ВТКС05. Структура и характеристики систем телекоммуникаций

ВТКС05. Структура и характеристики систем телекоммуникаций:
коммутация и маршрутизация телекоммуникационных систем,
цифровые сети связи, электронная почта.
Основная функция телекоммуникационных систем (ТКС), или систем передачи данных (СПД), в условиях функционирования ВС 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 между взаимодействующими абонентами, протоколов информационного обмена, методов доступа абонентов к передающей среде, методов маршрутизации пакетов.
Типы сетей, линий и каналов связи. В ТВС используются сети связи - телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые. В качестве линий связи применяются: кабельные (обычные телефонные линии связи, витая пара, коаксиальный кабель, волоконнооптические линии связи (ВОЛО), или световоды), радиорелейные, радиолинии.
Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Основные их преимущества: высокая пропускная способность (сотни мегабит в секунду), обусловленная использованием электромагнитных волн оптического диапазона; нечувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие собственных электромагнитных излучений, низкая трудоемкость прокладки оптического кабеля; искро-, взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к агрессивным средам; небольшая уцельная масса (отношение погонной массы к полосе пропускания); широкие области применения (создание магистралей коллективного доступа, систем связи ЭВМ с периферийными устройствами локальных сетей, в микропроцессорной технике и т.д.).
Недостатки ВОЛС: передача сигналов осуществляется только в одном направлении; подключение к световоду дополнительных ЭВМ значительно ослабляет сигнал; необходимые для световодов высокоскоростные модемы пока еще дороги; световоды, соединяющие ЭВМ, должны снабжаться преобразователями электрических сигналов в световые и обратно.
В ТВС нашли применение следующие типы каналов связи:
• симплексные, когда передатчик и приемник связываются одной линией связи, по которой информация передается только в одном направлений (это характерно для телевизионных сетей связи);
• полудуплексные, когда два узла связи соединены также одной линией, по которой информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (это характерно для информационно-справочных, запрос-ответных систем);
• дуплексные, когда два узла связи соединены двумя линиями (прямой линией связи и обратной), по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях. Дуплексные каналы применяются в системах с решающей и информационной обратной связью.
Коммутируемые и выделенные каналы связи. В ТКС различают выделенные (некоммутируемые) каналы связи и с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.
При использовании выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи, поддержка большого объема графика. Из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только при условии достаточно полной загрузки каналов.
Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика). Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (установление связи между абонентами), возможность блокировки из-за занятости отдельных участков линии связи, более низкое качество связи, большая стоимость при значительном объеме трафика.
Аналоговое и цифровое кодирование цифровых данных. Пересылка данных от одного узла ТКС к другому осуществляется последовательной передачей всех битов сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты передаются в виде аналоговых или цифровых электрических сигналов. Аналоговыми называются сигналы, которые могут представлять бесчисленное количество значений некоторой величины в пределах ограниченного диапазона. Цифровые (дискретные) сигналы могут иметь одно или конечный набор значений. При работе с аналоговыми сигналами для передачи закодированных данных используется аналоговый несущий сигнал синусоидальной формы, а при работе с цифровыми сигналами - двухуровневый дискретный сигнал. Аналоговые сигналы менее чувствительны к искажению, обусловленному затуханием в передающей среде, зато кодирование и декодирование данных проще осуществляются для цифровых сигналов.
Аналоговое кодирование применяется при передаче цифровых данных по телефонным (аналоговым) линиям связи, доминирующим в региональных и глобальных ТВС и изначально ориентированным на передачу акустических сигналов (речи). Перед передачей цифровые данные, поступающие обычно из ЭВМ, преобразуются в аналоговую форму с помощью модулятора-демодулятора (модема), обеспечивающего цифро-аналоговый интерфейс.
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: например, при передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля -малой или сигнал несущей вообще отсутствует;
• частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний: например, при передаче нуля - низкая;
• фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180°.
Передающий модем преобразует (модулирует) сигнал несущей синусоидальных колебаний (амплитуду, частоту или фазу) таким образом, чтобы он мог нести модулирующий сигнал, т.е. цифровые данные от ЭВМ или терминала. Обратное преобразование (демодуляция) осуществляется принимающим модемом. В соответствии с реализуемым методом модуляции различают модемы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией. Наибольшее распространение получили частотная и амплитудная модуляции.
Цифровое кодирование цифровых данных выполняется напрямую, путем изменения уровней сигналов, несущих информацию.
Например, если в ЭВМ цифровые данные представляются сигналами уровней 5В для кода 1 и 0,2В для кода 0, то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно в +12В и -12В. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью асинхронных последовательных адаптеров RS-232-C при передаче цифровых данных от одного компьютера к другому на небольшие (десятки и сотни метров) расстояния.
Синхронизация элементов ТКС. Синхронизация - это часть протокола связи. В процессе синхронизации связи обеспечивается синхронная работа аппаратуры приемника и передатчика, при которой приемник осуществляет выборку поступающих информационных битов (т.е. замер уровня сигнал в линии связи) строго в моменты их прихода. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение еще до его прихода поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных.
В зависимости от способов решения проблемы синхронизации различают синхронную передачу, асинхронную передачу и передачу с автоподстройкой.
Синхронная передача отличается наличием дополнительной линии связи (кроме основной, по которой передаются данные) для передачи синхронизирующих импульсов (СИ) стабильной частоты. Каждый СИ подстраивает приемник. Выдача битов данных в линию связи передатчиком и выборка информационных сигналов приемником производятся в моменты появления СИ. В синхронной передаче синхронизация осуществляется весьма надежно, однако этой достигается дорогой ценой - необходимостью дополнительной линии связи.
