Определение оптимальной связывающей сети

Содержание

Введение

       Обеспечение высокой помехоустойчивости устройств, построенных с использованием ЭВМ – одна из основных проблем, решаемых разработчиками средств вычислительной техники и систем управления. Повышение степени интеграции электронных средств и снижение энергетической мощности полезных сигналов с другой стороны, приводит к тому, что выделение полезных сигналов на фоне действующих помех становится сложной схемотехнической и программно-алгоритмической задачей. Особую сложность эта задача приобретает для систем, работающих в условиях воздействия помех, аналитический и статистический учет которых по различным причинам затруднен. Существенное влияние оказывает также факт физической удаленности ЭВМ от управляемого объекта.

       Совершенствование средств управления энергоемкими установками происходит в направлении перехода от релейно-контактной элементной базы к электронной, что приводит к необходимости разработки специальных мер защиты элементов интегральной электроники от электромагнитных помех, поскольку энергия помехи, не приводящая к срабатыванию ранее применявшихся электромагнитных реле, превышает порог срабатывания современных больших и сверхбольших интегральных схем во много раз.

       Одновременно  следует отметить, что возникающие  от грозовых разрядов, аварийных и коммутационных процессов в мощной системе электроснабжения или в мощной тяговой сети импульсные помехи могут вызвать не только ложное срабатывание аппаратуры, но и ее полное или частичное разрушение.

       Таким образом, проблема обеспечения надежности и устойчивости работы управляющих систем со встроенными ЭВМ в условиях весьма многочисленных, разнообразных по физической природе, частотным характеристикам и энергетическому спектру помех, является актуальной и своевременной задачей, требующей для своего решения особых, нетрадиционных подходов.  
 

       Задачи  данной курсовой работы заключаются:

       – в анализе мешающих влияний в каналах связи при передаче и преобразовании информации;

       – в теоретическом исследовании основ теории программной и аппаратной помехоустойчивости;

       – в изучении методов составления рациональных маршрутов на примере организации передачи пакетных файлов между запланированными узлами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Теоретическая часть

1.1 Территориальная сеть связи

       Территориальная сеть связи (ТКС) – это географически  распределенная сеть передачи данных (СПД), обеспечивающая оперативный и надежный обмен информацией между абонентами сети. Общепринятое название обменной информации – сообщение. Главные показатели эффективности ТКС –  верность и время доставки информации. Они зависят от пропускной способности каналов связи, числа и способов соединения каналов связи между абонентами, протоколов информационного обмена, и ряда других факторов.

       В ТКС используются телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые сети связи. В качестве линий связи применяются кабельные линии связи (от простейших телефонных до специальных коаксиальных и волоконно-оптических), радиорелейные линии связи, и радиолинии. Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Они имеют высокую пропускную способность передачи данных (сотни мегабит в секунду), и нечувствительны к внешним электромагнитным полям при отсутствии собственных электромагнитных излучений.

1.1.1 Разновидности каналов связи

       Линия связи состоит из физической среды, по которой передаются информационные сигналы, и аппаратуры передачи данных. Синоним термина – канал связи. Основной тип сигналов – электрические и электромагнитные.

       В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на проводные (воздушные), кабельные (в том числе волоконно-оптические) и радиоканалы наземной и спутниковой связи.

       Проводные линии связи представляют собой  открытые провода без изоляции и экранов. Они имеют низкую помехозащищенность и используются, в основном, для передачи телефонных и телеграфных сигналов.

       Кабели  представляют собой несколько проводников, заключенных в экранирующую и изолирующую оплетки. В компьютерных сетях применяются три типа кабелей: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные и волоконно-оптические кабели.

       Радиоканалы имеют передатчики и приемники  радиоволн, и отличаются друг от друга  частотным диапазоном, который определяет дальность радиосвязи. Для компьютерной связи используется диапазоны УКВ  и СВЧ, но для организации каналов в этих диапазонах необходима прямая видимость между передатчиком и приемником, или ретрансляция.

