Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей

 

1.Содержание

 

2. Рецензия

 

 

3.Задание на курсовую работу

 

Требуется спроектировать среднескоростное звено передачи данных между двумя пользователями, отстоящими друг от друга на расстояние L км.

В зависимости от исходных данных выбрать алгоритм повышения верности, а также протокол управления работой звена данных. Распределение ошибок в прямом и обратном каналах считать биноминальным с заданной вероятностью ошибки на единичный элемент Р0=5*10-4  .

Для повышения надежности работы звена ПД спроектировать трассу основной и вспомогательной магистралей. Требуемые показатели надежности (коэффициент готовности-Кг и вероятность безотказной работы-P(t)) обеспечить применением постоянного резервирования.

3.1.Требуется

I. Kpaткo описать принцип работы алгоритмов РOС-ОЖ и POC-НП, а также основных протоколов функционирования звена ПД (BSC и HDLC).

2. Определить оптимальную длину  кадра в звене ПД по максимуму средней относительной скорости передачи, R, для двух основных алгоритмов повышения верности - РОС-OЖ и POC-НП. Построить зависимости R=f(n) для РОС-ОЖ и POC-НП.

3. Для найденных в п.2 задания  значений оптимальной  длины кадра, nopt, выбрать оптимальной алгоритм повышения верности по минимуму эквивалентной вероятности ошибки  рэ.

4. В зависимости от результатов  п.3 задания выбрать протокол управления  звеном ПД (BSC или HDLC). Изобразить формат кадра соответствующего протокола, работающего в прозрачном режиме. Кратко пояснить суть метода обеспечения прозрачности, а также назначение основных полей кадра.

5. На основе исходных дaнных выбрать марку модема (АКД) по критерию минимальной стоимости в соответствии с методикой [2].

6. Определить объем передаваемой информации, W,при заданном темпе, Тпер, и критерии отказа ,toтк .

7. По географической карте РФ  выбрать два пункта (пользователя), отстоящего на L км, проложить основную и обходную магистрали, разбив ее на ряд участков длиной 500-1000 км. Пункты переприема привязать к крупным населенным пунктам. Учесть сложность строительства трассы как основной, так и резервной.

8. Рассчитать показатели надежности  основного и обходного звеньев  ПД.

9. Провести резервирование звеньев  ПД (основного и обходного) по  различным вариантам, обеспечив требования задания по надежности (коэффициент готовности и вероятность без отказной работы).

10. Сформулировать выводы 

3.2.Исходные данные

-    минимальное кодовое  расстояние помехоустойчивого кода, do= 5 ;

-    скорость распространении сигнала по передающей cредe , V= 80 000 км/с ;

-    среднее время  наработки  на отказ группового устройства, Т ry = 1500 ч.

-    среднее время в восстановлении  группового устройства  ;

-    среднее время восстановлении АКД ( модема), ;

-    вероятность ошибки  в дискретном канале р0 =5*10-4

• скорость модуляции В = 1200 Бод;
• длина L =5600 км.
• критерий отказа tотк,  = 90 с
• время передачи Tпер = 360 с.
• время безотказной работы аппаратуры окончания канала данных (АКД) ТАКД, = 380ч
• коэффициент готовности Кr = 0,985
• вероятность безотказной работы за 12 часов, Р(t=12ч) = 0,965 

 

       4.Принцип работы алгоритмов РОС ОЖ и РОС НП

4.1. Алгоритм работы РОС ОЖ

           Система с решающей обратной связью и ожиданием сигнала решения

 

ПЕРЕДАТЧИК

НАЧАЛО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДА 

ЗАПРОС

 

       НЕТ

 

 

 

 

   ПРИЕМНИК

         НАЧАЛО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  НЕТ

      Синдром = 0                                             ДА   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1

Передатчик по прямому каналу передает закодированную корректирующим кодом кодовую комбинацию КК и ожидает приема  сигнала обратной связи по обратному каналу. Если по обратному каналу принимается сигнал, соответствующий правильному приему переданной КК, то передается следующая КК, если же принимается сигнал запрос, то переданная КК повторяется. Минимальное время передачи одной КК в системе с ожиданием равно:

Т = tкомб + 2хtр + tос,

где  tкомб  - длительность кодовой комбинации,

tр  - время распространения сигналов между передатчиком и приемником,

tос, - длительность сигнала обратной связи.

