Телекоммуникационные сети и технологии

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е.АЛЕКСЕЕВА

Институт радиоэлектроники и информационных технологий

Кафедра информатики и систем управления

Курсовая работа

«Телекоммуникационные сети и технологии»

по дисциплине

Информационные технологии



Введение

Телекоммуникационные технологии развиваются столь стремительно, что неизбежно вторгаются во все области электроники. Знания, которые еще вчера были уделом узких специалистов, становятся необходимыми практически любому работнику радиоэлектронной отрасли.

Ключевую роль в формировании информационного общества играют телекоммуникационные технологии, которые определяют темпы и качество его построения. Понятие “телекоммуникационные технологии построения сетей передачи информации” возникло лишь в середине XX века, но уже к концу его мы наблюдаем проникновение этих технологий во все сферы человеческой деятельности. Сети передачи информации совершили колоссальный скачок от телеграфных и телефонных сетей первой трети ХХ века к интегральным цифровым сетям передачи всех видов информации (речь, данные, видео). К факторам, определившим прогресс в этой сфере, в первую очередь следует отнести развитие микроэлектронной индустрии и вычислительной техники, а также последние успехи в технологии световодных систем. Телекоммуникационные технологии развивались параллельно и взаимоувязано с возможностями каналов связи (от аналоговых к высокоскоростным цифровым волоконно-оптическим линиям связи) и компьютеризацией общества.



Этапы развития телекоммуникационных технологий

В числе основных этапов развития телекоммуникационных технологий следует назвать:

-- телеграфные и телефонные сети (докомпьютерная эпоха);

-- передача данных между отдельными абонентами по выделенным и коммутируемым каналам с использованием модемов;

-- сети передачи данных с коммутацией пакетов: дейтаграммные или использующие виртуальные соединения (типа Х.25);

-- локальные вычислительные сети (наиболее распространенные -- Ethernet, TokenRing);

-- цифровые сети интегрального обслуживания (ISDN) -- узкополосные, а затем широкополосные;

-- высокоскоростные локальные сети -- FastEthernet, FDDI, FDDI II (развитие FDDI для синхронной передачи речевой и видеоинформации);

-- высокоскоростные распределенные сети FrameRelay, SMDS, АТМ;

-- информационные супермагистрали.

Наиболее впечатляющие успехи телекоммуникационных технологий наблюдаются в последние 15 лет. В их числе можно назвать следующие технологии.

X.25

Сети X.25 относятся к первому поколению сетей коммутации пакетов. Протоколы X.25 разработаны ITU еще в 1974 г. В свое время они получили широкое распространение, а в России их популярность остается значительной до настоящего времени, поскольку эти сети хорошо приспособлены к работе на телефонных каналах невысокого качества, составляющих в России значительную долю каналов связи. С помощью сетей X.25 удобно соединять локальные сетив территориальную сеть, устанавливая между ними мосты X.25.

Долгое время наиболее распространенным в технологии передачи данных был подход, основанный на идеологии пространственно-временной коммутации пакетов данных, определяемой рекомендациями МККТТ Х.25 . Характерные черты данной технологии -- организация передачи пакетов по временно создаваемым виртуальным каналам, а также достаточно сложные функции управления процессом передачи, возлагаемые на сеть с целью повышения надежности доставки информации пользователю. Подвергавшаяся многочисленным исследованиям и усовершенствованиям, она и по сей день является основой широкого класса телекоммуникационных сетей. Одна из причин этого -- удовлетворительное функционирование в условиях использования каналов связи низкого и среднего качества, а также хорошо отработанные за многие годы аппаратные и программные средства.

Области применения:

-- каналы низкого и среднего качества;

-- передача данных на низких и средних скоростях (1,2--128 Кбит/с);

-- простое пользовательское оборудование;

-- подключение абонента по коммутируемым каналам.

Стандарт X.25 относится к трем нижним уровням ЭМВОС, т.е. включает протоколы физического, канального и сетевого уровней. На сетевом уровне используется коммутация пакетов.

Характеристики сети:

пакет размером до одного килобайта содержит адресную, управляющую, информационную и контрольную части, т.е. в его заголовке имеются флаг, адреса отправителя и получателя, тип кадра (служебный или информационный), номер кадра (используется для правильной сборки сообщения из пакетов);

на канальном уровне применено оконное управление, размер окна задает число кадров, которые можно передать до получения подтверждения (это число равно 8 или 128);

передача данных по виртуальным (логическим) каналам, т.е. это сети с установлением соединения;

узлы на маршруте, обнаружив ошибку, ликвидируют ошибочный пакет и запрашивает повторную передачу пакета.

Особенности:

-- виртуальные соединения;

-- альтернативная маршрутизация;

-- обнаружение и исправление ошибок в каждом узле.

В сетевом протоколе X.25 значительное внимание уделено контролю ошибок (в отличие, например, от протокола IP, в котором обеспечение надежности передается на транспортный уровень). Эта особенность приводит к уменьшению скорости передачи, т.е. сети X.25 низкоскоростные (обычно обеспечивается скорость 64 кбит/с), но зато эти сети можно реализовать на каналах связи с невысокой помехоустойчивостью. Контроль ошибок производится при инкапсуляции и восстановлении пакетов (во всех коммутаторах, а не только в оконечном узле).

При использовании на физическом уровне телефонных каналов для подключения к сети достаточно иметь компьютер и модем. Подключение осуществляет провайдер (провайдерами являются, например, владельцы ресурсов сетей Sprint, Infotel, Роспак и др.)

Типичная структура сети X.25 показана на рисунке 1.

