет от 5 до 400 с, достоверность передачи, благодаря большой избыточности передаваемой информации, хорошая. Факсимильная связь может использоваться для автоматического ввода передаваемой информации в ЭВМ, если последняя оборудована факс-модемом. Выпускаемые в настоящее время факсимильные аппараты отличаются способом воспроизведения изображения, видом развертки и разрешающей способностью.

6.4. Требования, предъявляемые к вычислительным сетям

Главным требованием, предъявляемым к сетям, является выполнение сетью ее основной функции – обеспечение пользователям потенциальной возможности доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть. Все остальные требования – производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость – связаны с качеством выполнения этой основной задачи.

Хотя все эти требования весьма важны, часто понятие «качество обслуживания» компьютерной сети трактуется более узко – в него включаются только две самые важные характеристики сети – производительность и надежность.

1. Производительность. Потенциально высокая производительность – это одно из основных свойств распределенных систем, к которым относятся компьютерные сети. Это свойство обеспечивается возможностью распараллеливания работ между несколькими компьютерами сети. К сожалению, эту возможность не всегда удается реализовать. Существует несколько основных характеристик производительности сети: время реакции; пропускная способность; задержка передачи и вариация задержки передачи.

2. Время реакции. Время реакции сети является интегральной характеристикой производительности сети с точки зрения пользователя. Именно эту характеристику имеет в виду пользователь, когда говорит: «Сегодня сеть работает медленно». В общем случае время реакции определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос.

3. Пропускная способность. Пропускная способность отражает объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени. Пропускная способность непосредственно характеризует качество выполнения основной функции сети – транспортировки сообщений – и поэтому чаще используется при анализе производительности сети, чем время реакции. Пропускная способность измеряется либо в битах в секунду, либо в пакетах в секунду. Пропускная способность может быть мгновенной, максимальной и средней.

Средняя пропускная способность вычисляется путем деления общего объема переданных данных на время их передачи, причем выбирается достаточно длительный промежуток времени – час, день или неделя.

Мгновенная пропускная способность отличается от средней, тем, что для усреднения выбирается очень маленький промежуток времени – например, 10 мс или 1с.

Максимальная пропускная способность – это наибольшая мгновенная пропускная способность, зафиксированная в течение периода наблюдения.

Чаще всего при проектировании, настройке и оптимизации сети используются такие показатели, как средняя и максимальная пропускные способности. Средняя пропускная способность отдельного элемента или всей сети позволяет оценить работу сети на большом промежутке времени, в течение которого в силу закона больших чисел пики и спады интенсивности графика компенсируют друг друга. Максимальная пропускная способность позволяет оценить возможности сети справляться с пиковыми нагрузками, характерными для особых периодов работы сети, например, утренних часов, когда сотрудники предприятия почти одновременно регистрируются в сети и обращаются к разделяемым файлам и базам данных.

4. Задержка передачи. Задержка передачи определяется как задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе этого устройства. Этот параметр производительности по смыслу близок ко времени реакции сети, но отличается тем, что всегда характеризует только сетевые этапы обработки данных, без задержек обработки компьютерами сети.

Пропускная способность и задержки передачи являются независимыми параметрами, так что сеть может обладать, например, высокой пропускной способностью, но вносить значительные задержки при передаче каждого пакета.

5. Надежность и безопасность. Одной из первоначальных целей создания распределенных систем, к которым относятся и вычислительные сети, являлось достижение большей надежности по сравнению с отдельными вычислительными машинами. Для оценки надежности сложных систем применяется другой набор характеристик.

Готовность или коэффициент готовности означает долю времени, в течение которого система может быть использована. Готовность может быть улучшена путем введения избыточности в структуру системы: ключевые элементы системы должны существовать в нескольких экземплярах, чтобы при отказе одного из них функционирование системы обеспечивали другие.

