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

Большинство жителей современных городов ежедневно передают либо получают какие-либо данные. Это могут быть компьютерные файлы, телевизионная картинка, радиотрансляция — все, что представляет собой некую порцию полезной информации. Технологических методов передачи данных — огромное количество. При этом во многих сегментах информационных решений модернизация соответствующих каналов происходит невероятно динамичными темпами. На смену привычным технологиям, которые, казалось бы, вполне могут удовлетворять потребности человека, приходят новые, более совершенные. Совсем недавно выход в Сеть через сотовый телефон рассматривался почти как экзотика, но сегодня подобная опция знакома большинству людей. Современные скорости передачи файлов через интернет, измеряемые сотнями мегабит в секунду, казались чем-то фантастическим первым пользователям Всемирной сети. Посредством каких типов инфраструктур могут передаваться данные? Чем может быть обусловлен выбор того или иного канала?

Основные механизмы передачи данных

Понятие передачи данных может быть связано с разными технологическими явлениями. В общем случае оно связано с индустрией компьютерных коммуникаций. Передача данных в этом аспекте — это обмен файлами (отправка, получение), папками и иными реализациями машинного кода.

Рассматриваемый термин может коррелировать также с нецифровой сферой коммуникаций. Например, трансляция ТВ-сигнала, радио, работа телефонных линий - если речь не идет о современных высокотехнологичных инструментах - может осуществляться посредством аналоговых принципов. В этом случае передача данных представляет собой трансляцию электромагнитных сигналов посредством того или иного канала.

Промежуточное положение между двумя технологическими реализациями передачи данных - цифровой и аналоговой - может занимать мобильная связь. Дело в том, что некоторые из технологий соответствующих коммуникаций относятся к первому типу — например, GSM-связь, 3G или 4G-интернет, другие характеризуются меньшей компьютеризированностью, и потому могут считаться аналоговыми — например, голосовая связь в стандартах AMPS либо NTT.

Однако современный тренд развития коммуникационных технологий таков, что каналы передачи данных, какого бы типа информация не передавалась посредством них, активно «оцифровываются». В крупных российских городах с трудом можно найти телефонные линии, функционирующие по аналоговым стандартам. Технологии, подобные AMPS, постепенно теряют актуальность и заменяются более совершенными. Цифровым становится ТВ и радио. Таким образом, мы вправе рассматривать современные технологии передачи данных главным образом в цифровом контексте. Хотя исторический аспект задействования тех или иных решений, безусловно, будет весьма полезно исследовать.

Современные системы передачи данных можно классифицировать на 3 основные группы: реализуемые в компьютерных сетях, используемые в мобильных сетях, являющиеся основой для организации трансляций ТВ и радио. Рассмотрим их специфику подробнее.

Технологии передачи данных в компьютерных сетях

Основной предмет передачи данных в компьютерных сетях, как мы отметили выше, — совокупность файлов, папок и иных продуктов реализации машинного кода (например, массивов, стеков и т. д.). Современные цифровые коммуникации могут функционировать на базе самых разных стандартов. В числе самых распространенных — TCP-IP. Основной его принцип — в присвоении компьютеру уникального IP-адреса, который может использоваться в качестве главного ориентира при передаче данных.

Обмен файлами в современных цифровых сетях может осуществляться с помощью проводных технологий либо тех, в которых не предполагается задействование кабеля. Классификация соответствующих инфраструктур первого типа может осуществляться исходя из конкретной разновидности провода. В современных компьютерных сетях чаще всего используются:

Витые пары;

Оптоволоконные провода;

Коаксиальные кабели;

USB-кабели;

Телефонные провода.

Каждый из отмеченных типов кабелей имеет как преимущества, так и недостатки. Например, витая пара - дешевый, универсальный и простой в монтаже тип провода, однако значительно уступающий оптоволокну по пропускной способности (подробнее данный параметр мы рассмотрим чуть позже). USB-кабели наименее всего приспособлены к передаче данных в рамках компьютерных сетей, однако совместимы практически с любым современным компьютером — крайне редко можно встретить ПК, не оснащенный USB-портами. Коаксиальные кабели в достаточной мере защищены от помех и позволяют обеспечивать передачу данных на очень большие расстояния.

