Сети передачи данных и технологии построения сетей. Технологии передачи информации Спутниковые каналы передачи данных

Мы рассматривали историю развития компьютерных сетей. Рассмотрели все важные этапы становления сети Интернет и общие принципы ее работы.

Сегодняшняя наша тема будет называться: технологии передачи данных в сетях . Естественно, прежде всего, - компьютерных. В рамках данной статьи мы также рассмотрим основные средства передачи данных (понятия физических и логических интерфейсов), разберем основные технологии кодирования сигнала при его передаче, характеристики линий связи, а также - механизмы защиты от потерь.

Итак! Для чего существует сеть? Правильно, - для передачи по ней данных (информации). А как передается (распространяется) эта самая информация? Правильно, - через определенную среду передачи (кабельную инфраструктуру или - в диапазоне беспроводной связи).

Технологии передачи данных в своей работе используют (в зависимости от конкретной их реализации) различные физические интерфейсы.

Примечание: интерфейс это - физическая (или логическая) граница при взаимодействии нескольких независимых объектов - своеобразная прослойка между ними.

Интерфейсы делятся на две категории:

1. физические интерфейсы
2. интерфейсы логические

Физический интерфейс это - конечный порт подключения (разъем с группой электрических контактов). Например - интерфейс . А пара портов , соединенная с помощью разъемов и кабеля называется линией (каналом) передачи данных.

Логический интерфейс - это набор правил (протокол), который определяет саму логику обмена данными между связанными линией (сетью) устройствами.

Организация передачи данных в компьютерной сети происходит в тесном взаимодействии этих двух интерфейсов: физический компонент (сетевая карта) и логический (ее драйвер).

Обязательным условием для успешной реализации любой из технологий передачи данных является присутствие в потоке данных дополнительного компонента - протокола передачи .

Протокол передачи на логическом уровне представляет собой набор правил, которые определяют обмен данными между различными приложениями или устройствами. Эти правила задают единый способ передачи сообщений и обработки ошибок передачи. На физическом уровне протокол это - набор служебных данных, прикрепляющихся к основным пакетам (кадрам) информации, без которых просто невозможно эффективное взаимодействие в сети.

Протокол должен абстрагироваться (игнорировать) конкретную среду передачи, его задача - обеспечивать надежную связь между узлами в коммутационном облаке .

Давайте рассмотрим сам процесс организации передачи данных более подробно!

Сначала происходит вот что: приложение (программа) обращается к ОС за разрешением для сетевого взаимодействия с другим устройством (принтером, удаленным компьютером, камерой наблюдения и т.д.) Операционная система дает команду драйверу сетевой карты, который загружает в буфер карты первую порцию данных и инициирует работу интерфейса на передачу

На другом конце линии (сети) удаленное устройство принимает в буфер своей сетевой карты поступающие данные. После окончания передачи протокол проверяет нет ли в передаваемых частях (пакетах) данных ошибок (если надо запрашивает их повторную передачу) и загружает принятые данные из буфера карты в заранее зарезервированное пространство оперативной памяти. Оттуда уже конечное приложение (программа) извлекает информацию и работает с ней.

Вот - схемка, для наглядности (кликабельно):

На основании всего сказано выше, можно сделать такой вывод: технологии построения сети сводятся к тому, чтобы связать между собой удаленные устройства электрически и информационно! Т.е. - создать физическую среду передачи (кабель, беспроводная связь) и обеспечить общий протокол передачи данных по сети.

Клиент это - модуль (программа, служба, отдельный компьютер), служащий для формирования и передачи сообщений (запросов) к ресурсам удаленного устройства (серверу), с последующим приемом результатов от него и передачей их соответствующим приложениям на клиенте.

Сервер это - модуль (программа, служба...), который постоянно ожидает прихода из сети запросов от клиентов и обслуживающий (с участием локальной ОС) эти запросы.

Один сервер может обслуживать сразу множество клиентов.. Вот - еще пример: база данных, с которой работают клиенты. На них установлены клиентские модули программ, которые подключаются к базе и поддерживают только графический интерфейс работы с ней. Все вычисления и обработка, при этом, происходят на сервере и с использованием его ресурсов.

Познакомимся еще с одним определением! Клиент-серверная составляющая, которая предоставляет доступ к какому-то ресурсу компьютера через сеть называется сетевой службой . Причем, каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов.

Например: служба печати позволяет нам распечатывать документы на сетевом принтере, а файловая служба - получать доступ к данным, находящимся на удаленных компьютерах. Для серфинга по Интернету есть своя веб-служба, которая состоит из серверной части (веб-сервера) и клиентской (веб-браузера) пользователя (IE, Opera, Firefox и т.д.)

В свете всего сказанного выше, технологии передачи данных должны опираться не просто на операционные системы, а на сетевые ОС, которые предоставляют пользователю доступ к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров. Причем эти операционные системы, согласно изложенным выше определениям, также делятся на два больших класса: серверные и клиентские ОС.

Клиентские системы обращаются, в основном, с запросами к серверным компонентам других компьютеров а серверные компоненты серверной ОС предоставляют эти услуги. Конечно, на данный момент, практически любая современная ОС способна выполнять как роль клиента, так и сервера. Серверные системы просто изначально созданы из расчета обслуживания ими максимального количества обращений и обладают лучшей отказоустойчивостью (надежностью).

Вот, к примеру, какая "игрушка" стоит у нас в серверной:

Но о ней - в другой раз:)

Давайте теперь с Вами поговорим вот о чем: современные (цифровые) технологии передачи сигнала связаны с его преобразованием (кодированием). Зачем нам это нужно? На то есть несколько причин:

1. Предотвращение ошибок передачи данных (за счет уверенного распознавания сигнала принимающей стороной)
2. Данные передаются быстрее (за счет более высокой плотности полезной информации в потоке)

Как видите, это - уже две весьма веские причины для того, чтобы уделить методам кодирования должное внимание:)

На фото ниже представлено два сигнала: аналоговый (красная линия) и цифровой (черные "ступеньки")

В данном случае аналоговая последовательность была оцифрована (дискретизирована) с определенной частотой. Чем выше будет частота дискритизации, тем меньший шаг будут иметь наши "ступеньки" и тем более похож будет оцифрованный сигнал на исходный (красный).

Похожие процессы происходят и при дискретизации (оцифровке) нашего голоса, снимаемого со входа микрофона .

В вычислительной технике используется двоичный код . Внутри компьютера это эквивалентно двум состояниям: наличию и отсутствию электрического напряжения (логический «ноль» или «единица»). Здесь - все просто: есть ток - "единица", нету - "ноль".

Современные технологии передачи данных позволяют производить кодирование сигнала и другими (более эффективными) способами. Но прежде, - еще одна небольшая классификация. По способу реализации процедура делится на:

1. Физическое кодирование сигнала
2. и - логическое (на более высоком уровне - поверх физического)

Давайте сначала обзорно рассмотрим первый пункт. Есть, к примеру, потенциальный способ кодирования , при котором единице соответствует один уровень напряжения (один потенциал), а нулю - другой. А при импульсном способе , для представления цифр используются импульсы разной полярности.

Для технологии кодирования определенная проблема при передаче данных состоит в том, что внешние (по отношению к самому компьютеру) линии передачи данных могут быть растянуты на большие расстояния и подвержены воздействию различных помех и наводок. Это приводит к искажению эталонных прямоугольных импульсов передачи сигнала и нужны новые (надежные) алгоритмы его кодирования и передачи.

В вычислительных сетях применяется как потенциальное , так и импульсное кодирование. Также применяется и такой способ передачи данных, как модуляция .

При модуляции дискретные данные передаются с помощью синусоидального сигнала той частоты, которую хорошо передает имеющаяся в распоряжении линия связи.

Первые два варианта преобразования применяются для линий высокого качества, а модуляция используется в каналах с сильными искажениями сигнала. Модуляция, к примеру, используется в глобальных сетях при передаче трафика через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны специально для передачи голоса (аналоговой составляющей) и поэтому плохо подходят для передачи цифровых импульсов.

На сам способ передачи оказывает влияние и такая вещь, как количество проводников (жил) в линиях связи. Для снижения их стоимости количество проводов, зачастую, снижается. При такой технологии передача данных осуществляется последовательно, а не параллельно (как это принято для линий связи внутри компьютера).

К способам кодирования на физическом уровне относятся такие алгоритмы, как NRZ (Non Return Zero), Манчестерский код (Manchester ), MLT-3 (Multi Level Transmission) и ряд других. Не вижу особого смысла останавливаться на них подробно, если будет интересно - Вы всегда сможете почитать о них в Интернете. Короче, я - отмазался! :)

Давайте пару слов скажем и о логическом кодировании. Как можно понять из названия, оно осуществляется по верху физического (накладываясь на него) и служит для обеспечения дополнительной надежности при передаче данных. Каким же образом?

