Принципы построения и функционирования сетей эвм

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Технологический институт

Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального

образования

«Южный федеральный университет»

 

Ю.А. ЗАРГАРЯН

Е.В. ЗАРГАРЯН

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТИ

И

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

 

Учебное пособие

 

Таганрог 2009

 

УДК 518.5.001.57(075.8)

 

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор, директор регионального (областного) центра новых информационных технологий, проректор по информатике ТТИ ЮФУ А.Н. Целых;

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информатики ТГПИ Я.Е. Ромм.

 

Ю.А. Заргарян, Е.В. Заргарян. Информационные сети и телекоммуникации: Учебное пособие. ‑ Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. ‑ 261 с.

 

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, изучающих дисциплину «Информационные сети и телекоммуникации». В учебном пособии рассматриваются общие подходы к стандартизации и построению существующих перспективных компьютерных и телекоммуникационных сетей, анализируются особенности информационных технологий локальных и глобальных сетей ЭВМ, приводятся общие сведения о сети Интернет, базовых пользовательских технологиях работы в ней.

 

Табл. 19. Ил. 104. Библиогр.: 21 назв.

 

Ó ТТИ ЮФУ, 2009

Ó Заргарян Ю.А, Заргарян Е.В., 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ЭВМ 7

1.1. Общие сведения о системах телеобработки данных

и телекоммуникационных сетях7

1.2. Функциональный состав, структура и

классификация сетей ЭВМ16

1.3. Методы структуризации сетей ЭВМ23

1.4. Архитектура и принципы построения сетей ЭВМ32

1.5. Концепции управления сетевыми ресурсами43

Контрольные вопросы52

ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЯХ 53

2.1. Каналы связи телекоммуникационных сетей,

их основные характеристики и классификация53

2.2. Основные типы и характеристики линий связи60

2.3. Методы кодирования и передачи данных

на физическом уровне 7 0

2.4. Модемы83

2.5. Методы и протоколы передачи данных

канального уровня93

2.6. Методы обнаружения и коррекции ошибок

передачи данных канального уровня101

2.7. Методы коммутации абонентских систем

в телекоммуникационных сетях111

Контрольные вопросы120

3. ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ 122

3.1. Общие сведения о локальных сетях ЭВМ122

3.2. Технические средства и оборудование локальных

сетей ЭВМ129

3.3. Базовые технологии построения локальных

сетей ЭВМ137

Контрольные вопросы174

ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ЭВМ 175

4.1. Технология Fast Ethernet 100Мбит/с175

4.2. Беспроводные локальные сети ЭВМ180

4.3. Логическая структуризация локальных сетей

ЭВМ194

4.4. Объединение сетей ЭВМ на основе

сетевого уровня202

Контрольные вопросы209

5. ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ 210

5.1. Общие сведения о глобальных сетях ЭВМ210

5.2. Типы глобальных сетей ЭВМ215

Контрольные вопросы218

ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ

ГЛОБАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ 220

6.1. Цифровые сети с интеграцией услуг (сети ISDN)220

6.2. Сети и технология Х.25224

6.3. Сети и технология Frame Relay227

6.4. Сети и технология ATM228

Контрольные вопросы 240

ГЛОБАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ

СЕТЬ ИНТЕРНЕТ 241

7.1. Общие сведения о глобальной информационной

сети Интернет241

7.2. Протоколы информационного взаимодействия

абонентских систем в сети Интернет243

7.3. Система адресации абонентских систем

в сети Интернет245

7.4. Подключение к глобальной сети Интернет248

7.5. Сервисные возможности глобальной

сети Интернет249

7.6. Основные технологии работы в

World Wide Web252

Контрольные вопросы253

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 255

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 259

 

ВВЕДЕНИЕ

Начиная с конца ХХ века и по настоящее время создание высокоэффективной телекоммуникационной среды является для нашего государства важнейшей национальной проблемой. Без ее успешного решения невозможно построение современного информационного сообщества и внедрения новейших информационных технологий в сферы государственной обороны, науки, экономики и производства, бизнеса, образования, медицины и т.д.

В современных условиях именно информация стала наиболее важным стратегическим ресурсом, а наибольший научный, военно-политический, экономический и социальный успех сопутствует тем, кто активно использует и предлагает новейшие информационные и телекоммуникационные средства и услуги.