       Выделяют  три основных разновидности каналов  связи:

1. симплексный, при связи приемника с передатчиком по одному каналу, с однонаправленной передачей информации (например, в телевизионной и радиовещательной сетях);
2. полудуплексный, когда два узла связи соединены одним каналом, по которому информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (в информационно-справочных и запросно-ответных системах);
3. дуплексный, позволяет передавать данные одновременно в двух направлениях за счет использования четырехпроводной линии связи (два провода для передачи, два других – для приема данных), или двух полос частот.

       Для повышения достоверности передачи данных основной канал может снабжаться дополнительным (обратным) каналом небольшой пропускной способности (на 1-2 порядка меньше основного), который используется для передачи служебной информации. По этому каналу передаются, например, сигналы подтверждения приема блоков данных и запросы на повторную передачу блоков при обнаружении ошибок.

       Различают также выделенные (некоммутируемые) и коммутируемые на время передачи информации каналы связи. При использовании  выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи. Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерна небольшая стоимость, однако при этом имеют место потери времени на установление связи между абонентами (блокировки по приоритету и очередности).

       Системы телеобработки информации являются специализированными системами телекоммуникаций. Основная цель систем телеобработки данных (СТД) – обеспечить прием данных непосредственно с мест их получения и выдачу результатов обработки к местам использования. При этом нет необходимости в промежуточных носителях данных, повышается оперативность взаимодействия с ЭВМ, повышается скорость и эффективность работы системы, для которой производится обработка данных. Телеобработка позволяет использовать мощные ЭВМ с большими базами данных. С помощью линий связи к таким ЭВМ может подключаться значительное число пользователей, что обеспечивает высокий уровень загрузки и использования ЭВМ.

       Значительная  протяженность линий связи затрудняет возможность обмена отдельными сигналами  между ЭВМ и оконечным оборудованием. Поэтому взаимодействие ЭВМ и оконечного оборудования организуется с помощью сообщений – блоков данных, передаваемых в виде единого целого. Сообщения имеют специальную структуру, обеспечивающую представление в них наряду с собственно данными служебной информации, необходимой для идентификации сообщения и защиты данных от искажений. Возможность взаимодействия абонентов с ЭВМ только посредством сообщений вносит определенную специфику в организацию программного обеспечения телеобработки.

1.1.2 Виды передачи данных

       В сетях ТКС информация передается в аналоговой форме. Это единственно возможный способ передачи информации по каналам связи. При передаче цифровых данных выполняется цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование (ЦАП и АЦП) модемами на выходных и входных узлах связи. Для безошибочной передачи цифровых данных работа принимающего модема должна быть синхронизирована с работой передающего. Для этого используются два вида передачи данных: асинхронная и синхронная.

       Асинхронная передача реализуется по символьно-ориентированной схеме.  Каждая передаваемая последовательность состоит из стартового бита, за которым следуют информационные символы, и завершается стоповым битом. Асинхронный режим передачи используется для низкоскоростных устройств и устройств, у которых отсутствует буфер.

       Синхронная  передача применяется для высокоскоростной передачи данных. При символьно-ориентированной синхронной передаче блоку передаваемых символов предшествует один или несколько синхронизирующих символов. При побитно-ориентированной синхронной передаче в передаваемый блок данных перед сообщением включается флаг - специальная битовая последовательность.

       В зависимости от вида передачи данных используются соответственно синхронные и асинхронные модемы. Синхронная передача может проводиться только синхронными модемами, асинхронная  может выполняться и с помощью синхронных модемов.

       Применяется и гибридная схема передачи –  изохронная. Каждый символ в ней сопровождается стартовым и стоповым битами, а работа передающего и приемного модемов синхронизируется с помощью интервалов между передаваемыми символами.

       Пересылка данных в ТКС осуществляется последовательной передачей битов сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты передаются в виде модулированных или импульсно-кодовых электрических сигналов, которые зачастую называют цифровыми. Модулированные сигналы менее чувствительны к искажениям, обусловленным затуханием в передающей среде. Импульсно-кодовые сигналы  могут иметь одно или конечный набор значений в пределах определенного тактового интервала.

