Основные технологии передачи информации. Технологии передачи информации. Спутниковые каналы передачи данных

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.

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.

Нынешнее время переживает бурное освоение в области сетей передачи данных. Разновидностей сетей достаточно много. Самоё определение сети в обобщенном понимании – это система мультиплексирования доступа к каналам связи и ресурсам.По своей принадлежности сети делятся на:
- локальные сети (LAN, Local Area Network
- городские (MAN, Metropolitan Area Network)
- региональные (WAN, Wide Area Network)
- глобальные (InterNet, FidoNet, FreeNet)
Основное отличие глобальной сети от остальных - это неограниченное число абонентов. Уникальность каждой сети определяется методом доступа к среде передачи данных. С появлением оптоволокна и витой пары построение сетей теперь все больше стало базироваться на использовании оптического кабеля и кабеля “витая пара” - что подняло эффективность сетей на новый уровень: значительно повысилась защищенность и качество информации, увеличились скорость передачи данных и диапазон полосы пропускания.

Ниже сделан краткий обзор распространенных сетевых технологий. Данный обзор не претендует на теоретические изыски – задача автора другая: выделить основополагающие понятия, характеризующие суть конкретной технологии.

Таблица 1

технология	скорость передачи	топология	базовые устройства	метод доступа к сети
	Европа США Е1 – 2Мб/с Т1 - 1,5Мб/с Е2 - 8Мб/с Т2 - 6Мб/с Е3 - 34Мб/с Т3 - 45Мб/с Е4 - 140Мб/с Т4 - 274Мб/с	точка-точка	оборудование Е1, Е2, Е3, Е4 или Т1, Т2, Т3, Т4	метод временного плезиохронного мультиплексирования
	STM-1 155 Мбит/с STM-4 622 Мбит/с STM-16 2,5 Гбит/с STM-64 10 Гбит/с	двойное кольцо, точка-точка	SDH-коммутатор
	STS-1, OC-1 52 Мб/с STS-3, OC-3 155 Мб/с STS-12, OC-12 622 Мб/с STS-48, OC-48 2,5 Гб/с	двойное кольцо, точка-точка	оборудование SONET/SDH	метод временного синхронного мультиплексирования
	10 Ethernet – 10 Мбит/с Fast Ethernet – 100Мбит/с Gigabit Ethernet – 1 Гбит/с 10G Ethernet – 10 Гбит/с 40G Ethernet – 40 Гбит/с 100G Ethernet–100 Гбит/с	шина, звезда	маршрутизирующий коммутатор	метод коллективного доступа
		двойное кольцо	концентратор	маркерный метод
		двойное кольцо	сетевой FDDI-адаптер	маркерный метод
	155 Мбит/с 622 Мбит/с 2,5 Гбит/с	точка-точка	АТМ-коммутатор	метод асинхронного мультиплексирования
	155 Мбит/с 622 Мбит/с 2,5 Гбит/с	двойное кольцо	маршрутизаторы Cisco 7200 Cisco 7500 Cisco 12000	динамическая передача IP-пакетов
семейство xDSL	ADSL – 3,5 Мбит/с HDSL – 2 Мбит/с SDSL – 2 Мбит/с VDSL – 26 Мбит/с SHDSL– 2,32 Мбит/с UADSL – 384 Кбит/с IDSL – 144 Кбит/с	точка-точка, звезда		метод цифровой обработки сигнала
	APON – 155 Мбит/с BPON – 622 Мбит/с EPON (GEPON)– 1 Гбит/с 10 GEPON – 10 Гбит/с GPON-1Гбит/с и 2,5Гбит/с	кольцо, точка-точка, дерево	оптический разветвитель	метод WDM мультиплексирования и метод множественного доступа с разделением времени

Прокомментируем вышеизложенное в Таблице 1.

Технология PDH – одна из первых технологий, предусматривающих цифровую передачу данных в первичной сети с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), т.е. с помощью специального коммутационного оборудования аналоговый телефонный сигнал преобразуется в цифровой информационный поток
- технология SDH представляет собой дальнейшее развитие технологии PDH и в отличие от последней обеспечивает надежное управление и самодиагностику первичной сети с высокостабильной синхронизацией данных
- технология SONET представляет собой американскую версию технологии SDH
- технологию Ethernet успешно используют при построении локальных компьютерных сетей. Это первая технология, которая стала использовать в качестве среды передачи данных оптический кабель и витую пару - что привело к невероятному росту быстродействия Ethernet-сетей. Скорости передачи данных дошли до 10 Гбит/с. На подходе протоколы 40 Gigabit Ethernet и 100 Gigabit Ethernet со скоростями 40 Гбит/с и 100 Гбит/с!
- технология АТМ относительно молодая сетевая разработка, в основу которой взята концепция транспортировки как данных, так и голосового и видео трафиков с высокими скоростями
- технология FDDI является усовершенствованной разработкой Token Ring. В главном эти конструкции идентичны, различие в скоростях передачи данных и в алгоритме кодирования информации
- технология DPT – это новейшая сетевая разработка, претендующая на международный стандарт. Основополагающей концепцией сетей DPT является эффективная приемо-передача IP-трафика
- технология xDSL, используя существующие телефонные линии, заняла свое место в сфере интерактивного доступа к абонентам, где успешно сосуществуют телефонный аппарат и Интернет, факс и электронная почта
- технология PON – стремительно развивающаяся технология, позволившая за достаточно короткий срок решить задачу подключения индивидуального пользователя к сервис-провайдеру.

Поподробнее о каждой технологи.

Технология PDH (плезиохронная цифровая иерархия) – это технология цифровых первичных (опорных) сетей, в которых используется принцип цифровой обработки аналогового телефонного сигнала (ИКМ) и метод временного мультиплексирования (TDM). Суть этого метода мультиплексирования с разделением времени заключается в следующем: с помощью коммутатора входные абонентские каналы последовательно подключаются к общему каналу связи на определенный интервал времени, так называемый тайм-слот, а на приемной стороне общего канала коммутатор демультиплексирует поток на отдельные выборки и распределяет их по соответствующим приемным абонентским каналам. Архитектура PDH имеет несколько иерархий скоростей и соответственно несколько каналов цифровых информационных потоков. Первый уровень, базовый для первичной сети, называется Е1 и равен 2,048 Мбит/с по европейскому стандарту или Т1=1,544 Мбит/с по американскому стандарту. Этот уровень образуется из 30-ти абонентских скоростей (по 64 Кбит/с) плюс две служебные скорости (32 х 64 Кбит/с) или из 24-х абонентов по американским меркам плюс 8 служебных Кбит (24 х 64 Кбит/с + 8 Кбит/с). Далее, с помощью базовых потоков Е1 и Т1 организуются другие каналы с более высоким уровнем в иерархии скоростей – Е2/Т2, Е3/Т3, Е4/Т4. Надо отметить, что механизм синхронизации этих цифровых потоков работает на плезиохронном уровне, т.е. почти синхронном. Это приводит к тому, что преобразованные цифровые потоки разнятся по скоростям друг от друга на небольшие значения. И чтобы сети PDH функционировали с приемлемой надежностью, необходима дополнительная опция выравнивания скоростей с помощью добавления специальных выравнивающих битов. Однако данная цифровая платформа в силу своей организации не позволяет значительно увеличить скорости передачи и не обеспечивает достаточного контроля и управления данными первичной сети. Появилась более совершенная технология SDH, которая, используя цифровые информационные потоки PDH, может организовать высокоскоростную и эффективную передачу данных.