На сегодняшний день к наиболее эффективным и динамично развивающимся средствам информатизации нашей жизни относятся сети ЭВМ и телекоммуникационные сети. Поэтому изучение основных принципов их построения и функционирования, структурных и технологических особенностей, аппаратных и программных средств является острой необходимостью для научного, инженерного и технического персонала, занятого в сфере разработки и использования автоматических систем управления, современных компьютерных и информационных технологий [1].

В учебном пособии рассматриваются общие подходы к стандартизации и построению существующих и перспективных компьютерных и телекоммуникационных сетей, анализируются особенности информационных технологий локальных и глобальных сетей ЭВМ, приводятся общие сведения о сети Интернет, базовых пользовательских технологиях работы в ней.

Структура учебного пособия включает в себя: введение, семь основных частей и заключение.

В первой части «Принципы построения и функционирования сетей ЭВМ» излагаются общие сведения о системах телеобработки данных и сетях ЭВМ, их функциональном составе и методах структуризации, рассматривается архитектура и классификация сетей ЭВМ, концепции управления сетевыми ресурсами.

Во второй части «Основы передачи данных в телекоммуникационных сетях» приводятся общие сведения о каналах связи, их основные характеристики и классификация, анализируются основные типы физических линий связи, рассматриваются методы кодирования и передачи дискретных данных на физическом уровне, приводятся общие сведения о модемах и методах обнаружения и коррекции ошибок, рассматриваются методы коммутации абонентских систем в телекоммуникационных сетях.

В третьей части «Локальные сети ЭВМ» рассматриваются особенности локальных сетей ЭВМ и области их применения, их архитектура и стандарты построения, технические средства и оборудование, перспективные беспроводные технологии построения и функционирования локальных сетей ЭВМ.

Четвертая часть «Глобальные информационные сети. Общие сведения о сети Интернет и WEB-технологиях» посвящена изучению современных наиболее распространенных и перспективных технологий построения глобальных информационных сетей, приводятся общие сведения о сети Интернет и используемых в ней протоколах информационного обмена, проводится краткий обзор сервисных возможностей и пользовательских технологий работы в этой сети. Даются базовые сведения по работе с программами ‑ обозревателями Интернета и поисковыми системами.

 

Классификация сетей ЭВМ

Сети ЭВМ относятся к разряду сложных вычислительных систем, поэтому для их классификации используется не один, а целый ряд признаков, наиболее характерные из которых представлены на рис. 1.8.

По функциональному назначению сети ЭВМ подразделяются:

- на информационные сети;

- вычислительные сети;

- информационно-вычислительные сети.

По функциональному назначению сети ЭВМ подразделяются:

- на информационные сети;

- вычислительные сети;

- информационно-вычислительные сети.

 

 

Рис. 1.6. Обобщенная структура сети ЭВМ

 

 

 

Рис. 1.7. Объединение сетей ЭВМ

 

 

 

Рис. 1.8. Классификация сетей ЭВМ

 

Информационные сети предоставляют пользователям в основном информационные услуги. К таким сетям относятся сети научно-технической и справочной информации, резервирования и продажи билетов на транспорте, сети оперативной информации служб специального назначения и т.д.

Вычислительные сети отличаются наличием в своем составе более мощных вычислительных средств, запоминающих устройств повышенной емкости для хранения прикладных программ, банков данных и знаний, доступных для пользователей, возможностью оперативного перераспределения ресурсов между задачами.

На практике наибольшее распространение получили смешанные информационно-вычислительные сети, в которых осуществляются хранение и передача данных, а также решение различных задач по обработке информации.

По размещению основных информационных массивов (банков данных) сети подразделяются на следующие типы:

- сети с централизованным размещением информационных массивов;

- сети с локальным (абонентским) размещением информационных массивов.

В сетях с централизованным размещением информационные массивы формируются и хранятся на главном файловом сервере сети. В сетях с локальным размещением информационные массивы могут находиться на различных файловых серверах.

По степени территориальной рассредоточенности компонентов сети различают:

- глобальные сети, охватывающие территорию страны или нескольких стран с расстояниями между отдельными узлами сети в несколько тысяч километров;

- региональные сети, расположенные в пределах определенного территориального региона (города, района, области и т.п.);

- локальные вычислительные сети, охватывающие сравнительно небольшую территорию (в радиусе до 10 км).