       1.2 Оценка качества функционирования систем связи

       Формирование  сигналов для передачи по линии связи  осуществляется аппаратурой передачи данных (Data Circuit terminating Equipment). Примерами DCE являются модемы. Подготовка данных для передачи осуществляется оконечным оборудованием данных (Data Terminal Equipment). Для усиления сигнала, проходящего через линию, а также для организации совместного использования линий связи (мультиплексирования и коммутации) может использоваться дополнительное оборудование.

       Хотя  сами сигналы в линиях связи всегда являются аналоговыми (непрерывными или кусочно-непрерывными), в зависимости от способа передачи данных линии связи делятся на цифровые и аналоговые. В цифровых линиях данные представляются сигналами, имеющими конечное число состояний, информация заключена в значениях сигнала в определенные моменты времени, причем сигнал может принимать конечное число значений. В аналоговых линиях используются сигналы с непрерывным диапазоном своих значений.

       При передаче данных в аналоговой форме  сигналы имеют более узкий спектр, поэтому их используют в линиях связи с узкой полосой пропускания, например в телефонных сетях. Цифровые сигналы имеют высокую скорость передачи данных, но более широкий спектр.

       Основные  характеристики канала связи – пропускная способность и достоверность передачи данных. Пропускная способность канала (количество информации, передаваемое в единицу времени) оценивается числом бит данных, передаваемых по каналу за единицу времени (в бит/с). Достоверность передачи данных оценивается по интенсивности битовых ошибок (Bit Error Rate), определяемой вероятностью искажения передаваемого бита данных. Величина BER для каналов связи без дополнительной защиты от ошибок составляет 10^-4-10^-6. Основная причина искажений – воздействие помех на линию связи. Помехи, как правило, носят импульсный характер и имеют тенденцию к группированию – образованию пачек помех, искажающих сразу группу соседних бит в передаваемых данных.

       1.2.1 Пропускная способность канала связи

       Пропускная  способность канала связи определяется полосой частот и помехоустойчивостью канала. Полоса частот, в которой амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) линии связи имеет значение не ниже заданного (например, по уровню 0.5) называется полосой пропускания. Полоса частот DF = f_в-f_н, где f_н и f_в – нижняя и верхняя границы частот, определяет диапазон частот, эффективно передаваемых по линии. Полоса частот зависит от типа линии и ее протяженности. Проводные линии связи имеют полосу частот примерно 10 кГц, кабельные – 100 кГц, коаксиальные – 100 МГц, радиорелейные – 1000 МГц, волоконно-оптические – 100 ГГц. Коротковолновая радиосвязь для передачи данных использует диапазон частот от 3 до 30 МГц.

       Помехоустойчивость  линии зависит от мощности помех, создаваемых в линии внешней  средой или возникающих в самой  линии. Обычно для уменьшения помех проводники экранируют или скручивают. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей помехоустойчивостью обладают кабельные линии, отличной – волоконно-оптические линии, не восприимчивые к электромагнитному излучению.

     Пропускная  способность канала зависит от ширины полосы частот линии связи и отношения мощностей сигнала и шума. Математически эта связь описывается формулами Шенона (1) и Найквиста (2). Максимальная пропускная способность канала, построенного на основе линии с полосой частот DF и отношением сигнал-шум Р_с/Р_ш, составляет (бит в секунду):

       Значение  (1+Р_с/Р_ш) определяет число уровней сигнала, которое может быть воспринято приемником. Так, если отношение Р_с/Р_ш>3, то единичный сигнал может переносить четыре значения – 2 бита информации.

       где М – число различимых состояний  сигнала.

       Практическая  пропускная способность канала зависит  от способа физического кодирования информации. При этом стремятся выбрать способ кодирования таким, чтобы максимально использовать возможности линии. Возможность применения на линии того или иного способа кодирования определяется полосой пропускания и затуханием сигнала. Затухание – это отношение амплитуд входного и выходного сигналов на заданной частоте для определенной длины линии связи, выражается в децибелах и вычисляется по формуле:

       При передаче данных широко используются двоичные сигналы, принимающие значения 0 и 1. Минимальная длительность такта, с которой могут передавался сигналы по каналу с полосой частот DF, равна T_min = 1/(2DF). Если вероятность искажения символов 0 и 1 из-за помех одинакова и равна p, то число двоичных символов, которые можно безошибочно передать по каналу в секунду:

