Некоторые сведения об информационных сетях связи (Лекция 4)

Современные телекоммуникационные технологии основаны на использовании информационных сетей.

Коммуникационная сеть – система, которая состоит из объектов, осуществляющих функции генерирования, преобразования, хранения и потребления продукта, называемых пунктами (узлами) сети и линиями передачи (связей, коммуникаций, соединений), которые осуществляют передачу продукта между пунктами.. Отличительная особенность коммуникационных сетей – это большие расстояния между пунктами по сравнению с геометрическими размерами участков, где расположены пункты. При функциональном проектировании сетей решаются задачи синтеза топологии, распределения информации по узлам сети, а при конструкторском проектировании выполняют размещение пунктов в пространстве и проведение (трассировка) соединений.

Информационная сеть – это коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования является информация.

Первые информационные сети были телефонными. С появлением компьютеров в телефонах стали использовать элементы ЭВМ, а в вычислительной технике осознали важность построения сетей, которые давно применялись для телефонной связи. Конечная цель всех этих нововведений – доставка информации любому корреспонденту по необходимому адресу и в должное время.

В течение длительного времени процесс развития связи ЭВМ шел по пути создания и использования систем передачи данных по телефонным сетям общего пользования. Только когда обмен цифровой информацией достиг значительных объемов, экономически целесообразным оказалось построение специализированных сетей передачи данных с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.

В некоторых сетях применяется техника коммутации пакетов. В таких сетях от источника к получателю передаются блоки данных, называемые пакетами. Источниками и получателями могут быть терминалы пользователей, компьютеры, принтеры или любые другие устройства передачи и обработки данных. При таком способе передачи одни и те же средства передачи информации разделяются между пакетами многих пользователей.

В сетях другого типа применяется техника коммутации каналов (цепей). Это широко распространенные и привычные телефонные сети. В таких сетях устанавливается отдельный путь передачи, который существует столько времен, сколько нужно для передачи.

В настоящее время разворачиваются интегральные сети, которые объединяют в себе как технику коммутации пакетов, так и технику коммутации каналов.

В общем случае для функционирования информационных сетей необходимо решить две задачи:

• передать данные по назначению в правильном виде и своевременно;

• данные, которые поступили пользователю по назначению, должны быть распознаваемыми и иметь надлежащую форму для их правильного использования.

Первая задача связана с задачей маршрутизации и обеспечивается сетевыми протоколами (протоколами низкого уровня).

Вторая задача вызвана использованием в сетях различных типов ЭВМ. с различными кодами и синтаксисом языка. Эта часть проблемы решается путем введения протоколов высокого уровня.

Таким образом, полная архитектура, ориентированная на пользователя, включает оба протокола.

В свою очередь, эти две группы протоколов – протоколы, которые предоставляют сетевые услуги, и протоколы высокого уровня – обычно подразделяются дальше на отдельных уровня. Каждый уровень используется для предоставления определенной услуги: правильная и своевременная доставка данных в распознаваемой форме.

Разработана эталонная модель взаимодействия открытых систем (ВОС) поддерживает концепцию, при которой каждый уровень предоставляет услуги вышестоящему уровню и базируется на основе уровня, лежащего ниже, и пользуется его услугами. Каждый уровень выполняет определенную функцию по передаче данных. Хотя они должны работать в строгой очередности, однако каждый из уровней допускает несколько вариантов.

Рассмотрим эталонную модель.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем. Общие положения

В начале 80-х годов ISO (International Organization for Standardization–Международная организация по стандартизации) признала необходимость создания модели сети, на основе которой поставщики оборудования для телекоммуникации могли создавать сети, взаимодействующие друг с другом. В 1984 году такой стандарт был выпущен под названием "Эталонная модель взаимодействия открытых систем" (Open System Interconnect – OSI) или OSI/ISO.

Эталонная модель OSI стала основной архитектурной моделью для систем передачи сообщений. При рассмотрении конкретных прикладных телекоммуникационных систем проводится сравнение их архитектуры с моделью OSI/ISO. Эта модель является наилучшим средством для изучения современной технологии связи.