По типу используемых вычислительных средств сети могут быть:

- однородными (ЭВМ всех абонентских систем сети аппаратно и программно совместимы);

- неоднородными (ЭВМ абонентских систем сети аппаратно и программно несовместимы).

Локальные сети ЭВМ обычно являются однородными, а региональные и глобальные ‑ неоднородными.

По методу передачи данных различают сети:

- с коммутацией каналов;

- коммутацией сообщений;

- коммутацией пакетов;

- со смешанной коммутацией.

Для современных сетей ЭВМ наиболее характерным является использование метода коммутации пакетов. Особенности каждого из методов передачи данных более подробно будут рассмотрены в дальнейшем.

Важным признаком классификации сетей ЭВМ является их топология, т.е. структура связей между элементами сети. Топология оказывает существенное влияние на пропускную способность, на устойчивость сети к отказам ее оборудования, на качество обслуживания запросов пользователей, на логические возможности и стоимость сети.

Для построения сетей ЭВМ используются следующие топологические структуры (рис. 1.9):

- радиальная (звездообразная);

- кольцевая;

- шинная;

- полносвязная;

- древовидная (иерархическая);

- смешанная.

 

 

а б в

 

г д е

Рис. 1.9. Топологические структуры сетей ЭВМ: а – радиальная; б – кольцевая; в – шинная; г – полносвязная; д – древовидная; е – смешанная

 

Основу сетей с радиальной (звездообразной) топологией (рис. 1.9, а) составляет главный центр, который может быть как активным (выполняется обработка информации), так и пассивным (выполняется только ретрансляция информации). Такие сети довольно просты по своей структуре и организации управления. К недостаткам сетей с радиальной топологией можно отнести: нарушение связи при выходе из строя центрального узла коммутации, отсутствие свободы выбора различных маршрутов для установления связи между АС, увеличение задержек в обслуживании запросов при перегрузке центра обработки, значительное возрастание общей протяженности линий связи при размещении АС на большой территории.

В сетях с кольцевой топологией (рис. 1.9, б) информация между абонентскими станциями передается только в одном направлении. Кольцевая структура обеспечивает широкие функциональные возможности сети при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости, простоте методов управления, возможности контроля работоспособности моноканала. К недостаткам сетей с кольцевой топологией можно отнести: нарушение связи при выходе из строя хотя бы одного сегмента канала передачи данных.

В сетях с шинной топологией (рис. 1.9, в) используется моноканал передачи данных, к которому подсоединяются абонентские системы. Данные от передающей АС распространяются по каналу в обе стороны. Информация поступает на все АС, но принимает сообщение только та АС, которой оно адресовано. Шинная топология ‑ одна из наиболее простых. Она позволяет легко наращивать и управлять сетью ЭВМ, является наиболее устойчивой к возможным неисправностям отдельных абонентских систем. Недостатком шинной топологии является полный выход из строя сети при нарушении целостности моноканала.

В полносвязной сети (рис. 1.9, г) информация может передаваться между всеми АС по собственным каналам связи. Такое построение сети требует большого числа соединительных линий связи. Оно эффективно для малых сетей с небольшим количеством центров обработки, работающих с полной загрузкой каналов связи.

В сетях с древовидной топологией (рис. 1.9, д) реализуется объединение нескольких более простых сетей с шинной топологией. Каждая ветвь дерева представляет собой сегмент. Отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных сегментов.

Топология крупных сетей обычно представляет собой комбинации нескольких топологических решений. Примером такой сети может служить сеть со смешанной радиально ‑ кольцевой топологией, представленной на рис. 1.9, е.

Правильный и рациональный выбор основных функциональных, технических и программных компонентов сетей ЭВМ, их топологической структуры оказывают непосредственное влияние на все технические характеристики и общую эффективность функционирования сетей ЭВМ в целом. Это особенно важно для вычислительных сетей военного назначения, предназначенных для обработки и передачи больших информационных массивов данных в условиях жесткого лимита времени и высоких требований к достоверности информации.