 

Система с ожиданием обычно используется в тех случаях, когда длительность КК намного превышает сумму удвоенного времени распространения сигнала по прямому каналу и длительность сигнала обратной связи:

tкомб >> 2хtр + tос,

 

 

 

 

 

4.2. Алгоритм работы РОС НП

          Система с решающей обратной связью и непрерывной передачей.

ПЕРЕДАТЧИК

   НАЧАЛО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    

 

 

 

                                НЕТ

     ЗАПРОС

      

    

 

 

 

I = 1,h

 

 

 

 

 

 

ДА         

                    ЗАПРОС

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2

 

    ПРИЕМНИК   НАЧАЛО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДА

Синдром = 0

 

НЕТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3

 

В этой системе передатчик непрерывно передает последовательность комбинаций, не ожидая подтверждений. Приемник анализирует пришедшие комбинации и выдает по каналу обратной связи либо подтверждениие , либо переспрос. С момента передачи КК до момента получения сигнала ОС проходит время tож.

За это время передатчик успевает передать некоторое количество комбинаций.

При перезапросе неизбежно нарушается порядок следования комбинаций, однако получателю они должны поступать в правильном порядке. Чтобы не нарушался порядок, при переспросе используется блокировка. После обнаружения ошибки приемник стирает из своей памяти ошибочные комбинации и блокируется на h-1 комбинацию, а передатчик после получения сигнала переспроса повторяет h последних комбинаций, т.е. он повторяет ошибочную КК и h-1 следующую за ней.

 

5. Основные протоколы функционирования звена

передачи данных – BSC и HDLC

 

Большое распространение получили следующие виды протоколов :

• байт – ориентированные,
• бит – ориентированные.

В байт – ориентированных протоколах неделимой единицей выступает байт ( или символ первичного алфавита ) . Вся информация в пределах кадра кратна байту.

В бит – ориентированных протоколах неделимой единицей выступает бит  - один информационный разряд..

 

5.1. Структура байт-ориентированного протокола BSC

Протокол разработан фирмой IBM в 1968 г. Протокол работает на основе алгоритма РОС ОЖ. Альтернатива – DDCMP разработан  фирмой DEC, с использованием РОС НП.

8      8       8       не оговорено       8          8       не огов.        8       8          16     8       8       8      8

        SYN DLE  SON Заголовок кадра   DLE  STX  поле данных DLE  ETX  CRC  DLE  ETB  SYN SYN

     EOT

Рис.4

Применяемые в информационных и управляющих кадрах протокола BSC восьмибитовые управляющие символы можно разбить на три группы :

1. символы синхронизации: SYN,PAD.
2. Обрамляющие символы информационных кадров: SOH, STX, ETX, ETB, ITB.
3. Символы управления: ENQ, ACK0, ACK1, WACK, NAC, EOT, DLE, DISC.

 

Протокол BSC предусматривает три формата:

а) Весь пакет может располагаться в поле данных.

в) Весь пакет может быть разделен на части управляющими символами.

с) Формат управляющего кадра.

 

Для обеспечения «прозрачности» передачи -  возможность работы любым кодом (не только МТК – 5) используется байтстаффинг. Если  в пользовательских данных встречается символ DLE, то этому символу приписывается еще один символ DLE. Такая последовательность в протоколе BSC , как управляющая не имеет смысла, поэтому на приемной стороне она легко выявляется. В случае обнаружения подобной последовательности на приеме второй символ DLE удаляется, и данные поступают пользователю в исходном виде.

 

5.2. Структура бит-ориентированного протокола HDLC

 

Подобные протоколы были разработаны  в 70 – х  годах по инициативе ISO и по рекомендации МККТТ вошел во все протоколы HDLC.

 

Формат кадра  протокола HDLC.

