Введение. — Сети электросвязи. Основные понятия. — Классификация

Введение. - Сети электросвязи. Основные понятия. - Классификация сетей связи. - Модель ISO/OSI. - Базовые топологии построения сетей связи Попков Глеб Владимирович Лекция 1. СибГути/АЭС/2013

Сети электросвязи. Основные понятия Системы электросвязи — разновидность связи, способ передачи информации с помощью электромагнитных сигналов, например, по медным проводам, волоконно - оптическому кабелю или по эфиру. Первое упоминание о передаче информации на дальние расстояния описано в древнегреческом мифе о Тесее (в случае победы над минотавром Тесей должен был поднять белый парус на своём корабле). Кроме таких визуальных сигналов, как огонь, дым, маяки, гелиограф, сигналы семафоров и флажков, использовались и аудиосигналы(бой барабанов, звуковые рожки и свистки). Необходимость передавать не только сигналы тревоги, но и сообщения различного характера, привела к созданию специальных кодов и обозначений. Сторожевые посты стали первыми системами неэлектрической связи.

Основные понятия В настоящее время, передача информации на дальние расстояния осуществляется с использованием таких электрических устройств, как телеграф, телефон, телетайп, с использованием радиосвязи, СВЧ - связи, Лазерных систем связи а также ВОЛС, спутниковой связи и глобальной сети Интернет. Принцип электросвязи основан на преобразовании сигналов сообщения (звук, текст, оптическая информация) в первичные электрические сигналы. В свою очередь, первичные электрические сигналы при помощи передатчика преобразуются во вторичные электрические сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи. Далее посредством линии связи вторичные сигналы поступают на вход приёмника. В приемном устройстве вторичные сигналы обратно преобразуются в сигналы сообщения в виде звука, оптической или текстовой информации.

Историческая справка Количество переданной информации через двухсторонние мировые сети постоянно возрастает. Под руководством Мартина Гилберта, учеными университета Южной Калифорнии были проведены исследования и анализ хранения, обработки и передачи информации за 1986-2007 года. В частности было выявлено, что суммарные запасы данных всего человечества оценивались в тот период примерно в 295 эксабайт. В настоящее время цифровое хранение информации доминирует над аналоговым, хотя до 2002 года человечество хранило информацию в основном в аналоговой форме. В 2007 году посредством радио и телевидения было передано примерно 1,9 зеттабайт информации (что эквивалентно прочтению каждым человеком примерно 174 газет в день), а персональное общение людей достигло примерно 65 эксабайт (соответствует пересказу каждым человеком содержания примерно 6 газет в день).

Историческая справка С учётом данного роста, электросвязь играет всё большую роль в развитии мировой экономики. Сектор мировой телекоммуникационной индустрии составил в 2012 году около 4,7 триллиона долларов США. Выручка крупнейших телекоммуникационных компаний в России на 2011 год составила более 1 триллиона 240 миллиардов рублей, что составляет 2,28% ВВП России. Слово «электросвязь» происходит от нов.-лат. electricus и др.- греч. ἤλεκτρον (электр, блестящий металл; янтарь) и глагола «вязать». Синонимом является слово «телекоммуникации», широко употребляемое во всём мире.

Классификационные признаки По виду передачи информации, все современные системы электросвязи условно классифицируются на предназначенные для передачи звука, видео, текста. В зависимости от среды передачи, выделяют электрическую, оптическую и радиосвязь. В зависимости от назначения сообщений виды электросвязи могут быть квалифицированы на предназначенные для передачи информации индивидуального и массового характера. По временным параметрам виды электросвязи могут быть работающими в реальном времени либо осуществляющими отложенную доставку сообщений. Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.

Типы систем электросвязи Проводные системы связи Проводные системы связи включают в себя кабельные системы связи, базирующиеся на медных/аллюминиевых кабелях, волоконно – оптических кабелях. Беспроводные системы связи Беспроводные системы связи включают в себя системы связи базирующиеся на принципах радиосвязи (передача сигналов через эфир). К классу беспроводных систем связи относится Спутниковая связь (напр. геостационарные спутники земли).