Пункты обмена пакетами являются коммутаторами. Сборка потоков информации от терминальных узлов в передаваемые по сети пакеты и их разборка в местах получения может осуществляться устройствами PAD (PacketAssembler/Disassembler), которые конструктивно могут быть объединены с коммутаторами.

Типичная АКД в X.25 -- синхронный модем с дуплексным бит-ориентированным протоколом. Скорости от 9,6 до 64 кбит/с. На физическом уровне для связи с цифровыми каналами передачи данных используется протокол X.21, а саналоговыми каналами -- протокол X.21bis. На канальном уровне используется протокол LAP-B (LinkAccessProcedure -- Balanced) -- разновидность HDLC.

TCP\IP

Стек протоколов TCP/IP -- набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть Интернет. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства -- TransmissionControlProtocol (TCP) и InternetProtocol (IP), которые были разработаны и описаны первыми в данном стандарте. Также изредка упоминается как модель DOD в связи с историческим происхождением от сети ARPANET из 1970 годов (под управлением DARPA, Министерства обороны США).

Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack, стопка) -- это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протоколаIP.

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:

прикладной уровень (applicationlayer),

транспортный уровень (transportlayer),

сетевой уровень (internetlayer),

канальный уровень (linklayer).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.

Распределение протоколов по уровням модели TCP/IP
4	Прикладной (Applicationlayer)	напр., HTTP, RTSP, FTP, DNS
3	Транспортный (Transportlayer)	напр., TCP, UDP, SCTP, DCCP (RIP, протоколы маршрутизации, подобные OSPF, что работают поверх IP, являются частью сетевого уровня)
2	Сетевой (Internetlayer)	Для TCP/IP это IP (вспомогательные протоколы, вроде ICMP и IGMP, работают поверх IP, но тоже относятся к сетевому уровню; протокол ARP является самостоятельным вспомогательным протоколом, работающим поверх канального уровня)
1	Канальный (Linklayer)	Ethernet, IEEE 802.11 WirelessEthernet, SLIP, TokenRing, ATM и MPLS, физическая среда и принципы кодирования информации, T1, E1

На прикладном уровне (Applicationlayer) работает большинство сетевых приложений.

Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.

В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например:

HTTP на TCP-порт 80 или 8080,

FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),

SSH на TCP-порт 22,

запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,

обновление маршрутов по протоколу RIP на UDP-порт 520.

Эти порты определены Агентством по выделению имен и уникальных параметров протоколов (IANA).

К этому уровню относятся: Echo, Finger, Gopher, HTTP, HTTPS, IMAP, IMAPS, IRC, NNTP, NTP, POP3, POPS, QOTD, RTSP, SNMP, SSH, Telnet, XDMCP.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня (Transportlayer) могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.

Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).

TCP (IP идентификатор 6) -- «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.

UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.

UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.

И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Internetlayer) изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. Примерами такого протокола является X.25 и IPC в сети ARPANET.

С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).

ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий -- транспортный -- уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.

Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число -- уникальный IP-номер протокола. ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.

К этому уровню относятся: DHCP[1], DVMRP, ICMP, IGMP, MARS, PIM, RIP, RIP2, RSVP

Канальный уровень

Канальный уровень (Linklayer) описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.

Примеры протоколов канального уровня -- Ethernet, IEEE 802.11 WirelessEthernet, SLIP, TokenRing, ATM и MPLS.

PPP не совсем вписывается в такое определение, поэтому обычно описывается в виде пары протоколов HDLC/SDLC.

MPLS занимает промежуточное положение между канальным и сетевым уровнем и, строго говоря, его нельзя отнести ни к одному из них.

Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня -- LLC и MAC.

Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов,модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).

Передача данных в соответствии с протоколами TCP/IP основана на дейтаграммном методе коммутации, характерная черта которого -- независимая маршрутизация пакетов (рис.3). Исторически ряд специальных сетей, например сеть Министерства обороны США ARPANET, были организованы с использованием данной технологии, которая сохраняет актуальность и успешно конкурирует с методом виртуальных соединений. Об этом свидетельствует широкое использование TCP/IP в сети Internet.

Области применения:

-- каналы низкого, среднего и высокого качества;

-- широкий диапазон скоростей передачи данных (от 1,2 Кбит/сдо десятков Мбит/с.)

-- возможность использования как в распределенных, так и в локальных сетях.

Особенности:

-- пакетная коммутация в дейтаграммном режиме;

-- высокий уровень адаптации к нарушениям в сети благодаря возможности изменения маршрута в каждом узле сети;

-- обнаружение и исправление ошибок оконечным оборудованием пользователя.

ISDN

В связи с необходимостью повышения качества и расширения спектра услуг, предоставляемых сетью, и совершенствованием средств передачи цифровой информации с середины 80-х годов во многих странах начали активно развиваться цифровые сети интегрального обслуживания (ЦСИО, ISDN), вначале узкополосные (У-ЦСИО, N-ISDN), а в последующем и широкополосные (Ш-ЦСИО, В-ISDN) (рис.4). Главная задача ISDN -- передача разнородной информации с высокой скоростью, включая передачу речи, телетекста, видеотекста, электронной почты для В-ISDN-телеконференции, передача ТВ-изображений, распределенная обработка информации.

Один из ключевых вопросов, относящихся к В-ISDN, -- выбор метода коммутации: коммутация каналов (аналогичная традиционной системе в обычной телефонной сети, при которой для каждого соединения устанавливается физический канал между корреспондирующей парой абонентов) или некая разновидность пакетной коммутации (при которой сеть передает информацию, организованную специальным образом в пакеты данных, снабженные адресом, куда они должны быть доставлены).

Метод пакетной коммутации -- более гибкий с точки зрения скорости передачи и оптимален для передачи разнородного трафика.