Например: если характер передаваемого сигнала долгое время не изменяется (при передаче длинных последовательностей логических нулей или единиц) приемник может ошибиться при считывании очередного бита информации. Он просто не сможет разложить общий поток данных на отдельные составляющие и, как следствие, - правильно собрать в своем буфере из них исходную структуру.

Логическое кодирование (которому подвергается исходная последовательность данных) внедряет в длинные последовательности бит свои биты с противоположным значением, или - вообще заменяет их другими последовательностями. Кроме того, оно позволяет улучшить спектральные характеристики сигнала, в целом - упростить его расшифровку, а кроме того - передавать в общем потоке дополнительные служебные сигналы управления.

В основном, для логического преобразования применяются три технологии:

1. вставка бит (bit stuffing)
2. избыточное кодирование
3. скремблирование

Также - не останавливаюсь отдельно (чтобы не занудить) :) основную идею Вы, надеюсь, уловили!

Коротко отчитаюсь следующим скриншотом:

На нем Вы можете видеть, как выглядит один и тот же сигнал, при наложении на него различных алгоритмов:

Технологии передачи данных имеют еще ряд проблем, с которыми приходится бороться. И одна из них - проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера и приемника другого. Согласитесь, что сложно будет разобраться в потоке данных, если два устройства начнут генерировать его одновременно "навстречу" друг другу. Начнется бардак! :)

Проблема же синхронизации удаленных компьютеров может решаться разными способами: путем обмена специальными тактовыми синхроимпульсами или же - передачей служебных данных, не имеющих отношения к основному потоку информации. Один из стандартных приемов, служащий для повышения надежности передачи это - подсчет контрольной суммы каждого байта (блока байтов) и передача этого значения принимающей стороне.

Примечание: контрольная сумма это - некоторое значение, рассчитанное путем "наложения" на данные определённого алгоритма и используемое для проверки их целостности при передаче. Контрольные суммы могут использоваться для быстрого сравнения двух наборов данных на их идентичность. Отличающиеся данные будут иметь разные контрольные суммы..

Еще одна технология подтверждения целостности данных это - обмен между взаимодействующими устройствами служебными сигналами-квитанциями , подтверждающими правильность приема. Зачастую эта функция по умолчанию включается в сам протокол сетевого взаимодействия.

Технологии передачи данных подразумевают передачу информации от одного компьютера к другому - в обеих направлениях. Даже в том случае, когда нам кажется, что мы только принимаем данные (например - скачиваем музыку), то на самом деле - обмен идет в двух направлениях. Просто есть основной поток данных (который интересует нас - музыка) и вспомогательный (служебный), идущий в обратном направлении, образуемый квитанциями об успешной (или не успешной) передаче.

В зависимости от того, могут ли они передавать данные в обоих направлениях или нет, физические каналы делятся на несколько видов:

• Дуплексный канал - обеспечивает одновременную передачу информации в обоих направлениях Дуплекс может состоять из двух независимых физических сред (один проводник на прием, второй - на передачу). Возможен и вариант, при котором одна среда используется для обеспечения дуплексного режима работы. В этом случае на клиентах применяются дополнительные алгоритмы выделения каждого потока данных из общего массива информации.
• Полудуплексный канал - также обеспечивает передачу в обоих направлениях, но не одновременно, а - по очереди. Т.е. в течение определенного времени данные передаются в одном направлении, а затем - в обратном.
• Симплексный канал - позволяет передавать информацию только в одном направлении. Дуплексный может состоять из двух симплексных каналов.

Ой, что-то много букв получилось:) Думаю, на сегодня - достаточно, будем продвигаться постепенно. В следующих статьях обязательно продолжим наше знакомство с , а пока что - до свидания, и - до следующих статей!

В завершение, посмотрите тематическое видео:

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Особенности систем передачи информации лазерной связи. История создания и развития лазерной технологии. Структура локальной вычислительной сети с применением атмосферных оптических линий связи. Рассмотрение имитационного моделирования системы.

дипломная работа , добавлен 28.10.2014


Современные цифровые технологии передачи информации. Система RFTS в корпоративной сети связи. Методика проектирования магистральной ВОЛС, расчет магистрали Уфа-Самара. Различия в физических параметрах одномодового и многомодовых оптических кабелей.

дипломная работа , добавлен 16.04.2015


Технологии построения сетей передачи данных. Обоснование программных и аппаратных средств системы передачи информации. Эргономическая экспертиза программного обеспечения Traffic Inspector. Разработка кабельной системы волоконно-оптических линий связи.

дипломная работа , добавлен 24.02.2013


Методы кодирования сообщения с целью сокращения объема алфавита символов и достижения повышения скорости передачи информации. Структурная схема системы связи для передачи дискретных сообщений. Расчет согласованного фильтра для приема элементарной посылки.

курсовая работа , добавлен 03.05.2015


Изучение закономерностей и методов передачи сообщений по каналам связи и решение задачи анализа и синтеза систем связи. Проектирование тракта передачи данных между источником и получателем информации. Модель частичного описания дискретного канала.

курсовая работа , добавлен 01.05.2016


Связь как возможность передачи информации на расстоянии. Понятие и типы сигнальных средств, их функциональные особенности, оценка роли и значения в экспедициях. Связь и сигнализация в арктических условиях, существующие технологии и методики, приемы.

реферат , добавлен 31.05.2013


Что такое ТСР? Принцип построения транкинговых сетей. Услуги сетей тракинговой связи. Технология Bluetooth - как способ беспроводной передачи информации. Некоторые аспекты практического применения технологии Bluetooth. Анализ беспроводных технологий.

курсовая работа , добавлен 24.12.2006

Современные системы передачи информации - ϶ᴛᴏ вычислительные сети. Совокупность всœех абонентов вычислительной сети называют абонентской сетью. Средства связи и передачи данных образуют сеть передачи данных (рис. 2.1).

Рис. 2.1 - Структурная схема сети ЭВМ.

Сеть передачи данных состоит из множества территориально рассредоточенных узлов коммутации, соединœенных друг с другом и с абонентами сети при помощи различных каналов связи.

Узел коммутации представляет собой комплекс технических и программных средств, обеспечивающих коммутацию каналов, сообщений или пакетов. При этом термин коммутацияозначает процедуру распреде­ления информации, при которой поток данных, поступающих в узел по одним каналам связи, передается из узла по другим каналам связи с учетом требуемого маршрута передачи.

Концентраторв сети передачи данных представляет собой устройство, объединяющее нагрузку нескольких каналов передачи данных для последую­щей передачи по меньшему числу каналов. Использование концентраторов позволяет снизить затраты на организацию каналов связи, обеспечиваю­щих подключение абонентов к сети передачи данных.

Канал связиявляется совокупностью технических средств и среды рас­пространения, обеспечивающей передачу сообщения любого вида от источника к получателю при помощи сигналов электросвязи.

Структура сети ЭВМ, построенная но принципу организации обмена информацией через узлы коммутации сети передачи данных, предполагает, что абоненты сети не имеют между собой прямых (выделœенных) каналов связи, а соединяется с ближайшим узлом коммутации и через него (и другие промежуточные узлы) с любым другим абонентом данной или даже другой сети ЭВМ.

Преимуществами построения сетей ЭВМ с использованием узлов коммутации сети передачи данных являются: значительное сокращение общего количества каналов связи и их протя­женности из-за отсутствия крайне важно сти организации прямых каналов между различными абонентами сети; высокая степень использования пропускной способности каналов свя­зи за счёт использования одних и тех же каналов для передачи различных видов информации между абонентами сети; возможность унификации технических решений по программно-техни­ческим средствам обмена для различных абонентов сети, включая созда­ние узлов интегрального обслуживания, способных осуществлять комму­тацию информационных потоков, содержащих сигналы данных, голоса, телœефакса и видео.

Сегодня в сетях передачи данных применяются три метода коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов.

При коммутации каналовв сети создается непосредственное соединœе­ние путем создания сквозного канала передачи данных (без промежуточ­ного накопления информации при передаче). Физический смысл коммутации каналов состоит по сути в том, что до момента начала передачи информации в сети через узлы коммутации устанавливается непосредственное электрическое соединœение между абонентом-отправителœем и получателœем сообщения. Такое соединœе­ние устанавливается путем посылки отправителœем специального со­общения-вызова, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ содержит номер (адрес) вызываемого або­нента͵ и при прохождении по сети занимает каналы связи на всœем пути последующей передачи сообщения. Очевидно, что при коммутации каналов всœе составные части формируемого сквозного канала связи должны быть свободными. В случае если на каком-либо участке сети не будет обеспечено прохождение вызова (к примеру, нет свободных каналов между узлами коммутации, составляющими путь передачи сообщения), то вызывающий абонент получает отказ в установлении соединœения и для сети его вызов считается потерянным Для осуществления передачи сообщения абонент-отправитель должен вызов повторить

После установления соединœения абонент-отправитель получает сооб­щение о том, что он может начинать передачу данных. Принципиальной особенностью коммутации каналов является то, что всœе каналы, занятые при установлении соединœения, используются в процессе передачи данных одновременно и освобождаются только после завершения передачи дан­ных между абонентами. Типичным примером сети с коммутацией каналов является сеть телœе­фонной связи.