 

Сетевые службы

Сетевые службы ‑ это совокупность программно реализованных модулей сетевой операционной системы или специализированных утилит, предоставляющих сетевым администраторам возможности эффективного управления сетью, а конечным пользователям ‑ возможности эффективной работы с информационными ресурсами сети. Все сетевые службы реализуются на основе принципа «клиент - сервер».

К наиболее широко распространенным относятся следующие сетевые службы:

- служба каталогов ‑ обеспечивает поиск, идентификацию и управление всеми ресурсами сети;

- служба удаленного доступа - позволяет удаленным пользователям подключаться к сетевым ресурсам по выделенным или коммутируемым каналам связи;

- файловая служба ‑ обеспечивает доступ к распределенным файловым ресурсам сети;

- служба сценариев ‑ поддерживает исполнение сценариев автоматизированного администрирования и мониторинга сетевых ресурсов;

- служба терминалов ‑ предоставляет доступ пользователям клиентских абонентских систем к приложениям, которые могут выполняться только на сетевых серверах;

- служба безопасности ‑ обеспечивает присвоение и управление правами доступа пользователей к сетевым ресурсам;

- службы групповой политики ‑ обеспечивают возможность сетевым администраторам объединять пользователей в группы по определенным признакам, и организуют корректную совместную работу пользователей клиентских абонентских систем в сети.

Существуют и другие службы, решающие более специфические задачи, например, задачи, связанные с распределенной обработкой данных. К таким задачам относится обеспечение непротиворечивости нескольких копий данных, размещенных в разных абонентских системах (служба репликации), или организация выполнения одной задачи параллельно несколькими абонентскими системами (служба вызова удаленных процедур) и т.п.

Программные модули основных (наиболее часто используемых) служб обычно включаются в состав сетевых операционных систем. Вспомогательные службы (служба баз данных, факсимильной связи, служба передачи голоса и т.п.) реализуются в виде системных сетевых приложений или утилит, работающих в тесном взаимодействии с операционной системой.

Одним из главных показателей качества сетевых служб является удобство их использования. Данный показатель является субъективным, поэтому для одного и того же сетевого ресурса может быть разработано несколько служб, по-разному решающих одну и ту же задачу. Отличия могут заключаться в производительности, интерфейсных возможностях и т.п.

При определении степени удобства работы с сетевыми ресурсами часто употребляют термин «прозрачность». Прозрачный доступ к сетевому ресурсу ‑ это такой доступ, при котором пользователь работает с удаленными ресурсами по тем же правилам, что и с ресурсами собственной абонентской системы.

 

 

Контрольные вопросы

1. Что понимается под телеобработкой данных?

2. На чем основана системная и сетевая телеобработка данных?

3. Решение каких задач обеспечивают системы телеобработки данных?

4. В чем состоят основные достоинства и недостатки систем телеобработки данных?

5. Что называется сетью ЭВМ? Что называется телекоммуникационной сетью (ТКС)?

6. Что можно осуществить с помощью сетей ЭВМ?

7. Перечислите основные показатели качества сетей ЭВМ.

8. Что называется пропускной способностью и надежностью сети (канала)?

9. Какие виды абонентских систем используются для построения сетей типа «клиент - сервер»?

10. Что называется информационной сетью?

11. Что называется вычислительной сетью?

12. Какие топологические структуры используются для построения сетей ЭВМ?

13. В чем состоит физическая структуризация сетей ЭВМ?

14. В чем состоит логическая структуризация сетей ЭВМ?

15. В чем состоит эталонная модель взаимодействия открытых систем (модель OSI)?

16. Перечислить уровни модели OSI и назначение этих уровней и протоколов.

17. Что называется сетью ЭВМ типа «клиент-сервер»? Перечислить основные достоинства и недостатки данного типа сети.

18. Что называется гибридной сетью ЭВМ?

19. Перечислить основные критерии выбора типа сети ЭВМ.

20. Что называется сетевыми службами?

 

Беспроводные линии связи

 

Беспроводные линии связи используются в тех случаях, когда требуется организовать оперативную связь с подвижными абонентами или необходимо избежать затраты на прокладку кабельных линий. Беспроводные линии связи реализуются на основе радиолиний наземной и спутниковой связи [12-14].