В современных условиях цифровые сети все чаще используют для передачи информации разного типа, а именно не только данных, но и голоса, видео, имеющих первоначально аналоговую форму. Такие сети называют сетями интегрального обслуживания. Сети ISDN (IntegretedServiceDigitalNetwork), являющиеся сетями интегрального обслуживания, могут быть коммутируемыми и некоммутируемыми. Различают обычные узкополосные ISDN со скоростями от 56 кбит/с до 1,54 Мбит/с и широкополосные ISDN (Broadband ISDN, или B-ISDN) со скоростями 155...2048 Мбит/с. Более перспективны B-ISDN, в настоящее время технология B-ISDN активно осваивается.

Применяют два варианта обычных сетей ISDN -- базовый и специальный. В базовом варианте имеются два канала по 64 кбит/с (эти каналы называют B-каналами) и один служебный канал с 16 кбит/с (D-канал). В специальном варианте -- 30 каналов B по 64 кбит/с и один служебный канал D с 64 кбит/с. Каналы B можно использовать как для передачи закодированной голосовой информации (коммутация каналов), так и для передачи пакетов. Служебные каналы используются для сигнализации -- передачи команд, в частности, для запроса соединения.

Схема сети ISDN показана на рисунке. Здесь S-соединение представляет собой четырехпроводную витую пару. Если оконечное оборудование не имеет интерфейса ISDN, то его подключают к S через специальный адаптер TA. Устройство NT2 объединяет S-линии в одну T-шину, которая имеет два провода от передатчика и два -- к приемнику. Устройство NT1 реализует схему эхо-компенсации и служит для интерфейса T-шины с обычной телефонной двухпроводной абонентской линией U.(рисунок 2)

Рисунок 2

FrameRelay(FR)

Данная технология является разновидностью метода пакетной коммутации (рис.5). Она возникла и развивалась как технология, ориентированная на передачу данных, однако все шире используется для организации обмена речевой и даже видеоинформацией. Характерная особенность технологии -- частичный отказ от сложных процедур обнаружения и исправления ошибок при передаче информации по каналам связи. Благодаря этому достигается максимально полное использование пропускной способности каналов и ресурсов коммутационного оборудования. телекоммуникационный сеть протокол

Технология FR представляет собой эффективное средство соединения локальных сетей. Наряду с этим за счет мощных механизмов мультиплексирования и управления потоками она обладает высоким потенциалом интеграции и повышения производительности глобальных и национальных сетей, особенно в условиях большого разнообразия протоколов передачи информации в сеть.

Области применения:

-- каналы среднего и высокого качества;

-- передача данных со скоростями от 56 Кбит/с до 2048 Кбит/с;

-- передача голосовой и факсимильной информации;

-- интеллектуальное пользовательское оборудование;

-- LAN-to-LAN;

-- LAN-to-WAN.

Особенности:

-- постоянные и коммутируемые виртуальные соединения;

-- стирание искаженных кадров (фреймов) на узлах сети;

-- обнаружение и исправление ошибок оконечным оборудованием пользователя.

Как и сети X.25, сети FrameRelay (FR) -- это сети пакетной коммутации. В них в отличие от сетей X.25 обеспечивается большая скорость за счет исключения контроля ошибок в промежуточных узлах, так как контроль, адресация, инкапсуляция и восстановление выполняются в оконечных пунктах, т.е. на транспортном уровне. В промежуточных узлах ошибочные пакеты могут только отбрасываться, а запрос на повторную передачу происходит от конечного узла средствами уровня, выше сетевого. Поэтому сети FR успешно работают только на помехоустойчивых каналах передачи данных.

Возможны постоянные (PVC -- PermanentVirtualChannel) и коммутируемые (SVC -- SwitchedVirtualChannel) соединения, причем в FR преобладают PVC соединения. При постоянных соединениях пункты доступа фиксируются при предварительной настройке порта подключения к сети, а не в процессе установления соединения. Поэтому наиболее подходящая сфера применения FR -- объединение совокупности ЛВС, находящихся на значительном расстоянии друг от друга.

Структура кадра (в скобках указана длина поля в байтах):

флаг (1);

идентификатор соединения и признаки управления (2...4);

данные (до 4096);

циклический контрольный код (2);

флаг (1).

Чаще всего под идентификатор соединения отводится 10 бит, что ограничивает число одновременно созданных соединений числом 1024. Но размер идентификатора соединения может быть увеличен вплоть до 23 бит. Признаки управления служат для указания размера идентификатора соединения и оповещения участников связи о перегрузке сети, что осуществляется установкой соответствующих битов в заголовках пакетов, проходящих по перегруженному маршруту.

При установлении соединения (его ручной или автоматической настройке) в сетях FR указываются параметры качества обслуживания. В FR это информационная скорость -- число байтов, передаваемых в единицу времени; допустимая величина пульсаций трафика, пульсации определяются как отклонение скорости от номинальной. Если интенсивность трафика превышает , то пакет отбрасывается, если , то пакет ликвидируется лишь при перегрузках сети.

Распределение полосы пропускания в соответствии с заказанным качеством позволяет, в отличие от сетей X.25, не только передавать данные, но также оцифрованный голос (для передачи голоса обычно требуется режим реального времени). По этой же причине FR лучше приспособлены для передачи неравномерного трафика, характерного для связей между ЛВС.

Сети FR получают широкое распространение в России по мере развития помехоустойчивых каналов связи, так как облегчен переход к ним от сетей X.25.

Но радикальное повышение скоростей передачи интегрированной информации связывают с внедрением сетей ATM.