При коммутации сообщенийпроизводится прием и накопление сооб­щения в узле коммутации, а затем осуществляется его последующая пере­дача. Из этого определœения следует основное отличие коммутации сооб­щений от коммутации каналов, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ состоит по сути в том, что при комму­тации сообщений происходит промежуточное хранение сообщений в уз­лах коммутации и производится их обработка (определœение приоритета сообщения, размножение для многоадресной рассылки, запись сообщения и архив и т.п.). Для обработки сообщений они должны иметь принятый в сети формат, то есть однотипное расположение отдельных элементов со­общения. Сообщение от абонента сначала поступает в узел коммутации сети, к которому подключен данный абонент. Далее в узле производится обработ­ка сообщения и определяется направление его дальнейшей передачи с учетом адреса. В случае если всœе каналы в выбранном направлении передачи заняты, то сообщение ожидает в очереди момента освобождения нужного канала. После достижения сообщением узла сети, к которому подключен абонент-получатель, сообщение выдается ему в полном объёме по каналу связи между этим узлом и абонентом. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, сообщение при прохождении по сети в любой момент времени занимает лишь один канал связи.

Коммутация пакетовопределяется как разновидность коммутации со­общений, при которой сообщения разбиваются на части, называемые па­кетами, и передаются, принимаются и накапливаются в виде таких пакетов данных.

Эти пакеты нумеруются и снабжаются адресами, что позволяем передавать их по сети одновременно и независимо друг от друга.

1. Введение

Понятие телекоммуникации

Элементы теории информации

1.3.1 Определения информации.

1.3.2 Количество информации

1.3.3 Энтропия

1.4. Сообщения и сигналы

Тема 2. Информационные сети

2.2. Конфигурация ЛВС.

Тема 3.

3.2. Эталонная модель (OSI)

Тема 4.

4.1. Проводные линии связи

4.2. Оптические линии связи

Тема 5.

Тема 6..

Тема 7.

7.2. Адресация в IP сетях

7.3. Протокол IP

Лекция 1

Телекоммуникации. Понятие информации. Системы передачи информации. Измерение количества информации

Понятие телекоммуникации

Прежде чем рассматривать технологии передачи информации, рассмотрим сети (системы), в которых передаются различные виды информация. Информация (звук, изображение, данные, текст) передается в телекоммуникационных и компьютерных сетях.

Телекоммуникации (греч. tele - вдаль, далеко и лат. communication - общение) - это передача и прием любой информации (звука, изображения, данных, текста) на расстояние по различным электромагнитным системам (кабельным и оптоволоконным каналам, радиоканалам и другим, проводным и беспроводным каналам связи).

Телекоммуникационная система – совокупность технических объектов, организационных мер и субъектов , реализующие процессы соединения, передачи, доступа к информации.

Телекоммуникационные системы вместе со средой для передачи данных образуют телекоммуникационные сети .

Телекоммуникационные сети целесообразно разделять по типу коммуникаций (сети телефонной связи, сети передачи данных т. д.) и рассматривать при необходимости в различных аспектах (технико-экономическом, технологическом, техническом и др.).

Примеры телекоммуникационных сетей:

– почтовая связь;

– телефонная связь общего пользования (ТФОП);

– мобильные телефонные сети;

– телеграфная связь;

– интернет – глобальная сеть взаимодействия компьютерных сетей;

– сеть проводного радиовещания;

– сеть кабельного радиовещания;

– сеть телевизионного и радиовещания;

и другие информационные сети.

Для реализации связи на расстоянии телекоммуникационные системы используют:

– системы коммутации;

– системы передачи данных;

– системы доступа и управления каналами передачи;

– системы преобразования информации.

Система передачи данных - это совокупность каналов связи , центров коммутации , процессоров телеобработки, мультиплексоров передачи данных и программных средств установления и осуществления связи.

Под системой передачи данных (СПД) понимается физическая среда (ФС), а именно: среда, по которой распространяется сигнал (например, кабель, оптоволокно (световод), радиоэфир и т.д.).

Настоящий курс лекций посвящен изучению технологии передачи информации на физическом, канальном и сетевом уровнях.

Важнейшим аспектом курса является понятие информации. В настоящее время не существует единого определения информации как научного термина.

Вот некоторые определения информации:

1. Информация (от лат. informatio - «разъяснение, изложение, осведомлённость») - это сведения (сообщения, данные), независимо от формы их представления .

2. Информация - сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явлениях и процессах независимо от формы их представления.

Информация уменьшает степень неопределенности , неполноту знаний о лицах, предметах, событиях и т.д.

В теории информации мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит, и количество информации называется энтропия .

В широком смысле, в каком слово часто употребляется в быту, энтропия означает меру неупорядоченности системы; чем меньше элементы системы подчинены какому-либо порядку , тем выше энтропия .

Чем больше информации , тем больше упорядоченности системы , и наоборот, чем меньше информации , тем выше хаос системы, тем выше ее энтропия .

Связь: информация – сообщение - сигнал

Сообщение- это информация, выраженная в определенной форме и предназначенная для передачи от источника к пользователю (тексты, фото, речь, музыка, телевизионное изображение и др.). Информация является частью сообщения, представляющая новизну, т.е. то, что ранее не было известно.

Сигнал - это физический процесс, распространяющийся в пространстве и времени, параметры которого способны отображать (содержать) сообщение.

Для передачи информации используют сигнал , который является физической величиной и с его параметрами так или иначе связана информация.

Таким образом, сигнал – это изменяющаяся определенным образом физическая величина . В телекоммуникационных системах и сетях используются электрические, оптические, электромагнитные и другие виды сигналов .

Телефонные сети

Первый этап развития телефонных сетей - телефонные сети общего пользования (ТфОП или PSTN). ТфОП – это совокупность АТС, которые объединены аналоговыми или цифровыми линиями связи (магистралями) или соединительными линиями, и пользовательского (оконечного) оборудования, подключенного к АТС по абонентским линиям. ТфОП используют технологию коммутации каналов. Достоинством сетей коммутации каналов является возможность передачи аудиоинформации и видеоинформации без задержек. недостатком - низкий коэффициент использования каналов, высокая стоимость передачи данных, повышенное время ожидания других пользователей.

Второй этап - телефонные сети ISDN. Современное поколение цифровой телефонной сети - ISDN. ISDN (Integrated Services Digital Network) - Цифровая сеть с интегрированными услугами , в которой по телефонным каналам передаются только цифровые сигналы, в том числе и по абонентским линиям.

В качестве линии ISDN BRI телефонная компания чаще использует медный кабель телефонной сети общего пользования (ТСОП), за счет чего снижается окончательная стоимость ISDN-линии.

Цифровые сети c интеграцией услуг ISDN можно использовать для решения широкого класса задач по передаче информации в различных областях, в частности: телефония; передача данных; объединение удаленных LAN; доступ к глобальным компьютерным сетям (Internet); передача трафика, чувствительного к задержкам (видео, звук); интеграция различных видов трафика.

Оконечным устройством сети ISDN могут быть: цифровой телефонный аппарат, отдельный компьютер с установленным ISDN-адаптером, файловый или специализированный сервер, мост или маршрутизатор LAN, терминальный адаптер с голосовыми интерфейсами (для подключения обычного аналогового телефона или факса), либо с последовательными интерфейсами (для передачи данных).

В Европе фактическим стандартом ISDN становится EuroISDN, который поддерживают большинство европейских телекоммуникационных провайдеров и производителей оборудования.

В настоящее время к сетям ТфОП и ISDN подключены центры коммутации сотовой связи (сотовые сети разных операторов соединены между собой), что обеспечивает звонки с сотовых телефонов на стационарные телефоны (ТфОП или ISDN) и наоборот.

Для связи сети Интернет (IP - сети) с ТфОП используются специальные аналоговые VoIP-шлюзы , а с ISDN применяются цифровые шлюзы VoIP . Голосовой сигнал из канала VoIP может непосредственно поступать на аналоговый телефон, подключенный к обычной телефонной сети ТфОП или на цифровой телефонный аппарат, подключенный к цифровой сети с интеграцией услуг ISDN.

В качестве первичных сетей в фиксированной телефонии используется медный кабель и PDH/SDH для объединения АТС .