Эталонная модель OSI разбивает проблему передачи информации между абонентами на семь менее больших и, следовательно, легче разрешимых задач. Конкретизация каждой задачи выполняется по принципу относительной автономности. Очевидно, что автономную задачу решить проще.

Примером того, как неструктурированную систему можно условно разбить на некоторое количество уровней, является семиуровневая модель, структурная схема которой приведена на рис. 2.1. Уровни системы можно рассматривать как ее элементы, между которыми есть связи, интерфейсы (реальные каналы, электрические или логические связи). Каждый уровень имеет предварительно заданный набор функций, которые он должен выполнить для проведения связи.

Рис. 2.1. 7-ми рівнева модель взаємодії відкритих телекомунікаційних

систем.

Первый уровень – физический, это физическая среда (эфир, оптоволокно, провод и тому подобное), через которую распространяются сигналы от одного к другому потребителю. На этом уровне происходят сопряжения систем передачи с физической средой (механическое, электрическое, магнитное, функциональное).

Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как величины напряжения, параметры синхронизации, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

На этом уровне информация представлена в виде электрических сигналов тока, напряжения, электромагнитного поля или световой энергии.

Второй уровень, формально названный информационно канальным уровнем, обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом в системе использовать сетевой канал), сообщений об ошибках, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Здесь реализуются процедуры установления и поддержки физических соединений, в том числе обеспечения помехозащищенности сигналов, синхронизации, кодирования.

На канальном уровне информация представляется блоками бит, которые называют фреймами или пакетами данных.

Третий – сетевой уровень, служит для создания единой транспортной среды, которая совмещает несколько сетей. На нем осуществляется коммутация и маршрутизация информационных пакетов. Сетевой уровень – это комплексный уровень, обеспечивающий возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами. Поскольку две конечные системы, обеспечивающие связь, могут обслуживать значительные географические расстояния и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов. На сетевом уровне информация представлена пакетами, в которых содержится адресная информация для выполнения соединения.

Четвертый – транспортный уровень, обеспечивает доставку информационных блоков с соответствующей достоверностью к адресатам и служит для связи с верхними уровнями, отвечающими за организацию информационного обмена.

Границу между сеансовым и транспортным уровнями можно представить как границу между протоколами высших (прикладных) уровней и протоколами низших уровней. Тогда как прикладной, представительский и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных. Транспортный уровень обеспечивает услуги по транспортировке данных, которые освобождают высшие уровни от необходимости вникать в их детали. Функцией транспортного уровня является надежная транспортировка данных по сети. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержки и упорядоченного завершения действия каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

На этом уровне информация представляется в виде сообщений, которыми обмениваются процессы.

Пятый – сеансовый уровень , регламентирует организацию и проведение сеансов взаимодействия между прикладными процессами обработки информации. Происходит идентификация соединений, управления диалогом.

Сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными заданиями. Сеансы состоят из диалога между двумя или больше объектами. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами соответствующего уровня и управляет обменом информации между ними.

Кроме того, сеансовый уровень предоставляет средства для отправления информации, класса услуг и сообщений в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительского и прикладного уровней. Данные на сеансовом уровне представляются блоками заданной длины.

Шестой – представительский уровень. На этом уровне выбирается форма, язык, алфавит и формат представления пользователю информации, а в обратном направлении происходит преобразование информации из формы седьмого уровня в ту форму, которая нужна для последующей ее передачи по транспортной сети.

Представительский уровень отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была воспринята на прикладном уровне другой системы. При необходимости на представительском уровне осуществляется выбор из множества форматов представления информации в пользу использования общего формата представления информации. Представительский уровень занят не только форматом и представлением фактических данных пользователя, но и структурами данных. Поэтому, кроме трансформации формата фактических данных (если она необходима), представительский уровень согласовывает синтаксис передачи данных для прикладного уровня и, если необходимо, выполняет шифровку и дешифровку данных.

Седьмой – прикладной уровень, определяет семантическую сторону информации, качество обслуживания, доступность партнера по передаче. На этом уровне осуществляется управление прикладными процессами, терминалами и сетью в целом. Семантика (гр.) – смысловая сторона языка, отдельных слов и частей слова.