ATM

В последние годы национальные и международные организации по стандартам заметно продвинулись в определении основ технологии для передачи разнородной информации. Они рекомендуют для этого стандартизованную технологию передачи, мультиплексирования и коммутации, называемую методом асинхронной передачи (AsynchronousTransferMode, АТМ) (рис.6).

АТМ является разновидностью метода пакетной коммутации с виртуальными каналами и в определенной мере соединяет преимущества методов коммутации каналов и коммутации пакетов. В основе АТМ -- единый цифровой формат и единые правила транспортировки и коммутации всех видов информации, в том числе служебной.

Области применения:

-- широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания;

-- каналы высокого качества;

-- высокоскоростная передача данных, речевой и видеоинформации, включая ТВ высокой четкости;

-- хорошие линии привязки пользователей.

Особенности:

-- постоянные и коммутируемые виртуальные соединения;

-- контроль целостности информации на узлах сети;

-- обнаружение и исправление ошибок оконечным оборудованием пользователя;

-- заказ услуг.

Перспективными технологиями передачи информации в вычислительных сетях являются технологии, обеспечивающие высокие скорости передачи разнородной информации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, и, следовательно, задержки должны быть только малыми (так, для голосовой связи -- около 6 мс).

К числу таких технологий, прежде всего, относится технология ATM (AsynchronousTransferMode).

Технология ATM кратко формулируется, как быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины (53 байт), называемых ячейками. По этой причине и саму технологию ATM иногда называют коммутацией ячеек.

Сети ATM относят к сетям с установлением соединения. Соединения могут быть постоянными и коммутируемыми (динамическими). Первые устанавливаются и разрываются администратором сети, их действие продолжительно, для каждого нового обмена данными между абонентами постоянного соединения не нужно тратить время на его установление. Вторые устанавливаются и ликвидируются автоматически для каждого нового сеанса связи.

Малый размер ячейки (53 байт) обусловлен требованиями передачи телефонного (голосового) трафика. Действительно, если допустить, наряду с передачей голоса, также традиционных цифровых данных, упакованных в длинные пакеты, то возможны задержки передачи "голосовых" ячеек на время, заметно превышающее несколько миллисекунд, что для телефонного разговора недопустимо. В то же время слишком короткие ячейки приводят к нерациональному использованию пропускной способности каналов из-за значительной доли длины заголовка в размере ячейки. Поэтому длина 53 байт при длине заголовка в 5 байт -- компромиссное решение.

В ATM введены три уровня протоколов. (рисунок 3)

Рисунок 3

Введено несколько разновидностей протокола AAL, ориентированных на разные классы трафика. Протокол AAL1 предназначен для обслуживания мультимедийного трафика, характеризующегося стабильной скоростью и синхронизацией голоса и видео, и телефонного трафика, чувствительного к временным задержкам. В то же время потеря отдельных ячеек несущественно сказывается на качестве принимаемой информации. Протокол AAL3/4 предназначен для передачи нестабильной (пульсирующей) нагрузки, присущей связям между локальными вычислительными сетями. Задержки здесь не критичны, но потери ячеек не допускаются. Протокол AAL5 приспособлен для передачи данных вычислительного характера.

На следующем уровне, называемом ATM, к каждой ячейке добавляется пятибайтовый заголовок с маршрутной информацией. Этот уровень служит также для установления соединений. В структуре пятибайтового заголовка ATM-ячейки имеются следующие поля (в скобках указано число битов):

управление (4);

VPI/VCI (24);

тип данных (3);

приоритет потери пакетов (1);

контроль заголовка (8).

Третий уровень -- физический (physical) -- служит для преобразования данных в электрические или оптические сигналы. Как отмечено выше, средой для ATM часто служат каналы технологий SDH или SONET, возможно использование технологий PDH. Если сеть не может обеспечить требуемую полосу, то происходит отказ от соединения. При перегрузках часть передаваемых ячеек отбрасывается с соответствующим уведомлением пользователя. Потеря ячеек вызывает необходимость повторной передачи всех ячеек сегмента (в AAL5), поскольку контроль правильности передачи ведется по отношению ко всему сообщению (в данном случае -- сегменту). Существенно сократить число повторно передаваемых ячеек позволяет применение специальных алгоритмов.

Качество передачи характеризуется такими параметрами, как пропускная способность, процент потерянных ячеек, задержка передачи ячеек и ее вариации. Заказ услуг выполняется в процессе установления соединения. Для поддержания заказанного уровня услуг в сетях ATM имеются специальные службы, реализуемые в программном обеспечении коммутаторов. Наряду с соединениями, не требующими определенного качества передачи, используются соединения со следующими уровнями услуг:

поддержка постоянной скорости при заданных ограничениях на максимальную скорость, задержку и процент потерянных ячеек;

поддержка переменной скорости с ограничениями на среднюю скорость и максимальный размер пульсаций скорости, в том числе поддержка требований синхронизации потоков от передатчика и приемника;

обеспечение переменной скорости с ограничением на минимальную скорость без требований синхронизации потоков от передатчика и приемника.

Проблемы совмещения технологий ATM и существующих сетей решаются организацией ATM Forum и рядом промышленных фирм. В частности, разрабатываются коммутаторы, обеспечивающие совместную работу ATM и TCP/IP сетей. Именно ATM Forum разработала спецификацию LANE для эмуляции локальных сетей, таких, как Ethernet, FastEthernet, FDDI с помощью ATM. Для передачи IP-дейтаграмм и пакетов, сформированных по другим протоколам, через ATM сети предложены спецификация IP-over-ATM и более современная MPOA (Multi-Protocol-Over-ATM), а также реализующие их средства.