Характеристики компьютерных сетей передачи данных

Полезно будет изучить некоторые ключевые характеристики компьютерных сетей, в которых осуществляется обмен файлами. В числе важнейших параметров соответствующей инфраструктуры — пропускная способность. Данная характеристика позволяет оценить то, какими могут быть максимальные показатели скорости и объема передаваемых данных в сети. Собственно, оба указанных параметра также относятся к ключевым. Скорость передачи данных — это фактический показатель, отражающий то, какой объем файлов может направляться с одного компьютера на другой за установленный промежуток времени. Рассматриваемый параметр чаще всего выражается в битах в секунду (на практике, как правило, в кило-, мега-, гигабитах, в мощных сетях — в терабитах).

Классификация каналов передачи компьютерных данных

Обмен данными при задействовании компьютерной инфраструктуры может осуществляться посредством трех основных типов каналов: дуплексного, симплексного, а также полудуплексного. Канал первого типа предполагает, что устройство передачи данных на ПК одновременно может быть также и приемником. Симплексные девайсы, в свою очередь, способны только принимать сигналы. Полудуплексные устройства обеспечивают задействование функции приема и передачи файлов по очереди.

Беспроводная передача данных в компьютерных сетях осуществляется чаще всего через стандарты:

- «малого радиуса» (Bluetooth, ИК-порты);

- «среднего радиуса» - Wi-Fi;

- «большого радиуса» - 3G, 4G, WiMAX.

Скорость, с которой передаются файлы, может сильно разниться в зависимости от того или иного стандарта связи, равно как устойчивость соединения и защищенность его от помех. Одним из оптимальных решений для организации домашних внутрикорпоративных компьютерных сетей считается Wi-Fi. Если необходима передача данных на дальние расстояния — задействуются 3G, 4G, WiMax, либо иные конкурентные в отношении них технологии. Сохраняют востребованность Bluetooth, в меньшей степени — ИК-порты, поскольку их задействование практически не требует от пользователя тонкой настройки девайсов, посредством которых осуществляется обмен файлами.

Наибольшую популярность стандарты «малого радиуса» имеют в индустрии мобильных устройств. Так, передача данных на андроид с другой аналогичной ОС либо совместимой часто осуществляется как раз-таки с помощью Bluetooth. Однако мобильные устройства вполне успешно могут интегрироваться также и с компьютерными сетями, например с помощью Wi-Fi.

Компьютерная сеть передачи данных функционирует посредством задействования двух ресурсов — аппаратного обеспечения и необходимого ПО. И то и другое необходимо для организации полноценного обмена файлами между ПК. Программы для передачи данных могут задействоваться самые разные. Их можно условно классифицировать по такому критерию, как область применения.

Есть пользовательское ПО, адаптированное к использованию веб-ресурсов — к таким решениям относятся браузеры. Есть программы, задействуемые как инструмент голосового общения, дополненного возможностью организации видеочатов — например, Skype.

Есть ПО, относящееся к категории системного. Соответствующие решения могут практически не задействоваться пользователем, однако их функционирование может быть необходимо для обеспечения обмена файлами. Как правило, подобное ПО работает на уровне фоновых программ в структуре операционной системы. Данные виды ПО позволяют соединить ПК с сетевой инфраструктурой. На базе подобных подключений уже могут задействоваться пользовательские инструменты — браузеры, программы для организации видеочатов и т. д. Системные решения важны также и для обеспечения стабильности сетевых подключений между компьютерами.

Есть ПО, предназначенное для диагностики соединений. Так, если осуществить надежное подключение между ПК мешает та или иная ошибка передачи данных, то ее можно вычислить с помощью подходящей программы для диагностики. Задействование различных видов ПО — один из ключевых критериев разграничения цифровых и аналоговых технологий. При использовании инфраструктуры передачи данных традиционного типа программные решения имеют, как правило, несопоставимо меньший функционал, чем при выстраивании сетей на базе цифровых концепций.