Асинхронная передача не требует дополнительной линии связи. Передача данных осуществляется небольшими блоками фиксированной длины (обычно байтами). Синхронизация приемника достигается тем, что перед каждым передаваемым байтом посылается дополнительный бит - стартбит, а после переданного байта - еще один дополнительный бит -стопбит. Для синхронизации используется стартбит. Такой способ синхронизации может использоваться только в системах с низкими скоростями передачи данных.
Передача с автоподстройкой, также не требующая дополнительной линии связи, применяется в современных высокоскоростных системах передачи данных. Синхронизация достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.
Наиболее распространенными являются следующие самосинхронизирующие коды [1]:
• NRZ-код (код без возвращения к нулю);
• RZ-код (код с возвращением к нулю);
• манчестерский код;
• биполярный код с поочередной инверсией уровня (например, код AMI).

Рис. 12.1. Схемы кодирования сообщения с помощью самосинхронизирующих кодов
На рис. 12.1 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.
Для характеристики и сравнительной оценки СК используются следующие показатели:
• уровень (качество) синхронизации;
• надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;
• требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;
• сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.
NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью при его реализации. Однако при передаче серий одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (могут произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линии). Для этого кода имеют место соотношения:
V1<=V2; V1,max=V2
где V1 - скорость изменения уровня сигналов в линии; V2 - пропускная способность линии связи, бит /с.
RZ-код отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Этот код обладает хорошими свойствами синхронизации, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение V1 =2V2.
Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов - двойное изменение. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами. Применяется в технике записи информации на магнитных лентах, при передаче информации по коаксиальным и оптоволоконным линиям. Соотношение скоростей для этого кода такое:
V1<=V2; V1,max=2V2.
Биполярный код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц. При передаче нулей синхронизация отсутствует. Сравнительно прост в реализации. Для этого кода V1<=V2; V1,max=2V2.
Пример 12.1. Оценить время на передачу фиксированного объема информации в ТКС с применением различных самосинхронизирующихся кодов, если известно:
Е = 4 Мбит - объем передаваемой информации (принимается одинаковым для всех ТКС), причем количество чередующихся битов равно количеству битов, составляющих серии одноименных битов, и каждая серия состоит только из двух битов (такая конкретизация необходима для оценки фактической пропускной способности линий связи с использованием различных СК);
V1 = 9600 бод - скорость изменения уровня сигналов в линии связи (в данном примере принимается одинаковой для всех ТКС).
Определим сначала фактическую пропускную способность ТКС с применением различных CК.
Для ТКС с кодом NRZ:
V21 = 1,5 V1 (здесь коэффициент 1,5 учитывает заданное соотношение чередующихся битов и серий одноименных битов с длиной серии в два бита):
V21=1,5*9600=14400 бит/c
Для ТКС с RZ-кодом:
V21= 0,5 V1;
V22 = 0,5*9600 = 4800 бит/с.
Для ТКС с манчестерским кодом:
V23= 0,75 V1;
V23 = 0,75*9600 = 7200 бит/с.
Для ТКС с биполярным кодом:
V24 = V1 (для определенности серии одноименных битов, состоящие из нулей, игнорируем):
V24= 9600 бит/с.
Тогда время на передачу заданного объема информации в ТКС с указанными кодами будет:
T1=E/V21; T1 =4000000/14400 =277,8 с;
T2 = E/V22; T2 = 4000000/4800 =833,3 с;
Тз=Е/V23; Tз= 4000000/7200 =555,6 с;
T4=E/V24; T4= 4000000/9600 = 416,7 с.
Как видно, по этому показателю наиболее предпочтительным является NRZ-код и наименее предпочтительным - RZ-код. Зато по качеству синхронизации, надежности распознавания и выделения принимаемых информационных битов оценка этих кодов будет противоположной.
Цифровые сети связи (ЦСС). В последние годы в ТВС все большее распространение получают цифровые сети связи , в которых используется цифровая технология.
Причины распространения цифровой технологии в сетях:
• цифровые устройства, используемые в ЦСС, производятся на основе интегральных схем высокой интеграции; по сравнению с аналоговыми устройствами они отличаются большой надежностью и устойчивостью в работе и, кроме того, в производстве и эксплуатации, как правило, дешевле;
• цифровую технологию можно использовать для передачи любой информации по одному каналу (акустических сигналов, телевизионных видеоданных, факсимильных данных);
• цифровые методы преодолевают многие из ограничений передачи и хранения, которые присущи аналоговым технологиям.
В ЦСС при передаче информации осуществляется преобразование аналогового сигнала в последовательность цифровых значений, а при приеме - обратное преобразование.
Аналоговый сигнал проявляется как постоянное изменение амплитуды во времени. Например, при разговоре по телефону, который действует как преобразователь акустических сигналов в электрические, механические колебания воздуха (чередование высокого и низкого давления) преобразуются в электрический сигнал с такой же характеристикой огибающей амплитуды. Однако непосредственная передача аналогового электрического сигнала по телефонной линии связи сопряжена с рядом недостатков: искажением сигнала вследствие его нелинейности, которая увеличивается усилителями, затуханием сигнала при передаче через среду, подверженностью влиянию шумов в канале и др.
