Методические указания к практическим работам по курсу ''Телекоммуникации и сети''. Ч.1. Телеобработка данных, глобальные компьютерные сети

Министерство общего и лрофессионального образования Российской Федерации

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Ю.И.Синицын

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ ПО КУРСУ “Телекоммуникации и сети” Часть 1 ТЕЛЕОБРАБОТКА ДАННЫХ ГЛОБАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

Оренбург 1998

ББК 32.973.202 С-38 УДК 681.324(075.8)

1 Телеобработка данных 1.1 Введение в системы телеобработки Довольно часто пользователи персональных компьютеров находятся на значительном удалении друг от друга. В этом случае необходимо использовать специальные средства для передачи данных. Данная вычислительная система, включающая в себя аппаратуру передачи данных, называется системой телеобработки данных. Основным назначением системы телеобработки следует считать предоставление большему числу пользователей доступа к общим вычислительным ресурсам. Системы телеобработки позволяют: - повысить эффективность использования дорогостоящего оборудования; - расширить сферу применения вычислительных средств за счет установки терминалов у ряда пользователей, для которых создание собственных вычислительных центров экономически не выгодно; - создавать территориально-распределенные информационно-справочные системы и автоматизированные системы управления; - создавать банки данных и пакеты прикладных программ. Все это способствует широкому внедрению средств вычислительной техники в различные сферы производства. Например, системы телеобработки широко используются в автоматизированных системах управления с рассредоточенными на значительной территории объектами, в информационно-вычислительных системах взаимодействия рассредоточенных пользователей и т.п. С другой стороны, расширение области применения систем телеобработки определяет необходимость реализации различных режимов ее работы, в соответствии с которыми различают следующие системы телеобработки. Системы сбора данных. Данный класс систем относится к самым простым системам телеобработки и обеспечивает передачу информации в одном направлении, то есть от абонентских систем к компьютеру. Примером подобных систем являются системы диспетчерской службы, собирающие информацию от абонентских систем, обрабатывающие и передающие ее затем на центральный диспетчерский пункт. Информационно-справочные системы, предоставляющие пользователю доступ к централизованному источнику информации. Характерной чертой систем данного класса является наличие достаточно большого банка данных, обеспечивающего пользователей необходимой информацией. В отличие от 2

предыдущей, данный вид системы поддерживает двухстороннюю передачу информации, хотя все еще ограниченного характера и фиксированной структуры. Информационно-управляющие системы. Основным назначением подобных систем является сбор оперативной информации с последующим принятием решений по управлению объектом или процессом. В этих системах наряду с передачей данных большое внимание уделяется обработке информации, которая во многих случаях занимает большую часть ресурсов системы. Системы реального времени. К этим системам относятся информационно-управляющие системы, обеспечивающие передачу и обработку данных со скоростью, соответствующей скорости протекания управляющего или контролирующего процесса. Как и все предыдущие, данный класс систем относится к проблемно ориентированным системам. Системы коллективного пользования. В отличие от выше определенных систем, данный класс систем является более универсальным и ориентирован на интерактивный режим работы удаленных пользователей. При этом класс решаемых задач различен и ограничивается только аппаратными и функциональными возможностями самой системы телеобработки. Однако, независимо от режима работы, любая из систем телеобработки предполагает выполнение следующих характерных функций телеобработки: - ввод-вывод информации с удаленных абонентских систем; преобразование информации к виду, удобному для передачи по каналам связи; - собственно передачу информации по каналам связи; - преобразование информации, получаемой по каналам связи к виду, удобному для представления ее в компьютере; - ввод информации в компьютер; - обработку информации; - обратный цикл преобразования информации для ее передачи пользователю. Как правило, каждая из этих функций выполняется с помощью специальных программ, составляющих процедуры теледоступа, к которым относятся: процедура передачи файлов, процедура удаленного ввода заданий и процедура дистанционного управления вычислительным процессом. Так, процедура передачи файлов представляет собой совокупность функций, обеспечивающих надежную передачу файлов данных между абонентскими системами и компьютером. Файл представляет собой блок данных, оформленный некоторым стандартным образом и сопровождаемый необходимой управляющей информацией. Процедура передачи файлов реализуется средствами системы телеобработки, практически без участия пользователя. Процедура удаленного ввода заданий осуществляется при непосредственном участии пользователя, которому предоставляется возможность 3

оперативного управления вводом информации в вычислительную систему. При этом пользователь может проверять правильность ввода данных, осуществлять необходимые корректировки и изменять сам процесс ввода информации. Процедура дистанционного управления вычислительным процессом предоставляет пользователю возможность отслеживать и оказывать оперативное воздействие на процесс выполнения его заданий. Управление данной процедурой осуществляется с помощью специального языка управления заданиями. Естественно, что реализация этих функций должна обеспечиваться взаимосвязанным комплексом технических и программных средств, совокупность которых собственно и образует систему телеобработки, обобщенная структура которой представлена в соответствии с рисунком 1. В дальнейшем по мере изложения материала эта структура будет развиваться и уточняться.

Компьютер

Устройство сопряжения Каналы передачи данных

Абонентские Терминал 1

Терминал 2

Терминал 3

...

системы Терминал N

Рисунок 1 – Обобщенная структура системы телеобработки

4

Как видно из приведенного рисунка, технические средства системы телеобработки включают в свой состав компьютер, каналы передачи данных, устройства сопряжения каналов передачи данных с компьютером и абонентские пункты. Компьютер является основным источником вычислительных ресурсов для пользователей системы телеобработки. Каналы передачи данных предназначены для передачи данных между абонентскими пунктами и компьютером системы телеобработки. Устройства сопряжения аппаратуры передачи данных с компьютером обеспечивают согласование каналов передачи данных с соответствующими устройствами компьютера и, как правило, позволяют подключать к нему достаточно большое число абонентских пунктов. В свою очередь, программные средства поддерживают работу технических средств, обеспечивая интерфейс (взаимодействие) пользователя с системой телеобработки. Более подробно технические и программные средства систем телеобработки рассматриваются ниже. Для более глубокого понимания архитектуры и принципов построения систем телеобработки необходимо учитывать как уровень развитая средств вычислительной техники, так и возможности средств передачи данных. Интенсивное развитие систем телеобработки связано с появлением в 60-е годы вычислительных машин семейства IBM 360, в состав которых входили компьютеры различной производительности, от мини-компьютеров до высокопроизводительных вычислительных систем, представляющих собой достаточно сложный комплекс электронных и электромеханических устройств. Подобные компьютеры, особенно их внешние устройства, такие как накопители на магнитных барабанах, лентах, требовали определенных условий эксплуатации и соответствующего штата инженеров, техников, операторов и программистов. С целью наиболее эффективного использования компьютеров того времени создавались специальные вычислительные центры, объединяющие, как правило, несколько компьютеров и комплекс внешних устройств. Подобное сосредоточение вычислительных мощностей определило необходимость коллективного использования имеющихся вычислительных ресурсов. С другой стороны, существующий на тот момент уровень развития программного обеспечения, в частности интерфейса пользователя, не обеспечивал эффективное использование одним программистом всех ресурсов мощных компьютеров. Это явилось одной из основных причин разработки фирмой IBM (International Business Machines) концепции построения систем телеобработки. Был разработан достаточно представительный комплекс технических средств и программного обеспечения систем телеобработки, в том числе: - аппаратура передачи данных для работы в диапазоне скоростей от 50 до 48000 бит/с; - большой набор абонентских пунктов (порядка 20 типов), в том числе и интеллектуальных; - несколько типов устройств сопряжения, обеспечивающих одновременную и 5

независимую работу по многим (до 352) низкоскоростным, среднескоростным и высокоскоростным каналам связи; - системное программное обеспечение телеобработки данных. Практически одновременно с фирмой IBM, многие ведущие фирмыпроизводители вычислительных машин приступили к разработке аналогичных систем, в частности фирма DEC (Digital Equipment Corporation) создала набор технических и программных средств телеобработки для мини — ЭВМ PDP-11. Однако широкое внедрение систем телеобработки в различные отрасли хозяйственной деятельности потребовало решения ряда технических и организационных вопросов, выходящих за рамки отдельных фирм. Среди этих вопросов особое место занимает стандартизация выпускаемого оборудования. Это в первую очередь связано с тем, что системы телеобработки являются достаточно сложными и включают в свой состав разнородное оборудование, объединение которого в рамках единой системы требует унификации их соединения. Кроме того, разработка систем телеобработки требует значительных затрат, снижение которых возможно за счет максимальной преемственности последующих разрабо-ток. В связи с этим к разработке систем телеобработки подключились различные национальные и международные организации по стандартам, что позволило разработать общие концепции и стандарты построения систем телеобработки. К наиболее существенным результатам совместных работ в этом направлении следует отнести формирование новой тенденции в развитии вычислительной техники, которая характеризуется переходом к так называемым "открытым" системам. Под открытой системой понимается такая система, которая при соблюдении определенных требований (правил открытости) может быть без каких-то дополнений или изменений подключена к другой открытой системе. И если раньше каждая фирма использовала свои собственные стандарты на конструктивное исполнение устройств и средств их сопряжения, то с переходом к открытым системам разработка устройства стала осуществляться с учетом международных стандартов на интерфейсы. Например, открытая система телеобработки предполагает использование стандартного международного интерфейса для подключения внешнего оборудования. Соответственно, любое внешнее оборудование, рассчитанное на подключение к открытой системе телеобработки, должно использовать данный интерфейс. При этом следует отметить, что состав и функции подключаемого устройства не являются определяющими. Одним из важнейших элементов стандартизации любой сложной системы, в том числе и системы телеобработки, является построение формальной модели взаимодействия ее основных элементов. В процессе функционирования системы телеобработки осуществляются разнообразные формы взаимодействия ее элементов, включая передачу физических сигналов по линиям связи и логическое взаимодействие на уровне обмена управляющей 6

