Нові технології передачі в мережах. Нові технології передачі інформації

1. Введення

Поняття телекомунікації

Елементи теорії інформації

1.3.1 Визначення інформації.

1.3.2 Кількість інформації

1.3.3 Ентропія

1.4. Повідомлення та сигнали

Тема 2 . Інформаційні мережі

2.2. Конфігурація ЛОМ.

Тема 3

3.2. Еталонна модель (OSI)

Тема 4.

4.1. Провідні лінії зв'язку

4.2. Оптичні лінії зв'язку

Тема 5.

Тема 6.

Тема 7.

7.2. Адресація в IP мережах

7.3. Протокол IP

Лекція 1

Телекомунікації. Концепція інформації. Системи передачі. Вимірювання кількості інформації

Поняття телекомунікації

Перш ніж розглядати технології передачі, розглянемо мережі (системи), у яких передаються різні види інформація. Інформація (звук, зображення, дані, текст) передається у телекомунікаційних та комп'ютерних мережах.

Телекомунікації(грец. tele - вдалину, далеко і лат. communication - спілкування) - це передача та прийом будь-якої інформації (звуку, зображення, даних, тексту) на відстань по різних електромагнітних системах (кабельним та оптоволоконним каналам, радіоканалам та іншим, провідним та бездротовим каналів зв'язку).

Телекомунікаційна система- Сукупність технічних об'єктів, організаційних заходів та суб'єктів, що реалізують процеси з'єднання, передачі, доступу до інформації

Телекомунікаційні системи разом із середовищем передачі данихутворюють телекомунікаційні мережі.

Телекомунікаційні мережідоцільно розділяти за типом комунікацій (мережі телефонного зв'язку, мережі передачі даних тощо) і розглядати при необхідності в різних аспектах (техніко-економічному, технологічному, технічному та ін.).

Приклади телекомунікаційних мереж:

– поштовий зв'язок;

- Телефонний зв'язок загального користування (ТФОП);

- Мобільні телефонні мережі;

- Телеграфний зв'язок;

- Інтернет - глобальна мережа взаємодії комп'ютерних мереж;

- Мережа провідного радіомовлення;

- Мережа кабельного радіомовлення;

– мережа телевізійного та радіомовлення;

та інші інформаційні мережі.

Для реалізації зв'язку на відстані телекомунікаційні системи використовують:

- Системи комутації;

- Системи передачі даних;

– системи доступу та управління каналами передачі;

- Системи перетворення інформації.

Система передачі даних- це сукупність каналів зв'язку, центрів комутації, процесорів телеобробки, мультиплексорів передачі данихта програмних засобів встановлення та здійснення зв'язку.

Під системою передачі даних (СПД) розуміється фізичне середовище (ФС), а саме: середовище, по якому поширюється сигнал (наприклад, кабель, оптоволокно (світловод), радіоефір і т.д.).

Цей курс лекцій присвячений вивченню технології передачі інформації на фізичному, канальному та мережевому рівнях.

Найважливішим аспектом курсу є поняття інформації. Нині немає єдиного визначення інформації як наукового терміна.

Ось деякі визначення інформації:

1. Інформація(Від лат. informatio- «роз'яснення, виклад, поінформованість») - це відомості(повідомлення, дані), незалежно від форми їх уявлення.

2. Інформація- відомості про осіб, предмети, факти, події, явища та процеси незалежно від форми їх уявлення.

Інформація зменшує ступінь невизначеності, неповноту знаньпро осіб, предмети, події тощо.

У теорії інформації міра невизначеностібудь-якого досвіду (випробування), який може мати різні результати, отже, і кількість інформації називається ентропія.

У широкому сенсі, у якому слово часто вживається у побуті, ентропія означає міру невпорядкованості системи; чим меншеелементи системи підпорядковані якомусь порядку, тим вище ентропія.

Чим більше інформації, тим більше впорядкованості системи, і навпаки, чим менше інформації, тим вищехаос системи, тим вищеїї ентропія.

Зв'язок: інформація - повідомлення - сигнал

Повідомлення- це інформація, виражена у певній формі та призначена для передачі від джерела до користувача ( тексти, фото, мова, музика, телевізійне зображеннята ін.). Інформація є частиною повідомлення, що становить новизну, тобто. те, що раніше не було відомо.

Сигнал- це фізичний процес, що поширюється у просторі та часі, параметри якого здатні відображати (утримувати) повідомлення.

Для передачі інформації використовують сигналщо є фізичною величиною і з його параметрами так чи інакше пов'язана інформація.

Таким чином, сигнал – це фізична величина, що змінюється певним чином. У телекомунікаційних системах та мережах використовуються електричні, оптичні, електромагнітні та інші види сигналів.

Телефонні мережі

Перший етапрозвитку телефонних мереж - телефонні мережі загального користування (ТФОП чи PSTN). ТфОП – це сукупність АТС, які об'єднані аналоговими або цифровими лініямизв'язку (магістралями) або сполучними лініями, та користувальницького (кінцевого) обладнання, підключеного до АТС по абонентських лініях. ТФОП використовують технологію комутації каналів. Перевагою мереж комутації каналів є можливість передачі аудіоінформації та відеоінформації без затримок. Недоліком - низький коефіцієнт використання каналів, висока вартість передачі даних, підвищений час очікування інших користувачів.

Другий етап- Телефонні мережі ISDN. Сучасне покоління цифровий телефонної мережі– ISDN. ISDN (Integrated Services Digital Network) - Цифрова мережа з інтегрованими послугами, у якій по телефонних каналах передаються лише цифрові сигнали, зокрема і з абонентським лініям.

Як лінія ISDN BRI телефонна компаніяНайчастіше використовує мідний кабель телефонної мережі загального користування (ТСОП), за рахунок чого знижується остаточна вартість ISDN-лінії.

Цифрові мережі з інтеграцією послуг ISDN можна використовуватиме розв'язання широкого класу завдань із передачі у різних галузях, зокрема: телефонія; передача даних; об'єднання віддалених LAN; доступ до глобальних комп'ютерних мереж (Internet); передача трафіку, чутливого до затримок (відео, звук); інтеграція різних видівтрафіку.

Кінцевим пристроєм мережі ISDN можуть бути: цифровий телефонний апарат, окремий комп'ютер із встановленим ISDN-адаптером, файловий або спеціалізований сервер, міст або маршрутизатор LAN, термінальний адаптер із голосовими інтерфейсами (для підключення звичайного аналогового телефону або факсу), або з послідовними інтерфейсами (для передачі даних).

У Європі фактичним стандартом ISDN стає EuroISDN, який підтримує більшість європейських телекомунікаційних провайдерів та виробників обладнання.

В даний час до мереж ТФОП та ISDN підключені центри комутації стільникового зв'язку (стільникові мережі різних операторів з'єднані між собою), що забезпечує дзвінки зі стільникових телефонів на стаціонарні телефони (ТФОП або ISDN) і навпаки.

Для зв'язку мережі Інтернет (IP - мережі) з ТФОПвикористовуються спеціальні аналогові VoIP-шлюзи, а з ISDN застосовуються цифрові шлюзи VoIP. Голосовий сигнал з каналу VoIP може надходити безпосередньо на аналоговий телефон, підключений до звичайної телефонної мережі ТФОП або на цифровий телефон, підключений до цифрової мережі з інтеграцією послуг ISDN.

Як первинні мережі у фіксованій телефонії використовується мідний кабель і PDH/SDH для об'єднання АТС.

стільниковий зв'язок

Стільниковий зв'язок - це бездротова телекомунікаційна система, що складається з 1) мережі наземних базових приймально-передавальних станцій, 2) малогабаритних мобільних станцій (стільникових радіотелефонів) та 3) стільникового комутатора (або центру комутації мобільного зв'язку). GSM (Global System for Mobile Communications)

Стільниковий зв'язок: 1G, 2G, 2,5G, 3G, 4G, 5G. GSM (Global System for Mobile Communications)

Телевізійні мережі

Телевізійні мережі (ефірні, кабельні та супутникові) призначені для передачі відео. Кабельне телебачення використовує канали зв'язку, що не комутуються. Спочатку відео було в аналоговому вигляді, потім кабельне і супутникове телебачення було переведено на цифрові сигнали. В даний час аналогове телемовлення припиняє своє існування, і всі види телемовлення передаватимуть сигнали у цифровому вигляді.

Цифрове телемовлення засноване на відкритих стандартах та розвивається під контролем консорціуму DVB.

Найбільшого поширення набули системи:

· Цифрового супутникового мовлення - DVB-S (DVB-S2);

· Цифрового кабельного мовлення - DVB-C;

· Цифрового ефірного мовлення - DVB-T (DVB-T2);

· Цифрового мовлення для мобільних пристроїв - DVB-H;

· Телебачення по IP - DVB (IPTV);

· Інтернет-телебаченняабо потокове мовлення (Internet-TV).

Що стосується DVB-H, DVB-IPTV та Internet-TV, це результат інтеграції (конвергенції) різних мереж, і навіть термінальних устройств.

Мобільне телебачення DVB-H- це технологія мобільного мовлення, що дозволяє передавати цифровий відеосигнал через Інтернет на мобільні пристрої, такі як КПК, мобільний телефонабо портативний телевізор.

Важливо відзначити, що IPTV (IP через DVB або IP по MPEG) - це телебачення, яке мовить через Інтернет. IPTV нагадує звичайне кабельне телебачення, тільки до терміналу абонента воно приходить не по коаксіальному кабелю, а по тому каналу, що і інтернет (ADSL модем або Ethernet).

IPTV є трансляцією каналів (звичайно одержуваних з супутників), переважно у форматах MPEG2/MPEG4 по транспортної мережіпровайдера, з наступним переглядом на комп'ютері за допомогою одного з відеоплеєрів – VLC-player або IPTV – Player або на телевізорі за допомогою спеціального спеціалізованого пристрою Set Top Box.

Потокова трансляція відео ( Internet-TV). Модель мовлення в Internet-TV істотно відрізняється з інших концепцій. Потокове відео (Streaming Video) називають технології стиснення та буферизації даних, які дозволяють передавати відео в реальному часі через Інтернет.

Комп'ютерні мережі

Первинні мережі

В даний час у мережі Internet використовуються практично всі відомі лінії зв'язку від низькошвидкісних телефонних ліній до високошвидкісних цифрових супутникових каналів.

Канали зв'язку глобальних мереж організуються первинними мережами технологій FDM, PDH/SDH, DWDM(ДіДаблЮ ДіЕм).

Оскільки трафік IP сьогодні є неодмінним атрибутом будь-якої мережі передачі даних і не підтримувати його просто неможливо, то для надання якісних послуг більшість великих глобальних мереж, особливо мереж операторів зв'язку, будується за чотирирівневою схемою.

Рис. 10. Чотирьохрівнева структура сучасної глобальної мережі

Два нижніх рівня не відносяться до власне пакетних мереж - це рівні первинної мережі.

Первинні, або опорні мережі призначені для створення комутованої інфраструктури. На основі каналів, утворених первинними мережами, працюють вторинні ( комп'ютерні або телефонні) мережі.

На нижньому рівні працює найбільш швидкісна на сьогоднішній день технологія Dense Wavelength Division Multiplexing (Щільне мультиплексування з поділом по довжині хвилі) DWDM, що утворює спектральні швидкості 10 Гбіт/сі вище. Wavelength Division Multiplexing ( WDM) - технологія оптичного спектрального ущільнення, звана зазвичай мультиплексування з поділом по довжині хвилі. До WDM (DWDM, CWDM) мультиплексора можна підключити практично будь-яке обладнання: SONET/SDH, ATM, Ethernet.

На наступному рівні працює технологія SDH ( синхронна цифрова ієрархія). Стандарти SDH/PDH розроблені для високошвидкісних оптичних мереж зв'язку – спочатку PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy, плезіохронна цифрова ієрархія), а потім і більш досконала SDH (Synchronous Digital Hierarchy, синхронна цифрова ієрархія), поширена в Європі, та її американський аналог SONET. SONET/SDHпередбачає використання методу тимчасового мультиплексуваннята синхронізацію часових інтервалів трафіку між елементами мережі та визначає рівні швидкостей проходження даних та фізичні параметри.

p align="justify"> Третій рівень утворений мережею АТМ, основним призначенням якої є створення інфраструктури постійних віртуальних каналів, що з'єднують інтерфейси маршрутизаторів IP, що працюють на третьому, верхньому рівні глобальної мережі.

Рівень IP утворює складову мережу та забезпечує послуги кінцевим користувачам, що передають по глобальній мережі свій IP трафік транзитом або взаємодіють по IP з Інтернетом.

В Інтернеті застосовуються і "чисті" мережі IP, які називаються так через те, що під рівнем IP немає іншої мережі з комутацією пакетів, такої як АТМ.

Структура чистої мережі IP представлена ​​на рис. нижче.

Рис. 11. Структура "чистої" мережі IP

У такій мережі цифрові каналиЯк і раніше, утворюються інфраструктурою двох нижніх рівнів, а цими каналами безпосередньо користуються інтерфейси маршрутизаторів IP, без будь-якого проміжного шару.

Розвиток комунікаційних мереж показало необхідність інтеграції звуку, зображень та інших типів даних для можливості їхньої спільної передачі. Оскільки дискретні канали зв'язку надійніші й економічніші за аналогові канали зв'язку, то за основу були прийняті саме вони. У зв'язку з цим кількість аналогових мереж швидко скорочується і вони замінюються дискретними.

Softswitch

Softswitch (програмний комутатор) – гнучкий програмний комутатор, один з основних елементів рівня управління мережі зв'язку наступного покоління NGN

Рис. 15. Softswitch у складі Мережі Зв'язку Загального Користування

Softswitch - це пристрій керування мережею NGN, покликане відокремити функції управління з'єднаннями від функцій комутації, здатне обслуговувати велику кількість абонентів та взаємодіяти з серверами програм, підтримуючи відкриті стандарти. SoftSwitch є носієм інтелектуальних можливостей IP-мережі, він координує управління обслуговуванням дзвінків, сигналізацію та функції, що забезпечують встановлення з'єднання через одну або кілька мереж.

Також важливою функцією програмного комутатора є зв'язок мереж наступного покоління NGN з існуючими традиційними мережами ТфОП, за допомогою сигнального (SG) та медіа-шлюзів (MG).

Технології передачі інформації

Тема 1. Основні поняття інформації та систем передачі інформації

1. Введення

Поняття телекомунікації

Елементи теорії інформації

1.3.1 Визначення інформації.

1.3.2 Кількість інформації

1.3.3 Ентропія

1.4. Повідомлення та сигнали

1.5. Основні напрямки розвитку телекомунікаційних технологій

Тема 2 . Інформаційні мережі

2.1. Характеристики та класифікація інформаційних мереж

2.2. Конфігурація ЛОМ.

2.3. Базові мережеві топології

2.4. Мережеві технології локальних мереж

2.5. Способи побудови інформаційних мереж

Тема 3 Архітектури інформаційних мереж

3.1. Багаторівнева архітектура інформаційних мереж

3.2. Еталонна модель (OSI)

Тема 4. Лінії зв'язку та канали передачі даних

4.1. Провідні лінії зв'язку

4.2. Оптичні лінії зв'язку

4.3. Бездротові канали зв'язку

4.4. Супутникові канали передачі даних

Тема 5. Технології передачі даних фізично

5.1 Основні функції фізичного рівня

5.2. Способи перетворення дискретних сигналів(модуляція та кодування):

5.2.1. Аналогова модуляція дискретних сигналів (АМ, ЧС, ФМ)

5.2.2. Цифрове кодування дискретних сигналів (імпульсне та потенційне)

5.3. Імпульсно-кодова модуляція аналогових сигналів

5.4. Способи мультиплексування:

5.4.1. Спосіб частотного мультиплексування FDM

5.4.2. Мультиплексування з розділенням TDM

5.4.3. По довжині хвилі WDM (в оптоволоконних каналах зв'язку)

Тема 6. Технології передачі даних на канальному рівні.

6.1. Технології передачі даних на канальному рівні в ЛОМ та виділених лініях (Ethernet, Token Ring, FDDI; SLIP, HDLC, PPP)

6.2. Технології передачі даних на канальному рівні у глобальних мережах або транспортні технології рівня магістралі (X.25, Frame Relay, ATM, MPLS, Ethernet; ISDN, PDH, SDH/SONET, WDM/DWDM)

Тема 7. Технології передачі на мережевому рівні у складових мережах (IP-сетях)

7.1. Об'єднання мереж на основі мережевого рівня

7.2. Адресація в IP мережах

7.3. Протокол IP

7.4. Маршрутизація у мережах передачі.