Прикладной уровень это ближайший к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуги ни одному из других уровней OSI. Он обеспечивает услугами прикладные процессы, которые лежат за пределами модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить процессы передачи речевых сигналов, базы данных, текстовые процессоры и так далее.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные процессы, а также устанавливает и согласовывает процедуры устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи. На этом уровне информация представляется в виде файлов, таблиц, баз данных и тому подобных объектов.

Открытые системы взаимодействуют между собой через различные коммуникационные средства. В зависимости от типа коммуникационное устройство может работать только на физическом уровне (повторитель), на физическом и канальном (модем, коммутатор), или на физическом, канальном и сетевом (мультипликатор), иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор).

Даже короткое рассмотрение эталонной модели позволяет сделать вывод, что система телекоммуникации и информационная система, которая использует первую систему для выполнения функций обмена информации, разделяются условно. В некоторых случаях специалисты по информационным системам считают три верхних уровня характерными для информационных систем, а четыре нижних уровни относят к системам телекоммуникации. Все это говорит лишь о взаимопроникновении этих систем друг в друга. Впрочем, эталонная модель OSI является основной моделью для специалистов телекоммуникации, которая воспроизводит общие системные свойства объекта профессиональной деятельности.

Эталонная модель OSI не является реализацией сети. Она только определяет функции протокола каждого уровня.

Основные принципы построения системы управления информационными сетями связи

В соответствии с назначением система управления информационной сетью представляет набор служб и программно-аппаратных средств, которые обеспечивают администрацию сети информацией о работе сети и дают возможность автоматически или автоматизировано влиять на ее работу.

Сеть связи является распределенной системой. Организация управления сетью включает (см. рис. 2.2):

• сбор контрольной информации о состоянии элементов сети;

• анализ качественных характеристик работы сети на предмет их соответствия предназначенным для пользователя требованиям;

• выработка управляющих решений;

• доведение этого решения c помощью технических средств реализации управляющих решений (ТЗУР) до элементов сети.

В этой связи принципиальными для сетевого управления являются следующие моменты:

• управление реальной сетью носит дискретный характер управляющей системы, и администрация сети обнаруживает изменения характеристик сети при достижении их качественных показателей некоторых критических значений (порогов);

• реакция СУ на возможные критические ситуации при работе сети (перегрузка, отказы оборудования и так далее) происходит с определенной задержкой, связанной с быстродействием алгоритмов управления и производительностью технических средств СУ. Если эта задержка превышает определенную величину, управляющие воздействия будут неадекватными ситуации, что может привести к нежелательным последствиям. Другими словами, принципиальной является стохастическая устойчивость управления. Пороги и стохастическая устойчивость управления определяются на этапе проектирования СУ.

В СУ сетью могут быть выделены следующие относительно автономные функциональные подсистемы (рис 2.2):

- система динамического управления ресурсами сети (СДУ);

- система технического обслуживания (СТО);

- система административного управления (САУ).

Технической базой подсистем является:

- для СДУ – соответствующие элементы;

- для СТО – центры технического обслуживания (ЦТО);

- для САУ – центры управления сетью (ЦУС).

Разработка управления сетью тесно связана с математическим моделированием процессов управления сетью и ее элементами. Автономное проектирование каждой из выделенных подсистем управления требует решения двух задач:  оптимизацию структуры и  оптимизацию алгоритмов функционирования. Поскольку структура СДУ определяется структурой системы доставки информации (то есть телекоммуникационной сетью), то при моделировании СДУ основным целью является оптимизация ее алгоритмов, главным из которых является маршрутизация, что обеспечивает разделение потоков информации в соответствии с определенным планом, и управлением потоками, что дает возможность контролировать входную и транзитную нагрузки в сети. В процессе решения этих задач могут быть получены пороговые характеристики качественных показателей работы сети, при прохождении которых нужны или вмешательство оператора сети, или автоматическое перераспределение потоков нагрузки. При моделировании САУ и СТО подлежат расчету их собственная структура и рекомендации оператору по управлению первичной и вторичной сетями (модели и алгоритмы управления структурой сети). Математическое моделирование сети необходимо как для решения вышеупомянутых задач, так и для разработки многочисленных дополнений управления.