Сотовая связь

Сотовая связь - это беспроводная телекоммуникационная система, состоящая из 1) сети наземных базовых приемо-передающих станций, 2) малогабаритных мобильных станций (сотовых радио-телефонов) и 3) сотового коммутатора (или центра коммутации мобильной связи). GSM (Global System for Mobile Communications)

Сотовая связь: 1G, 2G, 2,5G, 3G, 4G, 5G. GSM (Global System for Mobile Communications)

Телевизионные сети

Телевизионные сети (эфирные, кабельные, и спутниковые,) предназначены для передачи видео. Кабельное телевидение использует некоммутируемые каналы связи. Сначала видео было в аналоговом виде, затем, кабельное и спутниковое телевидение было переведено на цифровые сигналы. В настоящее время аналоговое телевещание прекращает свое существование, и все виды телевещания будут передавать сигналы в цифровом виде.

Цифровое телевещание основано на открытых стандартах и развивается под контролем консорциума DVB.

Наибольшее распространение получили системы:

· цифрового спутникового вещания - DVB-S (DVB-S2);

· цифрового кабельного вещания - DVB-C;

· цифрового эфирного вещания - DVB-T (DVB-T2);

· цифрового вещания для мобильных устройств - DVB-H ;

· телевидение по IP – DVB (IPTV) ;

· Интернет- телевидение или потоковое т вещание(Internet-TV ).

Что касается DVB-H, DVB-IPTV и Internet-TV , то это результат интеграции (конвергенции) различных сетей, а также терминальных устройств.

Мобильное телевидение DVB-H - это технология мобильного вещания, позволяющая передавать цифровой видеосигнал через Интернет на мобильные устройства, такие как КПК, мобильный телефон или портативный телевизор.

Важно отметить, что IPTV (IP через DVB или IP по MPEG) - это не телевидение, которое вещает через Интернет. IPTV напоминает обычное кабельное телевидение, только к терминалу абонента оно приходит не по коаксиальному кабелю, а по тому же каналу, что и интернет (ADSL модем или Ethernet).

IPTV представляет собой трансляцию каналов (обычно получаемых со спутников), преимущественно в форматах MPEG2/MPEG4 по транспортной сети провайдера, с последующим просмотром на компьютере с помощью одного из видеоплейеров - VLC-player либо IPTV - Player или на телевизоре с помощью специального специализированного устройства Set Top Box.

Потоковая трансляция видео (Internet-TV ). Модель вещания в Internet-TV существенно отличается от других концепций. Потоковым видео (Streaming Video) называют технологии сжатия и буферизации данных, которые позволяют передавать видео в реальном времени через Интернет.

Компьютерные сети

Первичные сети

В настоящее время в сети Internet используются практически все известные линии связи от низкоскоростных телефонных линий до высокоскоростных цифровых спутниковых каналов.

Каналы связи глобальных сетей организуются первичными сетями технологий FDM, PDH/SDH, DWDM (ДиДаблЮ ДиЭм).

Так как трафик IP сегодня является непременным атрибутом любой сети передачи данных и не поддерживать его просто невозможно, то для предоставления качественных услуг большинство крупных глобальных сетей, особенно сетей операторов связи, строится по четырехуровневой схеме.

Рис. 10. Четырехуровневая структура современной глобальной сети

Два нижних уровня не относятся к собственно пакетным сетям - это уровни первичной сети .

Первичные, или опорные, сети предназначены для создания коммутируемой инфраструктуры . На основе каналов, образованных первичными сетями, работают вторичные (компьютерные или телефонные ) сети.

На нижнем уровне работает наиболее скоростная на сегодняшний день технология Dense Wavelength Division Multiplexing (Плотное мультиплексирование с разделением по длине волны) DWDM, образующая спектральные скорости 10 Гбит/с и выше. Wavelength Division Multiplexing (WDM ) - технология оптического спектрального уплотнения , называемая обычно мультиплексированием с разделением по длине волны . К WDM (DWDM, CWDM) мультиплексору можно подключить практически любое оборудование: SONET/SDH, ATM, Ethernet.

На следующем уровне работает технология SDH (синхронная цифровая иерархия ). Стандарты SDH / PDH разработаны для высокоскоростных оптических сетей связи – сначала PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy, плезиохронная цифровая иерархия ), а затем и более совершенная SDH (Synchronous Digital Hierarchy, синхронная цифровая иерархия ), распространенная в Европе, и ее американский аналог SONET. SONET/SDH предполагает использование метода временного мультиплексирования и синхронизацию временных интервалов трафика между элементами сети и определяет уровни скоростей прохождения данных и физические параметры.

Третий уровень образован сетью АТМ, основным назначением которой является создание инфраструктуры постоянных виртуальных каналов, соединяющих интерфейсы маршрутизаторов IP, работающих на третьем, верхнем уровне глобальной сети.

Уровень IP образует составную сеть и обеспечивает услуги конечным пользователям, передающим по глобальной сети свой IP-трафик транзитом или взаимодействующим по IP с Интернетом.

В Интернете применяются и "чистые" сети IP, называемые так из-за того, что под уровнем IP нет другой сети с коммутацией пакетов, такой как АТМ.

Структура "чистой" сети IP представлена на рис. ниже.

Рис. 11. Структура "чистой" сети IP

В такой сети цифровые каналы по-прежнему образуются инфраструктурой двух нижних уровней, а этими каналами непосредственно пользуются интерфейсы маршрутизаторов IP, без какого-либо промежуточного слоя.

Развитие коммуникационных сетей показало необходимость интеграции звука, изображений и других типов данных для возможности их совместной передачи. Так как дискретные каналы связи надежней и экономичней аналоговых каналов связи, то за основу были приняты именно они. В этой связи число аналоговых сетей быстро сокращается и они заменяются дискретными.

Softswitch

Softswitch (программный коммутатор)- гибкий программный коммутатор, один из основных элементов уровня управления сети связи следующего поколения NGN

Рис. 15. Softswitch в составе Сети Связи Общего Пользования

Softswitch - это устройство управления сетью NGN, призванное отделить функции управления соединениями от функций коммутации, способное обслуживать большое число абонентов и взаимодействовать с серверами приложений, поддерживая открытые стандарты. SoftSwitch является носителем интеллектуальных возможностей IP-сети, он координирует управление обслуживанием вызовов, сигнализацию и функции, обеспечивающие установление соединения через одну или несколько сетей.

Также немаловажной функцией программного коммутатора является связь сетей следующего поколения NGN с существующими традиционными сетями ТфОП, посредством сигнального(SG) и медиа-шлюзов (MG).

Технологии передачи информации

Тема 1. Основные понятияинформациии систем передачи информации

1. Введение

Понятие телекоммуникации

Элементы теории информации

1.3.1 Определения информации.

1.3.2 Количество информации

1.3.3 Энтропия

1.4. Сообщения и сигналы

1.5. Основные направления развития телекоммуникационных технологий

Тема 2. Информационные сети

2.1. Характеристики и классификация информационных сетей

2.2. Конфигурация ЛВС.

2.3. Базовые сетевые топологии

2.4. Сетевые технологии локальных сетей

2.5. Способы построения информационных сетей

Тема 3. Архитектуры информационных сетей

3.1. Многоуровневая архитектура информационных сетей

3.2. Эталонная модель (OSI)

Тема 4. Линии связи и каналы передачи данных

4.1. Проводные линии связи

4.2. Оптические линии связи

4.3. Беспроводные каналы связи

4.4. Спутниковые каналы передачи данных

Тема 5. Технологии передачи данных на физическом уровне

5.1 Основные функции физического уровня

5.2. Способы преобразования дискретных сигналов (модуляция и кодирования):

5.2.1. Аналоговая модуляция дискретных сигналов (АМ, ЧМ, ФМ)

5.2.2. Цифровое кодирование дискретных сигналов (импульсное и потенциальное)

5.3. Импульсно-кодовая модуляция аналоговых сигналов

5.4. Способы мультиплексирования:

5.4.1. Способ частотного мультиплексирования FDM

5.4.2. Мультиплексирование с разделением по времени TDM

5.4.3. По длине волны WDM (в оптоволоконных каналах связи)

Тема 6.Технологии передачи данных на канальном уровне .

6.1. Технологии передачи данных на канальном уровне в ЛВС и выделенных линиях (Ethernet, Token Ring, FDDI; SLIP, HDLC, PPP)

6.2. Технологии передачи данных на канальном уровне в глобальных сетях или транспортные технологии уровня магистрали (X.25, Frame Relay, ATM, MPLS, Ethernet; ISDN, PDH, SDH/SONET, WDM/DWDM)

Тема 7. Технологии передачи информации на сетевом уровне в составных сетях (IP-сетях)

7.1. Объединение сетей на основе сетевого уровня

7.2. Адресация в IP сетях

7.3. Протокол IP

7.4. Маршрутизация в сетях передачи данных.

7.5. Управление потоками данных.

Учебная программа курса объемом 108 академических часов состоит из одного содержательного (учебного) модуля объемом 3 кредитов (объем кредита ECTS составляет 36 академических часов) и состоит из аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов.