Технология SDH (синхронная цифровая иерархия) – технология цифровых первичных и транспортных сетей. Представляет собой усовершенствованный вариант PDH-технологии. Основной информационной структурой в сетях SDH является синхронный транспортный модуль с соответствующим уровнем иерархии, именуемый STM-n. Уровень STM-1 является базовым и равен 155 Мбит/с. Сети SDH относятся к классу сетей с коммутацией каналов методом синхронного мультиплексирования с разделением времени (TDM). Концепция SDH позволяет создавать надежные транспортные сети, в которых в качестве входных данных используются PDH-потоки. Вся информация в системе PDH/SDH передается контейнерами С-n и виртуальными контейнерами VC-n. Контейнер типа С-n – входная транспортная структура в первичной SDH-сети: так в контейнер С-12 упакован поток E1, в контейнер С-3 упакован поток E3, а в контейнере С-4 упаковывается информационный поток самой SDH-сети модуль STM-1. Далее, перед мультиплексированием и коммутацией в контейнер C-n вкладывается трактовая информация о маршруте – теперь такой контейнер называется виртуальным контейнером VC-n. Его еще называют единицей мультиплексирования в технологии с синхронной цифровой иерархией. В SDH-сетях работает единый высокостабильный тактовый механизм – тактовая сетевая синхронизация (ТТС). Наиболее предпочтительной топологией считается двойное кольцо – по первому кольцу передается информационный трафик, по второму – синхронизирующие данные и это кольцо активизируется для прохода основного потока только при сбоях и аварийных ситуациях.

Технология SONET – технология цифровых первичных сетей, аналог технологии SDH. Синхронные транспортные модули в конструкции SONET именуются как STS-n (электрические сигналы) и OC-n (лазерное инфракрасное излучение). Первый уровень, базовый для первичной сети, STS-1 / OC-1 равен 52 Мбит/с. Третий уровень STS-3 / OC-3 соответствует первому уровню STM-1 в архитектуре SDH. Также как и в SDH-сетях в SONET используется метод временного синхронного мультиплексирования (TDM). Таким образом, когда говорят о сетях с синхронной цифровой иерархией, подразумевают технологию c аббревиатурой SONET/SDH.

По поводу Ethernet. Сейчас эта технология остается самым распространенным сетевым протоколом, в котором используется метод коллективного доступа с опознаванием несущей частоты и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Говоря простым языком, такой множественный метод доступа не позволяет создать коллизию, т.е. ситуацию одновременной передачи данных по общему каналу между абонентами. Информационной единицей является кадр. Подробнее о технологии Ethernet см. в рубрике “Полезная информация” нашего сайта под названием “Модель ISO/OSI и стандарт IEEE 802.3 в сетях Ethernet"

Технология АТМ предусматривает асинхронный способ передачи информации ячейками фиксированного размера в 53 байта состоящего из 48 байтов данных и 5 байтов заголовка. Через посредство АТМ-коммутатора ячейки мультиплексируются по мере поступления. Такое уплотнение данных называется методом асинхронного мультиплексирования. Сети АТМ ориентированы на виртуальное соединение двух видов интерфейса – виртуальный канал (VC) и виртуальный путь (VI). Виртуальный канал устанавливает соединение между двумя конечными узлами (абонентами) на время их взаимодействия. Виртуальный путь состоит из нескольких виртуальных каналов и образует маршрут между коммутаторами. Синхронизация АТМ-сети обеспечивается за счет тактовой сетевой синхронизации (ТТС).Фиксированный стандарт ячейки дает гарантированное постоянное время обработки данных – что является неоспоримым плюсом этой технологии. Концепция ATM успешно используется в сетях, где главным критерием является высококачественная, скоростная передача разнородного трафика (цифровых, голосовых и мультимедийных данных).

Технологии FDDI и Token Ring используют детерминированный маркерный метод передачи данных, а по-простому, такой способ именуется эстафетным, так как право передачи запускается по эстафете от абонента к абоненту. Этот метод предполагает обязательно кольцевую топологию расположения абонентов, причем строятся два кольца: одно кольцо является резервным в случае аварийных ситуациях или сбоях. Суть метода такова. По кольцу непрерывно вращается маркер (token), специальный управляющий пакет. Отсюда еще одно название метода – токеновый! Так вот, если маркер свободный - он дает право абоненту на передачу. Абонент, получивший свободный маркер, делает маркер занятым, присоединяет к нему свой пакет информации и пускает такую посылку по кругу. Остальные абоненты в кольце анализируют эту посылку на предмет адресата. Если абоненту не адресована посылка, он пускает ее по кругу. Если абонент находит в посылке свой адрес, он принимает инфо, маркер помечает как принятый и пускает посылку снова по кольцу. Передающий абонент, получивший обратно свою посылку с отметкой о приеме, удаляет свой информационный пакет, помечает token (маркер) как свободный и отправляет чистенький token дальше по кольцу. Все снова повторяется.

Технология DPT, разработанная фирмой Cisco Systems, находится на стадии принятия в качестве международного стандарта для построения нового поколения городских сетей, ориентированных на провайдеров услуг по передаче IP-трафика. DPT – это технология динамической передачи IP-пакетов. Динамичность этой разработки заключается в предоставлении отправленному пакету данных кратчайший путь до абонента (узла). Идеология новейшей технологии заключается в умелом использовании подходов по строительству уже существующих сетей, таких как: SONET/SDH, Token Ring, FDDI. Имеется в виду организация топологии двойного кольца. Это очень эффектный ход компании Cisco ! В топологии “двойное кольцо” в технологиях SONET/SDH, Token Ring, FDDI вторая кольцевая магистраль используется как резервная при сбоях, разрывах и т.п. В DPT два кольца работают в активном режиме, причем IP-пакеты вращаются по кругу в противоположных направлениях: в одном кольце – по часовой, в другом – против часовой. Такая организация потоков информации дает возможность специальному протоколу SRP выбирать наиболее актуальный путь до приемного узла. Интересна технология DPT еще и тем, что она достаточно мобильно может встраиваться в уже построенные SONET/SDH и Gigabit Ethernet сети. Ну, и в плане емкости сети – в DPT может быть включено гораздо больше устройств по сравнению, скажем, с той же SONET/SDH.

Семейство xDSL-технологий использует существующие абонентские линии телефонной сети общего пользования. Чтобы такая сеть стала самодостаточной, со всеми атрибутами сетевой технологии – а это прежде всего: эффективный доступ к Интернет, интерактивная связь с абонентами, в концепции хDSL решены три кардинальные задачи: значительно увеличена скорость передачи данных, существенно расширена пропускная способность линий, на много поднят уровень качества связи! Первая задача выполняется за счет использования xDSL-модемов, вторая – за счет использования уникальной кодировки информации, третья – за счет внедрения метода цифровой обработки сигнала. Таким образом, семейство xDSL достойно занимает свою нишу среди наиболее востребованных сетевых технологий.

В технологии PON при построении оптической сети используются два метода мультиплексирования: WDM мультиплексирование/ демультиплексирование и метод множественного доступа с разделением времени (TDMA). WDM мультиплексирование - это волновое спектральное уплотнение лазерного потока инфракрасных волн в одном волокне. Метод множественного (коллективного) доступа с временным разделением использует специальный механизм арбитража, исключающего случаи столкновения информационных потоков в общем канале передачи данных. Стандартно сети PON работают в интерфейсе с форматами Ethernet, обеспечивая на абонентском тракте “последняя миля” эффективное распределение пользовательских услуг по принципу “оптика в дом” (FTTH). Архитектура PON достаточно тривиальная. Имеется один активный центральный узел OLT (optical line terminal) с лазерным приемопередающим модулем (трансивером) и множество активных удаленных абонентских узлов ONT (optical network terminal, ITU-T) или ONU (optical network unit, IEEE) со своим лазерным приемопередающим модулем (трансивером). Между этими устройствами расположена полностью пассивная оптическая среда, не требующая электроэнергии и технического обслуживания и состоящая из оптических кабелей и оптических разветвителей. Внешним источником информации для OLT является Интернет-провайдер и кабельное телевидение. В центральном и в абонентских узлах встроены WDM мультиплексы и оборудование TDMA. От ядра OLT передаются нисходящие потоки, состоящие из WDM упакованных сигналов на длинах волн 1490 нм и 1550 нм с конкретной ONT-адресацией. Эти потоки приходят на каждое абонентское устройство, где информация отфильтровывается на предмет ONT-адрес с выходом на конкретного пользователя. Обратный (восходящий) поток от всех абонентских устройств передается на длине волны 1310 нм. Вот в этом потоке и используется способ множественного доступа с разделением времени, чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных пользователей. Все ONT синхронизируются от общего времязадающего источника и каждому ONT выделяется определенный временной домен. Узел ONT должен укладывать в свой буфер полученные от своего пользователя данные до тех пор, пока не придет его временной домен. Когда приходит его временной домен, ONT вбрасывает всю накопленную в буфере информацию в восходящий поток, который принимается центральным OLT-узлом, где этот поток демультиплексируется для дальнейшего выхода на Интернет-провайдер. Интерактивный поток на волнах 1490/1310нм через медиаконвертер и модем по витой паре подключается к компьютеру, IP-телефону. Исходящий поток на волне 1550нм обеспечивает работу кабельного телевидения. Расстояние между OLT и ONT узлами может доходить до 20 км. Количество ONT, которое может быть встроено в OLT-сеть, максимально составляет 64 узла.