В ЦСС эти недостатки преодолимы. Здесь форма аналогового сигнала представляется в виде цифровых (двоичных) образов, цифровых значений, представляющих соответствующие значения огибающей амплитуды синусоидальных колебаний в точках на дискретных уровнях. Цифровые сигналы также подвержены ослаблению и шумам при их прохождении через канал, однако на приемном пункте необходимо отмечать лишь наличие или отсутствие двоичного цифрового импульса, а не его абсолютное значение, которое важно в случае аналогового сигнала. Следовательно, цифровые сигналы принимаются надежнее, их можно полностью восстановить, прежде чем они из-за затухания станут ниже порогового значения.
Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется различными методами. Один из них - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х. Ривсом (США). При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Преобразование аналогового сигнала в 8-элементный цифровой код
Первый этап (отображение) основан на теории отображения Найквиста. Основное положение этой теорий гласит: “Если аналоговый сигнал отображается на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше максимальной частоты исходного игнала в канале, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала”. При передаче акустических сигналов (речи) представляющие их электрические сигналы в телефонном канале занимают полосу частот от 300 до 3300 Гц. Поэтому в ЦСС принята частота отображений, равная 8000 раз в секунду. Отображения, каждое из которых называется сигналом импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ), запоминаются, а затем трансформируются в двоичные образы.
На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. И ЦСС весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ-сигнала представляется квантованным уровнем.
На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256-шаговом квантовании) двоичный код. На рис. 12.2 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантовому сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементнымй кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8-элементными кодами - 64 Кбит/с.
В современных ЦСС используется и другая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.
Пример 12.2. Сколько одновременных разговоров Np можно обеспечить по многоканальной линии связи в цифровой сети связи, если заданы:
• VЛС. =1,53б Мбит/с - суммарная пропускная способность линии связи;
• VОТ= 8000 отобр/с - скорость отображения аналоговых сигналов при преобразовании их в цифровые;
• nЭ = 8 - разрядность двоичного кода, представляющего в линии связи одно
отображение.
Суммарная пропускная способность линии связи в ЦСС определяется по формуле
VЛС=NКС*VОТ *nЭ
где NКС- число каналов в многоканальной линии связи. Так как по всем каналам можно вести разговор одновременно и независимо, то NP=NКС.
Следовательно,
VЛС=NР*VОТ *nЭ.
Отсюда:
NР= VЛС/VОТ *nЭ,
NР= 1536000/80008=24.
Спутниковые сети связи. Появление спутниковых сетей связи вызвало такую же революцию в передаче информации, как изобретение телефона.
Первый спутник связи был запущен в 1958 г., а в 1965 г. запущен первый коммерческий спутник связи (оба - в США). Эти спутники были пассивными, позже на спутниках стали устанавливать усилители и приемопередающую аппаратуру.
В настоящее время спутники связи запускаются на высоту 22300 миль и находятся на геосинхронной (геостационарной) орбите, плоскость которой параллельна плоскости экватора. Линейная скорость вращения спутника вокруг Земли равна 6879 миль/ч, что обеспечивает уравновешивание гравитационного притяжения Земли и стационарность вращения спутника по отношению к вращению Земли. Спутник как бы “зависает” над неподвижной точкой поверхности Земли. При таком положении спутника антенна наземной станции слежения может находиться в относительно неподвижном состоянии. Геосинхронные спутники часто запускаются группами по три спутника. Разнесенные друг от друга на 1200, они обеспечивают охват почти всей поверхности Земли. Темпы распространения спутниковой связи очень высокие. К 2001 г. планируется создать общемировую интерактивную сеть передачи мультимедиа-информации.
В спутниковых системах связи используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от передающих наземных станций и для ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. Большинство спутников используют гигагерцовый диапазон 6/4 ГГц, некоторые работают в диапазоне 14/12 ГГц (первая цифра - частота работы по звену Земля - спутник, а вторая - частота работы по звену спутник - Земля). Способность спутника принимать и передавать сигналы обеспечивается специальным устройством - транспондером. Взаимодействие между абонентами осуществляется по цепи: абонентская станция (отправитель информации) - передающая наземная радиотелеметрическая станция (РТС) - спутник - приемная наземная радиотелеметрическая станция - абонентская станция (получатель информации). Одна наземная РТС обслуживает группу близлежащих АС.
Для управления передачей данных между спутником и наземными РТС используются следующие способы [1].
1. Обычное мультиплексирование - с частотным разделением и временным разделением. В первом случае весь частотный спектррадиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между пользователями для передачи любого графика.
Издержки такого способа: при нерегулярном ведении передач подканалы используются нерационально; значительная часть исходной полосы пропускания канала используется в качестве разделительной полосы для предотвращения нежелательного влияния подканалов друг на друга. Во втором случае весь временной спектр делится между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются предоставленными временными квантами (слотами). Здесь также возможно простаивание канала из-за нерегулярного его использования.
2. Обычная дисциплина “первичный / вторичный” с использованием методов и средств опроса/выбора. В качестве первичного органа, реализующего такую дисциплину управления спутниковой связью, чаще выступает одна из наземных РТС, а реже - спутник. Цикл опроса и выбора занимает значительное время, особенно при наличии в сети большого количества АС. Поэтому время реакции на запрос пользователя может оказаться для него неприемлемым.
3. Дисциплина управления типа “первичный / вторичный” без опроса, с реализацией метода множественного доступа с квантованием времени (ТДМА). Здесь слоты назначаются первичной РТС, называемой эталонной. Принимая запросы от других РТС, эталонная станция в зависимости от характера графика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям конкретных слотов для передачи кадров. Такой метод широко используется в коммерческих спутниковых сетях.