     Это выражение определяет пропускную способность  двоичного канала. Величина в квадратных скобках определяет долю двоичных символов, которые передаются по каналу с частотой 2DF без искажений. Если помехи отсутствуют, вероятность искажения символа р=0 и пропускная способность C=2DF. Если вероятность искажения р=0,5, то пропускная способность С=0. Если по каналу передается сообщение длиной n двоичных символов, то вероятность появления в нем m ошибок:

       Телефонный  канал имеет полосу пропускания 3,1 кГц (диапазон частот 0,3-3,4 кГц). Коммутируемый  телефонный канал обеспечивает скорость передачи данных С=1200 бит/с, некоммутируемый  – до 9600 бит/с (коммутируемая сеть – когда тракт передачи информации создается по запросу абонента на время передачи сообщения, некоммутируемая – когда тракт передачи информации обеспечивается постоянным соединением между определенными абонентами и нет необходимости в коммутации).

       1.2.2 Причины потерь информации в системе связи

       Основной задачей системы связи является обеспечение максимальной скорости передачи при высоком качестве функционирования и экономичности системы. Под качеством функционирования при этом понимается минимизация потерь информации, что в конечном итоге трансформируется в обеспечение высокой верности передачи.

       Рассмотрим основные причины, приводящие к возможным потерям информации в системе связи. Они иллюстрируются схемой, представленной на рисунке

1. Основные причины потерь информации в системе связи

       На вход системы связи поступает поток сообщений, который далее может быть либо принят для передачи, либо не принят в связи с занятостью запоминающих или входных устройств системы связи. Поток сообщений, принятый для передачи, преобразуется в поток сигналов, предназначенных для передачи по каналу. Будим полагать используемые в системе связи каналы дискретными и в качестве сигналов рассматривать последовательности символов кода. При этом преобразовании также могут возникать определенные потери информации, вызванные ненадежностью в основном кодирующих устройств и каналообразующей аппаратуры.

       Поток символов, поступивший из канала к приемнику может быть принят и не принят по причине неисправности аппаратуры или по причине ее занятости приемом других информационных потоков. Однако даже если поток был принят приемником, под действием помех в канале связи могут возникать такие ошибки, которые делают невозможным достоверное выявление информации. Последнее имеет место, если введенной в информацию избыточности оказалось недостаточно для исправления ошибок, возникших под действием помех в канале связи.

       Таким образом, из потока сообщений, поступающих на входы системы связи, формируется некоторый поток потерянных сообщений. Независимо от места возникновения потерь информации основными причинами потерь являются помехи в каналах связи, неисправность аппаратуры и перегрузка обслуживающих или запоминающих устройств.

       Количественная оценка каждого из этих явлений может быть осуществлена с помощью теории вероятностей. Данное обстоятельство и позволяет сформировать единый информационный подход к оценке качества функционирования системы связи. Способность системы обеспечивать передачу информации с заданной верностью при воздействии помех в канале связи называют помехоустойчивостью.

       Наличие неисправности в аппаратуре приводит к ее неработоспособности. Под надежностью любой информационной системы понимают свойство системы выполнять свои функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах. При оценке качества системы связи необходимо учитывать возможность возникновения сбоев и отказов. Под сбоем обычно понимается самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности. Под отказом понимают нарушение работоспособности аппаратуры.

       Проблема надежности отличается от проблемы помехоустойчивости тем, что в случае отказа повторение одной и той же операции во времени не позволит обнаружить и исправить ошибку. Вместе с тем в системах с последовательными кодами одиночный отказ элемента может привести к неодиночной ошибке в выходном сигнале. Однако при соответствующем проектировании информационных систем основные методы обеспечения помехоустойчивой передачи информации могут быть применены к задаче конструирования надежных технических устройств. Также как и для повышения помехоустойчивости, для увеличения надежности необходимо вводить избыточность. В частности, с небольшими изменениями можно использовать большинство результатов теории кодирования при введении аппаратурной кодовой избыточности.