В данной статье мы коснулись типовых технологий построения сетей передачи данных. Надеемся на понимание нашего читателя в том контексте, что из всего множества сетевых разработок были рассмотрены самые значимые и самые востребованные концепции.
Спасибо за понимание! Автор.

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:

Проводя обзор технологий передачи информации нельзя не упомянуть о модели OSI, модели, описывающей структуру идеальной сетевой архитектуры. Каждый интерфейс и протокол передачи, о котором пойдет речь в данном дипломном проекте, занимает свой определенный уровень в данной модели.

1. Модель osi

Для того чтобы различные компоненты сети могли общаться, они должны работать с использованием одного протокола обмена информацией, то есть должны «говорить» на одном языке. Протокол определяет набор правил для организации обмена информацией на всех уровнях взаимодействия сетевых объектов. В качестве "линейки" для определения уровней используется модель OSI (Open System Interconnect), разработанная международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). В модели OSI семь уровней взаимодействия для рассмотрения процесса обмена информацией между устройствами в сети. Каждый из уровней сети относительно автономен и рассматривается отдельно. Модель OSI используется для определения функций каждого уровня. Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели:

горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;

вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.

Рисунок 1.1.1 Модель OSI

Физический уровень (physical layer) - нижний уровень модели, который определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства (компьютера) к другому. Передача электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир осуществляется в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Спецификации физического уровня определяют уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, требования к среде передачи, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером, обеспечивающим механический интерфейс для связи компьютера со средой передачи или последовательным портом. Физический уровень определяет такие виды сред передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п.

Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: USB, RS-232, RS-485, RJ-45, физические интерфейсы Ethernet (10BASE-T, 100BASE-T и 1000BASE-TX). Основные протоколы физического уровня: IEEE 802.15 (bluetooth), EIA RS-232, RS-485, DSL(цифровая абонентская линия), ISDN (цифровая сеть с интеграцией служб), 802.11 Wi-Fi, GSM, RFID, 802.15.4.

Канальный уровень (data link) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, он упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации, топологии сети, уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Обычно этот уровень разбивается на два подуровня: LLC (Logical Link Control) в верхней половине, осуществляющего проверку на ошибки и обслуживание сетевого уровня, и MAC (Media Access Control) в нижней половине, отвечающего за физическую адресацию и прием/передачу пакетов на физическом уровне. На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие устройства, они называются устройствами второго уровня.

Протоколы канального уровня: Controller Area Network (CAN), IEEE 802.3 Ethernet, Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, IEEE 802.11 wireless LAN, 802.15.4, Point-to-Point Protocol (PPP), Token ring, x.25, ATM.

В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой. Это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS, UDI.

Сетевой уровень (session layer) обеспечивает соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. Сетевой уровень отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети. Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства (маршрутизаторы) условно называют устройствами третьего уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2), IPsec (Internet Protocol Security). Протоколы маршрутизации - RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First).

Транспортный уровень (transport layer) - самый высокий из уровней, отвечающих за транспортировку данных, предназначен для обеспечения надёжной передачи данных от отправителя к получателю. При этом уровень надёжности может варьироваться в широких пределах. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.

Например, UDP ограничивается контролем целостности данных в рамках одной дейтаграммы и не исключает возможности потери пакета целиком, или дублирования пакетов, нарушения порядка получения пакетов данных. К заголовку IP-пакета он добавляет два поля, одно из которых, поле "порт", обеспечивает мультиплексирование информации между разными прикладными процессами, а другое поле - "контрольная сумма" - позволяет поддерживать целостность данных.

Примерами сетевых приложений, использующих UDP, являются NFS и SNMP.

TCP обеспечивает надёжную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления или дублирования, может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и наоборот склеивая фрагменты в один пакет.

Основные протоколы транспортного уровня: SPX (Sequenced Packet Exchange – упорядоченный обмен пакетами), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами уровня представления и управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. В качестве примера программных средств, обеспечивающих работу сеансового уровня, могут служить интерфейсы NetBIOS сетей Windows и Sockets - сокеты сетей TCP/IP.

Уровень представления (presentation layer) отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации. При необходимости трансформации подвергаются не только фактические данные, но и структуры данных, используемые программами. Уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Прикладной уровень (application layer) - верхний уровень модели OSI, обеспечивающий взаимодействие пользовательских приложений с сетью:

позволяет приложениям использовать сетевые службы:

• удалённый доступ к файлам и базам данных,

  пересылка электронной почты;

отвечает за передачу служебной информации;

предоставляет приложениям информацию об ошибках;

формирует запросы к уровню представления.

Протоколы прикладного уровня: HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, TELNET и другие ,.

Изучение структуры данной модели позволяет создать более четкую картину расположения каждой сетевой технологии в сложной системе построения сетей.

Системы идентификации объектов

Сама по себе идея автоматизированного распознавания объектов не нова. Известны как минимум, пять разновидностей идентификации:

оптическая: системы, основанные на штрих-кодах, распознавании символов;

магнитная: магнитная полоса, распознавание меток, нанесенных магнитными носителями;

радиочастотная идентификация (RFID) и передача данных: пластиковые смарт-карты с встроенной микросхемой, радиометки;

биометрическая: распознавание отпечатков пальцев, сканирование рисунка радужной оболочки глаза;

акустическая: идентификация по звуковым параметрам (голосу).

Оптическая идентификация

Оптическая идентификация - принцип выделения отдельных компонентов системы среди множества аналогичных с помощью точечного источника оптического излучения видимого диапазона длин волн.

Оптическая идентификация часто используется на железных дорогах. Видеоаналитическое оборудование обеспечивает автоматизированный контроль железнодорожного полотна, прилегающей территории (полосы отвода) и других инфраструктурных объектов с помощью технических средств видеонаблюдения.

Оборудование решает следующие задачи:

регистрация, передача и аналитическая обработка видеоинформации об обстановке на охраняемых объектах;

автоматическое формирование оперативного сигнала тревоги при возникновении нештатной (тревожной) ситуации;

непрерывный контроль работоспособности всех компонентов комплекса и автоматическое обнаружение несанкционированных изменений его настроек.

Алгоритмы аналитической обработки видео, встроенные в оборудование, должны обеспечить:

автоматическое детектирование, сопровождение и классификацию целей на подступах к железнодорожному полотну и к другим инфраструктурным объектам;

классификацию целей по типам поведения, в том числе: появление в заданной зоне;

контроль качества изображения и автоматическое формирование тревожного сообщения в случае значительной деградации качества.

Помимо этого оптическая идентификация используется для контроля передвижения объектов подвижного состава железнодорожного транспорта (ЖДТ) путем автоматического обнаружения и идентификации вагонов, цистерн и платформ по их регистрационному номеру.