Практически у любой современной компании существует потребность в улучшении эффективности сетей и технологий компьютерных систем. Одно из необходимых условий для этого - беспрепятственная передача информации между серверами, хранилищами данных, приложениями и пользователями. Именно способ передачи данных в информационных системах часто становится "бутылочным горлышком" по производительности, сводя на нет все преимущества современных серверов и систем хранения. Разработчики и системные администраторы пытаются устранить наиболее очевидные узкие места, хотя и знают, что после устранения узкого места в одной части системы оно возникает в другой.

На протяжении многих лет узкие места возникали преимущественно на серверах, но по мере функционального и технологического развития серверов они стали перемещаться в сети и системы сетевого хранения данных. В последнее время созданы очень крупные массивы хранения, что переносит узкие места обратно в сеть. Рост объемов данных и их централизация, а также требования приложений нового поколения к пропускной способности часто поглощают всю имеющуюся полосу пропускания.

Когда перед менеджером информационной службы встает задача создания новой или расширения имеющейся системы обработки информации, одним из важнейших вопросов для него будет выбор технологии передачи данных. Эта проблема включает в себя выбор не только сетевой технологии, но и протокола соединения различных периферийных устройств. Наиболее популярные решения, широко применяемые для построения сетей хранения SAN (Storage Area Network), - это Fibre Channel, Ethernet и InfiniBand.

Технология Ethernet

Сегодня технология Ethernet занимает лидирующее положение в секторе высокопроизводительных локальных сетей. Во всем мире предприятия вкладывают средства в кабельные системы и оборудование для Ethernet, в обучение персонала. Широкое распространение этой технологии позволяет удерживать низкие цены на рынке, а стоимость внедрения каждого нового поколения сетей имеет тенденцию к снижению. Постоянный рост объема трафика в современных сетях заставляет операторов, администраторов и архитекторов корпоративных сетей присматриваться к более быстрым сетевым технологиям, чтобы решить проблему дефицита пропускной способности. Добавление в семейство Ethernet стандарта 10-Gigabit Ethernet позволяет поддерживать в локальных сетях новые ресурсоемкие приложения.

Появившись более четверти века назад, технология Ethernet вскоре стала доминирующей в построении локальных сетей. Благодаря простоте инсталляции и сопровождения, надежности и низкой стоимости реализации ее популярность выросла настолько, что сегодня можно смело утверждать - почти весь трафик в Интернете начинается и заканчивается в Ethernet-сетях. Стандарт IEEE 802.3ae 10-Gigabit Ethernet, одобренный в июне 2002 г., стал поворотным пунктом в развитии этой технологии. С его появлением область использования Ethernet расширяется до масштабов городских (MAN) и глобальных (WAN) сетей.

Существует целый ряд рыночных факторов, которые, по утверждению отраслевых аналитиков, способствуют выходу технологии 10-Gigabit Ethernet на первый план. В развитии сетевых технологий уже стало традиционным появление альянса компаний-разработчиков, основная задача которого состоит в продвижении новых сетей. Не стала исключением и 10-Gigabit Ethernet. У истоков этой технологии стояла организация 10-Gigabit Ethernet Alliance (10 GEA), в которую входили такие гиганты индустрии, как 3Com, Cisco, Nortel, Intel, Sun и множество других (всего более ста) компаний. Если в предшествующих версиях Fast Ethernet или Gigabit Ethernet разработчики позаимствовали отдельные элементы других технологий, то спецификации нового стандарта создавались практически с нуля. Кроме того, проект 10-Gigabit Ethernet был ориентирован на крупные транспортные и магистральные сети, например, масштаба города, в то время как даже Gigabit Ethernet разрабатывался исключительно для применения в локальных сетях.

Стандарт 10-Gigabit Ethernet предусматривает передачу информационного потока на скорости до 10 Гбит/с по одно- и многомодовому оптическому кабелю. В зависимости от среды передачи расстояние может составлять от 65 м до 40 км. Новый стандарт должен был обеспечить выполнение следующих основных технических требований:

• двунаправленный обмен данными в дуплексном режиме в сетях топологии точка-точка;
• поддержка скорости передачи данных 10 Гбит/с на МАС-уровне;
• спецификация физического уровня LAN PHY для соединения с локальными сетями, оперирующего на МАС-уровне со скоростью передачи данных 10 Гбит/с;
• спецификация физического уровня WAN PHY для соединения с сетями SONET/SDH, оперирующего на МАС-уровне со скоростью передачи данных, совместимой со стандартом OC-192;
• определение механизма приспособления скорости передачи данных уровня МАС к скорости передачи данных WAN PHY;
• поддержка двух типов оптоволоконного кабеля - одномодового (SMF) и многомодового (MMF);
• спецификация независимого от среды передачи интерфейса XGMII*;
• обратная совместимость с предыдущими версиями Ethernet (сохранение формата пакета, размера и т. п.).

* XG здесь означает 10 Gigabit, а MII - Media Independent Interface.

Напомним, что стандарт 10/100 Ethernet определяет два режима: полудуплексный и дуплексный. Полудуплексный в классической версии предусматривает использование разделяемой среды передачи и протокола CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection). Основные недостатки этого режима - потеря эффективности при возрастании числа одновременно работающих станций и дистанционные ограничения, связанные с минимальной длиной пакета (составляющей 64 байта). В технологии Gigabit Ethernet для сохранения минимальной длины пакета применяется техника расширения несущей, которая дополняет его до 512 байт. Поскольку стандарт 10-Gigabit Ethernet ориентирован на магистральные соединения типа точка-точка, полудуплексный режим не входит в его спецификацию. Следовательно, в данном случае длина канала ограничивается только характеристиками физической среды, используемыми устройствами приема/передачи, мощностью сигнала и методами модуляции. Необходимую же топологию можно обеспечить, например, с помощью коммутаторов. Дуплексный режим передачи дает также возможность сохранить минимальный размер пакета 64 байта без применения техники расширения несущей.

В соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем (OSI) сетевая технология определяется двумя нижними уровнями: физическим (Layer 1, Physical) и канальным (Layer 2, Data Link). В этой схеме уровень физических устройств Ethernet (PHY) соответствует Layer 1, а уровень управления доступом к среде (МАС) - Layer 2. В свою очередь, каждый из этих уровней в зависимости от реализуемой технологии может содержать несколько подуровней.

Уровень МАС (Media Access Control - уровень управления доступом к среде) обеспечивает логическое соединение между МАС-клиентами одноранговых (равноправных) рабочих станций. Его основные функции -инициализация, управление и поддержание соединения с одноранговым узлом сети. Очевидно, что нормальная скорость передачи данных от МАС-уровня к физическому уровню PHY для стандарта 10 Gigabit Ethernet составляет 10 Гбит/с. Однако уровень WAN PHY для согласования с сетями SONET OC-192 должен передавать данные с несколько меньшей скоростью. Это достигается с помощью механизма динамической адаптации межкадрового интервала, предусматривающего его увеличение на предопределенный отрезок времени.

Подуровень согласования Reconciliation Sublayer (рис. 1) представляет собой интерфейс между последовательным потоком данных МАС-уровня и параллельным потоком подуровня XGMII. Он отображает октеты данных МАС-уровня на параллельные тракты XGMII. XGMII - это независимый от среды интерфейс 10 Gigabit. Основная его функция заключается в том, чтобы обеспечить простой и легко реализуемый интерфейс между канальным и физическим уровнями. Он изолирует канальный уровень от специфики физического и тем самым позволяет первому работать на едином логическом уровне с различными реализациями второго. XGMII состоит из двух независимых каналов приема и передачи, по каждому из которых передаются 32 бита данных по четырем 8-разрядным трактам.

Рис. 1. Уровни 10-Gigabit Ethernet.

Следующая часть стека протоколов относится к физическому уровню 10 Gigabit Ethernet. Архитектура Ethernet разбивает физический уровень на три подуровня. Подуровень физического кодирования PCS (Physical Coding Sublayer) выполняет кодирование/декодирование потока данных, поступающих от канального уровня и к нему. Подуровень подключения к физической среде PMA (Physical Media Attachment) - это параллельно-последовательный (прямой и обратный) преобразователь. Он выполняет преобразование группы кодов в поток битов для последовательной бит-ориентированной передачи и обратное преобразование. Этот же подуровень обеспечивает синхронизацию приема/передачи. Зависимый от среды передачи данных подуровень PMD (Physical Media Dependent) отвечает за передачу сигналов в данной физической среде. Типичные функции этого подуровня - формирование и усиление сигнала, модуляция. Разные PMD-устройства поддерживают различные физические среды передачи. В свою очередь, зависимый от среды интерфейс MDI (Media Dependent Interface) задает типы коннекторов для разных физических сред и PMD-устройств.