10BASE-T

Хотя технология Ethernet появилась сравнительно давно, ее массовое применение в конце 80-х годов обеспечил стандарт 10base-T, разработанный комитетом IEEE 802.3. Стандарт, который определял построение Ethernet с использованием неэкранированной витой пары, изменил саму природу ЛВС. Он специфицировал использование топологии типа «звезда» и концентраторов, что сделало сети более надежными и удобными для управления. Как только промышленность признала 10Base-T в качестве основного способа построения сетей Ethernet, цена на концентраторы и сетевые интерфейсные карты резко упала, что обеспечило еще большее распространение данной технологии.

Коммутация в ЛВС. Появление коммутации означало большой скачок вперед в развитии технологий ЛВС . В отличие от технологий разделяемых ЛВС, где фиксированная пропускная способность делится между подключенными к ЛВС устройствами, коммутаторы дали возможность выделять каждому порту канал с пропускной способностью до 10 Мбит/с, резко повысив пропускную способность ЛВС и улучшив ее характеристики. Дополнительный импульс развитию коммутации в ЛВС дала технология АТМ. В отличие от других технологий коммутируемых ЛВС, АТМ поддерживает передачу речи, данных и видеоинформации со скоростью сотен мегабит в секунду. Возможно, АТМ станет первой технологией, используемой и в локальных и в территориальных сетях.

Тенденции развития сетевых информационных технологий

Телекоммуникационные сети, использующие в качестве технологии передачи данных Х.25, FrameRelay, АТМ, выработали свои способы организации инфраструктуры сети, управления, организации услуг и т.д. Однако сети, построенные на перспективных элементах, потребуют новых организационных подходов.

Распределенные сети на оптоволокне. Использование оптоволокна в распределенных сетях обеспечивает практически неограниченные скорости передачи информации, высокое качество и надежность . Компании -- владельцы сетей дальней связи используют технологию цифровой связи на оптоволокне, чтобы перестроить свои сети снизу доверху. В этот процесс включились и российские телекоммуникационные компании. Широкое использование оптоволокна потребовало разработки новых технологий цифровой передачи сигналов. Наиболее удачной оказалась технология синхронной цифровой иерархии -- SDH/SONET, которая задает стандарты для передачи данных на скоростях до 2,4 Гбит/с с возможным увеличением до 10 Гбит/с.

Internet

Наиболее мощной и динамично развивающейся телекоммуникационной сетью современности можно смело назвать Internet (рис.9). За сравнительно короткое время эта сеть сделала скачок от ведомственной сети к всемирной информационно-телекоммуникационной инфраструктуре. К Internet уже имеют доступ 75 стран мира. Еще 77 стран через систему электронной почты получили возможность подключаться к всемирной службе новостей Usenet, которая позволяет абонентам обмениваться информацией по различным специальным техническим проблемам.

По данным газеты FinancialTimes, сегодня в сети Internet работает приблизительно 40 миллионов пользователей, объединенных более чем в 40 тыс. сетей. Каждые 30 минут к ней присоединяется новая сеть и каждый месяц прибавляется 1 млн. новых пользователей. К 2000 году, по всей видимости, число пользователей Internet превысит 100 млн. человек. Сеть Internet возникла в результате проекта DARPA (DefenceAdvancedResearchProjectsAgency), который был начат в середине 70-х годов и возглавлялся агентством Министерства обороны США. К реализации проекта были привлечены научные и технологические ресурсы университетских, промышленных и правительственных лабораторий США. Соразработчиками телекоммуникационной инфраструктуры стали Национальный научный фонд (NSF), Министерство энергетики, Министерство обороны, Агентство здравоохранения и гуманитарных услуг и Национальное аэрокосмическое агентство (NASA). Созданную в результате интерсеть называют ConnectedInternet, DARPA/NFS Internet, TCP/IP Internet или просто Internet.

Сегодня Internet представляет собой транснациональную инфраструктуру, которая объединяет большое число различных компьютерных сетей, работающих по самым разнообразным протоколам, связывающих компьютеры различных типов и обеспечивающих передачу данных в различных физических средах: телефонных кабелях, оптоволокне, радио- и спутниковых каналах.

Основные условия вхождения компьютера в сеть: использование протокола TCP/IP для межмашинного обмена, подключение к какой-либо глобальной сети и выполнение определенных правил адресования и маршрутизации. Internet не имеет единого административного органа, управляющего всей его инфраструктурой. Существует только ряд достаточно авторитетных образований (называемых комитетами), действующих на общественных началах и вырабатывающих общие рекомендации по принципам функционирования сети.

Internet предоставляет следующие основные классы услуг:

* электронная почта;

* служба новостей и конференций;

* доступ к файлам;

* доступ к документам, подготовленным в стандарте HTML (“всемирная паутина” -- WorldWideWeb -- WWW);

* удаленная обработка данных.



WWW

Резкое увеличение числа пользователей Internet во многом связано с созданием языка для описания гипертекстовых документов HTML (HiperTextMarkupLanguage). HTML позволяет создавать документы гибкой структуры, объединяющие текстовую, табличную, графическую и звуковую информацию. Благодаря расширенной структуре адреса в ссылках HTML появилась возможность размещать страницы одного документа на различных серверах сети Internet. Именно механизм гипертекстовых ссылок позволил объединить отдельные серверы Internet во “всемирную паутину”.

Необходимость эффективно работать во все более расширяющемся информационном пространстве Internet потребовала создания специальных программных средств для навигации в этом своеобразном информационном океане. Такие программы, получившие название «броузеров», сегодня должны быть установлены на каждом компьютере, подключенном к “всемирной паутине” WWW. С их помощью пользователь осуществляет доступ к серверам WWW, получение на свою рабочую станцию выбранных HTML-документов, их просмотр, редактирование, печать.