Камера устанавливается на стойке, на высоте до 6 метров и направляется вдоль железнодорожного полотна. Объектами видеоанализа являются люди и транспортные средства, перемещающиеся в поле зрения камеры произвольным образом. Оборудование поддерживает различные профили стандарта ONVIF (Open Network Video Interface Forum) . ONVIF - отраслевой стандарт, определяющий протоколы взаимодействия таких устройств как IP-камеры, видеорегистраторы и системы управления видео.

Недостатком оптической идентификации является потенциальная возможность загрязнения камер, расположенных на сложных участках, влияние помех на качество изображения и, следовательно, идентификации, достаточно большая стоимость таких систем (совокупности камер и анализаторов изображения).

Радиочастотная идентификация

RFID (Radio Frequency IDentification) - радиочастотная идентификация, способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Любая RFID-система включает в себя следующие составляющие:

считывающее устройство (считыватель, ридер или интеррогатор);

транспондер (RFID-метка).

Большинство RFID-меток состоит из двух частей. Первая - интегральная схема (ИС) для хранения и обработки информации, модулирования и демодулирования радиочастотного (RF) сигнала и некоторых других функций. Вторая - антенна для приёма и передачи сигнала.

Рисунок 1.2.2.1 RFID-антенна

Существует несколько способов систематизации RFID-меток и систем:

По рабочей частоте

• Метки диапазона LF (125-134 кГц). Пассивные системы данного диапазона имеют низкие цены, и в связи с физическими характеристиками, используются для подкожных меток при чипировании животных, людей и рыб. Однако, в связи с длиной волны, существуют проблемы со считыванием на большие расстояния, а также проблемы, связанные с появлением коллизий при считывании.

  Метки диапазона HF (13,56 МГц). Преимущества данных систем в том, что они дешевы, не имеют экологических и лицензионных проблем, хорошо стандартизованы, имеют широкую линейку решений. Применяются в платежных системах, логистике, идентификации личности. Для частоты 13,56 МГц разработан стандарт ISO 14443 (виды A/B). Однако существуют проблемы со считыванием на большие расстояния, в условиях высокой влажности, наличия металла, а также проблемы, связанные с появлением коллизий при считывании.

  Метки диапазона UHF (УВЧ, 860-960 МГц). Метки данного диапазона обладают наибольшей дальностью регистрации, во многих стандартах данного диапазона присутствуют антиколлизионные механизмы. В UHF RFID-системах по сравнению с LF и HF ниже стоимость меток, при этом выше стоимость прочего оборудования. В настоящее время частотный диапазон УВЧ открыт для свободного использования в Российской Федерации в так называемом «европейском» диапазоне - 863-868 МГЦ и в «американском» диапазоне ____.

По источнику питания

• Пассивные

  Активные

  Полупассивные

По типу памяти

• RO (Read Only) - содержат только идентификатор. Данные записываются только один раз при изготовлении

  WORM (Write Once Read Many) - содержат идентификатор и блок однократно записываемой памяти

  RW (Read and Write) - содержат идентификатор и блок памяти для многократной записи информации. Данные в них могут быть перезаписаны многократно

По дальности считывания

Ближней идентификации (считывание на расстоянии до 20 см)

Идентификации средней дальности (от 20 см до 10 м)

Дальней идентификации (от 5 м до 300 м)

По исполнению

Пассивные RFID-метки не имеют встроенного источника энергии. Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования кремниевого чипа, размещённого в метке, и передачи ответного сигнала. На практике максимальная дистанция считывания пассивных меток варьируется от 10 см (4 дюймов) (согласно стандарту ISO 14443) до нескольких метров (стандарты EPC и ISO 18000-6), в зависимости от выбранной частоты и размеров антенны. Пассивные метки (860-960 МГц) передают сигнал методом модуляции отражённого сигнала несущей частоты (модуляция обратного рассеяния). Антенна считывателя излучает сигнал несущей частоты и принимает отражённый от метки модулированный сигнал.

Активные RFID-метки обладают собственным источником питания и не зависят от энергии считывателя, вследствие чего они читаются на дальнем расстоянии (до 300 метров), имеют бо́льшие размеры и могут быть оснащены дополнительной электроникой. Однако, такие метки наиболее дороги, а у батарей ограничено время работы. Активные метки в большинстве случаев более надёжны и обеспечивают самую высокую точность считывания на максимальном расстоянии. Активные метки, обладая собственным источником питания, также могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные, позволяя применять их в более агрессивных для радиочастотного сигнала средах: воде, на воздухе.

Полупассивные RFID-метки, также называемые полуактивными, очень похожи на пассивные метки, но оснащены батареей, которая обеспечивает чип энергопитанием. При этом дальность действия этих меток зависит только от чувствительности приёмника считывателя и они могут функционировать на большем расстоянии и с лучшими характеристиками.

Считыватели информации – это приборы, которые читают информацию с меток и записывают в них данные. Эти устройства могут быть постоянно подключенными к учётной системе, или работать автономно. Считыватели делятся на стационарные и мобильные .

Рисунок 1.2.2.2 RFID-считыватель

Международные стандарты RFID, как составной части технологии автоматической идентификации, разрабатываются и принимаются международной организацией ISO совместно с IEC.

Деление меток на классы было принято задолго до появления инициативы EPCglobal упорядочить большое количество RFID-протоколов, однако не существовало общепринятого протокола обмена между считывателями и метками. Это приводило к несовместимости считывателей и меток различных производителей. В 2004 г. ISO/IEC приняла единый международный стандарт ISO 18000, описывающий протоколы обмена (радиоинтерфейсы) во всех частотных диапазонах RFID от 135 кГц до 2,45 ГГц. Диапазону УВЧ (860-960) МГц соответствует стандарт ISO 18000-6А/В. В 2004 г. специалисты EPCglobal создали новый протокол обмена между считывателем и меткой УВЧ диапазона - Class 1 Generation 2. В 2006 г. предложение EPC Gen2 с незначительными изменениями было принято ISO/IEC в качестве дополнения С к существующим вариантам А и В стандарта ISO 18000-6, и на данный момент стандарт ISO/IEC 18000-6C является наиболее распространённым стандартом технологии RFID в УВЧ диапазоне.

Недостатками радиочастотной идентификации являются:

работоспособность метки утрачивается при частичном механическом повреждении;

подверженность помехам в виде электромагнитных полей;

недостаточная открытость выработанных стандартов.

В данном разделе были рассмотрены основные технологии идентификации объектов. Среди них особое внимание было уделено радиочастотной и оптической идентификации, которые можно использовать для инициирования соединения стационарного пункта управления с регистратором параметров движения поезда (РПДР).

Технологии беспроводной передачи данных

Для осуществления процесса обмена информацией между ПЭВМ и РПДП было решено изучить существующие технологии беспроводной передачи данных с целью последующего выбора наиболее подходящей.

BlueTooth

Технология BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала первой технологией, позволяющей организовать беспроводную персональную сеть передачи данных (WPAN - Wireless Personal Network). Она позволяет осуществлять передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие расстояния (10–100 м) в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц и соединять ПК, мобильные телефоны и другие устройства при отсутствии прямой видимости. При создании основной целью являлась разработка радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволял бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами.

Стек протоколов беспроводной передачи данных BlueTooth:

Рисунок 1.3.1.1 Стек протоколов Bluetooth

Технология BlueTooth поддерживает как соединения типа «точка–точка», так и «точка–многоточка». Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчиненные (slave). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet). В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой.

В большинстве случаев технология BlueTooth используется разработчиками для замены проводного последовательного соединения между двумя устройствами на беспроводное. Для упрощения задачи организации соединения и выполнения передачи данных был разработан вариант прошивки BlueTooth-модулей, представляющий законченную программную реализацию всего стека протокола BlueTooth (рис. 1), а также профилей SPP (Serial Port Profile) и SDP (Service Discovery Profile). Это решение дает возможность разработчику осуществлять управление модулем, устанавливать беспроводное последовательное соединение и выполнять передачу данных с помощью специальных символьных команд. Однако оно накладывает определенные ограничения на использование возможностей технологии BlueTooth. В основном это сказывается на уменьшении максимальной пропускной способности и количестве одновременных асинхронных соединений, поддерживаемых BlueTooth-модулем.