7.5. Управління потоками даних.

Навчальна програма курсу обсягом 108 академічних годин складається з одного змістовного (навчального) модуля обсягом 3 кредитів (обсяг кредиту ECTS становить 36 академічних годин) та складається з аудиторних занять та самостійної роботи студентів.

Проводячи огляд технологій передачі не можна не згадати про моделі OSI, моделі, що описує структуру ідеальної мережевий архітектури. Кожен інтерфейс і протокол передачі, про який йтиметься в даному дипломному проекті, займає певний рівень у даній моделі.

1. Модель osi

Для того, щоб різні компоненти мережі могли спілкуватися, вони повинні працювати з використанням одного протоколу обміну інформацією, тобто повинні говорити однією мовою. Протокол визначає набір правил організації обміну інформацією всіх рівнях взаємодії мережевих об'єктів. Як "лінійку" для визначення рівнів використовується модель OSI (Open System Interconnect), розроблена міжнародною організацією за стандартами (International Standardization Organization - ISO). У моделі OSI сім рівнів взаємодії розглядають процес обміну інформацією між пристроями в мережі. Кожен із рівнів мережі щодо автономен і розглядається окремо. Модель OSI використовується визначення функцій кожного рівня. Ця модель містить у собі по суті 2 різні моделі:

горизонтальну модель на основі протоколів, що забезпечує механізм взаємодії програм та процесів на різних машинах;

вертикальну модель на основі послуг, що забезпечуються сусідніми рівнями на одній машині.

Рисунок 1.1.1 Модель OSI

Фізичний рівень (physical layer) - нижній рівень моделі, який визначає метод передачі даних, представлених у двійковому вигляді, від одного пристрою (комп'ютера) до іншого. Передача електричних або оптичних сигналів у кабель або радіоефір здійснюється відповідно до методів кодування цифрових сигналів. Специфікації фізичного рівня визначають рівні напруги, синхронізацію зміни напруги, швидкість передачі фізичної інформації, максимальні відстані передачі інформації, вимоги до середовища передачі, фізичні з'єднувачі та інші аналогічні характеристики.

Функції фізичного рівня реалізуються усім пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережним адаптером, що забезпечує механічний інтерфейс зв'язку комп'ютера із середовищем передачі чи послідовним портом. Фізичний рівень визначає такі види середовищ передачі даних як оптоволокно, кручена пара, коаксіальний кабель, супутниковий канал передач даних тощо.

Стандартними типами мережевих інтерфейсів, що належать до фізичного рівня, є: USB, RS-232, RS-485, RJ-45, фізичні інтерфейси Ethernet (10BASE-T, 100BASE-T та 1000BASE-TX). Основні протоколи фізичного рівня: IEEE 802.15 (bluetooth), EIA RS-232, RS-485, DSL (цифрова абонентська лінія), ISDN (цифрова мережа з інтеграцією служб), 802.11 Wi-Fi, GSM, RFID, 802.15.

Канальний рівень (data link) забезпечує надійний транзит даних через канал. Отримані з фізичного рівня дані, представлені в бітах, він пакує в кадри, перевіряє їх на цілісність і, якщо потрібно, виправляє помилки (формує повторний запит пошкодженого кадру) та відправляє на мережевий рівень. Виконуючи це завдання, канальний рівень вирішує питання фізичної адресації, топології мережі, повідомлення про несправності, впорядковану доставку блоків даних та управління потоком інформації. Зазвичай цей рівень розбивається на два підрівні: LLC (Logical Link Control) у верхній половині, що здійснює перевірку на помилки та обслуговування мережевого рівня, та MAC (Media Access Control) у нижній половині, що відповідає за фізичну адресацію та прийом/передачу пакетів на фізичному рівні . На цьому рівні працюють комутатори, мости та інші устрою, вони називаються пристроями другого рівня.

Протоколи канального рівня: 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,. 25, ATM.

У програмуванні цей рівень є драйвером мережевої плати, в операційних системах є програмний інтерфейс взаємодії канального та мережевого рівнів між собою. Не новий рівень, а просто реалізація моделі для конкретної ОС. Приклад таких інтерфейсів: ODI, NDIS, UDI.

Мережевий рівень (session layer) забезпечує з'єднання та вибір маршруту між двома кінцевими системами, підключеними до різних "підмереж", які можуть бути в різних географічних пунктах. Мережевий рівень відповідає за трансляцію логічних адрес та імен у фізичні, визначення найкоротших маршрутів, комутацію та маршрутизацію, відстеження неполадок та «заторів» у мережі. Протоколи мережного рівня маршрутизують дані джерела до одержувача. Пристрої (маршрутизатори), що працюють на цьому рівні, умовно називають пристроями третього рівня (за номером рівня в моделі OSI).

Протоколи мережного рівня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол міжмережевого обміну), X.25 (частково цей протокол реалізовано лише на рівні 2), IPsec (Internet Protocol Security). Протоколи маршрутизації – RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First).

Транспортний рівень (transport layer) - найвищий з рівнів, відповідальних транспортування даних, призначений забезпечення надійної передачі від відправника до одержувачу. При цьому рівень надійності може змінюватись у широких межах. Існує безліч класів протоколів транспортного рівня, починаючи від протоколів, що надають лише основні транспортні функції (наприклад, функції передачі даних без підтвердження прийому), і закінчуючи протоколами, які гарантують доставку до пункту призначення кількох пакетів даних у належній послідовності, мультиплексують кілька потоків даних, забезпечують механізм управління потоками даних та гарантують достовірність прийнятих даних.

Наприклад, UDP обмежується контролем цілісності даних в рамках однієї дейтаграми і не виключає можливості втрати пакета, або дублювання пакетів, порушення порядку отримання пакетів даних. До заголовка IP-пакета він додає два поля, одне з яких поле "порт" забезпечує мультиплексування інформації між різними прикладними процесами, а інше поле - "контрольна сума" - дозволяє підтримувати цілісність даних.

Прикладами мережевих програм, що використовують UDP, є NFS та SNMP.

TCP забезпечує надійну безперервну передачу даних, що виключає втрату даних або порушення порядку їх надходження або дублювання може перерозподіляти дані, розбиваючи великі порції даних на фрагменти і навпаки склеюючи фрагменти в один пакет.

Основні протоколи транспортного рівня: SPX (Sequenced Packet Exchange – впорядкований обмін пакетами), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сеансовий рівень синхронізує діалог між об'єктами рівня представлення та керує створенням/завершенням сеансу, обміном інформацією, визначенням права на передачу даних та підтримкою сеансу в періоди неактивності додатків. Сеанси складаються з діалогу між двома чи більше об'єктами уявлення. Як приклад програмних засобів, які забезпечують роботу сеансового рівня, можуть бути інтерфейси NetBIOS мереж Windows і Sockets - сокети мереж TCP/IP.

Рівень уявлення (presentation layer) відповідає за те, щоб інформація, що надсилається з прикладного рівня однієї системи, була читаною для прикладного рівня іншої системи. При необхідності представницький рівень транслює між безліччю форматів подання інформації шляхом використання загального формату подання інформації. За необхідності трансформації піддаються як фактичні дані, а й структури даних, використовувані програмами. Рівень представлення відповідає за можливість діалогу між програмами на різних машинах. Цей рівень забезпечує перетворення даних (кодування, компресія тощо) прикладного рівня потоку інформації для транспортного рівня. Протоколи рівня подання зазвичай є складовою частиною функцій трьох верхніх рівнів моделі.

Прикладний рівень (application layer) - верхній рівень моделі OSI, що забезпечує взаємодію програм користувача з мережею:

дозволяє програмам використовувати мережеві служби:

• віддалений доступ до файлів та баз даних,

  пересилання електронної пошти;

відповідає за передачу службової інформації;

надає додаткам інформацію про помилки;

формує запити до рівня подання.

Протоколи прикладного рівня: HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, TELNET та інші.

Вивчення структури даної моделі дозволяє створити чіткішу картину розташування кожної мережевої технології у складній системі побудови мереж.

Системи ідентифікації об'єктів

Сама собою ідея автоматизованого розпізнавання об'єктів не нова. Відомі, як мінімум, п'ять різновидів ідентифікації:

оптична: системи, що базуються на штрих-кодах, розпізнаванні символів;

магнітна: магнітна смуга, розпізнавання міток, завданих магнітними носіями;

радіочастотна ідентифікація (RFID) та передача даних: пластикові смарт-карти із вбудованою мікросхемою, радіомітки;

біометрична: розпізнавання відбитків пальцівсканування малюнка райдужної оболонки ока;

акустична: ідентифікація за звуковими параметрами (голосом).

Оптична ідентифікація

Оптична ідентифікація - принцип виділення окремих компонентів системи серед багатьох аналогічних за допомогою точкового джерела оптичного випромінювання видимого діапазону довжин хвиль.

Оптична ідентифікація часто використовується на залізницях. Відеоаналітичне обладнання забезпечує автоматизований контроль залізничного полотна, прилеглої території (смуги відведення) та інших інфраструктурних об'єктів за допомогою технічних засобіввідеоспостереження.

Обладнання вирішує такі завдання:

реєстрація, передача та аналітична обробка відеоінформації про обстановку на об'єктах, що охороняються;

автоматичне формування оперативного сигналу тривоги у разі виникнення позаштатної (тривожної) ситуації;

безперервний контроль працездатності всіх компонентів комплексу та автоматичне виявлення несанкціонованих змін його налаштувань.

Алгоритми аналітичної обробки відео, вбудовані в обладнання повинні забезпечити:

автоматичне детектування, супровід та класифікацію цілей на підступах до залізничного полотна та інших інфраструктурних об'єктів;

класифікацію цілей за типами поведінки, у тому числі: поява у заданій зоні;

контроль якості зображення та автоматичне формування тривожного повідомлення у разі значної деградації якості.

Крім цього, оптична ідентифікація використовується для контролю пересування об'єктів рухомого складу залізничного транспорту (ЖДТ) шляхом автоматичного виявлення та ідентифікації вагонів, цистерн та платформ за їх реєстраційним номером.

Камера встановлюється на стійці, на висоті до 6 метрів і прямує вздовж залізничного полотна. Об'єктами відеоаналізу є люди та транспортні засоби, що переміщуються в поле зору камери довільним чином. Устаткування підтримує різні профілі стандарту ONVIF (Open Network Video Interface Forum). ONVIF - галузевий стандарт, що визначає протоколи взаємодії таких пристроїв як IP-камери, відеореєстратори та системи керування відео.

Недоліком оптичної ідентифікації є потенційна можливість забруднення камер, розташованих на складних ділянках, вплив перешкод на якість зображення і, отже, ідентифікації досить велика вартість таких систем (сукупності камер і аналізаторів зображення).

Радіочастотна ідентифікація

RFID (Radio Frequency IDentification) - радіочастотна ідентифікація, спосіб автоматичної ідентифікації об'єктів, в якому за допомогою радіосигналів зчитуються або записуються дані, що зберігаються в так званих транспондерах, RFID-мітках. Будь-яка RFID-система включає такі складові:

зчитувальний пристрій (зчитувач, рідер або інтеррогатор);

транспондер (RFID-мітка).

Більшість RFID-міток складається з двох частин. Перша - інтегральна схема (ІС) для зберігання та обробки інформації, модулювання та демодулювання радіочастотного (RF) сигналу та деяких інших функцій. Друга - антена для прийому та передачі сигналу.

Рисунок 1.2.2.1 RFID-антена

Існує кілька способів систематизації RFID-міток та систем:

За робочою частотою

• Мітки діапазону LF (125-134 кгц). Пасивні системи даного діапазону мають низькі ціни, і у зв'язку з фізичними характеристиками використовуються для підшкірних міток при чіпуванні тварин, людей та риб. Однак, у зв'язку з довжиною хвилі, існують проблеми зі зчитуванням великі відстані, а також проблеми, пов'язані з появою колізій при зчитуванні.

  Мітки діапазону HF (13,56 МГц). Переваги даних систем у тому, що вони дешеві, не мають екологічних та ліцензійних проблем, добре стандартизовані, мають широку лінійку рішень. Застосовуються у платіжних системах, логістиці, ідентифікації особи. Для частоти 13,56 МГц розроблено стандарт ISO 14443 (види A/B). Проте існують проблеми зі зчитуванням великі відстані, за умов високої вологості, наявності металу, і навіть проблеми, пов'язані з появою колізій під час зчитування.

  Мітки діапазону UHF (УВЧ, 860-960 МГц). Мітки даного діапазону мають найбільшу дальність реєстрації, у багатьох стандартах даного діапазону присутні антиколізійні механізми. У UHF RFID-системах порівняно з LF та HF нижча вартість міток, при цьому вища вартість іншого обладнання. В даний час частотний діапазон УВЧ відкритий для вільного використання Російської Федераціїу так званому «європейському» діапазоні – 863-868 МГЦ та в «американському» діапазоні ____.

За джерелом живлення

• Пасивні

  Активні

  Напівпасивні

За типом пам'яті

• RO (Read Only) – містять лише ідентифікатор. Дані записуються лише один раз під час виготовлення

  WORM (Write Once Read Many) - містять ідентифікатор і блок пам'яті, що одноразово записується

  RW (Read and Write) - містять ідентифікатор та блок пам'яті для багаторазового запису інформації. Дані в них можуть бути перезаписані багаторазово

За дальністю зчитування

Ближню ідентифікацію (зчитування на відстані до 20 см)

Ідентифікації середньої дальності (від 20 см до 10 м)

Подальшої ідентифікації (від 5 м до 300 м)

По виконанню

Пасивні RFID-мітки не мають вбудованого джерела енергії. Електричний струм, індукований в антені електромагнітним сигналом від зчитувача, забезпечує достатню потужність для функціонування кремнієвого чіпа, розміщеного в мітці, і передачі сигналу у відповідь. На практиці максимальна дистанція зчитування пасивних міток варіюється від 10 см (4 дюйми) (відповідно до стандарту ISO 14443) до декількох метрів (стандарти EPC та ISO 18000-6), залежно від обраної частоти та розмірів антени. Пасивні мітки (860-960 МГц) передають сигнал методом модуляції відбитого сигналу несучої частоти (модуляція зворотного розсіювання). Антена зчитувача випромінює сигнал несучої частоти і приймає відбитий від мітки модульований сигнал.

Активні RFID-мітки мають власне джерело живлення і не залежать від енергії зчитувача, внаслідок чого вони читаються на дальній відстані (до 300 метрів), мають великі розміри і можуть бути оснащені додатковою електронікою. Однак, такі мітки найдорожчі, а батареї обмежений час роботи. Активні мітки здебільшого надійніші та забезпечують найвищу точність зчитування на максимальній відстані. Активні мітки, володіючи власним джерелом живлення, також можуть генерувати вихідний сигнал більшого рівня, ніж пасивні, дозволяючи застосовувати їх у більш агресивних для радіочастотного сигналу середовища: воді, на повітрі.

Напівпасивні RFID-мітки, також звані напівактивними, дуже схожі на пасивні мітки, але оснащені батареєю, яка забезпечує чіп енергоживленням. При цьому дальність дії цих міток залежить тільки від чутливості приймача зчитувача і вони можуть функціонувати на більшій відстані та з кращими характеристиками.

Зчитувачі інформації – це прилади, які читають інформацію з міток та записують у них дані. Ці пристрої можуть бути постійно підключеними до облікової системи або працювати автономно. Зчитувачі діляться на стаціонарні та мобільні.

Рисунок 1.2.2.2 RFID-читач

Міжнародні стандарти RFID як складової частини технології автоматичної ідентифікації розробляються та приймаються міжнародною організацією ISO спільно з IEC.

Розподіл міток на класи було прийнято задовго до появи ініціативи EPCglobal упорядкувати велику кількість RFID-протоколів, проте не існувало загальноприйнятого протоколу обміну між зчитувачами та мітками. Це призводило до несумісності зчитувачів та міток різних виробників. У 2004 році ISO/IEC прийняла єдиний міжнародний стандарт ISO 18000, який описує протоколи обміну (радіоінтерфейси) у всіх частотних діапазонах RFID від 135 кГц до 2,45 ГГц. Діапазону УВЧ (860-960) МГц відповідає стандарту ISO 18000-6А/В. У 2004 р. фахівці EPCglobal створили новий протокол обміну між зчитувачем та міткою УВЧ діапазону - Class 1 Generation 2. У 2006 р. пропозиція EPC Gen2 з незначними змінами була прийнята ISO/IEC як доповнення Здо існуючих варіантів А та В стандарту ISO 18000-6, і на даний момент стандарт ISO/IEC 18000-6C є найпоширенішим стандартом технології RFID в діапазоні УВЧ.