4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерно, что все пользователи имеют равное право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал. В начале 70-х годов Н.Абрамсон из Гавайского университета предложил метод эффективного соперничества за канал между некоординируемыми пользователями, названный системой ALOHA. Существует несколько вариантов этой системы: система, реализующая метод случайного доступа (случайная ALOHA); равноранговая приоритетная слотовая система (слотовая ALOHA) и др.
К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:
• большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи. Например, один из используемых в настоящее время коммерческих спутников имеет 10 транспондеров, каждый из которых может передавать 48 Мбит/с;
• обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;
• независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого графика);
• возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических линиях связи и коммуникационных устройствах.
Недостатки спутниковых сетей связи:
• необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных, на предотвращение возможности перехвата данных “чужими” станциями;
• наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и РТС. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных протоколов, а также временем ответа;
• возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;
• подверженность сигналов на участках Земля — спутник и спутник -Земля влиянию различных атмосферных явлений.
Для решения проблем с распределением частот в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц и размещением спутников на орбите необходимо активное сотрудничество многих стран, использующих технику спутниковой связи.
Пример 12.3. Определить время полного цикла опроса / выбора в спутниковой сети при следующих исходных данных:
• реализуется дисциплина управления сетью типа первичный / вторичный с циклическим опросом;
• управление сетью осуществляется спутниковой ЭВМ;
• спутник удален от поверхности Земли на HСП= 22 300 миль;
• сигналы на участках спутник - Земля и Земля - спутник распространяются со скоростью VC = 186 000 миль/с;
• количество опрашиваемых наземных станций NНС = 100.
Время полного цикла, в течение которого опрашиваются все наземные станции
ТПЦ= ТЦ* NПC,
где ТЦ - время одного цикла, в течение которого опрашивается одна наземная станция; за это время сигнал опроса/выбора от спутника достигает станции, и сигнал ответа на опрос от станции достигает спутника.
Следовательно,
ТЦ =2*НСП/VC;
ТЦ = 2*22300/186000 = 240 мс;
ТПЦ =240*100= 24с.

Коммутация в сетях
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.
Далее рассматриваются различные методы коммутации, когда используются коммутируемые телефонные линии связи. Однако два и более конечных пункта сети могут соединяться выделенной линией, если между ними все время осуществляется связь с постоянной скоростью передачи. Выделенная линия соединяет два конечных пункта по двухточечной схеме. В случае же многоточечного подключения абонентов к выделенной линии ее ресурсы используются в режиме разделения. Организация связи в многоточечном режиме, обеспечивающем экономию на транспортных расходах, популярна в компьютерных сетях (особенно в ЛВС) из-за снижения затрат по сравнению с затратами при большом количестве монопольно используемых связных ресурсов в двухточечном режиме.
Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая телефонная сеть.
Существуют следующие методы коммутации:
• коммутация цепей (каналов);
• коммутация с промежуточным хранением, в свою очередь, разделяемая на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.
Коммутация цепей. При коммутации цепей (каналов) между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи заняты вызываемая сторона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и абонент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.
Время установления сквозного канала связи обычно бывает большим из-за необходимости организации взаимодействия значительного числа устройств коммутации. После установления такого канала ЦКК выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем информации. Следовательно, при использовании метода коммутации цепей передача информации обеспечивается двумя основными составляющими в расходной части ресурсов: ресурсами для организации вызова и ресурсами для поддержания в ЦКК коммутационных устройств или для организации распределения временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема передаваемой информации, а вторая - прямо пропорциональна интервалу времени, в течение которого происходит соединение.
В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:
• большое время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков;
• необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим система, в которой реализуется метод коммутации цепей, относится к классу систем с потерей запросов на обслуживание);
• отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;
• возможность монополизации канала одним источником информации;
• наращивание функций и возможностей сети ограничено;
• не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузки весьма ограниченны). Преимущества метода коммутации цепей:
• отработанность технологии коммутации цепей (первое коммутационное устройство появилось еще в конце ХГХ в.);
• возможность работы в диалоговом режиме ив реальном масштабе времени;
• обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа ЦКК между абонентами;
• довольно широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов).
Коммутация с промежуточным хранением. Отметим особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них характерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной канал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызывающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, построенный на базе коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах связи предотвращает потерю передаваемой информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, относятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является возможность согласования скоростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реализуемых созданием буферных ЗУ в узлах связи. Наконец, для сетей с промежуточным хранением обязательным требованием является битовая прозрачность. Требование же временной прозрачности, как правило, ими не гарантируется.
Коммутация сообщений была преобладающим методом передачи данных в 1960-1970 гг. и до сих пор широко используется в некоторых областях (в электронной почте, электронных новостях, телеконференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с промежуточным хранением, технология коммутации сообщений относится к технологии типа “запомнить и послать”. Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение “главный - подчиненный”. Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в цент ре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рассматриваются интерактивный режим и работа в реальном масштабе времени, однако данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для различных типов потоков данных. Высокоприоритетные потоки задерживаются в очереди на обслуживание на более короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет обеспечить интерактивные прикладные задачи.
Важно отметить, что при коммутации сообщений сообщение, независимо от его длины (разброс в длине сообщений может быть достаточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект в процессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назначения. Более того, транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принимается. По своему влиянию на задержки это равноценно низкому уровню использования ресурсов сети.