В середине 2004 года на смену спецификации BlueTooth версии 1.1, которая была опубликована в 2001 году, принята спецификация BlueTooth версии 1.2. К основным отличиям спецификации 1.2 от 1.1 относят:

Реализация технологии адаптивной перестройки частоты канала для избегания коллизий (Adaptive Friquency hopping, AFH).

Сокращение времени, затрачиваемого на установление соединения между двумя модулями BlueTooth.

Известно, что BlueTooth и Wi-Fi используют один и тот же нелицензирумый диапазон 2,4 ГГц. Следовательно, в тех случаях, когда BlueTooth-устройства находятся в зоне действия устройств Wi-Fi и осуществляют обмен данными между собой, это может привести к коллизиям и повлиять на работоспособность устройств. Технология AFH позволяет избежать появления коллизий: во время обмена информацией для борьбы с интерференцией технология BlueTooth использует скачкообразную перестройку частоты канала, при выборе которого не учитываются частотные каналы, на которых осуществляют обмен данными устройства Wi-Fi.

Схема развития технологии BlueTooth, разработанная консорциумом SIG разработана:

Рисунок 1.3.1.2 Этапы развития технологии Bluetooth

В настоящее время на рынке работает большое количество фирм, предлагающих модули BlueTooth, а также компоненты для самостоятельной реализации аппаратной части BlueTooth-устройства. Практически все производители предлагают модули, поддерживающие спецификации BlueTooth версии 1.1 и 1.2 и соответствующие классу 2 (диапазон действия 10 м) и классу 1 (диапазон действия 100 м). Однако, несмотря на то, что версия 1.1 полностью совместима с 1.2, все рассмотренные выше усовершенствования, реализованные в версии 1.2, могут быть получены, только если оба устройства соответствуют версии 1.2.

В ноябре 2004 года была принята спецификация BlueTooth версии 2.0, поддерживающая технологию расширенной передачи данных (Enhanced Data Rate, EDR). Спецификация 2.0 с поддержкой EDR позволяет осуществлять обмен данными на скорости до 3 Мбит/с. Первые серийно изготавливаемые образцы модулей, соответствующие версии 2.0 и поддерживающие технологию расширенной передачи данных EDR, были предложены производителями в конце 2005 года. Радиус действия таких модулей составляет 10 м при отсутствии прямой видимости, что соответствует классу 2, а при наличии прямой видимости он может достигать 30 м.

Как уже отмечалось ранее, основное назначение технологии BlueTooth - замена проводного последовательного соединения. Технологией BlueTooth определены следующие профили: профиль локальной сети (Lan Access Profile), профиль обмена данными (Generic Object Exchange), профиль передачи данных (Profile Object Push Profile), профиль обмена файлами (File Transfer Profile), профиль синхронизации (Synchronization Profile).

Для функционирования беспроводной сети WiFi используются радиоволны, как и для работы сотовых телефонов, телевизоров и радиоприемников. Обмен информацией по беспроводной сети во многом похож на переговоры с использованием радиосвязи.

Большинство Wi-Fi оборудования можно разделить на две большие группы:

WiFi роутеры (маршрутизаторы) и точки доступа

оконечное оборудование пользователей, оснащенное Wi-Fi адаптерами.

Адаптер беспроводной связи компьютера превращает данные в радиосигнал и передает их в эфир с применением антенны. Беспроводной маршрутизатор принимает и декодирует этот сигнал. Информация с маршрутизатора направляется в Интернет по кабелю проводной сети Ethernet.

По сути, и WiFi роутеры и точки доступа WiFi выполняют одни и те же функции - создают радиопокрытие (режим AP), находясь в котором, любое устройство, оснащенное адаптером, может подключиться к сети в режиме AP-Client. На этом сходства устройств заканчиваются. Данные устройства различаются как визуально, так и структурно. У классической точки доступа WiFi имеется только один Ethernet-порт. У классических WiFi роутеров их 5. При этом отдельно выделен WAN-порт, который служит для подключения кабеля провайдера. Остальные Ethernet-порты маркируются как LAN - они служат для подключения по витой паре клиентов локальной сети, которую создает роутер.

В заводских настройках у точки доступа отключен DHCP-сервер и для подключения к ней по Ethernet или по WiFi, сетевому адаптеру необходимо присвоить статический IP-адрес. У роутеров DHCP-сервер в заводских настройках включен, и любой клиент роутера может получить от данного сервера IP-адрес автоматически. Для этого необходимо настроить службу DHCP-клиент адаптера, с помощью которого производится подключение к роутеру, на автоматическое получение IP-адресов. Кроме включенного в заводских настройках DHCP-сервера, роутеры оснащены программно-аппаратным файерволом, который минимизирует вероятность хакерских атак и хищения конфиденциальной информации у клиентов локальной сети, которую он создает, но не гарантирует 100% защиты.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала.

При использовании Wi-Fi оборудования можно выделить несколько основных режимов его работы: точка-точка, инфраструктурный режим, работа в режиме моста и режим повторителя. Рассмотрим подробнее каждый из этих режимов работы.

При режиме работы точка-точка беспроводные клиенты соединяются напрямую между собой, точки доступа в данном случае не используются. Данный режим может использоваться, например, для соединения двух компьютеров, оснащенных Wi-Fi адаптерами, между собой, без каких либо дополнительных устройств.

Рисунок 1.3.2.1 Соединение точка-точка

В инфраструктурном режиме (точка-многоточка) работы, все устройства, подключаемые к беспроводной сети, связываются между собой через промежуточное устройство, называемое точкой доступа (AP, Access Point).

Рисунок 1.3.2.2 Инфраструктурный режим работы

Режим беспроводного моста используется в том случае если необходимо соединить две проводные локальные сети, удаленные друг от друга на небольшое расстояние (20-250 м), но нет возможности проложить кабели. В данном случае беспроводные клиенты не могут подключиться к точкам доступа, а сами точки используется только для транзита трафика из одной локальной проводной сети в другую.

Используемые для работы WiFi адаптеры (приемопередатчики, трансиверы) очень похожи на устройства, применяемые в дуплексных портативных радиостанциях, сотовых телефонах и других подобных устройствах. Они могут передавать и принимать радиоволны, а также преобразовывать единицы и нули цифрового сигнала в радиоволны и наоборот. В то же время есть некоторые заметные отличия приемников и передатчиков WiFi от других похожих устройств. Наиболее существенное отличие в том, что они работают на других частотных диапазонах. Большинство современных ноутбуков и многие настольные компьютеры продают со встроенными беспроводными приемопередатчиками. Если в ноутбуке такого устройства нет, существуют адаптеры, которые подключается к слоту расширения для плат стандарта PC card или к порту USB. После установки адаптера беспроводной связи и соответствующих драйверов, обеспечивающих адаптеру возможность нормальной работы, компьютер может начать автоматический поиск имеющихся сетей.

Приемопередатчики WiFi могут работать в одном из трех частотных диапазонов. Возможен также вариант, когда осуществляется быстрое «перескакивание» из одного диапазона в другой. Такой прием позволяет уменьшить влияние помех и одновременно использовать возможности беспроводной связи многими устройствами. Большинство актуальных стандартов технологии WiFi используют частотный диапазон 2,4ГГц, а если точнее - полосу частот 2400МГц-2483,5МГц. Кроме частотного диапазона 2,4ГГц современные актуальные стандарты WiFi используют диапазон 5ГГц в полосах частот 5,180-5,240ГГц и 5,745-5,825ГГц. Эти частоты намного выше, чем используемые в сотовых телефонах, в дуплексных портативных радиостанциях и для трансляции эфирного телевидения. На более высокой частоте можно передавать больше данных.