Технологии передачи данных в сотовых сетях

Изучим теперь то, каким образом данные могут передаваться в других масштабных инфраструктурах — сотовых сетях. Рассматривая данный технологический сегмент, полезно будет как раз таки уделить внимание истории развития соответствующих решений. Дело в том, что стандарты, посредством которых осуществляется передача данных в сотовых сетях, развиваются очень динамично. Некоторые из рассмотренных нами выше решений, что задействуются в компьютерных сетях, сохраняют актуальность в течение многих десятилетий. Особенно явным образом это прослеживается на примере проводных технологий — коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконные провода были внедрены в практику компьютерных коммуникаций очень давно, но ресурс их задействования далек от исчерпания. В свою очередь, в мобильной индустрии едва ли не каждый год появляются новые концепции, которые с разной степенью интенсивности могут внедряться в практику.

Итак, эволюция технологий сотовой связи начинается с внедрения в начале 80-х годов самых ранних стандартов — таких как NMT. Можно отметить, что его возможности не ограничивались обеспечением голосовой связи. Передача данных через NMT-сети также была возможна, но при очень маленькой скорости - порядка 1,2 Кбит/сек.

Следующий шаг технологической эволюции на рынке сотовой связи был связан с внедрением стандарта GSM. Скорость передачи данных при его задействовании предполагалась гораздо более высокая, чем в случае использования NMT — порядка 9,6 Кбит/сек. Впоследствии стандарт GSM был дополнен технологией HSCSD, задействование которой позволило абонентам сотовой связи передавать данные со скоростью 57,6 Кбит/сек.

Позже появился стандарт GPRS, посредством которого стало возможно отделять типично «компьютерный» трафик, передаваемый в каналах сотовой связи, от голосового. Скорость передачи данных при задействовании GPRS могла достигать порядка 171,2 Кбит/сек. Следующим технологическим решением, внедренным мобильными операторами, стал стандарт EDGE. Он позволил обеспечивать передачу данных со скоростью 326 Кбит/сек.

Развитие интернета потребовало от разработчиков технологий сотовой связи внедрения решений, которые могли бы стать конкурентными проводным стандартам — прежде всего по скорости передачи данных, а также по устойчивости соединения. Значимым шагом вперед стало выведение на рынок стандарта UMTS. Данная технология позволила обеспечить обмен данными между абонентами сотового оператора на скорости до 2 Мбит/сек.

Позже появился стандарт HSDPA, при котором передача и прием файлов могли осуществляться на скорости до 14,4 Мбит/сек. Многие эксперты цифровой индустрии считают, что именно с момента внедрения технологии HSDPA сотовые операторы начали составлять прямую конкуренцию интернет-провайдерам, задействующим кабельные соединения.

В конце 2000 годов появился стандарт LTE и его конкурентные аналоги, посредством которых абоненты сотовых операторов получили возможность обмениваться файлами со скоростью в несколько сотен мегабит. Можно отметить, что подобные ресурсы даже для пользователей современных проводных каналов не всегда доступны. Большинство российских провайдеров передают своим абонентам в распоряжение канал передачи данных со скоростью, не превышающей 100 Мбит/сек, на практике — чаще всего в несколько раз меньшей.

Поколения сотовых технологий

Стандарт NMT, как правило, относится к поколению 1G. Технологии GPRS и EDGE часто классифицируются как 2G, HSDPA — как 3G, LTE — как 4G. Следует отметить, что у каждого из отмеченных решений есть конкурентные аналоги. Например, к таковым в отношении LTE некоторые специалисты относят WiMAX. Другие конкурентные в отношении LTE решения на рынке 4G-технологий — 1xEV-DO, IEEE 802.20. Есть точка зрения, по которой стандарт LTE все же не вполне корректно классифицировать как 4G, поскольку по максимальной скорости он немного не дотягивает до показателя, определенного в отношении концептуального 4G, который составляет 1 Гбит/сек. Таким образом, не исключено, что в скором времени на мировом рынке сотовой связи появится новый стандарт, возможно, еще более совершенный, чем 4G и способный обеспечивать передачу данных со столь впечатляющей скоростью. Пока же в числе тех решений, что внедряются наиболее динамично, — LTE. Ведущие российские операторы активно модернизируют соответствующую инфраструктуру по всей стране — обеспечение качественной передачи данных по стандарту 4G становится одним из ключевых конкурентных преимуществ на рынке сотовой связи.