Недостатки метода коммутации сообщений:
• необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах связи для приема больших сообщений, что обусловливается сохранением их целостности;
• недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе времени при передаче данных;
• выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки данных (это характерно для структуры “главный-подчиненный”);
• коммутатор сообщений является потенциально “узким” местом по пропускной способности;
• каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хранением. Преимущества метода:
• отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала передачи данных) установлении сквозного канала связи между абонентами;
• возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной способностью;
• реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;
• возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания низкоприоритетных потоков в периоды этих нагрузок;
• отсутствие потерь запросов на обслуживание.
Коммутация пакетов, появившаяся в 70-х годах, сочетает в себе преимущества коммутации каналов и коммутации сообщений. Ее основные цели:
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 критических компонентов (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.
В отличие от коммутации сообщений технология коммутации пакетов позволяет:
• увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов;
• легче преодолеть трудности, связанные с подключением к коммутаторам дополнительных линий связи;
• осуществлять альтернативную маршрутизацию (в обход поврежденных или занятых узлов связи и каналов), что создает повышенные удобства для пользователей;
• существенно сократить время на передачу пользовательских данных, повысить пропускную способность сети и повысить эффективность использования сетевых ресурсов.
Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплексирование с помощью разделения времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Логика коммутации пакетов позволяет мультиплексировать многие пользовательские сеансы на один порт компьютера. Пользователь воспринимает порт как выделенный, в то время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом. Коммутация пакетов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асимметричных потоков в каналах связи.
Стоимость организации вызова для пакетной коммутации ниже по сравнению с соответствующей характеристикой метода коммутации цепей. Но с увеличением объема передаваемой информации стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чем для коммутации цепей, что объясняется необходимостью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации.
В настоящее время пакетная коммутация является основной для передачи данных.
Символьная коммутация (иначе - субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет собой разновидность пакетной коммутации. Она применяется в случае, когда пакет содержит информационные биты, принадлежащие различным пользователям.
При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям. Первое из них - уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины, и второе - обеспечение повышения эффективности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличением длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка становится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффективность передачи). В сети с пакетной коммутацией максимально разрешенный размер пакета устанавливается на основе трех факторов: распределения длин пакетов, характеристики среды передачи (главным образом скорости передачи) и стоимости. Для каждой передающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета,
При использовании символьной коммутации оптимальный размер пакета для конкретной передающей среды сохраняется с одновременным уменьшением времени задержки пакета в сети. Это достигается за счет приема от нескольких пользователей небольшого количества символов (информационных битов) и загрузки их в один пакет общего доступа.
Анализ рассмотренных коммутационных технологий позволяет сделать вывод о возможности разработки комбинированного метода коммутации, основанного на использовании в определенном сочетании принципов коммутации сообщений, пакетов и символьной коммутации и обеспечивающего более эффективное управление разнородным графиком.

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. Речь идет прежде всего о сетях с произвольной (ячеистой) топологией, в которых реализуется коммутация пакетов. Однако 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.
В виртуальных сетях задача маршрутизации при передаче сообщения, расчленяемого на пакеты, решается единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение между отправителем и получателем. В дейтаграммных сетях, где данные передаются в форме дейтаграмм, маршрутазация выполняется для каждого отдельного пакета.
Выбор маршрутов в узлах связи ТКС производится в соответствии с реализуемым алгоритмом (методом) маршрутизации.
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 реализуется обычно в сетях с централизованным управлением. 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 (децентрализованная) маршрутизация выполняется главным образом в сетях с децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, которые располагают для этого соответствующими средствами. Распределенная маршрутизация сложнее централизованной, но отличается большей гибкостью.
3. Смешанная маршрутизация характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. К ней относится, например, гибридная адаптивная маршрутизация (см. ниже).
Задача маршрутизации в сетях решается при условии, что кратчайший маршрут, обеспечивающий передачу пакета за минимальное время, зависит от топологии сети, пропускной способности линий связи, нагрузки на линии связи. Топология сети изменяется в результате отказов узлов и линий связи и отчасти при развитии ТКС (подключении новых узлов и линий связи). Пропускная способность линий связи определяется типом передающей среды и зависит от уровня шумов и параметров аппаратуры, обслуживающей линии. Наиболее динамичным фактором является нагрузка на линии связи, изменяющаяся довольно быстро и в труднопрогнозируемом направлении.
Для выбора оптимального маршрута каждый узел связи должен располагать информацией о состоянии ТКС в целом - всех остальных узлов и линий связи. Данные о текущей топологии сети и пропускной способности линий связи предоставляются узлам без затруднений. Однако нет способа для точного предсказания состояния нагрузки в сети. Поэтому при решении задачи маршрутизации могут использоваться данные о состоянии нагрузки, запаздывающие (из-за конечной скорости передачи информации) по отношению к моменту принятия решения о направлении передачи пакетов. Следовательно, во всех случаях алгоритмы маршрутизации выполняются в условиях неопределенности текущего и будущего состояний ТКС.
Эффективность алгоритмов маршрутизации. Она оценивается следующими показателями:
• временем доставки пакетов адресату;
• нагрузкой на сеть, которая при реализации данного алгоритма создается потоками пакетов, распределяемыми, по линиям и узлам сети. Количественная оценка нагрузки осуществляется длиной очередей пакетов в узлах;
• затратами ресурсов в узлах связи (временем работы коммуникационной ЭВМ, емкостью памяти).
Факторы, снижающие эффективность алгоритмов маршрутизации:
• передача пакета в узел связи, находящийся под высокой нагрузкой;
• передача пакета в направлении, не приводящем к минимальному времени его доставки;
• создание на сеть дополнительной нагрузки за счет передачи служебной информации, необходимой для реализации алгоритма.