       Проблема помехоустойчивости в определенной степени является противоречивой по отношению к проблеме надежности. Если для увеличения помехоустойчивости необходимо увеличивать избыточность передаваемой информации, то это приводит к усложнению системы и если вводимая избыточность не рассчитывалась на исправление ошибок, возникших из-за неисправности аппаратуры, то снижается надежность. Только оценивая помехоустойчивость и надежность единым критерием, можно оценить общую эффективность построения системы связи. Свойство системы в отношении помехоустойчивости и надежности можно связать с количеством информации, проходящим через систему.

       Расчет вероятности потерь по причине отказа в обслуживании можно вести исходя из известных в теории массового обслуживания соотношений. 
Снижение этих потерь также может быть осуществлено путем введения избыточности в обслуживании. Она позволяет уменьшать время обслуживания информационных потоков, что в ряде случаев очень важно в связи с тем, что в задачах, связанных с оперативным управлением, регулированием или контролем, существенную роль играет старение информации, поэтому задержки могут оказаться эквивалентными потере информации.

       Значительную сложность представляет выбор между избыточностью в информации и избыточностью в обслуживании. Информационная избыточность приводит к увеличению времени обслуживания каждого сообщения. Поэтому для компенсации потерь, связанных с отказом в обслуживании, вносится избыточность в обслуживании (увеличивают объем памяти буферных запоминающих устройств; число декодеров и другое). Это усложняет аппаратуру и снижает надежность.

       Поэтому серьезной задачей является определение оптимальных соотношений по всем видам избыточности. Комплексный информационный подход к оценке потерь информации с учетом всех сторон функционирования технических средств позволяет добиться наивысшей эффективности работы системы связи.

       1.2.3 Типы кабелей, применяемых в компьютерных сетях

       В компьютерных сетях применяются  кабели, соответствующие стандартам. Наиболее употребительным является международный стандарт ISO/IEC 11801.

       В стандартах должны быть регламентированы следующие основные характеристики кабелей:

1. затухание (в дБ/м);
2. устойчивость кабеля к внутренним источникам помех;
3. импеданс (волновое сопротивление);
4. уровень внешнего электромагнитного излучения в проводнике.

       Для оценки перекрестных наводок, возникающих при использовании пары проводов в кабеле для передачи и приема, используется показатель NEXT (Near End Cross Tolk), рассчитываемый по формуле 20log₁₀(A_вых/A_вх), где A_вых и А_вх – амплитуды выходного и наведенного входного сигналов.

       Импеданс (волновое сопротивление) – эффективное входное сопротивление кабеля для переменного тока. При изменении напряжения реакция системы зависит не только от нагрузки на удаленном конце кабеля, а от эффективного сопротивления, которое определяется погонной емкостью и индуктивностью кабеля. Если нагрузка на кабеле не совпадает с его волновым сопротивлением (кабель рассогласован), то в кабеле возникают отражения сигнала от нагрузки (вплоть до возникновения стоячей волны при большом сопротивлении нагрузки), что приводит к невозможности передачи данных. Для обеспечения согласования необходимо, чтобы кабели в сети и концевые нагрузки имели одинаковое волновое сопротивление.

       Уровень внешнего электромагнитного излучения в проводнике характеризует помехозащищенность кабеля, то есть степень ослабления внешних помех от различных источников (линий электропередачи, средств связи, оргтехники и бытовой техники, электромоторов).

     Наиболее  широкое применение находят следующие  типы кабелей.

     Неэкранированная  витая пара UTP является наиболее употребительной в локальных сетях и подразделяется по категориям. Кабели категории 3 и 4 имеют рабочий диапазон до 16 и 20 МГц, предназначены для передачи данных со скоростью до 10 и 15 Мбит/с. Кабели категории 5 - наиболее распространенный вид, ориентированы на рабочий диапазон до 100 МГц. Кабели категорий 6 и 7 имеют рабочий диапазон 200 и 600 МГц и лучшие характеристики затухания и помехозащищенности, но используются редко из-за своей дороговизны. Волновое сопротивление кабелей витой пары составляет 100 Ом. Все кабели выпускаются в 4-парном исполнении.

     Экранированная  витая пара STP имеет лучшие характеристики по сравнению с неэкранированной. Основным стандартом, определяющим параметры кабелей данного типа, является стандарт фирмы IBM, в котором кабели разделены на девять типов.