информацией. С увеличением сложности системы количественно качественно возрастает число функций взаимодействия ее

и

элементов, что определяет необходимость разбиения их на группы в соответствии с определенными признаками, например, функциональной независимостью групп, которая подразумевает возможность изменения функции одной группы без изменения функций других групп. Каждой группе функций назначается свой уровень взаимодействия, множество которых образует многоуровневую модель взаимодействия элементов системы. Разбиение на уровни осуществляется таким образом, чтобы каждый уровень был максимально независим друг от друга, то есть изменение параметров одного из них не приводило к изменениям в других уровнях. Для систем телеобработки наиболее характерна трехуровневая модель взаимодействия элементов, представленная в соответствии с рисунком 2. Самым нижним (первым) уровнем этой модели является физический уровень, на котором определяют физические параметры и правила соединения между собой элементов системы телеобработки, например. подключение абонентских пунктов к каналам передачи данных. На данном уровне передаваемая информация представляется в виде последовательности двоичных сигналов. Интерфейсы Пользовательский

Пользовательский

Канальный

Канальный

Физический

Физический Канал связи

Рисунок 2 - Уровни интерфейса систем телеобработки

Следующим (вторым) является канальный уровень или уровень звена передачи данных. На этом уровне определяются правила управления передачей информации по каналу связи. Начиная с данного уровня, в качестве структурной единицы информации рассматривается блок данных, представляющий собой информационную или управляющую последова7

тельность определенной структуры, в общем случае состоящую из заголовка и тела блока. Заголовок содержит адресную и управляющую части, тело блока содержит передаваемую блоком информацию. Блок данных канального уровня принято называть кадром данных. В совокупности физический и канальный уровни определяют подсистему передачи. В свою очередь, правила (протоколы) взаимодействия абонентов (пользователей) с системой телеобработки определяются самым верхним (в данном случае третьим) уровнем, получившим название пользовательский уровень. В определенном смысле данный уровень является независимым от нижних уровней и позволяет пользователю общаться с системой телеобработки, не касаясь других уровней, то есть ему нет необходимости в подробных знаниях структуры системы телеобработки, ее устройств, а также особенностей передачи информации на физическом и канальном уровнях.

1.2 Каналы передачи данных Одной из основных функций аппаратуры передачи данных является преобразование сигналов данных, используемых в устройствах вычислительной техники, к виду, удобному для передачи по каналам связи. В зависимости от используемых каналов связи применяются различные устройства преобразования сигналов, так при передаче данных по телеграфным каналам связи используются устройства преобразования сигналов телеграфные, осуществляющие преобразование однополярных сигналов постоянного тока с амплитудой 12-15 В в биполярные сигналы постоянного тока с амплитудой 60 В. В свою очередь для передачи данных по физическим линиям связи на расстояния порядка 10-15 км используются устройства преобразования сигналов соединительных линий, среди которых наибольшее распространение получили устройства преобразования сигналов низкого уровня, преобразующие дискретные сигналы в сигналы постоянного тока низкого уровня напряжения (не выше 0,5 В), что обеспечивает снижение взаимного влияния сигналов различных цепей. Большое разнообразие каналов связи определяет их классификацию, которая осуществляется по различным признакам, и, в первую очередь, по скорости передачи информации. В зависимости от скорости передачи различают каналы: низкоскоростные со скоростью передачи от 50 до 200 бит/с; среднескоростные со скоростью передачи до 9600 бит/с; высокоскоростные со скоростью передачи свыше 19200- бит/с. К низкоскоростным относятся телеграфные каналы, информация по которым передается в виде импульсов постоянного тока. Низкая скорость передачи информации и возможные амплитудные искажения импульсов ограничивают использование телеграфных каналов в системах телеобработки, где более широкое применение получили телефонные каналы. Стандартные 8

телефонные каналы относятся к среднескоростным каналам и ориентированы на передачу аналоговых сигналов с относительно узким частотным спектром (от 100 Гц до 10 Кгц). Следует отметить, что частотные характеристики канала передачи оказывают существвенное влияние на максимально допустимую скорость передачи данных. Скорость 9600 бит/с телефонной линии считается отличной и достигается посылкой 4-х битных групп со скоростью 2400 бод. Поэтому для высокоскоростной передачи информации используются широкополосные радио-и телевизионные каналы, а также специальные каналы для передачи дискретной (цифровой) информации, в частности, оптоволоконные. С учетом возможностей изменения направления передачи информации различают каналы: симплексные, обеспечивающие передачу информации только в одном направлении; полудуплексные, позволяющие передавать поочередно информацию в двух направлениях; дуплексные, передающие информацию одновременно в обоих направлениях. Чаще всего в системах телеобработки используются полудуплексные каналы, по сравнению с дуплексными каналами они дешевле и проще сопрягаются с абонентскими пунктами и компьютером. В зависимости от способа передачи данных различают каналы связи с последовательной и параллельной передачей сигналов. При последовательной передаче разряды каждого символа передаются последовательно по одним и тем же линиям связи. При параллельной передаче все разряды каждого символа передаются одновременно по отдельным линиям связи. Каналы параллельной передачи информации используются при удалении абонентских пунктов от компьютера в пределах десятков метров. При подключении более удаленных абонентских пунктов экономически выгодно использовать каналы последовательной передачи информации, которые, как правило, и используются в системах телеобработки. Часто физическое соединение между передатчиком и приемником образуется путем последовательного соединения нескольких каналов связи в единый составной канал связи. Такая ситуация возникает при переда-че информации на значительные расстояния с использованием существующей телефонной сети. В этом случае с помощью нескольких каналов связи и автоматических телефонных станций образуется составной канал, который характеризуется наличием электрической связи между абонентским пунктом и компьютером. В зависимости от режима использования составного канала связи различают некоммутируемые (арендуемые) и коммутируемые каналы. Некоммутируемым называется составной канал, который создается и существует на протяжении определенного интервала времени не зависимо от передачи информации. В отличие от арендуемого канала коммутируемый канал создается только на время передачи каждого из сообщений, а в остальное время отдельные, составляющие его каналы связи, могут быть использованы для других целей. За счет этого стоимость передачи 9

информации по коммутируемым каналам ниже, однако, они характеризуются следующими недостатками: вероятность появления ошибок при передаче данных по коммутируемым каналам на один-два порядка выше, чем при передаче данных по арендуемым каналам; время коммутации линий связи коммутируемых физических каналов в некоторых случаях может быть соизмеримо или превышать сеанс передачи информации. Это, естественно, ограничивает возможность использования коммутируемых каналов в системах реального времени. Можно предположить, что улучшение технических характеристик телефонных сетей общего пользования будет способствовать более широкому использованию коммутируемых каналов для построения систем телеобработки. Как отмечалось выше, каналы передачи данных используются для подключения абонентских пунктов к компьютеру. При использовании составного канала передачи данных, его сегменты (звенья) объединяются между собой с помощью промежуточных узлов коммутации. Однако в том и другом случае процессы взаимодействия звена передачи данных с подключаемыми к нему устройствами во многом носят одинаковый характер и рассматриваются относительно его в качестве оконечного оборудования данных. Введение этого обобщенного понятия связано с формализацией процесса передачи данных. В общем случае к оконечному оборудованию данных относят: абонентские пункты; компьютеры, подключенные к каналам передачи данных; промежуточные узлы коммутации. В зависимости от способа соединения различают двухточечное ("точкаточка") и многоточечное подключение оконечного оборудования данных к каналу передачи данных. В соответствии с рисунком 3 показано двухточечное подключение устройства оконечного оборудования данных, в качестве которых здесь выступают компьютер и абонентский пункт.

Компьютер

Абонентский пункт Канал передачи данных

Рисунок 3 - Двухточечное подключение устройств оконечного оборудования данных

При многоточечном способе подключения в соответствии с рисунком 4 к 10

одному каналу подсоединяется более двух устройств оконечного оборудования данных. В данном случае несколько устройств оконечного оборудования данных (как правило, низкоскоростных устройств ввода-вывода) используют общий канал передачи данных для взаимодействия с быстродействующим устройством оконечного оборудования данных, например, компьютером. Этим достигается более эффективное использование каналов передачи данных. Возвращаясь к структуре систеКомпьютер

Абонентский пункт

. . .