Типы систем электросвязи В зависимости от видов передаваемой информации используются следующие виды систем электросвязи. Радиосвязь — для передачи используются радиоволны. ДВ-, СВ-, КВ- и УКВ - связь осуществляется как без применения ретрансляторов так и с ретрансляторами (ретранслятор – усилитель сигналов). Спутниковая связь — с применением космических ретрансляторов, транспондеров. Радиорелейная связь — с применением наземных ретрансляторов. Сотовая связь — с использованием сети наземных базовых станций выполняющих функцию ретранслятора. Волоконно - оптическая связь – организуется с помощью волоконно оптических кабелей, позволяет организовать любые виды наземной электросвязи. В зависимости от среды передачи данных, линии связи разделяются на: - спутниковые, воздушные, наземные, подземные, надводные подводные.

Типы систем электросвязи. Сигналы в сетях электросвязи. В зависимости от того, подвижны источники/получатели информации или нет, различают стационарную (фиксированную) и подвижную связь (мобильную, связь с подвижными объектами — СПО). По типу передаваемого сигнала различают аналоговую и цифровую связь. Аналоговая связь — это передача непрерывного сигнала (например, звука или речи). Цифровая связь — это передача информации в дискретной форме (цифровом виде). Цифровой сигнал по своей физической природе является «аналоговым», но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа, в результате чего для его обработки становится возможным использование численных методов (кодирование). Дискретные сообщения могут передаваться аналоговыми каналами и наоборот. В настоящее время цифровая связь вытесняет аналоговую (происходит оцифровка, поскольку аналоговые сигналы перед отправкой могут быть преобразованы в дискретные и после приема восстановлены без существенных потерь. Условия, обеспечивающие возможность такого преобразования, задаются теоремой Котельникова.

Сигналы, преобразования Аналоговый сигнал — физическая величина, изменение модуляция которой в пространстве и во времени отображает передаваемое сообщение. Например, изменения напряжения (или тока, частоты, фазы и т. п.) отражают процесс речи. Сигнал имеет следующие измерения: высота H динамический диапазон, «ширина» F ширина спектра, длина T длительность сигнала во времени. Объёмом сигнала является произведение V = FHT. В процессе передачи сигнала могут происходить изменения измерений как с сохранением объёма, так и без. Это происходит вследствие следующих преобразований сигнала: Ограничение — изъятие из передачи одной или нескольких частей сигнала без сохранения информации, которая содержалась в изъятых частях. Например, ограничение речевого канала диапазоном 300—3400 Гц канал тональной частоты. Трансформация — изменения одного или нескольких измерений за счёт изменения другого или других измерений с сохранением неизменного объёма (как у кубика пластилина). Например, уменьшить время передачи можно, увеличив ширину спектра сигнала или динамический диапазон, либо и то, и другое. Компандирование — включает два процесса, от которых пошло название: компрессия (сжатие) и экспандирование (расширение). На передающей стороне происходит сжатие сигнала в одном или нескольких измерениях, на приёмной — восстановление. Например, «выкусывание» пауз в речи на передающей стороне и восстановление на приёмной.

Понятие линии связи Цепь связи — проводники/волокно, используемые для передачи одного сигнала. В радиосвязи то же понятие имеет название ствол. Различают кабельную цепь — цепь в кабеле и воздушную цепь — как правило подвешенную на опорах, столбах, стойках, крышах домов и.т.п Линия связи (ЛС) в узком смысле — физическая среда, по которой передаются информационные сигналы аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. В широком смысле — совокупность физических цепей и (или) линейных трактов систем передачи, имеющих общие линейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же среду распространения (ГОСТ 22348). Тракт — совокупность оборудования и среды, формирующих специализированные каналы, имеющие определённые стандартные показатели: полоса частот, скорость передачи и т. п. Линия связи содержит одну и более цепей связи (ствол). Сигнал, действующий в линии, называется линейным, разделяют две принципиально организованные линии связи по среде распространения, беспроводную линию связи (эфир), проводную линию связи.

Понятие канала связи Для обеспечения эффективного использования цепей связи на них с помощью каналообразующего оборудования (КОО) организуются каналы связи. В некоторых случаях линия, цепь связи и канал связи совпадают (одна линия, одна цепь и один канал), в некоторых случаях каналсвязи состоит из нескольких линий/цепей (как последовательно, так и параллельно). Каналы могут вкладываться друг в друга (групповой канал). Сигнал, включающий в себя несколько индивидуальных каналов, называется групповым сигналом. Каналы можно разделить на непрерывные (аналоговые) и дискретные (цифровые). Каналы связи по направлению передачи подразделяются на: симплексные, допускающие передачу данных только в одном направлении, пример — радиотрансляция, телевидение; полудуплексные , то есть допускающие передачу данных в обоих направлениях поочерёдно, пример — специализированные рации; дуплексные — то есть допускающие передачу данных в обоих направлениях одновременно, пример — телефон, Интернет.