 

            1         8            24                    1              16  1           8   

Flag

Header

Data

CRC

Flag

                         1     8 1      8 

01111110

ADR

CTRL

 

Разряды	1	2	3	4	5	6	7	8
Информационный кадр	0	N(S)			P/F	N(R)
Супервизор	1	0	S		P/F	N(R)
Ненумерованный кадр	1	1	M		P/F	M

Рис.5

В протоколе используется три вида кадров:

1. Информационный;
2. Управляющий (супервизор) – бывает 4-х видов;
3. Ненумерованный – бывает 17- видов.

Основным кадром является информационный. Поле адреса необходимо только для адреса получателя ( 256 адресов разбивается на 16-ть узлов с 19-тью оконечными пунктами).

Поля N(S) – посылающее и N(R) – принимающее, содержат порядковые номера переданных и принятых кадров соответственно. Нормальный формат этих полей, нумерующий – это нумерация по модулю 8 , расширенный формат – нумерация по модулю 128. Расширенная нумерация применяется на протяженных линиях, в которых одновременно может находиться большое число кадров.

Супервизор – вид кадров, обычно не включающий поле данных. Они используются для передачи подтверждений и запросов, согласий или отказов установления соединения, сообщения о разрыве соединения и т.п.

Ненумерованные кадры также не имеют поля данных и применяются для тестирования, проверок и диагностики. Разложение их производится с помощью полинома Р(х) = х16+х12+х5+1.

Исправляются ошибки алгоритмом РОС НП (возможно РОС-АП). Для защиты от вставок и выпадений используется циклическая нумерация кадров. Кроме того используется «механизм окна» или «тайм-аута» (если по истечении какого-либо времени после передачи кадров пользователь не получает никакой реакции, то он вновь передает тот же кадр). Использование всех этих мер в комплексе позволяет свести вероятность ошибки на бит до 10-8 – 10-9.

Прозрачность передачи информации в этом протоколе обеспечивается за счет битстаффинга (флаги разделяют кадры и когда по каналу не передается никакой информации по каналу передаются флаги).

Протокол может использоваться как в дуплексном, так и в полудуплексном режиме.

 

6.Определение оптимальной длины кадра в звене ПД

по максимуму средней относительной скорости передачи для алгоритмов РОС ОЖ и РОС НП

6.1. Оптимальная длина кадра в звене ПД «nотп» для алгоритма РОС ОЖ

 

Определим среднюю относительную скорость передачи:

 где

n- общее количество разрядов в поле данных, с учетом контрольной суммы,

k – длина поля данных без контрольной суммы,

t0 – длина одного единичного элемента,

Р00(n) – вероятность обнаруженной ошибки, в кодовой комбинации длиной n (информационная часть + контрольная сумма).

tож – время ожидания сигналов решения.

 

Для протоколов BSC минимальная длина пакета составляет 12 байт (96 единичных элементов).

k= n-r

где r- длина контрольной суммы, r=16 для BSC,

t0 = 1/В = 1/2400 = 4,166х10-4

где В = 2400 – скорость модуляции,

Время ожидания сигналов решения , tож, определяeтся из выражения:

             = 2х0,0625+0,1067=0,2317 с.;

где  = 6100/80000 = 0,0625 с время распространения сигнала;.

  = 8/75 = 0,1067

где n1 = 1 Байт = 8 ед.эл ;В1= 75 Бод.

         t.ак - время анализа кадра в приемнике;

         tас - время анализа сигналов решения в передатчике.

         Эти временные параметры,( t.ак, tас) не зависят от длины кадра в дискретном канале,

поэтому без потери общности можно принять tак = tас =0.

 

 

Для биномиальной модели дискретного канала:

                             

 где сочетаний будет:

    

Zобн – кратность гарантированного обнаружения ошибок,

Zобн = Dо – 1 = 5-1 = 4 , так как для циклического кода БХЧ ( Боуз-Чоудхури-Хоквингем) минимальное кодовое расстояние Dо = 5.