Абонентский пункт

Канал передачи данных Рисунок 4 - Многоточечное подключение устройств оконечного оборудования данных

системы телеобработки, представленной в соответствии с рисунком 1 , следует обратить внимание, что, при всей внешней схожести ее со структурой многоточечного подключения, данное подключение характеризуется как двухточечное. В самом деле, каждый канал передачи данных с одной стороны подключается к оконечному оборудованию данных абонентского пункта, а с другой стороны к собственному оконечному оборудованию данных, входящему в состав устройства сопряжения с компьютером. Эффективное функционирование каналов передачи данных во многом связано с решением вопросов синхронизации, управления передачей данных и согласования (состыковки) аппаратуры канала передачи Данных с оконечным оборудованием данных. При передаче дискретных сигналов между двумя устройствами возникает необходимость обеспечения синхронности их работы. Это связано с тем, что при передаче достаточно длинной последовательности одинаковых символов (нулей или единиц) их количество на передающем и принимающем устройствах может не совпадать между собой. Это объясняется тем, что генераторы этих устройств могут иметь разброс частотных параметров. Для исключения подобных ошибок используются различные способы синхронизации. В частности при передаче информации на короткие расстояния часто используют дополнительный провод, по которому передаются синхросигналы, однако при больших расстояниях данный подход является экономически нецелесообразным. В этом случае синхронизирующие сигналы (символы) передаются по линиям передачи данных. В зависимости от способа синхронизации различают каналы с асинхронной и синхронной 11

передачей. Следует обратить внимание, что термин асинхронная передача не исключает синхронизации, а лишь определяет одну из ее разновидностей. При асинхронной передаче информация передается в канал по одному символу в произвольном темпе. Причем символы синхронизируются отдельно: передача каждого символа сопровождается сигналами "старт" и "стоп". При двоичной форме представления информации каждый символ представляется в виде последовательности бит фиксированной длины. Количество информационных бит в каждом символе определяется используемым стандартным кодом и зависит от числа символов в нем. В общем случае количество символов, которое можно задать с помощью и бит определяется величиной 2 . Наиболее распространенным среди семиразрядных кодов является Американский стандартный код для обмена информацией ASCII (American Standard Code for Information Interchange), одной из версий которого является Международный код №5, опубликованный Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (МККТТ). В классы объединяются: - символы управления устройствами — используются для управления вспомогательными устройствами на абонентской системе; - символы печати — используются для управления расположением информации на печатной странице или на экране дисплея; - разделители информации — используются для логического разделения элементов данных с целью облегчения ее обработки; - символы связи, предназначенные для управления передачей данных по каналам связи. Символы связи кода ASCII ориентированы на передачу информации в виде заголовка сообщения и нескольких блоков текстовой информации представленный в соответствии с рисунком 5.

12

Компьютер

Абонентский пункт Канал передачи данных Направление передачи

Заголовок

Блок текста 1

. . .

Блок текста N

Рисунок 5 – Структура передаваемого сообщения

Заголовок по сути дела также является блоком, в котором, однако, вместо текста содержится адресная и управляющая информация, необходимая для сопровождения текстовых блоков. В качестве разделителей заголовка и текста используются управляющие символы: SOH — начало заголовка и STX — начало текста. При передаче сообщения, состоящего из нескольких блоков, каждый из них, кроме последнего, заканчивается символом ЕТВ — конец блока передачи. В конце последнего блока помещается символ ЕТХ — конец текста. Можно заметить, перечисленные выше управляющие символы определяют структуру передаваемых сообщений. Собственно для целей управления передачей используются следующие символы: ENQ — запрос (кто там ?), — используется для запроса ответа со стороны абонентской системы; АСК — подтверждение, передается приемником в качестве положительного подтверждения на запрос передатчика; NAK — отрицание — является отрицательным ответом передатчику со стороны приемника; DLE — первый авторегистр, используется для расширения функций управления передачи данных; SYN — синхронизация — служит для установления или поддержания синхронизации в системах передачи данных. В случае использования асинхронного метода передачи каждый символ кода ASCII дополняется специальными служебными символами в соответствии с рисунком 6. Следует обратить внимание, что исходное состояние (отсутствие передачи данных) соответствует уровню логической единицы. Это состояние принято называть отмеченным (MARK). Начало передачи символа связано с появлением стартового бита (START), соответствующего логическому нулю. Затем следует передача бит данных, начиная с младших разрядов. Заметим, что при записи кода в двоичном виде его младшие биты обычно располагаются справа, например, символ S кодируется как 1010011. 13

Стартовый бит

Информационные символы

Бит четности

(START)

Стоповые биты (STOP)

0

1

2

3

4

5

6

Линия свободна (MARK) Рисунок 6 – Структура символов при асинхронной передаче

При задержке передачи данных больше определенного времени считается, что канал перешел в состояние разрыва связи (SPACE). Бит четчетности используется для контроля правильности передачи данных и принимает такое значение, чтобы в передаваемом символе, общее число единиц (или нулей) всегда было четное или нечетное в зависимости от начальной установки регистров устройства оконечного оборудования данных. Приемное устройство заново вычисляет четность поступаемых данных и сравнивает полученный результат с принятым значением бита четности. При несовпадении четности считается, что произошла ошибка в передаче данных. В конце символа располагаются два стоповых бита (STOP), по уровню соответствующие логической единице. Затем до при-хода следующего стартового бита канал снова переходит в исходное состояние (MARK). Структура передаваемых символов оказывает влияние на эффективную скорость передачи данных, под которой понимается число информационных (без служебных) бит, передаваемых в секунду (бит/с). Общая скорость передачи измеряется в бодах и соответствует всему количеству битов (включая и служебные), передаваемых в секунду. Для рассмотренного выше (рисунок 6) кода отношение эффективной к общей скорости передачи составляет 7/11 или около 64%. Таким образом, данный способ передачи, называемый также "старт-стопным" является достаточно медленным и используется в основном для передачи информации по телеграфным каналам связи. Широкое использование асинхронной передачи объясняется низкой стоимостью аппаратуры передачи данных, так как к ней предъявляются менее жесткие требования по синхронизации. В высокоскоростных каналах в основном используется синхронный способ передачи информации, исключающий необходимость вставки в начало и конец каждого символа "старт-стопных" битов. В этом случае информация передается непрерывными блоками достаточно большой величины, что позволяет по сравнению с асинхронным способом передачи достичь более 14

высоких скоростей передачи данных при тех же параметрах канала связи. Взаимная синхронизация передающего и принимающего устройства осуществляется с помощью преамбулы — специальной последовательности символов (10101010. ...101011), предшествующей передаче блока данных. Чередование единиц и нулей рассматривается в качестве последовательности синхросигналов, причем две последние единицы говорят об ее окончании. С увеличением длины текстовых блоков возрастает интервал между последовательностями синхросигналов, что повышает вероятность появления ошибочных символов. Это, в первую очередь, связано с дрейфом генераторов передатчика и приемника, устранение которого приводит к увеличению стоимости аппаратуры передачи данных. Выбор оптимальной длины блоков позволяет при относительно небольших аппаратурных затратах достичь требуемого уровня надежности передачи текста.

1.3 Защита от ошибок При передаче данных по каналам связи существует вероятность появления ошибок. Это связано с тем, что канал передачи информации обычно подвергается воздействию различных искажений, вызванных шумом, который может иметь как естественную природу, так и создаваться используемым оборудованием. Например, в телефонной линии искажения могут возникнуть из-за воздействия природных электрических разрядов, перекрестных наводок от других линий, теплового шума, работы коммутирующих устройств и др. Процесс защиты от ошибок включает в себя обнаружение и исправление ошибок. Обнаружение ошибок осуществляется, как правило, путем анализа последовательности символов на принадлежность ее к определенному классу структур. Существуют два основных подхода к исправлению ошибок. Первый подход базируется на использовании различных методов локализации и исправления ошибок в принимающем устройстве. Во втором случае используются методы определения лишь факта появления ошибок, "исправление" которых осуществляется за счет повторной передачи сообщения. Выбор того или иного способа защиты от ошибок зависит от ряда факторов, таких как тип используемого канала, скорости передачи данных, вероятности появления ошибок и др. Как уже отмечалось, к передаче данных по каналам связи предъявляются достаточно высокие требования по надежности и достоверности, которые значительно выше тех, которые предъявляются к аналоговым каналам связи. Поэтому при использовании в системах телеобработки каналов данного типа вопросы защиты от ошибок приобретают особое значение, решение которых обычно связано с использованием специальных методов представления (кодирования) информации. В работах Шеннона показано, что при соответствующем кодировании информации количество ошибок может быть снижено до любого требуемого уровня. Для этого предполагается 15