Недоліками радіочастотної ідентифікації є:

працездатність мітки втрачається при частковому механічному пошкодженні;

схильність до перешкод у вигляді електромагнітних полів;

недостатня відкритість вироблених стандартів.

У цьому розділі було розглянуто основні технології ідентифікації об'єктів. Серед них особлива увага була приділена радіочастотній та оптичній ідентифікації, які можна використовувати для ініціювання з'єднання стаціонарного пункту управління з реєстратором параметрів руху поїзда (РПДР).

Технології бездротової передачі даних

Для здійснення процесу обміну інформацією між ПЕОМ та РПДП було вирішено вивчити існуючі технології бездротової передачі даних з метою подальшого вибору найбільш підходящою.

BlueTooth

Технологія BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала першою технологією, що дозволяє організувати бездротову персональну мережу даних (WPAN - Wireless Personal Network). Вона дозволяє здійснювати передачу даних та голоси по радіоканалу на невеликі відстані (10–100 м) у діапазоні частот, що не ліцензується, 2,4 ГГц і з'єднувати ПК, мобільні телефони та інші пристрої за відсутності прямої видимості. При створенні основною метою була розробка радіоінтерфейсу з низьким рівнем енергоспоживання та невисокою вартістю, який дозволяв би встановлювати зв'язок між стільниковими телефонами та бездротовими гарнітурами.

Стек протоколів бездротової передачі даних BlueTooth:

Рисунок 1.3.1.1 Стек протоколів Bluetooth

Технологія BlueTooth підтримує як з'єднання типу "точка-точка", так і "точка-багатоточка". Два або більше використовують один і той самий канал пристрою утворюють пикосеть (piconet). Один із пристроїв працює як основне (master), а решта - як підлеглі (slave). В одній пікосеті може бути до семи активних підлеглих пристроїв, при цьому інші підлеглі пристрої перебувають у стані паркування, залишаючись синхронізованими з основним пристроєм. Взаємодіючі пікосети утворюють «розподілену мережу» (scatternet). У кожній пікосеті діє лише один основний пристрій, однак підпорядковані пристрої можуть входити до різних пікосетів. Крім того, основний пристрій однієї пікосети може бути підлеглим до іншого.

У більшості випадків технологія BlueTooth використовується розробниками для заміни провідного послідовного з'єднання між двома пристроями бездротовим. Для спрощення завдання організації з'єднання та виконання передачі даних був розроблений варіант прошивки BlueTooth-модулів, що представляє закінчену програмну реалізацію всього стеку протоколу BlueTooth (рис. 1), а також профілів SPP (Serial Port Profile) та SDP (Service Discovery Profile). Це рішення дозволяє розробнику здійснювати управління модулем, встановлювати бездротове послідовне з'єднання і виконувати передачу даних за допомогою спеціальних команд. Проте воно накладає певні обмеження використання можливостей технології BlueTooth. В основному це позначається на зменшенні максимальної пропускної здатності та кількості одночасних асинхронних з'єднань, що підтримуються BlueTooth-модулем.

У середині 2004 року на зміну специфікації BlueTooth версії 1.1, яка була опублікована у 2001 році, прийнято специфікацію BlueTooth версії 1.2. До основних відмінностей специфікації 1.2 від 1.1 відносять:

Реалізація технології адаптивної перебудови частоти каналу уникнення колізій (Adaptive Friquency hopping, AFH).

Скорочення часу, затрачуваного встановлення з'єднання між двома модулями BlueTooth.

Відомо, що BlueTooth і Wi-Fi використовують один і той же неліцензійний діапазон 2,4 ГГц. Отже, у тих випадках, коли BlueTooth-пристрої знаходяться в зоні дії пристроїв Wi-Fi та здійснюють обмін даними між собою, це може призвести до колізій та вплинути на працездатність пристроїв. Технологія AFH дозволяє уникнути появи колізій: під час обміну інформацією для боротьби з інтерференцією технологія BlueTooth використовує стрибкоподібну перебудову частоти каналу, при виборі якого не враховуються частотні канали, на яких обмінюються даними пристрою Wi-Fi.

Схема розвитку технології BlueTooth, розроблена консорціумом SIG, розроблена:

Рисунок 1.3.1.2 Етапи розвитку технології Bluetooth

В даний час на ринку працює велика кількість фірм, що пропонують модулі BlueTooth, а також компоненти самостійної реалізації апаратної частини BlueTooth-пристрою. Практично всі виробники пропонують модулі, що підтримують специфікації BlueTooth версії 1.1 та 1.2 та відповідні класу 2 (діапазон дії 10 м) та класу 1 (діапазон дії 100 м). Однак, незважаючи на те, що версія 1.1 повністю сумісна з 1.2, усі розглянуті вище удосконалення, реалізовані у версії 1.2, можуть бути отримані тільки якщо обидва пристрої відповідають версії 1.2.

У листопаді 2004 року було прийнято специфікацію BlueTooth версії 2.0, що підтримує технологію розширеної передачі даних (Enhanced Data Rate, EDR). Специфікація 2.0 за допомогою EDR дозволяє здійснювати обмін даними на швидкості до 3 Мбіт/с. Перші серійно виготовлені зразки модулів, що відповідають версії 2.0 та підтримують технологію розширеної передачі даних EDR, були запропоновані виробниками наприкінці 2005 року. Радіус дії таких модулів становить 10 м за відсутності прямої видимості, що відповідає класу 2, а за наявності прямої видимості може досягати 30 м.

Як зазначалося раніше, основне призначення технології BlueTooth - заміна провідного послідовного з'єднання. Технологією BlueTooth визначені такі профілі: профіль локальної мережі (Lan Access Profile), профіль обміну даними (Generic Object Exchange), профіль передачі даних (Profile Object Push Profile), профіль обміну файлами (File Transfer Profile), профіль синхронізації (Synchronization Profile).

Для функціонування бездротової мережі WiFi використовуються радіохвилі, як і для роботи стільникових телефонів, телевізорів та радіоприймачів. Обмін інформацією бездротової мережі багато в чому схожий на переговори з використанням радіозв'язку.

Більшість Wi-Fi обладнання можна розділити на дві великі групи:

WiFi роутери (маршрутизатори) та точки доступу

кінцеве обладнання користувачів, оснащене Wi-Fi адаптерами.

Адаптер бездротового зв'язку комп'ютера перетворює дані на радіосигнал і передає їх в ефір із застосуванням антени. Бездротовий маршрутизатор приймає та декодує цей сигнал. Інформація з маршрутизатора надсилається до Інтернету по кабелю дротової мережі Ethernet.

По суті, і WiFi роутери і точки доступу WiFi виконують ті самі функції - створюють радіопокриття (режим AP), перебуваючи в якому, будь-який пристрій, оснащений адаптером, може підключитися до мережі в режимі AP-Client. На цьому подібності пристроїв закінчуються. Дані пристрої різняться як візуально, і структурно. Класична точка доступу WiFi має лише один Ethernet-порт. У класичних WiFi роутерів 5. При цьому окремо виділено WAN-порт, який служить для підключення кабелю провайдера. Інші Ethernet-порти маркуються як LAN - вони служать для підключення по кручений парі клієнтів локальної мережі, яку створює роутер.

У заводських налаштуваннях у точки доступу вимкнено DHCP-сервер і для підключення до неї по Ethernet або WiFi, мережному адаптеру необхідно присвоїти статичний IP-адресу. У роутерів DHCP-сервер у заводських налаштуваннях увімкнено, і будь-який клієнт роутера може отримати від даного сервера IP-адресу автоматично. Для цього необхідно налаштувати службу DHCP-клієнт адаптера, за допомогою якого здійснюється підключення до роутера, на автоматичне отримання IP-адрес. Крім включеного в заводських налаштуваннях DHCP-сервера, роутери оснащені програмно-апаратним фаєрволом, який мінімізує ймовірність хакерських атак і розкрадання конфіденційної інформації у клієнтів локальної мережі, яку він створює, але не гарантує 100% захисту.

Зазвичай схема Wi-Fi мережімістить не менше однієї точки доступу та не менше одного клієнта. Точка доступу передає свій ідентифікатор мережі (SSID) за допомогою спеціальних сигнальних пакетів швидкості 0,1 Мбіт/с кожні 100 мс. Знаючи SSID мережі, клієнт може з'ясувати, чи можливе підключення до цієї точки доступу. При попаданні в зону дії двох точок доступу з ідентичними SSID приймач може вибирати між ними на підставі даних рівня сигналу.

При використанні Wi-Fi обладнання можна виділити кілька основних режимів його роботи: точка-точка, інфраструктурний режим, робота в мосту і режим повторювача. Розглянемо докладніше кожен із цих режимів роботи.

При режимі роботи точка-точка бездротові клієнти з'єднуються між собою, точки доступу в даному випадку не використовуються. Цей режим може використовуватися, наприклад, для з'єднання двох комп'ютерів, оснащених Wi-Fi адаптерами, між собою, без додаткових пристроїв.

В інфраструктурному режимі (точка-багатоточка) роботи, всі пристрої, що підключаються до бездротової мережі, зв'язуються між собою через проміжний пристрій, званий точкою доступу (AP, Access Point).

Режим бездротового моста використовується в тому випадку, якщо необхідно з'єднати дві провідні локальні мережі, віддалені одна від одної на невелику відстань (20-250 м), але немає можливості прокласти кабелі. У цьому випадку бездротові клієнти не можуть підключитися до точок доступу, а самі точки використовуються лише для транзиту трафіку з однієї локальної дротової мережі до іншої.

Використовувані для роботи WiFiадаптери (приймачі, трансівери) дуже схожі на пристрої, що використовуються в дуплексних портативних радіостанціях, стільникових телефонах та інших подібних пристроях. Вони можуть передавати та приймати радіохвилі, а також перетворювати одиниці та нулі цифрового сигналу на радіохвилі та навпаки. У той же час є деякі помітні відмінності приймачів і WiFi передавачів від інших схожих пристроїв. Найбільш істотна відмінність у тому, що вони працюють на інших частотних діапазонах. Більшість сучасних ноутбуків і багато настільних комп'ютерів продають із вбудованими бездротовими приймачами. Якщо в ноутбуку такого пристрою немає, існують адаптери, які підключаються до слота розширення плат стандарту PC card або до порту USB. Після встановлення адаптера бездротового зв'язку та відповідних драйверів, які забезпечують можливість нормальної роботи адаптера, комп'ютер може розпочати автоматичний пошук наявних мереж.

Приймачі WiFi можуть працювати в одному з трьох частотних діапазонів. Можливий варіант, коли здійснюється швидке «перескакування» з одного діапазону в інший. Такий прийом дозволяє зменшити вплив перешкод та одночасно використовувати можливості бездротового зв'язку багатьма пристроями. Більшість актуальних стандартів технології WiFi використовують частотний діапазон 2,4ГГц, а якщо точніше – смугу частот 2400МГц-2483,5МГц. Окрім частотного діапазону 2,4ГГц сучасні актуальні стандарти WiFi використовують діапазон 5ГГц у смугах частот 5,180-5,240ГГц та 5,745-5,825ГГц. Ці частоти набагато вищі, ніж ті, що використовуються в стільникових телефонах, в дуплексних портативних радіостанціях і для трансляції ефірного телебачення. На вищій частоті можна передавати більше даних.

У WiFi використовуються мережні стандарти 802.11 у кількох різновидах:

За стандартом 802.11a дані передаються в діапазоні 5 ГГц зі швидкістю до 54 мегабіт на секунду. Він передбачає також мультиплексування з ортогональним розподілом частот (orthogonal frequency-division multiplexing OFDM), більш ефективну техніку кодування, що передбачає поділ вихідного сигналу на стороні, що передає, на кілька підсигналів. Такий підхід дозволяє зменшити вплив перешкод.

802.11b є найповільнішим і найменш дорогим стандартом. На деякий час, завдяки своїй вартості, він набув широкого поширення, але зараз витісняється більше швидкими стандартамиу міру їх здешевлення. Стандарт 802.11b призначений для роботи у діапазоні 2,4 ГГц. Швидкість передачі даних становить до 11 мегабіт в секунду при використанні для підвищення швидкості маніпуляції з кодом, що доповнює (complementary code keying, CCK).

Стандарт 802.11g, як і 802.11b, передбачає роботу в діапазоні 2,4 ГГц, проте забезпечує значно більшу швидкість передачі даних – до 54 мегабіт на секунду. Стандарт 802.11g швидше, оскільки в ньому використовується таке ж кодування OFDM, як і 802.11a.

Найновіший стандарт – 802.11n. У ньому суттєво збільшено швидкість передачі даних та розширено частотний діапазон. У той же час, хоча стандарт 802.11g теоретично здатний забезпечити швидкість передачі даних 54 мегабіт за секунду, реальна швидкість становить приблизно 24 мегабіт за секунду, у зв'язку з навантаженнями мережі. Стандарт 802.11n може забезпечити швидкість передачі даних 140 мегабіт на секунду. Стандарт затверджено 11 вересня 2009 року Інститутом інженерів з електротехніки та електроніки (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE), світовим лідером у сфері розробки та впровадження нових стандартів.

Найбільш поширеними стандартами бездротових мереж сьогодні є IEEE 802.11b та ​​802.11g. Обладнання таких мереж, згідно з IEEE, працює в діапазоні 2400-2483,5 МГц і здатне передавати дані з максимальною швидкістю 11 і 54 Мбіт/с відповідно.

Розподіл хвиль у діапазоні має ряд оригінальних якостей. Незважаючи на функціональну схожість бездротового та провідного обладнання, різниця в їх установці, монтажі та налаштуванні чимала. Причина - у властивостях фізичних середовищ, що використовуються передачі інформації. У випадку з бездротовим обладнанням слід враховувати закони розповсюдження радіохвиль. Радіоефір більш чутливий до різноманітних перешкод. Тому наявність перегородок, стін та залізобетонних перекриттів може позначитися на швидкості передачі даних. Умови прийому і передачі радіосигналу погіршують не тільки фізичні перешкоди, а також перешкоди створюють різні радіовипромінюючі прилади.

Свого часу стандартом безпеки в регіональних мережах зв'язку була технологія Wired Equivalency Privacy (WEP). Проте хакери виявили вразливості WEP і тепер досить просто знайти програми та програми, призначені для зламування мереж із таким захистом. В основі WEP лежить потоковий шифр RC4, вибраний через свою високу швидкість роботи та можливість використання змінної довжини ключа. Для підрахунку контрольних сум використовується CRC32.

На заміну технології захисту бездротових мереж WEP прийшла технологія WPA. Плюсами WPA є посилена безпека даних та жорсткий контроль доступу до бездротових мереж. Сьогодні бездротову мережу вважають захищеною, якщо в ній функціонують три основні складові системи безпеки: автентифікація користувача, конфіденційність та цілісність передачі даних. Протокол захищеного доступу WiFi (WiFi Protected Access, WPA) в даний час входить до протоколу безпеки бездротових мереж стандарту 802.11i. Дана технологія підтримує базові засоби аутентифікації протоколів 802.1x, наприклад протокол аутентифікації Extensible Authentication Protocol (EAP), який передбачає участь в аутентифікації трьох сторін - клієнта, що викликається (точки доступу) і сервера аутентифікації, що істотно підвищує безпеку з'єднання. Крім цього WPA забезпечує конфіденційність передачі даних за допомогою шифрування трафіку з використанням тимчасових ключів за допомогою TKIP та цілісність інформації - шляхом звіряння контрольної суми MIC (Message Integrity Check). Як і WEP, WPA передбачає вхід до системи з використанням пароля. Більшість громадських точок доступу або відкриті, або використовують WPA або 128-бітну технологію WEP, хоча в деяких все ще використовується стара вразлива система WEP. На даний момент WPA та WPA2 розробляються та просуваються організацією Wi-Fi Alliance.