Аппаратура передачи данных по радиолиниям включает в себя радиопередатчик и радиоприемник, настроенные на один и тот же радиоволновой диапазон. Часто такую АПД называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры). Высокоскоростной радиодоступ предоставляет пользователям каналы со скоростью передачи 2 Мбит/с и выше. В ближайшем будущем ожидаются радиоканалы со скоростями 20-50 Мбит/с.

Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и оперативность связи. В сетях ЭВМ беспроводные каналы связи для передачи данных используются чаще всего там, где применение традиционных кабельных технологий затруднено или просто невозможно. Но в ближайшем будущем ситуация может измениться ‑ активно ведется разработка новой технологии беспроводной связи Bluetooth.

Bluetooth ‑ это технология передачи данных по радиоканалам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости.

Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива использованию инфракрасных соединений между различными портативными устройствами. Но сейчас прорабатываются уже два направления широкого использования Bluetooth. Первое направление ‑ это домашние сети, включающие в себя различную электронную технику, в частности компьютеры, телевизоры и т. п. Второе, гораздо более важное направление ‑ локальные сети ЭВМ небольших организаций и учреждений, где стандарт Bluetooth может прийти на смену традиционным проводным технологиям. Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных - она не превышает 720 кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу мультимедийной информации в настоящее время.

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы непрерывного синусоидального сигнала несущей частоты.

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам связи с узкой полосой пропускания. Типичными представителями таких каналов являются телефонные каналы тональной частоты. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) телефонного канала представлена на рис. 2.10.

 

 

Рис. 2.10. АЧХ телефонного канала

 

Этот канал передает сигналы тональной частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц. То есть его полоса пропускания составляет 3100 Гц.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, называется модемом (модулятор-демодулятор).

Основные методы аналоговой модуляции показаны на рис. 2.11, а их физическую сущность иллюстрируют диаграммы на рис. 2.12.

 

 

Рис. 2.11. Методы аналоговой модуляции

 

На диаграмме (рис. 2.12, а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

При амплитудной модуляции (рис. 2. 12, б)для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля ‑ другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции ­ фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (рис. 2.12, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой ­ f_о и f_b Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции (рис. 2.12, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов.

 

 

Рис. 2.12. Амплитудная (б), частотная (в) и фазовая (г) модуляция

 

Для повышения скорости передачи данных могут использоваться методы, основанные на модификации или комбинации рассмотренных методов модуляции. К одним из таких методов относится квадратурная фазовая модуляция, при которой передаваемые биты информации группируются по 3. Для каждой из 8-ми возможных групп по три бита (000, 001, 010,..., 111) формирователь выбирает пару чисел (a_n, b_n), равномерно расположенных на круговой диаграмме (рис. 2.13, а). Передатчик передает сигнал Y(t) = a_ncos (2πƒ₀t) + b_nsin (2πƒ₀t) в течение Т секунд. На рис. 2.13, б показаны сигналы, соответствующие 3-битовым словам 000, 001, 010. На рис. 2.13, в показано, как передатчик передает цифровую последовательность 010'000'001'010.

Еще один широко применяемый метод квадратурной амплитудной модуляции основан на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды, что позволяет одновременно передавать 32 бита информации.

 

а

 

 

б

 

Рис. 2.13. Метод квадратурной фазовой модуляции

 

в

 

Рис. 2.13. Метод квадратурной фазовой модуляции

 

Модемы

 

Устройство модемов

В настоящее время продолжается широкое использование модемной связи для информационного обмена между удаленными абонентскими системами по выделенным и коммутируемым каналам связи. Пользователями такого вида связи являются как частные лица, государственные и коммерческие организации и учреждения, так и различные структурные подразделения Министерства обороны РФ [8,12].

Модем (МОдулятор-ДЕМодулятор) ‑ устройство прямого (модулятор) и обратного (демодулятор) преобразования сигналов к виду, принятому для использования в определенном канале связи.

Модемы применяются в тех случаях, когда канальные линии связи не позволяют надежно передавать двоичные сигналы простым изменением их амплитуды.

Для повышения надежности и скорости передачи информации по линиям связи в современных модемах используются различные методы модуляции сигналов (частотная, фазовая, квадратурная фазовая и т.п.).