Технология 10-Gigabit Ethernet обеспечивает низкую по сравнению с альтернативными стоимость владения, включая как стоимость приобретения, так и поддержки, поскольку имеющаяся у заказчиков инфраструктура сетей Ethernet легко взаимодействует с ней. Кроме того, 10 Gigabit Ethernet привлекает администраторов уже знакомой организацией управления и возможностью применить накопленный опыт, так как она использует процессы, протоколы и средства управления, уже развернутые в существующей инфраструктуре. Стоит напомнить, что этот стандарт предоставляет гибкость при проектировании соединений между серверами, коммутаторами и маршрутизаторами. Таким образом, технология Ethernet предлагает три основных преимущества:

• простоту эксплуатации,
• высокую пропускную способность,
• низкую стоимость.

Кроме того, она проще некоторых других технологий, потому что позволяет связывать сети, расположенные в разных местах, как части единой сети. Пропускная способность Ethernet наращивается шагами от 1 до 10 Гбит/с, что позволяет эффективнее использовать емкость сети. Наконец, оборудование Ethernet, как правило, более экономически эффективно по сравнению с традиционным телекоммуникационным оборудованием.

Для иллюстрации возможностей технологии приведем один пример. С помощью сети 10-Gigabit Ethernet группа ученых, работающих над проектом Japanese Data Reservoir (http://data-reservoir.adm.s.u-tokyo.ac.jp), передавала данные из Токио в расположенный в Женеве научно-исследовательский центр физики элементарных частиц CERN. Линия передачи данных пересекла 17 часовых поясов, а ее протяженность составила 11 495 миль (18 495 км). Линия 10-Gigabit Ethernet соединила компьютеры в Токио и Женеве как часть одной и той же локальной сети. В сети применялось оптическое оборудование и коммутаторы Ethernet от Cisco Systems, Foundry Networks и Nortel Networks.

В последние годы Ethernet стали широко применять и операторы связи - для соединения объектов в пределах города. Но сеть Ethernet может протянуться еще дальше, охватив целые континенты.

Fibre Channel

Технология Fibre Channel дает возможность принципиально изменить архитектуру компьютерной сети любой крупной организации. Дело в том, что она хорошо подходит для реализации централизованной системы хранения данных SAN, где дисковые и ленточные накопители находятся в своей отдельной сети, в том числе территориально довольно сильно удаленной от основных корпоративных серверов. Fibre Channel - это стандарт последовательных соединений, предназначенных для высокоскоростных коммуникаций между серверами, накопителями, рабочими станциями и концентраторами и коммутаторами. Отметим, что этот интерфейс практически универсален, он используется не только для подключения отдельных накопителей и хранилищ данных.

Когда появились первые сети, призванные объединить компьютеры для совместной работы, удобным и эффективным оказалось приблизить ресурсы к рабочим группам. Таким образом, в попытке минимизировать сетевую нагрузку накопители информации были равномерно разделены между множеством серверов и настольных компьютеров. В сети одновременно существуют два канала передачи данных: собственно сеть, по которой идет обмен между клиентами и серверами, и канал, по которому происходит обмен данными между системной шиной компьютера и устройством хранения. Это может быть канал между контроллером и жестким диском или между RAID-контроллером и внешним дисковым массивом.

Такое разделение каналов во многом объясняется различными требованиями к пересылке данных. В сети на первом месте стоит доставка нужной информации одному клиенту из множества возможных, для чего необходимо создать определенные и весьма сложные механизмы адресации. Кроме того, сетевой канал предполагает значительные расстояния, поэтому здесь для передачи данных предпочтительно последовательное соединение. А вот канал хранения выполняет крайне простую задачу, предоставляя возможность обмена с заранее известным накопителем данных. Единственное, что от него требуется, - делать это максимально быстро. Расстояния здесь, как правило, небольшие.

Однако современные сети сталкиваются с задачами обработки все больших и больших объемов данных. Высокоскоростные мультимедиа-приложения, обработка изображений требуют гораздо большей скорости ввода-вывода, чем когда-либо ранее. Организации вынуждены хранить все большие объемы данных в режиме online, что требует увеличения емкости внешней памяти. Необходимость страхового копирования огромных объемов данных требует разнесения устройств вторичной памяти на все большие расстояния от серверов обработки. В ряде случаев оказывается, что объединить ресурсы серверов и накопителей в единый пул для центра обработки информации с помощью Fibre Channel гораздо эффективнее, чем при использовании стандартного набора сеть Ethernet плюс интерфейс SCSI.

Институт ANSI зарегистрировал рабочую группу по разработке метода для высокоскоростного обмена данными между суперкомпьютерами, рабочими станциями, ПК, накопителями и устройствами отображения еще в 1988 г. А в 1992 г. три крупнейших компьютерных компании - IBM (http://www.ibm.com), Sun Microsystems (http://www.sun.com) и HP (http://www.hp.com) создали инициативную группу FSCI (Fiber Channel Systems Initiative), перед которой была поставлена задача разработать метод быстрой передачи цифровых данных. Группа выработала ряд предварительных спецификаций - профилей. Поскольку физической средой для обмена информацией должны были стать волоконно-оптические кабели, то и в названии технологии фигурировало слово fiber. Однако несколько лет спустя в соответствующие рекомендации была добавлена возможность использовать и медные провода. Тогда комитет ISO (International Standard Organization) предложил заменить английское написание fiber французским fibre, чтобы как-то уменьшить ассоциации с волоконно-оптической средой, сохранив при этом практически первоначальное написание. Когда предварительная работа по профилям была завершена, дальнейшую работу по поддержке и развитию новой технологии взяла на себя Ассоциация разработчиков волоконно-оптического канала FCA (Fibre Channel Association), которая организационно вошла в комитет ANSI. Помимо FCA была также создана независимая рабочая группа FCLC (Fibre Channel Loop Community), которая начала заниматься продвижением одного из вариантов технологии Fibre Channel - FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop). В настоящее время всю координационную работу по продвижению технологии Fibre Channel взяла на себя ассоциация FCIA (Fibre Channel Industry Association, http://www.fibrechannel.org). В 1994 г. стандарт FC-PH (физическое соединение и протокол передачи данных) был одобрен комитетом Т11 ANSI и получил обозначение X3.203-1994.

Технология Fibre Channel обладает рядом преимуществ, которые делают этот стандарт удобным при организации обмена данными в группах компьютеров, а также при использовании в качестве интерфейса устройств массовой памяти, в локальных сетях и при выборе средств доступа к глобальным сетям. Одно из основных достоинств этой технологии - высокая скорость передачи данных.

FC-AL - лишь одна из трех возможных топологий Fibre Channel, которая, в частности, используется для систем хранения данных. Кроме нее, возможны топология точка-точка и звездообразная топология, построенная на основе коммутаторов и концентраторов. Сеть, которая построена на основе коммутаторов, соединяющих множество узлов (рис. 2), в терминологии Fibre Channel называется фабрикой (fabric).

Рис. 2. Фабрика на базе Fibre Channel.

В "петлю" FC-AL можно включить до 126 устройств с возможностью горячей замены. При использовании коаксиального кабеля расстояние между ними может достигать 30 м, в случае же волоконно-оптического кабеля оно увеличивается до 10 км. В основу технологии положена методика простого перемещения данных из буфера передатчика в буфер приемника с полным контролем этой и только этой операции. Для FC-AL совершенно неважно, как обрабатываются данные индивидуальными протоколами до и после помещения в буфер, вследствие чего тип передаваемых данных (команды, пакеты или кадры) не играет никакой роли.

Архитектурная модель Fibre Channel в деталях описывает параметры соединений и протоколы обмена между отдельными узлами. Эта модель может быть представлена в виде пяти функциональных уровней, которые определяют физический интерфейс, протокол передачи, сигнальный протокол, общие процедуры и протокол отображения. Нумерация идет от самого низкого аппаратного уровня FC-0, отвечающего за параметры физического соединения, до верхнего программного FC-4, взаимодействующего с приложениями более высокого уровня. Протокол отображения обеспечивает связь с интерфейсами ввода-вывода (SCSI, IPI, HIPPI, ESCON) и сетевыми протоколами (802.2, IP). В данном случае все поддерживаемые протоколы могут использоваться одновременно. Например, интерфейс FC-AL, работающий с IP- и SCSI-протоколами, пригоден как для обмена система-система, так и система-периферия. Это исключает потребность в дополнительных контроллерах ввода-вывода, существенно уменьшает сложность кабельной системы и, разумеется, общую стоимость.

Поскольку Fibre Channel - это низкоуровневый протокол, не содержащий команд ввода-вывода, то связь с внешними устройствами и компьютерами обеспечивается протоколами более высокого уровня, такими, как SCSI и IP, для которых FC-PH служит транспортом. Сетевые протоколы и протоколы ввода-вывода (например, команды SCSI) преобразуются в кадры протокола FC-PH и доставляются до адресата. Любое устройство (компьютер, сервер, принтер, накопитель), имеющее возможность обмениваться данными с использованием технологии Fibre Channel, называется N_порт (Node port), или просто узел. Таким образом, основное назначение Fibre Channel - возможность манипулировать протоколами высокого уровня, используя различную среду передачи и уже существующие кабельные системы.