Для забезпечення ще більшої безпеки іноді використовують фільтрацію адрес управління доступом до середовища (Media Access Control, MAC). У ній для ідентифікації користувачів не використовується пароль, для цього використовуються фізичні апаратні засоби комп'ютера. Кожен комп'ютер має власну унікальну MAC-адресу. Фільтрування MAC-адрес забезпечує доступ до мережі лише машинам з певними MAC-адресами. При налаштуванні маршрутизатора потрібно вказати, яким адресам дозволяється доступ до мережі. Система не має стовідсоткової надійності. Хакер з відповідним рівнем знань може підробити MAC-адресу, тобто скопіювати відому дозволену MAC-адресу і ввести систему в оману, імітуючи цю адресу своїм комп'ютером, що дозволить йому увійти в мережу.

Переваги Wi-Fi

Дозволяє розгорнути мережу без прокладки кабелю, що може зменшити вартість розгортання та розширення мережі. Місця, де не можна прокласти кабель, наприклад, поза приміщеннями та в будинках, що мають історичну цінність, можуть обслуговуватися бездротовими мережами.

Дозволяє мати доступ до мережі мобільних пристроїв.

Wi-Fi пристрої широко поширені над ринком. Гарантується сумісність обладнання завдяки обов'язковій сертифікації обладнання з логотипом Wi-Fi.

В межах Wi-Fi зони в Інтернет можуть виходити кілька користувачів з комп'ютерів, ноутбуків, телефонів і т.д.

Випромінювання від Wi-Fi пристроїву момент передачі даних на порядок (в 10 разів) менше, ніж у мобільного телефону.

Технологія бездротової передачі даних ZigBee була представлена ​​на ринку після появи технологій бездротової передачі даних BlueTooth і Wi-Fi. Поява технології ZigBee обумовлена, перш за все, тим, що для деяких додатків (наприклад, для віддаленого управління освітленням або гаражними воротами, або зчитування інформації з датчиків) основними критеріями при виборі технології бездротової передачі є енергоспоживання апаратної частини та її низька вартість. З цього випливає мінімальна пропускна здатність, тому що в більшості випадків електроживлення датчиків здійснюється від вбудованої батареї, час роботи від якої має перевищувати кілька місяців і навіть років. Існуючі на той час технології бездротової передачі даних BlueTooth і Wi-Fi не відповідали цим критеріям, забезпечуючи передачу даних на високих швидкостях, з високим рівнем енергоспоживання та вартості апаратної частини. У 2001 році робочою групою № 4 IEEE 802.15 було розпочато роботи зі створення нового стандарту, який би відповідав наступним вимогам:

дуже мале енергоспоживання апаратної частини, що реалізує технологію бездротової передачі даних (час роботи від батареї має становити від кількох місяців до кількох років);

передача інформації має здійснюватися на невисокій швидкості;

низька вартість апаратної частини.

Результатом стала розробка стандарту IEEE 802.15.4. На рис. 5 наведена модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee та кінцевого користувача.

Рисунок 1.3.3.1 Модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee та кінцевого користувача

Стандарт IEEE 802.15.4 визначає взаємодію лише двох нижчих рівнів моделі взаємодії: фізичного рівня (PHY) та рівня управління доступом до радіоканалу для трьох діапазонів частот, що не ліцензуються: 2,4 ГГц, 868 МГц і 915 МГц.

Рівень MAC відповідає за керування доступом до радіоканалу з використанням методу множинного доступу з розпізнаванням несучої та усуненням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а також за керування підключенням та відключенням від мережі передачі даних та забезпечення захисту інформації, що передається, симетричним. ключем (AES-128).

У свою чергу, технологія бездротової передачі даних ZigBee, запропонована альянсом ZigBee, визначає інші рівні моделі взаємодії, до яких відносять рівень мережі, рівень безпеки, рівень структури програми та рівень профілю програми. Мережевий рівень, технології бездротової передачі даних ZigBee, відповідає за виявлення пристроїв та конфігурацію мережі та підтримує три варіанти топології мережі.

Для забезпечення низької вартості інтеграції технології бездротової передачі ZigBee у різні програми фізична реалізація апаратної частини стандарту IEEE 802.15.4 виконується у двох виконаннях: пристрої з обмеженим набором функції (RFD) та повністю функціональні пристрої (FFD).

Окрім поділу пристроїв на RFD та FFD, альянсом ZigBee визначено три типи логічних пристроїв: ZigBee-координатор (що погоджує пристрій), ZigBee-маршрутизатор та кінцевий пристрій ZigBee. Координатор здійснює ініціалізацію мережі, управління вузлами, а також зберігає інформацію про налаштування кожного вузла, підключеного до мережі. ZigBee-маршрутизатор відповідає за маршрутизацію повідомлень, що передаються мережею від одного вузла до іншого. Під кінцевим пристроєм розуміють будь-який кінцевий пристрій, підключений до мережі. Розглянуті вище пристрої RFD і FFD таки є кінцевими пристроями. Тип логічного пристрою при побудові мережі визначає кінцевий користувач шляхом вибору певного профілю, запропонованого альянсом ZigBee. При побудові мережі з топологією «кожний з кожним» передача повідомлень від одного вузла мережі до іншого може здійснюватися за різними маршрутами, що дозволяє будувати розподілені мережі (що об'єднують кілька невеликих мереж в одну велику – кластерне дерево) із встановленням одного вузла від іншого на досить великому відстані та забезпечити надійну доставку повідомлень.

Трафік, що передається по мережі ZigBee, зазвичай поділяють на періодичний, уривчастий і повторюваний (що характеризується невеликим часовим інтервалом між посилками інформаційних повідомлень).

Періодичний трафік характерний для додатків, де необхідно дистанційно отримувати інформацію, наприклад від бездротових сенсорних датчиків або лічильників. У таких програмах отримання інформації від датчиків або лічильників здійснюється наступним чином. Як уже згадувалося раніше, будь-який кінцевий пристрій, в якості якого в даному прикладі виступає бездротовий датчик, переважну частину роботи має перебувати в режимі «засинання», забезпечуючи тим самим дуже низьке енергоспоживання. Для передачі інформації кінцевий пристрій у певні моменти часу виходить з режиму «засипання» і виконує пошук у радіоефірі спеціального сигналу (маяка), що передається пристроєм керування мережею (ZigBee-координатором або ZigBee-маршрутизатором), до якої підключений бездротовий лічильник. За наявності радіоефіру спеціального сигналу (маяка) кінцевий пристрій здійснює передачу інформації пристрою управління мережею і відразу ж переходить в режим «засипання» до наступного сеансу зв'язку.

Уривчастий трафік властивий, наприклад, для пристроїв дистанційного керування освітленням. Уявімо ситуацію, коли необхідно при спрацьовуванні датчика руху, встановленого біля вхідних дверей, передати команду на включення освітлення у передпокої. Передача команди у разі здійснюється так. При отриманні пристроєм керування мережею сигналу про спрацювання датчика руху він видає команду кінцевого пристрою (бездротового вимикача) підключитися до бездротової мережі ZigBee. Потім встановлюється з'єднання з кінцевим пристроєм (бездротовим вимикачем) і виконується передача інформаційного повідомлення, що містить команду включення освітлення. Після прийому команди з'єднання розривається та виконується відключення бездротового вимикача від мережі ZigBee. Підключення та відключення кінцевого пристрою до мережі ZigBee тільки у необхідні для цього моменти дозволяє істотно збільшити час перебування кінцевого пристрою в режимі «засинання», забезпечуючи мінімальне енергоспоживання. Метод використання спеціального сигналу (маяка) є набагато енергоємнішим.

У деяких додатках, наприклад, охоронних системах, передача інформації про спрацювання датчиків повинна здійснюватися практично миттєво і без затримок. Але треба враховувати той факт, що в певний момент часу можуть «спрацювати» відразу кілька датчиків, генеруючи в мережі так званий трафік, що повторюється. Імовірність цієї події невелика, але не враховувати її в охоронних системах неприпустимо. У бездротовій мережі ZigBee для повідомлень, що передаються в бездротову мережу при спрацьовуванні одразу кількох охоронних датчиків (кінцевих пристроїв), передбачена передача даних від кожного датчика спеціально виділеному тимчасовому слоті. У технології ZigBee тимчасовий слот, що спеціально виділяється, називають гарантованим тимчасовим слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наявність у технології ZigBee можливості надавати гарантований тимчасовий слот для передачі невідкладних повідомлень дозволяє говорити про реалізацію у ZigBee методу QoS (якість обслуговування). Виділення гарантованого тимчасового слота передачі невідкладних повідомлень здійснюється мережевим координатором (рис. 6, PAN Coordinator).

Для побудови бездротової мережі (наприклад, мережа з топологією «зірка») на основі технології ZigBee розробнику необхідно придбати, принаймні, один мережевий координатор і необхідну кількість кінцевих пристроїв. При плануванні мережі слід враховувати, що максимальна кількість активних кінцевих пристроїв, приєднаних до мережного координатора, не повинна перевищувати 240. Крім того, необхідно придбати у виробника ZigBee-чіпів програмні засоби для розробки, конфігурування мережі та створення програм та профілів.

Висока вартість налагоджувального комплекту, до складу якого входить набір програмних та апаратних засобів для побудови бездротових мереж ZigBee будь-якої складності, є одним із факторів масового поширення технології ZigBee на ринку Росії.

Наведений у розділі короткий огляд технологій бездротової передачі даних BlueTooth, Wi-Fi та ZigBee показує, що кожна технологія має свої відмінні якості, що полягають у досягненні однієї й тієї ж мети різними способами (з різними втратами). Порівняльні характеристики технологій BlueTooth, Wi-Fi та ZigBee наведені у таблиці.

Таблиця 1.3.3.1

Порівняльні характеристики технологій BlueTooth, Wi-Fi та ZigBee

З даної таблиці видно, що найшвидша і далека передача можлива під час використання технології Wi-Fi. Технологія Wi-Fi використовується для передачі пошти, відео та інших даних через Інтернет. Технологія ZigBee чудово підходить для низькошвидкісного обміну інформацією невеликого розміру між великою кількістю вузлів, для віддаленого моніторингу та керування. Технологія BlueTooth знайшла найбільше застосування під час обміну даними між мобільними пристроями.

Мережева технологія - це узгоджений набір стандартних протоколів і програмно-апаратних засобів, що реалізують їх (наприклад, мережевих адаптерів, драйверів, кабелів та роз'ємів), достатній для побудови обчислювальної мережі. Епітет «достатній» підкреслює та обставина, що цей набір є мінімальним набором засобів, за допомогою яких можна побудувати працездатну мережу.

Протоколи, на основі яких будується мережа певної технології (у вузькому сенсі) спеціально розроблялися для спільної роботи, тому від розробника мережі не потрібно додаткових зусиль щодо організації їхньої взаємодії. Іноді мережеві технології називають базовими технологіями, мається на увазі те, що на їхній основі будується базис будь-якої мережі. Прикладами базових мережевих технологій можуть бути такі відомі технології локальних мереж, як Ethernet, Token Ring і FDDI, або технології територіальних мереж Х.25 і frame relay. Для отримання працездатної мережі в цьому випадку достатньо придбати програмні та апаратні засоби, що належать до однієї базової технології - мережеві адаптери з драйверами, концентратори, комутатори, кабельну систему тощо - і з'єднати їх відповідно до вимог стандарту на цю технологію.

На сьогоднішній день найпоширенішим стандартом локальних мереж є пакетна технологія передачі Ethernet. Стандарти Ethernet визначають провідні з'єднання та електричні сигналифізично, формат кадрів і протоколи управління доступом до середовища - на канальному рівні моделі OSI. Ethernet в основному описується стандартами IEEE групи 802.3. Як передавальне середовище використовується коаксіальний кабель, кручена пара або оптичний кабель. Комп'ютери підключаються до середовища, що розділяється, відповідно до типової структури «загальна шина». За допомогою шини, що розділяється в часі, будь-які два комп'ютери можуть обмінюватися даними.

Всі види стандартів Ethernet (у тому числі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують один і той же метод поділу середовища передачі даних - метод CSMA/CD (множинний доступ з контролем несучої та виявлення колізій) Суть випадкового методу доступу полягає в наступному. Комп'ютер у мережі Ethernet може передавати дані через мережу, тільки якщо мережа вільна, тобто якщо жодний інший комп'ютер на даний момент не займається обміном. Тому важливою частиною технології Ethernet є процедура визначення доступності середовища. Після того, як комп'ютер переконується, що мережа вільна, він починає передачу, при цьому «захоплює» середовище. Час монопольного використання середовища, що розділяється, одним вузлом обмежується часом передачі одного кадру. Кадр - це одиниця даних, якими обмінюються комп'ютери мережі Ethernet. Кадр має фіксований формат і поряд з полем даних містить різну службову інформацію, наприклад адресу одержувача та адресу відправника. Мережа Ethernet влаштована так, що при попаданні кадру в середовище передачі даних всі мережні адаптери одночасно починають приймати цей кадр. Всі вони аналізують адресу призначення, що розташовується в одному з початкових полів кадру, і якщо ця адреса збігається з їхньою власною адресою, кадр поміщається у внутрішній буфер мережевого адаптера. Таким чином комп'ютер-адресат отримує призначені йому дані. Іноді може виникати ситуація, коли одночасно два або більше комп'ютерів вирішують, що мережа вільна, і починають передавати інформацію. Така ситуація, звана колізією, перешкоджає правильній передачі даних через мережу. У стандарті Ethernet передбачено алгоритм виявлення та коректної обробки колізій. Можливість виникнення колізії залежить від інтенсивності мережевого трафіку. Після виявлення колізії мережеві адаптери, які намагалися передати свої кадри, припиняють передачу та після паузи випадкової тривалості намагаються знову отримати доступ до середовища та передати той кадр, який викликав колізію.

Головною перевагою мереж Ethernet, завдяки якому вони стали такими популярними, є їхня економічність. Для побудови мережі достатньо мати по одному адаптеру для кожного комп'ютера плюс один фізичний сегмент кабелю потрібної довжини. Інші базові технології, наприклад Token Ring для створення навіть невеликої мережі вимагають наявності додаткового пристрою - концентратора. Крім того, в мережах Ethernet реалізовані досить прості алгоритми доступу до середовища, адресації та передачі даних. Проста логіка роботи мережі веде до спрощення та, відповідно, здешевлення мережевих адаптерів та їх драйверів. З тієї ж причини адаптери мережі Ethernet мають високу надійність. І, нарешті, ще однією чудовою властивістю мереж Ethernet є їхня гарна розширюваність, тобто легкість підключення нових вузлів. Інші базові мережеві технології - Token Ring, FDDI, - хоч і мають багато індивідуальних рис, в той же час мають багато спільних властивостей з Ethernet. Істотні відмінності однієї технології від іншої пов'язані з особливостями використовуваного методу доступу до середовища. Так, відмінності технології Ethernet від технології Token Ring багато в чому визначаються специфікою закладених у них методів поділу середовища – випадкового алгоритму доступу до Ethernet та методу доступу шляхом передачі маркера до Token Ring.

Для об'єднання всіх блоків системи керування безпекою поїзда «Вітязь» використовується CAN-шина. Розглянемо цей інтерфейс докладніше.

CAN (Control Area Network) - послідовна магістраль, що забезпечує об'єднання в локальну мережу "інтелектуальних" пристроїв введення/виводу, датчиків та виконавчих пристроїв деякого механізму або навіть підприємства. Характеризується протоколом, що забезпечує можливість перебування на магістралі кількох провідних пристроїв, що забезпечує передачу даних у реальному масштабі часу та корекцію помилок, високою стійкістю до перешкод. Система CAN складається з великої кількості мікросхем, що забезпечують роботу підключених до магістралі пристроїв, розробку яких починала фірма BOSH для використання в автомобілях, і зараз широко використовуються в автоматизації промисловості. Швидкість передачі визначається програмно і може бути до 1 Мбіт/с.

Але на практиці під мережею CAN зазвичай мається на увазі мережа топології «шина» з фізичним рівнем у вигляді диференціальної пари, визначеним у стандарті ISO 11898. Передача ведеться кадрами, які приймаються всіма вузлами мережі. Для доступу до шини випускаються спеціалізовані мікросхеми - драйвери CAN шини.

Система CAN працює дуже надійно. Якщо виникають будь-які несправності, вони обов'язково фіксуються у відповідних реєстраторах несправностей і можуть бути зчитані за допомогою діагностичного приладу.