В WiFi используются сетевые стандарты 802.11 в нескольких разновидностях:

По стандарту 802.11a данные передаются в диапазоне 5 ГГц со скоростью до 54 мегабит в секунду. Он предусматривает также мультиплексирование с ортогональным делением частот (orthogonal frequency-division multiplexing OFDM), более эффективную технику кодирования, предусматривающую разделение исходного сигнала на передающей стороне на несколько подсигналов. Такой подход позволяет уменьшить воздействие помех.

802.11b является самым медленным и наименее дорогим стандартом. На некоторое время, благодаря своей стоимости, он получил широкое распространение, но сейчас вытесняется более быстрыми стандартами по мере их удешевления. Стандарт 802.11b предназначен для работы в диапазоне 2,4 ГГц. Скорость передачи данных составляет до 11 мегабит в секунду при использовании для повышения скорости манипуляции с дополняющим кодом (complementary code keying, CCK).

Стандарт 802.11g, как и 802.11b, предусматривает работу в диапазоне 2,4 ГГц, однако обеспечивает значительно большую скорость передачи данных – до 54 мегабит в секунду. Стандарт 802.11g быстрее, поскольку в нем используется такое же кодирование OFDM, как и в 802.11a.

Самый новый стандарт – 802.11n. В нем существенно увеличена скорость передачи данных и расширен частотный диапазон. В то же время, хотя стандарт 802.11g теоретически способен обеспечить скорость передачи данных 54 мегабит в секунду, реальная скорость составляет приблизительно 24 мегабит в секунду, в связи с перегрузками сети. Стандарт 802.11n может обеспечить скорость передачи данных 140 мегабит в секунду. Стандарт был утверждён 11 сентября 2009 года Институтом инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE), мировым лидером в сфере разработки и внедрения новых стандартов.

Наиболее распространенными стандартами беспроводных сетей сегодня являются IEEE 802.11 b и 802.11 g. Оборудование таких сетей, согласно IEEE, работает в диапазоне 2400-2483,5 МГц и способно передавать данные с максимальной скоростью 11 и 54 Мбит/с соответственно.

Распределение волн в рассматриваемом диапазоне имеет ряд оригинальных качеств. Несмотря на функциональное сходство беспроводного и проводного оборудования, разница в их установке, монтаже и настройке немалая. Причина - в свойствах физических сред, используемых для передачи информации. В случае с беспроводным оборудованием нужно учитывать законы распространения радиоволн. Радиоэфир более чувствителен к различного рода помехам. Поэтому наличие перегородок, стен и железобетонных перекрытий может сказаться на скорости передачи данных. Условия приема и передачи радиосигнала ухудшают не только физические препятствия, также помехи создают и различные радиоизлучающие приборы.

В свое время стандартом для безопасности в региональных сетях связи была технология Wired Equivalency Privacy (WEP). Однако хакеры обнаружили уязвимости WEP и теперь достаточно просто найти приложения и программы, предназначенные для взлома сетей с такой защитой. В основе WEP лежит поточный шифр RC4, выбранный из-за своей высокой скорости работы и возможности использования переменной длины ключа. Для подсчета контрольных сумм используется CRC32.

На замену технологии защиты беспроводных сетей WEP пришла технология WPA. Плюсами WPA являются усиленная безопасность данных и ужесточённый контроль доступа к беспроводным сетям. Сегодня беспроводную сеть считают защищенной, если в ней функционируют три основных составляющих системы безопасности: аутентификация пользователя, конфиденциальность и целостность передачи данных. Протокол защищенного доступа WiFi (WiFi Protected Access, WPA) в настоящее время входит в протокол безопасности беспроводных сетей стандарта 802.11i. Данная технология поддерживает базовые средства аутентификации протоколов 802.1x, например протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), который предполагает участие в аутентификации трех сторон - вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации, что существенно повышает безопасность соединения. Помимо этого WPA обеспечивает конфиденциальность передачи данных посредством шифрования трафика с использованием временных ключей с помощью TKIP и целостность информации - путем сверки контрольной суммы MIC (Message Integrity Check). Как и в случае WEP, WPA предусматривает вход в систему с использованием пароля. Большинство общественных точек доступа либо открыты, либо используют WPA или 128-битную технологию WEP, хотя в некоторых все еще используется старая уязвимая система WEP. На данный момент WPA и WPA2 разрабатываются и продвигаются организацией Wi-Fi Alliance.

Для обеспечения еще большей безопасности иногда используют фильтрацию адресов управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). В ней для идентификации пользователей не используется пароль, для этого применяются физические аппаратные средства компьютера. Каждый компьютер обладает собственным уникальным MAC-адресом. Фильтрация MAC-адресов обеспечивает доступ к сети только машинам с определенными MAC-адресами. При настройке маршрутизатора нужно указать, каким адресам разрешается доступ в сеть. Система не обладает стопроцентной надежностью. Хакер с соответствующим уровнем знаний может подделать MAC-адрес, то есть скопировать известный разрешенный MAC-адрес и ввести систему в заблуждение, имитируя этот адрес своим компьютером, что позволит ему войти в сеть.

Преимущества Wi-Fi

Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.

В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.

Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона.

Технология беспроводной передачи данных ZigBee была представлена на рынке уже после появления технологий беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi. Появление технологии ZigBee обусловлено, прежде всего, тем, что для некоторых приложений (например, для удаленного управления освещением или гаражными воротами, либо считывания информации с датчиков) основными критериями при выборе технологии беспроводной передачи является малое энергопотребление аппаратной части и ее низкая стоимость. Из этого следует малая пропускная способность, так как в большинстве случаев электропитание датчиков осуществляется от встроенной батареи, время работы от которой должно превышать несколько месяцев и даже лет. Существующие на тот момент времени технологии беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi не соответствовали этим критериям, обеспечивая передачу данных на высоких скоростях, с высоким уровнем энергопотребления и стоимости аппаратной части. В 2001 году рабочей группой № 4 IEEE 802.15 были начаты работы по созданию нового стандарта, который бы соответствовал следующим требованиям:

очень малое энергопотребление аппаратной части, реализующей технологию беспроводной передачи данных (время работы от батареи должно составлять от нескольких месяцев до нескольких лет);

передача информации должна осуществляться на не высокой скорости;

низкая стоимость аппаратной части.

Результатом стала разработка стандарта IEEE 802.15.4. На рис. 5 приведена модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя.

Рисунок 1.3.3.1 Модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет взаимодействие только двух низших уровней модели взаимодействия: физического уровня (PHY) и уровня управления доступом к радиоканалу для трех нелицензируемых диапазонов частот: 2,4 ГГц, 868 МГц и 915 МГц.

Уровень MAC отвечает за управление доступом к радиоканалу с использованием метода множественного доступа с опознаванием несущей и устранением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а также за управление подключением и отключением от сети передачи данных и обеспечение защиты передаваемой информации симметричным ключом (AES-128).

В свою очередь, технология беспроводной передачи данных ZigBee, предложенная альянсом ZigBee, определяет остальные уровни модели взаимодействия, к которым относят сетевой уровень, уровень безопасности, уровень структуры приложения и уровень профиля приложения. Сетевой уровень, технологии беспроводной передачи данных ZigBee, отвечает за обнаружение устройств и конфигурацию сети и поддерживает три варианта топологии сети.

Для обеспечения низкой стоимости интеграции технологии беспроводной передачи ZigBee в различные приложения физическая реализация аппаратной части стандарта IEEE 802.15.4 выполняется в двух исполнениях: устройства с ограниченным набором функции (RFD) и полностью функциональные устройства (FFD).

Кроме деления устройств на RFD и FFD, альянсом ZigBee определены три типа логических устройств: ZigBee-координатор (согласующее устройство), ZigBee-маршрутизатор и оконечное устройство ZigBee. Координатор осуществляет инициализацию сети, управление узлами, а также хранит информацию о настройках каждого узла, подсоединенного к сети. ZigBee-маршрутизатор отвечает за маршрутизацию сообщений, передаваемых по сети от одного узла к другому. Под оконечным устройством понимают любое оконечное устройство, подсоединенное к сети. Рассмотренные выше устройства RFD и FFD как раз и являются оконечными устройствами. Тип логического устройства при построении сети определяет конечный пользователь посредством выбора определенного профиля, предложенного альянсом ZigBee. При построении сети с топологией «каждый с каждым» передача сообщений от одного узла сети к другому может осуществляться по разным маршрутам, что позволяет строить распределенные сети (объединяющие несколько небольших сетей в одну большую - кластерное дерево) с установкой одного узла от другого на достаточно большом расстоянии и обеспечить надежную доставку сообщений.