использовать избыточное кодирование, суть которого заключается в том, что исходная последовательность символов, называемая информационной последовательностью, в соответствии с некоторыми правилами преобразуется в двоичную последовательность большей Дйины. Сформированная таким образом последовательность символов получила название кодового слова. Выявление в полученной по каналам связи информации искаженных (запрещенных) последовательностей символов и лежит в основе методов обнаружения и коррекции ошибок. Успешное решение этой задачи во многом зависит от правил представления исходной информационной последовательности в виде кодового слова, т.е. кодирования информации. Рассмотрим один из наиболее часто используемых способов кодирования, при котором непрерывная последовательность информационных символов разбивается на блоки — сообщения, каждый из которых содержит k символов информации. Образованный таким образом код получил название блочного кода. Кодовое слово получается путем добавления к блочному коду некоторого числа дополнительных (избыточных) символов. Избыточные символы не несут никакой информации и используются исключительно для обнаружения и исправления ошибок. Как правило, блочный код обозначается как (п, К) код, где п — длина кода, k — число информационных символов. Число добавочных символов, равное разности между общей длиной кода и числом информационных символов, оказывает влияние на одну из важнейших характеристик кодов — относительную скорость передачи кодов по каналам связи, которая определяется отношением скорости передачи информационных бит, содержащихся в кодовом слове, к скорости передачи самого кодового слова. Значение относительной скорости передачи определяется формулой R=k/n. Простейший способ формирования блочного кода — это добавление специального бита четности к блоку данных. Такой код обозначается как (k+l, k) код, его примером может служить кодирование информации при "стартстопном" способе передачи, рассмотренном выше. Данный способ обнаружения ошибок, получивший название "контроль четности", является достаточно простым, однако позволяет обнаружить только четное число ошибок и эффективен при анализе коротких последовательностей битов данных, например, при использовании семиразрядного кода ASCII и ему подобных. С увеличением длины контролируемой последовательности данных вероятность обнаружения ошибки уменьшается, стремясь к значению 0,5. В системах телеобработки для повышения скорости передачи сообщения, передаваемые по каналу связи, разбиваются на достаточно большие блоки (пакеты) по 1024 байта, это вынуждает отказаться от использования контроля четности.

16

1.4 Организация передачи данных Принадлежность к группам определяется используемой скоростью и способом передачи (синхронным или асинхронным). Так ко второй группе можно отнести рекомендации для асинхронных модемов, такие как V.21 и V.23: - рекомендация V.21 определяет требования к модемам, работающим со скоростью передачи данных 200 (300) бит/с и предназначенным для использования в общей коммутируемой телефонной сети. Данный тип модемов определяется как асинхронный, работающий в дуплексном режиме по выделенному или коммутируемому двухпроводному каналу. При этом предполагается использовать способ частотной модуляции, известный под названием " модуляции со сдвигом частоты"; - рекомендация V.23 также определяет требования к модемам, предназначенным для использования в общей коммутируемой телефонной сети, работающим со скоростью передачи данных 600/ 1200 бит/с. Модемы, соответствующие данной рекомендации, могут работать с четырехпроводным выделенным двухточечным или многоточечным каналом, а также с двухпроводным выделенным или коммутируемым двухточечным каналом. Третью группу составляют рекомендации для асинхронно-синхронных модемов, такие как V.22, V.22 bis, V.32: - рекомендация V.22 определяет требования к модемам, обеспечивающим скорость передачи данных до 1200 бит/с и предназначенных для использования в общей коммутируемой телефонной сети, модемы данного типа используют асинхронно-синхронный дуплексный режим работы. Данный режим работы означает, что между оконечным оборудованием данных и модемом данные передаются в асинхронном режиме, модем удаляет стартовые и стоповые биты и передает данные в канал связи в синхронном режиме; - рекомендация V.22 bis по сравнению с рекомендацией V.22 определяет более высокую (2400 бит/с) скорость передачи данных; - рекомендация V.32 также, как и две предыдущие рекомендации, определяет требования к модемам, предназначенных для использования в общей коммутируемой телефонной сети, однако предполагает скорость передачи данных 9600 бит/с. К четвертой группе относятся рекомендации ддя синхронных модемов, сюда относятся рекомендации V.26, V.26 bis, V.26 ter, V.27, V.27 bis, V.27 ter, V.29: - рекомендации V.26, V.26 bis, V.26 ter определяют скорость передачи данных 2400 бит/с, отличаясь друг от друга типом используемого канала; - рекомендации V.27, V.27 bis, V.27 ter предполагают скорость передачи 17

данных 4800 бит/с, каждая из которых ориентирована на конкретный тип канала связи; - рекомендация V.29 определяет модем, предназначенный для использования в выделенных телефонных каналах со скоростью передачи данных 9600 бит/с. Пятую группу составляют рекомендации V. 35, V. 36, V. 37, определяющие требования к синхронным модемам, обеспечивающим передачу данных со скоростью 48, 72, 168 Кбит соответственно для V.35, V36, V37. Следует отметить, что в большей своей части рекомендации серии V взаимно дополняют друг друга, кроме того, фирмы изготовители, стремясь сделать модемы более универсальными, реализуют одновременно несколько рекомендаций, таким образом, в технических условиях на модемы можно встретить указание на несколько стандартов (рекомендаций). При этом необходимо,чтобы модем как минимум отвечал одной из наиболее распространенных рекомендаций V.21, V.22 или V22 bis, в противном случае будет затруднен обмен данными с большинством пользователей телекоммуникационных систем. В техническом описании модемов можно встретить ссылки и на другие стандарты, например, на стандарт Bell 212А, являющийся одним из наиболее популярных модемных стандартов и определяющий асинхронный режим передачи данных со скоростью 300 бит/сек., синхронный — 1200 бит/сек. Другим стандартным типом модемов можно считать "Хейес-совместимые" (Hayes-compatible) модемы. Автором этого стандарта является фирма Hayes Microcomputer Products, которая сумела создать достаточно удобный интерфейсный протокол для своих компактных модемов. В настоящее время существуют 4 модификации Хейес-модемов: Hayes Smartmodem 1200, Hayes Smartmodem 1200B, Hayes Smartmodem 2400, Hayes Smartmodem 2400В. Например, Hayes Smartmodem 2400 используется на коммутируемых линиях связи со скоростью 2400 бит/сек. Данный тип модемов рассчитан на работу в дуплексном и полудуплексном режимах на коммутируемых линиях связи. "Хейес-совместимые" модемы, как правило, являются интеллигентными модемами, в которых функции набора номера и ответа реализуются автоматически с помощью внутреннего микропроцессора, при этом модем способен сохранять конфигурационные параметры автонабора/автоответа.

18

2 Устройства систем телеобработки 2.1 Интерфейсы систем телеобработки В настоящее время существует достаточно большое количество различных типов устройств телеобработки, в частности устройств преобразования сигналов. С целью унификации подключения (состыковки) существующих, а также вновь создаваемых устройств разработан ряд стандартных интерфейсов и протоколов обмена данными. Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для организации взаимодействия различных функциональных элементов в системах обработки и передачи информации. Основной целью стандартизации интерфейсов является обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости подключаемых устройств. В рамках информационной совместимости определяется в целом функциональная и структурная организация интерфейса, в том числе: - согласованность взаимодействия функциональных элементов в соответствии со структурой и составом унифицированного набора шин; - процедуры взаимодействия и последовательности их выполнения для различных режимов взаимодействия устройств; - способ кодирования, форматы данных и управляющей информации; - временные соотношения между управляющими сигналами. Электрическая совместимость предполагает согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов. Конструктивная совместимость предусматривает согласование конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и возможности замены схемных элементов и устройств. В свою очередь под протоколом понимается строго заданная процедура или совокупность правил, регламентирующая способ выполнения определенных функций, например, функций управления передачей данных между элементами систем телеобработки. Следует обратить внимание, что в общем случае неоднозначна взаимосвязь понятий интерфейс и протокол. Как правило, любой интерфейс в той или иной мере содержит элементы протокола, определяемые процедурными и функциональными характеристиками интерфейса. В этом смысле можно говорить о том, что понятие интерфейс шире понятия 19

протокола. В большей степени это характерно для интерфейсов физического уровня взаимодействия устройств систем телеобработки. С другой стороны существует ряд протоколов, которые представляют собой достаточно самостоятельные элементы систем и не вписываются в функции интерфейсов, это в свою очередь характерно для протоколов канального и верхних уровней систем телеобработки. В системах телеобработки интерфейсы используются в основном на физическом уровне, определяя правила подключения аппаратуры передачи данных с одной стороны к оконечному оборудованию данных и каналам связи с другой стороны. Для каждого типа каналов связи разработаны свои стандартные интерфейсы, так для подключения аппаратуры передачи данных к коммутируемым телефонным каналам связи стандартный интерфейс определяется рекомендациями V.2, V.21, V.23, V.27 ter, V.50, V.53. Для некоммутируемых телефонных каналов связи аналогичный интерфейс определяется рекомендациями V.2, V.22, V.26, V.27 bis, V.50, V.53. Общими для этих интерфейсов являются рекомендации V.2, V.50, V.53. Рекомендация V.2 определяет уровни мощности при передаче данных по телефонным линиям, в рекомендации V.50 приводятся стандартные ограничения на качество передаваемых сигналов, рекомендация V.53 устанавливает нормативы технического обслуживания телефонных каналов. Остальные рекомендации определяют тип каналов связи и скорость передачи данных и, естественно, различны для этих интерфейсов. Пожалуй, наиболее важную роль в системах телеобработки играют интерфейсы сопряжения аппаратуры передачи данных с оконечным оборудованием данных, наиболее распространенными среди которых являются рекомендации V.24 и V.28.