Рисунок 1.5.1 Система CAN

Мережа поєднує кілька блоків керування. Блоки управління підключаються до неї через трансівери (приймачі). Отже, всі окремі станції мережі перебувають у однакових умовах. Тобто, всі блоки управління рівнозначні і жоден з них не має пріоритету. При цьому говорять про так звану багатоабонентську архітектуру. Обмін інформацією здійснюється шляхом передачі послідовних сигналів.

Процес обміну інформацією полягає в обміні окремими листами, кадрами. Ці послання можуть бути надіслані та отримані кожним із блоків керування. Кожне з послань містить дані про будь-який фізичний параметр системи. При цьому величина представляється у двійковій формі, тобто як послідовність нулів та одиниць або біт. Наприклад, значення частоти обертання двигуна 1800 об/хв може бути представлене як двійкове число 00010101. При передачі сигналів кожне число в двійковому поданні перетворюється на потік послідовних імпульсів (біт). Ці імпульси надходять через провід TX (передавач) на вхід трансівера (підсилювача). Трансивер перетворює послідовності імпульсів струму відповідні сигнали напруги, які потім послідовно передаються на провід шини. При прийомі сигналів трансівер перетворює імпульси напруги в послідовності біт і передає їх через провід RX (приймальний провід) блок управління. У блоці управління послідовності двійкових сигналів знову перетворюються на дані послань. Наприклад, двійкове число 00010101 перетворюється на частоту обертання 1800 об/хв.

Послання, що передається, може бути прийнято кожним з блоків управління. Цей принцип передачі даних називають широкомовним, оскільки він подібний до принципу роботи широкомовної радіостанції, сигнали якої приймаються кожним користувачем радіомережі. Цей принцип передачі забезпечує отримання в кожний момент часу однакової інформації всіма блоками управління, підключеними до мережі. Кожне повідомлення забезпечується ідентифікатором, який визначає призначення переданих даних, але не адресу приймача. Будь-який приймач може реагувати як один ідентифікатор, і кілька. На один ідентифікатор може реагувати кілька приймачів.

Рисунок 1.5.2 Принцип обміну повідомленнями щодо CAN

Блок управління приймає сигнали датчиків, обробляє їх та передає відповідні керуючі сигнали на виконавчі пристрої. Найбільш істотними компонентами блоку управління є мікроконтролер з вхідними і вихідними пристроями, що запам'ятовують, і запам'ятовуючий пристрій для зберігання програмного забезпечення. Отримані блоком управління сигнали датчиків, наприклад, датчика температури або датчика частоти обертання колінчастого валу регулярно викликаються і записуються послідовно у вхідному пристрої. У мікроконтролері вхідні сигнали обробляються відповідно до закладених у ньому програм. Вироблені в результаті цієї обробки сигнали направляються в осередки вихідного пристрою, звідки вони надходять на відповідні виконавчі пристрої. Для обробки послань, що надходять з шини CAN і направляються на неї, кожен блок управління забезпечений додатковим пристроєм, в якому зберігаються як надходять, так і надсилаються послання.

Для обміну даними через шину CAN служить модуль системи CAN. Він поділений на дві зони: зону прийому та зону передачі. Модуль системи CAN пов'язаний з блоком керування через поштові скриньки для вхідних та вихідних листів. Зазвичай він вбудований у чіп мікроконтролера блоку керування.

Трансивер являє собою приймальний пристрій, одночасно виконує функції підсилювача. Він перетворює послідовність вступників з модуля системи CAN двійкових сигналів (логічно) в електричні імпульси напруги і навпаки. Таким чином, за допомогою електричних імпульсів можна передавати дані з мідних дротів. Зв'язок трансівера з модулем системи CAN здійснюється за допомогою проводів TX (передавач) і RX (приймає провід). Провід RX з'єднаний із шиною CAN через підсилювач. Він дозволяє постійно прослуховувати цифрові сигнали, що передаються через шину.

При вільній шині будь-який вузол може починати передачу будь-якої миті. У разі одночасної передачі кадрів двома та більше вузлами проходить арбітраж доступу: Надаючи адресу джерела, вузол одночасно перевіряє стан шини. Якщо передачі рецесивного біта приймається домінантний - вважається, що інший вузол передає повідомлення з великим пріоритетом і відкладається до звільнення шини. Таким чином, на відміну, наприклад, від Ethernet в CAN не відбувається непродуктивної втрати пропускної спроможності каналу при колізії. Ціна цього рішення – ймовірність того, що повідомлення з низьким пріоритетом ніколи не будуть передані.

Усі підключені до шини станції одержують послання, відправлене блоком управління. Це послання надходить у зони прийому відповідних модулів системи CAN через дроти RX. Після цього вони можуть визначити на контрольному рівні за сумою CRC (Cycling Redundancy Check), чи в посланні помилок передачі немає.

Переваги

Можливість роботи у режимі жорсткого реального часу.

Простота реалізації та мінімальні витрати на використання.

Висока стійкість до перешкод.

Арбітраж доступу до мережі без втрат пропускної спроможності.

Надійний контроль помилок передачі та прийому.

Велике поширення технології, наявність широкого асортименту продуктів від різних постачальників.

Полегшується підключення додаткового обладнання.

Недоліки

Невелика кількість даних, які можна передати в одному пакеті (до 8 байт).

Великий розмір службових даних у пакеті (стосовно корисних даних).

Відсутність єдиного загальноприйнятого стандарту на протокол високого рівня, однак це і гідність. Стандарт мережі надає широкі можливості практично безпомилкової передачі даних між вузлами, залишаючи розробнику можливість вкласти у цей стандарт усе, що зможе поміститися.

USB-інтерфейс

У четвертому розділі даного дипломного проекту проводитиметься написання ППП для стенду тестування РПДП. На цьому стенді буде здійснюватися підключення до CAN USB, тому було вирішено вивчити USB-інтерфейс.

USB (Universal Serial Bus – універсальна послідовна шина) є промисловим стандартом розширення архітектури РС-комп'ютера.

Архітектура USB визначається такими критеріями:

Розширення периферії РС-комп'ютера, що легко реалізується;

Швидкість передачі до 12 Мбіт/с (версія 1.1); до 480 Мбіт/с (версія 2.0); до 4,8 Гбіт/с (версія 3.0);

Можливість інтеграції в РС-комп'ютерах будь-яких розмірів та конфігурацій;

Легке створення пристроїв-розширень РС-комп'ютерів.

З точки зору користувача важливими параметрами USB є:

Простота підключення до PC-комп'ютера, тобто. неможливо неправильно підключити пристрій;

Не потрібно вимикати живлення перед підключенням через особливості конструкції роз'ємів;

Приховування деталей електричного підключення від кінцевого користувача;

Самоідентифіковані периферійні пристрої (Plug & Play);

Можливість динамічного підключення периферійних пристроїв;

Малоспоживаючі пристрої (до 500 мА) можуть отримувати живлення прямо від USB-шини.

Фізичне з'єднання пристроїв здійснюється за топологією багатоярусної зірки. Центром кожної зірки є хаб (забезпечує додаткові точки підключення). Кожен кабельний сегмент з'єднує дві точки - хаб з іншим хабом або функцією (є кінцевим периферійним пристроєм). У системі є, причому тільки один, хост-контролер, розташований у вершині піраміди функцій та хабів і керуючий роботою всією системою. Хост-контролер інтегрується з кореневим хабом (Root Hub), що забезпечує одну або кілька точок підключення – портів. Контролер USB, що входить до складу чіпсетів, має вбудований двопортовий кореневий хаб.

Логічно пристрій, підключений до будь-якого порту хаба USB, може розглядатися як безпосередньо підключений до хост-контролера. Таким чином, точка підключення пристрою не є важливою.

Хост-контролер здійснює розподіл пропускної спроможності шини між пристроями. USB-шина дозволяє підключати, конфігурувати, використовувати та вимикати пристрої під час роботи хоста та самих пристроїв.

Функції є пристрої, здатні передавати або приймати дані або керуючу інформацію по шині. Типово функції є окремими периферійними пристроями, підключеними до порту хаба USB кабелем. Кожна функція надає конфігураційну інформацію, що описує можливості пристрою та вимоги до ресурсів. Перед використанням функція має бути налаштована хостом – їй має бути виділена смуга в каналі та обрані опції конфігурації.

Хаб є кабельним концентратором. Точки підключення називають портами хаба. Кожен хаб перетворює одну точку підключення у їх безліч. Архітектура припускає з'єднання кількох хабів. Кожен хаб має один висхідний порт (Upstream Port), призначений для підключення до хаба верхнього рівня і один або кілька низхідних портів (Downstream Port), призначених для підключення функцій або хабів нижнього рівня. Хаб розпізнає підключення та відключення пристроїв та керує подачею живлення на низхідні сегменти.

Для позбавлення програміста від рутинної роботи з написання драйвера, деякі операційні системи свідомо входять низькорівневі драйвера. У Windows входять:

драйвер хост-контролера (USB Bus Driver) відповідає за управління транзакціями, живленням та розпізнаванням пристроїв;

драйвер шини (USB Bus Driver) відповідає за управління транзакціями, живленням та розпізнаванням пристроїв;

драйвер класу (Class driver).

З погляду програміста найбільший інтерес представляють драйвер класу та інтерфейс звернення до цього драйвера. Тут операційна система робить крок на шляху до уніфікації інтерфейсів. Всі USB-пристрої поділяються на групи (хаби, HID-пристрої, аудіо, пристрої зберігання даних, принтери, пристрої комунікації), відповідно до загальних властивостей, виконуваних функцій та вимог до ресурсів. Для кожної групи пристроїв Windows надається окремий драйвер, який автоматично встановлюється при виявленні приладдя до однієї з груп. Таким чином, здебільшого жодних драйверів не потрібно.

USB HID (human interface device) class – клас пристроїв USB для взаємодії з людиною. Цей клас включає такі пристрої як клавіатура, миша, ігровий контролер. Це один з перших USB класів, що підтримуються операційною системою Windows. HID пристрій, крім введення даних у комп'ютер, може і отримувати їх від нього. При необхідності надсилання даних на HID пристрій необхідно ініціювати з'єднання з цим пристроєм і далі працювати з ним як зі звичайним файлом.

У цьому розділі було проведено огляд основних технологій передачі. Для здійснення процесу обміну інформацією між комп'ютером та поїздом було вирішено вивчити існуючі технології бездротової передачі даних з метою подальшого вибору найбільш підходящою (2 розділ).Крім бездротових технологій фізичного рівня, було розглянуто технології канального рівня (Ethernet, Frame Relay, ATM).

У цьому розділі також було розглянуто основні технології ідентифікації об'єктів. Серед них особлива увага була приділена радіочастотній та оптичній ідентифікації, які можна використовувати для ініціювання з'єднання стаціонарного пункту управління з реєстратором параметрів руху поїзда (РПДР).

Більшість жителів сучасних міст щодня передають чи отримують будь-які дані. Це можуть бути комп'ютерні файли, телевізійна картинка, радіотрансляція — все, що є якоюсь порцією корисної інформації. Технологічних способів передачі — величезна кількість. У багатьох сегментах інформаційних рішень модернізація відповідних каналів відбувається неймовірно динамічними темпами. На зміну звичним технологіям, які, здавалося б, цілком можуть задовольняти потреби людини, приходять нові, досконаліші. Зовсім недавно вихід до мережі через стільниковий телефонрозглядався майже як екзотика, але сьогодні подібна опція знайома більшості людей. Сучасні швидкості передачі файлів через інтернет, що вимірюються сотнями мегабіт за секунду, здавались чимось фантастичним першим користувачам Всесвітньої мережі. З яких типів інфраструктур можуть передаватися дані? Чим може бути обумовлений вибір того чи іншого каналу?

Основні механізми передачі

Поняття передачі може бути пов'язані з різними технологічними явищами. У випадку воно пов'язані з промисловістю комп'ютерних комунікацій. Передача даних у цьому аспекті – це обмін файлами (надсилання, отримання), папками та іншими реалізаціями машинного коду.

Термін, що розглядається, може корелювати також з нецифровою сферою комунікацій. Наприклад, трансляція ТВ-сигналу, радіо, робота телефонних ліній - якщо не йдеться про сучасні високотехнологічні інструменти - може здійснюватися за допомогою аналогових принципів. У цьому випадку передача даних є трансляцією електромагнітних сигналів за допомогою того чи іншого каналу.

Проміжне положення між двома технологічними реалізаціями передачі даних – цифровою та аналоговою – може займати мобільний зв'язок. Справа в тому, що деякі з технологій відповідних комунікацій відносяться до першого типу - наприклад, GSM-зв'язок, 3G або 4G-інтернет, інші характеризуються меншою комп'ютеризованістю, і тому можуть вважатися аналоговими - наприклад, голосовий зв'язок у стандартах AMPS або NTT.

Однак сучасний тренд розвитку комунікаційних технологій такий, що канали передачі даних, якого типу інформація не передавалася за допомогою них, активно «оцифровуються». У великих російських містах важко знайти телефонні лінії, що функціонують за аналоговими стандартами. Технології, подібні до AMPS, поступово втрачають актуальність і замінюються більш досконалими. Цифровим стає ТБ та радіо. Таким чином, ми маємо право розглядати сучасні технологіїпередачі даних головним чином цифровому контексті. Хоча історичний аспект залучення тих чи інших рішень, безумовно, буде корисно досліджувати.

Сучасні системи передачі даних можна класифікувати на 3 основні групи: реалізовані в комп'ютерних мережах, що використовуються в мобільних мережах, що є основою для організації трансляцій ТБ та радіо. Розглянемо їхню специфіку докладніше.

Технології передачі даних у комп'ютерних мережах

Основний предмет передачі в комп'ютерних мережах, як ми зазначили вище, — сукупність файлів, папок та інших продуктів реалізації машинного коду (наприклад, масивів, стеків тощо. буд.). Сучасні цифрові комунікації можуть функціонувати на базі найрізноманітніших стандартів. Серед найпоширеніших – TCP-IP. Основний його принцип — у привласненні комп'ютера унікальної IP-адреси, яка може використовуватися як головний орієнтир при передачі даних.

Обмін файлами в сучасних цифрових мережах може здійснюватися за допомогою дротових технологій або тих, у яких не передбачається використання кабелю. Класифікація відповідних інфраструктур першого типу може здійснюватися виходячи з конкретного різновиду дроту. У сучасних комп'ютерних мережах найчастіше використовуються:

Виті пари;

Оптоволоконні дроти;

Коаксіальні кабелі;

USB-кабелі;

Телефонні дроти.

Кожен із зазначених типів кабелів має як переваги, так і недоліки. Наприклад, кручена пара - дешевий, універсальний і простий у монтажі тип дроту, проте значно поступається оптоволокну за пропускною спроможністю (докладніше цей параметр ми розглянемо трохи пізніше). USB-кабели найменше пристосовані до передачі даних у межах комп'ютерних мереж, проте сумісні майже з будь-яким сучасним комп'ютером — дуже рідко можна зустріти ПК, не оснащений USB-портами. Коаксіальні кабелі достатньо захищені від перешкод і дозволяють забезпечувати передачу даних на дуже великі відстані.

Характеристики комп'ютерних мереж передачі даних

Корисно вивчити деякі ключові характеристики комп'ютерних мереж, у яких здійснюється обмін файлами. В числі найважливіших параметріввідповідної інфраструктури – пропускна спроможність. Дана характеристика дозволяє оцінити те, якими можуть бути максимальні показники швидкості та обсягу даних, що передаються в мережі. Власне, обидва вказані параметри також відносяться до ключових. Швидкість передачі даних – це фактичний показник, який відображає те, який обсяг файлів може спрямовуватися з одного комп'ютера на інший за проміжок часу. Розглянутий параметр найчастіше виявляється у бітах на секунду (на практиці, як правило, у кіло-, мега-, гігабітах, у потужних мережах - у терабітах).

Класифікація каналів передачі комп'ютерних даних

Обмін даними при залученні комп'ютерної інфраструктури може здійснюватися у вигляді трьох основних типів каналів: дуплексного, симплексного, і навіть полудуплексного. Канал першого типу передбачає, що пристрій передачі даних на ПК одночасно може бути також приймачем. Симплексні девайси, у свою чергу, здатні лише приймати сигнали. Напівдуплексні пристрої забезпечують використання функції прийому і передачі файлів по черзі.