Чтобы систему можно было отнести к высоконадежным, она должна, как минимум, обладать высокой готовностью, но этого недостаточно. Необходимо обеспечить сохранность данных и защиту их от искажений. Кроме этого, должна поддерживаться согласованность (непротиворечивость) данных, например, если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько копий данных, то нужно постоянно обеспечивать их идентичность.

Так как сеть работает на основе механизма передачи пакетов между конечными узлами, то одной из характеристик надежности является вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений. Наряду с этой характеристикой могут использоваться и другие показатели: вероятность потери пакета (по любой из причин – из-за переполнения буфера маршрутизатора, из-за несовпадения контрольной суммы, из-за отсутствия работоспособного пути к узлу назначения и т. д.), вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных, отношение потерянных пакетов к доставленным.

Другим аспектом общей надежности является безопасность, то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа. В распределенной системе это сделать гораздо сложнее, чем в централизованной. В сетях сообщения передаются по линиям связи, часто проходящим через общедоступные помещения, в которых могут быть установлены средства прослушивания линий. Другим уязвимым местом могут быть оставленные без присмотра персональные компьютеры. Кроме того, всегда имеется потенциальная угроза взлома защиты сети от неавторизованных пользователей, если сеть имеет выходы в глобальные сети общего пользования.

Еще одной характеристикой надежности является отказоустойчивость. В сетях под отказоустойчивостью понимается способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. Например, если копии таблицы базы данных хранятся одновременно на нескольких файловых серверах, то пользователи могут просто не заметить отказ одного из них. В отказоустойчивой системе отказ одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы (деградации), а не к полному останову. Так, при отказе одного из файловых серверов в предыдущем примере увеличивается только время доступа к базе данных из-за уменьшения степени распараллеливания запросов, но в целом система будет продолжать выполнять свои функции.

6. Расширяемость. Расширяемостьозначает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб) наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

7. Масштабируемость. Масштабируемостьозначает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом, производительность сети не ухудшается. Для обеспечения масштабируемости сети приходится применять дополнительное коммуникационное оборудование и специальным образом структурировать сеть.

Термины расширяемость и масштабируемость иногда используют как синонимы, но это неверно – каждый из них имеет четко определенное самостоятельное значение.

8. Прозрачность. Прозрачностьсети достигается в том случае, когда сеть представляется пользователям не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабелей, а как единая традиционная вычислительная машина с системой разделения времени.

Прозрачность может быть достигнута на двух различных уровнях – на уровне пользователя и на уровне программиста. На уровне пользователя прозрачность означает, что для работы с удаленными ресурсами он использует те же команды и привычные ему процедуры, что и для работы с локальными ресурсами. На программном уровне прозрачность заключается в том, что приложению для доступа к удаленным ресурсам требуются те же вызовы, что и для доступа к локальным ресурсам. Прозрачность на уровне пользователя достигается проще, так как все особенности процедур, связанные с распределенным характером системы, маскируются от пользователя программистом, который создает приложение. Прозрачность на уровне приложения требует сокрытия всех деталей распределенности средствами сетевой операционной системы.

Сеть должна скрывать все особенности операционных систем и различия в типах компьютеров. Пользователь компьютера Macintosh должен иметь возможность обращаться к ресурсам, поддерживаемым UNIX-системой, а пользователь UNIX должен иметь возможность разделять информацию с пользователями Windows. Подавляющее число пользователей ничего не хочет знать о внутренних форматах файлов или о синтаксисе команд UNIX. Пользователь терминала должен иметь возможность обмениваться сообщениями с пользователями сети персональных компьютеров без необходимости вникать в секреты трудно запоминаемых адресов.

Концепция прозрачности может быть применена к различным аспектам сети. Например, прозрачность расположения означает, что от пользователя не требуется знаний о месте расположения программных и аппаратных ресурсов, таких как процессоры, принтеры, файлы и базы данных. Аналогично, прозрачность перемещения означает, что ресурсы должны свободно перемещаться из одного компьютера в другой без изменения своих имен. Еще одним из возможных аспектов прозрачности является прозрачность параллелизма, заключающаяся в том, что процесс распараллеливания вычислений происходит автоматически, без участия программиста, при этом система сама распределяет параллельные ветви приложения по процессорам и компьютерам сети. В настоящее время нельзя сказать, что свойство прозрачности в полной мере присуще многим вычислительным сетям, это скорее цель, к которой стремятся разработчики современных сетей.