Методы маршрутизации. Различают три вида маршрутизации - простую, фиксированную и адаптивную. Принципиальная разница между ними -в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при решении задачи выбора маршрута.
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. Ее преимущества - простота реализации алгоритма маршрутизации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя от дельных ее элементов. Из этого вида некоторое практическое применение получили случайная и лавинная маршрутизации.
Случайная маршрутизация характеризуется тем, что для передачи пакета из узла связи выбирается одно, случайно выбранное свободное направление. Пакет “блуждает” по сети и с конечной вероятностью когда-либо досчитает адресата. Естественно, что при этом не обеспечивается ни оптамальное время доставки пакета, ни эффективное использование пропускной способности сети.
Лавинная маршрутизация (или заполнение пакетами всех свободных выходных направлений) предусматривает передачу пакета из узла по всем свободным выходным линиям. Поскольку это происходит в каждом узле, имеет место явление “размножения” пакета, что резко ухудшает использование пропускной способности сети. Значительное ослабление этого недостатка достигается путем уничтожения в каждом узле дубликатов (копий) пакета и продвижения по маршруту только одного пакета. Основное преимущество такого метода - гарантированное обеспечение оптимального времени доставки пакета адресату, так как из всех направлений, по которым передается пакет, хотя бы одно обеспечивает такое время. Метод может использоваться в незагруженных сетях, когда требования по минимизации времени и надежности доставки пакетов достаточно высоки.
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. Каталоги составляются в центре управления сетью. Они составляются заново при изменении топологии сети. Отсутствие адаптация к изменению нагрузки приводит к задержкам пакетов сети. Различают однопутевую и многопутевую фиксированные маршрутизации. Первая строится на основе единственного пути передачи пакетов между двумя абонентами, что сопряжено с неустойчивостью к отказам и перегрузками, а вторая - на основе нескольких возможных путей между двумя абонентами, из которых выбирается предпочтительный путь. Фиксированная маршрутизация применяется в сетях с малоизменяющейся топологией и установившимися потоками пакетов.
Адаптивная маршрутизация отличается тем, что принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения как топологии, так и нагрузки сети. Существует несколько модификаций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, какая именно информация используется при выборе маршрута. Получили распространение такие модификации: локальная, распределенная, централизованная и гибридная адаптивные маршрутизации.
Локальная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, имеющейся в данном узле и включающей: таблицу маршрутов, которая определяет все направления передачи пакетов из этого узла; данные о состоянии выходных линий связи (работают или не работают); длину очереди пакетов, ожидающих передачи. Информация о состоянии других узлов связи не используется. Таблица маршрутов определяет кратчайшие маршруты, обеспечивающие доставку пакета адресату за минимальное время. Преимущество такого метода состоит в том, что принятие решения о выборе маршрута производится с использованием самых последних данных о состоянии узла. Недостаток метода в его “близорукости”, поскольку выбор маршрута осуществляется без учета глобального состояния всей сети. Следовательно, всегда есть опасность передачи пакета по перегруженному маршруту.
Распределенная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, указанной для локальной маршрутизации, и данных, получаемых от соседних узлов сети. В каждом узле формируется таблица маршрутов (каталог) ко всем узлам назначения, где указываются маршруты с минимальным временем задержки пакетов. До начала работы сети это время оценивается исходя из •топологии сети. & процессе работы сети узлы периодически обмениваются с соседними узлами, так называемыми таблицами задержки, в которых указывается нагрузка (длина очереди пакетов) узла. После обмена таблицами задержки каждый узел перерассчитывает задержки и корректирует маршруты с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле. Обмен таблицами задержки может осуществляться не только периодически, но и асинхронно в случае резких изменений нагрузки или топологии сети. Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута существенно повышает эффективность алгоритмов маршрутизации, но это достигается за счет увеличения загрузки сети служебной информацией. Кроме того, сведения об изменении состояния узлов распространяются посети сравнительно медленно, поэтому выбор маршрута производится по несколько устаревшим данным.
Централизованная адаптивная маршрутизация характеризуется тем, что задача маршрутизации для каждого узла сети решается в центре маршрутизации (ЦМ). Каждый узел периодически формирует сообщение о своем состоянии (длине очередей и работоспособности линий связи) и передает его в ЦМ. По этим данным в ЦМ для каждого узла составляется таблица маршрутов. Естественно, что передача сообщений в ЦМ, формирование и рассылка таблиц маршрутов - все это сопряжено с временными задержками, следовательно, с потерей эффективности такого метода, особенно при большой пульсации нагрузки в сети. Кроме того, есть опасность потери управления сетью при отказе ЦМ.
Гибридная адаптивная маршрутизация основана на использовании таблиц маршрутов, рассылаемых ЦМ узлам сети, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Следовательно, здесь реализуются принципы централизованной и локальной маршрутизации. Гибридная маршрутизация компенсирует недостатки централизованной маршрутизации (маршруты, формируемые центром, являются несколько устаревшими) и локальной (“близорукость” метода) и воспринимает их преимущества: маршруты центра соответствуют глобальному состоянию сети, а учет текущего состояния узла обеспечивает своевременность решения задачи.

. Методы защиты от ошибок
Проблема обеспечения безошибочности (достоверности) передачи информации в сетях имеет очень важное значение. Если при передаче обычной телеграммы возникает в тексте ошибка или при разговоре по телефону слышен треск, то в большинстве случаев ошибки и искажения легко обнаруживаются по смыслу. Но при передаче данных одна ошибка (искажение одного бита) на тысячу переданных сигналов может серьезно отразиться на качестве информации.