Бездротова передача даних у комп'ютерних мережах здійснюється найчастіше через стандарти:

- "малого радіусу" (Bluetooth, ІЧ-порти);

- «середнього радіусу» - Wi-Fi;

- "великого радіусу" - 3G, 4G, WiMAX.

Швидкість, з якою передаються файли, може сильно відрізнятися залежно від того чи іншого стандарту зв'язку, так само як стійкість з'єднання та захищеність його від перешкод. Одним із оптимальних рішень для організації домашніх внутрішньокорпоративних комп'ютерних мереж вважається Wi-Fi. Якщо необхідна передача даних на далекі відстані - задіяні 3G, 4G, WiMax, або інші конкурентні щодо них технології. Зберігають затребуваність Bluetooth, меншою мірою — ІЧ-порти, оскільки їхнє залучення практично не вимагає від користувача тонкого налаштування девайсів, за допомогою яких здійснюється обмін файлами.

Найбільшу популярність стандарти "малого радіусу" мають в індустрії мобільних пристроїв. Так, передача даних на андроїд з іншої аналогічної ОС або сумісної часто здійснюється саме з за допомогою Bluetooth. Однак мобільні пристрої цілком успішно можуть інтегруватися також з комп'ютерними мережами, наприклад за допомогою Wi-Fi.

Комп'ютерна мережа передачі функціонує у вигляді залучення двох ресурсів — апаратного забезпечення та необхідного ПЗ. І те, й інше необхідно для організації повноцінного обміну файлами між ПК. Програми для передачі даних можуть задіятися різні. Їх можна умовно класифікувати за таким критерієм, як сфера застосування.

Є програмне забезпечення, адаптоване до використання веб-ресурсів - до таких рішень відносяться браузери. Є програми, які задіяні як інструмент голосового спілкування, доповненого можливістю організації відеочатів, наприклад, Skype.

Є програмне забезпечення, що відноситься до категорії системного. Відповідні рішення можуть практично не використовуватися користувачем, проте їх функціонування може бути необхідним для забезпечення обміну файлами. Як правило, подібне програмне забезпечення працює на рівні фонових програм у структурі операційної системи. Дані види програмного забезпечення дозволяють з'єднати ПК з мережевою інфраструктурою. На базі подібних підключень вже можуть використовуватися інструменти користувача - браузери, програми для організації відеочатів і т. д. Системні рішення важливі також і для забезпечення стабільності мережевих підключень між комп'ютерами.

Є програмне забезпечення, призначене для діагностики з'єднань. Так, якщо здійснити надійне підключення між ПК заважає та чи інша помилка передачі даних, її можна обчислити за допомогою відповідної програми для діагностики. Задіяння різних видів ПЗ — один із ключових критеріїв розмежування цифрових та аналогових технологій. При використанні інфраструктури передачі даних традиційного типу програмні рішеннямають, зазвичай, незрівнянно менший функціонал, ніж із вибудовуванні мереж з урахуванням цифрових концепцій.

Технології передачі даних у стільникових мережах

Вивчимо тепер те, як дані можуть передаватися в інших масштабних інфраструктурах. стільникових мережах. Розглядаючи даний технологічний сегмент, корисно буде приділити увагу історії розвитку відповідних рішень. Справа в тому, що стандарти, за допомогою яких здійснюється передача даних у стільникових мережах, розвиваються дуже динамічно. Деякі з розглянутих нами вище рішень, що використовуються в комп'ютерних мережах, зберігають актуальність протягом багатьох десятиліть. Особливо це простежується на прикладі провідних технологій — коаксіальний кабель, кручена пара, оптоволоконні дроти були впроваджені в практику комп'ютерних комунікацій дуже давно, але ресурс їх залучення далекий від вичерпання. У свою чергу, в мобільній індустрії майже щороку з'являються нові концепції, які з різним ступенем інтенсивності можуть впроваджуватися в практику.

Отже, еволюція технологій стільникового зв'язку починається з впровадження на початку 80-х років ранніх стандартів — таких як NMT. Можна наголосити, що його можливості не обмежувалися забезпеченням голосового зв'язку. Передача даних через NMT-мережі також була можлива, але за дуже маленької швидкості - близько 1,2 Кбіт/сек.

Наступний крок технологічної еволюції над ринком стільникового зв'язку пов'язані з використанням стандарту GSM. Швидкість передачі при його задіянні передбачалася набагато вища, ніж у разі використання NMT — близько 9,6 Кбіт/сек. Згодом стандарт GSM був доповнений технологією HSCSD, задія якої дозволило абонентам стільникового зв'язку передавати дані зі швидкістю 57,6 Кбіт/сек.

Пізніше з'явився стандарт GPRS, з якого стало можливо відокремлювати типово «комп'ютерний» трафік, що передається в каналах стільникового зв'язку, від голосового. Швидкість передачі при залученні GPRS могла досягати близько 171,2 Кбіт/сек. Наступним технологічним рішенням, запровадженим мобільними операторами, став стандарт EDGE. Він дозволив забезпечувати передачу даних із швидкістю 326 Кбіт/сек.

Розвиток інтернету зажадав від розробників технологій стільникового зв'язку впровадження рішень, які могли б стати конкурентними дротовими стандартами — насамперед за швидкістю передачі даних, а також стійкістю з'єднання. Значним кроком уперед стало виведення ринку стандарту UMTS. Дана технологіядозволила забезпечити обмін даними між абонентами мобільного оператора на швидкості до 2 Мбіт/сек.

Пізніше з'явився стандарт HSDPA, у якому передача і прийом файлів могли здійснюватися швидкості до 14,4 Мбіт/сек. Багато експертів цифрової індустрії вважають, що саме з моменту впровадження технології HSDPA стільникові оператори почали складати пряму конкуренцію інтернет-провайдерам, які залучають кабельні з'єднання.

Наприкінці 2000 років з'явився стандарт LTE та його конкурентні аналоги, за допомогою яких абоненти стільникових операторів отримали можливість обмінюватися файлами зі швидкістю кілька сотень мегабіт. Можна зазначити, що подібні ресурси навіть для користувачів провідних провідних каналів не завжди доступні. Більшість російських провайдерів передають своїм абонентам у розпорядження канал передачі даних зі швидкістю, яка не перевищує 100 Мбіт/сек, на практиці — найчастіше в кілька разів меншою.

Покоління стільникових технологій

Стандарт NMT зазвичай відноситься до покоління 1G. Технології GPRS та EDGE часто класифікуються як 2G, HSDPA – як 3G, LTE – як 4G. Слід зазначити, що кожен із зазначених рішень має конкурентні аналоги. Наприклад, до них щодо LTE деякі фахівці відносять WiMAX. Інші конкурентні щодо LTE рішення на ринку 4G-технологій - 1xEV-DO, IEEE 802.20. Є точка зору, за якою стандарт LTE все ж таки не цілком коректно класифікувати як 4G, оскільки за максимальної швидкостівін трохи не дотягує до показника, визначеного щодо концептуального 4G, що становить 1 Гбіт/сек. Таким чином, не виключено, що незабаром на світовому ринку стільникового зв'язку з'явиться новий стандарт, можливо ще більш досконалий, ніж 4G і здатний забезпечувати передачу даних з такою вражаючою швидкістю. Поки що серед тих рішень, що впроваджуються найбільш динамічно, — LTE. Провідні російські оператори активно модернізують відповідну інфраструктуру по всій країні - забезпечення якісної передачі даних за стандартом 4G стає однією з ключових конкурентних переваг на ринку стільникового зв'язку.

Технології трансляцій телебачення

Цифрові концепції передачі можуть бути задіяні також у медіаіндустрії. Довгий час інформаційні технологіїв організацію трансляцій телебачення і радіо впроваджувалися не надто активно — головним чином через обмежену рентабельність відповідних удосконалень. Часто задіялися рішення, що поєднували у собі цифрові та аналогові технології. Так, повною мірою «комп'ютеризованою» могла бути інфраструктура телецентру. Однак для абонентів телевізійних мереж транслювалися аналогові передачі.

У міру поширення інтернету та здешевлення каналів комп'ютерної передачіДані гравці телевізійної та радіоіндустрії стали активно «оцифровувати» свою інфраструктуру, інтегрувати її з IT-рішеннями. У різних країнах світу було затверджено стандарти телевізійного мовлення у цифровому форматі. З-поміж них найбільш поширеними вважаються DVB, адаптований для європейського ринку, ATSC, що використовується в США, ISDB, що задіяний у Японії.

Цифрові рішення у радіоіндустрії

Інформаційні технології також активно задіяні у радіоіндустрії. Можна зазначити, що такі рішення характеризуються певними перевагами порівняно з аналоговими стандартами. Так, у цифрових радіотрансляціях може бути досягнуто суттєво більш високої якості звуку, ніж при залученні FM-каналів. Цифрова мережа передачі даних теоретично дає радіостанціям можливість надсилання на радіоприймачі абонентів не лише голосового трафіку, але також будь-якого іншого медіаконтенту — картинок, відео, текстів. Відповідні рішення можуть бути впроваджені до інфраструктури організації цифрових телевізійних трансляцій.

Супутникові канали передачі даних

В окрему категорію слід виділити супутникові канали, з яких може здійснюватися передача даних. Формально ми маємо право віднести їх до бездротових, проте масштаби їхнього залучення такі, що поєднувати відповідні рішення в один клас з Wi-Fi і Bluetooth буде не цілком коректно. Супутникові канали передачі можуть бути задіяні - практично це так і відбувається - при вибудовуванні практично будь-якого типу інфраструктури зв'язку з тих, що перераховані нами вище.

За допомогою «тарілок» можна організовувати об'єднання ПК у мережі, підключати їх до інтернету, забезпечувати функціонування телевізійних та радіотрансляцій, підвищувати рівень технологічності мобільних сервісів. Основна перевага супутникових каналів - всеосяжність. Передача даних може бути здійснена при їхньому залученні практично в будь-яке місце планети - так само як і прийом - з будь-якої точки земної кулі. Є у супутникових рішень деякі технологічні недоліки. Наприклад, при передачі комп'ютерних файлів за допомогою "тарілки" може виникати помітна затримка відгуку, або "пінгу" - тимчасового проміжку між моментом надсилання файлу з одного ПК та отримання його на іншому.

Практично у будь-якої сучасної компанії існує потреба у покращенні ефективності мереж та технологій комп'ютерних систем. Одне з необхідних умовдля цього - безперешкодна передача інформації між серверами, сховищами даних, додатками та користувачами. Саме спосіб передачі даних інформаційних системахчасто стає "пляшковим шийкою" за продуктивністю, зводячи нанівець усі переваги сучасних серверів та систем зберігання. Розробники та системні адміністраторинамагаються усунути найбільш очевидні вузькі місця, хоч і знають, що після усунення вузького місця в одній частині системи воно виникає в іншій.

Протягом багатьох років вузькі місця виникали переважно на серверах, але в міру функціонального та технологічного розвитку серверів вони стали переміщатися у мережі та системи мережного зберігання даних. Останнім часом створені дуже великі масиви зберігання, що переносить вузькі місця у мережу. Зростання обсягів даних та його централізація, і навіть вимоги додатків нового покоління до пропускної спроможності часто поглинають всю смугу пропускання.

Коли перед менеджером інформаційної служби постає завдання створення нової чи розширення наявної системи обробки інформації, одним із найважливіших питань для нього буде вибір технології передачі даних. Ця проблема включає вибір не тільки мережевої технології, але і протоколу з'єднання різних периферійних пристроїв. Найбільш популярні рішення, що широко застосовуються для побудови мереж зберігання SAN (Storage Area Network), - це Fibre Channel, Ethernet та InfiniBand.

Технологія Ethernet

Сьогодні технологія Ethernet займає лідируючу позицію в секторі високопродуктивних локальних мереж. У всьому світі підприємства вкладають кошти в кабельні системи та обладнання для Ethernet, навчання персоналу. Широке поширення цієї технології дозволяє утримувати низькі цінина ринку, а вартість запровадження кожного нового покоління мереж має тенденцію до зниження. Постійне зростання обсягу трафіку в сучасних мережах змушує операторів, адміністраторів та архітекторів корпоративних мережпридивлятися до швидших мережевих технологій, щоб вирішити проблему дефіциту пропускної спроможності. Додавання до сімейства Ethernet стандарту 10-Gigabit Ethernet дозволяє підтримувати в локальних мережах нові ресурсоємні програми.

З'явившись понад чверть століття тому, технологія Ethernet незабаром стала домінуючою у побудові локальних мереж. Завдяки простоті інсталяції та супроводу, надійності та низькій вартості реалізації її популярність зросла настільки, що сьогодні можна сміливо стверджувати – майже весь трафік в Інтернеті починається та закінчується в Ethernet-мережах. Стандарт IEEE 802.3ae 10-Gigabit Ethernet, схвалений у червні 2002 р., став поворотним пунктом у розвитку цієї технології. З його появою сфера використання Ethernet розширюється до масштабів міських (MAN) та глобальних (WAN) мереж.

Існує ціла низка ринкових факторів, які, за твердженням галузевих аналітиків, сприяють виходу технології 10-Gigabit Ethernet на перший план. У розвитку мережевих технологій вже стала традиційною поява альянсу компаній-розробників, основне завдання якого полягає у просуванні нових мереж. Не стала винятком і 10-Gigabit Ethernet. У витоків цієї технології стояла організація 10-Gigabit Ethernet Alliance (10 GEA), в яку входили такі гіганти промисловості, як 3Com, Cisco, Nortel, Intel, Sun і багато інших (всього більше ста) компаній. Якщо попередніх версіях Fast Ethernet чи Gigabit Ethernet розробники запозичили окремі елементи інших технологій, то специфікації нового стандарту створювалися практично з нуля. Крім того, проект 10-Gigabit Ethernet був орієнтований на великі транспортні та магістральні мережі, наприклад, масштабу міста, тоді як навіть Gigabit Ethernet розроблявся виключно для застосування у локальних мережах.

Стандарт 10-Gigabit Ethernet передбачає передачу інформаційного потоку на швидкості до 10 Гбіт/с по одно- та багатомодовому оптичному кабелю. Залежно від середовища передачі відстань може становити від 65 м до 40 км. Новий стандарт мав забезпечити виконання таких основних технічних вимог:

• двонаправлений обмін даними у дуплексному режимі у мережах топології точка-точка;
• підтримка швидкості передачі даних 10 Гбіт/с на МАС-рівні;
• специфікація фізичного рівня LAN PHY для з'єднання з локальними мережами, що оперує на МАС-рівні зі швидкістю передачі 10 Гбіт/с;
• специфікація фізичного рівня WAN PHY для з'єднання з мережами SONET/SDH, що оперує на МАС-рівні зі швидкістю передачі даних, сумісною зі стандартом OC-192;
• визначення механізму пристрою швидкості передачі даних рівня МАС до швидкості передачі даних WAN PHY;
• підтримка двох типів оптоволоконного кабелю - одномодового (SMF) та багатомодового (MMF);
• специфікація незалежного середовища передачі інтерфейсу XGMII*;
• зворотна сумісність із попередніми версіями Ethernet (збереження формату пакета, розміру тощо).

* XG тут означає 10 Gigabit, а MII – Media Independent Interface.

Нагадаємо, що стандарт 10/100 Ethernet визначає два режими: напівдуплексний та дуплексний. Напівдуплексний у класичній версії передбачає використання розділюваного середовища передачі та протоколу CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection). Основні недоліки цього режиму - втрата ефективності при зростанні числа станцій, що одночасно працюють, і дистанційні обмеження, пов'язані з мінімальною довжиною пакета (що становить 64 байти). У технології Gigabit Ethernet для збереження мінімальної довжини пакета застосовується техніка розширення несучої, яка доповнює його до 512 байт. Оскільки стандарт 10-Gigabit Ethernet орієнтований на магістральні з'єднання типу точка-точка, напівдуплексний режим не входить до його специфікації. Отже, у разі довжина каналу обмежується лише характеристиками фізичного середовища, використовуваними пристроями прийому/передачі, потужністю сигналу і методами модуляції. Необхідну топологію можна забезпечити, наприклад, за допомогою комутаторів. Дуплексний режим передачі дає можливість зберегти мінімальний розмір пакета 64 байта без застосування техніки розширення несучої.