Трафик, передаваемый по сети ZigBee, как правило, разделяют на периодический, прерывистый и повторяющийся (характеризующийся небольшим временным интервалом между посылками информационных сообщений).

Периодический трафик характерен для приложений, в которых необходимо дистанционно получать информацию, например от беспроводных сенсорных датчиков или счетчиков. В таких приложениях получение информации от датчиков или счетчиков осуществляется следующим образом. Как уже упоминалось ранее, любое оконечное устройство, в качестве которого в данном примере выступает беспроводной датчик, подавляющую часть времени работы должно находится в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым очень низкое энергопотребление. Для передачи информации оконечное устройство в определенные моменты времени выходит из режима «засыпания» и выполняет поиск в радиоэфире специального сигнала (маяка), передаваемого устройством управления сетью (ZigBee-координатором или ZigBee-маршрутизатором), к которой подсоединен беспроводной счетчик. При наличии в радиоэфире специального сигнала (маяка) оконечное устройство осуществляет передачу информации устройству управления сетью и сразу же переходит в режим «засыпания» до следующего сеанса связи.

Прерывистый трафик свойственен, например, для устройств дистанционного управления освещением. Представим ситуацию, когда необходимо при срабатывании датчика движения, установленного у входной двери, передать команду на включение освещения в прихожей. Передача команды в данном случае осуществляется следующим образом. При получении устройством управления сетью сигнала о срабатывании датчика движения оно выдает команду оконечному устройству (беспроводному выключателю) подключиться к беспроводной сети ZigBee. Затем устанавливается соединение с оконечным устройством (беспроводным выключателем) и выполняется передача информационного сообщения, содержащего команду на включение освещения. После приема команды соединение разрывается и выполняется отключение беспроводного выключателя от сети ZigBee. Подключение и отключение оконечного устройства к сети ZigBee только в необходимые для этого моменты позволяет существенно увеличить время пребывания оконечного устройства в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым минимальное энергопотребление. Метод использования специального сигнала (маяка) является гораздо более энергоемким.

В некоторых приложениях, например охранных системах, передача информации о срабатывании датчиков должна осуществляться практически мгновенно и без задержек. Но надо учитывать тот факт, что в определенный момент времени могут «сработать» сразу несколько датчиков, генерируя в сети так называемый повторяющийся трафик. Вероятность данного события невелика, но не учитывать его в охранных системах недопустимо. В беспроводной сети ZigBee для сообщений, передаваемых в беспроводную сеть при срабатывании сразу нескольких охранных датчиков (оконечных устройств), предусмотрена передача данных от каждого датчика в специально выделенном временном слоте. В технологии ZigBee специально выделяемый временной слот называют гарантированным временным слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наличие в технологии ZigBee возможности предоставлять гарантированный временной слот для передачи неотложных сообщений позволяет говорить о реализации в ZigBee метода QoS (качество обслуживания). Выделение гарантированного временного слота для передачи неотложных сообщений осуществляется сетевым координатором (рис. 6, PAN Coordinator).

Для построения беспроводной сети (например, сеть с топологией «звезда») на основе технологии ZigBee разработчику необходимо приобрести по крайней мере один сетевой координатор и необходимое количество оконечных устройств. При планировании сети следует учитывать, что максимальное количество активных оконечных устройств, подсоединенных к сетевому координатору, не должно превышать 240. Кроме того, необходимо приобрести у производителя ZigBee-чипов программные средства для разработки, конфигурирования сети и создания пользовательских приложений и профилей.

Высокая стоимость отладочного комплекта, в состав которого входит набор программных и аппаратных средств для построения беспроводных сетей ZigBee любой сложности, является одним из сдерживающих факторов массового распространения технологии ZigBee на рынке России.

Приведенный в разделе краткий обзор технологий беспроводной передачи данных BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee показывает, что каждая технология имеет свои отличительные качества, заключающиеся в достижении одной и той же цели разными способами (с разными потерями). Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee приведены в таблице.

Таблица 1.3.3.1

Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee

Из данной таблицы видно, что самая быстрая и дальняя передача возможно при использовании технологии Wi-Fi. Технология Wi-Fi используется для передачи почты, видео и других данных через Интернет. Технология ZigBee прекрасно подходит для низкоскоростного обмена информацией небольшого размера между большим количеством узлов, для удаленного мониторинга и управления. Технология BlueTooth нашла наибольшее применение при обмене данными между мобильными устройствами.

Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и реа­лизующих их программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети. Эпитет «достаточный» подчеркивает то обстоятельство, что этот набор представляет собой минимальный набор средств, с помощью которых можно по­строить работоспособную сеть.

Протоколы, на основе которых строится сеть определенной технологии (в узком смысле) специально разрабатывались для совместной работы, поэтому от разра­ботчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимо­действия. Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имеется в виду то, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сете­вых технологий могут служить такие известные технологии локальных сетей, как Ethernet, Token Ring и FDDI, или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получения работоспособной сети в этом случае дос­таточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии - сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммута­торы, кабельную систему и т. п., - и соединить их в соответствии с требования­ми стандарта на данную технологию.

На сегодняшний день самым распространенным стандартом локальных сетей является пакетная технология передачи данных Ethernet. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet, в основном, описывается стандартами IEEE группы 802.3. В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, витая пара или оптический кабель. Ком­пьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структу­рой «общая шина». С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. По­этому важной частью технологии Ethernet является процедура определения дос­тупности среды. После того как компьютер убеждается, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывает» среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр - это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя. Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду пере­дачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр поме­щается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом, компьютер-адре­сат получает предназначенные ему данные. Иногда может возникать ситуация, когда одновременно два или более компью­тера решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая си­туация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обра­ботки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивно­сти сетевого трафика. После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими по­пулярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, на­пример Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия допол­нительного устройства - концентратора. Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы досту­па к среде, адресации и передачи данных. Простая логика работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью. И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хо­рошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов. Другие базовые сетевые технологии - Token Ring, FDDI, - хотя и обладают многими индивидуальными чертами, в то же время имеют много общих свойств с Ethernet. Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особен­ностями используемого метода доступа к разделяемой среде. Так, отличия тех­нологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются специфи­кой заложенных в них методов разделения среды - случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путем передачи маркера в Token Ring.

Для объединения всех блоков системы управления безопасностью поезда «Витязь» используется CAN-шина. Рассмотрим этот интерфейс более подробно .

CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль, обеспечивающая объединение в локальную сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN состоит из большого количества микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности. Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с.

Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары, определённым в стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа к шине, выпускаются специализированные микросхемы - драйверы CAN шины.

Система CAN работает очень надежно. Если возникают какие-либо неисправности, они обязательно фиксируются в соответствующих регистраторах неисправностей и могут быть затем считаны с помощью диагностического прибора.

Рисунок 1.5.1 Система CAN

Сеть объединяет несколько блоков управления. Блоки управления подключаются к ней через трансиверы (приемопередатчики). Таким образом, все отдельные станции сети находятся в одинаковых условиях. То есть все блоки управления равнозначны и ни один из них не имеет приоритета. При этом говорят о так называемой многоабонентской архитектуре. Обмен информацией производится путем передачи последовательных сигналов.