Высокая надежность обмена при использовании Fibre Channel обусловлена двухпортовой архитектурой дисковых устройств, циклическим контролем передаваемой информации и заменой устройств в горячем режиме. Протокол поддерживает практически любые применяемые сегодня кабельные системы. Однако наибольшее распространение получили два носителя - оптика и витая пара. Оптические каналы используются для соединения между устройствами сети Fibre Channel, а витая пара - для соединения отдельных компонентов в устройстве (например, дисков в дисковой подсистеме).

Стандарт предусматривает несколько полос пропускания и обеспечивает скорость обмена 1, 2 или 4 Гбит/с. C учетом того, что для соединения устройств применяются два оптических кабеля, каждый из которых работает в одном направлении, при сбалансированном наборе операций "запись-чтение" скорость обмена данными удваивается. Иными словами, Fibre Channel работает в полнодуплексном режиме. В пересчете на мегабайты паспортная скорость Fibre Channel составляет соответственно 100, 200 и 400 Мбайт/с. Реально при 50%-ном соотношении операций "запись-чтение" скорость интерфейса достигает 200, 400 и 800 Мбайт/с. В настоящее время наиболее популярны решения Fibre Channel 2 Гбит/с, поскольку они имеют лучшее соотношение цена/качество.

Отметим, что оборудование для Fibre Channel можно условно разбить на четыре основные категории: адаптеры, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, причем последние широкого распространения пока не получили.

Решения на базе Fibre Channel обычно предназначены для организаций, которым необходимо поддерживать большие объемы информации в режиме online, ускорить операции обмена с первичной и вторичной внешней памятью для сетей с интенсивным обменом данных, а также при удалении внешней памяти от серверов на большие расстояния, чем это допускается в стандарте SCSI. Типичные области применения решений Fibre Channel - базы и банки данных, системы анализа и поддержки принятия решений, основанные на больших объемах данных, системы хранения и обработки мультимедийной информации для телевидения, киностудий, а также системы, где диски должны быть удалены на значительные расстояния от серверов из соображений безопасности.

Fibre Channel дает возможность отделить все потоки данных между серверами предприятия, архивирование данных и т. п. от локальной сети пользователей. В этом варианте возможности конфигурирования огромны - любой сервер может обращаться к любому разрешенному администратором системы дисковому ресурсу, возможен доступ к одному и тому же диску нескольких устройств одновременно, причем с очень высокой скоростью. В этом варианте архивирование данных тоже становится легкой и прозрачной задачей. В любой момент можно создать кластер, высвободив под него ресурсы на любой из систем хранения Fibre Channel. Масштабирование также довольно наглядно и понятно - в зависимости от того, каких возможностей не хватает, можно добавить либо сервер (который будет куплен исходя исключительно из его вычислительных возможностей), либо новую систему хранения.

Одна из весьма важных и нужных особенностей Fibre Channel - возможность сегментирования или, как еще говорят, зонирования системы. Разделение на зоны подобно разделению на виртуальные сети (Virtual LAN) в локальной сети - устройства, находящиеся в разных зонах, не могут "видеть" друг друга. Разделение на зоны возможно либо с помощью коммутируемой матрицы (Switched Fabric) или на основе указания адреса WWN (World Wide Name). Адрес WWN подобен MAC-адресу в сетях Ethernet, каждый FC-контроллер имеет свой уникальный WWN-адрес, который присваивает ему производитель, а любая правильная система хранения данных позволяет ввести адреса тех контроллеров или портов матриц, с которыми этому устройству разрешено работать. Разделение на зоны предназначено в первую очередь для повышения безопасности и производительности сетей хранения данных. В отличие от обычной сети, из внешнего мира нельзя получить доступ к закрытому для данной зоны устройству.

Технология FICON Технология FICON (FIber CONnection) обеспечивает повышенную производительность, расширенные функциональные возможности и связь на больших расстояниях. Как протокол передачи данных она базируется на стандарте ANSI для систем Fibre Channel (FC-SB-2). Первый разработанный IBM стандарт общего назначения для связи между мэйнфреймами и внешними устройствами (такими, как диски, принтеры и ленточные накопители) основывался на параллельных подключениях, не слишком отличаясь от многожильных кабелей и многоштырьковых разъемов, которые применялись в те годы для подключения настольных принтеров к ПК. Множество параллельных проводов служило для переноса большего объема данных "за раз" (параллельно); в мэйнфреймах это называлось bus and tag. Огромные по физическим размерам соединители и кабельная разводка были единственным способом связи до появления на рынке в 1990-х гг. технологии ESCON. Это была принципиально иная технология: в ней впервые вместо меди использовалось оптоволокно и данные передавались не параллельно, а последовательно. Все прекрасно понимали, что ESCON намного лучше и значительно быстрее, по крайней мере, на бумаге, но до всеобщего принятия технологии потребовалось множество испытаний и усилий по убеждению покупателей. Считается, что технология ESCON появилась во время застоя на рынке; к тому же поддерживающие этот стандарт устройства были представлены с заметным запозданием, поэтому технология и встретила прохладный прием, а для широкого ее распространения понадобилось почти четыре года. С FICON история во многом повторилась. Впервые эту технологию IBM представила на серверах S/390 еще в 1997 г. Многим аналитикам было сразу понятно, что это во многом технически более продвинутое решение. Однако на протяжении нескольких лет FICON применяли практически исключительно для подсоединения ленточных накопителей (существенно улучшенное решение для целей создания резервных копий и восстановления) и принтеров. И лишь в 2001 г. IBM наконец оборудовала FICON свою систему хранения Enterprise Storage Server под кодовым названием Shark ("акула"). Это событие снова совпало с серьезным экономическим спадом, когда внедрение новых технологий на предприятиях замедлилось. Буквально через год возник ряд обстоятельств, которые способствовали ускоренному принятию FICON. На сей раз концепция оптоволокна была уже не нова, а технологии сетей хранения данных (SAN) получили широкое распространение как в мире мэйнфреймов, так и за его пределами. Сейчас продолжается устойчивый рост рынка устройств хранения данных. Сегодняшние устройства, называемые директорами (director), с самого начала разработанные для поддержки ESCON, теперь поддерживают стандарт Fibre Channel, на основе этих же устройств развертывают FICON-решения. Как считают разработчики, FICON обеспечивает существенно большую функциональность по сравнению с Fibre Channel.

InfiniBand

Архитектура InfiniBand определяет общий стандарт для обработки операций ввода-вывода коммуникационных, сетевых подсистем и систем хранения данных. Этот новый стандарт привел к формированию торговой ассоциации InfiniBand Trade Association (IBTA, http://www.infinibandta.org). Проще говоря, InfiniBand - это стандарт архитектуры ввода-вывода нового поколения, который использует сетевой подход к соединению серверов, систем хранения и сетевых устройств информационного центра.

Технология InfiniBand разрабатывалась как открытое решение, которое могло бы заменить все остальные сетевые технологии в самых разных областях. Это касалось и общеупотребительных технологий локальных сетей (все виды Ethernet и сетей хранения, в частности, Fibre Channel), и специализированных кластерных сетей (Myrinet, SCI и т. д.), и даже подсоединения устройств ввода-вывода в ПК в качестве возможной замены шин PCI и каналов ввода-вывода, таких, как SCSI. Кроме того, инфраструктура InfiniBand могла бы служить для объединения в единую систему фрагментов, использующих разные технологии. Преимущество InfiniBand перед специализированными, ориентированными на высокопроизводительные кластеры сетевыми технологиями состоит в ее универсальности. Корпорация Oracle, например, поддерживает InfiniBand в своих кластерных решениях. Год назад HP и Oracle установили рекорд производительности в тестах TPC-H (для баз данных емкостью 1 Тбайт) в InfiniBand-кластере на базе ProLiant DL585 с использованием СУБД Oracle 10g в среде Linux. Летом 2005 г. IBM достигла рекордных показателей для TPC-H (для баз данных емкостью 3 Тбайт) в среде DB2 и SuSE Linux Enterprise Server 9 в InfiniBand-кластере на базе xSeries 346. При этом достигнутая стоимость одной транзакции оказалась почти вдвое ниже, чем у ближайших конкурентов.

Используя технику, называемую коммутируемой сетевой структурой, или коммутирующей решеткой, InfiniBand переносит трафик операций ввода-вывода с процессоров сервера на периферийные устройства и иные процессоры или серверы по всему предприятию. В качестве физического канала используется специальный кабель (линк), обеспечивающий скорость передачи данных 2,5 Гбит/с в обоих направлениях (InfiniBand 1х). Архитектура организована как многоуровневая, она включает четыре аппаратных уровня и верхние уровни, реализуемые программно. В каждом физическом канале можно организовать множество виртуальных каналов, присвоив им разные приоритеты. Для повышения скорости существуют 4-кратные и 12-кратные версии InfiniBand, в которых используется соответственно 16 и 48 проводов, а скорости передачи данных по ним равны 10 Гбит/с (InfiniBand 4х) и 30 Гбит/с (InfiniBand 12х).