Відповідно до еталонної моделі взаємодії відкритих систем (OSI) мережева технологія визначається двома нижніми рівнями: фізичним (Layer 1, Physical) і канальним (Layer 2, Data Link). У цій схемі рівень фізичних пристроїв Ethernet (PHY) відповідає Layer 1, а рівень управління доступом до середовища (МАС) - Layer 2. У свою чергу, кожен із цих рівнів залежно від технології, що реалізується, може містити кілька підрівнів.

Рівень МАС (Media Access Control – рівень управління доступом до середовища) забезпечує логічне з'єднання між МАС-клієнтами однорангових (рівноправних) робочих станцій. Його основні функції - ініціалізація, керування та підтримка з'єднання з одноранговим вузлом мережі. Очевидно, що нормальна швидкість передачі даних від МАС-рівня до фізичного рівня PHY стандарту 10 Gigabit Ethernet становить 10 Гбіт/с. Однак рівень WAN PHY для узгодження з мережами SONET OC-192 має передавати дані з дещо меншою швидкістю. Це досягається за допомогою механізму динамічної адаптації міжкадрового інтервалу, що передбачає його збільшення на певний час.

Підрівень узгодження Reconciliation Sublayer (рис. 1) є інтерфейсом між послідовним потоком даних МАС-рівня і паралельним потоком підрівня XGMII. Він відображає октети даних рівня МАС на паралельні тракти XGMII. XGMII – це незалежний від середовища інтерфейс 10 Gigabit. Основна його функція полягає в тому, щоб забезпечити простий і легко реалізований інтерфейс між канальним та фізичним рівнями. Він ізолює канальний рівень від специфіки фізичного і цим дозволяє першому працювати на єдиному логічному рівні з різними реалізаціями другого. XGMII складається з двох незалежних каналів прийому та передачі, по кожному з яких передаються 32 біти даних з чотирьох 8-розрядних трактів.

Наступна частина стеку протоколів відноситься до фізичного рівня 10 Gigabit Ethernet. Архітектура Ethernet розбиває фізичний рівень на три рівні. Підрівень фізичного кодування PCS (Physical Coding Sublayer) виконує кодування/декодування потоку даних, що надходять від канального рівня та до нього. Підрівень підключення до фізичного середовища PMA (Physical Media Attachment) – це паралельно-послідовний (прямий та зворотний) перетворювач. Він виконує перетворення групи кодів у потік бітів для послідовної біт-орієнтованої передачі та зворотне перетворення. Цей же рівень забезпечує синхронізацію прийому/передачі. Залежний від середовища передачі даних під рівень PMD (Physical Media Dependent) відповідає за передачу сигналів у даному фізичному середовищі. Типові функції цього підрівня - формування та посилення сигналу, модуляція. Різні PMD-пристрої підтримують різноманітні фізичні середовища передачі. У свою чергу, залежний від середовища інтерфейс MDI (Media Dependent Interface) визначає типи конекторів для різних фізичних середовищ і PMD-пристроїв.

Технологія 10-Gigabit Ethernet забезпечує низьку в порівнянні з альтернативними вартість володіння, включаючи як вартість придбання, так і підтримки, оскільки інфраструктура мереж Ethernet, що є у замовників, легко взаємодіє з нею. Крім того, 10 Gigabit Ethernet приваблює адміністраторів вже знайомою організацією управління та можливістю застосувати накопичений досвід, оскільки вона використовує процеси, протоколи та засоби управління, які вже розгорнуті в існуючій інфраструктурі. Цей стандарт надає гнучкість при проектуванні з'єднань між серверами, комутаторами та маршрутизаторами. Таким чином, технологія Ethernet пропонує три основні переваги:

• простоту експлуатації,
• високу пропускну здатність,
• низьку вартість.

Крім того, вона простіша за деякі інші технології, тому що дозволяє пов'язувати мережі, розташовані в різних місцях, як частини єдиної мережі. Пропускна здатність Ethernet нарощується кроками від 1 до 10 Гбіт/с, що дозволяє ефективніше використовувати ємність мережі. Нарешті, обладнання Ethernet, зазвичай, більш економічно ефективно проти традиційним телекомунікаційним устаткуванням.

Для ілюстрації можливостей технології наведемо приклад. За допомогою мережі 10-Gigabit Ethernet група вчених, що працюють над проектом Japanese Data Reservoir (http://data-reservoir.adm.su-tokyo.ac.jp), передавала дані з Токіо до науково-дослідного центру фізики елементарних, що розташований у Женеві. частинок CERN. Лінія передачі даних перетнула 17 часових поясів, а її протяжність склала 11495 миль (18495 км). Лінія 10-Gigabit Ethernet з'єднала комп'ютери в Токіо та Женеві як частину однієї і тієї ж локальної мережі. У мережі застосовувалося оптичне обладнання та комутатори Ethernet від Cisco Systems, Foundry Networks та Nortel Networks.

В останні роки Ethernet стали широко застосовувати і оператори зв'язку – для з'єднання об'єктів у межах міста. Але мережа Ethernet може протягнутися ще далі, охопивши цілі континенти.

Fibre Channel

Технологія Fibre Channel дає можливість змінити архітектуру комп'ютерної мережі будь-якої великої організації. Справа в тому, що вона добре підходить для реалізації централізованої системи зберігання даних SAN, де дискові та стрічкові накопичувачі знаходяться у своїй окремій мережі, у тому числі територіально досить віддаленої від основних корпоративних серверів. Fibre Channel – це стандарт послідовних з'єднань, призначених для високошвидкісних комунікацій між серверами, накопичувачами, робочими станціями та концентраторами та комутаторами. Зазначимо, що цей інтерфейс практично універсальний, він використовується не тільки для підключення окремих накопичувачів та сховищ даних.

Коли з'явилися перші мережі, покликані об'єднати комп'ютери для спільної роботи, зручним та ефективним виявилося наблизити ресурси до робочих груп. Таким чином, у спробі мінімізувати мережеве навантаження накопичувачі інформації були рівномірно розділені між безліччю серверів та настільних комп'ютерів. У мережі одночасно існують два канали передачі даних: власне мережа, якою йде обмін між клієнтами і серверами, і канал, яким відбувається обмін даними між системною шиною комп'ютера і пристроєм зберігання. Це може бути канал між контролером та жорстким диском або між RAID-контролером та зовнішнім дисковим масивом.

Такий розділ каналів багато в чому пояснюється різними вимогами до пересилання даних. У мережі першому місці стоїть доставка потрібної інформації одному клієнту з безлічі можливих, навіщо необхідно створити певні і дуже складні механізми адресації. Крім того, мережевий каналпередбачає значні відстані, тому тут передачі даних переважно послідовне з'єднання. А ось канал зберігання виконує вкрай просте завдання, надаючи можливість обміну із заздалегідь відомим накопичувачем даних. Єдине, що від нього вимагається, робити це максимально швидко. Відстань тут зазвичай невеликі.

Однак сучасні мережі стикаються із завданнями обробки все більших та більших обсягів даних. Високошвидкісні мультимедіа-програми, обробка зображень вимагають набагато більшої швидкості введення-виводу, ніж будь-коли раніше. Організації змушені зберігати все більші обсяги даних у режимі online, що потребує збільшення ємності зовнішньої пам'яті. Необхідність страхового копіювання великих обсягів даних вимагає рознесення пристроїв вторинної пам'яті все більші відстані від серверів обробки. У ряді випадків виявляється, що об'єднати ресурси серверів та накопичувачів у єдиний пул для центру обробки інформації за допомогою Fibre Channel набагато ефективніше, ніж при використанні стандартного набору мережі Ethernet плюс інтерфейс SCSI.

Інститут ANSI зареєстрував робочу групу з розробки методу для високошвидкісного обміну даними між суперкомп'ютерами, робочими станціями, ПК, накопичувачами та пристроями відображення ще в 1988 р. А в 1992 р. три найбільші комп'ютерні компанії - IBM (http://www.ibm.com ), Sun Microsystems (http://www.sun.com) та HP (http://www.hp.com) створили ініціативну групу FSCI (Fiber Channel Systems Initiative), перед якою було поставлено завдання розробити метод швидкої передачі цифрових даних . Група виробила ряд попередніх специфікацій – профілів. Оскільки фізичним середовищем обмінюватись інформацією мали стати волоконно-оптичні кабелі, то й у назві технології фігурувало слово fiber. Проте через кілька років у відповідні рекомендації було додано можливість використовувати і мідні дроти. Тоді комітет ISO (International Standard Organization) запропонував замінити англійське написання fiber французьким fibre, щоб зменшити асоціації з волоконно-оптичним середовищем, зберігши при цьому практично початкове написання. Коли попередня робота з профілями була завершена, подальшу роботу з підтримки та розвитку нової технологіївзяла на себе Асоціація розробників волоконно-оптичного каналу FCA (Fibre Channel Association), що організаційно увійшла до комітету ANSI. Крім FCA була також створена незалежна робоча група FCLC (Fibre Channel Loop Community), яка почала займатися просуванням одного з варіантів технології Fibre Channel – FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop). В даний час всю координаційну роботу з просування технології Fibre Channel взяла на себе асоціація FCIA (Fibre Channel Industry Association, http://www.fibrechannel.org). У 1994 р. стандарт FC-PH (фізичне з'єднання та протокол передачі даних) був схвалений комітетом Т11 ANSI та отримав позначення X3.203-1994.

Технологія Fibre Channel має ряд переваг, які роблять цей стандарт зручним при організації обміну даними в групах комп'ютерів, а також при використанні як інтерфейс пристроїв масової пам'яті, в локальних мережах і при виборі засобів доступу до глобальних мереж. Одна з основних переваг цієї технології – висока швидкість передачі даних.

FC-AL – лише одна із трьох можливих топологій Fibre Channel, яка, зокрема, використовується для систем зберігання даних. Крім неї, можливі топологія точка-точка та зіркоподібна топологія, побудована на основі комутаторів та концентраторів. Мережа, яка побудована на основі комутаторів, що з'єднують безліч вузлів (мал. 2), у термінології Fibre Channel називається фабрикою (fabric).

Рис. 2. Фабрика з урахуванням Fibre Channel.

До "петлі" FC-AL можна включити до 126 пристроїв з можливістю гарячої заміни. При використанні коаксіального кабелю відстань між ними може досягати 30 м, у разі волоконно-оптичного кабелю воно збільшується до 10 км. В основу технології покладено методику простого переміщення даних з буфера передавача в буфер приймача з повним контролем цієї операції. Для FC-AL зовсім неважливо, як обробляються дані індивідуальними протоколами до і після приміщення в буфер, внаслідок чого тип даних (команди, пакети або кадри), що передаються, не відіграє ніякої ролі.

Архітектурна модель Fibre Channel у деталях описує параметри з'єднань та протоколи обміну між окремими вузлами. Ця модель може бути представлена ​​у вигляді п'яти функціональних рівнів, що визначають фізичний інтерфейс, протокол передачі, сигнальний протокол, загальні процедури та протокол відображення. Нумерація йде від найнижчого апаратного рівня FC-0, що відповідає за параметри фізичного з'єднання, до верхнього програмного FC-4, що взаємодіє з програмами вищого рівня. Протокол відображення забезпечує зв'язок з інтерфейсами вводу-виводу (SCSI, IPI, HIPPI, ESCON) та мережевими протоколами (802.2, IP). У цьому випадку всі протоколи, що підтримуються, можуть використовуватися одночасно. Наприклад, інтерфейс FC-AL, що працює з IP- та SCSI-протоколами, придатний як для обміну система-система, так і система-периферія. Це виключає потребу у додаткових контролерах вводу-виводу, істотно зменшує складність кабельної системи та, зрозуміло, загальну вартість.

Оскільки Fibre Channel - це низькорівневий протокол, що не містить команд вводу-виводу, то зв'язок із зовнішніми пристроями та комп'ютерами забезпечується протоколами вищого рівня, такими як SCSI та IP, для яких FC-PH служить транспортом. Мережеві протоколи та протоколи вводу-виводу (наприклад, команди SCSI) перетворюються на кадри протоколу FC-PH і доставляються до адресата. Будь-який пристрій (комп'ютер, сервер, принтер, накопичувач), що має можливість обмінюватися даними з використанням технології Fibre Channel, називається N_порт (Node port) або просто вузол. Таким чином, основне призначення Fibre Channel – можливість маніпулювати протоколами високого рівня, використовуючи різне середовище передачі та вже існуючі кабельні системи.

Висока надійність обміну при використанні Fibre Channel обумовлена ​​двопортовою архітектурою дискових пристроїв, циклічним контролем інформації, що передається, і заміною пристроїв у гарячому режимі. Протокол підтримує практично будь-які кабельні системи, що застосовуються сьогодні. Однак найбільшого поширення набули два носії - оптика і кручена пара. Оптичні канали використовуються для з'єднання між пристроями мережі Fibre Channel, а кручена пара – для з'єднання окремих компонентів у пристрої (наприклад, дисків у дисковій підсистемі).

Стандарт передбачає кілька смуг пропускання та забезпечує швидкість обміну 1, 2 або 4 Гбіт/с. З урахуванням того, що для з'єднання пристроїв застосовуються два оптичні кабелі, кожен з яких працює в одному напрямку, при збалансованому наборі операцій "запис-читання" швидкість обміну даними подвоюється. Іншими словами, Fibre Channel працює у повнодуплексному режимі. У перерахунку на мегабайти паспортна швидкість Fibre Channel складає відповідно 100, 200 та 400 Мбайт/с. Реально при 50%-ном співвідношенні операцій "запис-читання" швидкість інтерфейсу досягає 200, 400 та 800 Мбайт/с. В даний час найбільш популярні рішення Fibre Channel 2 Гбіт/с, оскільки вони мають найкраще співвідношення ціна/якість.

Зазначимо, що обладнання для Fibre Channel можна умовно розбити на чотири основні категорії: адаптери, концентратори, комутатори та маршрутизатори, причому останніх широкого поширення поки що не отримали.

Рішення на базі Fibre Channel зазвичай призначені для організацій, яким необхідно підтримувати великі обсяги інформації в режимі online, прискорити операції обміну з первинною та вторинною зовнішньою пам'яттю для мереж із інтенсивним обміном даних, а також при видаленні зовнішньої пам'яті від серверів на більші відстані, ніж це допускається у стандарті SCSI. Типові області застосування рішень Fibre Channel - бази та банки даних, системи аналізу та підтримки прийняття рішень, що базуються на великих обсягах даних, системи зберігання та обробки мультимедійної інформації для телебачення, кіностудій, а також системи, де диски мають бути видалені на значні відстані від серверів з міркувань безпеки.

Fibre Channel дає можливість відокремити всі потоки даних між серверами підприємства, архівування даних тощо від локальної мережі користувачів. У цьому варіанті можливості конфігурування величезні - будь-який сервер може звертатися до будь-якого дозволеного адміністратором системи дискового ресурсу, можливий доступ до одного і того ж диску декількох пристроїв одночасно, причому з дуже високою швидкістю. У цьому варіанті архівування даних теж стає легким та прозорим завданням. Будь-якої миті можна створити кластер, вивільнивши під нього ресурси на будь-якій із систем зберігання Fibre Channel. Масштабування також досить наочно і зрозуміло - залежно від того, яких можливостей не вистачає, можна додати або сервер (який буде куплений виходячи з його обчислювальних можливостей), або нову системузберігання.

Одна з дуже важливих і потрібних особливостей Fibre Channel – можливість сегментування або, як ще кажуть, зонування системи. Поділ на зони подібно до поділу на віртуальні мережі (Virtual LAN) у локальній мережі - пристрої, що знаходяться в різних зонах, не можуть "бачити" один одного. Поділ на зони можливий або за допомогою комутованої матриці (Switched Fabric) або на основі вказівки адреси WWN (World Wide Name). Адреса WWN подібна до MAC-адреси в мережах Ethernet, кожен FC-контролер має свою унікальну WWN-адресу, яку присвоює йому виробник, а будь-яка правильна система зберігання даних дозволяє ввести адреси тих контролерів або портів матриць, з якими цей пристрій дозволено працювати. Поділ на зони призначений насамперед підвищення безпеки і продуктивності мереж зберігання даних. На відміну від звичайної мережі, із зовнішнього світу не можна отримати доступ до закритого для даної зони пристрою.

InfiniBand

Архітектура InfiniBand визначає загальний стандарт для обробки операцій введення-виведення комунікаційних, мережевих підсистем та систем зберігання даних. Цей новий стандарт спричинив формування торгової асоціації InfiniBand Trade Association (IBTA, http://www.infinibandta.org). Простіше кажучи, InfiniBand - це стандарт архітектури введення-виведення нового покоління, який використовує мережевий підхід до з'єднання серверів, систем зберігання та мережевих пристроїв інформаційного центру.