Рекомендация V, 24 определяет взаимодействие устройств преобразования сигналов с оконечным оборудованием данных и устанавливает: - общие характеристики сопряжения, такие как скорость и последовательность передачи: процедурные и функциональные характеристики, определяющие номенклатуру, категории цепей связи, правила их взаимодействия; - электрические параметры соединения; - механические характеристики, к которым относятся габаритные размеры, распределение контактов по цепям связи. В общем случае для передачи электрических сигналов необходимо два провода, один из них считается информационным, а другой — нулевым. При определенных условиях может использоваться один нулевой провод на несколько информационных, такой интерфейс называется не-симметричным. В случае симметричного интерфейса каждому информационному проводу соответствует свой нулевой провод. Несимметричные интерфейсы позволяют 20

экономить определенное количество цепей связи, однако за счет взаимного влияния цепей обладают меньшей помехо-устойчивостью, что в конечном итоге отражается на максимальной длине линий и скорости передачи данных. Соединение устройств преобразования сигналов с оконечным оборудованием данных осуществляется с помощью набора цепей обмена, определенного как "серия 100", включающего 39 линий для передачи данных и управляющих сигналов. В их число входит цепь 102 — "Сигнальное заземление или общий обратный провод", с помощью которой устанавливается эталонный потенциал по постоянному току для симметричных цепей. С помощью цепи 103 — "Передаваемые данные", информация в дискретном виде последовательно по одному биту передается от оконечного оборудования данных к аппаратуре передачи данных. Для передачи информации в обратном направлении используется цепь 104 — "Принимаемые данные". Остальные цепи этой серии используются для управления, синхронизации и некоторых вспомогательных функций. Большое разнообразие управляющих цепей обусловливается большим числом различных типов устройств преобразования сигналов, используемых в системах телеобработки. Это, однако, не означает, что в каждом случае необходимо использовать все цепи этой серии. Для каждого класса устройств преобразования сигналов применяется лишь некоторая, функционально необходимая часть цепей. В случае использования коммутируемых каналов связи в состав аппаратуры передачи данных включается автоматическое вызывное устройство, подключение которого к оконечному оборудованию данных, например, к компьютеру в соответствии с рисунком 7, осуществляется в соответствии с рекомендацией V.25 с помощью цепей серии 200. Данная рекомендация распространяется только на установку связи и ее разъединение. Компьютер генерирует телефонный номер, посылая через

21

Аппаратура передачи данных Модем Компьютер

V 24 (серия 100)

или абонентский

Канал связи V 25 (серия 200)

Р БНН

пункт Рисунок 7 - Подключение аппаратуры передачи данных к оконечному оборудованию данных (БНН- блок набирателя номера, Р-переключатель)

интерфейс одну цифру за другой в виде четырехбитового параллельного кода. Передача номера заканчивается посылкой четырехбитового знака конца номера (EON — end of number). После установления соединения передача данных осуществляется по цепям серии 100. В настоящее время большинство фирм выпускают модемы со встроенным устройством автовызова, в этом случае подключение модема осуществляется в соответствии с рекомендацией V.25 bis, используя цепи серии 100 рекомендации V.24. Рекомендация V.28 определяет электрические характеристики несимметричных двуполярных цепей обмена и совместно с V, 24 формирует интерфейс физического уровня систем телеобработки. Согласование модемов с оконечным оборудованием данных осуществляется с помощью рекомендаций V.24 и V28. При этом используется около 10 цепей. Собственно для передачи данных используются цепи: - 102 — "Сигнальное заземление или общий обратный провод"; - 103 — "Передаваемые данные"; - 104— "Принимаемые данные". Остальные цепи являются управляющими, к ним относятся цепи: - 105 — "Запрос передачи", сигнал по этой цепи поступает на вход устройства преобразования сигналов (модема) со стороны оконечного оборудования данных и инициирует передачу данных по каналам связи; - 106 — "Готов к передаче", сигнал по этой цепи поступает от модема к устройству оконечного оборудования данных и информирует последнее о готовности модема передавать данные на этой линии, указывает на готовность аппаратуры передачи данных к работе; - 108.1 — "Подсоединить аппаратуру передачи данных к линии"; 22

- 108.2 — "Оконечное оборудование данных готово", эта цепь используется для управления подключением к линии связи или отключением от нее модема; - 109 — "Детектор принимаемого линейного сигнала канала данных", цепь служит для сигнализации оконечному оборудованию данных о наличии сигнала несущей частоты и, соответственно, о приеме данных со стороны канала связи. Приведенный перечень цепей является основным для подключения асинхронных модемов к оконечному оборудованию данных согласно рисунку 8. Модем №103 Передача данных Модулятор Оконечное оборудование данных (компьютер)

№105 Запрос передачи №106 Готовность передачи

Временная задержка

Гибридный трансфор-р

№104 Прием данных №109 Обнаружение несущей №102 Общий провод

Демодулятор Канал связи

Рисунок 8 – Схема подключения асинхронного модема к оконечному оборудованию данных

Рассмотрим процесс обмена информацией между модемом и оконечным оборудованием данных. Передаче данных предшествует сигнал "Запрос передачи", который осуществляет запуск модулятора модема и, проходя через блок задержки, возвращается в оконечное оборудо- вание данных в качестве сигнала "Готов к передаче". Временная задержка необходима для выхода на режим модулятора сигналов. Получив сигнал "Готовность передачи", оконечное оборудование данных может передавать информацию модему. Прием информации данных из модема в оконечное оборудование данных связан с обнаружением демодулятором несущей частоты в канале связи и появлением сигнала "Детектор принимаемого линейного сигнала канала данных". С помощью этого сигнала входные цепи 23

оконечного оборудования данных настраиваются на прием информации из канала передачи данных. Для синхронного режима передачи дополнительно используются следующие цепи: 114 — "Синхронизация элементов передаваемого сигнала (источник — модем)", сигнал по этой цепи поступает из модема в оконечное оборудование данных и обеспечивает синхронизацию работы сопрягаемых устройств при передаче данных; 113 — "Синхронизация элементов передаваемого сигнала (источник — оконечное оборудование данных"), сигнал по этой цепи поступает из оконечного оборудования данных в модем и обеспечивает его синхронизацию; 115 — "Синхронизация элементов принимаемого сигнала", эта цепь обеспечивает синхронизацию оконечного оборудования данных со стороны модема. Таким образом, с помощью цепей 113, 114, 115 обеспечивается синхронизация работы модемов, входящих в состав канала передачи данных. Настройка модемов осуществляется, как правило, в течение периода времени между появлением сигналов "Запрос передачи" и "Готовность передачи" непосредственно перед передачей каждого блока данных. Схема подключения синхронного модема к оконечному оборудованию данных представлены согласно рисунка 9. Синхронизация передачи существляется либо с помощью точного внутреннего генератора, либо с помощью

24

Модем №103 Передача данных Модулятор Оконечное оборудование данных (компьютер)

№105 Запрос передачи Временная задержка

№106 Готовность передачи

Гибридный трансфор-р

№104 Прием данных №109 Обнаружение несущей №102 Общий провод №114 Синхр.передача №113 Внешняя синхр . № 115 Синхр.приема №108 Подключение АПД №107 Готовность АПД

Демодулятор Канал связи Р Блок синхронизации Устройство управлен.

Рисунок 9 – Схема подключения синхронного модема к оконечному оборудованию данных (АПД –аппаратура передачи данных) внешнего генератора синхросигналов. Изменение режима синхронизации взводится переключателем Р. Сигнал синхронизации приема вырабатыва-ется настраиваемым генератором синхросигналов под управлением демо-дулятора. Широко известным интерфейсом физического уровня является стандарт Е1А RS-232-C, который собственно и является прообразом рекомендаций V.24 и V.28. В данном случае RS означает Recommended Standard — рекомендованный стандарт, цифры которого указывают на порядковый номер стандарта, а С — обозначает его версию. Описание стандарта включает функциональное описание цепей обмена, характеристики электрического сигнала и механические характеристики интерфейса (обозначение контактов). По описанию цепей обмена стандарт эквивалентен рекомендации V.24. Основное различие между ними заключается в том, что рекомендация V.24 определяет больше цепей обмена и использует другие обозначения для них. Стандарт RS-232-C определяет каждую цепь обмена с помощью двух или трех алфавитных символов, в то время как рекомендация V.24 использует трехзначное цифровое обозначение. По характеристикам электрического сигнала данный интерфейс аналогичен рекомендации V.28. 25

Стандарт RS-232-C описывает несимметричный интерфейс физичес-кого уровня, работающий в режиме последовательного обмена данными со скоростью передачи до 20000 бит/с на расстоянии до 15 метров. При меньших скоростях или при использовании низкоемкостного кабеля допускается большая длина кабеля. Более современными стандартами, позволяющими обеспечить высокоскоростную передачу на большие расстояния, являются стандарты RS-422, и RS-423. Стандарт RS-422 определяет "Электрические характеристики симметричного цифрового интерфейса". Интерфейс RS-422 по сравнению с RS232C обеспечивает более высокие скорости передачи информации. Это частично обусловлено использованием двух физических проводов для каждой цепи, что обеспечивает лучшие выходные характеристики сигналов. Стандарт RS-423 определяет "Электрические характеристики несимметричного цифрового интерфейса", в этом смысле он ближе к интерфейсу RS-232C, однако отличается от него улучшенными характеристиками.