Количество модуляций в секунду называется скоростью модуляции и измеряется в бодах (Бод). Количество переданной при этом информации измеряется в битах в секунду (бит/с или BPS ‑ Bits Per Second). Одна модуляция может передавать как один бит, так и большее или меньшее их количество.

Обобщенная структурная схема модема представлена на рис. 2.16.

Несмотря на большое разнообразие модемов в их структуре можно выделить ряд общих узлов:

- интерфейс с абонентской системой;

- интерфейс с линией канала связи;

- модемный (основной) процессор;

- сигнальный процессор;

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

- энергонезависимое полупостоянное запоминающее устройство (ППЗУ)

- панель управления, индикации и сигнализации.

 

 

Рис. 2.16. Структурная схема модема

 

Интерфейс с абонентской системой обеспечивает взаимодействие модема с оконечным оборудованием данных, в качестве которого обычно выступают вычислительные средства абонентских систем или узлов коммутации [13].

Интерфейс с линией канала связи обеспечивает согласование электрических и других параметров модема с физическими характеристиками используемых линий связи.

Модемный (основной) процессор реализует функции приема и выполнения управляющих команд, буферизацию и обработку принимаемых и передаваемых данных (кодирование, декодирование, сжатие/распаковку и т.п.), контроль и управление сигнальным пpоцессоpом, а также панелью индикации и сигнализации.

Сигнальный процессор (DSP, Digital Signal Processor ‑ цифровой сигнальный пpоцессоp) реализует операции с непосредственно принимаемыми или передаваемыми в линию связи сигналами (модуляцию/демодуляцию, разделение частотных полос, подавлением эха и т.п.).

В ПЗУ (ROM ‑ read only memory) хранятся пpогpаммы для основного и сигнального пpоцессоpов (firmware) и интерпретатор команд. ПЗУ может быть однократно пpогpаммиpуемым (PROM) или пеpепpогpаммиpуемым электрически (EEPROM, Flash ROM). Последний тип ПЗУ позволяет оперативно менять их программные прошивки по мере исправления ошибок или появления новых возможностей.

ОЗУ (RAM ‑ random access memory) используется в качестве временной быстродействующей памяти при работе основного и сигнального пpоцессоpов. Оно может быть как раздельным, так и общим. В ОЗУ хранится также текущий набор паpаметpов модема (active profile).

В энергонезависимом ППЗУ (NVRAM ‑ non-volatile RAM) после выключения модема сохраняются его текущие настройки и параметры.

Панель управления, индикации и сигнализации содержит микропереключатели (SW), светодиоды (LED) и динамик (Speaker), с помощью которых можно задать и проконтролировать правильность реализации различных режимов функционирования модема и состояние канала.

 

Классификация модемов

В связи с большим разнообразием конструктивного исполнения, сфер применения и режимов работы строгая классификация модемов весьма затруднительна. Тем не менее можно выделить ряд признаков, позволяющих провести их условную классификацию (рис. 2.17).

По области применения модемы можно разделить на следующие группы:

- для коммутируемых и выделенных аналоговых телефонных каналов;

- для цифровых каналов связи;

- для линий кабельного телевидения;

- для сотовых систем связи;

- для пакетных и локальных радиосетей;

- для передачи данных по сетям электропитания.

Большинство выпускаемых в настоящее время модемов предназначено для работы с аналоговыми коммутируемыми телефонными каналами, имеющими ограниченную полосу пропускания шириной 3,1 КГц (300 ‑ 3400 Гц). В них реализованы функции взаимодействия с автоматическими телефонными станциями (АТС), они способны различать их сигналы и передавать свои сигналы набора номера. Скорость передачи данных по таким линиям в настоящее время составляет до 56 Кбит/с. Выделенные телефонные линии имеют полосу пропускания более широкую, чем коммутируемые. Для них выпускаются специальные модемы, обеспечивающие передачу данных со скоростями до 2 Мбит/с и более.