9. Поддержка разных видов трафика. Компьютерные сети изначально предназначены для совместного доступа пользователя к ресурсам компьютеров: файлам, принтерам и т. п. Трафик, создаваемый этими традиционными службами компьютерных сетей, имеет свои особенности и существенно отличается от трафика сообщений в телефонных сетях или, например, в сетях кабельного телевидения. Однако, 90-е годы стали годами проникновения в компьютерные сети трафика мультимедийных данных, представляющих в цифровой форме речь и видеоизображение. Компьютерные сети стали использоваться для организации видеоконференций, обучения и развлечения на основе видеофильмов и т. п. Естественно, что для динамической передачи мультимедийного трафика требуются иные алгоритмы и протоколы и, соответственно, другое оборудование. Сегодня практически все новые протоколы в той или иной степени предоставляют поддержку мультимедийного трафика.

10. Управляемость. Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети. В идеале, средства управления сетями представляют собой систему, осуществляющую наблюдение, контроль и управление каждым элементом сети – от простейших до самых сложных устройств, при этом такая система рассматривает сеть как единое целое, а не как разрозненный набор отдельных устройств.

Хорошая система управления наблюдает за сетью и, обнаружив проблему, активизирует определенное действие, исправляет ситуацию и уведомляет администратора о том, что произошло и какие шаги предприняты. Одновременно с этим система управления должна накапливать данные, на основании которых можно планировать развитие сети. Наконец, система управления должна быть независима от производителя и обладать удобным интерфейсом, позволяющим выполнять все действия с одной консоли.

Решая тактические задачи, администраторы и технический персонал сталкиваются с ежедневными проблемами обеспечения работоспособности сети. Эти задачи требуют быстрого решения, обслуживающий сеть персонал должен оперативно реагировать на сообщения о неисправностях, поступающих от пользователей или автоматических средств управления сетью. Постепенно становятся заметны более общие проблемы производительности, конфигурирования сети, обработки сбоев и безопасности данных, требующие стратегического подхода, то есть планированиясети. Планирование, кроме этого, включает прогноз изменений требований пользователей к сети, вопросы применения новых приложений, новых сетевых технологий и т. п.

Полезность системы управления особенно ярко проявляется в больших сетях: корпоративных или публичных глобальных. Без системы управления в таких сетях нужно присутствие квалифицированных специалистов по эксплуатации в каждом здании каждого города, где установлено оборудование сети, что в итоге приводит к необходимости содержания огромного штата обслуживающего персонала.

В настоящее время в области систем управления сетями много нерешенных проблем. Явно недостаточно действительно удобных, компактных и многопротокольных средств управления сетью. Большинство существующих средств вовсе не управляют сетью, а всего лишь осуществляют наблюдение за ее работой. Они следят за сетью, но не выполняют активных действий, если с сетью что-то произошло или может произойти. Мало масштабируемых систем, способных обслуживать как сети масштаба отдела, так и сети масштаба предприятия, – очень многие системы управляют только отдельными элементами сети и не анализируют способность сети выполнять качественную передачу данных между конечными пользователями сети.

11. Совместимость. Совместимость или интегрируемость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение, то есть в ней могут сосуществовать различные операционные системы, поддерживающие разные стеки коммуникационных протоколов, и работать аппаратные средства и приложения от разных производителей. Сеть, состоящая из разнотипных элементов, называется неоднородной или гетерогенной, а если гетерогенная сеть работает без проблем, то она является интегрированной. Основной путь построения интегрированных сетей – использование модулей, выполненных в соответствии с открытыми стандартами и спецификациями.