Понятие сети передачи данных Сеть (система) электросвязи — совокупность оконечных устройств, линий связи и узлов связи, функционирующих под единым управлением. Например: компьютерная сеть, телефонная сеть. В общем виде система связи состоит из: оконечного оборудования (ОО, терминальное устройство, оконечное устройство) источника и получателя сообщения, и устройств преобразования сигнала (УПС) с обоих концов линии. Оконечное оборудование обеспечивает первичную обработку сообщения и сигнала, преобразование сообщений из вида, в котором их предоставляет источник (речь, изображение и т. п.) в сигнал (на стороне источника, отправителя) и обратно (на стороне получателя), усиление и т. п.

Понятие сети передачи данных Устройства преобразования сигнала могут обеспечивать защиту сигнала от искажений, формирование канала (каналов), согласование группового сигнала (сигнала в нескольких каналах) с линией на стороне источника, восстановление группового сигнала из смеси полезного сигнала и помех, разделение его на индивидуальные каналы, обнаружение ошибок и коррекцию на стороне получателя. Для формирования группового сигнала и согласования с линией используется модуляция. Линия связи может содержать такие устройства преобразования сигнала, как усилители и регенераторы. Усилитель просто усиливает сигнал вместе с помехами и передаёт дальше, используется в аналоговых системах передачи (АСП). Регенератор «переприёмник» — производит восстановление сигнала без помех и повторное формирование линейного сигнала, используется в цифровых системах передачи (ЦСП). Усилительные/регенерационные пункты бывают обслуживаемыми и необслуживаемыми (ОУП, НУП, ОРП и НРП соответственно). В ЦСП оконечное оборудование называется ООД (оконечное оборудование данных, DTE), УПС — АКД (аппаратура окончания канала данных или оконечное оборудование линии связи, DCE). Например, в компьютерных сетях роль ООД выполняет компьютер, а АКД — модем, коммутатор, сервер, маршрутизатор.

Архитектура простейшей телефонной сети села. Телефонная сеть села в упрощённом виде. ТА АТС ТА ТА ТА ТА ТА ТА АМТС

Архитектура простейшей сети передачи данных Сеть передачи данных в упрощённом виде (например сеть Ethernet) Комп. Коммутатор Комп. Комп. Комп. Комп. Комп. Комп.

Архитектура сотовой сети связи Сотовая сеть связи в упрощённом виде. МТА БС1 PDA Modem МТА PDA МТА МТА АМТС БС2 коммутатор БС3

Тенденции развития сетей связи в настоящее время Переход от е-бизнеса к s-бизнесу Создание и продажа услуг Интеграция различных терминалов. Идея: индивидуальный коммуникатор, т.е. конвергенция пользовательских устройств для различных служб – телефония, ТВ, ПК – в единое устройство, поддерживающее эти службы. Переход к мобильным устройствам Производство оборудования Продажа услуг

Основные задачи операторов связи в ближайшей перспективе Построение мультисервисных сетей Конвергенция мобильных и проводных сетей связи Совместимость терминалов различных производителей и различной специализации Возможность предоставления новых услуг на базе уже существующего оборудования, модели своевременной смены парка оборудования Доступность услуг в любом месте в любое время с гарантированным качеством обслуживания

Определение конвергенции в телекоммуникациях Конвергенция – это возможность различных сетевых платформ обеспечивать практически одинаковый набор услуг не зависимо от типа принимающего терминального устройства (Green Paper on the Convergence of the Telecommunications Media and Information Technology Sectors (European Commission, Brussels, December 3, 1997). Конвергенция – это объединение или интеграция двух или большего числа технологий, а также комбинация различных сред (мультимедиа) в одной системе доставки (www.itvdictionary.com).

Аспекты конвергенции в инфокоммуникационных технологиях Конвергенция услуг - обеспечивает новые увеличенные функциональные возможности для пользователей Конвергенция сетей - означает конвергенцию технологий и систем, обеспечивающую возможность конвергенции услуг Конвергенция устройств - позволяет операторам и провайдерам работать с устройствами различных производителей и с различными технологиями и предлагать новые эффективные услуги

Услуги в телекоммуникациях Услуги - результаты непосредственного взаимодействия поставщика и потребителя и внутренней деятельности поставщика по удовлетворению потребностей пользователя (ISO 9004-2:1991) Деятельность служб электросвязи направлена на возможность получения пользователем всего спектра необходимых ему услуг независимо от его местоположения, в любое время, за доступную цену и с приемлемым качеством обслуживания Традиционные и новые услуги могут быть конвергированы на базе одной транспортной сети или технологии. Телекоммуникационные операторы, средства массовой информации и IT-компании могут использовать новые технологии и новое регулирование для развития услуг вне своих традиционных бизнес-секторов.