Ро – вероятность ошибки на единичный элемент . р0 =5*10-4

n=32, i = 1,

 

 

 

произведем расчет для всех значений n и полученные результаты сведем в таблицу 1:

таб.1

ni	C1i	C2i	C3i	C4i	Ki	Pooi	Rожi
32	32	496	4960	35960	16	0.01588	0.0268
64	64	2016	41664	635376	48	0.0315	0.07496
128	128	8128	341376	10668000	112	0.06201	0.15355
256	256	32640	2763520	174792640	240	012017	0.260
384	384	73536	9363584	891881376	368	0.17473	0.3230
512	512	130816	22238720	2829877120	496	0.2259	0.35945
640	640	204480	43486080	6925158240	624	0.27389	0.37879
768	768	294528	75202816	14382538560	752	0.31888	0.38681
896	896	400960	119486080	26675267360	880	0.36106	0.38719
1024	1024	523776	178433024	45545029376	1008	0.40059	0.38237
1152	1152	662976	254140800	73001944800	1136	0.43761	0.37405
1280	1280	818560	348706560	111324569280	1264	0.47227	0.3315
1408	1408	990528	464227456	163059893920	1392	0.50468	0.32108
1536	1536	1178880	602800640	231023345280	1520	0.53497	0.30998
2048	2048	2096128	1429559296	730862190080	2032	0,63691	0,28333
4096	4096	8386560	11444858880	11710951848960	4080	0,81403	0,16310

Далее расчет можно не производить, так как из таблицы видно, что средняя относительная скорость Rож уменьшается с увеличением длины кадра.

Выбираем  по таб. 1. Оптимальную длину кадра по максимальной средней относительной скорости передачи

nопт = 896

 

 

Построим график зависимости средней относительной скорости передачи от длины кадра R=f(n):

 

 

Rож

0,4

0,36

0,32

0,28

0,24

0,20

0,16

0,12

0,08

0,04

0

                      5         6          7         8         9          10       11        12           Log2(n)

рис.6 график зависимости средней относительной

 скорости  передачи от длины кадра R=f(n)

 

6.2. Оптимальная длина кадра в звене ПД «nопт»

для алгоритма РОС НП.

 

Средняя относительная скорость передачи для РОС НП рассчитывается по формуле:

где  h- емкость буферного накопителя,

остальные значения  такие же, как и в протоколе РОС ОЖ.

Для протокола HDLC минимальная длина пакета составляет 40 единичных элементов.

Емкость буферного накопителя рассчитывается по формуле:

где tож = 2хtp +toc = 2х0,0625+0,01667 =0,14167с.

= 5000/80000 = 0,0625 с время распространения  сигнала;.

 toc = n1/B1 = 40/2400=0.01667с.

Для n=32 буфер будет равен

 

 

 

 

 

 

Произведем расчет всех значений и полученные результаты сведем в таблицу 2.

Таблица 2

ni	C1i	C2i	C3i	C4i	Ki	Pooi	hi	Rнпi
32	32	496	4960	35960	16	0.01588	12	0.41889
64	64	2016	41664	635376	48	0.0315	7	0,61091
128	128	8128	341376	10668000	112	0.06201	4	0,69200
256	256	32640	2763520	174792640	240	0,12017	3	0,66501
384	384	73536	9363584	891881376	368	0.17473	2	0,67324
512	512	130816	22238720	2829877120	496	0.2259	2	0,61172
640	640	204480	43486080	6925158240	624	0.27389	2	0,55575
768	768	294528	75202816	14382538560	752	0.31888	2	0,50567
896	896	400960	119486080	26675267360	880	0.36106	2	0,46106
1024	1024	523776	178433024	45545029376	1008	0.40059	2	0,42128
1152	1152	662976	254140800	73001944800	1136	0.43761	2	0,38576
1280	1280	818560	348706560	111324569280	1264	0.47227	2	0,35397
1408	1408	990528	464227456	163059893920	1392	0.50468	2	0,32544
1536	1536	1178880	602800640	231023345280	1520	0.53497	2	0,2998
2048	2048	2096128	1429559296	730862190080	2032	0,63691	2	0,22008
4096	4096	8386560	11444858880	11710951848960	4080	0,81403	2	0,10212

Выбираем  по таб. 2. Оптимальную длину кадра по максимальной средней относительной скорости передачи

nопт = 128

 