Решения на основе архитектуры InfiniBand востребованы на четырех основных рынках: корпоративные центры данных (включая хранилища данных), высокопроизводительные компьютерные кластеры, встроенные приложения и коммуникации. Технология InfiniBand позволяет объединять стандартные серверы в кластерные системы, чтобы обеспечить центрам данных производительность, масштабируемость и устойчивость к сбоям - возможности, обычно предоставляемые только платформами высшего класса стоимостью в миллионы долларов. Кроме того, хранилища InfiniBand можно подключать к кластерам серверов, что позволяет связать все ресурсы хранения данных напрямую с вычислительными ресурсами. Рынок высокопроизводительных кластеров все время агрессивно ищет новые пути расширения вычислительных возможностей и потому может извлечь огромную выгоду из высокой пропускной способности, низкой латентности и прекрасной масштабируемости, предлагаемой недорогими продуктами InfiniBand. Встроенные приложения, такие, как военные системы, системы, работающие в реальном времени, обработка видеопотоков и т. д., получат огромные преимущества от надежности и гибкости соединений InfiniBand. Кроме того, рынок коммуникаций постоянно требует увеличения пропускной способности соединений, чего удается достичь благодаря 10- и 30-Гбит/с соединениям InfiniBand.

На физическом уровне протокола InfiniBand определены электрические и механические характеристики, в том числе оптоволоконные и медные кабели, разъемы, параметры, задающие свойства горячей замены. На уровне связей определены параметры передаваемых пакетов, операции, связывающие точку с точкой, особенности коммутации в локальной подсети. На сетевом уровне определяются правила маршрутизации пакетов между подсетями, внутри подсети этот уровень не требуется. Транспортный уровень обеспечивает сборку пакетов в сообщение, мультиплексирование каналов и транспортные службы.

Отметим некоторые ключевые особенности архитектуры InfiniBand. Для ввода-вывода и кластеризации используется единственная плата InfiniBand в сервере, что устраняет потребность в отдельных платах для коммуникаций и систем хранения данных (однако в случае типичного сервера рекомендуется установить две такие карты, сконфигурированные для обеспечения избыточности). Достаточно всего одного соединения с коммутатором InfiniBand на каждый сервер, IP-сеть или систему SAN (избыточность сводится к простому дублированию соединения с другим коммутатором). Наконец, архитектура InfiniBand разрешает проблемы соединений и ограничения полосы внутри сервера и при этом обеспечивает требуемую полосу и возможность коммуникаций для внешних систем хранения.

Архитектура InfiniBand состоит из следующих трех основных компонентов (рис. 3). HCA (Host Channel Adapter) устанавливается внутри сервера или рабочей станции, выполняющей функции главной (хоста). Он выступает как интерфейс между контроллером памяти и внешним миром и служит для подключения хост-машин к сетевой инфраструктуре на основе технологии InfiniBand. Адаптер HCA реализует протокол обмена сообщениями и основной механизм прямого доступа к памяти. Он подключается к одному или более коммутаторам InfiniBand и может обмениваться сообщениями с одним или несколькими TCA. Адаптер TCA (Target Channel Adapter) предназначен для подключения к сети InfiniBand таких устройств, как накопители, дисковые массивы или сетевые контроллеры. Он, в свою очередь, служит интерфейсом между коммутатором InfiniBand и контроллерами ввода-вывода периферийных устройств. Эти контроллеры не обязательно должны быть одного типа или принадлежать к одному классу, что позволяет объединять в одну систему разные устройства. Таким образом, TCA действует в качестве промежуточного физического слоя между трафиком данных структуры InfiniBand и более традиционными контроллерами ввода-вывода для иных подсистем, таких, как Ethernet, SCSI и Fibre Channel. Следует отметить, что TCA может взаимодействовать с HCA и напрямую. Коммутаторы и маршрутизаторы InfiniBand обеспечивают центральные точки стыковки, при этом к управляющему HCA может быть подключено несколько адаптеров TCA. Коммутаторы InfiniBand образуют ядро сетевой инфраструктуры. С помощью множества каналов они соединяются между собой и с TCA; при этом могут быть реализованы такие механизмы, как группировка каналов и балансировка нагрузки. Если коммутаторы функционируют в пределах одной подсети, образованной непосредственно подсоединенными устройствами, то маршрутизаторы InfiniBand объединяют эти подсети, устанавливая связь между несколькими коммутаторами.

Рис. 3. Основные компоненты SAN-сети на основе InfiniBand.

Большая часть развитых логических возможностей системы InfiniBand встроена в адаптеры, которые подключают узлы к системе ввода-вывода. Каждый тип адаптера разгружает хост от выполнения задач транспортировки, используя канальный адаптер InfiniBand, отвечающий за организацию сообщений ввода-вывода в пакеты для доставки данных по сети. В результате ОС на хосте и процессор сервера освобождаются от этой задачи. Стоит обратить внимание, что такая организация в корне отличается от того, что происходит при коммуникациях на основе протокола TCP/IP.

В InfiniBand определен весьма гибкий набор линий связи и механизмов транспортного уровня, обеспечивающий точную настройку характеристик сети SAN на базе InfiniBand в зависимости от прикладных требований, в число которых входят:

• пакеты переменного размера;
• максимальный размер единицы передачи: 256, 512 байт, 1, 2, 4 Кбайт;
• заголовки локальной трассы уровня 2 (LRH, Local Route Header) для направления пакетов в нужный порт канального адаптера;
• дополнительный заголовок уровня 3 для глобальной маршрутизации (GRH, Global Route Header);
• поддержка групповой передачи;
• вариантные и инвариантные контрольные суммы (VCRC и ICRC) для обеспечения целостности данных.

Максимальный размер единицы передачи определяет такие характеристики системы, как неустойчивость синхронизации пакетов, величина накладных расходов на инкапсуляцию и длительность задержки, используемые при разработке систем с несколькими протоколами. Возможность опускать сведения о глобальном маршруте при пересылке в пункт назначения локальной подсети снижает издержки локального обмена данными. Код VCRC рассчитывается заново каждый раз при прохождении очередного звена канала связи, а код ICRC - при получении пакета пунктом назначения, что гарантирует целостность передачи по звену и по всему каналу связи.

В InfiniBand определено управление потоком на основе разрешений - для предотвращения блокировок головного пакета (head of line blocking) и потерь пакетов, - а также управление потоком на канальном уровне и сквозное управление потоком. По своим возможностям управление на канальном уровне на основе разрешений превосходит широко распространенный протокол XON/XOFF, устраняя ограничения на максимальную дальность связи и обеспечивая лучшее использование линии связи. Приемный конец линии связи посылает передающему устройству разрешения с указанием объема данных, который можно получать надежно. Данные не передаются до тех пор, пока приемник не пошлет разрешение, свидетельствующее о наличии свободного пространства в приемном буфере. Механизм передачи разрешений между устройствами встроен в протоколы соединений и линий связи для гарантии надежности управления потоком. Управление потоком на канальном уровне организовано для каждого виртуального канала отдельно, что предотвращает распространение конфликтов передачи, свойственное другим технологиям.

С помощью InfiniBand связь с удаленными модулями хранения, сетевые функции и соединения между серверами будут осуществляться за счет подключения всех устройств через центральную, унифицированную структуру коммутаторов и каналов. Архитектура InfiniBand позволяет размещать устройства ввода-вывода на расстоянии до 17 м от сервера с помощью медного провода, а также до 300 м с помощью многомодового волоконно-оптического кабеля и до 10 км - с помощью одномодового волокна.

Сегодня InfiniBand постепенно снова набирает популярность в качестве технологии магистрали для кластеров серверов и систем хранения, а в центрах обработки данных - в качестве основы для соединений между серверами и системами хранения. Большую работу проводит в этом направлении организация, именуемая альянсом OpenIB (Open InfiniBand Alliance, http://www.openib.org). В частности, этот альянс ставит своей целью разработку стандартного программного стека поддержки InfiniBand с открытым кодом для Linux и Windows. Год назад поддержка технологии InfiniBand была официально включена в состав ядра Linux. Кроме того, в конце 2005 г. представители OpenIB продемонстрировали возможность использования технологии InfiniBand на больших дистанциях. Лучшим достижением в ходе демонстрации стала передача данных на скорости 10 Гбит/c на расстояние в 80,5 км. В эксперименте участвовали центры обработки данных ряда компаний и научных организаций. На каждом из конечных пунктов протокол InfiniBand инкапсулировался в интерфейсы SONET OC-192c, ATM или 10 Gigabit Ethernet без снижения пропускной способности.