2.2 Абонентские пункты системы телеобработки Абонентский пункт систем телеобработки — комплекс оборудования, состоящий из устройства ввода-вывода, устройства управления обменом данными, аппаратуры передачи данных и предназначенный для связи удаленного абонента телеобработки данных с компьютером или другим абонентским пунктом посредством каналов связи. Абонентом системы телеобработки может быть любой пользователь, взаимодействующий с ней посредством устройства ввода-вывода, а также любые технические средства, подключенные к системе телеобработки. Например, различные датчики, станки с числовым программным управлением, роботы, специализированные процессоры и т. д., работающие в режиме взаимодействия с системой телеобработки, также относятся к абонентским пунктам. При всем многообразии абонентских пунктов, тем не менее, можно выделить ряд характерных для них функций: - установление и разъединение связи с аппаратурой передачи данных; - преобразование данных (перекодирование) при приеме информации - обратные преобразования при передаче информации в компьютер; - согласование скоростей ввода-вывода и передачи информации; - обеспечение автономного и рабочего режимов функционирования устройств ввода-вывода и т. д. В качестве устройств ввода-вывода, с помощью которых удаленный абонент (пользователь) осуществляет взаимодействие с системой телеобработки, наиболее широкое распространение получили дисплеи, печатающие устройства, накопители на магнитных лентах и дисках. В состав современных абонентских пунктов, как правило, включаются устройства 26

преобразования сигналов, например, модемы. Абонентские пункты принято классифицировать по таким признакам как: тип используемых каналов связи; режим и метод передачи данных, тип включенных в их состав устройств ввода-вывода. В настоящее время наиболее широкое распространение получили абонентские пункты пакетной обработки и диалоговые абонентские пункты. Под абонентским пунктом пакетной обработки подразумевается абонентский пункт телеобработки данных, обеспечивающий обмен сравнительно большими массивами данных. В качестве устройств ввода-вывода в абонентском пункте пакетной обработки, как правило, используются различные быстродействующие устройства ввода-вывода, например, на основе магнитных носителей информации. Одним из первых абонентских пунктов данного класса является абонентский пункт, разработанный фирмой IBM, обеспечивающий полудуплексный обмен данными по коммутируемым и некоммутируемым телефонным каналам связи со скоростью передачи 200 бит/с. Данный абонентский пункт состоит из: устройства ввода с перфоленты и перфокарт; устройства вывода на перфоленту и перфокарты; блока управления; модема и телефонного аппарата (при использовании телефонных каналов связи) или устройства преобразования телеграфных сигналов (при использовании телеграфных каналов связи). Диалоговым абонентским пунктом называется абонентский пункт телеобработки данных, осуществляющий обмен сравнительно небольшими массивами данных, как правило, в реальном режиме времени. Диалоговые абонентские пункты в основном строятся на основе дисплеев или персональных компьютеров. Представителем диалоговых абонентских пунктов, построенных на основе дисплеев, является многотерминальный абонентский пункт IBM 3270, обеспечивающий совместную работу до 16 дисплеев, расположенных на расстоянии до 400 м. Кроме дисплеев в состав данного абонентского пункта входят: блок управления, модем. Связь с компьютером осу-ществляется в полудуплексном режиме по некоммутируемой четырехпроводной телефонной линии связи со скоростью до 4800 бит/с.

3 Протоколы систем телеобработки 3.1 Управление передачей информации В системах телеобработки управление передачей информации между абонентскими пунктами и компьютером осуществляется на уровне каналов передачи данных с помощью протоколов канального уровня. Данные протоколы также называют протоколами звена передачи данных или линейными протоколами, подчеркивая тем самым, что они управляют 27

потоками данных на одном звене (линии) связи. В настоящее время существует большое количество протоколов канального уровня, однако все они выполняют строго определенные процедуры: установление сеанса связи (обмена) между смежным оконечным оборудованием данных; управление передачей, окончание связи. Процедура установления связи обеспечивает логическое соединение, которое заключается в подтверждении (квитировании) установления связи, и гарантирует готовность устройств к обмену данными. Процедура управления передачей управляет обменом данными по каналу связи между двумя устройствами, включая контроль ошибок и подтверждение передачи. При этом информация передается в виде блоков данных, структура которых определяется типом используемого протокола. Процедура окончания связи прекращает (закрывает) логическое соединение, переводя канал в пассивное состояние. Выполнение данных процедур осуществляется путем обмена управляющими символами Среди линейных протоколов различают симметричные и несимметричные протоколы. В случае симметричных (равноранговых) протоколов оконечные оборудования данных, подключенные к каналу связи, имеют одинаковый статус, и каждое из них может управлять передачей данных. В свою очередь, несимметричные протоколы или протоколы типа "ведущий/ведомый" предполагают наличие управляющего (ведущего) оконечного оборудования данных, которое берет на себя функции управления каналом передачи данных. Протоколы "ведущий/ведомый" реализуют два режима обмена: опрос и выбор. В режиме опроса осуществляется прием (чтение) информации из ведущего в ведомое устройство. В свою очередь, режим выбора обеспечивает передачу (запись) данных ведущему устройству. При многоточечном соединении протокол обмена несколько усложняется. Во-первых, необходимо определять последовательность опроса станций; во-вторых, необходимо организовать адресацию абонентских пунктов; в-третьих, обмен данными между абонентскими пунктами возможен только через компьютер. Пожалуй, самым распространенным примером реализации метода опрос/выбор является протокол XMODEM, формат блока данных которого представлен в соответствии с рисунком 10. Для записи информации используется код ASCII, в котором символ SOH означает начало заголовка блока, однобайтовое поле NI содержит порядковый номер передаваемого блока. Величина N2 представляет собой дополнение к числу NI, она вычисляется передающим устройством и служит для контроля правильности передачи номера блока данных. Принимающее устройство вычисляет дополнение к числу NI и сравнивает полученное значение с величиной N2 , при их совпадении считается, что порядковый номер блока передан правильно. Поле CRC содержит контрольную сумму блока данных.

28

SON 1 байт

N1 1 байт

N2 1 байт

Данные 128 байт

CRC 1 байт

Рисунок 10 - Формат блока данных протокола XMODEM ( SOH - начало сообщения, N1 - номер передаваемого блока, N2 - обратный код номера передаваемого блока, CRC контрольная последовательность кода)

Рассмотренный выше метод опрос/выбор является простейшим и часто называется методом остановки и ожидания, так как передача каждого очередного блока данных начинается только после подтверждения получения предыдущего блока. Данный метод относится к полудуплексным методам передачи и находит широкое применение из-за простой программной и аппаратной реализации. Однако в чистом виде метод ожидания и остановки имеет один недостаток: в нем не предусмотрено установление порядка следования блоков данных, что при потере подтверждения или блока данных может привести к ошибкам передачи. Указанный недостаток устраняется в методе остановки и ожидания с нумерацией блоков, при этом для поддержки квитирования и управления потоком данных блоки нумеруются нулем или единицей. Например, первому передаваемому блоку присваивается нулевой номер, соответствующее ему подтверждение также имеет нулевой номер, второй блок передается с единицей, третий снова с нулем и так далее. Появление блока с неожидаемым номером говорит об ошибке передачи, то есть потеряно подтверждение или блок данных. В рамках синхронного способа передачи данных различают байториентированные и бит-ориентированные протоколы. В байториентированных протоколах управляющие и информационные символы представляются (кодируются) в виде байтов, для этого используются такие коды как EDCDIC (1А5) и ASCII. Характерным для данных протоколов является то, что расположение управляющих символов в кадре не фиксируется и может быть, как и структура самого кадра, достаточно произвольным. В этом смысле байт-ориентированные протоколы близки к протоколам с асинхронным способом передачи. Байт-ориентированные протоколы являются кодозависимыми в том смысле, что интерпретация управляющих символов зависит от используемого кода, так как один и тот же символ в разных кодах может принимать различное значение. В бит-ориентированных протоколах управление осуществляется на уровне битов, при этом кадры имеют фиксированную структуру, где каж-дый управляющий бит в зависимости от его месторасположения несет определенную смысловую нагрузку. Бит-ориентированные протоколы яв29

ляются кодопрозрачными, поскольку назначение управляющих символов не зависит от используемого кода, а полностью определяется структурой кадра. В этом смысле данные протоколы являются более универсальными так как позволяют обмениваться информацией, представленной в различных системах кодирования. Рассмотрим некоторые, наиболее известные, байт-ориентированные протоколы. Как и в случае асинхронных протоколов, все множество байториентированных протоколов можно разделить на протоколы типа опрос/селекция и протоколы с состязанием. Однако в отличие от асинхронных протоколов не только данные, но управляющие символы представляются в виде кадров, для организации которых, как правило, используются следующие управляющие символы: SYN — синхронизация; SOH— начало заголовка; STX — начало текста; 1ТВ — конец промежуточного блока; ВСС — контрольный счетчик блока; PAD — наполнение кадра, временной интервал между кадрами; ЕТВ — конец блока передачи; ЕТХ — конец текста; EOT — конец передачи, переводит канал передачи данных в режим управления; ENQ — запрос устройства; АСК — положительное подтверждение; NAK — отрицательное подтверждение; DLE — авторегистр, используется для достижения кодовой прозрачности.