Email

Электронная почта получила широкое распространение в мире бизнеса, науки, образования в середине 80-х годов, став впоследствии одним из наиболее распространенных сетевых приложений. По данным ElectronicMessagingAssociation, в 1994 году было 23 млн. пользователей электронной почты. Ожидается, что к 2000 году их число возрастет до 72 млн. Сегодня существует большое число различных систем электронной почты. Наиболее популярные из них представлены в таблице.



Основные направления эволюции телекоммуникационных технологий

В дальнейшем основными направлениями эволюции телекоммуникационных технологий, по-видимому, станут:

-- увеличение скорости передачи информации, обусловленное возрастающими возможностями широкополосных линий и всеобщим использованием оптических каналов;

-- интеллектуализация сетей передачи информации;

-- резкий рост числа и мобильности пользователей в связи с удешевлением и миниатюризацией оконечных средств и применением техники беспроводной связи.

Скорость. Высокие скорости необходимы для передачи изображений, в том числе телевизионных, а также для интеграции различных видов информации в контексте мультимедиа, взаимосвязи локальных, городских, территориальных и глобальных сетей

Интеллектуальность. Интеллектуальность сетей, позволяющая увеличить их гибкость, возможности и надежность, а также упростить управление глобальными сетями даже в неоднородных средах, растет благодаря использованию микроэлектроники и применению программного обеспечения в каждом сетевом устройстве. Интеллектуальная сеть предполагает большое число служб как для пользователя, так и для администратора. Один из ключевых аспектов состоит в том, что сеть предоставляет легкую и динамичную систему заказов и конфигурацию в соответствии с изменяющимися потребностями пользователя. Происходит радикальное изменение роли пользователя от пассивного потребителя до активного клиента.

Увеличение числа и мобильности пользователей. Беспроводные средства и миниатюризация способствуют широкому распространению и мобильности оконечных устройств и терминалов, а тем самым глобальной мобильности и повсеместности их использования

Беспроводные цифровые устройства, несомненно, окажут огромное воздействие на рынок, где до сих пор доминируют аналоговые системы. Такие цифровые устройства, как СТ2 (SecondGenerationofCordlessTelephone), DECT (DigitalEuropeanCordlessTelecommunication), GSM (GroupSpecialMobile), CDMA и сети персональных компьютеров PCN, -- важный шаг к сетям передачи данных и мультимедиа. Миниатюризация электронных устройств, активное проникновение стандартов PCMCIA (PersonalСomputerMemoryCardIndustryAssociation) и снижение стоимости стимулируют создание и более широкое использование портативных терминальных систем.

В области мобильной связи растущую роль играют спутниковые системы. Некоторые проекты, например Iridium компании Motorola, предусматривают создание всемирных глобальных сетей связи на их основе.

Беспроводная передача данных

Bluetooth

Bluetooth -- технология и сеть для персональной беспроводной связи. Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как мобильные телефоны, карманные и обычные персональные компьютеры, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и т.п. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 -- 100 метров друг от друга.

Технология Bluetooth реализована в диапазоне 2,4--2,48 ГГц с использованием метода частотных скачков FHSS (FrequencyHoppingSpreadSpectrum).

В соответствии с методом FHSS в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, возможна одновременная передача данных несколькими передатчиками в одном и том же широком диапазоне. Метод FHSS является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. Типичные скорости передачи данных со скоростями 723,2 кбит/с с обратным каналом 57,6 кбит/с, или 433,9 кбит/c в обоих направлениях.

Сеть Bluetooth описана в стандарте IEEE 802.15.

Wi-Fi

Технология Wi-Fi (WirelessFidelity) - беспроводной аналог технологии Ethernet, на основе которой сегодня построена большая часть офисных компьютерных сетей. Он был зарегистрирован в 1999 году и стал настоящим открытием для пользователей беспроводной связи. Технологии Wi-Fi посвящен стандарт IEEE 802.11. В Wi-Fi используется кодовое разделение каналов с прямым расширением сигнала с помощью восьмиразрядных последовательностей Уолша. Стандарт предусматривает автоматическое понижение скорости передачи информации при ухудшении качества сигнала. Четкие механизмы роуминга в нем не определены.

Сети IEEE 802.11 рассчитаны на работу как в распределенном режиме (одноранговая сеть из равноправных узлов, сообщающихся друг с другом), так и в централизованном режиме - связь через точку доступа (accesspoint) (рисунок 4) - это Wi-Fi-устройство, выполняющее примерно те же функции, что обычная офисная АТС. В соответствии с протоколом IEEE 802.11b информация будет передаваться посредством радиоволн в частотном диапазоне 2,4-2,483 ГГц со скоростью до 11 Мбит/с. В России в этом частотном диапазоне каждая точка, обеспечивающая работу Wi-Fi-системы, должна быть зарегистрирована в Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ).

Каждая точка доступа имеет собственный прошитый уникальный МАС-адрес, с помощью которого она и обнаруживается в локальной проводной сети утилитами конфигурации. Конфигурирование точки доступа возможно как при помощи специальных утилит (как правило, используется протокол SNMP), так и посредством вэб-интерфейса. Для конфигурирования необходимо указать некоторые параметры.

Различают два базовых варианта построения беспроводных сетей -- в пределах одного здания и между зданиями. В пределах одного здания максимальная дальность зависит от материала стен и перекрытий и составляет от 25 до 500 метров с использованием встроенной в сетевые карты антенны. Дальность связи в помещениях может быть увеличена путем применения комнатных всенаправленных и направленных антенн. При соединении компьютеров, расположенных в разных зданиях используются внешние антенны, устанавливаемые обычно за окном или на крыше. При применении направленных внешних антенн с высоким коэффициентом усиления (16-24 Дб) дальность связи при наличии прямой видимости составляет 15-20 км. Применение дополнительных усилителей позволяет получить устойчивую высококачественную связь на расстояниях 50 и более километров.