Существует множество методов обеспечения достоверности передачи информации (методов защиты от ошибок), отличающихся по используемым для их реализации средствам, по затратам времени на их применение на передающем и приемном пунктах, по затратам дополнительного времени на передачу фиксированного объема данных (оно обусловлено изменением объема трафика пользователя при реализации данного метода), по степени обеспечения достоверности передачи информации. Практическое воплощение методов состоит из двух частей - программной и аппаратной. Соотношение между ними может быть самым различным, вплоть до почти полного отсутствия одной из частей. Чем больше удельный вес аппаратурных средств по сравнению с программными, тем при прочих равных условиях сложнее оборудование, реализующее метод, и меньше затрат времени на его реализацию и наоборот.
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 (например, коллизий при использовании метода случайного доступа в сеть). Как правило, система передачи данных готова к такого рода проявлениям и устраняет их с помощью планово предусмотренных средств;
• помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явлениями. Помехи - это электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее распространенными являются флуктуационные (случайные) помехи. Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через различные промежутки времени. Примерами таких помех могут быть атмосферные и индустриальные помехи, которые обычно проявляются в виде одиночных импульсов малой длительности и большой амплитуды. Возможны и сосредоточенные помехи в виде синусоидальных колебаний. К ним относятся сигналы от посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты. Встречаются и смешанные помехи. В приемнике помехи могут настолько ослабить информационный сигнал, что он либо вообще не будет обнаружен, либо искажен так, что “единица” может перейти в “нуль” и наоборот.
Трудности борьбы с помехами заключаются в беспорядочности, нерегулярности и в структурном сходстве помех с информационными сигналами. Поэтому защита информации от ошибок и вредного влияния помех имеет большое практическое значение и является одной из серьезных проблем современной теории и техники связи.
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.
Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод, реализующий принцип Вердана, и метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока.
Суть мажоритарного метода, давно и широко используемого в телеграфии, 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”. Например, кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами, поэтому приемник принял такие комбинации: 10101, 01110, 01001. В результате проверки каждой позиции отдельно правильной считается комбинация 01101.
Другой групповой метод, также не требующий перекодирования информации, 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. Если характеристики совпадают, считается, что блок не содержит ошибок. В противном случае на передающую сторону передается сигнал с требованием повторной передачи блока. В современных ТВС такой метод получил самое широкое распространение.
Помехоустойчивое (избыточное) кодирование, предполагающее разработку и использование корректирующих (помехоустойчивых) кодов, широко применяется не только в ТКС, но и в ЭВМ для защиты от ошибок при передаче информации между устройствами машины. Оно позволяет получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение - 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 (с классификационной структурой и характеристиками кодов можно познакомиться, например, в [ 47 ]).
К числу наиболее важных показателей корректирующих кодов относятся:
• значность кода, или длина кодовой комбинации, включающей информационные символы (от) и проверочные, или контрольные, символы (k). Обычно значность кода п есть сумма т + k;
• избыточность кода Кизб, выражаемая отношением числа контрольных символов в кодовой комбинации к - значности кода;
• корректирующая способность кода KКС, представляющая собой отношение числа кодовых комбинаций L, в которых ошибки были обнаружены и исправлены, к общему числу переданных кодовых комбинаций М.
Выбор корректирующего кода для его использования в данной ТКС зависит от требований по достоверности передачи информации. Для правильного выбора кода необходимы статистические данные о закономерностях появления ошибок, их характере, численности и распределении во времени. Например, корректирующий код, обнаруживающий и исправляющий одиночные ошибки, эффективен лишь при условии, что ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает некоторой величины. Он оказывается непригодным, если ошибки появляются группами. При выборе кода надо стремиться, чтобы он имел меньшую избыточность. Чем больше коэффициент Кизб, тем менее эффективно используется пропускная способность канала связи и больше затрачивается времени на передачу информации, но зато выше помехоустойчивость системы.
Пример 12.4. Рассмотрим порядок кодирования информации (формирования кодовой комбинации для ее передачи адресату) и декодирования (выявления и исправления ошибок в принятой кодовой комбинации и выделения из нее информационных символов, т.е. информации пользователя) при использовании одного из наиболее популярных корректирующих кодов - кода Хэмминга, обнаруживающего и исправляющего одиночные ошибки.
В этом коде контрольные символы занимают позиции, соответствующие значениям 2 ,2 ,2 ,2 и т.д., т.е. позиции с номерами 1,2,4,8 и т.д. (нумерация позиций кодовой информации - слева направо). Количество контрольных символов в кодовой комбинации должно быть таким, чтобы в процессе декодирования сформированное из этого количества корректирующее число (в двоичной системе счисления) могло указать позицию кодовой комбинации с максимальным номером. Например, для пяти информационных разрядов потребуются четыре контрольных. В полученной кодовой комбинации позиция с наибольшим номером будет 9-й, что записывается как 1001, т.е. требует четырех разрядов.
Значения контрольных символов при кодировании определяются путем контроля на четность количества единиц в информационных разрядах кодовой комбинации. Значение контрольного символа равно 0, если количество единиц будет четным, и равно при нечетном количестве единиц.
При определении значения 1-го контрольного символа, размещаемого на 1-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции;
двоичные изображения номеров которых содержат единицу в младшем разряде, т.е. проверяются позиции с нечетными номерами. При определении значения 2-го контрольного символа, размещаемого на 2-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции, двоичные изображения номеров которых содержат единицу во 2-м разряде, т.е. позиции с номерами 3, б, 7,10,11 и т.д. Значение 3-го контрольного символа, размещаемого на 4-й позиции кодовой комбинации, определяется путем контроля на четность тех информационных позиций, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в 3-м разряде, т.е. позиции с номерами 5, б, 7,12 и т.д. Аналогично устанавливаются значения и других контрольных символов.