4 Глобальные компьютерные сети 4.1 Архитектура компьютерных сетей В силу ряда объективных причин становление и развитие вычислительных сетей шло по двум основным направлениям, одно из которых связано с развитием и совершенствованием систем телеобработки. Это направление в основном поддерживалось фирмами — производителями средств вычислительной техники. Так, наиболее характерным примером является сеть SNA, разработанная фирмой IBM. По сути, данная сеть представляет множество систем телеобработки, объединенных между собой каналами передачи данных в соответствии с рисунком 11. В этом случае основная нагрузка по организации коммуникаций возлагается на процессоры телеобработки данных, сама же сеть передачи данных имеет относительно простую структуру. При втором подходе компьютерная

30

Регион А

Регион В

Сервер SNA

Сетевой процессор

Сетевой процессор

Абонентские системы

Сервер

Абонентские системы

Регион С Сервер

Сетевой Процессор

Абонентские системы Рисунок 11 – Структура сети SNA

сеть рассматривается как сеть передачи данных, абонентами которой яв ляются компьютеры. В этом случае основное внимание уделяется организации сети передачи данных на основе существующих сетей связи общего пользования. В настоящее время компьютерные сети можно рассматривать как результат объединения систем телеобработки на основе развитой сети передачи данных. Как правило, в сети имеется несколько путей доступа к тем или иным вычислительным средствам, что также повышает надежность и качество обслуживания ее абонентов. Рассматривая вопросы архитектуры, в первую очередь, необходимо определить назначение и область применения компьютерных сетей. Так основным назначением компьютерной сети является предоставление большому числу пользователей одновременного доступа к ее вычислительным ресурсам. Исходя из этого, компьютерная сеть может быть определена как система распределенной обработки информации, состоящая из тер31

риториально-рассредоточенных компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью средств связи. Компьютеры, входящие в состав сети, выполняют достаточно широкий круг функций, основными среди которых являются: организация доступа к сети; управление передачей информации; предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети. В соответствии с этим по функциональному признаку все множество систем компьютерной сети можно разделить на абонентские, коммутационные и главные (Host) системы. Абонентская система представляет собой компьютер, ориентированный на работу в составе компьютерной сети и обеспечивающий поль-зователям доступ к ее вычислительным ресурсам. Следует отметить, что по сравнению с абонентским пунктом системы телеобработки абонентская система компьютерной сети обладает большими функ-циональными и вычислительными возможностями. Это позволяет опти-мально организовать вычисления в компьютерной сети. Коммутационные системы являются узлами коммутации сети передачи данных и обеспечивают организацию составных каналов передачи данных между абонентским системами. В качестве управляющих элементов узлов коммутации используются процессоры телеобработки или специальные коммутационные (сетевые) процессоры. Большим разнообразием отличаются Host системы или сетевые серверы. Сервером принято называть специальный компьютер, выполняющий основные сервисные функции, такие как: управление сетью, сбор, обработку, хранение и предоставление информации абонентам компьютерной сети. В связи с большим числом сервисных функций целесообразно разделение серверов по их функциональному назначению. Например, файл-сервер определяется как сетевой компьютер, осуществляющий операции по хранению, обработке и предоставлению файлов данных абонентам компьютерной сети. В свою очередь, компьютер, обеспечивающий абонентским системам эффективный доступ к компьютерной сети, получил название сервер доступа и т.д. В зависимости от размеров и степени территориальной рассредоточенности различают глобальные, региональные и локальные компьютерные сети. Глобальная компьютерная сеть является крупномасштабной сетью и охватывает, как правило, достаточно большую территорию, например, территорию одной или нескольких стран и даже континентов. Региональная сеть охватывает определенные районы страны, объединяя абонентские системы, находящиеся на меньшем расстоянии, чем глобальная сеть, например, в пределах города, района или небольшой страны. В отличие от рассмотренных выше сетей локальная сеть охватывает относительно небольшую территорию, до нескольких квадратных километров, например, территорию предприятия или организации, и характеризуется наличием относительно простой, но достаточно высокоскоростной системой передачи 32

данных. Имеется много общего в структурах глобальных и региональных сетей, что позволяет представить некоторую обобщенную структуру сетей данного типа. Наиболее характерным признаком подобных сетей является достаточно разветвленная система передачи данных, называемая сетью передачи данных. Основными элементами сети передачи данных являются каналы передачи данных и узлы коммутации. По своей структуре каналы передачи данных компьютерных сетей аналогичны каналам передачи данных систем телеобработки и состоят из каналов связи и аппаратуры передачи данных. Территориально аппаратуру передачи данных располагается, как правило, в узлах коммутации, абонентских системах или в серверах. Одними из важнейших элементов компьютерной сети являются узлы коммутации, которые во многом определяют ее архитектуру и характер функционирования. С помощью узлов коммутации организуется составной канал передачи данных. Абонентские системы могут подключатся либо непосредственно к узлам коммутации или входить в состав подсистемы телеобработки, как это реализовано в сетях SNA. Функции сопряжения подсистемы телеобработки с сетью могут возлагаться как на компьютер подсистемы, так и на процессор телеобработки. Последний вариант предпочтительней, так как позволяет разгрузить компьютер подсистемы телеобработки от несвойственных ему операций обмена. В случае непосредственного подключения абонентской системы к компьютерной сети функции сопряжения реализуются самими абонентскими системами. Для коллективного подключения абонентских пунктов целесообразно использовать серверы доступа в сеть. Управление компьютерной сетью может быть как децентрализованным, при котором управляющие функции распределяются между несколькими серверами, так и централизованным, в этом случае управляет работой сети специально выделенный для этой цели сервер. В глобальных сетях используется специальное межсетевое устройство— шлюз, являющейся одним из наиболее распространенных средств объединения компьютерных сетей. Несмотря на различие в топологии для всех компьютерных сетей можно выделить следующие характерные признаки: - объединение многих, обычно территориально удаленных друг от дру га, в том числе и разнотипных, компьютеров в единую взаимодействующую систему; - развитая сеть передачи данных с унифицированными правилами, способами и средствами взаимодействия функциональных составляющи; (структурных элементов) сети; - большее число пользователей, взаимодействующих с сетью посредством абонентских систем. 33

Компьютерные сети весьма разнообразны по назначению, состав/ оборудования, программному обеспечению и функциональным возможностям, поэтому целесообразно классифицировать их по ряду признаков По функциональному назначению различают вычислительные, информационные и смешанные (информационно-вычислительные) сети. Вычислительные сети предназначены главным образом для решения задач пользователей с обменом данными между ее абонентами. Информационные сети ориентированы в основном на предоставление информационного обслуживания по запросам пользователей. Информационно-вычислительные сети объединяют функции вычислительных и информационных сетей. В настоящее время к информационно-вычислительным относится большинство современных компьютерных сетей, поэтому в дальнейшем под компьютерной сетью и будет подразумеваться данный тип сетей. Кроме того, как уже отмечалось, различают компьютерные сети общего пользования (универсальные), обслуживающие круг разнообразных пользователей и специализированные сети. К последним следует отнести сети управления производством и учрежденческие сети. В настоящее время утвердилось понятие частных компьютерных сетей, которые представляют собой компьютерные сети отдельных компаний или фирм. Эти сети так же обладают своими характерными особенностями. По типу используемых компьютеров различают однородные (гомогенные) компьютерные сети, содержащие программно-совместимые компьютеры, и неоднородные (гетерогенные), включающие в свой состав программно-несовместимые компьютеры. Однородными, как правило, являются локальные вычислительные сети. В свою очередь, сложно найти однородную глобальную компьютерную сеть. В качестве автоматизированных систем обработки информации компьютерные сети могут использоваться: - в промышленности для планирования и управления в рамках предприятий, объединений, отраслей; - на транспорте для планирования и управления производительным процессом, например, воздушным движением, для резервирования и - продажи билетов на транспортные средства; - в банковско-финансовой деятельности для различных финансовых расчетов; - в научно-исследовательской деятельности и проектно-конструкторской деятельности для повышения эффективности обмена и предоставления требуемой информации, объединения отдельных исследователей или проектировщиков, а также коллективов для проведения исследований или проектных работ, для использования дополнительных компьютерных мощностей при проведении сложных расчетов; - в области медицины. В зависимости от управления сетевыми ресурсами компьютерные сети 34

делят на централизованные и децентрализованные. В централизованных компьютерных сетях управление всеми сетевыми ресурсами осуществляет один из ее серверов. Для децентрализованных сетей характерно автономное распределение ресурсов, при котором каждый сервер, используя информацию о состоянии сети, самостоятельно определяет возможность доступа к ее ресурсам. Исходя из общего назначения компьютерных сетей и решаемых ими задач, можно уточнить основные функции управления и организации компьютерной сети — это: - управление взаимодействующими пользовательскими программами; - управление программами из состава математического обеспечения сети, реализующими различные виды информационных услуг; - решение вопросов, связанных с адресацией и маршрутизацией передаваемой информации; - установление необходимых физических соединений между взаимодействующими компьютерами и абонентами; - контроль и исправление ошибок при передаче данных по физическим каналам связи; - обеспечение возможности изменения конфигурации сети и состава ее технических и частично программных средств без нарушения функционирования компьютерной сети в целом. Первые две из перечисленных выше функций определяют сетевые методы доступа, являющиеся дальнейшим развитием телекоммуникационных методов доступа. При этом абоненту нет необходимости использовать информацию о структуре сети, способах передачи информации и т.д. Он должен знать только функциональные возможности сети и придерживаться определенных правил взаимодействия с сетью.