Структура конвергенции в телекоммуникациях Телеком Компьютеры и БД Инфраструктура развлечений и издательская деятельность Бытовая электротехника Домашняя мультимедиа Бизнес- мультимедиа Индивидуальные коммуникаторы Информационная и техническая поддержка ?

Общая структура сетей связи пользователи Контент-провайдеры Разработчики и производители оборудования

По универсальности : Традиционные сети связи : -телефонные (телефонная сеть общего пользования – ТфОП) -передачи данных (Х.25, Ethernet и т.д.) Тенденция – переход к мультисервисным сетям (сетям следующего поколения – NGN) По типу коммутации: Коммутация каналов Коммутация пакетов ТфОП IP датаграммный режим АТМ ISDN Х.25 Frame Relay IP Резерви- рование ресурсов Классификация сетей связи Технологии с поддержкой виртуальных каналов

По способу представления информации: аналоговые цифровые По использованию среды передачи: проводные беспроводные По топологии: -шина -кольцо -звезда По типу доступа: абонентский доступ магистральные (первичные сети) вторичные сети (провайдеров)

По типу технологии: Широковещательные сети (по одному каналу передается информация для нескольких клиентов. Подвид – мультикастинг). С передачей от узла к узлу По охвату территории: локальные (домашние, офисные и т.п.) корпоративные (сети организаций, могут объединять удаленные филиалы посредством различных технологий) зоновые, Metro и сети операторов уровня города. глобальные (сети крупных операторов, например, в масштабах страны или объединяющие несколько стран). Интернет – не сеть, а совокупность сетей в масштабе планеты.

Модель ISO/OSI – формальное описание сети связи, определяющее различные аспекты функционирования сетевых протоколов прикладной представления данных сеансовый транспортный физический канальный сетевой 7 6 5 4 3 2 1 Обеспечивает интерфейс пользователь-сеть Представление данных в едином формате (ASCII) Синхронизация удаленных прикладных программ Установление, обслуживание и завершение обмена данными Адресация и маршрутизация Исправление ошибок физического уровня, кодирование Средства для передачи данных – кабели, платы сетевых адаптеров и т.п. *Уровни 1-7 полностью реализованы только на оконечных устройствах, на сети реализуются только уровни 1-3! Протокол – набор правил, по которому производится обмен данными в сетях связи. Каждому уровню модели OSI соответствует определенный набор протоколов

прикладной представления данных сеансовый транспортный физический канальный сетевой прикладной представления данных сеансовый транспортный физический канальный сетевой физический канальный сетевой Клиент – Всегда инициирует сеанс Сервер сеть Взаимодействие уровней модели ISO/OSI

Эволюция от модели ISO/OSI к NGN Модель TCP/IP прикладной представления данных сеансовый транспортный физический канальный сетевой 7 6 5 4 3 2 1 Модель ISO/OSI Уровень услуг Транспортный уровень Модель NGN Уровень управления соединениями

Требования к NGN: Поддерживать многоуровневую архитектуру: уровни должны развиваться самостоятельно. Обеспечивать открытые интерфейсы между уровнями и между всеми сетями, а также поддерживать “бесшовный” контроль множества транспортных технологий, что обеспечит возможность обеспечения наилучшего уровня качества обслуживания на каждом уровне. Упростить процесс соединения и взаимодействия магистральных узлов по сравнению с существующими.

ITU-T: International Telecommunication Union – Международный Союз Электросвязи. ISO является членом ITU-T. Рекомендации имеют обозначения «буква.число» (например, Y.1540). NIST: National Institute of Standarts and Technology – Национальный институт стандартов США. В него входит IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers. Стандарты носят формат «IEEE.число» (например, IEEE.802.3) ETSI: European Telecommunications Standardizations Institute - Европейский институт по стандартизации телекоммуникаций IETF: Internet Engineering Task Force – Инженерная группа по решению задач Internet. Рекомендации носят формат «RFC число» (например, RFC 821) Организации, стандартизирующие решения в области телекоммуникаций

Спасибо за внимание!