Технологія InfiniBand розроблялася як відкрите рішення, яке могло б замінити всі інші мережеві технології в різних областях. Це стосувалося і загальновживаних технологій локальних мереж (усі види Ethernet та мереж зберігання, зокрема, Fibre Channel), і спеціалізованих кластерних мереж (Myrinet, SCI тощо), і навіть приєднання пристроїв введення-виводу в ПК як можливу заміну шин PCI і каналів введення-виводу, таких як SCSI. Крім того, інфраструктура InfiniBand могла б служити для об'єднання у єдину систему фрагментів, що використовують різні технології. Перевага InfiniBand перед спеціалізованими, орієнтованими на високопродуктивні кластери мережевими технологіями полягає у її універсальності. Корпорація Oracle, наприклад, підтримує InfiniBand у кластерних рішеннях. Рік тому HP та Oracle встановили рекорд продуктивності в тестах TPC-H (для баз даних ємністю 1 Тбайт) у InfiniBand-кластері на базі ProLiant DL585 з використанням СУБД Oracle 10g у середовищі Linux. Влітку 2005 р. IBM досягла рекордних показників для TPC-H (для баз даних ємністю 3 Тбайт) у середовищі DB2 та SuSE Linux Enterprise Server 9 у InfiniBand-кластері на базі xSeries 346. При цьому досягнута вартість однієї транзакції виявилася майже вдвічі нижчою, ніж у найближчих конкурентів.

Використовуючи техніку, яка називається комутованою мережевою структурою, або комутуючими ґратами, InfiniBand переносить трафік операцій введення-виводу з процесорів сервера на периферійні пристрої та інші процесори або сервери по всьому підприємству. Як фізичний канал використовується спеціальний кабель (лінк), що забезпечує швидкість передачі даних 2,5 Гбіт/с в обох напрямках (InfiniBand 1х). Архітектура організована як багаторівнева, вона включає чотири апаратні рівні та верхні рівні, що реалізуються програмно. У кожному фізичному каналі можна організувати безліч віртуальних каналів, надавши їм різні пріоритети. Для підвищення швидкості існують 4-кратні та 12-кратні версії InfiniBand, у яких використовується відповідно 16 та 48 проводів, а швидкості передачі даних по них дорівнюють 10 Гбіт/с (InfiniBand 4х) та 30 Гбіт/с (InfiniBand 12х).

Рішення на основі архітектури InfiniBand потрібні на чотирьох основних ринках: корпоративні центри даних (включаючи сховища даних), високопродуктивні комп'ютерні кластери, вбудовані програми та комунікації. Технологія InfiniBand дозволяє об'єднувати стандартні сервери в кластерні системи, щоб забезпечити центрам даних продуктивність, масштабованість та стійкість до збоїв - можливості, що зазвичай надаються лише платформами вищого класувартістю у мільйони доларів. Крім того, сховища InfiniBand можна підключати до кластерів серверів, що дозволяє пов'язати всі ресурси зберігання даних безпосередньо з обчислювальними ресурсами. Ринок високопродуктивних кластерів постійно агресивно шукає нові шляхи розширення обчислювальних можливостей і тому може отримати величезну вигоду з високої пропускної спроможності, низької латентності та чудової масштабованості, запропонованої недорогими продуктами InfiniBand. Вбудовані програми, такі як військові системи, системи, що працюють у реальному часі, обробка відеопотоків і т. д., отримають величезні переваги від надійності та гнучкості з'єднань InfiniBand. Крім того, ринок комунікацій постійно вимагає збільшення пропускної здатності з'єднань, чого вдається досягти завдяки 10- та 30-Гбіт/зі з'єднанням InfiniBand.

Фізично протоколу InfiniBand визначено електричні та механічні характеристики, у тому числі оптоволоконні та мідні кабелі, роз'єми, параметри, що задають властивості гарячої заміни. На рівні зв'язків визначені параметри пакетів, що передаються, операції, що зв'язують точку з точкою, особливості комутації в локальній підмережі. На мережному рівні визначаються правила маршрутизації пакетів між підмережами, усередині підмережі цей рівень не потрібний. Транспортний рівень забезпечує складання пакетів у повідомлення, мультиплексування каналів та транспортні служби.

Відзначимо деякі основні особливості архітектури InfiniBand. Для введення-виведення та кластеризації використовується єдина плата InfiniBand у сервері, що усуває потребу в окремих платах для комунікацій та систем зберігання даних (проте у випадку типового сервера рекомендується встановити дві такі картки, налаштовані для забезпечення надмірності). Достатньо всього одного з'єднання з комутатором InfiniBand на кожен сервер, IP-мережу або систему SAN (надмірність зводиться до простого дублювання з'єднання з іншим комутатором). Нарешті, архітектура InfiniBand вирішує проблеми з'єднань та обмеження смуги всередині сервера та при цьому забезпечує необхідну смугу та можливість комунікацій для зовнішніх систем зберігання.

Архітектура InfiniBand складається з трьох основних компонентів (рис. 3). HCA (Host Channel Adapter) встановлюється всередині сервера чи робочої станції, виконує функції головної (хоста). Він виступає як інтерфейс між контролером пам'яті та зовнішнім світом та служить для підключення хост-машин до мережевої інфраструктури на основі технології InfiniBand. Адаптер HCA реалізує протокол обміну повідомленнями та основний механізм прямого доступу до пам'яті. Він підключається до одного або більше комутаторів InfiniBand і може обмінюватись повідомленнями з одним або декількома TCA. Адаптер TCA (Target Channel Adapter) призначений для підключення до мережі InfiniBand таких пристроїв як накопичувачі, дискові масиви або мережеві контролери. Він, у свою чергу, служить інтерфейсом між комутатором InfiniBand та контролерами введення-виведення периферійних пристроїв. Ці контролери не обов'язково повинні бути одного типу або належати до одного класу, що дозволяє поєднувати в одну систему різні пристрої. Таким чином, TCA діє як проміжний фізичний шар між трафіком даних структури InfiniBand і більш традиційними контролерами введення-виводу для інших підсистем, таких, як Ethernet, SCSI і Fibre Channel. Слід зазначити, що TCA може взаємодіяти з HCA безпосередньо. Комутатори та маршрутизатори InfiniBand забезпечують центральні точки стикування, при цьому до керуючого HCA може бути підключено кілька адаптерів TCA. Комутатори InfiniBand утворюють ядро ​​мережної інфраструктури. За допомогою безлічі каналів вони з'єднуються між собою та з TCA; при цьому можуть бути реалізовані такі механізми, як угруповання каналів та балансування навантаження. Якщо комутатори функціонують у межах однієї підмережі, утвореної безпосередньо під'єднаними пристроями, маршрутизатори InfiniBand об'єднують ці підмережі, встановлюючи зв'язок між декількома комутаторами.

Рис. 3. Основні компоненти SAN мережі на основі InfiniBand.

Більшість розвинених логічних можливостей системи InfiniBand вбудована в адаптери, які підключають вузли до системи вводу-виводу. Кожен тип адаптера розвантажує хост від виконання завдань транспортування, використовуючи канальний адаптер InfiniBand, який відповідає за організацію повідомлень введення-виведення в пакети для доставки даних через мережу. В результаті ОС на хості та процесор сервера звільняються від цього завдання. Варто звернути увагу, що така організація докорінно відрізняється від того, що відбувається при комунікаціях на основі протоколу TCP/IP.

У InfiniBand визначено досить гнучкий набір ліній зв'язку та механізмів транспортного рівня, що забезпечує точне настроювання характеристик мережі SAN на базі InfiniBand залежно від прикладних вимог, до яких входять:

• пакети змінного розміру;
• максимальний розмір одиниці передачі: 256, 512 байт, 1, 2, 4 Кбайт;
• заголовки локальної траси рівня 2 (LRH, Local Route Header) для направлення пакетів у потрібний порт канального адаптера;
• додатковий заголовок рівня 3 для глобальної маршрутизації (GRH, Global Route Header);
• підтримка групової передачі;
• варіантні та інваріантні контрольні суми (VCRC та ICRC) для забезпечення цілісності даних.

Максимальний розмір одиниці передачі визначає такі характеристики системи, як нестійкість синхронізації пакетів, величина накладних витрат на інкапсуляцію та тривалість затримки, що використовуються для розробки систем з кількома протоколами. Можливість опускати відомості про глобальний маршрут при пересиланні до пункту призначення локальної підмережі знижує витрати локального обміну даними. Код VCRC розраховується заново кожного разу при проходженні чергової ланки каналу зв'язку, а код ICRC - при отриманні пакета пунктом призначення, що гарантує цілісність передачі по ланці та всьому каналу зв'язку.

У InfiniBand визначено управління потоком на основі дозволів - для запобігання блокуванням головного пакета (head of line blocking) та втрат пакетів, - а також управління потоком на канальному рівні та наскрізне управління потоком. За своїми можливостями управління на канальному рівні на основі дозволів перевершує широко поширений протокол XON/XOFF, усуваючи обмеження на максимальну дальність зв'язку та забезпечуючи найкраще використання лінії зв'язку. Приймальний кінець лінії зв'язку посилає передавальному пристрої дозволу із зазначенням обсягу даних, який можна отримувати надійно. Дані не передаються доти, доки приймач не надішле дозвіл, що свідчить про наявність вільного просторуу приймальному буфері. Механізм передачі дозволів між пристроями вбудований у протоколи з'єднань та ліній зв'язку для гарантії надійності керування потоком. Управління потоком на канальному рівні організоване для кожного віртуального каналу окремо, що запобігає поширенню конфліктів передачі, властиве іншим технологіям.

За допомогою InfiniBand зв'язок із віддаленими модулями зберігання, мережеві функції та з'єднання між серверами будуть здійснюватися за рахунок підключення всіх пристроїв через центральну, уніфіковану структуру комутаторів та каналів. Архітектура InfiniBand дозволяє розміщувати пристрої вводу-виводу на відстані до 17 м від сервера за допомогою мідного дроту, а також до 300 м за допомогою багатомодового волоконно-оптичного кабелю та до 10 км – за допомогою одномодового волокна.

Сьогодні InfiniBand поступово знову набирає популярності як технологія магістралі для кластерів серверів і систем зберігання, а в центрах обробки даних - як основа для з'єднань між серверами та системами зберігання. Велику роботу проводить у цьому напрямі організація, яку називають альянсом OpenIB (Open InfiniBand Alliance, http://www.openib.org). Зокрема, цей альянс ставить за мету розробку стандартного програмного стеку підтримки InfiniBand з відкритим кодомдля Linux та Windows. Рік тому підтримка технології InfiniBand була офіційно включена до складу ядра Linux. Крім того, наприкінці 2005 року представники OpenIB продемонстрували можливість використання технології InfiniBand на великих дистанціях. Найкращим досягненням у ході демонстрації стала передача даних на швидкості 10 Гбіт/c на відстань 80,5 км. В експерименті брали участь центри обробки даних низки підприємств та наукових організацій. На кожному з пунктів протокол InfiniBand інкапсулювався в інтерфейси SONET OC-192c, ATM або 10 Gigabit Ethernet без зниження пропускної здатності.

Сучасні системи передачі - це обчислювальні сети. Сукупність всіх абонентів обчислювальної мережі називають абонентською мережею. Засоби зв'язку та передачі утворюють мережу передачі (рис. 2.1).

Рис. 2.1 - Структурна схемамережі ЕОМ.

Мережа передачі складається з безлічі територіально розосереджених вузлів комутації, з'єднаних друг з одним і з абонентами мережі з допомогою різних каналів зв'язку.

Вузол комутації є комплексом технічних і програмних засобів, що забезпечують комутацію каналів, повідомлень або пакетів. При цьому термін комутація означає процедуру розподілу інформації, при якій потік даних, що надходять у вузол одним каналам зв'язку, передається з вузла іншим каналам зв'язку з урахуванням необхідного маршруту передачі.

Концентратор мережі передачі даних являє собою пристрій, що об'єднує навантаження декількох каналів передачі даних для подальшої передачі по меншому числу каналів. Використання концентраторів дозволяє зменшити витрати на організацію каналів зв'язку, що забезпечують підключення абонентів до мережі передачі даних.

Канал зв'язку є сукупністю технічних засобів та середовища поширення, що забезпечує передачу повідомлення будь-якого виду від джерела до отримувача за допомогою сигналів електрозв'язку.

Структура мережі ЕОМ, побудована за принципом організації обміну інформацією через вузли комутації мережі передачі даних, передбачає, що абоненти мережі не мають між собою прямих (виділених) каналів зв'язку, а з'єднується з найближчим вузлом комутації і через нього (та інші проміжні вузли) з будь-яким іншим абонентом цієї або навіть іншої мережі ЕОМ.

Перевагами побудови мереж ЕОМ з використанням вузлів комутації мережі передачі даних є: значне скорочення загальної кількості каналів зв'язку та їх протяжності через відсутність вкрай важливості організації прямих каналів між різними абонентами мережі; високий рівень використання пропускної спроможності каналів зв'язку рахунок використання тих самих каналів передачі різних видів інформації між абонентами мережі; можливість уніфікації технічних рішень щодо програмно-технічних засобів обміну для різних абонентів мережі, включаючи створення вузлів інтегрального обслуговування, здатних здійснювати комутацію інформаційних потоків, що містять сигнали даних, голоси, телефаксу та відео.

Сьогодні в мережах передачі даних застосовуються три методи комутації: комутація каналів, комутація повідомлень та комутація пакетів.

При комутації каналів мережі створюється безпосереднє з'єднання шляхом створення наскрізного каналу передачі даних (без проміжного накопичення інформації при передачі). Фізичний сенс комутації каналів полягає по суті в тому, що до початку передачі інформації в мережі через вузли комутації встановлюється безпосереднє електричне з'єднання між абонентом-відправником і одержувачем повідомлення. Таке з'єднання встановлюється шляхом надсилання відправником спеціального повідомлення-виклику, що містить номер (адреса) викликаного абонента, і при проходженні по мережі займає канали зв'язку на всьому шляху подальшої передачі повідомлення. Очевидно, що при комутації каналів всі складові частини наскрізного каналу зв'язку, що формується, повинні бути вільними. Якщо на якійсь ділянці мережі не буде забезпечено проходження виклику (наприклад, немає вільних каналів між вузлами комутації, що становлять шлях передачі повідомлення), то абонент, що викликає, відмовляється у встановленні з'єднання і для мережі його виклик вважається втраченим. передачі повідомлення абонент-відправник має виклик повторити

Після встановлення з'єднання абонент-відправник отримує повідомлення про те, що він може розпочинати передачу даних. Принциповою особливістю комутації каналів є те, що всі канали, зайняті при встановленні з'єднання, використовуються в передачі даних одночасно і звільняються тільки після завершення передачі даних між абонентами. Типовим прикладом мережі з комутацією каналів є мережа телефонного зв'язку.

При комутації повідомлень проводиться прийом і накопичення повідомлення у вузлі комутації, та був здійснюється його наступна передача. З цього визначення випливає основна відмінність комутації повідомлень від комутації каналів, що полягає по суті в тому, що при комутації повідомлень відбувається проміжне зберігання повідомлень у вузлах комутації і проводиться їх обробка (визначення пріоритету повідомлення, та архів тощо). Для обробки повідомлень вони повинні мати прийнятий мережі формат, тобто однотипне розташування окремих елементів повідомлення. Повідомлення від абонента спочатку надходить у вузол комутації мережі, до якого підключено даний абонент. Далі у вузлі виробляється обробка повідомлення визначається напрям його подальшої передачі з урахуванням адреси. Якщо всі канали у вибраному напрямку передачі зайняті, то повідомлення очікує у черзі моменту звільнення потрібного каналу. Після досягнення повідомленням вузла мережі, якого підключений абонент-одержувач, повідомлення видається у повному обсязі каналом зв'язку між цим вузлом і абонентом. Відповідь при проходженні по мережі в будь-який момент часу займає лише один канал зв'язку.

Комутація пакет визначається як різновид комутації повідомлень, при якій повідомлення розбиваються на частини, звані пакетами, і передаються, приймаються і накопичуються у вигляді таких пакетів даних.

Ці пакети нумеруються та забезпечуються адресами, що дозволяємо передавати їх по мережі одночасно і незалежно один від одного.