4.2 Эталонная модель взаимодействия открытых систем С учетом международной организацией стандартов для компьютерных сетей была предложена в соответствии с рисунком 12 семиуровневая модель взаимодействия открытых систем. Основным, с точки зрения пользователя, является прикладной уровень. Этот уровень обеспечивает выполнение прикладных процессов пользователей и определяет семантику, то есть смысловое содержание информации, которой обмениваются открытые системы в процессе их взаимодействия. С этой целью данный уровень, кроме протоколов взаимодействия прикладных процессов, поддерживает протоколы передачи файлов, виртуального терминала, электронной почты и им подобные.

35

Система 1 Прикладной процесс А Уровни

Система 2 Прикладной процессБ Протоколы:

7 Прикладной

Прикладные

Прикладной

6 ПредставиТельный

Представительного уровня

Представительный

5 Сеансовый

Сеансовые

Сеансовый

4 Транспортный

Транспортные

Транспортный

3 Сетевой

Сетевые

Сетевой

2 Канальный

Канального уровня

Канальный

1 Физический

Физического уровня

Физический

Абонентская служба

Транспортная служба

Среда передачи данных Рисунок 12 - Эталонная модель взаимодействия открытых систем Следующий (шестой) уровень называется представительным (уровень представления данных); он определяет единый для всех открытых систем синтаксис передаваемой информации. Необходимость данного уровня обусловлена различной формой представления информации в сети передачи данных и компьютерах. Данный уровень играет важную роль в обеспечении "открытости" систем, позволяя им общаться между собой независимо от их внутреннего языка. Пятый уровень называют сеансовым, так как основным его назначением является организация сеансов связи между прикладными процессами, расположенными в различных абонентских системах. На данном Уровне создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения — логические каналы между процессами. Необходимость протоколов данного уровня определяется относительной сложностью сети передачи данных и стремлением обеспечить достаточно высокую надежность передачи информации. Четвертый, транспортный уровень (уровень сквозной передачи) служит для обеспечения передачи данных между двумя взаимодействующими открытыми системами и организации процедуры сопряжения абонентов сети с системой передачи данных. На этом уровне определяется взаимодействие абонентских системы-источника и адресата данных, орга- низуется и 36

поддерживается логический канал (транспортное соединение) между абонентами. Третий, сетевой уровень, предназначен для обеспечения процессов маршрутизации информации и управления сетью передачи данных. В отличие от предыдущих, данный уровень в большей степени ориентирован на сеть передачи данных. Здесь решаются вопросы управления сетью передачи данных, в том числе маршрутизация и управление информационными потоками. Назначение и функции канального и физического уровней аналогичны назначению и функциям соответствующих уровней систем телеобработки. Так канальный уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и расторжения соединений на уровне каналов передачи данных. Процедуры канального уровня обеспечивают обнаружение и, возможно, исправление ошибок, возникающих на физическом уровне. Физический уровень обеспечивает механические, электрические, функциональные и процедурные средства организации физических соединений при передаче бит данных между физическими объектами. Четыре нижних уровня образуют транспортную службу компьютерной сети, которая обеспечивает передачу ("транспортировку") информации между абонентскими системами, освобождая более высокие уровни от решения этих задач. В свою очередь, три верхних уровня, обеспечивающие логическое взаимодействие прикладных процессов, функционально объединяются в абонентскую службу. Простое перечисление уровней недостаточно для определения правил взаимодействия систем, поэтому в рамках эталонной модели также определяются услуги, которые должны обеспечивать ее уровни. Услуги, по сути дела, представляют собой функции, выполняемые на заданном уровне. В частности, физический уровень должен обеспечивать такие виды услуг как: установление и идентификацию физических соединений, организацию последовательностей передачи бит информации; оповещение об окончании связи. Канальный уровень предоставляет следующие виды услуг: организацию требуемой последовательности блоков данных и их передачу; управление потоками между смежными узлами; идентификацию конечных пунктов канальных соединений; обнаружение и исправления ошибок; оповещение об ошибках, которые не исправлены на канальном уровне. Сетевой уровень в числе основных услуг осуществляет: иден-тификацию конечных точек сетевых соединений; организацию сетевых соединений; управление потоками блоков данных; обеспечение последовательностей доставки блоков данных; обнаружение ошибок и формирование сообщений о них; разъединение сетевых соединений. Транспортный уровень обеспечивает следующие виды услуг: установление и разъединение транспортных соединений; формирование бло-ков

37

данных; обеспечение взаимодействия сеансовых соединений с транспортными соединениями; управление последовательностью передачи блоков данных; обеспечение целостности блоков данных во время передачи; обнаружение и устранение ошибок, сообщение о неисправленных ошибках; предоставление приоритетов в передаче блоков; передачу подтверждений о принятых блоках; ликвидацию тупиковых ситуаций. На сеансовом уровне предоставляются услуги, связанные с обслуживанием сеансов и обеспечением передачи данных в диалоговом режиме; установление сеансового соединения; обмен данными; управление обменом; синхронизация сеансового соединения; сообщения об исключительных ситуациях; отображение сеансового соединения на транспортный уровень; завершение сеансового соединения. Представительный уровень обеспечивает следующие виды услуг: выбор вида представления данных; интерпретация и преобразование передаваемых данных к виду, удобному для прикладных процессов; преобразование синтаксиса данных; формирование данных. Прикладной уровень обеспечивает широкий набор услуг: управление терминалами; управление файлами; управление диалогом; управление задачами; управление сетью в целом; целостность информации; ряд дополнительных услуг. К. дополнительным услугам уровня относятся услуги по организации электронной почты, передачи массивов сообщений и т.п. Услуги различных уровней определяются с помощью протоколов эталонной модели взаимодействия открытых систем, которые представляют собой правила взаимодействия объектов одноименных уровней открытых систем. В соответствии с семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем вводится семь типов протоколов, которые именуются так же, как уровни. При этом по функциональному назначению все протоколы целесообразно разделить на три группы. Первую группу составляют протоколы абонентской службы, соответствующие прикладному, представительскому и сеансовому уровням модели взаимодействия открытых систем. Протоколы этой группы являются сетенезависимыми, то есть их характеристики и структура не зависят от используемой сети передачи данных. Они определяются лишь структурой абонентских систем и поставленными перед ними задачами обработки информации. Две другие группы протоколов описывают транcnopтную службу компьютерной сети и различаются между собой процедурой доступа к передающей среде. Одна из этих групп определяет систему передачи данных с маршрутизацией информации, а другая — с селекцией информации. Маршрутизация представляет собой процедуру определения пути передачи информации в сетях передачи данных и характерна для глобальных и региональных компьютерных сетей, в рамках которых и рассматривается соответствующая группа протоколов. Под селекцией в компьютерных сетях подразумевается процесс выбора

38

очередной абонентской системы для подключения ее к сети передачи данных с целью обмена информацией. Селекция информации в основном используется в системах передачи данных локальных компьютерных сетей, где и рассматривается третья группа протоколов.

39

Список использованных источников 1. Бэрри Нанс. Компьютерные сети: Пер. с анг. — "БИНОМ", 1995. – 696 с. 2. Каррид Ч., Гиллетт К. Операционная система Net Ware для сетей ЭВМ: Пер. с анг. - М.: "Мир", 1993. –453 с. 3. Нессер Д. Дж. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях: Пер. с анг. — К.: "Диалектика", 1996. –376 с. 4. Протоколы информационных-вычислительных сетей: Справочник. -М.: "Радио и связь", 1990. – 412 с. 5. Халсалл Ф. Передача данных, сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем: Пер. с анг. — М.: "Радио и связь", 1995. – 497 с. 6. Щербо В. К. и др. Стандарты по локальным вычислительным сетям: Справочник. — М.: "Радио и связь", 1990. –212 с. 7. Ю. Блек. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы: Пер с анг. М.:, "Мир", 1990. – 376 с.

40

41