 

Построим график зависимости средней относительной скорости передачи от длины кадра R=f(n):

 

 

Rнп

0,7

0,63

0,56

0,49

0,42

0,35

0,28

0,21

0,14

0,07

0

                      5         6          7         8         9          10       11        12           Log2(n)

рис.7. график зависимости средней относительной

 скорости  передачи от длины кадра R=f(n)

 

 

7. Расчет эквивалентной вероятности ошибки

Для найденных в  предыдущем разделе КР, значений оптимальной длины кадра, выбрать оптимальный алгоритм повышения верности по минимуму эквивалентной вероятности ошибки (рэ).

 

 

 

7.1. Расчет эквивалентной вероятности ошибки

 для алгоритма РОС ОЖ.

 

Рассчитаем вероятность необнаруженной ошибки:

где сочетаний будет:

     

l = Dо  , так как для циклического кода БХЧ ( Боуз-Чоудхури-Хоквингем) минимальное кодовое расстояние Dо = 5.

Ро – вероятность ошибки на единичный элемент . р0 =5*10-4

            

          

                   

Подставляя полученные значения в формулу получаем:

 

Эквивалентная вероятность ошибки для алгоритма РОС ОЖ рассчитывается по формуле:

 

7.2 Расчет эквивалентной вероятности

 ошибки для алгоритма РОС НП

 

Рассчитаем вероятность не обнаруженной ошибки:

 где сочетаний будет:

     

l = Dо  , так как для циклического кода БХЧ ( Боуз-Чоудхури-Хоквингем) минимальное кодовое расстояние Dо = 5.

Ро – вероятность ошибки на единичный элемент . р0 =5*10-4

n= 128

                   

          

                   

 

Подставляя полученные значения в формулу получаем:

 

 

Эквивалентная вероятность ошибки в алгоритме РОС НП меньше чем в алгоритме РОС ОЖ. Исходя из этого в качестве оптимального алгоритма повышения верности выбираем алгоритм РОС НП.

 

8.Выбор протокола управления звеном ПД

Алгоритму РОС НП соответствует протокол управлнеия звеном ПД HDLC. Опишем данный протокол.

 

Структура кадра, применяемая в протоколе HDLC или формат кадра, можно изобразить так:

Флаг	Адрес	Управление	Пакет поля данных	Поле проверки кадра	Флаг
F	A	C	I	CRC	F
01111110	8 бит	8/16 бит	N=128 бит	16 бит	01111110

 

Заголовок кадра включает в себя три поля. Начинается заголовок однобайтовым полем,  в котором находится открывающий флаг F. За ним следует однобайтовое адресное поле, в котором записывается адрес вторичной станции (версия ISO), либо направление передачи кадра по информационному каналу (версия МККТТ). Замыкает заголовок кадра однобайтовое поле  или двухбайтовое поле управления С.

Размер поля данных I определяется величиной содержащегося в нем пакета.

Концевик кадра является замыкающей частью всего кадра. Он состоит из двухбайтового поля проверки кадра, который содержит проверочную циклическую последовательность CRC. За полем проверки кадра следует закрывающий флаг, которым заканчивается любой кадр (информационный или управляющий).

Кадр, не обрамленный флагами или имеющий длину между флагами меньше 32 бит является ложным.

Если кадром сразу не передается последующий кадр, пространство между ними заполняется следующими друг за другом флагами, выполняющими здесь роль синхросимволов.

Поле кадра.