Процесс обмена информацией заключается в обмене отдельными посланиями, кадрами. Эти послания могут быть отправлены и получены каждым из блоков управления. Каждое из посланий содержит данные о каком-либо физическом параметре системы. При этом величина представляется в двоичной форме, т. е. как последовательность нулей и единиц или бит. Например, значение частоты вращения двигателя 1800 об/мин может быть представлено как двоичное число 00010101. При передаче сигналов каждое число в двоичном представлении преобразуется в поток последовательных импульсов (бит). Эти импульсы поступают через провод TX (передающий провод) на вход трансивера (усилителя). Трансивер преобразует последовательности импульсов тока в соответствующие сигналы напряжения, которые затем последовательно передаются на провод шины. При приеме сигналов трансивер преобразует импульсы напряжения в последовательности бит и передает их через провод RX (приемный провод) на блок управления. В блоке управления последовательности двоичных сигналов вновь преобразуются в данные посланий. Например, двоичное число 00010101 преобразуется в частоту вращения 1800 об/мин.

Передаваемое послание может быть принято каждым из блоков управления. Этот принцип передачи данных называют широковещательным, так как он подобен принципу работы широковещательной радиостанции, сигналы которой принимаются каждым пользователем радиосети. Этот принцип передачи данных обеспечивает получение в каждый момент времени одинаковой информации всеми блоками управления, подключенными к сети. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.

Рисунок 1.5.2 Принцип обмена сообщениями по CAN

Блок управления принимает сигналы датчиков, обрабатывает их и передает соответствующие управляющие сигналы на исполнительные устройства. Наиболее существенными компонентами блока управления являются микроконтроллер с входными и выходными запоминающими устройствами и запоминающее устройство для хранения программного обеспечения. Получаемые блоком управления сигналы датчиков, например, датчика температуры или датчика частоты вращения коленчатого вала регулярно вызываются и записываются последовательно во входном запоминающем устройстве. В микроконтроллере входные сигналы обрабатываются в соответствии с заложенными в нем программами. Выработанные в результате этой обработки сигналы направляются в ячейки выходного запоминающего устройства, откуда они поступают на соответствующие исполнительные устройства. Для обработки посланий, поступающих с шины CAN и направляемых на нее, каждый блок управления снабжен дополнительным запоминающим устройством, в котором хранятся как поступающие, так и отправляемые послания.

Для обмена данными посредством шины CAN служит модуль системы CAN. Он разделен на две зоны: зону приема и зону передачи. Модуль системы CAN связан с блоком управления через почтовые ящики для входящих и исходящих посланий. Обычно он встроен в чип микроконтроллера блока управления.

Трансивер представляет собою приемопередающее устройство, одновременно выполняющее функции усилителя. Он преобразует последовательность поступающих с модуля системы CAN двоичных сигналов (на логическом уровне) в электрические импульсы напряжения и наоборот. Таким образом, посредством электрических импульсов можно передавать данные по медным проводам. Связь трансивера с модулем системы CAN осуществляется посредством проводов TX (передающий провод) и RX (принимающий провод). Провод RX соединен с шиной CAN через усилитель. Он позволяет постоянно "прослушивать" цифровые сигналы, передаваемые через шину.

При свободной шине любой узел может начинать передачу в любой момент. В случае одновременной передачи кадров двумя и более узлами проходит арбитраж доступа : передавая адрес источника, узел одновременно проверяет состояние шины. Если при передаче рецессивного бита принимается доминантный - считается, что другой узел передаёт сообщение с большим приоритетом и передача откладывается до освобождения шины. Таким образом, в отличие, например, от Ethernet в CAN не происходит непроизводительной потери пропускной способности канала при коллизиях. Цена этого решения - вероятность того, что сообщения с низким приоритетом никогда не будут переданы.

Все подключенные к шине станции получают послание, отправленное блоком управления. Это послание поступает в зоны приема соответствующих модулей системы CAN через провода RX. После этого они могут определить на контрольном уровне по сумме CRC (Cycling Redundancy Check), нет ли в послании ошибок передачи.

Преимущества

Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.

Простота реализации и минимальные затраты на использование.

Высокая устойчивость к помехам.

Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.

Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.

Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Упрощается подключение дополнительного оборудования.

Недостатки

Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).

Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).

Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня, однако же, это и достоинство. Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться.

USB-интерфейс

В четвертой главе данного дипломного проекта будет производиться написание ППП для стенда тестирования РПДП. На этом стенде будет осуществляться подключение к CAN по USB, поэтому было решено изучить USB-интерфейс.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры РС-компьютера.

Архитектура USB определяется следующими критериями:

Легко реализуемое расширение периферии РС-компьютера;

Скорость передачи до 12 Мбит/с (версия 1.1), до 480 Мбит/с (версия 2.0), до 4,8 Гбит/с (версия 3.0);

Возможность интеграции в РС-компьютерах любых размеров и конфигураций;

Легкое создание устройств-расширений РС-компьютеров.

С точки зрения пользователя важными параметрами USB являются следующие:

Простота подключения к РС-компьютеру, т.е. невозможно неправильно подключить устройство;

Не требуется выключать питание перед подключением из-за особенностей конструкции разъемов;

Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя;

Самоидентифицирующиеся периферийные устройства (Plug & Play);

Возможность динамического подключения периферийных устройств;

Малопотребляющие устройства (до 500 ма) могут получать питание прямо от USB-шины.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб (обеспечивает дополнительные точки подключения). Каждый кабельный сегмент соединяет две точки – хаб с другим хабом или функцией (представляет собой конечное периферийное устройство). В системе имеется, причем только один, хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды функций и хабов и управляющий работой всей системой. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения – портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый корневой хаб.

Логически устройство, подключенное к любому порту хаба USB может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру. Таким образом, точка подключения устройства не важна.

Хост-контроллер производит распределение пропускной способности шины между устройствами. USB-шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные периферийные устройства, подключенные к порту хаба USB кабелем. Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности устройства и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом – ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

Хаб представляет собой кабельный концентратор. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов. У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port), предназначенный для подключения к хабу верхнего уровня и один или несколько нисходящих портов (Downstream Port), предназначенных для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб распознает подключение и отключение устройств и управляет подачей питания на нисходящие сегменты.

Для избавления программиста от рутинной работы по написанию драйвера, в некоторые операционные системы заведомо входят низкоуровневые драйвера. В систему Windows входят:

драйвер хост-контроллера (USB Bus Driver) отвечает за управление транзакциями, питанием и распознаванием устройств;

драйвер шины (USB Bus Driver) отвечает за управление транзакциями, питанием и распознаванием устройств;

драйвер класса (Class driver).

С точки зрения программиста наибольший интерес представляют драйвер класса и интерфейс обращения к этому драйверу. Здесь операционная система делает шаг на пути к унификации интерфейсов. Все USB-устройства делятся на группы (хабы, HID-устройства, аудио, устройства хранения данных, принтеры, устройства коммуникации), согласно общим свойствам, выполняемым функциям и требованиям к ресурсам. Для каждой группы устройств Windows предоставляет отдельный драйвер, который автоматически устанавливается при обнаружении принадлежности устройства к одной из групп. Таким образом, в большинстве случаев никаких драйверов не требуется.

USB HID (human interface device) class - класс устройств USB для взаимодействия с человеком. Этот класс включает в себя такие устройства как клавиатура, мышь, игровой контроллер. Это один из первых USB классов, поддерживаемых операционной системой Windows. HID устройство кроме ввода данных в компьютер может и получать их от него. При необходимости отправки данных на HID устройство необходимо инициировать соединение с этим устройством и далее работать с ним как с обычным файлом .

В данной главе был произведен обзор основных технологий передачи данных. Для осуществления процесса обмена информацией между компьютером и поездом было решено изучить существующие технологии беспроводной передачи данных с целью последующего выбора наиболее подходящей (2 глава). Помимо беспроводных технологий физического уровня, были рассмотрены технологии канального уровня (Ethernet, Frame Relay, ATM).

В данном разделе были также рассмотрены основные технологии идентификации объектов. Среди них особое внимание было уделено радиочастотной и оптической идентификации, которые можно использовать для инициирования соединения стационарного пункта управления с регистратором параметров движения поезда (РПДР).