Беспроводная технология может стать как основой информационной сети компании, так и дополнением к уже существующей кабельной сети.

GPRS

GPRS - протокол пакетной передачи данных в технологии мобильной связи GSM. GPRS поддерживает протоколы IP и PPP и позволяет пользователю мобильного телефона работать в Интернете и пересылать сообщения электронной почты.

Особенностью GPRS является передача и приём данных сразу по нескольким каналам TDMA. Существуют различные классы GPRS, различающиеся скоростью передачи данных и возможностью совмещения передачи данных с одновременным голосовым вызовом.

Передача данных разделяется по направлениям «вниз» (downlink, DL) -- от сети к абоненту, и «вверх» (uplink, UL) -- от абонента к сети. Мобильные терминалы разделяются на классы по количеству одновременно используемых каналов для передачи и приёма данных.

В зависимости от качества радиосигнала, пересылаемые данные, кодируются по одной из четырех возможных схем. Каждая схема характеризуется избыточностью кодирования и помехоустойчивостью, и выбирается автоматически в зависимости от качества радиосигнала.

3G

3G (от англ. thirdgeneration -- третье поколение), технологии мобильной связи 3 поколения -- набор услуг, который объединяет как высокоскоростной мобильный доступ с услугами сети Интернет, так и технологию радиосвязи, которая создаёт канал передачи данных. В настоящее время из-за массовых рекламных акций под этим термином чаще всего подразумевается технология UMTS.

Мобильная связь третьего поколения строится на основе пакетной передачи данных. Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона, как правило, в диапазоне около 2 ГГц, передавая данные со скоростью до 3,6 Мбит/с. Они позволяют организовывать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы и т. д.

3G включает в себя 5 стандартов семейства IMT-2000 (UMTS/WCDMA, CDMA2000/IMT-MC, TD-CDMA/TD-SCDMA (собственный стандарт Китая), DECT и UWC-136).

Наибольшее распространение в мире получили два стандарта: UMTS (или W-CDMA) и CDMA2000 (IMT-MC), в основе которых лежит одна и та же технология -- CDMA (CodeDivisionMultipleAccess -- множественный доступ с кодовым разделением каналов). Также возможно использование стандарта CDMA450.

Технология CDMA2000 обеспечивает эволюционный переход от узкополосных систем с кодовым разделением каналов IS-95 (американский стандарт цифровой сотовой связи второго поколения) к системам CDMA «третьего поколения» и получила наибольшее распространение на Североамериканском континенте, а также в странах Азиатско-Тихоокеанского региона.

Технология UMTS (UniversalMobileTelecommunicationsSystem -- универсальная система мобильной электросвязи) разработана для модернизации сетей GSM (европейского стандарта сотовой связи второго поколения), и получила широкое распространение не только в Европе, но и во многих других регионах мира.

Работа по стандартизации UMTS координируется международной группой 3GPP (ThirdGenerationPartnershipProject), а по стандартизации CDMA2000 -- международной группой 3GPP2 (ThirdGenerationPartnershipProject 2), созданными и сосуществующими в рамках ITU.

По данным WirelessIntelligence, на конец ноября 2006 г. в мире насчитывалось 364 млн абонентов 3G, из них 93,5 млн были подключены к сетям UMTS и 271,1 млн -- к СDMA2000. Крупнейший оператор -- японский NTT DoCoMo, по состоянию наапрель 2010 года количество абонентов превышает 56 млн человек

В сетях 3G обеспечивается предоставление двух базовых услуг: передача данных и передача голоса. Согласно регламентам ITU (InternationalTelecommunicationsUnion -- Международный Союз Электросвязи) сети 3G должны поддерживать следующие скорости передачи данных:

для абонентов с высокой мобильностью (до 120 км/ч) -- не более 144 кбит/с;

для абонентов с низкой мобильностью (до 3 км/ч) -- 384 кбит/с;

для неподвижных объектов -- 2048 Кбит/с.

Основные тенденции 3G сетей:

преобладание трафика data-cards (USB-модемы, ExpressCard/PCMCIA-карты для ноутбуков) над трафиком телефонов и смартфонов 3G;

постоянное снижение цены 1 Мб трафика, обусловленное переходом операторов к более совершенным и эффективным технологиям.

В сетях с кодовым разделением каналов, в том числе и 3G, есть важное преимущество -- улучшенная защита от обрывов связи в движении, за счёт использования так называемого «мягкого хендовера». По мере удаления от одной базовой станции клиента «подхватывает» другая. Она начинает передавать всё больше и больше информации, в то время как первая станция передаёт всё меньше и меньше, пока клиент вообще не покинет её зону обслуживания. При хорошем покрытии сети вероятность обрыва полностью исключается системой подобных «подхватов». Это отличается от поведения систем с частотным и временным разделением каналов (GSM), в которых переключение между станциями «жёсткое» и может приводить к задержкам в передаче и даже обрывам соединения.

В России сеть 3G была запущена в 2002 году. Первым предоставление услуг начал оператор «СкайЛинк» в Санкт-Петербурге.

4G

4G (от англ. fourthgeneration -- четвёртое поколение) -- поколение мобильной связи с повышенными требованиями. К четвёртому поколению принято относить перспективные технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с подвижным и 1 Гбит/с -- стационарным абонентам.