• Флаг F. Для определения начала конца кадра используется особая комбинация 0111110, являющаяся одновременно комбинацией кодовой синхронизации. Перед  отправлением кадра в информационный канал всегда выполняется операция битстаффинга.
• Адресное поле А. Адрес станции на уровне звена данных по версии ISO необходим чтобы допустить возможность наличия нескольких станций на одной линии. Адресное поле позволяет адресовать до 254 станции на одной линии. Для организации шлейфа выделен адрес 8 нулей, а глобальный адрес 8 единиц, присваевается тем кадрам-командам, которые должны принять и выполнить все станции. При этом любой кадр ответ должен содержать собственный адрес вторичной станции. Так как все диалоги происходят между первичными и вторичными станциями, то адресное поле указывает, в какой вторичной станции направлялся кадр и от какой приходит. В стандарте ISO предусматривается вводить расширение адресного поля. В этом случае адресное поле может состоять из цепочки байтов. В версии МККТТ для соединения «точка-точка» кадра содержащие команды, передаваемые из звена данных и ответы, передаваемые в звено данных имеют адрес А(11000000), а кадры, содержащие команды, передаваемые в звено данных и ответы, передаваемые из звена данных, имеют адрес В (1000000). Все принимаемые кадры с адресным полем, отличающимся от А и В, стираются.
• Поле проверки кадра. Это поле содержит информацию, позволяющую проверить кадр на наличие ошибки. Версия ISO не стандартизирует метод проверки кадра и поэтому наряду с CRC в этом поле могут размещаться контрольные суммы и другие виды проверки. Версия МККТТ использует метод, в котором двухбайтовый символ проверки является дополнением до 1, суммы по модулю 2, двух слагаемых : остатка от деления по модулю 2 на образующий полином Р(х) = х16+х12+х5+1. И последующего деления по модулю 2 на образующий полином. Образующий полином Рх предложен рекомендацией V-41МККТТ. Этот алгоритм проверки кажется сложным, однако, дает возможность полностью избежать нулевой последовательности и уменьшает вероятность не обнаружения ошибки во  флаге.
• Поле данных I. Определяется длиной вложенного в это поле пакета. Предпочтительная максимальная длина поля данных, самого пакета для протокола Х.25 ограничена 128байтами, хотя она может быть равна любому числу, являющемуся степенью двойки в пределах от16 до 1024.
• Поле управления. Записанные в это поле коды позволяют: определить тип кадра, сообщить номера переданного N(S) и ожидаемого на приеме N(R) кадров, передать либо команду, либо ответ, ввести функцию запроса ответа.

 

Пример кадра в протоколе HDLC

F	A	C	I	CRC	F
01111110	01111101	00110001	11111010….	1011011001010101	01111110

 

Битстаффинг

 

9. Выбор аппаратуры окончания

канала передачи данных (модема)

 

             В настоящее время в области  построения и применения АКД (модемов) достигнуты впечатляющие успехи. Если, традиционно, модем обеспечивал  только процедуру модуляции/демодуляции, реализуя функции только 1 уровня  ЭМВОС, то современные УПС обладают значительно более широкими возможностями, перекрывая и 1, и 2 уровни ЭМВOС, и решая некоторые задачи более высоких уровней (5 и б). Современный рынок модемов чрезвычайно богат и разнообразен, поэтому выбор конкретной марки АКД не тривиален и представляет cложную многокритериальную задачу.

          Для  выбора модема воспользуемся  методикой, разработанной в [2]. Причем  в процессе выбора следует  учитывать следующие моменты:

        - стоимость  модема должна быть минимальной;

        - модем должен работать по коммутируемым телефонным каналам ГТС и МТС;

- хотя звено дaнных является среднескоростным, скорость передачи информации

         модема  может быть и выше требуемой, что обеспечивает возможность  развития

         проектируемой системы ПД

        - модем должен  поддерживать, возможно, более полный  набор протоколов по видам

   модуляции, а для реализации алгоритма РOС-OЖ (протокол BSC) обязательно один из

   протоколов V.23, либо V.2б, либо V.2б bis, либо все вместе;

- модем должен поддерживать, возможно, более полный набор протоколов по защите от

   ошибок, причем в обязательном  порядке протокол V.42;

- конструктивное оформление модема  предпочтительнее выбирать как  внешнее, однако

   допускается применение  встроенных модемов;

- реализация протоколов по факсимильной передаче и сжатию данных для выбираемого

   модема не обязательна;

- поскольку преследуются только  учебные цели, выбираемый модем  может не иметь

   сертификата РФ.

Для определения марки модема воспользуемся следующими методами [2].

1. Метод главного критерия.
2. Метод экспертных оценок.
3. Метод оценки предпочтений.

Поскольку выставлено требование минимальной стоимости , то будем ориентироваться