В процессе декодирования формируется корректирующее число (КЧ), разрядность двоичного изображения которого устанавливается по указанному выше правилу. Значения разрядов этого числа определяются по правилам, аналогичным тем, которые использовались для определения значений контрольных символов в процессе кодирования. Разница лишь в том, при определении значений разрядов КЧ проверяются на четность не только информационные позиции, но и контрольные. Например; для определения значения младшего разряда КЧ проверяются на четность те позиции кодовой комбинации, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в младшем разряде, т.е. позиции с нечетными номерами 1,3,5,7 и т.д.
Значение корректирующего числа определяет номер позиции кодовой комбинации, в которой произошла ошибка. Для ее исправления необходимо значение кода в этой позиции изменить на противоположное (0 на 1 или 1 на 0). Если КЧ равно нулю, то это указывает на отсутствие ошибок в принятой кодовой комбинации. Процесс декодирования завершается выделением из кодовой комбинации информационных символов.
Заметим, что в ТВС корректирующие коды в основном применяются для обнаружения ошибок, исправление которых осуществляется путем повторной передачи искаженной информации. С этой целью в сетях используются системы передачи с обратной связью (наличие между абонентами дуплексной связи облегчает применение таких систем).
Системы передачи с обратной связью делятся на системы с решающей обратной связью и системы с информационной обратной связью.
Особенностью систем с решающей обратной связью (иначе: систем с перезапросом) является то, что решение о необходимости повторной передачи информации (сообщения, пакета) 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. Канал обратной связи используется также для посылки сигнала подтверждения правильности приема, автоматически определяющего начало следующей передачи.
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. При совпадении передатчик посылает приемнику сигнал подтверждения, в противном случае происходит повторная передача всей информации. Таким образом, здесь решение о необходимости повторной передачи принимает передатчик.
Обе рассмотренные системы обеспечивают практически одинаковую достоверность, однако в системах с решающей обратной связью пропускная способность каналов используется эффективнее, поэтому они получили большее распространение.
Пример 12.5. В системах с решающей обратной связью ARQ, где реализуются непрерывный автоматический запрос на повторение и концепция скользящих окон, для двух возможных вариантов защиты от ошибок (системы с выборочным повторением и системы с возвращением на NК кадров) и заданных характеристиках линий связи и объеме передаваемой информации, найти время на передачу этой информации и необходимый объем буферного ЗУ на приемном пункте.
Исходные данные:
Еинф = 4 Мбита - объем передаваемой информации;
Lk = 7 - длина окна (количество кадров в окне);
Rk = 4096 бит - длина одного кадра;
Vk = 9600 бит/с - пропускная способность канала связи;
Мк= 1000 - количество каналов в многоканальной линии связи;
Noш = 1 - число кадров в окне, принятых с ошибками. Ошибочные кадры передаются повторно. Для упрощения условия примера и определенности будем считать, что в каждом окне ошибочный кадр имеет второй номер (это важно для оценки систем с возвращением на NK кадров).
Постановка задачи иллюстрируется на рис. 12.3. Данные передаются от узла А к узлу В по прямому каналу. В семикадровом окне на приемном пункте (узел В) во втором кадре обнаружены ошибки, и сигнал об этом (NAK 2) по обратному каналу передается в узел А (рис. 12.3, а). В протоколе ARQ реализуется один из двух методов обнаружения и повторной передачи искаженных данных:

Рис. 12.3. Система с решающей обратной связью ARQ
• выборочное повторение (рис. 12.3, б), когда повторно передается только искаженный кадр данного окна. Все другие кадры этого окна, поступившие в узел В после искаженного кадра (в нашем примере это кадры с номерами от 3 до 7), временно хранятся на приемном пункте в буферном ЗУ;
• возвращение на NK кадров (рис. 12.3, в), когда повторно передается не только искаженный кадр, но и все кадры данного окна, поступившие вслед за искаженным (предполагается, что источник, послуживший причиной искажения второго кадра, продолжает действовать). Здесь надобность в буферном ЗУ пропадает
Рассчитаем показатели для первого варианта системы ARQ - с выборочным повторением.
Время на передачу заданного объема информации определяется по формуле
T1=Nok*(Lk+Nош)*Rk/Vk (12.1)
где Nok - количество окон в передаваемом объеме информации, причем
Nok =Eинф/Lk*Rk;
Nok =2000000/7*4096=70. (12.2)
Следовательно,
Т1 = 70*(7 +1)*4096 / 9600 = 238,9 с. (12.3)
Необходимый объем буферного ЗУ:
Eзу=Lзу*RК*M, (12.4)
где Lзу - количество кадров данного окна, временно сохраняемых в буферном ЗУ (в нашем примере Lзу = 5).
Следовательно,
Езу = 5*4096*1000 = 20 480 000 бит.
Для второго варианта системы ARQ - с возвращением на Nк кадров (в нашем примере Nк= 6) определяется только время на передачу информации:
Т2=Nок(Lk+Nk)*Rк/VK; (12.5)
T2 = 70*(7 + 6)* 4096 / 9600 = 388,3 с.
Как видно, первый вариант предпочтительнее по времени на передачу заданного объема информации, зато требует на приемном пункте буферной памяти. Разница в значениях показателей Т1 и Т2; будет тем больше, чем выше интенсивность ошибок в линиях связи.