Технологиям LTE Advanced (LTE-A) и WiMAX 2 (WMAN-Advanced, IEEE 802.16m) присвоено официальное обозначение IMT-Advanced, что позволяет их рассматривать, как 4G-технологии.

Определение понятия

Спецификации любого поколения связи, как правило, относятся к изменению фундаментального характера обслуживания, несовместимым технологиям передачи, более высоким пиковым битрейтом, новыми полосами частот, более широким каналомполосы пропускания, выражаемой в единицах частоты -- герцах, а также большей ёмкостью для множественной одновременной передачи данных (более высокой системе спектральной эффективности, измеряемой в бит/с/Гц/сектор).

Новые поколения мобильной связи начинали разрабатываться практически через каждые десять лет с момента перехода от разработок первого поколения аналоговых сотовых сетей в 1970-х годах (1G) к сетям с цифровой передачей (2G) в 1980-х годах. От начала разработок до реального внедрения проходило достаточное количество времени (например, сети 1G были внедрены в 1984 году, сети 2G -- в 1991 году). В 1990-х годах начал разрабатываться стандарт 3G, основанный на методе множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA); он был внедрен только в 2000-х годах (в России -- в 2002 году). Сети поколения 4G, основанные на IP-протоколе, стали разрабатываться в 2000 году и начали внедряться во многих странах с 2010 года.

В марте 2008 года сектор радиосвязи Международного союза электросвязи (ITU-R) определил ряд требований для стандарта международной подвижной беспроводной широкополосной связи 4G, получившего название спецификаций InternationalMobileTelecommunicationsAdvanced (IMT-Advanced), в частности установив требования к скорости передачи данных для обслуживания абонентов: скорость 100 Мбит/с должна предоставляться высокоподвижным абонентам (например, поездам и автомобилям), а абонентам с небольшой подвижностью (например пешеходам и фиксированным абонентам)должна предоставляться скорость 1 Гбит/с.

Так как первые версии мобильного WiMAX и LTE поддерживают скорости значительно меньше 1 Гбит/с, их нельзя назвать технологиями, соответствующими IMT-Advanced, хотя они часто упоминаются поставщиками услуг, как технологии 4G. 6 декабря 2010 года МСЭ-Р признал, что наиболее продвинутые технологии рассматривают как “4G”, хотя этот термин не определён.

Основные исследования при создании систем связи четвёртого поколения ведутся в направлении использования технологии ортогонального частотного уплотнения OFDM. Кроме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами -- MIMO. При данной технологии передающие и приёмные антенны разнесены так, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.

4G технологии LTE, WiMAX (не требуется сим-карта) в диапазоне 450 МГц.

Системы связи 4G основаны на пакетных протоколах передачи данных. Для пересылки данных используется протокол IPv4; в будущем планируется поддержка IPv6.

Требования IMT-Advanced

Передовые международные мобильные телекоммуникационные системы (IMT-Advanced), опредёленные сектором радиосвязи МСЭ, должны отвечать некоторым требованиям, чтобы считаться сетями поколения 4G:

основываются на коммутации пакетов, используя протоколы IP;

пиковые скорости передачи данных от 100 Мбит/сдля пользователей с высокой мобильностью (от 10 км/ч до 120 км/ч) и от 1 Гбит/с для пользователей с низкой мобильностью (до 10 км/ч);

используются динамически разделяемые сетевые ресурсы для поддержки большего количества одновременных подключений к одной соте;

их масштабируемая полоса частот канала 40 МГц;

минимальные значение для пиковой спектральной эффективности 15 бит/с/Гц в нисходящем канале и 6,75 бит/с/Гц в восходящем канале (имеется в виду, что скорость передачи информации 1 Гбит/св нисходящем канале должна быть возможна при полосе пропускания радиоканала менее 67 МГц);

спектральная эффективность на сектор в нисходящем канале от 1,1 до 3 бит/с/Гц/сектор и в восходящем канале от 0,7 до 2,25 бит/с/Гц/сектор;

плавный хэндовер через различные сети;

высокое качество мобильных услуг.

Развитие

В 2000 году, когда только шло освоение технологии связи третьего поколения 3G, один из ведущих производителей персональных компьютеров Hewlett-Packard и японский гигант сотовой связи NTT DoCoMo объявили о начале совместных исследований по разработке технологий передачи мультимедиа-данных в беспроводных сетях четвёртого поколения. Помимо них, разработки вели Ericsson и AT&T совместно с NortelNetworks. Впоследствии появилось два действительно пригодных к реализации стандарта: LTE и WiMAX, которые, по мнению IMT-Advanced, и стали новой эрой в развитии сети.

Стандарт LTE разрабатывался в рамках 3GPP (The 3rd GenerationPartnershipProject) как продолжение CDMA и UMTS и первоначально не относился к четвёртому поколению мобильной связи[13]. Международным союзом электросвязи как стандарт связи, отвечающим всем требованиям беспроводной связи четвёртого поколения, был избран десятый релиз LTE -- LTE Advanced, который впервые был представлен японской компанией NTT DoCoMo. Так как данный стандарт можно реализовать на существующих сотовых сетях, то он стал более популярен у операторов сотовой связи. В апреле 2008 года компания Nokia заручилась поддержкой ряда компаний (SonyEricsson, NEC) для развития стандарта LTE и придания этому стандарту конкурентоспособности против WiMAX. В том же году аналитическая компания AnalysysMason спрогнозировала увеличение роста потребности сотовых технологий, таких как LTE, нежели WiMAX. Первая коммерческая сеть LTE была запущена 14 декабря 2009 года шведской телекоммуникационной компанией TeliaSonera совместно с Ericsson в Стокгольме и Осло.

...