Технологии трансляций телевидения

Цифровые концепции передачи данных могут быть задействованы также и в медиаиндустрии. Долгое время информационные технологии в организацию трансляций телевидения и радио внедрялись не слишком активно — главным образом, в силу ограниченной рентабельности соответствующих усовершенствований. Часто задействовались решения, сочетавшие в себе цифровые и аналоговые технологии. Так, в полной мере «компьютеризированной» могла быть инфраструктура телецентра. Однако для абонентов телевизионных сетей транслировались аналоговые передачи.

По мере распространения интернета и удешевления каналов компьютерной передачи данных игроки телевизионной и радиоиндустрии стали активно «оцифровывать» свою инфраструктуру, интегрировать ее с IT-решениями. В разных странах мира были утверждены стандарты телевизионного вещания в цифровом формате. Из них наиболее распространенными считаются DVB, адаптированный для европейского рынка, ATSC, используемый в США, ISDB, задействуемый в Японии.

Цифровые решения в радиоиндустрии

Информационные технологии также активно задействуются в радиоиндустрии. Можно отметить, что подобные решения характеризуются определенными преимуществами в сравнении с аналоговыми стандартами. Так, в цифровых радиотрансляциях может быть достигнуто существенно более высокое качество звука, чем при задействовании FM-каналов. Цифровая сеть передачи данных теоретически дает радиостанциям возможность отправки на радиоприемники абонентов не только голосового трафика, но также и любого другого медиаконтента — картинок, видео, текстов. Соответствующие решения могут быть внедрены в инфраструктуру организации цифровых телевизионных трансляций.

Спутниковые каналы передачи данных

В отдельную категорию следует выделить спутниковые каналы, посредством которых может осуществляться передача данных. Формально мы вправе отнести их к беспроводным, однако масштабы их задействования таковы, что объединять соответствующие решения в один класс с Wi-Fi и Bluetooth будет не вполне корректно. Спутниковые каналы передачи данных могут быть задействованы - на практике это так и происходит - при выстраивании практически любого типа инфраструктуры связи из тех, что перечислены нами выше.

Посредством «тарелок» можно организовывать объединение ПК в сети, подключать их к интернету, обеспечивать функционирование телевизионных и радиотрансляций, повышать уровень технологичности мобильных сервисов. Основное преимущество спутниковых каналов — всеохватность. Передача данных может быть осуществлена при их задействовании практически в любое место планеты — равно как и прием — с любой точки земного шара. Есть у спутниковых решений также некоторые технологические недостатки. Например, при передаче компьютерных файлов с помощью «тарелки» может возникать заметная задержка отклика, или «пинга» — временного промежутка между моментом отправки файла с одного ПК и получения его на другом.

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.

1. Предмет учебной дисциплины, задача и цель преподавания дисциплины
Дисциплина "Технологии передачи информации" является одной из нормативных дисциплин, которая входит в цикл естественнонаучной (фундаментальной) подготовки специалистов по направлению "Компьютерные науки".

Дисциплина предусматривает рассмотрение основных технологий передачи информации в компьютерных сетях на физическом, канальном и сетевом уровнях.

В лекционном материале рассматриваются технологии телекоммуникаций, основные элементы теории информации, характеристики и классификация информационных сетей, эталонная модель (OSI), линии связи и каналы передачи данных, технологии передачи данных на физическом уровне, технологии передачи данных на канальном уровне в локальных и глобальных сетях, технологии передачи информации на сетевом уровне в IP-сетях.

Цель дисциплины:

• ознакомление с основными элементами теории информации и технологиями телекоммуникаций;
• формирование теоретических знаний в области технологий передачи информации в компьютерных сетях;
• научить осуществлять обоснованный выбор требуемых технологий и средств передачи информации при разработке компьютерных сетей и Web-приложений;
• получить практические навыки работы со средствами передачи информации в компьютерных сетях на физическом, канальном и сетевом уровнях.