 

Рис. 2.17. Классификация модемов

 

Модемы для цифровых каналов связи оперируют не с аналоговыми модулированными, а с дискретными импульсными сигналами. Они обеспечивают подключение абонентских систем к стандартным высокоскоростным цифровым телекоммуникационным каналам, таким как Е1/Т1 или ISDN [14] (будут рассмотрены в дальнейшем), и поддерживают функции соответствующих канальных интерфейсов. Обычно модемы для цифровых каналов связи ассиметричны, т.е. скорость приема данных из линии значительно выше скорости их передачи в линию. Так, например, модемы для работы в цифровых сетях ADSL (ADSL-модемы) обеспечивают скорость приема данных из канала до 10 Мбит/с, а передачи ‑ до 400 Кбит/с. Большинство цифровых модемов позволяют одновременно и независимо использовать одну и ту же физическую линию связи и для передачи дискретных данных и для аналоговых телефонных переговоров, чего не позволяют обычные аналоговые модемы для коммутируемых линий.

Модемы для линий кабельного телевидения (кабельные модемы) обеспечивают информационный обмен между абонентскими системами посредством коммуникаций кабельного телевидения. Кабельные модемы также как и цифровые обычно ассиметричны. Они позволяют осуществлять передачу дискретных данных к абонентским системам со скоростями до 40 Мбит/с и прием данных от них со скоростями до 2 ‑ 5 Мбит/с параллельно с видеовещанием. В основном предназначены для предоставления пользователям высокоскоростного доступа к ресурсам сети Интернет. В нашей стране широкого распространения не получили в виду ограниченного развития коммуникаций кабельного телевидения.

Модемы для сотовых систем связи предназначены для организации информационного обмена между абонентскими системами по беспроводным сотовым телефонным каналам. Такие модемы отличаются компактностью исполнения и поддержкой специальных протоколов модуляции и исправления ошибок, позволяющих эффективно передавать данные в условиях сотовых каналов с высоким уровнем помех и постоянно изменяющимися параметрами. Различают модемы для цифровых и аналоговых стандартов сотовой связи. Сотовые модемы обеспечивают относительно невысокую (до нескольких десятков Кбит/с) скорость передачи данных.

Пакетные радиомодемы предназначены для передачи данных по радиоканалу между мобильными абонентскими системами. Радиоканал по своим характеристикам близок к телефонному и организуется с использованием типовых радиостанций, настроенных на одну и ту же частоту в УКВ либо KB ‑ диапазоне. Пакетные радиомодемы реализуют различные методы аналоговой модуляции и множественного доступа к передающей среде. Реализуемая такими модемами скорость передачи данных также относительно невелика.

Радиомодемы локальных сетей ЭВМ, в отличие от пакетных, обеспечивают передачу данных на небольшие расстояния (до 500 м), но с высокой скоростью (до 50 Мбит/с), сопоставимой со скоростью передачи в проводных локальных сетях.

В настоящее время ведутся активные работы по созданию стандартов, технологий и аппаратных средств для передачи дискретных данных по сетям электропитания. В рамках этих исследований созданы специализированные силовые модемы. Их широкое применение в современных телекоммуникационных системах маловероятно, однако в перспективе они могут составить серьезную конкуренцию традиционным модемам.

По методу передачи данных модемы можно разделить:

- на асинхронные;

- синхронные.

Асинхронные модемы передают данные в линию связи в виде последовательности отдельных байтов данных (символов). Каждый байт передается независимо от остальных. Синхронизация принимающей абонентской системы в этом случае осуществляется в начале каждого получаемого байта. Для этого каждый передаваемый байт обрамляется дополнительным стартовым и одним или более стоповыми битами (рис. 9.3). Асинхронный метод передачи данных прост и дешев, но обладает низкой эффективностью, так как каждый байт данных сопровождается как минимум двумя служебными битами. Применяется главным образом для передачи данных, генерируемых в случайные моменты времени, например пользователем.

 

Рис. 2.18. Асинхронная передача данных

 

Синхронные модемы группируют передаваемые байты (символы) в информационные кадры. Каждый кадр передается как цепочка байтов без каких-либо задержек между отдельными байтами (рис. 2.19).

Для обеспечения синхронной работы передающей и принимающей абонентских систем должны выполняться следующие условия:

- передаваемые кадры не должны содержать длинных последовательностей нулей или единиц для того, чтобы принимающая абонентская система могла устойчиво выделять тактовую частоту синхронизации;

- каждый кадр должен иметь зарезервированные последовательности битов или символов, отмечающие его начало и конец (синхробайты).