Задачей изучения курса "Технологии передачи информации" является теоретическая и практическая подготовка будущих специалистов по таким вопросам как:

• технологии передачи информации в компьютерных сетях;
• протоколы передачи информации в ЛВС, выделенных (последовательных) линиях связи и глобальных сетях с коммутацией каналов и пакетов;
• средства передачи информации в информационных сетях;
• архитектура информационных сетей.

2. Что студент должен знать, уметь и с чем быть ознакомленным в результате изучения дисциплины Вследствие изучения дисциплины студент должен
ЗНАТЬ:

• основные элементы теории информации;
• базовые современные технологии передачи информации на физическом, канальном и сетевом уровнях;
• типы и характеристики линий связи и каналов передачи информации;
• методы преобразования сигналов и способы мультиплексирования каналов связи;
• современные методы передачи информации в составных сетях.

• обосновывать выбор технологий передачи информации для решения практических задач в процессе проектирования компьютерных сетей;
• выполнять проектирование кабельной структуры компьютерной сети;
• осуществлять выбор оборудования кабельной системы для построения инфраструктуры ЛВС.

БЫТЬ ОЗНАКОМЛЕННЫМИ:

• с основными тенденциями развития технологий передачи информации;
• с перспективами развития телекоммуникационных технологий;
• с современными средствами обмена и обработки информации в локальных и территориальных сетях;

Учебная программа курса объемом 150 академических часов состоит из двух содержательных (учебных) модулей объемом 5 кредитов (объем кредита ECTS составляет 30 академических часов) и состоит из аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов.

Используемые источники информации:

1. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 4-е изд. / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер – СПб. Питер, 2010. – 944 с.
2. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006 - 703 с.
3. Ткаченко В.А. та ін. Комп"ютерні мережі та телекомунікації : навч. посібник / В. А. Ткаченко, О. В. Касілов, В. А. Рябик. – Харків: НТУ "ХПІ", 2011. – 224 с.
4. А. Л. Дмитриев. Оптические системы передачи информации / Учебное пособие. - СПб: СПбГУИТМО, 2007. - 96 с.

В наше время наибольшее распространение получили электрические каналы связи. Это совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сообщения любого вида от отправителя к получателю. Она осуществляется с помощью электрических сигналов, распространяющихся по проводам, или радиосигналов. Различают каналы электросвязи: телефонные, телеграфные, факсимильные, телевизионные, проводного и радиовещания, телемеханические передачи данных и т.д. Составной частью каналов связи являются линии связи - проводные и беспроводные (радиосвязь). В свою очередь проводная связь может осуществляться по электрическому кабелю и по оптоволоконной линии. А радиосвязь осуществляется по ДВ-, СВ-, КВ- и УКВ-диапазонам без применения ретрансляторов, по спутниковым каналам с применением космических ретрансляторов, по радиорелейным линиям с применение наземных ретрансляторов и по сотовой связи с использованием сети наземных базовых радиостанций.

Проводные линии связи

Проводные линии электросвязи делятся на кабельные, воздушные и оптоволоконные.

Кабельные линии связи

Кабельные линии связи - линии связи, состоящие из направленных сред передачи (кабели), предназначенные совместно с проводными системами передач, для организации связи. Кабельные линии состоят из узлов связи, необслуживаемых регенерационных (усилительных) пунктов - НРП, НУП, кабельной трассы.

Воздушные линии связи

Воздушные линии подразделяются на линии: междугородной телефонной связи (МТС), сельской телефонной связи (СТС), городской телефонной связи (ГТС) и радиотрансляционных сетей (РС).

По своей значимости воздушные линии СТС; абонентские линии СТС.

Прочтите также:

Разработка синтезатора звуковых сигналов с компрессией данных
Целью данного курсового проекта является разработка синтезатора звуковых сигналов с компрессией данных, позволяющего осуществлять воспроизведение звуковых сообщений. Команды управл...

Разработка и изготовление комплекса усиления и оцифровки сигнала на основе микроконтроллера
Развитие микроэлектроники и широкое ее применение в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее врем...

Расчет характеристик радиолинии
Для передачи сигналов от передающей антенны (излучателя) к радиоприёмной антенне в качестве линий передачи энергии часто используют естественную среду. Линию передачи при этом называют е...

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.

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.

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.